Metsäbiotalouden tuotteet ja teknologiat
ForestBioFacts oppimisympäristön päätarkoitus on antaa lukijalle syvällinen ymmärrys teknologioista ja prosesseista, joita käytetään puun jalostamisessa erilaisiksi teollisuuden biomateriaaleiksi ja -kemikaaleiksi. Osa metsäteollisuuden valmistamista biomateriaaleista on kuluttajatuotteita, kuten hygieniapapereita, kun taas toiset päätyvät jatkojalostettaviksi muilla teollisuuden aloilla, kuten rakennusteollisuudessa, pakkaus- ja logistiikkateollisuudessa, kemianteollisuudessa, elintarvike- ja juomateollisuudessa, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa, media- ja viestintäalalla jne. Tässä suppeassa artikkelissa esitellään vain joidenkin prosessikonseptien perusideat. Biomassan jalostustekniikoiden syvälliseen ymmärtämiseen kuuluu kuitenkin useita osaamisen tasoja, kuten käy ilmi kuvasta 1.
Teknologia tarkoittaa määritelmänsä mukaisesti tieteellisen tiedon soveltamista käytännön tarkoituksiin, erityisesti teollisuudessa1. Kun puuta tai muuta lignoselluloosabiomassaa jalostetaan, prosessidynaamikkaa rajoittavat tekijät liittyvät yleensä kasvibiomassan mikromittakaavan rakenteeseen, ennemmin kuin reaktiokinetiikkaan. Tämä johtuu soluseinän komposiitti- ja polymeerirakenteesta, joka hidastaa keittokemikaalien reaktiotuotteiden kulkeutumista.
Siksi biomassan jalostusprosessien – kuten puumassan valmistuksen tai arvokkaiden kemikaalien erottamisen – hallinta perustuu biomassan monimutkaisen rakenteen ja sen käyttäytymisen ymmärtämiseen prosessiolosuhteissa. Samasta syystä kokeellinen tutkimus- ja kehitystyö sekä prosessien konseptuaalinen suunnittelu ovat erittäin tärkeitä, kun kehitetään biomassan uusia teollisia jalostusprosesseja tai muutetaan olemassa olevia prosesseja.
Puun jalostaminen paperi-, pakkauslaatikko- tai vaatetuotteiksi alkaa kuitusellun valmistuksesta. Tavoitellut sellun ominaisuudet riippuvat vahvasti sellun halutusta käyttäytymisestä jalostamisprosessissa, eli sellun prosessoitavuudesta sekä sen odotetusta suorituskyvystä lopputuotteessa ja loppukäytössä. Pehmopaperien valmistajat ja loppukäyttäjät odottavat sellukuidulta erilaista suorituskykyä kuin kartonkilaatikon tai kiiltävän aikakauslehden valmistaja ja loppukäyttäjä.
Hyvä prosessoitavuus on kaiken A ja O sellulle, joka jalostetaan tekstiilikuiduksi vaateteollisuutta varten, sillä sellukuidun rakenteelliset ominaisuudet eivät enää ole tunnistettavissa lopputuotteessa.
Pulpperointi ja biojalostusprosessit
Puun kolme tärkeintä ainesosaa ovat selluloosa, ligniini ja hemiselluloosat. Kullakin niistä on erilainen polymeerinen kemiallinen rakenne ja rakenteellinen tehtävä puusoluissa. Yhdessä ne muodostavat vahvan komposiittimakrorakenteen, joka palvelee puuta sen rungossa, oksissa ja juurissa. Kuitupuu on yleensä niin sanottua harvennuspuuta tai kaadettujen tukkipuiden latvuksia – tai se tulee viljelmiltä, jotka ovat keskittyneet kuitupuun tuotantoon. Myös sahojen haketettu tähdepuu muodostaa tärkeän kuitupuun lähteen.
Ennen puun syöttämistä varsinaiseen puumassanvalmistusprosessiin se kuoritaan ja hiokkeen valmistusprosessia lukuun ottamatta haketetaan tietyn kokoiseksi hakkeeksi.
Jotta puun mikromittakaavan kuiturakenteet voidaan hyödyntää kuitusellun valmistuksessa, yksittäiset puusolut on irrotettava hakkeen makromittakaavarakenteesta, ja toisistaan. Tämä tehdään sopivalla mekaanisella, termomekaanisella ja kemiallisella menetelmällä sen mukaan, mitä fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia lopulliselle kuitusellulle halutaan. Myös entsyymikäsittelyä voidaan käyttää. Mekaanisessa tai termomekaanisessa puumassanvalmistusprosessissa ideana on säilyttää puun kaikki kolme pääasiallista ainesosaa lopputuotteessa, jota siksi kutsutaan suursaantomassaksi.
Kemiallisen sellunvalmistusprosessin yleisenä tavoitteena on pitää puusolujen selluloosarakenne ehjänä, kun ligniini, ja joissakin tapauksissa myös hemiselluloosa, poistetaan. Tätä varten tarvitaan erilaisia esihydrolyysi-, keitto- ja valkaisuvaiheita tuotetun sellun käyttötarkoituksen mukaan.
Sulfaatti eli Kraft-prosessia käyttävä kemiallinen sellutehdas on kolmen osan muodostama integraatti. Ensimmäinen osa on kuitulinja, jonka idea on esitetty edellä. Toinen on soodakattila, jossa otetaan talteen keittokemikaalit ja käytetään liuennut ligniini polttoaineena höyryn ja sähkön tuottamiseksi tehtaan kaikille kolmelle osalle. Kolmas on keittokemikaalien regenerointi uudelleen käyttöä varten. Osa ligniinistä voidaan eristää erilliseksi biotuotteeksi tai käyttää hiilineutraalin sähkön tuottamiseen ulkopuolisille asiakkaille. Myös puun uuteaineet eli pihka otetaan talteen sivutuotteina. Sulfaattiprosessin lisäksi myös erilaiset sulfiittiprosessit ovat yleisiä, erityisesti tekstiililaatuista sellua valmistettaessa.
Sellutehtaita kutsutaan hyvästä syystä myös puupohjaisiksi biojalostamoiksi tai biotuotetehtaiksi.
Lisäksi kehitetään erilaisia biomassan fraktiointimenetelmiä, joissa keittoliuoksessa käytetään alkoholia tai muita liuottimia. Tavoitteena on esimerkiksi ligniinin talteenotto reaktiivisempana polymeerinä, kemikaalien talteenoton ja kierrätyksen yksinkertaistaminen tai arvokkaiden hemiselluloosasokerien erottaminen puhtaassa muodossa. Tällaisessa tapauksessa tavoite ei aina ole kuitusellu, jolla on hyvät paperinvalmistusominaisuudet. Tällöin raaka-aineena voidaan käyttää myös maatalousjäämiä, kuten eri viljakasvien olkia.
Paperin ja kartongin valmistus
Paperin tai kartongin valmistuksen perusperiaate on hyvin yksinkertainen: kuitumassa hajotetaan veteen, levitetään tasaisesti viiralle veden poistamiseksi ja loput vedet poistetaan puristamalla ja haihduttamalla.
Nykyaikainen paperikone on kuitenkin erittäin pitkälle kehittynyt prosessilaitteisto, joka suorittaa nämä tehtävät tehokkaasti suuressa mittakaavassa. Esimerkiksi maailman nopeimmat painopaperikoneet tuottavat paperia 300 m2 sekunnissa – materiaalitehokkaasti kellon ympäri, vuodesta toiseen. Tuotteen paksuus on noin 0,1 mm ja laatutoleranssit ovat tiukat, koska myös asiakkaan painokone on nopea ja painotuotteen käyttäjä on vaativa. Suuret ja nopeat paperi- ja kartonkikoneet ovatkin esimerkki modernissa puunjalostusteollisuudessa käytetyn prosessinohjauksen ja automaation korkeimmasta tasosta.
Kuuntele, miksi tuotantojohtaja Jari Nikkinen Sappi Europesta katsoo, että tarvitsemme edelleen paperia.
Tutkimuksesta innovaatioon
Kiertobiotalouden kehityksen myötä puunjalostusteollisuudelle avautuu uusia mahdollisuuksia kasvaa ja monipuolistua. Innovatiivisten teknologioiden, prosessien, tuotteiden ja loppukäyttösovellusten kysyntä on nykyään suurta. Myös uudet raaka-aineet, kuten olki ja muut maatalouden sivuvirrat, käytetyt puuvillavaatteet tai bakteeriselluloosa, herättävät entistä enemmän kiinnostusta.
Biomateriaaliteollisuuden T&K-toiminta on nyt monipuolisempaa kuin pitkään jatkuneen painopaperien voimakkaan kasvun aikana, vielä tämän vuosituhannen alussa. Suuret teollisuusyritykset ja alan pk-yritykset sekä tutkimuslaitokset ja yliopistot ovat yhä enemmän mukana yhteishankkeissa.
Uusien metsätuotteiden mahdollisuudet? Jyrki Ovaska, Teknologiajohtaja, UPM
Tutkimuksesta teolliseen innovaatioon
Teollinen innovaatio on uusi, kaupallistettu idea. Se voi olla uusi prosessikonsepti tai uusi tuote, mutta useimmiten se parantaa olemassa olevaa teollista prosessi-, tuote- tai loppukäyttösovellusta. Riskienhallinta on keskeinen menestystekijä teollisen mittakaavan tehdastoiminnassa, etenkin uusien investointien tutkimus- ja kehitys- sekä innovaatiohankkeissa. Jos riskiä ei arvioida etukäteen ja siihen ei varauduta hankkeen aikana, voi sillä olla kalliita seurauksia – tai se saattaa jopa estää koko hankkeen toteutumisen. Teolliset innovaatiot eivät tapahdu ilman investointeja.
Kuten kuvassa 2 on selitetty, keskeisenä ajatuksena teollisuusinnovaatio- ja investointihankkeeseen liittyvässä riskienhallinnassa on epävarmuuden vähentäminen ennen kuin taloudellinen panostus kasvaa liian suureksi. Tämä etenee vaiheittain, ja siihen kuuluu teknologian siirto T&K-tiimistä investointiprojektiryhmälle ja sen jälkeen tuotanto- ja myyntitiimeille. Siksi hyvä kommunikointi tiimien sisällä ja välillä on olennaisen tärkeää.
Hyvän ja syvällisen käsityksen saaminen teollisuusteknologioista edellyttää aina tietoista osaamisen ja ymmärryksen lisäämistä, mutta erityisesti silloin, kun on tavoitteena puun kaltaisen rakenteisen kasvibiomassan tehokas prosessointi. Tämä lisäarvoprosessi on kuvattu skemaattisesti kuvassa 3. Havainnot tuottavat dataa, datan selittäminen tuottaa tietoa ja tiedon soveltaminen käytäntöön tuottaa osaamista. Tämän prosessin toistaminen mahdollistaa ymmärryksen asteittaisen kasvamisen tai entistä kokonaisvaltaisemman ja syvällisemmän ymmärryksen monimutkaisista teollisista prosesseista. ForestBioFacts -oppimisympäristön tarkoitus tukee kaikkia näitä vaiheita.
