Nye produktmuligheter Hvor kan trefiberbaserte produkter være om år? Philip Reme, Papir- og fiberinstituttet AS

Transkript

1 Nye produktmuligheter Hvor kan trefiberbaserte produkter være om år? Philip Reme, Papir- og fiberinstituttet AS

2 Treet En unik ressurs for fremtidens biobaserte samfunn Gjødsel Fôr Næringsmidler Konstruksjons materialer Funksjonskjemikalier Medisinske produkter Helseprodukter Hygiene produkter Emballasje Trykkpapir Tekstiler Stort mulig produktspekter, men stor variasjon i markedspris og kompleksitet MATERIALER KJEMIKALIER Biobaserte kjemikalier Biodrivstoff Varme El-kraft ENERGI

3 Verdiskaping i et bioraffineri Verdiskapingen i petroleumsbasert kjemisk industri er på linje med verdiskapingen i drivstoffindustrien, men benytter kun en liten fraksjon av råvaren. Overført til et bioraffineri, vil potensialet for verdiskaping være klart størst ved produksjon av materialer og kjemikalier Smith, 2008

4 Bioraffinerier muliggjør et stort spekter av produkter Kilde: PNNL/NREL, 2004

5 Bioraffineri to hovedruter Biokjemisk/Sukkerplattform: Polysakkaridene brytes ned til enkeltsukker som omformes biokjemisk til ønskede sluttprodukt Termokjemisk: Råstoffet blir termisk nedbrutt til mellomprodukter som omformes til ønskede sluttprodukt

6 Biokjemisk konvertering fiber og sukker i løsning Produkter fra polymere/oligomerer f.eks.filmer Flis Forbehandling F.eks. dampeksploderte granfiber (PFI 2003) Ekstraksjon Konvertering Hemicellulose Separasjon Lignin Ekstraktivstoffer (Fettsyrer,/harpikssyrer) Hydrolyse Cellulose Degraderingsprodukter f.eks. furfural C5 & C6 sukker Hydrolyse Omdanning C6 sukker Fiberprodukter Biodrivstoff, Biokjemikalier

7 Termokjemisk konvertering Energi Kjemikalier Ved Pyrolyse Bioolje Oppgradering Raffinerbar bioolje Raffinering Torrefiering Torrefiert materiale Torrefierte pellets Drivstoff Kjemikalier Gassifisering Syngass Konvertering Drivstoff Kjemikalier Energi

8 Etterspørselen etter dissolvingmasse til tekstilproduksjon har økt Markedsbehovet har økt betydelig de siste årene: Arealintensiv og vannintensiv produksjon gjør at bomullsbasert tekstilproduksjon reduseres Ny spinneteknologi har muliggjort produksjon av tekstiler fra dissolving masse med lavere kvalitet Cellulose-baserte fiber tar markedsandeler fra oljebaserte fibre videre økning er forventet Prisene på dissolving masse økte fra 9200 NOK/tonn til NOK/tonn i perioden Samtidig bygges det nå ut vesentlig ny kapasitet. Prisene på dissolvingmasse er derfor forventet å normalisere seg, men kan kan forvente at tekstilproduksjon vil være et interessant marked for trefiberbasert industri i fremtiden.

9 Mikrofibrillert cellulose Naturens egne nanobyggeklosser Bilde: Gary Chinga Carrasco, Papir- og fiberinstituttet AS Papir- og fiberinstituttet AS Paper and Fibre Research Institute

10 Hva er mikrofibrillert cellulose (MFC)? Tre Fiber SEM-bilder: PFI Artwork by Mark Harrington, Univ. Of Canterbury (1996) Nanocellulose Mikrofibrillert cellulose består av tynne partikler, ofte med diameter mindre enn 100 nm, produsert fra en bærekraftig, biokompatibel og bionedbrytbar råvare

11 Mikrofibrillert cellulose har et stort potensiale Unike egenskaper åpner for et stort spekter av anvendelsesområder Kommersiell produksjon er i ferd med å etableres, f.eks: Borregaard Stora Enso UPM Daicel Kan fremstilles on-site uten tørking eller off-site med tørking Kan fremstilles med ulike egenskaper, avhengig av bruksområde Vesentlige forskningsaktiviteter pågår, både i forhold til produksjonsprosesser, men også i forhold til anvendelser

12 Anvendelse i emballasje Mikrofibrillert cellulose (MFC) danner tette filmer, og gir oksygenbarrierer på linje med de beste fossile barrierene I neste generasjon oksygentette væskekartong vil MFC kunne erstatte aluminium/evoh som oksygenbarriere Mikrofibrillert cellulose kan benyttes til å forbedre styrkeegenskapene til emballasje, og på den måten kunne redusere totalt materialforbruk Mikrofibrillert cellulose kan forbedre overflateegenskapene til emballasje, og dermed også forbedre trykkbarhet og eventuelt inkorporere trykt elektronikk / sensorer

13 Anvendelse i trykkpapir Mikrofibrillert cellulose (MFC) vil kunne bidra sterkt til økt styrke, og dermed åpne for økt fyllstoffinnhold i papir Anvendt på papiroverflaten, vil MFC kunne gi en vesentlig forbedring i trykkvalitet Papir uten fibriller Fibriller bidrar til økt fiberfiber-binding Syverud, K. and Stenius, P. (2009): Strength and permeability of MFC films, Cellulose Fibriller gjør overflaten glattere og mer kompakt.

14 Fibriller som emulsjonsstabilisator Fibriller kan stabilisere olje i vannemulsjoner F.eks maling Hydrofobe fibriller kan stabilisere vann i olje-emulsjoner 1,2 F.eks. vann i diesel 3 1 Andresen, M. and Stenius, P.: Water-in-oil Emulsions Stabilized by Hydrophobized Microfibrillated Cellulose, J. Dispersion Sci. Technol., 28 (5), , Xhanari, K., Syverud, K., Stenius, P.: Emulsions stabilized by microfibrillated cellulose: the effect of hydrophobization, concentration and o/w ratio, accepted for publication in J. Dispersion Science and Technology Lif, A., Stenstad, P., Syverud, K., Nydén, M., Holmgren, K.: Fischer-Tropsch diesel emulsions stabilised by microfibrillated cellulose, accepted for publication in Journal of Colloid and Interface Science, 2010

15 Mikrofibrillert cellulose (MFC) som rheologimodifisator Rheology data, MFC, 1% consistency, 25 oc MFC har en sterkt viskositetshevende effekt i vannsuspensjoner MFC er svært skjærtynnende, og gir dermed geler ved lav skjærhastighet, og kan flyte lett ved høye skjærhastigheter MFC vil kunne ha god anvendelse som viskositetshever og teksturingrediens, f.eks for næringsmiddelindustri og kosmetikkindustri Applikasjoner kan f.eks. være lavfettprodukter, shampo/balsam, kremer, tannkremer, næringsmiddelprodukter MFC CMC MFC-data: Iotti et al., J. Polymer Environ 19: (2011) CMC-data: Benchabane, A., and Bekkour, K., Colloid Polym Sci. 286: (2008)

16 Overflatemodifisering av fibriller Innføring av funksjonelle grupper Introduksjon av antimikrobielle grupper Octadecyldimethyl-(3-trimethoxysilyl-propyl)-ammonium chloride (ODDMAC) Antimikrobielle overflater kan lages fra fibriller modifisert med ODDMAC Mulige applikasjoner: Emballasje Medisinske applikasjoner Separasjonsfiltre MeO Si Cl - + OMe OMe C 18 H 37 N Andresen, M., Møretrø, T., Stenstad, P., Syverud, K., Stenius, P. Nonleaching antimicrobial films prepared from surface modified microfibrillated cellulose, Biomacromolecules 8 (7), , 2007

17 Biomedisinske anvendelser Eksempel: Sårhelingsapplikasjoner Leging av kompliserte sår er en medisinsk utfordring, og det er et stort behov for nye sårforbindinger og materialer som kan benyttes til etablering av nytt vev (skaffold for nytt hudvev) Tidligere forskning har vist at bakteriell cellulose kan benyttes til sårhelingsapplikasjoner PFI har nylig startet et NFR-støttet prosjekt på utvikling av nye porøse hydrogeler for sårhelingsapplikasjoner der nanocellulose fra ved inngår som en viktig komponent. Andre samarbeidspartnere er Lunds Universitet, Cardiff University, Swansey University, NTNU og AlgiPharma. Nanocellulose har også potensiale for en rekke andre medisinske anvendelser, som f.eks: Skaffold for nye vevsstrukturer Drug delivery applikasjoner Biosensorer Foto: Gary Chinga Carrasco, PFI Syverud, K., Kirsebom, H., Hajizadeh, S. and Chinga-Carrasco, G. "Cross-linking cellulose nanofibrils for potential elastic cryo-structured gels". Nanoscale research letters 6:626 (2012)

18 Anvendelse Anvendelse ved i trykt trykking elektronikk av elektronikk Papir har lenge (siden 1960) vært foreslått som substrat for trykt elektronikk Utfordringene ligger i behovet for en helt glatt og ikke-absorberende overflate Nanocellulose kan benyttes i transparente filmer eller som en komponent i nanostrukturerte materialer for å trykke funksjonelle komponenter Eksempel på et kretskort trykket på en film av nanocellulose (samarbeid mellom PFI og Åbo Akademi) Foto: Gary Chinga Carrasco, PFI

19 Markedet for biokompositter innen EU er økende Biokompositter EU 2010 Marked (tonn) Formpressing - hamp, flax, jute, kenaf - bomull - trefiber Ekstruder, sprøyteforming - WPC - Flax, hamp, jute, kenaf EU 2020 Marked (tonn) Biokompositter, totalt Kompositter, totalt (glass, karbon, naturfiber) 2,4 mill 3,0 mill Referanse: Michael Carus, Nova Institut, GmbH (2011)

20 Anvendelsesområder, biokompositter Fiber-polymer kompositter (FPC): Bildeler, f.eks instrumentpanel, tak, stoler, dørsider, lasteromsluker, hattehyller, isolering og bagasjegulv 90% av all FPC er formpresset Trenden er å bruke mer biobasert materiale (opp mot 100%) Ekstruderte eller sprøytestøpte kompositter Hoveddelen er i dag pasert på trepulver (wood powder composites, WPC) Produkteksempler: Møbler, vinduer, dører, tak, huspanel, gjerder/rekkverk, terrassebord, bilinteriør På sikt vil trefiber og mikrofibriller gi svært interessante muligheter for armering Utfordringer som må løses er bl.a innføding, opprettholdelse av fiberlengde, dispergering i matriksmaterialet og kompatibilitet med matriksmaterialet Trenden vil gå i retning av 100% biobaserte kompositter

21 Eksempler på interessante fremtidige satsingsområder for norsk skogsektor kort sikt Kostnadseffektivisering av eksisterende produksjon Redusert energiforbruk ved produksjon av mekanisk masse Redusert energiforbruk ved papirproduksjon, f.eks ved endret furnishsammensetning og prosessintegrasjon Prosessintegrasjon samproduksjon av energiprodukter og papirprodukter Produksjon av fiberstrømmer til andre formål, f.eks. Kompositter, tekstiler eller grønne byggprodukter Produksjon av sideprodukter Hemicelluloser ved hjelp av hemicelluloseekstraksjon Ekstraktivstoffer

22 Eksempler på interessante fremtidige satsingsområder for norsk skogsektor kort/mellomlang sikt Nye energiprodukter til stasjonær sektor Neste generasjons pelletsprodukter med høy energitetthet, lav friksjon og lav grad av støving Pyrolyseolje til forbrenningsformål, som erstatning for tung og lett fossil fyringsolje Nye biobaserte drivstoffkvaliteter Andre generasjon bioalkoholer (etanol, butanol) Andre generasjon biodiesel Biobaserte drivstoffkvaliteter egnet for tungtransport, fly og båter Produksjon av bioenergi og biodrivstoff må fortrinnsvis skje innenfor rammene til et bioraffineri/biokombinat, og gjerne etableres sammen med eksisterende industrianlegg

23 Eksempler på interessante fremtidige satsingsområder for norsk skogsektor kort/mellomlang sikt Produksjon av grønne materialer og kjemikalier i bioraffinerier Ny bruk av lignin (f.eks bindemidler, aromatiske forbindelser, karbonfiber) Ny bruk av hemicellulose (f.eks. oksygenbarriere i emballasje, dyrefor, kjemikalieproduksjon) Nanocellulose/mikrofibrillert cellulose (fortykningsmiddel, emulsjonsstabilisatorer, armering, gassbarriere, farmasøytiske og medisinske applikasjoner) Fraksjonering og oppgradering av bioolje til grønne kjemikalier og drivstoffraksjoner Produksjon av nye biobaserte komposittmaterialer og grønne byggmaterialer Fiberbaserte emballasjeløsninger basert på nyfiber, rettet mot eksport og/eller det norske markedet for transport av fisk Tissuekvaliteter, primært for innenlandsmarkedet Hydrogel av nanocellulose - Utgangspunkt for sårheling

24 Behov for å sikre fremtidig innovasjon for norsk skogbasert industri Skognæringen er godt posisjonert for å kunne være en viktig, bærekraftig og levedyktig industri i fremtidens biobaserte samfunn Norsk skogbasert industri må omstille seg til produksjon av høyverdige produkter basert på høyteknologi og kompetanse. For å få til dette kreves: Strategisk satsing på forskning og utvikling Risikokapital og vilje til å gjennomføre nødvendige investeringer Risikoavlastning er i dag helt avgjørende for å få realisert nye forsknings- og utviklingsprosjekter Bruk av offentlige virkemidler til å videreutvikle norsk skogbasert industri vil være en god langsiktig investering for det norske samfunnet

25 Takk til Gary Chinga Carrasco, PFI Marianne Lenes, PFI Karin Øyaas, PFI Kristin Syverud, PFI

26 Takk for oppmerksomheten Følg oss gjerne på elektroniske media: