Metsäbiotalouden tiekartta Etelä- Pirkanmaalle Prof. Pertti Nousiainen Materiaaliopin Laitos Tampereen Teknillinen Yliopisto 1
Metsäbiotalouden tiekartta Etelä- Pirkanmaalle 1. Metsäbiotalouden taustaa 2. MetsäBio TTY:n D-työtutkimuksen tiivistelmä 3. Entsyymiavusteinen selluloosakuidun valmistusmenetelmä (Biocelsol) 4. Hidas pyrolyysi 5. Biokomposiitit 6. Nanocellulose 7. Selluloosakarbamaattimenetelmä 8. Finnish Bioeconomy Cluster Oy:n (FIBIC) kehityshankkeet ja Ioncell-menetelmä 9. VTT metsäklusterin tutkimuksen toteuttajana design-lähtöisesti 2
Puun kemiallinen käyttö materiaalien ja polttoaineiden tuotannossa Puun fraktiointi Puu Pitkäkuituinen SW Lyhytkuituinen HW Polttoaineiden tuotanto Massan valmistus Puun käsittely Pyrolyysi Kaasutus Fermentaatio Mekaaninen massa Kemiallinen sellu Ioniset liuottimet Kuumavesiuutto Bioöljy Kaasu Synteesikaasu Bioetanoli Selluloosa >92% Selluloosamuuntokuidut Selluloosan kem. johdokset Funktionaaliset selluloosahelmet Mek.puukuidut Hemiselluloosa Filmit ja kalvot Kemikaalit Hemiselluloosan kem. johdokset Ligniini Kemikaalit Liimat ja muovit Biokomposiitin matriisipolymeeri Hiilikuidut Hiili Eristetyt funktionaaliset kemikaalit Mustalipeän käyttö polttoaineena Paperi ja kartonki, selluloosa < 92 % Kuivatun puun käyttö polttoaineena Kuivatun puun käyttö materiaalina 3
Maailman kuitutuotannon (non-pulp) kehittyminen ja selluloosamuuntokuitujen teollisesti käytetyt menetelmät Viscose Max ~10% 4
Biocelsol-menetelmä - Keksitty Valkeakoskella 1988 P.Nousiainen & H.Struszczyk - Kehitetty Alkon (AB-enzymes), EU:n ja Tekes:n rahoituksella 1993-2013 - Ei Kemira Fibres eikä Säteri International olleet kiinnostuneet tutkimusprojektista yhtiöjärjestelyjen takia - Saavutettu tekninen toimivuus semi-pilot laboratoriossa ja koetuotteet - Vastaa ns. regular viskoosikuitua, erinomainen hygieniakäytössä - Tarvitaan kehitystyötä prosessin skaalaukseen > 5000 kg - Viskoosilinjat voitaisiin muuttaa Biocelsol-prosessille kohtuullisilla investoinneilla - Kehityspotentiaalina erikoiskuidut ja korkean sakeuden liuokset 5
Biocelsol-liuos, kuitujen synty suulakkeella, katkouituja, filamentteja ja koetuote Rengaskehruulanka 30 tex 6
Hidas pyrolyysi * ) Bioöljyä voidaan käyttää lämmitysöljynä fossiilisten polttoaineiden tapaan Bioöljyn pientä lämpöarvoa kompensoivat korkeampi räjähtämispiste ja suuri tiheys, tarvitaan noin 2,5 kg samaan energiatuottoon kuin1 kg fossiilista polttoainetta Prosessista saatavaa kaasua voidaan prosessin oman lämmöntuotannon lisäksi käyttää kaukolämmön tuotantoon Syntyvää hiiltä voidaan käyttää aktiivihiilenä tai väriaineena esim. renkaissa ja musteissa Valmistuksessa ja varastoinnissa huomioitava korkea happamuus (alhainen ph) Edulliset investoinnit * ) moderni tervanpoltto 7
Biokomposiitit Komposiitissa lujuus on suurempi kuin matriisipolymeerin ja lujitekuidun yhteenlaskettu lujuus Biokomposiitissa vähintään toinen materiaalityypeistä on bio(teknologia)pohjainen Kuidut (lasi, synteettinen, selluloosa) siirtävät komposiitin sisäisiä kuormia matriisin toimiessa kuitujen liima-aineena kuormien alaisuudessa (metalli-, keraami- tai orgaaninen hartsimateriaali) Selluloosakuitujen mekaaniset ominaisuudet ovat huonommat kuin perinteisten lujitekuitujen Puukuidun spesifinen lujuus sekä spesifinen moduuli on lähellä lasikuidun vastaavia ominaisuuksia Luonnonkuiduilla alhainen paino, alhainen tiheys, hyvät spesifiset ominaisuudet, halpa hinta ja niiden saatavuus uusiutuvista luonnonvaroista Huonoja puolia ovat niiden tupoamista aiheuttava kosteuden imukyky, alhainen lämmöneristävyys ja paikalliset tai vuodenajasta riippuvat laatuvaihtelut Plastisoitu ligniinikomposiitti on lujuusominaisuuksiltaan melko hyvä verrattuna selluloosakuiduilla lujitettuun polypropeeniin (PP) ja polylaktidihappoon (PLA) 8
Nanocellulose Nanoselluloosa on alle 1 μm paksuinen polymeeriketjujen nippu, joka valmistetaan erottamalla ne ligniini- ja hemiselluloosamatriisista (usein myös alle 0,1 μm = 100 nm) Paksuuden pienentyessä kuitukimpun lujuus lähenee selluloosan kemiallisen -C-O-C- lujuutta, joka on teoreettinen maksimi ja ulkopinnan ala kasvaa samalla eksponentiaalisesti Mikrofibrilloitua selluloosaa voidaan hyödyntää bionanokomposiiteissa, autoteollisuuden osissa, rakennusmateriaaleissa, huokoisissa materiaaleissa, paperissa ja kartongissa, päällysteissä funktionaalisissa pinnoissa sekä funktionaalisissa lisäaineissa Nanokiteistä selluloosaa voidaan käyttää polymeerien lujitteena, kuitu- ja tekstiilimateriaalit, komposiittimateriaalit, barrier kalvot, lisäaineet päällysteissä, maaleissa, lakoissa ja liimoissa, lääketuotteet sekä lääkkeiden annostelu ja elintarvikkeiden sekä kosmetiikan lisäaineet Fluidisaatio-jauhatus-prosessissa massa jauhetaan ensin n. 0,5 mm:n partikkeleiksi, jonka jälkeen törmäytetään partikkelit korkeassa paineessa erikoisrakenteisessa kammiossa Mikrofibrilloidun selluloosan ja nanoselluloosan entsyymi-katalyyttisessä prosessissa massa prosessoidaan kahdesti, ensin entsyymeillä ja sitten mekaanisesti Fluidisaatio-jauhamiseen perustuvaan käsittelyyn verrattuna voidaan säästää valmistuskustannuksissa 9
Selluloosakarbamaattimenetelmä Urea muodostaa kuumennettaessa n. 135 o C selluloosan kanssa alkaliliukoista selluloosakarbamaattia, joka tunnettu jo 1930-luvulta Reaktio vaatii viskoosin tapaan aktivointikäsittelyn ja siinä syntyy sivutuotteita (mm. ammoniakkia) Menetelmää kehitti kuitujen valmistukseen valtaosin 80-luvulla Neste Oy:n, jolloin suoritettiin myös teollinen koeajo ja valmistettiin lopputuotteita Lujuudeltaan ja ominaisuuksiltaan saavutetut kuidut (CELLCA) olivat lähellä puuvillan ja modaalikuitujen tasoa, erityisesti sisältäessään hieman jäännöstyppeä Reaktiivisuus ja sivureaktioiden hallinta tärkeitä sitoutunen typen ja laadun kannalta Reaktiivisuuden parantamista on tutkittu, esim. kemiallisesti, fysikaalisesti, entsymaattisesti, mikroaaltojen avulla sekä ylikriittistä hiilidioksidia käyttäen Kemira Fibres ei tehnyt positiivista investointipäätöstä 90-luvun taitteessa, sen suuruuden, uuden teknologian, päästöjen ja kuidun laadun takia Toisaalta vv. 1986-1992 viskoosikuitujen kysyntä ja hinnat olivat korkealla tasolla VTT on tutkimut menetelmän yksinkertaista hallintaa ja patentoinut ns. kneading periaatteella toimivan reaktorin, jotta karbamaatin valmistus ja liuotus voitaisiin tehdä mahdollisimman yksinkertaisesti 10
Finnish Bioeconomy Cluster Oy:n (FIBIC) kehityshankkeet FIBICin tutkimuksen lähtökohtana on Metsäklusteri Oy:n 2010 tutkimusstrategian linjaus: kestävän yhteiskunnan rakentaminen vaatii uusiutuviin materiaaleihin perustuvaa biotaloutta Pakkausmaterialit, Bio-muovit, Bio-kemikaalit, Bio-energia, Ravinteet, Kuitutuotteet ja tekstiilit, Puutuotteiden käytöt, Vesi ja sen puhdistus,terveysvaikutteiset aineet Fubio Cellulose (Products from dissolved cellulose) on ensimmäinen tuoteryhmä, jolle on määritetty arvoketjuja uusien prosessien kehittämiseksi IonCell IonCell Biocelsol Biocelsol 11
Ioncell uutena menetelmänä Fubio Cellulose projektissa on Helsingin yliopiston ja Aalto-yliopiston yhteistyönä on kehitetty uudenlainen prosessi selluloosan työstämiseen tekstiilikuiduiksi perustuen EMIMAc-liuottimeen Saavutettu erittäin korkea kuitulujuus (2 x viskoosi ja vastaa Lyocell) ja tekninen toimivuus semi-pilot laboratoriossa ja koetuotteet Kehityksen alla liuottimen talteenotto ja stabilointi korkeassa lämpötilassa Kehityspotentiaalina erikoiskuidut sekä vaatetustekstiileihin että teknisiin tekstiileihin Uuden teollisen prosessin kehitys ja taloudellinen arviointi jatkossa 12
Johtopäätökset Suomella hyvät mahdollisuudet kehittyä metsäklusterin vetämänä kestävän kehityksen ja biotalouden edelläkävijäksi, jolloin puuta käytetään entistä monipuolisemmin valtakunnallinen julkinen ja yritysten yksityinen kehitystoiminta on tuottanut potentiaalisia hyödynnettäviä tuloksia: on aika aloittaa jatkokehitys tuotantoon ja markkinoille Selluloosapohjaisten kuitujen tarve kasvaa nykyisestä 4 milj.t.:sta 6-10 milj.t:iin puuvillan tuotannon pysyessä vakiona 25 milj. t:ssa vuoteen 2050 Samalla polyesterin tarve kasvaa 60-70 milj. tonniin Fibic:n Fubio cellulose ohjelmassa on demonstroitu kahta uutta teknologiaa koetuotteilla tekstiilikuitujen valmistamiseksi: biotekninen Biocelsol-menetelmä sekä ionista liuotinta käyttävä Ioncell-menetelmä Biocelsol sopii myös viskoosilinjojen muuntamiseen liuotinvapaiksi, Ioncell tarvitsee talteenottotutkimukset sekä sen mukaiset investoinnit Valittavasta menetelmästä riippumatta tarvitaan pilotointia varten tehdastilaa ja sopivaa infraa suurempien valmistusmäärien skaalaukseen: näitä löytyy Etelä-Pirkanmaalta Metsäbiolaakso Valkeakoskelle: - paperi-, kuitu-, pakkaus- ja pyrolyysiosaaminen entisiin Avilonin tiloihin - kuitujen pilotointiyksikkkö, tutkijoita ja insinöörejä Fubio-projekteista - yhteistyössä Fibicin yritykset, VTT:n, TTY:n ja TAMK:n kuitu-, muovi-, komposiitti-, pakkaus- ja energiatekniikka sekä Sastamalan komposiittikehitys - muita yrityksiä mukaan, esim. Metsä Fiber Rauma, Hypap, UPM tarra, Valmet, Kylmäsaukko, Huurre, Atrex, jatkossa Metsä Fiber Äänekoski - kehityskohteena tekstiilikuidut, selluloosapohjaiset adsorbentit, selluloosapohjaiset polymeerisovellukset, pakkauskalvot, biokomposiitit - tavoitteena tuotannollisten yksikköjen rakentaminen Suomeen /Valkeakoskelle 3-5 vuoden tähtäyksellä 13
Kiitokset verkostolle! - Johtoryhmä Timo Koskinen, Jouni Huuskonen, Raimo Koskela, Jorma Kirjavainen, DI Hanna Jännes, Prof. Saku Mäkinen - 20 aktiivista, yrityksistä riippumatonta alan senioria - 17 seutukunnan yritysten edustajaa - 22 tutkimus- kehittämis- ja suunnitteluasiantuntijaa SHOK Fibic / OSKE, Finnish Wood Research - selluloosapohjaiset kuidut ja materiaalit, TTY, TAMK, kemian teollisuus - bioenergia, luonnonvarat, biotalous, metsänhoitopalvelut, arkkitehtuuri - muutosjohtaminen, innovaatiot, ongelmien ratkaisu - Valkeakosken Seudun Kehittämiskeskus, Pirkan Helmi, ELY- keskus - Valkeakoski Tohkan Rotaryklubin vapaaehtoistyö Kiitos mielenkiinnosta! 14
Lähdeluettelo 1. Biotaloustyöryhmän loppuraportti 30.9.2010: Biotalous Suomessa arvio kansallisen strategian tarpeesta, Valtioneuvoston kanslian julkaisusarja 15/2010, 40 sivua 2. Finnish National Biorefinery activities November 30, 2007, Tekes Biorefine Programme 2007-2012 3. Forestcluster Ltd, RAMI: RAdical Market Innovations Project documentation 11.1.2011 4. Järvinen, Kimmo, Puutuotealan Eurooppalaista ja Suomalaista yhteistutkimusta Finnish Wood Research Oy 25 2 2011 Rotary Valkeakoski 25.2.2011 5. Jännes, Hanna, Metsäbiotalouden kehitysmahdollisuudet Etelä-Pirkanmaan alueella. Diplomityö, Tampereen Teknillinen Yliopisto, 98 sivua, 11 liitesivua Lokakuu 2013 6. Moncrieff, R.W.; Man-Made Fibres, London 1975, Newnes- Butterworths, 1094 pp 7. Nousiainen, Pertti, Tampere University of technology Department of Materials Science Fibre Materials 3600 Fiber and Colour chemistry, 2013. 8. Klare, H.; Acta Polymerica 36, 81-89 (1985) 2 9. Nousiainen, P: Characteristics and Requirements in Production Technology for High-Quality Viscose and Modal Fibres in CottonType Spinning; Kemira Tagung, Tampere 2.6.1988, 11 pp + app. 11 pp 10. Herlinger, H., et al.: Verhalten von Cellulose in nichtkonventionellen Lösungsmitteln; 23. ICT 1984, Dornbirn, Österreich 11. Lenz, J., Schurz, J., Wrentschur, E.; Das Papier 42, 683-689 (1988) 12 12. Davis, S.; Chemiefasern Text. Ind. 39191, 347-348 (1989) 13. Herlinger,H., Hirt, P; ChemiefasernText. Ind. 37189, 788-792 (1987) 14. Rosenau, T. et. al., The chemistry of side reactions and byproduct formation in the system NMMO/cellulose (Lyocell process). Prog. Polym. Sci. 26 (2001) 1763-1837. 15. Vehviläinen, M, Nousiainen, P., et al., Method for dissolving cellulose and a cellulosic product obtained from a solution comprising dissolved cellulose., USPC appl. 20110112286, 16. Kari Kovasin ja Anna Suurnäkki, Project Plan: Products from Dissolved Cellulose 1.6.2011-31.5.2014, Metsäklusteri Oy Helsinki, 7.4.2011 17. Sirkku Hoikkala, Marianna Vehviläinen, Biotechnological Process for Manufacturing Cellulosic Products with Added Value (Biocelsol) Publishable Final Activity Report NMP-CT-2003-505567 Specific Targeted Research Project (STREP) Nanotechnology and nanosciences, knowledge based multifunctional materials, new production processes and devices (NMP) 1.3.2004 to 28.2.2007, 11.4.2007, Tampere 18. Company Press Release, UPM initiated the fibril cellulose product, Pre-commercial production began this autumn at Otaniemi, Espoo, Finland. 19. Stora Enso Ltd, Press release, Aamulehti, June1, 2011, Tampere. 20. Pat US 2 134 825, Hill, J.W and Jacobsen, R.A., Chemical process, Nov. 1, 1938. 21. Ekman, K., Eklund, V., Fors, J., Mandell, L., Turunen, O.T., Selin, J-F.; Lenzinger Ber 57, 38-40 (1984) 22. Turunen, 01, Fors, J., Huttunen, J.I.; Lenzinger Ber. 59, 111-117 (1985) 23. Nousiainen, P.: Microstructure and Chemical Aftertreatmentof Viscose, Modal and Cotton Fabrics; IFATCC Congress, Volume 1. Tampere, June 1987, pp. 212-242 24. Pat US 5 906 926, Keunecke, G, Struszczyk, H. et al., Method for modified manufacture of cellulose carbamate, Nov. 13, 1997. 25. Valta, K. and Sivonen, E., Method for manufacturing cellulose carbamate, USP 7662953, February 16, 2010 26. Guo, Y., et al., An efficient transformation of cellulose into cellulose carbamates assisted by microwave irradiation Cellulose (2010) 17:1115 1125 27. Chen, G.M. and Huang, C.Y.P.,Deconvolution Method for Determination of the Nitrogen, Chinese Chemical Letters Vol. 12, No.4, pp.365-368, 2001 365 28. Forestcluster Oy Ltd, Future Biorefinery Research Program Information Package. Helsinki, 2009 29. Forestcluster Ltd FuBio Programme MEE Biofuels development programme Funding for demonstrations 30. FuBio Cellulose WP1+WP2 Meeting, Hummel, M. and Sixta, H.,/Vehviläinen, M., and Kamppuri, T. November 6-7, 2013, Lappeenranta. 31. VTT Tiedote, Design World of Cellulose, Suomesta design-selluloosatuotteiden edelläkävijä, 02.10.2013 15