TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Selluloosatutkimuksen tuoreimmat suuntaukset Suomessa ja Japanissa Tiedeilta 12.12.2016 Jenni Rahikainen, PhD, Research Scientist
Kuka olen Maatalous-metsätieteen tohtori, pääaine biotekniikka Väitös vuonna 2013 VTTltä Liittyen selluloosan hyödyntämiseen biokemikaali/polttoaineiden raakaaineena Vierailevana tutkijana Tokion yliopistossa (tammi-heinäkuu) 2014 Prof. Masahiro Samejima:n laboratorio (Forest Chemistry laboratory) Selluloosaa hajottavien entsyymien tutkimus videokuvaa tallentavalla nanometriresoluution omaavalla atomivoimamikroskoopilla (AFM), yhteistyössä Kanasawan yliopiston kanssa Tutkijana VTTllä 2014 Selluloosan entsymaattinen muokkaus (materiaalisovellukset) Selluloosan muokaaminen ionisilla nesteillä (materiaalisovellukset) 25.3.2017 2
Finnish Forest biomass 100 million m 3 /a: 20 million tn cellulose 15 million tn lignin 15 million tn hemicellulose 10/09/2014 3 3
Metsäteollisuus ja sen merkitys Suomen taloudelle Forest industry accounts for 20% of Finnish export (bulk products) (2014) The competitiveness of the forest industry is declining Need for new added value products from forest biomass Annual growth of forest biomass is 100 million m 3, only about 60 million m 3 used Potential to expand the product portfolio and to create new business opportunities 25.3.2017 4
Forest industry exports from Finland since 1960 16 14 12 10 8 6 Milj. Pulp Paper & Board & Converted Products Sawn and planed goods Wood-based panels Exports 2015 Paper, paperboard and converted products 1000 t 10 150 Chemical Pulp 1000 t 2 900 Sawn and planed goods 1000 m 3 7 900 Wood-based panels 1000 m 3 1 050 Change from prev. year Paper, paperboard and converted products 0,9 % Chemical Pulp 4,0 % Sawn and planed goods 5,2 % Wood-based panels -1,7 % 4 2 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 SOURCE: Finnish Customs 2.3.2016 5
Product portfolio for cellulose Value Cosmetics, food ingredients Chemicals Textiles Volume Materials Paper, packaging Bioenergy This is where cellulose is used now 10/09/2014 6 25.3.2017 6
Suomi ja selluloosa- perinteiset tuotteet Metsä Fibre, Rauman sellutehdas Valkaistua paperisellumassaa Sellukuituja eli puusoluja valomikroskoopissa 25.3.2017 7
Suomi ja selluloosa uudet tuotteet Selluloosa vaahtomaisena pakkausmateriaalina Esimerkit ja kuvat www.uusipuu.fi Uudet puupohjaiset tekstiilit Selluloosa muovituotteiden korvaajana pakkauksissa 25.3.2017 8
Tekniikka&Talous (8.12.2016) VTTn spin-off yritys Spinnova (perustettu 2015) 25.3.2017 9
Uudet tekstiilisovellukset Suomessa kehitettävä Ioncell-F prosessi (Helsingin yliopisto & Aalto yliopisto) 25.3.2017 10
Tutkimusinvestointeja selluloosaan VTTllä 25.3.2017 11
Selluloosasta on moneen käyttöön miksi? Koska osaamme hyödyntää selluloosan eri rakennetasojen ominaisuuksia: Polymeeri, jossa glukoosi sokeriyksiköt ovat liittyneet toisiinsa muodostaen pitkän ketjun (6 000-14 000 glukoosiyksikköä) Glukoosiketjut pakkautuvat yhteen ja muodostaen 2-4 nm paksuja mikrofibrillejä (16-36 glukoosiketjua) Mikrofibrillit pakkautuvat paksummiksi kimpuiksi (makrofibrilli) Puukuitu on mikrofibrillikimppujen muodostama kerrostunut rakenne 25.3.2017 12 Kuva: Penttilä, P. (2013) PhD thesis, Univ. of Helsinki
Selluloosan sisältävän sokerin hyödyntäminen kemikaali ja polttoainetuotannossa (biokemiallinen reitti) cell factory 25.3.2017 13
Selluloosa raaka-aineena polttoaineille ja kemikaaleille YLE uutiset, Talous, 17.8.2015 25.3.2017 14
Selluloosan kiderakenteen muokkaaminen mikrofibrillitasolla Röntgensäteiden diffraktio selluloosan eri kidemuodoista ammoniakkikäsittely Purdue University image/pablo Zavattieri Selluloosa (kidemuoto Iα) Selluloosa kidemuoto (III I ) Selluloosa ei kidemuotoa 25.3.2017 15
Nano-kokoluokan selluloosafibrillien hyödyntäminen Nanoselluloosa on ollut viimeiset 10 vuotta paljon esillä Ensimmäiset kaupalliset sovellukset markkinoilla Sovelluskohteita: Kevyitä ja vahvoja materiaaleja, komposiitit, reologian muokkaus, kalvot, huokoiset rakenteet Mielenkiintoinen nanoselluloosan valmistusmenetelmä kehitetty Japanissa, Tokion yliopistossa Perustuu selluloosan kemialliseen muokkaukseen Prof. Akira Isogai Aalto yliopisto, tekniikan kunniatohtori 2016 Entsyymejä hyödyntävä nanoselluloosan valmistusmenetelmä kehitteillä VTTllä 25.3.2017 Kuva: cellulosefromfinland.fi/nanocellulose 16
Nanosellulosasovellukset solukasvatusalustan lanseeraus (GrowDex) UPM Biochemicals 25.3.2017 9.12.2016 UPM Biochemicals Web page: The price of a 5 ml vial is $ 180 in US and 160 for deliveries outside US 17
Kokonaisten puukuitujen hyödyntäminen 25.3.2017 18
Selluloosatutkimuksia Japanista Puuta hajottavat sienet tuottavat entsyymejä jotka hajottavat ja muokkaavat myös selluloosaa Entsyymejä voidaan tuottaa teollisessa mittakaavassa ja käyttää selluloosan muokkaukseen/hajotukseen Entsyymejä kaupallisesti saatavilla molempiin tarkoituksiin Japani-vierailun aikana tutkin erään selluloosaa hajottavan entsyymin toimintaa mikroskoopilla, jolla pystytään kuvaamaan hajotusprosessi selluloosamikrofibrillin pinnalla Entsyymien toimintaa ymmärtämällä niitä voidaan kehittä paremmiksi 25.3.2017 Heterobasidion annosum 19
Selluloosaketjun hajoitus sellobiohydrolaasientsyymillä Selluloosafibrillin pinta 25.3.2017 20
Sellobiohydrollasi entsyymi hajottamassa selluloosakidettä 25.3.2017 21
Kiitokset University of Tokyo: Prof. Masahiro Samejima, Assoc Prof. Kiyohiko Igarashi, Dr. Akihiko Nakamura, Dr. Taku Uchiyama Kanzawa University: Dr. Takyuki Uchihashi, Prof. Toshio Ando VTT: Dr. Anu Koivula, Prof. Kristiina Kruus Roal: Terhi Puranen 25.3.2017 22
TEKNOLOGIASTA TULOSTA
Hongo-kampus Tokiossa vihreä keidas keskellä suurkaupunkia Sanshiro-lampi ja puutarha keskellä kampusta 25.3.2017 24
Selluloosan mikrofibrillikimppujen rakenne = teräsvaijeri? Uusimman tutkimuksen mukaan mikrofibrillien rakenne on kiertynyt kuten teräsvaijereissa 25.3.2017 25