Circular economy complements bioeconomy

Ali Harlin_edit

Combining the circular with the bioeconomy creates a whole greater than the sum of its parts.  Recycling is the key to ensuring sufficient biomass. Biomass provides us with a source of renewable raw materials in place of those based on our dwindling fossil resources.  

The objective of the bioeconomy is conversion to the use of renewable raw materials. The pay off will be seen in greater sustainability due to a smaller carbon footprint, or even carbon neutrality. However, there is concern about how to ensure that the related raw material streams are sufficient and suitable to replace fossil materials such as synthetic polymers. On the other hand, we could increase the overall amount of fibre materials by recycling wood pulp.

Recycling is traditionally associated with solving the waste problem. However, the core of the circular economy lies in using the molecule economy, which minimises the use of virgin atoms, to solve the problem of insufficient raw materials. But we also need to bear in mind that, due to wear, no material can be recycled endlessly.

The amount of cellulose pulp manufactured is around the same as that of synthetic polymers: around 240 million tonnes of wood pulp and a total of 350 million tonnes of various fossil polymers are produced each year. Wood pulp is recycled up to 3–4 times before its fibre length reduces to an unusable size. This means that the recycling of wood pulp markedly increases the amount of fibre material in use in comparison to fossil-based, polymer materials.

Recycling can reduce raw material costs

The fact that biomaterials are 20–50% more expensive is often mentioned as an obstacle to their commercialisation. These costs can be lowered through recycling, as in sectors such as the printed media and packaging industry. By using recycled materials, a manufacturer can avoid the costs associated with the fractionation of virgin materials.

The cumulative value creation of biomaterials is highly front-loaded compared to alternatives such as oil-based materials. Biomass is harvested and transported in consignments as dry goods, which are up to twice as expensive to process as liquid oil. In addition, the use of virgin biomaterials as raw materials creates side streams, which are not generated by recycled materials. This means that recycled materials need to be made more competitive compared to synthetic solutions.

Regulation aimed at increasing the use of, say, biofuels or the transport of biowaste to dumps promotes the inception of new recycling projects. Biofuel can even be made from the lowest-quality biomass. This can be achieved using either a thermal or biotechnology-based technique, although particularly large-scale industrial processes are required for the thermal approach. The fact that liquid fuel has much less added value than materials and, in particular, the products made from such materials provides good grounds for recycling and reusing biomaterials to the maximum.

Towards self-sufficiency in raw materials

Recycled materials would also improve the raw material self-sufficiency of industry in a world in which the prices and availability of virgin raw materials are variable. Greater recycling efficiency will create opportunities for new players and businesses. For example, in Finland alone the recycling of textiles, particularly cotton, would be equivalent to a reduction of3.5 billion kilos in carbon dioxide emissions. The Texjäte project by the Finnish Environment Institute (SYKE) demonstrates that, while re-use is more efficient than recycling, a combination of both is unbeatable.

 Ali Harlin

Research Professor

Kiertotalous täydentää biotaloutta

Ali Harlin_edit

Yhdistämällä kiertotalous ja biotalous syntyy kokonaisuus, joka on vahvempi kuin kumpikaan yksinään.  Kierrättämällä saamme ratkaistua biomassan riittävyysongelmia. Biomassasta saamme uusiutuvan raaka-ainelähteen loppuun kuluvien, fossiilisista raaka-aineista valmistettujen materiaalien korvaamiseksi.  

Biotalouden tavoitteena on käyttää uusiutuvia raaka-aineita. Etuna nähdään kestävyyden parantaminen hiilijalanjäljen pienentämisen tai jopa hiilineutraalisuuden kautta. Huolta aiheuttaa, miten raaka-ainevirrat saadaan riittämään ja soveltuvatko ne korvaamaan nykyisiä fossiilisia materiaaleja kuten synteettisiä polymeerejä. Puumassoja kierrättämällä voidaan kuitenkin lisätä kuitumateriaalien määrää.

Perinteisesti kierrätys yhdistetään jäteongelman ratkaisemiseen. Kiertotalouden ydin on kuitenkin raaka-aineiden riittävyysongelman ratkaiseminen parantamalla molekyylitaloutta, jossa minimoidaan neitseellisten atomien käyttöä. Materiaalia ei voida kuitenkaan kulumisen takia loputtomasti kierrättää.

Selluloosamassan valmistusmäärä on synteettisten polymeerien kanssa samaa suuruusluokkaa: Puumassoja valmistetaan noin 240 miljoonaa tonnia ja erilaisia fossiilisia polymeerejä yhteensä noin 350 miljoonaa tonnia. Puumassoja kierrätetään jopa 3-4 kertaa ennen kuin niiden kuitupituus alenee käyttökelvottomaksi. Puumassojen kierrätys siis lisää käytössä olevan kuitumateriaalin määrän merkittävästi fossiilisia polymeerimateriaaleja suuremmaksi.

Kierrätys voi alentaa raaka-ainekustannuksia

Biomateriaalien kaupallistumisen esteeksi on mainittu niiden 20 – 50 % korkeampi hinta. Kustannuksia voidaan alentaa kierrättämällä. Näin tehdään jo esimerkiksi painetussa mediassa ja pakkausteollisuudessa. Uusiomateriaaleja käyttämällä valmistaja välttyy neitseellisten materiaalien fraktiointikustannuksilta.

Biomateriaalien kumulatiivinen arvonmuodostus on varsin alkupainoinen verrattuna esimerkiksi öljypohjaisiin materiaaleihin. Biomassan korjuu ja kuljetus tehdään kappale- ja kuivatavarana, mikä on nestemäisen öljyn käsittelyyn verrattuna merkittävästi kalliimpaa; jopa kaksinkertainen. Lisäksi neitseellisten biomateriaalien käyttö raaka-aineina synnyttää sivuvirtoja, joita ei kierrätetylle materiaalille synny. Näin ollen kierrätysmateriaalien käytön pitäisi parantaa kilpailukykyä synteettisiin ratkaisuihin verrattuna.

Julkinen säätely, joilla tavoitellaan esimerkiksi biopolttoaineiden käytön lisäämistä tai biojätteiden kuljettamista kaatopaikoille, edistävät uusien kierrätyshankkeiden syntymistä. Biopolttoaineiden valmistus onnistuu kaikkein huonolaatuisimmasta biomassasta. Niiden valmistukseen voidaan käyttää termistä tai bioteknistä reittiä, joista erityisesti ensimmäinen vaatii suurimittaista prosessiteollisuutta. Polttonesteiden lisäarvo verrattuna vastaavasta raaka-aineesta valmistettuun materiaaliin ja erityisesti niistä valmistettuihin tuotteisiin on moninkertaisesti alempi, joten on mielekästä uusiokäyttää ja kierrättää biomateriaaleja mahdollisimman pitkään.

Kohti raaka-aineomavaraisuutta

Uusioraaka-aineet parantavat myös teollisuuden raaka-aineomavaraisuutta maailmassa, jossa neitseellisten raaka-aineiden hinnat vaihtelevat ja saatavuus vaihtelee. Kierrätyksen tehostaminen luo mahdollisuuksia uusille toimijoille ja liiketoiminnalle. Esimerkiksi yksistään Suomessa tekstiilien ja erityisesti puuvillan kierrätys vastaisi 3,5 miljardin kilon hiilidioksidipäästövähenemää. SYKEn Texjäte-projektin perusteella uudelleenkäyttö on kierrätystä tehokkaampaa, mutta niiden yhdistelmä on tehokkainta.

Ali Harlin

Tutkimusprofessori

Hail the new golden age of wood

Ali Harlin_edit

When using wood, our forefathers were looking for the perfectly shaped branch for a handle, while spool manufacturers look for wood that is free from knots, paper manufacturers for long fibres and modern, greenhouse emission-conscious engineers are interested in biocarbon. As needs change, we can again look at trees in new ways.

Science can help us understand the structure of wood in greater depth, while technology can translate science into economic success.

Revenue from logging reserve

We have enough sustainable logging reserve to stack a six-meter high pile of logs and trunks along the tracks from Helsinki Railway Station all the way to Kemijärvi station in Lapland. In terms of firewood, the value of this pile equals a stack of 50 Euro banknotes large enough to fill the gaps between the fourteen columns of the Finnish Parliament building. But if we turn the logging residue into value-added materials, the stack could cover the entire building!

By manufacturing textiles that replace cotton, we could free up enough fields to feed 30 million people and prevent the formation of a few deserts the size of Finland.

Fibrils or crystals from cellulose walls

Identifying the cellulose cell wall structure has brought about many significant advances. In the past decade, the nano-view has revealed the fibril level of wood. Fibrils are cable-like strings that form the cellulose cell walls. While this structure was already known, the interest in the manufacture of nano-materials has driven technological development to a point where it is possible to release fibrils with reasonable energy consumption.

Fibrils allow the manufacture of completely new kinds of products and additives, such as plastic-like fine paper or very fine textile-like paper yarn. Even in small amounts, fibrils make plastics harder and more robust. Other uses include preventing paint or juice from separating, and improving the composition of concrete.

The nano-sized crystals in the fibre walls can be released by etching cellulose in a controlled manner. Capable of self-assembly, the crystals can form new materials. They scatter light and form colours. Crystalline materials can be used to improve the insulation properties and strength of different mixtures.

Recyclable textiles from wood

The swelling and dissolution of cellulose is another example of advances in green chemistry. Advanced enzymes have provided the key to a very exact method of destructuring cell walls. What is more, the advances of ionic and eutectic solvents provide a very effective and environmentally friendly way of solvating cellulose. We should consider the use of wood as a material in textile manufacturing. With the new cellulose solvents, it is possible to manufacture 100% recyclable textiles, for example.

Controlled swelling of the cell wall is an effective way of introducing chemicals into and modifying the structure. By bonding acetic acid to the cellulose structure, it is possible to create a thermoplastic material, or cellulose-based plastic. Other chemicals can improve the water-solubility of cellulose, or make cellulose more inclined to bond with other materials, enabling the use of cellulose in place of oil-based auxiliary polymers.

Converting cell walls into sugar

A third example is the use of enzymes to convert the cell wall into sugars, to produce, say, alcohol to power vehicles, without taking resources from food production. The sugars in wood allow the manufacture of molecules with a much higher value. One example is FDCA, or furandicarboxylic acid, which can be used to replace the aromatic oil-based main component in packaging and polyesters. This will also produce plastics that are stronger and have lower gas permeability than the plastics used today.

From forestry to bioeconomy and circular economy

Our forestry sector cannot be sustained by pure volume alone. New processes provide economic methods of refining wood into completely new kinds of high-value-add products. At the same time, there will be a shift in economic structures. We are moving from forestry to bioeconomy. In this context, bioeconomy refers to maximum utilisation of biomaterials in terms of utilisation rate and value. At the same time, our behaviour as consumers may shift towards a circular economy, reducing our footprint to a more sustainable level.

Investing opportunities in the new economy have created vast profits for many, but at the same time, a lot of capital remains tied to old industry, providing shrinking returns. Some companies are starting to see the light, and after a long period of non-investment have announced new investments. As Ensio Miettinen, Ensto company (Finnish company for electrical systems and supplies), founder put it:

“Today, we possess more knowledge and capital than ever before, but we need to have a firmer belief in the future.”

Utilising new technologies is always risky, but there will be no gain without risks. It is time to move onwards and upwards to a sustainable future!

 

Ali Harlin

Reasearch Professor

Puusta pitkälle

Ali Harlin_edit

Muinaissuomalainen katsoi puuta ja etsi käteen sopivaa oksanhaaran muotoa, lankarullatehtailija oksatonta puuta, paperin tekijä pitkää kuitua ja kasvihuonekaasuja välttelevä insinööri biohiiltä. Tarpeiden muuttuessa voimme katsoa puuta jälleen uudella tavalla.

Tieteen avulla voimme ymmärtää puun rakenteen entistä syvällisemmin. Tekniikan tehtävänä on muuntaa tiede taloudelliseksi menestykseksi.

Hakkuuylijäämä euroiksi

Puun hakkuuylijäämää meillä on niin paljon, että jos ladomme sen kuusi metriä korkeana tukki- ja rankapinona Helsingin rautatieasemalta kiskoille toinen pää ohittaa Kemijärven aseman. Tuon pinon arvo polttopuuksi laskettuna vastaa viidenkympin seteleinä niputettuna kasaa, jolla voidaan tilkitä Eduskuntatalon pilareiden väli. Mutta jos teemme tuosta määrästä lisäarvoisia materiaaleja, voisimme peittää koko talon näkyvistä setelinipuilla.

Lisäksi puuvillaa korvaavia tekstiilejä valmistamalla vapauttaisimme peltoa 30 miljoonan ihmisen ruokkimiseen ja estäisimme parin maamme kokoisen aavikon syntymisen.

Selluloosan seinämät fibriileiksi tai kiteiksi

Selluloosan soluseinän rakenteen selviäminen on johtanut useisiin edistysaskeliin. Viimeisen vuosikymmenen nano-näkökulma avasi puusta fibriilien tason. Ne ovat elementtejä, jotka muodostavat kiertyen selluloosakuidun soluseinän.Rakenne tunnettiin jo aikaisemmin, mutta halu tuottaa nano-materiaaleja johti teknologian kehitykseen niin, että nyt voimme vapauttaa fibriilit mielekkäällä energiamäärällä.

Fibriilit mahdollistavat puusta aivan uudenlaisia tuotteita ja lisäaineita – esimerkiksi hienojakoista ja muovinkaltaista paperia, tai tekstiilikuitua vastaavaa maailman hienointa paperinarua. Pienetkin fibriili-määrät parantavat muovien sitkeyttä ja lujuutta. Ne estävät maalien ja mehujen laskeutumista sekä parantavat sementin koostumusta jne.

Syövyttämällä selluloosaa hallitusti saadaan talteen kuitujen seinämän nano-kokoiset kiteet. Ne osaavat järjestyä toisiinsa nähden ja rakentaa itsenäisesti uusia materiaaleja. Kiteet kääntävät valoa ja muodostavat värejä. Kiteinen materiaali voi parantaa vaikkapa seosten eristyskykyä ja lujuutta.

Puusta kierrätettävää tekstiiliä

Toinen esimerkki vihreän kemian kehityksestä liittyy selluloosan turvottamiseen ja liuottamiseen. Entsyymien kehittyminen on mahdollistanut erittäin tarkan tavan soluseinän rakenteen avaamiseen. Toisaalla ionisten ja eutektisten liuottimien kehitys mahdollistaa selluloosan erittäin tehokkaan ja ympäristöystävällisen muuttamisen juoksevaan muotoon. Tämä johtaa meidät harkitsemaan uudelleen tekstiilien valmistamista puusta. Uudet selluloosaliuottimet mahdollistavat esimerkiksi täysin kierrätettävät tekstiilit.

Soluseinämän hallittu turvottaminen mahdollistaa tehokkaan tavan viedä kemikaaleja rakenteen sisään ja muokata sitä. Esimerkiksi kytkemällä etikkahappo selluloosan runkoon saadaan lämmöllä sulavaa materiaalia eli selluloosapohjaista muovia. Toisilla kemikaaleilla voimme parantaa selluloosan vesiliukoisuutta tai halua sitoutua toisiin aineisiin, mikä mahdollistaa selluloosan käytön öljypohjaisten apuainepolymeerien tilalla.

Puretaan soluseinät sokereiksi

Kolmantena esimerkkinä soluseinä voidaan purkaa entsyymien avulla myös sokereihin, josta voi tuottaa alkoholia vaikkapa autojen polttoaineeksi puuttumatta ruokavarantoon. Puun sokerit mahdollistavat paljon korkeampiarvoistenkin molekyylien valmistuksen. Sellainen on esimerkiksi FDCA eli furaanidikarboksyylihappo, jolla voidaan korvata pakkausten ja tekstiilien polyesterin aromaattinen öljypohjainen pääkomponentti. Samalla saavutetaan muovi, jonka lujuus ja kyky pitää kaasut sisällään ovat nykyisiä parempia.

Metsäteollisuudesta kohti biotaloutta ja kiertotaloutta

Metsäteollisuutemme ei voi jatkaa pelkän volyymin varassa.  Uudet prosessit tarjoavat edullisia menetelmiä jalostaa puuta aivan uusiksi korkean lisäarvon omaaviksi tuotteiksi. Siinä sivussa tulemme muuttaneeksi myös talouden rakenteita. Mielemme on kääntymässä metsäteollisuudesta kohti biotaloutta. Tässä biotalous tarkoittaa bioraaka-aineesta saatavan hyödyn lisäämistä ja sen arvon maksimointia. Samalla myös kulutuskäyttäytymisemme voi muuttua enemmän kohti kiertotaloutta ja kulutuksen jalanjäljet pienentyä kestävämmälle tasolle.

Uuden talouden sijoitusmahdollisuudet ovat toki tuoneet useille suuriakin voittoja, mutta samaan aikaan meillä on vanhassa teollisuudessa kiinni pääomia, joiden tuotto vain heikkenee. Muutama yritys on selvästi jo heräämässä tähän ja ilmoittanut pitkästä aikaa investoinneista.

Lainatakseni Ensio Miettistä:

”Meillä on nyt tietoa ja pääomia enemmän kuin koskaan historiamme aikana, mutta me tarvitsemme vahvemman uskon tulevaisuuteen.”

Uuden teknologian hyödyntäminen on aina riski, mutta ilman riskiä ei ole myöskään voittoa. Nyt on taas aika siirtyä ajassa eteenpäin ja uudistua − kestävästi!

 

Ali Harlin

Tutkimusprofessori

VTT järjestää biotalous-aiheisen keskustelutilaisuuden Porissa 15.7. osana SuomiAreena-tapahtumaa. Miksi annamme maataloustuotteiden parhaat palat possuille? Kannattaako vihreä kulta polttaa poroksi? Miten biotalouden kassavirta käännetään Suomeen? Tule mukaan kuuntelemaan ja keskustelemaan!