Chuyển đổi nhà máy bột giấy thành nhà máy lọc sinh học thế hệ mới
Ngày 18 tháng 7 năm 2026
Annie Nguyễn
Ngành công nghiệp lâm sản trị giá 41 tỷ USD của bang Georgia cần một sự chuyển đổi, và nhóm nghiên cứu tại Georgia Tech đang tái hình dung cách các nhà máy bột giấy sử dụng năng lượng và những gì họ có thể sản xuất từ các dòng sản phẩm phụ. Trong gần một thập kỷ, Sankar Nair, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử và là nhà nghiên cứu lâu năm tại Viện Sản phẩm Sinh học Tái tạo (RBI), đã dẫn dắt một nỗ lực hợp tác để phát triển các công nghệ có thể cải thiện đáng kể hiệu quả và lợi nhuận của các nhà máy bột giấy kraft.
"Những gì bắt đầu như một dự án tiết kiệm năng lượng trong sản xuất bột giấy đã phát triển thành một tầm nhìn rộng lớn hơn nhiều," Nair giải thích. "Chúng tôi không chỉ cố gắng làm cho các nhà máy hiệu quả hơn. Chúng tôi đang làm việc để biến nhà máy bột giấy kraft thành một nhà máy lọc sinh học dựa trên kraft, sản xuất nhiều sản phẩm giá trị cao hơn."
Nair giải thích rằng các nhà máy kraft truyền thống sử dụng một "vòng tuần hoàn thu hồi hóa chất" tiêu tốn nhiều năng lượng để xử lý dịch đen - sản phẩm phụ sẫm màu, sệt còn lại sau khi bột giấy được tách khỏi dăm gỗ. Vòng tuần hoàn đó dựa vào các thiết bị cô đặc nhiều cấp và nồi hơi thu hồi khổng lồ để loại bỏ nước, đốt phần hữu cơ còn lại để tạo ra hơi nước và điện, và tái chế các hóa chất vô cơ trở lại quy trình.
"Mong muốn ban đầu từ các đối tác trong ngành của chúng tôi là tiết kiệm năng lượng," Nair nói. "Thay vì cô đặc nước trong dịch đen, chúng tôi đã hỏi liệu màng lọc có thể đảm nhận phần lớn quá trình khử nước và có khả năng cắt giảm một nửa mức sử dụng năng lượng đó hay không."
Theo thời gian, nhóm nghiên cứu nhận ra cơ hội vượt xa hiệu quả. "Chúng tôi sử dụng các màng lọc này theo cách mà chúng thực sự phân đoạn dịch đen, không chỉ khử nước," Nair nói. "Một dòng giàu lignin; một dòng khác giàu axit hữu cơ. Từ đó, chúng tôi có thể thu hồi và tinh chế các thành phần và biến chúng thành các sản phẩm hoàn toàn mới."
Lignin là một polymer hữu cơ phức tạp và là một trong những vật liệu sinh học phong phú nhất trên Trái đất. Nó hoạt động như "keo" của tự nhiên, cung cấp cho thực vật độ cứng cấu trúc và khả năng chống phân hủy.
Từ các phần giàu lignin, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được các vật liệu carbon có thể được điều chỉnh cho cực dương pin và chất hấp phụ xốp được sử dụng trong xử lý môi trường và tách chiết. Những vật liệu này hầu hết được làm từ carbon hóa thạch. Các loại carbon có nguồn gốc từ lignin này được đặc biệt quan tâm như một giải pháp thay thế trong nước cho than chì, một vật liệu pin quan trọng hiện đang bị chi phối bởi sản xuất ở nước ngoài.
Về phía axit hữu cơ, Nair và Christopher Jones, chuyên gia về xúc tác và kỹ thuật phản ứng của Georgia Tech, đã tiến xa hơn một bước, chuyển đổi các axit đó thành hỗn hợp các phân tử nặng hơn nhiều có thể trở thành chất bôi trơn và phụ gia công nghiệp hiệu suất cao.
"Thật thú vị khi thực hiện một chuỗi phản ứng mới để tạo ra các sản phẩm mà chúng tôi chưa thực sự tạo ra trước đây," Jones, Chủ tịch John F. Brock III và giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử, cho biết.
Jones giải thích rằng chất bôi trơn xanh có nguồn gốc từ các nguồn không hóa thạch có "cả nhu cầu cao và giá trị cao." Georgia Tech vẫn chưa so sánh hiệu suất của các sản phẩm này với chất bôi trơn thông thường, nhưng nền tảng đã sẵn sàng để thực hiện điều đó trong tương lai.
"Các sản phẩm mà chúng tôi theo đuổi từ lignin và axit hữu cơ có nhu cầu số lượng lớn và cũng có thể bán với giá cao hơn đáng kể so với các sản phẩm đầu ra truyền thống từ bột giấy," Nair lưu ý. "Điều đó là cần thiết nếu ngành công nghiệp lâm sản muốn có lợi nhuận và cạnh tranh trong dài hạn."
Hai nhà nghiên cứu đã hợp tác trong ba bài báo, với hai bài đã được xuất bản trên ACS Sustainable Chemistry & Engineering (tháng 6 năm 2024) và ACS Catalysis (tháng 2 năm 2026).
Một rào cản chính trong việc chuyển từ khái niệm phòng thí nghiệm sang thực tế nhà máy là sản xuất màng lọc ở quy mô lớn. Đó là nơi hợp tác với cộng đồng sản xuất tiên tiến của Georgia Tech phát huy tác dụng.
"Trong những năm gần đây, chúng tôi thực sự tập trung vào cách chúng tôi có thể sản xuất các màng lọc này với chi phí thấp và theo cách liên tục, có thể mở rộng," Nair nói. "Điều đó liên quan đến sự hợp tác chặt chẽ với các đồng nghiệp trong khoa học vật liệu, kỹ thuật cơ khí và các viện sản xuất của Georgia Tech."
Một cộng tác viên khác của Georgia Tech, Tequila Harris, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff, đang dẫn dắt nỗ lực chuyển đổi quy trình mẻ quy mô nhỏ hiện tại thành hệ thống cuộn sang cuộn liên tục, sẵn sàng cho công nghiệp, có thể sản xuất các tấm dài màng oxit graphene khử.
Harris hình dung "đầu ra chất lượng cao ở tốc độ sản xuất trên 60 mét mỗi phút," điều này sẽ "tăng đáng kể khối lượng sản xuất đồng thời giảm sử dụng dung môi và chất thải, như nước," Harris nói.
Công nghệ hiện đã đủ trưởng thành để thử nghiệm thực địa. Nhóm nghiên cứu đang chuẩn bị triển khai các mô-đun màng tại một nhà máy bột giấy và giấy lớn gần Savannah do Rayonier Advanced Materials (RYAM) vận hành.
"Chúng tôi đang lắp ráp các mô-đun màng hoàn chỉnh và lắp đặt chúng trong một khung thử nghiệm sẽ chạy trên dịch đen kraft thực tế từ nhà máy," Nair nói. "Chúng tôi sẽ thu thập dữ liệu hiệu suất và độ tin cậy lâu dài để đưa vào các mô hình chi tiết về cách triển khai tốt nhất các màng này trong một nhà máy kraft đang hoạt động."
Các nhà lãnh đạo RYAM, bao gồm Larissa Fenn, giám đốc Sản phẩm Mới và chủ tịch Ban Cố vấn Đối ngoại cho Trung tâm Kinh tế Dựa trên Năng lượng Tái tạo Từ Gỗ (ReWOOD) của Georgia Tech, giúp đảm bảo rằng nghiên cứu tiên tiến vẫn được kết nối với các thách thức và cơ hội trong ngành trong thế giới thực.
"Phần lớn nghiên cứu nội bộ của chúng tôi tập trung vào hỗ trợ các hoạt động, khách hàng và dòng sản phẩm hiện tại," Fenn nói. "Quan hệ đối tác với các trường đại học cho phép chúng tôi nhìn xa 5 đến 10 năm và tham gia vào nghiên cứu chuyển đổi có thể tạo ra các cơ hội hoàn toàn mới cho doanh nghiệp của chúng tôi và ngành công nghiệp lâm sản rộng lớn hơn."
"Quá trình chuyển đổi sang vật liệu, hóa chất và nhiên liệu bền vững hơn đại diện cho một trong những cơ hội lớn nhất mà ngành của chúng tôi đã thấy trong nhiều thập kỷ," bà nói thêm. "Đổi mới liên tục là điều cần thiết không chỉ để duy trì khả năng cạnh tranh mà còn để tạo ra các thị trường mới cho các nguồn tài nguyên tái tạo từ gỗ và tăng cường tính bền vững lâu dài của lĩnh vực lâm nghiệp."
Fenn nhấn mạnh rằng tác động vượt xa các công ty riêng lẻ. "Nền kinh tế lâm nghiệp là xương sống của nhiều cộng đồng nông thôn trên khắp Georgia và khắp vùng Đông Nam," bà nói. "Thúc đẩy các công nghệ tạo ra giá trị mới từ các nguồn tài nguyên tái tạo giúp hỗ trợ các chủ đất, nhà sản xuất và các cộng đồng phụ thuộc vào ngành này."
Fenn làm việc tại cơ sở Jesup, Georgia của RYAM, nơi sử dụng hơn 800 người và là nhà tuyển dụng lớn nhất trong cộng đồng địa phương. "Các cơ sở như của chúng tôi có mối liên hệ sâu sắc với các cộng đồng mà chúng tôi phục vụ," Fenn nói. "Khi chúng tôi đầu tư vào đổi mới, chúng tôi đang đầu tư vào tương lai của sản xuất, lâm nghiệp và cơ hội kinh tế ở nông thôn nước Mỹ."
Việc chuyển đổi một nhà máy đang hoạt động thành một nhà máy lọc sinh học hoàn chỉnh không phải là điều xảy ra trong một sớm một chiều, và nhóm của Nair đang thiết kế với thực tế đó. "Tất cả các công nghệ này đều có tính mô-đun và được thiết kế để tích hợp hoàn toàn với quy trình kraft," ông nói. "Bạn không phải chi hàng tỷ đô la ngay từ đầu để xây dựng một nhà máy hoàn toàn mới. Bạn có thể dần dần tích hợp công nghệ phân đoạn dựa trên màng và nâng cấp dòng sản phẩm vào quy trình kraft hiện có, và mỗi nhà máy có thể đi theo con đường chuyển đổi riêng của mình."
Thiết kế mô-đun đó cũng cung cấp sự linh hoạt trong cách các nhà máy quản lý năng lượng. Chuyển hướng dịch đen thành các sản phẩm giá trị cao hơn có nghĩa là ít vật liệu hữu cơ hơn có sẵn làm nhiên liệu cho nồi hơi thu hồi. Tuy nhiên, lợi ích về hiệu quả năng lượng từ quá trình khử nước bằng màng làm giảm mức tiêu thụ tổng thể và các nhà máy có thể sử dụng điện từ lưới điện để bù đắp sự khác biệt.
"Mục tiêu không phải là tiết kiệm năng lượng vì mục đích của nó," Nair nhấn mạnh. "Mà là sử dụng năng lượng đó hiệu quả hơn để tạo ra các sản phẩm đầu ra có giá trị gia tăng, hỗ trợ việc làm, cộng đồng nông thôn và một nền kinh tế sinh học đổi mới và kiên cường hơn ở Georgia."
Tính cấp thiết của công việc này được nhấn mạnh bởi những áp lực mà ngành công nghiệp đang phải đối mặt: lĩnh vực lâm nghiệp của Georgia đã chứng kiến các nhà máy giấy đóng cửa từ những năm 1990 do số hóa và thay đổi nhu cầu, với ba nhà máy lớn đóng cửa vào năm 2025. Ủy ban Lâm nghiệp Georgia ước tính rằng việc đóng cửa nhà máy đã xóa sổ thị trường cho 8,3 triệu tấn gỗ, và việc giảm sử dụng gỗ, thuế nhập khẩu và tình trạng thiếu lao động đã làm trầm trọng thêm cuộc khủng hoảng, theo Dự báo Nông nghiệp Georgia 2026.
Các nguồn doanh thu mới và cải thiện hiệu quả có thể là điều cần thiết cho sự sống còn của các nhà máy.
Ngoài các nhà máy kraft, các nhà nghiên cứu Georgia Tech đã mở rộng nền tảng màng sang sinh khối nông nghiệp và dòng chất thải đô thị với sự hợp tác của các đối tác như Đại học Tennessee, Knoxville và Đại học Công nghệ Texas. Họ cũng đang tận dụng các sáng kiến quốc gia, bao gồm Trung tâm NSF về Sản xuất Phân bón Bền vững và Phân phối (CASFER) và Sáng kiến Tăng trưởng Nội địa và An ninh Kinh tế dựa trên Sinh học Nông thôn (BRIDGES).
Matthew McDowell, đồng giám đốc Trung tâm Pin Tiên tiến Georgia Tech, thấy nhiều ứng dụng đa ngành cho vật liệu carbon có nguồn gốc từ lignin, bao gồm cả pin, ngày càng trở nên nền tảng cho các lĩnh vực chiến lược như di động, lưới điện và quốc phòng.
Carbon có nguồn gốc từ lignin có thể đóng vai trò thay thế trong nước cho than chì trong pin lithium-ion - một vật liệu quan trọng không được sản xuất rộng rãi tại Mỹ. "Than chì tổng hợp thông thường có nguồn gốc từ dầu thô và đòi hỏi nhiệt độ rất cao, khiến nó tiêu tốn nhiều năng lượng và gây ô nhiễm," McDowell cho biết, lưu ý rằng mục tiêu của họ là chuyển đổi lignin và cellulose "thành vật liệu pin giá trị cao có thể thúc đẩy sự phát triển của chuỗi cung ứng pin mới tại Hoa Kỳ."
Ông hình dung công việc này một ngày nào đó sẽ chuyển sang Trung tâm Pin Tiên tiến, đang lên kế hoạch cho một cơ sở mới dự kiến mở cửa vào cuối năm 2027, cho phép các công ty và nhà nghiên cứu học thuật "xây dựng và thử nghiệm các tế bào pin quy mô đầy đủ cho R&D chuyển giao."
Phân tích vòng đời do nhóm thực hiện đã cho thấy lợi ích về cả chi phí thấp hơn và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn khi sản xuất các carbon này từ các nguồn sinh khối.
Ngày nay, Trung Quốc dẫn đầu thế giới về sản xuất pin, với Hàn Quốc và Nhật Bản cũng là những nước dẫn đầu lâu đời. Mỹ đang xây dựng nhiều năng lực trong nước hơn vì lý do an ninh quốc gia và kinh tế.
Các nhà nghiên cứu tại Georgia Tech tiên phong trong công việc này cũng bao gồm Jones, người đã hợp tác trong nghiên cứu chất bôi trơn; Valerie Thomas, Chủ tịch Giao diện Anderson về Hệ thống Tự nhiên và giáo sư tại Trường Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp và H. Milton Stewart và Trường Chính sách Công Jimmy và Rosalynn Carter; và Meisha Shofner, giáo sư tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.
Thomas đang dẫn dắt nghiên cứu về phân tích vòng đời và kinh tế của việc chuyển đổi lignin để sản xuất cực dương "lignin carbon hóa" có thể thay thế than chì tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ trong pin. Bà cho biết than chì có nguồn gốc từ lignin có thể thay thế than chì tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ, giảm 84% sử dụng năng lượng, 92% phát thải khí nhà kính và giảm phát thải các chất ô nhiễm khác.
"Công trình này thiết lập một chuỗi cung ứng để sản xuất pin, có tác động rộng lớn hơn trên khắp Georgia," Thomas, người tin rằng vật liệu pin có nguồn gốc từ lignin sẽ dẫn đến một nền kinh tế lâm sản mạnh hơn và chuỗi cung ứng pin kiên cường hơn ở Georgia.
McDowell đồng ý. "Kết hợp ngành công nghiệp lâm sản và ngành công nghiệp pin là rất hợp lý cho Georgia, vì cả hai ngành này đều thực sự lớn," ông nói và cả hai đều là "nhà tuyển dụng chủ chốt trong tiểu bang." Theo quan điểm của ông, những đổi mới có thể mang lại lợi ích cho cả hai đồng thời.
Scott Sinquefield, kỹ sư nghiên cứu cao cấp tại RBI, coi công trình về màng oxit graphene nằm trong phạm vi sứ mệnh hiện đại hóa lĩnh vực sản phẩm lâm sản, vốn là nền tảng của nền kinh tế nông thôn Georgia. "Một phần sứ mệnh của chúng tôi là hỗ trợ ngành này và thúc đẩy nó. Điều này nằm ngay dưới sự bảo trợ của chúng tôi," ông nói, lưu ý rằng RBI đã cung cấp hỗ trợ khoa học cho các nhà máy trong gần một thế kỷ, bắt nguồn từ khi thành lập với tên Viện Hóa học Giấy năm 1929.
Tầm nhìn của nhóm Georgia Tech rất rõ ràng, như Nair giải thích: "Nếu chúng tôi có thể làm đúng điều này, các nhà máy kraft không chỉ tồn tại. Chúng trở thành trung tâm sản xuất sinh học tiên tiến, neo giữ một nền kinh tế dựa trên rừng kiên cường và bền vững hơn cho tiểu bang."
Chi tiết xuất bản
Opeyemi A. Ojelade và cộng sự, Nâng cấp Xúc tác của Nguyên liệu Hỗn hợp Axit Hydroxy có nguồn gốc từ Dịch đen Kraft, ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c00212
Opeyemi A. Ojelade và cộng sự, Quá trình Keton hóa Nguyên liệu Giàu Axit Carboxylic Hỗn hợp từ Axit Hydroxy có nguồn gốc từ Dịch đen Kraft, ACS Catalysis (2026). DOI: 10.1021/acscatal.5c04841
Thông tin tạp chí: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, ACS Catalysis
