Harlin: Metsäbiotalous tutkijan näkökulmasta

02/06/2014
Metsäbiotalous
tutkijan näkökulmasta
Metsäteollisuuden seminaari
Valkeakoski 27.05.2014
Professori Ali Harlin, D.Sc.
VTT Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
1
02/06/2014
2
Biotalous – lisäarvon laajentaminen
Arvo
Lääke ja
Biopolymeerit, komposiitit… Lääkkeet
kosmetiikka
Kosmetiikka
Pinnoittet
liimat…
Biomateriaalit
Biomaterialit
Biokemikaalit
Hake, pelletit,
kaasutus…
Volymi
Biopolttonesteet
Biopolttoaineet
liikenteeseen
Bioenergia,
lämpö
ja
Bioenergialämpö
ja sähkö
Sähkö
teollisuudelle
ja talouksille
teollisuudelle
ja kotitalouksille
Sellu, paperi Puutuotteet,
ja kartonki viestint
ään,
pakkaamiseen ja
sellu,
pehmopapereihin
sek
ä puutuotteet
mm. rakentamiseen
paperi
and kartonki
Korjuu ja logistiikka
Uuden osaamisen
kerryttäminen
Investoinnit
uuteen
Uudet
materiaalit,
teknologiaan
ja
tuotteet
ja palvelut
liiketoimintoihin
Globaali verkostoituminen
T&K ja innovaatiot
Bioenergia
tuotteet
Nykyisten
tuotteiden
kilpailukyky
20.10.2010
Modified from the source: Metsäteollisuus ry
2
02/06/2014
3
10E10
10E9
Lisäarvoiset tuotteet
10E11
Bioenergia
€/a
Nykyiset tuotteet
Uudet platformit
10E8
10E7
50 150 500 1000
1500
2000
4000 €/tn
Analyysin perusteella
- Nykyiset tuotteet mahdollistavat
raaka-aineen saatavuuden
- Biojalostamot syntyvät olemassa olevien
tuotantojen yhteyteen
- tyypillinen yksikkökoko
- integroitu tuotanto
- tasapainottaminen vaativaa
- riippuvuus puunhinnasta
- raaka-aineen saatavuus rajallinen
- Energiatuotteet parantavat raaka-aineen
käyttön tehokkuutta
- Lisäarvoiset tuotteet välttämättömiä
kannattavuudelle
02/06/2014
4
Mitä tehdä?
€/a
10E11
Uudistetaan teollisuutta:
- Tehokkaita prosesseja
- Alentuneet kustannukset
(raaka-aine tehokkuus)
- Hallittu investointikustannus
10E10
10E9
10E8
Myynti
10E7
Mariginaali
Valmistus
kustannus
10E6
50 150 500 1000
1500
2000
4000
€/tn
- Markkinoiden kehittyminen
- Uusien markkinoiden luominen
- Asiakassuuntautuneet ratkaisut
- Teollisuuden perusta
- Kierrätys ja jätteen minimointi
- Hiilineutraali
02/06/2014
5
Biokomposiittien kehits
Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa
Puu-muovi, WPC
Synteettinen muovi + puu + lisäaine
Muovi
Luonnonkuitu komposiitti, NFC
Synteettinen hartsi + luonnonkuitu + lisäaine.
Biokomposiitti
Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine.
Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC
Hartsi + puu/luonnonkuity + lisäaine.
Bio-based Composites
Green Composites
Natural Composites…
Muovi
+
Puu
+
Luonnonkuitu
+
Luonnonkuitu
Biopolymeeri
+
Biopolymeeri
Standardontitarpeita
• terminologia
• tuotteet
• testaus
• LCA
Nano
02/06/2014
Biokomposiittien valmistus
6
02/06/2014
7
Ekotehokkaat materialsovellukset
huonekaluvalmistuksessa
Kuinka yhdistää taloudellisuus ja ekologisuus?
Vähennä - Uusiokäytä - Kierrätä – Käytä pitkään
Yhdistä käytettävyys ja toiminnallisuus ekologisuuteen
Raaka-aine tehokkuus = valmistuksen talous paranee
Ekotehokkuus
Biomuovi ja luonnonkuitu komposiitit
Sovelletaan muovintyöstön tekniikoita
-35% painoa ja -45% CO2
Helposti huollettavat ja kestävät pinnat
Ohut ja käpinäkyvä AddSol® sooli-geeli pinnoite
Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa
Metalleille, puulle, muoville, komposiiteille ja
tekstiileille
CASE: Puustelli Ecokitchen 2012
Ethical and sustainabale production,
fact based and sertified (ISO 14025)
kitchen, which life-cycle impact is
markedly lighter that typical today
8
02/06/2014
Dissolving
pulp
Export
Chemicals
CMC
Fibre
Food packaging
Technical and
Hygenic products
Consumption
Textile
Clothing
02/06/2014
9
Selluloosa ja tekstiiliteknologioiden kehittyminen
Sulfaatti
Sulfiitti
Polysulfaatti
Organosolve
Viskoosi
LyoCell
Kuuma vesiesiuutto
CCA
BioCelSol
DES
IonCell-F
Cupro
02/06/2014
CCA development phases
Cellca technology developed in Neste Chemicals
Active development 1980’s
Plant size test runs in Säteri (Company sold)
VTT reviced technology totaly 2002
High consistency technology
Improved chemical efficiency
Several other applications
CCA commercialization is ongoing
Piloted for Avilon 2011-13 (Bankrupted)
Further licenced to an company 2013New development phase
Recycled fibre concept
2 new EU projects
New Partners
Picture: Helena Raunio (Kauppalehti)
10
02/06/2014
Multiple possibilities – or too many ways
General view on CCA business
Food casings
CCA producer
antimicrobial
VTT
Special paper:
casings basis
Synthesis,
pilot, R&D
Special fibre
Non woven
Fire retardants
CCA
Special paper:
grease resistance
granulate or powder;
tailored for specific
targets
separator films for
energy app’s
Special paper:
release paper
Coating pigments
control release for
seed, fertilizer and
animal feed
Film
Non woven
filters
activated carbon
recovery of heavy metals
Special paper:
disposable food
packaging
11
02/06/2014
12
Kierrätetyn tekstiilin konsepti
Puuvilla
Liukosellu
Kiertokuitu
Tekstiili
Waste
Bio
energia
Kaato
paikka
Komposti
Kiertotekstiili
02/06/2014
13
Demo: Fibre spun from recycled paper
Stretch ratio Titre dtex
%
Tenacity
Elongation,
Modulus
cN/dtex
%
cN/dtex
Ref Dumsjö
100
2.0
2.1
15.2
74.5
RCF Paper
120
1.9
2.1
16.2
72.5
RCF Board
120
2.2
2.0
15.4
02/06/2014
Materiaalidemot vaahtorainauksella
Hyödynnetään erityyppisiä kuituja
Tehdään rakenteita, joita on perinteisillä
non-woven tekniikoilla vaikea tai
mahdotonta tehdä.
Sidonnat: kemiallinen ja lämpösidonta
Suomiselta saaduista erilaisista kuiduista
näytearkit, joilla demotaan erilaisten
kuitujen rainausmahdollisuudet
vaahtoteknologialla.
14
02/06/2014
15
COMPETITIVENESS FOR TISSUE AND NONVOWENS
Fluff by
extraction
Dissolvin pulp of
recycled fibre
ADVANCED RAW MATERIAL
COMBINATIONS
Resource-efficiency
Increased value &
novel properties
Surface
active
agents
Nanomaterials
Pulp
Man-made fibers
Foam
forming
Ultra lightweight
materials
Synthetic
fibers
© Ali Harlin, VTT 2013
02/06/2014
16
DWoC demonstrators 5/2014
Printed structures (a) before and (b) after freeze drying
PulPaper 3-5.6.2014
- panel structure demonstrators
Nonwoven composite
textile (produced by foam
forming) in lampshade
Spinning of recycled material:
1. Thermomechanical pulp (TMP)
2. Refined office paper and card board (VTT)
3. Recycled textiles: old, discarded bed sheets
(Uudenmaan sairaalapesula)
Foam formed decoration panel
(30 cm x x30 cm) with smooth 3D design pattern.
62 meters long fibre
yarn sample
1
02/06/2014
17
Muokattu hemiselluloosa
Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta:
Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin
Läpinäkyvät ja taipuisat filmit
Muokattava filmi
Hydrogeelit (hygenienia)
Aktiiviset filmit
Hemicellulose barrier
dispersion (KCL/VTT)
Flexible hemicellulose film
(FC/VTT)
Mouldable hemicellulose film
(VTT)
Hemicellulose hydrogel
(Aca/VTT)
Heat-activated cellulose film
(FC/VTT)
17
02/06/2014
18
Ekotehokkaat Materiaalit
Ajurit
Tavoitteet
Keveys
Vähentää
Korkea suorituskyky
Öljyn korvaaminen
Kierrättää
Niukkaresurssisuus
Uudistua
Raaka-aine tehokkuus
02/06/2014
Uudet kuitumateriaalit
Uusi tapa lähestyä pakkausta:
Läpinäkyvyys
Muokattavuus
Painettavuus
Hybridimateriaal
Läpinäkyvä paperi
19
19
02/06/2014
Muokattava raina
Tray packaging demo, Drupa 2012
4 keksintöä:
Vaahtorainaus
Dispersiot
Lämpömuokattavuus
Läpinäkyvyys
Seuraavaksi:
Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty
pakkaus
20
02/06/2014
21
Pakkauspinnoitteiden hapen ja veden läpäisy
Cellulose
PE blend
Grafted
cellulose
Nano
Bio
Modified
Hemi
Plasma
Parannetaan tuotteen
säilyvyyttä
ALD
PGA
Mod. Nano
Cellulose
Source: SustainPack and Pira International Ltd
(normalisoitu to 100 m thickness)
21
02/06/2014
22
Mitä on nanoselluloosa?
Valmistus
Esau, Anatomy of seed
plants, 1977, Wiley, NY
Aivan uusia ominaisuuksia
ja suorituskykyä tuotteille
22
Pääkkö et al,
Biomacromolecules,
8(2007)1934
Aalto: Seppälä
VTT
Tuotteet
1,7% kiintoaine
Young´s modulus
140 GPa
(T. Nishino et al. J.Polym.Sci.,Part B,1995)
Tensile strength
3 GPa
(D.Page, F. El-Hosseiny, J.Pulp Paper Sci. 1983)
Coefficient of thermal expansion
0,1 ppm/ºK
(H.Yano, Seminar lecture, Otaniemi 2009)
02/06/2014
23
Nanoselluloosan käyttö patenttien perusteella
Käyttökohteet (MFC)
Komposiittimateriaalit (46, 38%)
Kuitukankaat, absorbentit (22, 18%)
Paperi ja kartonki (20, 16%)
Ruokatuotteet (15, 13%)
Paperin ja kartongin pinnoitus(10, 8%)
Kosmetiikka (4, 3%)
Suodattimet (5, 4%)
NFC applications
13 %
38 %
4%
Vuoden 2009 hakemukset
Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja hygienia (2),
Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2), Paperin ja kartongin päällystys (2)
Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and
Technology
18 %
16 %
8%
23
3%
02/06/2014
24
Nanoselluloosa paperin pinnoitteena
Ohut yhtenäiskerros
Vaahtopäällystys helpottaa applikointia
Pintaominaisuuksia voidaan muuttaa
tehokkaasti
Peruspaperi
Vähentää ilmanläpäisyä
Ei tarvita sideaineita
NFC-pinnoitettu paperi
SEM x50 SE images from uncalendered paper surfaces
02/06/2014
25
Keveät materiaalit - Selluloosa vaahto
Nanoselluloosa vaahto
• Kovia vaahtoja biomateriaaleista.
• Öljyn korvaaminen
• Keveys.
• Eristyskyky.
• Sovelluksissa pakkaamisesta rakentamiseen.
Nanokuituinen selluloosa
Pääkkö et al,
Biomacromolecules, 8(2007)1934
02/06/2014
26
Nanoselluloosa filmit
HDPE filmin kaltainen – puupohjainen
Ei sähköisty
Biohajoava
Painatettava
Myös älykäs painaminen
NASEVA 2011 - 2013
02/06/2014
27
Visiomme
Kuitumateriaalit ovat uusiutuvia:
• Kierrätys mahdollistaa tehokkaita ratkaisuja
• Ympäristö riski pienenee
• Synergia muovien kanssa
Biomuovien yhdistäminen luo synergiaa:
•
Muovit ovat suorituskykyisiä
• Olemassa oleva tuotanto ja logistiikka
• Toimivat tuotteet
• Tulevaisuuden jätteen käsittely: kierrätys ja energia käyttö
Hyödyntäjät:
• Tuotemerkit saavat asiakkailleen kestävän kehityksen tuotteita
• Kemian teollisuus ja materiaali toimittajat saavat uusia lisäarvoisia tuotteita