CNSH trong sản xuất giấy, bột giấy và ván nhân tạo
Các quy trình sản xuất bột giấy và làm giấy truyền thống thường sử dụng một lượng lớn nước, năng lượng và hóa chất. Ngày nay, do những quy định bắt buộc về bảo vệ môi trường nên các nhà sản xuất giấy phải thực hiện các quy trình công nghệ nhằm mục đích giảm tiêu thụ năng lượng và hóa chất độc hại. Các yếu tố thúc đẩy mạnh mẽ việc sử dụng các tác nhân sinh học (enzym và vi sinh vật) trong công nghiệp giấy là do nhu cầu sử dụng xơ sợi xenluylo tăng, áp lực về giảm chi phí sản xuất và sử dụng nguyên liệu hiệu quả do sự cạn kiệt dần của nguồn tài nguyên thiên nhiên. Do đó, ứng dụng vi sinh vật và enzym đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và doanh nghiệp sản xuất giấy và bột giấy. Trong những năm qua, việc áp dụng các chế phẩm vi sinh và enzym vào lĩnh vực sản xuất giấy và xenluylo đã được tiến hành ở quy mô công nghiệp tại nhiều quốc gia, bao gồm gần như toàn bộ quá trình sản xuất, từ xử lý nguyên liệu thô trước đầu vào cho tới sản phẩm cuối.
Ứng dụng CNSH trong loại bỏ vỏ cây: đối với nguyên liệu là gỗ, trước khi chặt dăm, yêu cầu gỗ phải được làm sạch để loại bỏ vỏ và các tạp chất khác. Vỏ cây có thành phần cấu tạo phức tạp, nếu không được loại bỏ kỹ có thể làm giảm chất lượng bột giấy, gây tốn hóa chất trong quá trình nghiền, tẩy trắng và cản trở quá trình thu hồi hóa chất. Hiện nay, phương pháp để bóc vỏ chủ yếu được sử dụng là phương pháp cơ học, sử dụng máy để bóc vỏ. Hạn chế của phương pháp này là tiêu tốn năng lượng, cần thời gian để loại bỏ hầu hết vỏ cây, dẫn đến hao hụt gỗ. Do vậy, việc ứng dụng các enzym như pectinase, xylanase và polygalacturonase đã được nhiều doanh nghiệp triển khai vào thực tiễn, giúp nâng cao khả năng thủy phân các lớp cambium và phloem trong gỗ, làm suy yếu liên kết giữa vỏ cây và gỗ, khiến vỏ cây dễ dàng được bóc tách.
Ứng dụng CNSH trong loại bỏ nhựa cây: đối với sản xuất bột giấy thì nhựa cây là thành phần không mong muốn vì có ảnh hưởng lớn tới quá trình sản xuất bột giấy và giấy nên phải được loại bỏ càng triệt để càng tốt. Các phương pháp truyền thống để loại bỏ nhựa cây bao gồm lưu giữ gỗ hoặc dăm mảnh tại nhà máy trước khi sản xuất bột giấy (quá trình tiền xử lý tự nhiên) và hút bám hoặc phân tán các hạt nhựa cây bằng hóa chất trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy. Hóa chất sử dụng thường là phèn (alum), bột đá, các chất phân tán ion hoặc phi ion, polyme cation và các loại phụ gia khác. Tuy nhiên, các phương pháp này chưa thực sự hiệu quả và tốn nhiều thời gian, công sức cho việc loại bỏ nhựa trước khi sản xuất. Do vậy, giải pháp đang được quan tâm hiện nay chính là sử dụng một số loại vi sinh vật để đẩy nhanh và kiểm soát quá trình tiền xử lý nguyên liệu, hoặc dùng enzym để xử lý bột giấy. Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học từ nấm mục trắng và một số loài vi sinh vật ứng dụng trong loại bỏ nhựa cây đã được triển khai vào thực tiễn sản xuất như nhóm Resinase, Lipadase, Buzyme… để loại bỏ nhựa trong bột giấy và xơ sợi. Các chế phẩm này đang được Viện CNSH (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô (Bộ Công Thương) áp dụng tại Tổng công ty Giấy Việt Nam. Kết quả cho thấy, ứng dụng chế phẩm sinh học là giải pháp loại bỏ nhựa cây một cách hiệu quả, giúp tăng hiệu suất của dây chuyền sản xuất và chất lượng của sản phẩm; đồng thời giảm lượng hóa chất sử dụng, giảm chi phí xử lý chất thải, dẫn đến tăng hiệu quả kinh tế của toàn bộ quá trình.
Ứng dụng chế phầm sinh học để phân hủy nhựa cây.
Sử dụng nấm mục trắng và các vi sinh vật trong sản xuất bột giấy sinh học: sản xuất bột giấy sinh học là công nghệ thân thiện với môi trường, làm tăng đáng kể thông lượng của máy nghiền và giảm mức tiêu thụ năng lượng ở cùng một thông lượng kết hợp với đập cơ học. Những năm gần đây, việc sử dụng nấm mục trắng và các vi sinh vật để sản xuất bột giấy sinh học là chiến lược sản xuất an toàn của nhiều nhà máy sản xuất giấy mà không có thay đổi lớn về mặt công nghệ. Là quốc gia sản xuất nông nghiệp, với lượng phụ phẩm sau thu hoạch còn bị lãng phí thì việc sử dụng các chủng nấm mục trắng để xử lý (rơm rạ, bã mía…) sẽ giúp tạo ra các sản phẩm bột giấy đa dạng về chủng loại, tránh lãng phí nguồn tài nguyên và giảm ô nhiễm môi trường.
Ứng dụng CNSH trong sản xuất ván nhân tạo: sản xuất ván nhân tạo là một xu thế tất yếu của công nghiệp chế biến gỗ trên thế giới trước áp lực của việc sử dụng gỗ rừng trồng nhằm bảo vệ môi trường, chống biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, ngành công nghiệp này lại sử dụng nhiều loại keo hóa học, nhất là các loại keo có chứa formaldehyt gây hại cho môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của người sản xuất (phát thải formaldehyt có thể gây ung thư). Do vậy, việc ứng dụng CNSH bằng cách sử dụng hệ enzym có trong nấm mục để phân hủy lignocellulose, hemicelulose… có thể tạo nên sự kết dính cần thiết trong chế biến ván nhân tạo từ gỗ, rơm rạ… mà không cần sử dụng các loại keo dán gỗ hóa học, mở ra một chương mới trong sản xuất ván nhân tạo từ gỗ rừng trồng thân thiện với môi trường tại Việt Nam.
Ván Bio-Composite từ dăm gỗ.
Những ứng dụng khác trong sản xuất giấy và bột giấy: hiện nay, tái chế là một trong những biện pháp quan trọng để giảm sản xuất giấy từ nguyên liệu thô ban đầu và mang lại lợi ích trong bảo vệ môi trường. Sử dụng sợi tái chế chiếm hơn 50% trong giấy in báo và bao bì. Giấy in và giấy viết trung bình toàn cầu chỉ có 8% là giấy tái chế. Để sử dụng triệt để giấy tái chế cần có công nghệ xử lý đi kèm nhằm loại bỏ triệt để phần mực in còn sót lại. Quá trình này thông thường sử dụng nhiều loại hóa chất độc hại cho môi trường như NaOH, Na2SiO3, Na2CO3, H2O2, hóa chất gốc clo, các tác nhân tạo chelat và các chất hoạt động bề mặt... Nước thải từ quá trình này độc hại đối với môi trường, giá trị COD cao và chi phí xử lý lớn. Enzym được sử dụng làm tác nhân thay thế cho clo và các hợp chất chứa clo để khắc phục các vấn đề về công nghệ gây ô nhiễm trong quá trình này. Bên cạnh đó, sử dụng các enzyme lignolytic như mangan peroxide và laccase hoặc các enzym hemicellulolytic như xylanase từ vi sinh vật như nấm mục trắng làm giảm phần lignin còn lại trong bột giấy. Hiện nay, nhiều enzym cellulase thương mại đã được sản xuất và sử dụng cùng với các hóa chất khử mực để cải thiện hiệu quả quá trình khử mực cho giấy loại, có thể tăng cường hiệu quả loại bỏ mực lên 24,6%, đồng thời cải thiện một số tính chất vật lý của bột giấy. Quản lý chất thải là một vấn đề lớn trong thời hiện đại và việc tái chế giấy hiệu quả sẽ làm giảm một tỷ lệ lớn chất thải rắn. Điều này sẽ giúp giảm phát thải khí nhà kính cũng như mối đe dọa gây ra bởi chất thải rắn. Việc thực hiện khử mực bằng phương pháp sinh học khiến cho giấy tái chế trở thành quy trình thân thiện với môi trường. Cùng với sự phát triển mạnh của KH&CN, phạm vi ứng dụng của CNSH trong sản xuất giấy ngày càng được mở rộng và hiệu quả hơn nữa.
Xu hướng tất yếu trong sản xuất giấy và ván gỗ nhân tạo
Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ và hội nhập quốc tế, Đảng và Nhà nước đã có nhiều chính sách phù hợp thúc đẩy nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNSH vào nhiều ngành công nghiệp, trong đó có công nghiệp giấy, bột giấy. Trong thời gian qua đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến sử dụng vi sinh vật và enzym trong ngành công nghiệp giấy. Trong đó có ứng dụng các chế phẩm enzym trong trợ nghiền để tiết kiệm năng lượng, ứng dụng enzym trong tẩy trắng bột giấy, tăng cường chất lượng bột giấy, loại bỏ các chất kết dính (stickies), tăng khả năng thoát nước, xử lý giấy loại, biến tính tinh bột trong công đoạn chuẩn bị dung dịch gia keo bề mặt giấy và sản xuất bột giấy sinh học,… Ứng dụng các chế phẩm enzym và vi sinh vật trong tiền xử lý nguyên liệu cho giảm nhựa cây phục vụ sản xuất bột giấy sẽ làm tăng chất lượng giấy thành phẩm, giảm sử dụng hóa chất và giảm ô nhiễm môi trường. Có thể khẳng định, áp dụng CNSH vào sản xuất giúp thân thiện với môi trường và là giải pháp chắc chắn của tương lai, nhưng cũng là một thách thức rất lớn đặt ra cho nhiều doanh nghiệp. Đối với phương pháp sinh học, hiệu quả của ứng dụng còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường, vì vi sinh vật và enzym sử dụng phải chịu được nhiều điều kiện bất lợi gây ra bởi các phụ gia hoặc chất phát sinh trong dây chuyền sản xuất bột giấy và giấy. Việc sản xuất chế phẩm enzym thương phẩm hoặc chế phẩm vi sinh phải dễ dàng nâng cấp lên quy mô công nghiệp với chất lượng ổn định và giá thành rẻ. Các nguồn vi sinh vật và enzym cũng phải an toàn với môi trường và con người. Không giống các ngành công nghiệp khác, sản xuất giấy và bột giấy khó có thể sử dụng các enzym cố định, vì vậy cũng làm giảm khả năng tái sử dụng enzym, làm tăng chi phí sản xuất và lượng chất thải tồn dư. Việc triển khai CNSH còn gặp không ít khó khăn do công nghệ của nhiều nhà máy trong nước còn lạc hậu, dây chuyền sản xuất không đồng bộ và sự e ngại, chưa sẵn sàng của nhiều doanh nghiệp. Mặc dù vậy, các kết quả đạt được đã khẳng định chắc chắn sự cần thiết của việc áp dụng CNSH vào sản xuất giấy và ván gỗ nhân tạo nhằm hỗ trợ giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, tăng chất lượng sản phẩm và đặc biệt là giảm ô nhiễm môi trường. Các thách thức đối với việc áp dụng CNSH trong lĩnh vực này cần được giải quyết bởi các nhà nghiên cứu, nhà doanh nghiệp và sự phối hợp hài hòa giữa chính sách mới có thể thực hiện được.
Mặc dù vẫn đang có những khó khăn và thách thức khá lớn, song dưới áp lực của việc bảo vệ môi trường và với xu hướng phát triển của thế giới, việc áp dụng CNSH vào công nghiệp giấy, bột giấy và ván nhân tạo chắc chắn sẽ là hướng phát triển tất yếu của Việt Nam trong tương lai.