Nanocellulose (NC), là cellulose dạng cấu trúc nano, đã được xác định là dạng vật liệu “xanh” nổi bật nhất hiện nay, ngày càng được quan tâm nhờ các đặc tính hấp dẫn và tuyệt vời như sự đa dạng kích thước, tỉ trọng cao, độ bền cơ học vượt trội so với cellulose, khả năng tái tạo và tính tương thích sinh học.

Bên cạnh đó, nhờ có các nhóm chức hydroxyl phong phú, mà nanocellulose có nhiều tính chất mở rộng, có khả năng tham gia các phản ứng hóa học như một polyme chức năng, từ đó có thể phát triển các dạng vật liệu khác nhau với các tính năng sử dụng đa dạng theo mục tiêu.

Mặc dù các phương pháp chế tạo nanocellulose đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây, nhưng các ứng dụng của nanocellulose vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới, với nhiều ứng dụng mang lại hiệu quả lớn đã được áp dụng trong thực tế, như làm chất độn vật liệu biocompozit, ứng dụng trong y sinh, dược phẩm, xử lý nước, vật liệu điện tử, tráng phủ bao bì...

Cùng với đó, gần đây, các hướng nghiên cứu mới được quan tâm nhằm vào hoàn thiện công nghệ chế tạo và ứng dụng nanochitosan trong một số lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực y dược, nông nghiệp và công nghệ sản xuất bao bì phân hủy sinh học, cũng như tráng phủ giấy bao bì. Vật liệu nanochitosan có nhiều tính chất ưu việt như khả năng kháng khuẩn, có hoạt tính xúc tác sinh học và phân hủy sinh học tốt.

Theo Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô (Bộ Công Thương), trong công nghiệp giấy, nanochitosan được ứng dụng như một loại phụ gia bổ sung vào phần ướt hoặc ứng dụng là chất xử lý bề mặt giấy để tăng thềm độ bền liên kết giữa các xơ sợi, qua đó cải thiện độ bền, khả năng rào cản, khả năng in ấn của các loại giấy bao gói và cactông.

Ứng dụng vật liệu nano cho sản xuất bao bì đã được phát triển trên thế giới và là xu hướng tất yếu, khi nhu cầu về các loại bao bì thân thiện môi trường, độ bền cao ngày càng tăng, trong khi bao bì giấy truyền thống không đáp ứng được.

Loại giấy tráng phủ vật liệu phân hủy sinh học có tiềm năng thay thế giấy tráng phủ PE/PP dùng cho thực phẩm khô/ướt, trong khi các loại bao bì giấy phủ polyme hữu cơ có giá thành khá cao, đã thúc đẩy nghiên cứu phát triển công nghệ ứng dụng chính những vật liệu có cùng nguồn gốc, có khả năng tương thích sinh học, đặc biệt là vật liệu nano, cho sản xuất giấy bao bì làm bao gói thực phẩm, dược phẩm, và các công dụng khác. Việc sử dụng nanocellulose và nanochitosan trong thành phần dịch gia keo bề mặt cải thiện được các tính chất của giấy như chống thấm nước, chống thấm dầu mỡ, nâng cao độ bền cơ học.

Với mục tiêu góp phần đa dạng hóa, nâng cao chất lượng sản phẩm giấy, chủ động và giảm thiểu việc nhập khẩu sản phẩm giấy tráng phủ chất lượng cao, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo 2 dạng vật liệu nanopolyme sinh học là nanocellulose và nanochitosan và ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy dùng cho giấy bao gói thực phẩm có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

Hơn nữa, hiện nay sản xuất nanocellulose và nanochitosan trên thế giới vẫn còn rất hạn chế, vì vậy phát triển công nghệ sẽ tạo ra sản phẩm vật liệu mới có tiềm năng thị trường và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau.

Trước tình hình đó, Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô đã triển khai đề tài khoa học và công nghệ: “Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose và nanochitosan cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm”, mở ra triển vọng về sản xuất nanocellulose và nanochitosan thương phẩm từ nguồn nguyên liệu trong nước, để ứng dụng cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm sử dụng một lần thay thế giấy tráng phủ PE/PP truyền thống và các lĩnh vực khác.

Mục tiêu của đề tài đó là: Xây dựng được quy trình công nghệ và mô hình thiết bị chế tạo nanocellulose và nanochitosan, quy mô 5 kg/mẻ và ứng dụng vật liệu nano chế tạo được cho xử lý bề mặt giấy.

Đến nay, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo nanocellulose từ nguồn nguyên liệu trong nước (là bột giấy sunfat tẩy trắng sản xuất tại Việt Nam), và chế tạo được 157,8 kg nanocellulose, hiệu suất trung bình từ 61 - 65% (> 40%), có đặc tính vượt trội về kích thước xơ sợi (<200 nm, chủ yếu là xơ sợi đường kính 20-50 nm), chất lượng sản phẩm đồng đều qua các mẻ sản xuất cho thấy tính ổn định cao của quy trình công nghệ đã xác lập, phù hợp để ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy.

Đồng thời, đã xây dựng được quy trình công nghệ chế nanochitosan từ chitosan thương phẩm sản xuất tại Việt Nam, và chế thử được 72,5 kg nanochitosan, hiệu suất trung bình đạt 1,15 lần so với nguyên liệu chitosan ban đầu (> 50%), đường kính hạt <200 nm, chất lượng sản phẩm đồng đều qua các mẻ sản xuất cho thấy tính ổn định cao của quy trình công nghệ đã xác lập, có đặc tính tương đương với các sản phẩm tương tự trong và ngoài nước, phù hợp để ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy.

Cùng với đó, đã thiết kế được mô hình thiết bị chế tạo nanocellullose và nanochitosan quy mô 10 kg sản phẩm/mẻ, làm cơ sở chuyển đổi quy mô sản xuất sản phẩm và phát triển công nghệ thuộc lĩnh vực liên quan; đã ứng dụng thành công nanocellulose và nanochitosan trong xử lý bề mặt giấy, để sản xuất 10.215 kg giấy bao gói từ bột giấy sunfat gỗ cứng tẩy trắng, có sử dụng dịch gia keo bề mặt từ hỗn hợp tinh bột oxi hóa, nanocellulose và nanochitosan.

Giấy bao gói là chủng loại mới, sử dụng dịch gia keo đặc biệt từ vật liệu nano, có tính chống thấm tốt, kháng khuẩn, có thể thay thế giấy có tính năng sử dụng tương đương được tráng phủ bề mặt bằng màng PE/PP.

Qua đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường của quy trình sản xuất giấy gia keo bề mặt có sử dụng dịch gia keo là hỗn hợp tinh bột oxi hóa và vật liệu nano (nanocellulose và nanochitosan) cho thấy, quy trình công nghệ ổn định, khả thi chuyển đổi quy mô, sản phẩm toàn bộ chấp nhận được, sử dụng nguyên vật liệu mới, vận hành quá trình không phức tạp, không phát sinh khí thải và chất thải rắn so với quy trình sản xuất giấy bao gói thông thường.

Về hiệu quả kinh tế, xã hội của các kết quả nghiên cứu đến lĩnh vực công nghiệp giấy và bao bì thực phẩm, nhóm nghiên cứu cho hay, tận dụng nguồn nguyên liệu trong nước và nguồn phế phụ phẩm tiềm năng của ngành công nghiệp chế biến thủy sản, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên, chủ động được nguồn nguyên liệu, tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng thiết yếu, tăng cường tái chế, góp phần phát triển lĩnh vực công nghiệp chế biến, hiện đại hóa và nâng cao tính cạnh của ngành công nghiệp giấy Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở phát triển công nghệ sản xuất vật liệu nano từ sinh khối, hướng tới nền kinh tế tuần hoàn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường của lĩnh vực tiêu dùng bao bì.

Các kết quả của đề tài có thể tiếp tục được ứng dụng cho phát triển lĩnh vực công nghệ vật liệu, công nghiệp bao bì dùng cho thực phẩm/dược phẩm, tạo ra các sản phẩm có giá trị đáp ứng nhu cầu xã hội.