Giải pháp của nhóm PGS Nguyễn Đình Quân, nhận giải Nhất trị giá 70 triệu đồng tại cuộc thi Sáng kiến Khoa học 2024 do VnEpress tổ chức, trao giải hôm 16/5.

Nhóm tác giả gồm PGS.TS Nguyễn Đình Quân, trường Đại học Bách khoa, Đại học quốc gia TP HCM, cùng cộng sự (Biomass Lab) đã chuyển hóa bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (một dạng cellulose có hình thái nano cấu trúc 3D) bằng phương pháp hóa sinh kết hợp. Sản phẩm cellulose vi khuẩn là một nguyên liệu sinh học giá trị có thể được tạo ra với số lượng lớn từ nguồn phế thải khổng lồ của ngành công nghiệp giấy. Sản phẩm được ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực nhựa sinh học, dệt may, màng lọc nano, da/gỗ nhân tạo, áo giáp chống đạn và sản xuất giấy.

Ông Quân cho biết, ngành công nghiệp giấy có lượng chất thải và nước thải rất lớn. Lượng bùn giấy đã ép nước của một nhà máy trung bình lên đến hàng tấn mỗi ngày. Các nhà máy giấy thường phải đốt tiêu hủy bùn trong lò hơi hoặc thuê dịch vụ đưa đi xử lý rất tốn kém. Loại bùn thải này có màu đen xám, là nguồn ô nhiễm hữu cơ, không có ứng dụng nào đáng kể.

Tuy nhiên, ông Quân nhận thấy bùn giấy có thành phần chính là cellulose bột giấy rửa trôi trong quá trình xeo giấy (chiếm 40-60% thành phần trong bùn thải). Đây là nguồn carbohydrate có thể tận dụng, do đó PGS.TS Nguyễn Đình Quân cùng trợ lý, thạc sĩ Lê Tấn Nhân Từ đã nghiên cứu công nghệ chuyển hóa bùn giấy thành vật liệu có giá trị ứng dụng cao hơn.

Nhóm sử dụng phương pháp thủy phân cellulose trong bùn giấy với một lượng nhỏ acid thành dịch đường glucose, rồi dùng vi khuẩn Acetobacter xylinum (phổ biến trong sản xuất thạch dừa) lên men dịch glucose thu các màng cellulose vi khuẩn. Màng cellulose vi khuẩn có thể được vớt ra khỏi hỗn hợp sau lên men một cách đơn giản và dễ dàng. Đây là vật liệu sinh học có cơ lý tính vượt trội nhờ hình thái cấu trúc là các sợi cellulose kích thước nano đan xen nhau thành mạng lưới 3D.

Thách thức lớn nhất của nghiên cứu này là tìm điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân đạt hiệu suất cao trong khi phải khống chế nồng độ muối trung hòa sau phản ứng, cũng như nồng độ acid thủy phân ban đầu để đảm bảo cho sự sinh trưởng của vi khuẩn.

"Tốc độ hình thành sinh khối của lớp màng cellulose vi khuẩn là rất lớn, và chi phí cho quá trình này không đắt trong khi hiệu suất chuyển hóa cellulose trong bùn giấy lên đến 70%", PGS Quân cho hay. Sản phẩm cellulose vi khuẩn thu được là vật liệu sinh học có giá trị, được ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực nhựa sinh học, dệt may, màng lọc nano, da/gỗ nhân tạo, áo giáp chống đạn và sản xuất giấy.

Hiện nhóm nghiên cứu thử nghiệm công nghệ ở quy mô pilot tại nhà máy giấy Thuận An (Bình Dương) và nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước). ThS Lê Hữu Phước, kỹ sư quản lý chất lượng sản xuất nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước) cho biết cellulose vi khuẩn được dùng làm phụ gia tăng cường bằng cách đem phối trộn vào bột giấy với tỷ lệ phù hợp, thu được giấy thành phẩm có chất lượng cải thiện đáng kể. Anh cho hay, trước đây người ta chủ yếu dùng công nghệ lên men cellulose vi khuẩn từ nước dừa, nước dứa, nước mía, nhưng công nghệ này tận dụng bùn thải từ chính nhà máy để chuyển hóa thành nguyên liệu đưa ngược về sản xuất.

"Giấy sử dụng cellulose vi khuẩn cho chất lượng tốt hơn so về độ mịn, láng, giúp thay thế một số hóa chất đang sử dụng và có thể bù đắp chi phí xử lý bùn của nhà máy", anh Phước nói và nhìn nhận "việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này hoàn toàn khả thi".

Chia sẻ với VnExpress, TS Hoàng Minh Nam, giảng viên trường Đại học Bách khoa, TP HCM đánh giá nghiên cứu của nhóm trước hết có ý nghĩa về mặt môi trường khi tận dụng chính bùn thải nhà máy và tăng khả năng phân hủy hàm lượng chất thải gây ô nhiễm. Việc sử dụng nanocellulose vi khuẩn còn tạo nguồn nguyên liệu tốt tăng cường chất lượng trong sản xuất giấy.

Ông lý giải, quy trình sản xuất giấy cần tạo cellulose sợi dài và nhập một số nguyên liệu đem nghiền ra, trộn cùng bột giấy nhằm tráng mặt giấy tạo độ nhẵn. "Trong công nghệ này, nanocellulose có kích thước nhỏ, khi trộn vào giấy giúp các sợi giấy bó chặt vào nhau tạo độ bóng, nhẵn và chất lượng tốt hơn", ông nói.

TS Nam cho biết hiện nhiều nhà máy tại TP HCM rất quan tâm tới công nghệ. Khi ứng dụng đề tài trong nhà máy, các cán bộ kỹ thuật đánh giá cao nguồn nguyên liệu nanocellulose sinh học thu được bởi chúng cho thành phẩm tốt hơn so với bột giấy nhập về, việc tận dụng chính bùn thải nhà máy vì thế giúp giảm chi phí sản xuất. Song ông nhìn nhận vẫn tồn tại một số vấn đề như khả năng thu nanocellulose phụ thuộc vào hiệu suất quá trình lên men. Nếu lựa chọn được chủng men tốt sẽ tạo màng cellulose vi khuẩn chất lượng hơn.

Ông cho rằng chất lượng màng cellulose từ nghiên cứu ở mức chấp nhận được, cần cải thiện để ổn định chủng men mới giúp duy trì chất lượng và tăng hiệu suất lên men. "Nhóm nghiên cứu có thể kết hợp với các nhà khoa học lĩnh vực công nghệ sinh học để lựa chọn ổn định chủng men tốt", ông gợi ý. TS Nam cũng kỳ vọng nhóm của PGS Quân mở rộng hướng nghiên cứu cho các ứng dụng khác của cellulose vi khuẩn để mang hiệu quả tốt hơn và toàn diện hơn cho giải pháp.

Hội đồng Giám khảo nhìn nhận, công nghệ triển vọng, sáng tạo khi tận dụng được bùn thải để tạo sản phẩm có tính giá trị gia tăng. Bên cạnh đánh giá về độ tinh sạch sản phẩm, hàm lượng kim loại nặng, ban giám khảo cũng gợi ý về tính khả thi ứng dụng quy mô công nghiệp và tăng hiệu suất công trình.