2. 2
Nanoselluloosakatsaus
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

3. 3
Terminologiaa
Kuitumaiset:
• CNF = cellulose nanofibril eli nanofibrilloitu selluloosa
(=NFC)
• CMF = cellulose microfibril eli mikrofibrilloitu selluloosa
(=MFC)
• B(N)C = bacterial (nano) cellulose eli bakteeri(nano)-
selluloosa
Kiteiset:
• CNC = cellulose nanocrystal eli nanokiteinen selluloosa
(=NCC )
• MCC = microcrystal cellulose eli mikrokiteinen selluloosa
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

4. 4
Nanometri – metrin miljardisosa
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Tavanomainen
puukuidun pituus
CNF, CNC,
BNC
CMF, MCC
Topdown-prosessi
Glukoosi
Bottomup
-prosessi/
polymerisaatio

5. 5
Raaka-ainelähteet - luonnosta
• Kasvien tukirakenteissa esiintyvä kuitumainen aines, joka
on kemialliselta koostumukseltaan pääasiassa
rengasmaisista glukoosimolekyyleistä muodostunutta
selluloosaa (kierteisen ketjun kaltainen rakenne)
TAI
• Bakteerien (esim. Acetobacter Xylinum) omaksi
suojarakenteekseen (mm. veden sitominen) tuottamaa
selluloosaa. Paras ravintoaine glukoosi eli yksinkertainen
sokeri.
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

6. 6
Miksi mikro/nanomittakaavan tuotteita?
Esimerkkejä MFC/NFC tuoteominaisuuksia:
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Uusiutuvista raaka-aineista valmistettu
Ympäristöystävällinen luonnonmateriaali
Biohajoava
Yhteensopiva biologisten materiaalien kanssa
Luja ja kimmoisa (lujempi kuin teräs)
Korkea muototekijä
Suuri ominaispinta-ala
Reaktiivinen ja muokattava
Vahvoja verkostoja muodostava
Vettä imevä, pidättävä ja hallitusti luovuttava
Kalvoja muodostava
Hyvä lämpötilankesto
jne.

7. 7
Miksi nanotuotteita kasveista?
Kehityksen ajureita :
• Vaihtoehto fossiilisille raaka-aineille
• Vaihtoehto metalleille
• Puu ja viljelykasvien tukirakenteet eivät pääosin ole
ihmisten ruokaa (huomioitava rehukäyttö)
• Ominaisuuksia voidaan muokata nykyteknologialla eri
käyttötarkoituksiin; osin vielä kehitystyötä vaativaa
• Voidaan seostaa erilaisten muiden materiaalien kanssa,
esim. muovi+mikro/nanokuitukomposiitit
• BNC:n mahdollisuudet lääketieteessä, esim. keinoiho tai
muiden elimien rakenneosien korvaajana
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

8. 8
CNC/CMC/BC – Tuoteideoita:
CNC/CMC BC
• Lujuutta lisäävä aine papereissa, kartongeissa ja
pakkauksissa (korvaa tärkkelystä tai PVA-lateksia)
• Keveyttä ja lujuutta lisäävä aine komposiiteissa
esim. ajoneuvoihin
• Apuaine reologian säätöön esim. maaleissa,
elintarviketeollisuudessa, paperiteollisuudessa,
voiteluaineissa
• Pinnoitemateriaali: vähentää mm. ilman, hapen
ja öljyn läpäisyä. Hydrofiilisyys voi olla rajoite –
imee herkästi vettä.
• Kalvomateriaalit, myös värilliset
• Elektroniset näytöt
• Hygieniatuotteet (hydrofiilisyys hyväksi)
• Hydrogeelit (auttaa sitomaan vettä)
• Aerogeelit (auttaa sitomaan ilmaa)
• Kudosten korjaus, siirteet
• Lujuutta lisäävä aine
komposiiteissa (ihmisen
varaosat?)
• Haavasiteet
• Keinotekoiset verisuonet
• Akustiset kalvot
• Reologian säätö
• Elintarvikkeet
(hyytelöimisaine: olemassa jo
Nata de coco)
• Elektroniset näytöt
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

9. 9
Miksi mikro/nanotuotteita kasveista?
Määrä vs. arvo
Source: “Thermochemical Strategies for Biofuels, Green Chemicals,
Polymeric Biomaterials and Biofuels”, Esteban Chornet, Nov 2005.
Market size / price for co-products derived from biomass
10-1
1 10 102
103
104
105
1012
1011
1010
109
10
8
10
7
106
105
104
10
3
102
101
Biomass-derived
Commodities
Biomass-derived
Specialty Chemicals
Biomass derived
Pharmaceuticals
Market price (US$ / kg)
Cellulose-based
fibers*
Fatty
acids
Specialty
Celluloses
Aldehydes
(Vanillin*, SA, TMBA)
Essential
Oils
Sterols*
Chitosan
& derivativ es
Vitamins
Bioactive
Polyphenols
Maltol*
Chiral drugs
Taxans*
cis-3-Hexenol
trans-2-Hexenal
Gallic
acid
Proanthocyanidins*
Marketsize
Market price ($/kg)
VTT:n v. 2012 arvio
mikro/nanotuotteiden
sijoittumisesta
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

10. 10
Teknologiaa on jo kehitetty…
• MCC ollut jo kauan elintarvikekäyttöön hyväksytty lisäaine E460
• CMF:ää valmistettiin puusellusta laboratoriomittakaavassa 1980-
luvulla
– Aluksi energiankulutus oli niin suuri, ettei teknologia ollut kiinnostava.
– Kemiallisella (happo, hapetus) tai entsymaattisella esikäsittelyllä
kuiduksen energiankulutus on laskenut TMP-paperimassan valmistuksen
tasolle.
• Tutkimustyötä mm. Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Japanissa
– Mm. lukuisia EU-rahoitteisia tutkimushankkeita (Cordis, Sunpap…)
• CMF- ja NCC-pilotlaitoksia mm. Pohjoismaissa ja Kanadassa
• Suomessa CMF:n esikaupallisesta valmistuksesta ilmoittaneet Stora
Enso (SE on nimittänyt henkilön tehtävään Director, MFC
Commercialization ) ja UPM
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

11. 11
Koivufibrillisellusta läpinäkyvää,
muovinkaltaista pakkausmateriaalia
• VTT:n ja Aalto-yliopiston menetelmässä
nanofibrilliselluloosakalvoa on valmistettu VTT:n
koelaitteella kiinnittämällä fibrillisellua ohuelti ja
tasaisesti muovifilmien päälle. Mitä fibrilloidumpaa
eli hienompaa nanoselluloosamateriaalia käytetään,
sitä läpinäkyvämpiä kalvoja siitä voidaan valmistaa.
• Menetelmän kaikki vaiheet on siirrettävissä
teolliseen tuotantoprosessiin. Kalvoa voidaan
valmistaa teollisuudessa jo olemassa olevilla
laitteilla ilman merkittäviä lisäinvestointeja.
• VTT ja Aalto-yliopisto hakevat patenttia NFC-filmin
valmistusteknologialle. Koeajot ja niihin liittyvät
kehitystyöt tehdään VTT:llä.
• Keksintö on toteutettu Tekesin Naseva 2 – Tailoring
of nanocellulose structures for industrial
applications -projektissa, joka kuuluu UPM:n, VTT:n
ja Aalto-yliopiston muodostaman Suomen
Nanoselluloosakeskuksen projektikokonaisuuteen.
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
http://www.vtt.fi/news/2012/20120223_birch_fibril_pulp.jsp

12. 12
…ja teknologiaa on kaupallistettu
• CMF/CNF:n valmistajia:
– J. Rettenmaier & Söhne, Saksa; http://www.jrs.de/jrs_en/
(tytäryhtiö Suomessa)
– Daicel Corporation, Japani;
http://www.daicelfinechem.jp/en/business/wspdiv/celish.html
– Engineered Fibers Technology, USA; http://www.eftfibers.com/
• NCC:n valmistaja:
– CelluForce, Kanada; http://www.celluforce.com/
(Domtar Corp & FPInnovation joint venture)
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

13. 13
J. Rettenmaier & Söhne, BU Chemistry I
ARBOCEL®- fibers are natural fibers, based on Cellulose
and Lignocellulose, with a broad area of application:
• Additive for paper and board production
• Additive for tissue production
• Plastic industry
• - thermoplastics, e.g. WPC
• - duroplastics (Melamine and phenolic resin molding compounds)
• - elastomeres (rubber and rubber seals)
• Glues, e.g. construction glues
• Break pads
• Floor coverings, e.g. Laminates , rubber flooring
• Enzyme production, e.g. washing powder and animal feed
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Kts. Kalvo 16

14. 14
J. Rettenmaier & Söhne, BU Chemistry II
ARBOCEL® CE is a Cellulose derivative. HPMC (Hydrox-
propyl-methyl-cellulose) is a water-soluble cellulose
ether, e.g. for:
• PVC polymerisation
• Coatings
• Dyes
ARBOCEL® CELLUGREEN is a fiber additive for
hydroseeding based on cellulose
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

15. 15
J. Rettenmaier & Söhne, BU Chemistry III
LIGNOCEL®- fibers are wood fibers based on hard- and
softwoods
• Additive for paper and board production
• Additive for tissue production
• Plastic industry
• - thermoplastics, e.g.
• - duroplastics (Melamine and phenolic resin molding compounds)
• - elastomeres (rubber and rubber seals)
• Glues, e.g. construction glues
• Break pads
• Floor coverings, e.g. Laminates , rubber flooring
• For use in civil explosives for the mining industry.
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Kts. Kalvo 16

16. 16
CMF/CNF Paperin ja kartongin valmistuksen
lisäaineena – Potentiaali n. 1 % -> 4 milj. t/vuosi
Maailman paperin ja kartongin tuotanto n. 400 milj. t/vuosi
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
0
50,000,000
100,000,000
150,000,000
200,000,000
250,000,000
300,000,000
350,000,000
400,000,000
450,000,000
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Newsprint Printing&Writing Unocoated WF Coated papers
Household&Sanitary Folding boxboard Paper&board total
Lähde: FAO

17. 17
Alustava SWOT-analyysi
Oy Suomi Ab:n kannalta
Vahvuudet:
• Metsää runsaasti, vuotuinen kasvu
lisääntynyt, hakkuuylijäämä
• Osaavaa, koulutettua, kansain-
välisestikin kokenutta työvoimaa
• CNC/CMC:stä jo tehty runsaasti
tutkimusta/VTT osaamiskeskuksena
Mahdollisuudet:
• kolmiulotteisten kappaleiden
tuotanto biomateriaaleista (muut
kuin levy tai lauta) esim. ajoneuvoi-
hin, rakentamiseen; ’ihmisvaraosat’
• Uudenlainen liiketoiminta-
verkottuminen (metsä+teknologia/
rakentaminen/lääketiede…)
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014
Heikkoudet:
• paperiteollisuuden liikevaihto laskee
-> resurssit tuotekehitykseen alenevat
• pk-sektorin resurssit rajalliset uusien
tuotteiden/teknologioiden ja liike-
toiminnan kehitykseen
• Vaikeus irrottautua entisistä toiminta-
tavoista ja toimitusketjuista
Uhat:
• Öljyn ja metallien matala hintataso
hidastaa biotuotteiden kysyntää
• kilpailu raaka-aineesta, pääomista ja
osaamisesta bioenergian tuotannon
kanssa -> CNC/CMC/BC jäävät hype-
ilmiöksi
SisäisettekijätUlkoisettekijät

18. 18
Lähteitä:
• Brodin, F.L. & al: Cellulose nanofibrils: Challenges and possibilities as a paper
additive or coating material – A review. Nordic Pulp & Paper Research Journal
Vol 29 nr 1, 2014.
• Kangas, H.: Soveltajan opas mikro- ja nanoselluloosille. VTT 2012.
• Proposed New Tappi Standard: Standard Terms and Their Definition for
Cellulose Nanomaterials WI 3021.
• Kirchner M. , Biotechnology : Ready to partner and invest in. Biotechnol Journal
nr 1, 2006.
• http://faostat3.fao.org/
• Kauppalehti Arkena Web-TV 10 Dec 2014:
http://publisher.qbrick.com/Embed.aspx?mcid=369D76B3db388884&width=
640&height=360
• Hämäläinen, K.: Improving the usability of extruded wood-plastic composites
by using modification technology. Väitöskirja julk. 28.11.2014,
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-695-7
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014

19. 19
®
Anu Hämäläinen, joulukuu 2014