Katepaperia pelloille muovin sijaan

Miten markkinoille kehitettiin biohajoava mutta riittävän kestävä katepaperi, joka korvaa luonnossa hitaasti hajoavat katemuovit? Erikoistutkija Antti Korpela kertoo tuotteen taustalla olevasta tutkimus- ja kehitystyöstä.

Suomalaisille ehkä tutuin katemuovi on mansikkamailla käytettävä musta ”mansikkamuovi”. Katteen päätarkoitus on rikkaruohojen kasvun estäminen, maan lämpötila- ja kosteusvaihtelujen tasaaminen ja eroosion esto. Maailmanlaajuisesti arviolta jo 90 000 km² viljelymaata peittyy vuosittain katemuovien alle. Niistä on paljon hyötyä, joten käyttömäärien ennustetaan edelleen kasvavan.

Muovikalvoilla ikäviä lieveilmiöitä

Mutta katemuoveihin liittyy iso ongelma, joka liittyy niiden pääasialliseen raaka-aineeseen, polyeteeniin. Polyeteeni on edullinen ja siitä voidaan valmistaa ohuita ja mekaanisesti lujia katemuoveja. Polyeteenikalvo kuitenkin hajoaa viljelymaassa hyvin hitaasti. Jotta viljelymaan laatu ei kärsisi ja jotta vältyttäisiin muoviroskan kulkeutumiselta viljelmiltä ympäristöön, pitäisi katemuovi poistaa käytön jälkeen viljelymaasta hyvin tarkkaan. Se on kuitenkin työlästä, usein myös kallista eikä aina edes onnistu täydellisesti. Katemuovijätteeseen kiinnittyy maa-aineksia, joten se ei sovellu hyvin poltettavaksi polttolaitoksissa. Kierrättäminenkään ei ole osoittautunut taloudellisesti kannattavaksi ainakaan laajassa mitassa. Käytöstä poistetut muovikatteet päätyvät siis kaatopaikoille, mikä taas maksaa paljon. Ympäristöhaittoja syntyy maailmalla, kun muovijätettä läjitetään viljelmien laidoille ja poltetaan pelloilla.

Polyeteenikatteita korvaamaan on kehitetty biohajoavia katemuoveja, jotka voidaan viljelykauden jälkeen jättää viljelymaahan maatumaan. Biohajoavia katemuoveja käytettäessä vältytään käytettyjen katemuovien keräämisen ja hävittämisen vaivalta ja kustannuksilta. Niiden käyttö on kuitenkin pysynyt vähäisenä korkean hinnan takia. Biohajoavien katemuovien käyttö on yleisintä alueilla, joilla katemuovijätteen keräys- ja hävityskustannukset ovat hyvin suuret.

Uutta käyttöä paperikoneille

VTT ja Helsingin yliopiston maataloustieteiden laitos käynnistivätkin vuonna 2010 Agripap-projektin, jossa kehitettiin menetelmiä katemuoveja korvaavien paperisten katteiden valmistamiseksi. Osin Tekesin rahoittamaan projektiin osallistuivat aktiivisesti myös Stora Enso, UPM, Walki, Kemira ja maatalouskoneisiin erikoistunut Avagro.

Puukuiduista valmistettava paperi on luonnostaan biohajoava materiaali, ja kuten Agipap-projektin alkaessa arvioitiin, voisi katepaperi olla neliö- ja metrihinnaltaan hyvin kilpailukykyinen vaihtoehto biohajoaville katemuoveille. Maailmanlaajuisten markkinoiden koko on huomattava: 90 000 km2:n peittämiseen tarvittaisiin vuosittain noin 5–6 miljoonaa tonnia katepaperia.

Agripap-projektin alussa perehdyin kollegojeni kanssa kateviljelyyn. Mukana projektissamme oli paperifysiikan, paperinvalmistuksen kemian, biohajoamisen, tuoteturvallisuuden ja ekotaselaskennan asiantuntijoita. Sanakirjaa oli ainakin minun käytettävä aluksi tiuhaan, kun teksteissä ja esitelmissä tuli vastaan viljelytermejä. Kysymyksiä heräsi myös projektin ohjausryhmässä: Mikä on levityskone ja miten se toimii? Mikä on penkki ja miksi se tehdään? Millainen on tippaletku? Onneksemme agroteknologian professori Jukka Ahokas selvitti termit meille.

Projektiin sisältyi runsaasti laboratoriotutkimuksia ja kenttäkokeita. Kenttäkokeita tehtiin koeviljelmillä Suomessa, Turkissa ja Espanjassa, ja ne paljastivat jo projektin alkumetreillä, ettei mikään normaali paperi toimi katteena hyvin.

Katteeksi kelpaa vain kestävä ja hitaasti maatuva paperi

Katepaperilla on kaksi kriittistä ominaisuutta: Ensinnäkin katteen on oltava niin kestävä, että se on levitettävissä peltoon koneellisesti. Levitysvaiheessa katepaperiin kohdistuu voimakasta mekaanista rasitusta, joka paperin on kestettävä repeämättä. Parasta olisi, jos levitys onnistuisi samoilla levityskoneilla kuin muovikatteiden levitys ja yhtä vauhdikkaasti.

Kuva: Stora Enso

Toiseksi katepaperin on oltava niin hitaasti maatuva, että se kestää ehjänä viljelykauden loppuun asti. Erityisesti katepaperin reunat, joiden päälle kasataan multaa katepaperin sitomiseksi maahan, ovat alttiita maatumiselle. Reunojen heikentyessä maatumisen vaikutuksesta tuuli voi irrottaa katepaperin maasta ja viedä sen mennessään.

Tutkimus osoitti, että on helppoa valmistaa katepaperia, joka on mekaanisesti kyllin lujaa, tai katepaperia, joka on riittävän hitaasti maatuvaa. On kuitenkin vaikeata valmistaa katepaperia, joka on samanaikaisesti sekä kyllin lujaa että riittävän hitaasti maatuvaa. Esimerkiksi tavallinen säkkipaperi sopisi lujuutensa puolesta hyvin katekäyttöön, mutta kosteassa ja lämpimässä peltomaassa säkkipaperi maatuu 3–4 viikossa lähes täydellisesti. Ligniinipitoisista kuiduista valmistettava paperi vastustaa maatumista paljon paremmin, mutta niistä on vaikeata valmistaa riittävän lujaa katepaperia.

Erilaisilla kemiallisilla lisäaineilla on mahdollista parantaa paperin lujuutta ja hidastaa maatumistakin, mutta koska viljelykasvit, vaikkapa mansikat tai salaatinlehdet, voivat olla kosketuksissa katemateriaaliin, on kaikkien käytettävien raaka-aineiden ja lisäaineiden oltava ihmisille ja ympäristölle täysin turvallisia. Suositeltavaa on, että katepaperi täyttää elintarvikepakkausmateriaaleille asettavat tiukat tuoteturvallisuusvaatimukset. Tämä rajaa keinovalikoimasta monen sinänsä tehokkaan ja lujuutta parantavan tai maatumista hidastavan lisäaineen käytön.

Agripap-projektin päätyttyä vuonna 2014 osa projektissa mukana olleista yrityksissä jatkoi katepaperin kehittämistä. Yritykset ovat tutkineet kokeellisten katepapereiden toimivuutta sekä ulkomaisilla että kotimaisilla viljelmillä. Siinä muun muassa MTT:n (nykyinen Luonnonvarakeskus Luke) osaamisesta on ollut yrityksille iso apu.

Maailmanlaajuisille markkinoille

Yrityksille katepapereiden kehittäminen on merkinnyt uusien asioiden opettelua: muun muassa maa- ja aluekohtaista maanviljelyksen käytäntöjen ja tarpeiden selvittämistä ja myynnin ja jakelun suunnittelua. Markkina-alue on maailmanlaajuinen.

Muutama vuosi sitten tapasin kaksi pohjoisamerikkalaista paperinvalmistusyrityksen tuotekehittäjää Agricultural Film -konferenssissa, jossa olimme keräämässä katemuoveja ja -viljelyä koskevaa tietoa. Tuotekehittäjät totesivat, että paperikate on heidän yrityksensä kannalta kiinnostava tuote, koska sen markkinat voivat olla tulevaisuudessa suuret, mutta katepaperin valmistukseen ja myyntiin ”liittyy aivan liian paljon kaikenlaista opeteltavaa”. Sen jälkeen herrat huokasivat syvään.

Keväällä 2016 Stora Enso toi markkinoille koneellisesti levitettävän, laajamittaiseen viljelykäyttöön tarkoitetun katepaperin. Siihen haluan omasta, kollegoideni ja yhteistyökumppaneidemme puolesta sanoa, että hienoa Stora Enso – todella hyvä saavutus! Toivottavasti kaikki uuden opettelu ja monivuotinen panostus paperikatteen kehittämiseen palkitaan!

Antti Korpela, erikoistutkija

 

Kuva: Stora Enso

Paperculture instead of plasticulture

How was a biodegradable but sufficiently durable paper mulch developed commercially to replace slowly degrading plastic? Senior Scientist Antti Korpela explains the research and development behind the product.

In terms of mulching, Finns are probably most familiar with the black plastic used on strawberry fields. The main purpose of mulching is to prevent weed growth, even out temperature and moisture variations, and prevent erosion. An estimated 90,000 km2 of arable land are covered in plastic mulch each year. Due to the huge benefits, use of this technique is expected to continue spreading.

Plastic film has unpleasant side-effects

But plastic mulch causes a major problem related to its main raw material, polyethylene. Polyethylene is inexpensive and can be used to manufacture a thin and mechanically strong plastic cover. However, it also degrades very slowly on farms. To avoid a deterioration in the quality of arable land and avoid the transfer of plastic waste into the environment, plastic mulch must be carefully removed after use. However, this is laborious, often expensive and not always a complete success. Soil becomes attached to the plastic, making the mulch unsuitable for combustion in incinerators. Recycling, at least on a large scale, has not proven to be economically viable. This means that discarded plastic mulch ends up – expensively – in landfills. Environmental hazards are generated around the world when plastic waste is piled up on the edges of arable land and burned in fields.

Biodegradable plastic mulch, which can be left on the soil after the growing season, has been developed to replace polyethylene. While biodegradable plastics enable farmers to avoid the trouble and expense of collection and disposal after use, they are seldom used due to their high price. They are most commonly used in areas where the costs of collecting and disposing of conventional plastic mulch are very high.

New use for paper machines

VTT and the University of Helsinki’s Department of Agricultural Sciences launched the Agripap project in 2010 , to develop methods of manufacturing paper mulch to replace plastic mulch. Stora Enso, UPM, Walki, Kemira and the agricultural machinery specialist Avagro, also participated in the project, which was part-funded by Tekes.

Paper manufactured from wood fibre is inherently biodegradable and, as estimated at the beginning of the Agipap project, can form a highly competitive alternative to biodegradable plastic mulch in terms of its price per square metre and metre. The global market is very large: around 5–6 million tonnes of paper mulch a year would be needed to cover 90,000 km2.

My colleagues and I familiarised ourselves with plasticulture at the beginning of the Agripap project. Specialists in the physics of paper, the chemistry of papermaking, biodegradation, product safety and environmental accounting were involved in our project. I, at least, made intensive use of a dictionary, as agricultural terms came thick and fast in various texts and presentations. The project steering group also came up with some questions: What is a mulch laying machine and how does it work? What is a raised bed and why is it created? What is a drip hose? Luckily for us, Professor of Agrotechnology Jukka Ahokas was able to explain the terms.

The project included a high number of laboratory studies and field trials. Field trials were conducted on experimental crops in Finland, Turkey and Spain; at the early stages, it became clear that no ordinary paper would serve as mulch.

Only durable and slowly decomposing paper works as mulch

Paper mulch has two critical features: First, the paper has to be durable enough for machine laying onto a field. When being laid, the paper is subject to strong mechanical stress, which it must withstand without tearing. It would be best if paper could be laid using the same laying machines – and just as quickly – as those used for laying plastic.

Picture: Stora Enso

Second, the paper needs to decompose slowly enough to remain intact until the end of the growing season. The edges of the paper, onto which soil is piled to bind the paper cover to the ground, are particularly prone to decomposition. As the edges weaken, the wind can blow the paper mulch off the ground.

The study revealed that making paper which is mechanically strong enough, or that decomposes slowly enough, is easy. But manufacturing paper with both qualities at once is difficult. For example, ordinary sack kraft paper would be suitably strong, but on humid and warm arable land it almost completely decomposes in just 3–4 weeks. Paper made of lignin-rich fibres is much more resistant to decomposition, but producing sufficiently strong paper mulch from such material is difficult.

Stronger, slowly decomposing paper can be made using various chemical additives, but because crops – such as strawberries or lettuce leaves – may be in contact with the material, all raw materials and additives have to be completely safe for humans and the environment. It is recommended that paper mulch meets the strict product safety requirements set for food packaging materials. This rules out many strong additives which would improve the strength of the paper or reduce its rate of decomposition.

Some of the companies involved in the project continued developing the paper after the end of Agripap in 2014. They have explored the practicality of the trial paper mulches on agricultural land at home and abroad. The know-how of institutions such as the MTT (now the Natural Resources Institute Finland – Luke) has been of major assistance to the companies.

For global markets

The development of paper mulch meant learning new things for the companies involved: such as the country and region-specific analysis of farming practices and needs, and sales and distribution planning. The market is global.

A few years ago, I met two product developers from a North American paper manufacturer at the Agricultural Film Conference, where we were gathering information on plasticulture and plastic mulch. They said that paper mulch would be of interest to their company, since there could be big markets for the product, but there was “just too much to learn” about making and selling such paper. This was followed by a deep sigh.

In the spring of 2016, Stora Enso launched a mechanically laid paper mulch for large-scale farming. On my own behalf and that of my colleagues, I would greet this by saying “Well done Stora Enso – what a great achievement!” I hope all that you have learned and your years of investing in paper mulching pay off!

Antti Korpela, Senior Scientist

 

Picture: Stora Enso