Tìm 'vàng' trong bùn thải nhà máy giấy

PGS.TS Nguyễn Đình Quân đại diện nhóm tác giả nhận Giải Nhất, cuộc thi Sáng kiến khoa học năm 2024.

Từ bùn giấy, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TPHCM đã chuyển thành vi khuẩn ứng dụng trong nhựa sinh học, dệt may, màng lọc nano, da/gỗ nhân tạo, áo chống đạn và sản xuất giấy.

Chuyển hóa thành cellulose vi khuẩn

PGS.TS Nguyễn Đình Quân - trưởng nhóm nghiên cứu Biomass Lab “Công nghệ chuyển hóa bùn giấy thành cellulose vi khuẩn” cho biết, giấy được sản xuất từ bột giấy.

Bột giấy được chế biến từ lignocellulose thực vật (gỗ, bã mía, bông) bằng cách loại bỏ lignin, hemicellulose và thu cellulose, vốn chiếm 50 - 60% khối lượng sinh khối ban đầu. Quá trình này tiêu tốn rất nhiều năng lượng, hóa chất, và nước sạch. Vì thế, bột giấy là một nguyên liệu có giá trị.

Giá thành thương mại của bột giấy là 600 - 1200 USD/tấn tùy theo độ trắng, cơ lý tính, và tỷ lệ tạp chất. Tuy nhiên, quá trình sản xuất giấy luôn bị thất thoát khoảng 10% bột giấy theo nước thải.

Và đây là một sự lãng phí vô cùng lớn chưa có giải pháp giải quyết triệt để. PGS.TS Nguyễn Đình Quân đã cùng các sinh viên bắt tay nghiên cứu với mục đích tận dụng nguồn bột giấy thất thoát đó.

“Ước tính, một nhà máy giấy tái chế năng suất trung bình thải ra 4 - 5 tấn bùn giấy ép nước/ngày. Và toàn ngành giấy Việt Nam mỗi năm thải ra hàng trăm nghìn tấn bùn giấy chứa cellulose bột giấy quy đổi hàng trăm triệu USD. Rõ ràng, bột giấy tồn dư trong bùn giấy là một nguồn nguyên liệu có giá trị quy mô lớn, đã và đang bị lãng phí vì chưa có giải pháp xử lý phù hợp”, PGS.TS Nguyễn Đình Quân nói.

Nhóm nghiên cứu Biomass Lab đã chuyển hóa bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (là dạng cellulose có hình thái nano cấu trúc 3D) bằng phương pháp hóa sinh kết hợp. Quy trình gồm hai giai đoạn khá đơn giản về mặt khoa học, nhưng đòi hỏi các biện pháp kỹ thuật sáng tạo để giải quyết thực tiễn.

Ở giai đoạn đầu, bùn giấy được tiền xử lý để loại bỏ các hóa chất bông tụ trong xử lý nước (aluminum polyacrylate, phèn chua…) rồi thủy phân bằng xcid loãng để thu dung dịch đường glucose. Dung dịch lại được trung hòa, khử muối để trở nên phù hợp cho môi trường sống của vi khuẩn Acetobacter Xylinum.

Sau đó, dung dịch được lên men với vi khuẩn Acetobacter Xylinum để thu các màng cellulose vi khuẩn (BC) nổi lên bề mặt. Các màng BC này dày, chắc (tương tự thạch dừa), là dạng nanocellulose có cấu trúc 3D với nhiều tiềm năng ứng dụng.

PGS.TS Nguyễn Đình Quân cho biết, nhóm nghiên cứu đã áp dụng giải pháp này ở quy mô thử nghiệm pilot tại nhà máy giấy Thuận An (Bình Dương) và nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước).

Cellulose vi khuẩn thu được từ thủy phân và lên men bùn giấy đã được thu nhận và xay nhỏ rồi trộn vào bột giấy với tỷ lệ 10 - 20% để thu được giấy có chất lượng cải thiện đáng kể. Lí do là vì cellulose vi khuẩn có cấu trúc sợi nano 3D rất mịn nên giúp các sợi giấy bó chặt vào nhau hơn, tạo nên bề mặt giấy mịn, láng, cơ tính vượt trội.

Tiềm năng ứng dụng rất lớn

Điều đáng nói, việc nhóm nghiên cứu thử nghiệm dùng cellulose vi khuẩn để làm phụ gia tăng cường chất liệu của giấy thành phẩm tại nhà máy Thuận An và Khôi Nguyên chỉ là một ví dụ của rất nhiều ứng dụng tiềm năng của sản phẩm này.

Cellulose vi khuẩn là dạng cellulose nano cấu trúc mạng lưới 3D không chứa các thành phần bao bọc phức tạp như lignocellulose thực vật. Vì vậy, các ứng dụng tiềm năng khác của cellulose vi khuẩn lên men từ bùn giấy có thể kể đến là làm bao bì, gõ nhân tạo, vải nhân tạo, da nhân tạo; chất mang trong các cấu trúc vật liệu nanocomposite nguồn gốc sinh học; vật liệu công nghệ cao trong lĩnh vực điện tử, bán dẫn; Vật liệu sinh học trong y tế, mỹ phẩm, hóa chất; tiền chất tạo nano cellulose tinh thể, là vật liệu sinh học cao cấp nhất được ứng dụng làm áo giáp chống đạn.

Với nghiên cứu này, bùn thải không còn là một chất thải thuần túy mang lại gánh nặng xử lý cho nhà máy giấy (hiện nay, hầu như tất cả nhà máy giấy tại Việt Nam đều xử lý bùn giấy bằng cách ép nước và tiêu hủy trong lò đốt), mà còn là sự lãng phí nhất định nguồn cellulose bột giấy có giá trị.

Nếu bùn giấy thải được tận dụng để làm nguyên liệu giấy, thì điều này không chỉ giúp ngành công nghiệp giấy có thêm sản phẩm với giá trị gia tăng, mà còn làm bền vững quá trình sản xuất, phù hợp với xu hướng xây dựng nền kinh tế tuần hoàn.

Nghiên cứu này mang ý nghĩa cao về khái niệm kinh tế tuần hoàn, là một trong những chính sách quan trọng của nhân loại nói chung, Chính phủ nước ta nói riêng đã đặt ra cho các định hướng phát triển về khoa học kỹ thuật và nền sản xuất. Một nguồn chất thải khối lượng rất lớn của một ngành công nghiệp quan trọng được chuyển hóa thành nguyên vật liệu có thể ứng dụng trở lại ngay trong quy trình sản xuất với phương thức đơn giản.

PGS.TS Nguyễn Đình Quân cho biết, giải pháp chuyển hóa bùn giấy nhà máy giấy thành cellulose vi khuẩn không chỉ giúp nhà máy giải quyết được một phần gánh nặng xử lý chất thải, mà còn góp phần vào nền kinh tế tuần hoàn, tái sử dụng khôn ngoan tạo sự bền vững trong sản xuất. Sản phẩm cellulose vi khuẩn là một nguyên liệu giá trị, tiềm năng có thể được tạo ra với số lượng lớn từ nguồn phế thải khổng lồ của ngành công nghiệp giấy.

Với lực lượng chuyên môn cao, máy móc thiết bị sẵn có (trong đó có 1 xưởng thử nghiệm pilot trị giá 1 triệu USD kế thừa của dự án JICA-JST hợp tác giữa Việt Nam - Đại học Quốc gia TPHCM và Nhật Bản - Đại học Tokyo), giải pháp hoàn toàn có thể phát triển sâu hơn, nghiên cứu xa hơn, để phát triển hơn nữa hiệu quả ứng dụng vào thực tiễn.

Nhóm nghiên cứu cho biết hiện ở Việt Nam, chưa có nghiên cứu nào về việc tận dụng bùn giấy thải (nguồn cellulose phế thải chất lượng rất thấp) để chuyển hóa thành nguồn cellulose chất lượng cao. Chưa có hoặc rất ít các nghiên cứu ứng dụng công nghệ lên men từ bùn giấy để làm nguyên liệu giấy. Bởi vậy, đây là nghiên cứu tiên phong để tận dụng nguồn phế thải khổng lồ từ các nhà máy giấy.

Chi Mai