Nghiên cứu vật liệu mới cứng gấp 8 lần thép từ bùn giấy

PGS.TS Nguyễn Đình Quân (bìa trái) hướng dẫn sinh viên tại Phòng thí nghiệm Nhiên liệu Sinh học và Biomass.

Cuộc thi Sáng tạo khởi nghiệp công nghệ Asian Entrepreneur Award 2021 do trường Đại học Tokyo (Nhật Bản), Japan Academic Society for Ventures and Entrepreneurs (JASVE) và Tổ chức Xúc tiến thương mại Nhật Bản (JETRO) tổ chức.

Cuộc thi thu hút sự tham gia của nhiều startup công nghệ từ Nhật, Nga, Trung Quốc, Singapore, Đài Loan, Ấn Độ, Malaysia, Thái Lan, New Zealand…

Sau khi vượt qua 3 vòng thi (vòng loại lấy 30 đội; vòng bán kết lấy 6 đội; vòng chung kết lấy 3 đội), dự án Chuyển hóa bùn giấy thải thành vật liệu có giá trị cao do nhóm Biomass Lab (Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM) nghiên cứu đã được trao giải Ba – bởi tính khả thi, có thể tận dụng được bùn thải giấy công nghiệp; quy trình sản xuất đơn giản và có thể tạo ra sản phẩm là nguyên liệu sinh học có tiềm năng ứng dụng rộng rãi và thực tế.

Nhóm Biomass Lab gồm các thành viên là: PGS.TS Nguyễn Đình Quân, ThS. Trần Thị Tưởng An, KS. Lê Tấn Nhân Từ, ThS. Phạm Thị Tuyết, các sinh viên chương trình Đào tạo Chất lượng Cao OISP của trường Đại học Bách Khoa bao gồm: Nguyễn Long Hoàng, Nguyễn Hoàng Phong, Nguyễn Thanh Phúc Thịnh, Trương Khải Vinh, Hoàng Hữu Quốc, Lưu Quan Sâm.

Vật liệu mới có độ bền cao, có thể ứng dụng làm áo giáp chống đạn

PGS.TS Nguyễn Đình Quân cho biết, ngành công nghiệp giấy là ngành sản xuất vô cùng quan trọng. Đây cũng là ngành có lượng chất thải và nước thải rất lớn. Vì thế, chi phí xử lý chất thải của nhà máy giấy rất cao. Trong đó, bùn giấy là những sợi cellulose bột giấy lắng nổi từ nước thải, là nguồn ô nhiễm hữu cơ cần phải xử lý.

Lượng bùn giấy thải của một nhà máy giấy có thể lên đến hàng chục tấn/ngày dù đã qua xử lý ép nước. Bùn giấy sau ép nước nhìn tựa như đất đen xám, không có ứng dụng nào đáng kể mà là một phần gánh nặng xử lý của doanh nghiệp làm giấy.

Nhằm bảo vệ môi trường và hướng đến cải tiến quy trình sản xuất xanh – bền vững, Phòng thí nghiệm Nhiên liệu Sinh học và Biomass (do PGS.TS. Nguyễn Đình Quân làm trưởng phòng) đã phối hợp cùng Công ty CP Giấy An Bình (Thủ Đức) nghiên cứu công nghệ chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (BC). Đây là dạng cellulose tự do với cấu trúc mạng lưới 3D sợi nano rất dai và bền, là nguyên liệu ngày càng phổ biến cho nhiều ứng dụng cuộc sống như giấy, vải, màng lọc, vật liệu composite, sơn phủ…

PGS.TS Nguyễn Đình Quân cho biết: “Khác với cellulose thực vật là dạng phức hợp vững chắc giữa các sợi cellulose được bao bọc với lignin và hemicellulose (lignocellulose), cellulose vi khuẩn ở dạng sợi cellulose tự do, lại có độ tinh thể cao hơn nhiều. Vì vậy, mọi quá trình sử dụng cellulose vi khuẩn thì không cần phải trải qua các bước tiền xử lý loại bỏ lignin và hemicellulose phức tạp, đòi hỏi nhiều hóa chất và năng lượng như với cellulose thực vật”.

Vì lí do này, việc chế biến cellulose tinh thể kích thước nano (CNC) từ BC bùn giấy cũng đơn giản và có hiệu suất cao hơn nhiều so với phương pháp phổ biến trên thế giới là dùng cellulose thực vật. CNC nhiều năm nay được xem là vật liệu sinh học cao cấp nhất, nhẹ như gỗ nhưng lại có độ bền cơ học gấp hàng chục lần thép, được quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu ứng dụng làm áo giáp chống đạn.

Ông Mai Văn Phúc, Trưởng phòng Quản lý chất lượng của Nhà máy Giấy An Bình cho biết: “Nếu công nghệ chuyển hóa bùn giấy thành sản phẩm giá trị được hiện thực hóa thì sẽ góp phần không nhỏ vào việc cắt giảm chi phí xử lý chất thải của nhà máy, mà còn tạo ra giá trị gia tăng đáng kể. Một doanh nghiệp luôn ứng dụng khoa học kỹ thuật như An Bình rất quan tâm đến vấn đề này”.

Tạo ra giá trị mới từ bùn giấy thải

PGS.TS Nguyễn Đình Quân thông tin, 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 đã dùng acid rất loãng để thủy phân thành đường glucose và sau đó dễ dàng dùng vi khuẩn Acetobacter Xylinum (vi khuẩn làm thạch dừa) lên men đường thành màng cellulose vi khuẩn.

Nhóm chọn bùn giấy làm nguyên liệu vì đây là nguồn carbohydrate đang bị lãng phí, bị xem chỉ là chất thải thuần túy của nhà máy giấy. Do đó nếu dùng bùn giấy để tạo cellulose vi khuẩn thì sẽ rất ý nghĩa về mặt kinh tế, đồng thời cũng thuận lợi về kỹ thuật.

Ngoài ra, về mặt sản xuất xanh – sạch trong chiến lược nền kinh tế tuần hoàn, thì tạo cellulose vi khuẩn từ bùn giấy để rồi có thể dùng chính sản phẩm đó làm nguyên phụ liệu sản xuất giấy thì sẽ làm tăng sự bền vững của quá trình sản xuất, tăng thêm giá trị, từ đó góp phần làm giảm gánh nặng xử lý nguồn thải của nhà máy.

Những nghiên cứu khác về chuyển hóa cellulose bùn giấy thành nguyên vật liệu, có thể kể tới như ethanol, butanol, acid acetic… Sản phẩm sau quá trình phải được trích ly, chưng cất, xử lý phức tạp tiêu tốn năng lượng và dung môi. Tuy nhiên, trong giải pháp của Biomass Lab, màng cellulose vi khuẩn dễ dàng có thể thu nhận bằng cách vớt ra khỏi dung dịch và làm sạch sơ chế. Đây là ưu điểm rất lớn giúp dự án có thể triển khai quy mô dễ dàng với chi phí thấp.

Ngoài ra, từ cellulose vi khuẩn, sản phẩm cellulose nano tinh thể của Biomass Lab cũng có ý nghĩa lớn về phương pháp luận. 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. Tuy nhiên, nếu cellulose nano tinh thể được sản xuất từ cellulose vi khuẩn như nghiên cứu của Biomass Lab, thì quy trình sẽ đơn giản hơn rất nhiều vì không phải tiền xử lý nguyên liệu cellulose.

Hiện nay, không chỉ Việt Nam mà trên thế giới cũng chưa có nghiên cứu tương tự như Biomass Lab đang triển khai. Do đó, nhóm nghiên cứu đang tiến hành đăng ký thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ (Bộ Tài nguyên và Môi trường) với nội dung là tối ưu hóa các yếu tố kỹ thuật của quá trình chuyển hóa bùn giấy thành cellulose vi khuẩn, thiết kế quy trình sản xuất thực tế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nguồn: voh.com.vn