1 Biomassasta uusiin materiaaleihin Pro-Länsi, Aulanko 18.11.2012 Professori Ali Harlin, D.Sc. VTT Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
2 Mahdollisia biomassoja - Uusimaa, Häme ja Varsinais-Suomi Puu ja maatalous Mekaaninen massa Kiertokuitu Sahatavara Sahanpuru Vaihtoehtoiset lähteet Leseet Mäski Biojäte Tärkkelys Vilja, sokerijuurikas, peruna Olki Ruokohelpi Pellava Turve (tupasvilla)
3 Biotalous lisäarvon laajentaminen Arvo Volymi Biopolymeerit, komposiitit Pinnoittet liimat Hake, pelletit, kaasutus Lääkkeet Lääke ja kosmetiikka Kosmetiikka Biomateriaalit Biomaterialit Biokemikaalit Biopolttoaineet Biopolttonesteet liikenteeseen Bioenergia Bioenergia, - lämpö lämpö ja sähkö ja Sähkö teollisuudelle teollisuudelle ja kotitalouksille ja talouksille Puutuotteet, sellu, paperi and kartonki Sellu, paperi ja kartonki viestint ään, pakkaamiseen ja pehmopapereihin sekä puutuotteet mm. rakentamiseen Korjuu ja logistiikka Uuden osaamisen kerryttäminen Uudet Investoinnit materiaalit, uuteen tuotteet teknologiaan ja palvelut ja liiketoimintoihin Globaali verkostoituminen T&K ja innovaatiot Bioenergia tuotteet Nykyisten tuotteiden kilpailukyky 20.10.2010 Modified from the source: Metsäteollisuus ry 3
4 Volumi Liete Musta lipeä 18 Hylky 30 Metaani Multa Platformi 1 Puu 100 Etanoli / muoviraaka-aineet Muovikomposiitit Platformi 2 Tukki 60 Kierto paperi 70 Mek Massa 10 Kem Massa 18 Puru 10 Pelletti 7 Paperi Kartonki Sahatuote 12,5 Vaneri 2 Julkaisu & Pakkaus 110 Selluloosakemikaalit Tekstiilit Nanosellulöoosa Uudet mahdollisuudet 11-15 Milj. tonnia = 9-12 Miljardia + 6000-8000 työpaikkaa Platform 4 Kuori 10 Energia puu 30 Liimat Hartsit Puunsuoja-aineet Platformi 3 50tn 150tn 500tn 1000tn 2000tn 4000tn
5 Mitä tehdä? /a 10E11 10E10 10E9 Uudistetaan teollisuutta: - Tehokkaita prosesseja - Alentuneet kustannukset (raaka-aine tehokkuus) - Hallittu investointikustannus 10E8 10E7 10E6 Myynti Mariginaali Valmistus kustannus 50 150 500 1000 1500 2000 4000 /tn - Markkinoiden kehittyminen - Uusien markkinoiden luominen - Asiakassuuntautuneet ratkaisut - Teollisuuden perusta - Kierrätys ja jätteen minimointi - Hiilineutraali
6 Biokomposiittien kehits Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa Puu-muovi, WPC Synteettinen muovi + puu + lisäaine Muovi + Puu Luonnonkuitu komposiitti, NFC Synteettinen hartsi + luonnonkuitu + lisäaine. Biokomposiitti Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine. Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC Hartsi + puu/luonnonkuity + lisäaine. Muovi Biopolymeeri + Biopolymeeri + Luonnonkuitu + Luonnonkuitu Nano Bio-based Composites Green Composites Natural Composites Standardontitarpeita terminologia tuotteet testaus LCA
7 Ruiskupuristettavat biokompoiitit Puukuitu Sahajauho Ruokohelpi Turve
8 Biokomposiittien valmistus
9 Ekotehokkaat materialsovellukset huonekaluvalmistuksessa Kuinka yhdistää taloudellisuus ja ekologisuus? Vähennä - Uusiokäytä - Kierrätä Käytä pitkään Yhdistä käytettävyys ja toiminnallisuus ekologisuuteen Raaka-aine tehokkuus = valmistuksen talous paranee 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 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
10 Bioliimat Muokattuja tärkkelys tai ligniini liimoja tuotteisiin ja pakkauksiin Ratkaisuja: Vesipohjaiset liimat Vesidispersioita tai liuoksia (jopa 80% kiintoainetta). Reseptin muokkaus (viskositeetti, veden kesto, adheesio). Oksastusasteen ja moolimassan säätäminen Kuumaliimat Kuiva-aine 100 % Mukattavat ominaisuudet (sulaminen, adheesio, filmin muodostus) Lisä-arvo: Mukattavissa sovelluksen mukaan. Kestävä kehitys. Biopohjaisuus ja biohajoavuus.
11 Tärkkelys pohjaiset biopolymeerit Suurin biomuovi sovellus Kompostoitavat jätepussit Loose-fill maapähkinät Biomuovikompoundit Termoplastinen tärkkelys, TPS tärkkelys + pehmentäjä + sideaine TPS käytetään kompoundeissa (PLA, PVOH, PCL) Hyvä biohajoavuus, huono vedenkesto Tärkkelyksen hydrofiilisyyttä voidaan alentaa muokkaamalla Suurin käyttö paperin valmistuksessa (wet end retention chemical, surface sizing)
12 Mater-bi (Novamont) Ympäristöväittämät Biohajoavuus ja kompostoitavuus Sertifioitu biohajoavuus kompostointi olosuhteissa biodegradation under composting conditions Hajoavuus meressä Preliminary results show that Mater-Bi films are subject both to degradation and to biodegradation in three typical marine environments: on the free sea water (pelagic domain), on the beach (tidal zone) and on the bottom of the sea (benthic domain). Biopohjaiset raaka-aineet The different types of Mater-Bi are made using natural and synthetic raw materials Kaikki käytetyt polymeerit biohajoavat (tärkki + Ecoflex) Ei GMO tärkkelystä A small fraction of starch is used to produce bioplastics. Source: www.novamont.com 2012
13 Tärkkelyksen käyttö ruuan lisäksi (Eurooppa) biomuovi Source: Product overview and market projection of emerging bio-based plastics;pro-bip 2009, Final report, June 2009, Li Shen1, Juliane Haufe, Martin K.Patel2
14 TPS esimerkkejä Source: www.european-bioplastics.org
15 Uusia täkkelyspohjaisia termoplasteja Roquette: Ranskalainen täkkelysjalostaja: paperi kemikaalit, ruoka, rehu, lääkkeet.. Julkaisi uuden tärkkelysmuovin K2010. "Our GAÏALENE resins contain over 50% plant based materials and are completely new. They are not the result of mixing or compounding; they are the product of genuine hemisynthesis which gives them their original properties," Pehmennettävissä, lujitettavissa ja värjättävissä. Tuotteita: pehmeät ja kovat ruiskupuristeet, filmit.. Tuotelupaus > 50% bio-pohjainen, >40% vähemmän CO 2 jalanjälkeä, kierrätettävä, korkea suorituskyky Ei biohajoava Source: www.roquette.com, 10/2010
16 Bio-etanoli polymeerin valmistuksessa Etanolia tuotetaan käyttämällä glukoosia biomassasta (myös hydrplyysisokeri) Etanolista saatavat monomeerit Eteeni Etyleeni glykoli (eteenin hapetus) Propeeni (eteenin metateesi) VCM,1,4-butanidioli (asetaldehydin kautta) sekä useimmat petrokemian tuotteet. CO 2 päästön alenema perustuu uusiutuviin raakaaineisiin ja niiden ekologisuuteen. Raaka-aineen saatavuus ja hinta sekä saanto sokerista (käyttäminen tuottaa CO 2 ) aiheuttavat keskustelua
17 Biopohjainen PE sokeriruokosta Braskem has a 200 kt/a bio-ethylene plant from sugarcane-based ethanol. Start of the commercial operation in September 2010. 140 kt/a bimodal HDPE, 60 kt/a LLDPE (using existing plants) Plans to start of 30 kt/a bio-propylene plant in 2013. Dow Chemical plan to build a 350 kt/a LDPE plant based on sugarcane ethanol in Brazil (start-up 2015). Ethylene from ethanol made from sugar cane by fermentation According to Braskem negative CO 2 footprint: 1 kg of fossil-fuel based PE, you get 2.5 kg of carbon dioxide, while 1 kg of Braskem's green PE actually captures 2.5 kg of carbon dioxide. Reduced fossil energy consumption ~1/5 vs. energy needed from sugar beet or corn 1 hectare of land produces three tonnes of PE Source: platicstoday.com, www.braskem.com 2010, www.dow.com 2012
18 Tuotteita biopohjaisesta HDPEstä
19 Muokattu hemiselluloosa Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta: Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin Läpinäkyvät ja taipuisat filmit Muokattava filmi Hydrogeelit (hygenienia) Aktiiviset filmit Mouldable hemicellulose film (VTT) Hemicellulose barrier dispersion (KCL/VTT) Flexible hemicellulose film (FC/VTT) Hemicellulose hydrogel (Aca/VTT) Heat-activated cellulose film (FC/VTT) 19
20 Biohybridibarrierit Muodostetaan hallituissa olosuhteissa Mukkaamalla kemiaa Sekoittamalla OTR (cm 3 /m 2 24h) 400 Saadaan: Kerroksittain järjestyneitä nanorakenteita 300 200 100 Kosteusherkkyys vähenee 0 wt% ~10 wt% ~20 wt% ~30 wt% BOPP-film 0 0 20 40 60 80 100 Relative humidity (%) Vartiainen, Tammelin, Pere et al. Bio-hybrid barrier films from fluidized pectin and nanoclay - submitted to Carbohydrate Polymers 2010 Tarvitaan materiaalien suunnittelua ja muokkaamista
21 Aktiiviset geelit Aineen rakenne on sidottu ja siihen on lisätty veden imeytymistä parantavia komponentteja Tulos: Biopohjainen imeytysmassa
22 Aktiivinen suodatin tai membraani Polymeerit: esimerkiksi PNIPAM yhdistettynä selluloosaan Heräte: ph, T, p, ioni vahvuus, liuotin Vaikutus: palautuva muodonmuutos ja läpäisykyvyn säätyminen Perustuu ns. LCST tekniikkaan Voidaan säätää + 5 + 90 o C. Toimii 5-1000 kertaa Lämpötila aktiivinen selluloosa filmi NIPA-PVA on a fabric DH 65 J/g, LCST 32-34 oc
23 Dissolving pulp Chemicals Export CMC Fibre Food packaging Textile Technical and Hygenic products Clothing Consumption
24 Kierrätetyn tekstiilin konsepti Liukosellu Puuvilla Bio energia Kiertokuitu Waste Tekstiili Kaato paikka Kiertotekstiili Komposti
25 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.
26 Ekotehokkaat Materiaalit Ajurit Vähentää Kierrättää Uudistua Tavoitteet Keveys Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Raaka-aine tehokkuus
27 Kestäväkehitys on tulossa Braskem sokeripohjainen HDPE vuodesta 2009. Johnson&Johnson, Danone, Tetrapak. Coca-Cola julkaisi 2009 PlantBottle jossa 30% bioosuus ja tavoitteena 100 % PET muoville. Natureworks PLA ollut markkinoilla jo vuosia, uusia sovelluksia tulee jatkuvasti (Danone).
28 100% Bio-pohjaiset pakkaukset Kierrätettävät kuitumateriaalit ja biopolymeerit Yhteensopivuus pakkaus arvoketjuun Tehokkaat valmistusratkaisut pakkaus sovelluksissa Joustavat työtavat
29 Hybrid kartongit parannettu jäykkyys - MD/CD ajattelusta monisuuntaiseen lujuuteen
30 Uudet kuitumateriaalit Uusi tapa lähestyä pakkausta: Läpinäkyvyys Muokattavuus Painettavuus Hybridimateriaal Läpinäkyvä paperi 30
31 Esimerkki: Kuituinen läpipainopakkaus Konsepti: Kuitupohjaiset läpipainopakkaukset lisäarvoisessa sovelluksessa Yksinkertaistetaan pakkausratkaisua ja vähennetään materiaalien määrää Hyödynnetään uutta muokattavan kartongin ja bio barrier teknologioita Korvataan muovi ja alumiinipohjaisia pakkauksia
32 Muokattavat ja läpinäkyvät rainat Esimerkki: Demo uuden tyyppisestä muokattavasta rainasta, jolla voidaan korvata esimerkiksi PET filmiä Sovellukset: Kuluttaja pakkaukset, ruoka ja tarjoilu pakkaukset, dekoratiiviset tuotteet Teknologiat: Muokattava perusraina Tarvittavat biopolymeerit Konversio ja painatustekniikat
33 Muokattava kuituraina Uutta Kuitupohjainen Kestävän kehityksen mukainen Helppo hävittää Kommunikaatio Materiaalit VTT
34 Tray packaging demo, Drupa 2012 4 keksintöä: Vaahtorainaus Dispersiot Lämpömuokattavuus Läpinäkyvyys Muokattava raina Seuraavaksi: Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty pakkaus
35 Mitä on nanoselluloosa? Valmistus Tuotteet Esau, Anatomy of seed plants, 1977, Wiley, NY Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934 1,7% kiintoaine 35 Aivan uusia ominaisuuksia ja suorituskykyä tuotteille Aalto: Seppälä VTT 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)
36 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 % 3% 38 % 18 % 16 % 4 % 8 % Vuoden 2009 hakemukset Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja hygienia (2), Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2), Paperin ja kartongin päällystys (2) 36 Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and Technology
37 Nanoselluloosan käyttö patenttien perusteella 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%) 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
38 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
39 Keveät materiaalit - Selluloosa vaahto Kovia vaahtoja biomateriaaleista. Öljyn korvaaminen Keveys. Eristyskyky. Sovelluksissa pakkaamisesta rakentamiseen. Nanoselluloosa vaahto Nanokuituinen selluloosa Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934
40 Nanoselluloosa filmit HDPE filmin kaltainen puupohjainen Ei sähköisty Biohajoava Painatettava Myös älykäs painaminen NASEVA 2011-2013
41 Bio-barrierit ruokapakkauksissa Kuivaruuan pussit kartonkipakkauksissa Korkean barrierin muovien ja alumiinin korvaus mausteissa ja pitkän hyllyiän tuotteissa Fluorokemikaalien korvaus pikaruoka pakkauksissa ja rasvaisissa ruuissa Rasva barrier leipäpakkauksissa Happibarrier jäähdytetyissä ja jäädytetyissä ruuissa
42 Pakkauspinnoitteiden hapen ja veden läpäisy (normalisoitu to 100 m thickness) Parannetaan tuotteen säilyvyyttä Nano Bio ALD Plasma PGA Cellulose PE blend Modified Hemi Grafted cellulose Mod. Nano Cellulose Source: SustainPack and Pira International Ltd 42
43 Biopainovärit Tulevaisuuden painovärit Biopohjaisia Biohajoavia Turvallisia Vesiliukoisia
44 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
45 Yheenveto VTT on Euroopan johtavia biomateriaalien tutkijoita. VTT työtä tehdään yhdessä teollisuuden kanssa. VTT pyrkii kaupallisiin biomateriaalituotteisiin