Công nghệ duy nhất trên thế giới
Chuyển hóa bùn giấy thải thành vật liệu có giá trị cao là đề tài nghiên cứu của nhóm do PGS.TS Nguyễn Đình Quân, Trưởng phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đứng đầu.
Chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (BC) và từ BC tạo ra cellulose nano tinh thể (CNC) là công nghệ duy nhất ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay, theo TS Quân.
Chuyên môn sâu về nhiên liệu sinh học, TS Quân nhiều năm trăn trở giải bài toán chất thải nhà máy giấy. Ngành công nghiệp giấy có lượng chất thải và nước thải rất lớn. Được lắng nổi từ nước thải và ép vắt nước, lượng bùn giấy của một nhà máy trung bình lên đến hàng tấn/ngày với thành phần chính là cellulose bột giấy rửa trôi trong quá trình xeo giấy.
Bùn giấy sau ép nước có màu đen xám, không có ứng dụng nào đáng kể. Tuy nhiên, TS Quân nhận thấy những sợi cellulose bột giấy trong nước thải tận dụng được.
Ban đầu, nhóm nghiên cứu nghĩ bùn thải phù hợp để làm giá thể trồng nấm. Nhưng thử nghiệm xong, TS Quân phát hiện ra vật liệu này có nhiều tạp chất hóa học, đặc biệt là kim loại nặng, không dùng được cho thực phẩm dù khi trồng, nấm vẫn sinh trưởng tốt. Anh chuyển hướng tận dụng làm vật liệu độn bê tông, ép làm vỉ bao bì, vỉ trứng, nhưng cũng không khả quan.
Công việc chuyên môn là nghiên cứu chuyển hóa cellulose thành ethanol, còn gọi là cồn sinh học thế hệ hai, TS Quân cũng nghĩ đến việc thủy phân bùn thải nhà máy giấy cho lên men thành sản phẩm dễ ứng dụng, rẻ tiền.
Các nghiên cứu về chuyển hóa cellulose bùn giấy thành nguyên vật liệu như ethanol, butanol, acid acetic… không mới, nhưng sản phẩm sau chuyển hóa phải trích ly, chưng cất, xử lý phức tạp, tốn dung môi và năng lượng. Do đó anh nghĩ đến việc thủy phân bùn giấy rồi lên men thành màng cellulose vi khuẩn (BC), bản chất tương tự như thạch dừa.
Đây là dạng cellulose tự do, có cấu trúc mạng lưới 3D sợi nano rất dai và bền. Ở giải pháp này, BC có thể dễ dàng thu nhận bằng cách vớt ra khỏi dung dịch và làm sạch sơ chế. BC là loại nguyên liệu sinh học mới mà nhiều nơi trên thế giới dùng sản xuất bao bì, giấy, vải, màng lọc, vật liệu composite, sơn phủ...
Năm 2019, GS Hoàng Mạnh (Đại học Victoria, Australia) là Trưởng phòng R&D của Công ty CP Giấy An Bình (Thành phố Thủ Đức) đặt vấn đề hợp tác nghiên cứu, tìm đầu ra ứng dụng cho bùn thải của nhà máy. TS Quân đã phối hợp cùng Công ty An Bình nghiên cứu công nghệ chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (BC).
Tận dụng bùn để không có phế thải
Bùn giấy chứa 60 - 70% là cellulose bột giấy đã trải qua quá trình “nấu” nên rất dễ thủy phân. Nhận thấy sự thuận lợi này, nhóm nghiên cứu đã dùng acid loãng để thủy phân thành đường glucose, sau đó dùng vi khuẩn Acetobacter Xylinum (vi khuẩn làm thạch dừa) lên men đường thành màng BC.
Kết quả thủy phân và lên men bùn giấy ép nước của nhà máy giấy An Bình cho thấy, hiệu suất chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành BC lên đến 72%.
Điều thú vị là việc tạo cellulose vi khuẩn từ bùn giấy để rồi có thể dùng chính sản phẩm đó làm nguyên phụ liệu sản xuất giấy giúp làm tăng sự bền vững của quá trình sản xuất, tăng thêm giá trị, giảm gánh nặng xử lý nguồn thải của nhà máy.
Bên cạnh BC, việc thủy phân cellulose để thu các hạt cellulose tinh thể kích thước nano (CNC) được nhóm nghiên cứu tính đến. CNC là vật liêu sinh học cao cấp nhất, nhẹ như gỗ nhưng lại có độ bền cứng gấp hàng chục lần thép, được quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu ứng dụng làm áo giáp chống đạn.
Theo TS Quân, quy trình thủy phân BC để thu CNC đơn giản hơn nhiều so với thủy phân cellulose thực vật như các công ty sản xuất CNC trên thế giới thường làm.
“Hầu hết các nhà sản xuất cellulose nano tinh thể hiện nay trên thế giới đều dùng cellulose thực vật. Ví dụ tập đoàn sản xuất giấy Nippon (Nhật Bản) dùng lignocellulose từ gỗ, trải qua các công đoạn tiền xử lý phức tạp mới thu được cellulose để từ cellulose đó mới làm ra nanocellulose tinh thể. Quy trình của chúng tôi có thể đơn giản hơn rất nhiều vì không phải tiền xử lý nguyên liệu cellulose”, TS Quân cho biết.
Ông Mai Văn Phúc, Trưởng phòng Quản lý Chất lượng, Công ty CP Giấy An Bình cho biết, trước đây, công ty phải chi một khoản tiền khá lớn để xử lý nước thải và bùn thải. Theo giá thị trường, để xử lý 1 tấn bùn thải, mất từ 20.000 - 500.000 đồng.
Lượng bùn thải của công ty mỗi ngày khoảng 35 - 50 tấn. Nếu áp dụng công nghệ này, chi phí xử lý giảm từ 50 - 70%. Thay vì phải xử lý rồi vận chuyển, đổ bỏ, bùn thải đã được tái sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, cao cấp nhất là nguyện liệu sử dụng làm áo chống đạn.
“Lượng cặn bùn không thể tái sử dụng, chúng tôi tận dụng để sản xuất vỉ trứng. Như vậy, bùn thải gần như được tái sử dụng hết, đem lại hiệu quả rất lớn”, ông Phúc nói.
Nghiên cứu này của PGS.TS Phạm Đình Quân và cộng sự vừa nhận giải Ba cuộc thi Sáng tạo khởi nghiệp công nghệ Asian Entrepreneur Award 2021 tổ chức tại Nhật Bản. Nhóm mong muốn được mở rộng hợp tác với các doanh nghiệp ngành giấy hoặc các đơn vị quan tâm đến ý tưởng giải pháp.
