Uudet biotuotteet ja bioenergia -seminaari: Selluloosan uudet mahdollisuudet, Katariina Torvinen, tutkimuspäällikkö VTT

1. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 1
Selluloosan uudet
mahdollisuudet
Katariina Torvinen,
tutkimuspäällikkö VTT

2. Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 2
• VTT on yksi Pohjois-Euroopan johtavista
T&K&I-organisaatioista.
• Tuotamme asiantuntijapalveluja
kotimaisille ja kansainvälisille asiakkaille,
liike-elämälle ja julkiselle sektorille.
Liikevaihto ja liiketoiminnan muut tuotot
yhteensä 269 M€ (VTT-konserni 2016)
Henkilöstö 2 414
(VTT-konserni 2016)
Ainutlaatuiset tutkimusympäristöt Laaja kotimainen ja kansainvälinen
yhteistyöverkosto
75 vuotta tiedettä, huippu-
tutkimusta, tuloksia ja
näyttöjä asiakkaidemme
kilpailukyvyn kasvusta ja
menestyksestä.
Lue lisää: www.vtt.fi,
#vttpeople, @VTTFinland
* Loikkanen, T. et al. Roles,effectiveness,and impact of VTT. Towards broad-based impact monitoring of a research and
technology organisation. 2013. VTT, Espoo.VTT Technology 113.106 p. + app. 5 p.

3. VTT’s status
as performer
of R&D work
BASIC
RESEARCH
Universities
APPLIED
RESEARCH
VTT
DEVELOPMENT
Industry
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 3

4. Growth with
sustainable
innovations
Good life
Improved quality
of life and work
Industrial renewal
Innovations
empowering
industry
Resource
sufficiency
Prosperity from
resource
wisdom
Climate action
Clean energy
for the future
Opportunities
in the world
of huge
challenges
Safety and
security
Resiliency in
turbulent world
06/03/2019 VTT – beyond the obvious 4

5. VTT’s business areas
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 5
SMART
INDUSTRY
AND ENERGY
SYSTEMS
SOLUTIONS FOR
NATURAL
RESOURCES AND
ENVIRONMENT
• Sensing and
integration
• Connectivity
• Data-driven solutions
• National Metrology
Institute VTT MIKES
• Micronova
manufacturing
services
• Industrial
biotechnology and
food solutions
• Biomass processing
and products
• Sustainable energy
and chemical
technologies
• Lifecycle solutions
• Nuclear safety
• Smart energy and transport
solutions
• Digital engineering
• Business innovation
foresight
KNOWLEDGE
INTENSIVE
PRODUCTS AND
SERVICES

6. 6.3.20196
#1 FORESTED COUNTRY
IN EUROPE
• 75% OF THE
LAND COVERED
IN FORESTS
• 17 BILLION TREES
• SUSTAINABLE AND
COMPREHENSIVE
UTILIZATION
THE NORDIC
ENVIRONMENT HAS
GIVEN FINNISH WOOD
SOME SPECIAL
FEATURES
• Slowly grown wood is
very strong
• Beautiful wood for
further processing

7. Metsiä arvostetaan
§ Kansa arvostaa metsäteollisuutta vienti- ja verotulojen tuojana. Suomalaisten
mielestä metsäteollisuus hoitaa myös ympäristövastuunsa keskeisistä
toimialoista parhaiten.
§ Tuoreen kyselytutkimuksen mukaan suomalaiset arvostavat metsäteollisuuden roolia
maamme talouden selkärankana. Jopa 85 prosenttia suomalaisista liittää
metsäteollisuuteen kuvauksen ”merkittävä vienti- ja verotulojen turvaaja”.
§ Lisäksi 83 prosenttia kyselyyn vastanneista katsoi, että luonnehdinta ”tuottaa työtä ja
hyvinvointia koko Suomeen” kuvaa metsäteollisuutta erittäin hyvin tai hyvin.
§ Kyselyn tulosten mukaan suomalaiset luottavat metsäteollisuuden menestyvän myös
tulevaisuudessa. Vastanneista 86 prosenttia katsoo, että metsäteollisuuden
kansantaloudellinen merkitys kasvaa tai vähintäänkin pysyy ennallaan seuraavien
kymmenen vuoden aikana.
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 7
Kyselytutkimus: Suomalaiset pitävät arvossa metsäteollisuuden taloudellista merkitystä ja
ympäristövastuullisuutta
https://www.sttinfo.fi/tiedote?publisherId=3973&releaseId=69475290, 30.8.2018

8. Metsäteollisuustuotteiden kysynnän ennakoidaan
kasvavan
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 8
Pöyry ennakoi noin kolmanneksen kasvua vuoteen 2030 mennessä
https://www.metsateollisuus.fi/uploads/2018/08/02154616/P%C3%B6yry_mets%C3%A4teollisuuden-tuotteiden-kasvu.pdf

9. VTT laati kehityspolut 2050-ilmastotavoitteisiin -
Suomen kansantalous hyrräämään biotaloudella
Linkki raporttiin

10. Source: :Arasto, Antti; Koljonen, Tiina; Similä Lassi ( eds) 2018. Growth by integrating
integrating bioeconomy and low-carbon carboneconomy-Scenarios for Finland until 2050. VTT
Visions 13

11. 6.3.201911
NEW AND FUTURE INVESTMENTS
• Metsä Group Äänekoski Bioproduct Mill
• Production 1,3 Million tons of pulp/a, wood use 6,5 million m3/a, production started 2017
• Investment 1,4 billion€
• Renewal of Metsä Group Kemi pulp mill , 900 million€
• (or building a new mill > 1 billion€), pre-study
• No investment decision yet
• Boreal Bioref, Kemijärvi, building to be started summer 2018,
• Production 0,5 million ton of pulp/a, wood use 2,8 million m3/a, to start 2020,
• cost 950 million€
• Main owner Chinese Shanying
• Finpulp, Kuopio, softwood pulp & bioproduct mill, planning started
• Hengan International, tissue producer, as one of the minor stakeholders (investment 14 million€)
• Planned cost 1,4 billion€
• Kaidi Biorefinery, Kemi, car biofuels
• Investment decision (900 million€) waits for environmental permits & new EU directive for renewal energy
• One of the owners private Chinese Sunshine Kaidi New Energy Group
• KaiCell Fibers plans to build a new pulp mill to Paltamo, no investment decision yet
Kemijärvi
Kemi
Paltamo
Äänekoski
Kuopio

12. Suomen metsien kokonaiskasvu ja poistuma
1995-2015
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 12
ja teollisuuden kapasiteetinlisäyksen perusteella tehdyt arviot 2016-19 (olettaen että
lisäkapasiteetti hakataan kotimaasta)
Lähde: Tapio, http://tapio.fi/wp-content/uploads/2017/05/Kestavaa-kasvua-metsista-Tapio.pdf

13. Nykytuotteiden hintoja
§ Mäntyöljy 1560 €/t
§ Polttopuu 47,8 €/m3 (n.120 €/t*)
§ Raakapuu 68,1 €/m3 (n.170€/t*)
§ Vaneri ja puulevy 565 €/m3 (n. 1410 €/t*)
§ Sellu 680 €/t
§ Sanomalehtipaperi 480 €/t
§ Paperi 700 €/t
§ Päällystetty kartonki 1200 €/t
§ WC-paperi 1700 €/t
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 13
*oletettu että yksi tonni puuta vaatii noin 2.5 kuutiometriä
Lähde: Tulli 13.9.2018 (tilanne kesäkuussa 2018)
Arvo halutaan
kaksinkertaistaa
2050 mennessä
Määrää ei voida
kaksinkertaistaa -
> Arvokkaampia
tuotteita tarvitaan

14. © Finpro 14
WOOVERSATILITY OF WOOD
Chemicals, extracts,
other components
Chemicals, extracts,
other components
Textiles, composites
& other new fiber
products
Textiles, composites
& other new fiber
products
Image by VTT

15. EU bans single
use plastics
potential alternatives
from bio-based
materials
Consumers
prefer green
solutions
Sustainable
production,
Abundant raw
material,
Utilisation of side
streams
Drivers for advanced biomaterials &
nanomaterials
06/03/2019 VTT – beyond the obvious 15
Biodegradability
&
Compostability

16. Properties vs. priceNeed for investments
Challenges for advanced
biomaterials & nanomaterials
06/03/2019 VTT – beyond the obvious 16
Use of forest Recycling
• Use of forest must be balanced with
their growth – limits for felling?
• Forests are needed as carbon sinks
– IPCC report on global warming
• Recycling must be solved –
biodegradation is not the priority
• Brand owners banning multimaterials
that are not recyclable
Need for investments if not
processable with existing machinery
• Properties don’t meet the expected
criteria e.g. water sensitivity
• Cannot cost more than the competing
material
• If additional cost, added functionalities
needed

17. Esimerkkejä uusista lisäarvotuotteista
§ Lisäarvoinen selluloosa
• Nanoselluloosa
ü kehitetty teknologia tuottaa nanoselluloosafibrillejä korkeassa sakeudessa
ü lupaavia tuloksia nanoselluloosan sovelluksista elektroniikkaan
esim. taipuisissa sensoriratkaisuissa
• Termoplastinen selluloosa
§ Vaahtorainausteknologian kehittäminen
• Uusia mahdollisuuksia sekä uusille että vanhoille paperikoneille
§ Biokomposiitit ja 3D-tulostaminen
• kehitetty teknologioita, joissa voidaan hyödyntää puu-ja kierrätysmateriaaleja
§ Puupohjaiset tekstiilikuidut
• Kehitetty sekä liuotus- että suutinteknologioita
§ Ligniinin muokkaaminen korkeamman arvon tuotteiksi
• LigniOx – dispergointiaineena esim. sementtiin
• CatLignin – reaktiivinen ligniini hartseihin
Puun materiaalikäyttö monipuolistuu. Perinteisten paperi- ja pakkaus-
tuotteiden rinnalle syntyy aivan uusia tuotteita ja uutta liiketoimintaa.

18. http://cellulosefromfinland.fi
6.3.2019 18
Photos by VTT and Aalto University

19. 19
SPINNOVA
SOME FINNISH WOOD BASED PRODUCTS OF TODAY

21. 21VTT 2018
Ø 335 miljoonaa tonnia muovia tuotetaan vuosittain ja
tuotantomäärät kasvavat koko ajan
Ø 60 Mt muovista tuotetaan Euroopassa
Ø 24 Mt Euroopan muovintuotannosta käytetään
pakkauksiin
Ø 7 avattua pakkausta jokaista eurooppalaista kohden
päivässä
Ø 27 Mt muovijätettä syntyy vuosittain Euroopassa
Ø 157 kg pakkausjätettä vuodessa jokaiselta
eurooppalaiselta
Ø 20 % tästä pakkausjätteestä on muovia
Ø 1/3 muovijätteestä kierrätetään, loput polttoon ja
kaatopaikoille
Muovi on loistava ja monikäyttöinen
raaka-aine

22. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 22
Challenge 1. Recyclability
EU’s plastic strategy: plastic packaging's has to be recyclable
by 2030
In practice recycling of plastics and exploitation of recycled
fractions are complicated combination
§ Development of collecting and sorting techniques
§ Development of commercially profitable applications for
recycled plastics
§ Improve the quality of recycled materials
§ The end of life taken into account already in design of the
packaging's (recycled or compostable)
§ Needs simultaneous development in all stages of the value
chain

23. Supermaterial of the future
CELLULOSE
Challenge 2. Minimize the use of petroleum based material

24. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 24
TERMOPLASTINEN SELLULOOSA,
UUSI OMINAISUUS!
• Processable with existing plastic converting equipment
• Moisture and water vapor resistant
• Heat-sealable
• 100% bio-based
• Comes in granulate and filament form
Cellulose can be made thermoformable by modifying molecular mass
(cellulose esters)

25. Bio-based stand-up
pouch (SUP)
BIO-BASED BARRIER SOLUTION
FOR SUSTAINABLE PACKAGING
606/03/2019
Ellen MacArthur
Circular materials challenge winner 2018
M&S Ecopackaging Challenge winner 2018

26. 06/03/2019 26
Bio-based packaging film
Customer: Welmu International Oy
New bio-based and/or renewable material to
replace plastics and to produce clear and
biodegradable films in packaging applications.
§ Development of novel material with great
opportunities on packaging film markets.
§ Decrease amount of plastic waste with non-
plastic wrapping film.
Our wood
based biowrap is
the future of
packaging
VTT designed material combinations which
were tested in pilot environment.
A set of prototype films with alternative
properties were manufactured.
“We chose the unconventional
way to do R&D and outsourced it
entirely to VTT. It has turned out
to be a great decision as we are
now on the brink of
commercializing our new,
revolutionary film material.”
Jaakko Kaminen
CEO
Welmu International Oy.

27. 3D-TULOSTUKSELLA UUSIA
MAHDOLLISUUKSIA
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 27
§ The on-demand economy, where goods are
produced only when and where needed, will be
realized with the help of 3D-printing.
§ Wood-based cellulosic 3D-printing materials offer
a sustainable bio-based alternative to plastics.
§ Cellulose is lightweight, non-allergenic material
that can be processed into multiple forms
(filament, powder or paste) to suit a wide range
of different applications, including textiles, spare
parts, decorative items, and low-volume
consumer goods etc.
§ Another advantage of native cellulose is its
biocompatibility, which makes it suitable for
medical applications.

28. 28VTT 2018
Trends in fibre product markets – biocomposites
Source: Grand View Research Inc.
• Biocomposite market is expected to
experience a rapid growth (CAGR
11.8% from 2016-2024).
• The demand is driven by automotive
industry and awareness of consumers
• Natural fibers are likely to replace
synthetic fibres.
• Natural fiber composites are 25-30%
stronger than glass fibers of the same
weight. However, the moisture
sensitivity and poor compatibility with
the matrix may be an issue.
• Nanofibrillated cellulose is as strong as
turbine steel – stress transfer within the
composite still a challenge.

29. Totally biobased
injection moulded chair
Lisa Wikström, VTT
Material development was performed by VTT as a part of ACel
program in the Clic Innovations Ltd (TEKES).
Biobased injection mouldable thermoplastic
composite material with the focus on high cellulose
fibre content, good visual look, improved material
performance and competitive price.
§ No petroleum based raw materials
§ New additives improves the material properties
enabling to meet the material performance targets
§ Material demonstrated in injection moulded end
products
100%
Biobased
30%
cellulose
VTT developed totally biobased composite
material which were demonstrated in injection
moulded chair together with KO-HO Industrial
design and Plastec Finland Oy.

30. 30
Papermaking and foam forming
research environments SUORA
and SAMPO / Jyväskylä
Pilot research infra offers excellent facilities and skilled personnel for
development work and scale-up of new technologies, raw-materials, process
concepts and chemicals
The first pilot scale
foam forming
process and
technology infra in
the world
speeds up to
1000 m/min

31. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 31
Lightweight,
mouldable board Replacement for
plastic bags
Growth mediaSound insulation
Nonwovens
Packaging and cushioning
Construction
New solutions by foam forming

32. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 32
Technology Platform for Fibre
Products
§ Towards increased value for fibre
products
• Funding: European Regional Development Fund,
participating companies and VTT
• Budget 4.4 M€
• Duration 06/2017 - 05/2020
• 33 companies, coordinated by VTT
Contact: harri.kiiskinen@vtt.fi erkki.hellen@vtt.fi

33. 33VTT 2018
Textile fibers
Source: Textile World, 2015
• Polyester dominates the textile fiber market.
• The polyester market growth has become mostly
from China, India and SE Asia.
• Cellulosic-based man-made fibers declined in
1980-2000, but has doubled the demand to 5.2
Mtons in the last 10 years.
• Consumer demand of fibers (avg. 11.4 kg/capita in
2014) vary greatly worldwide, being 37 kg/capita in
N. America and 5 kg/capita in Africa and India.
• Cotton production cannot increase due to the lack
of arable land available for non-food crop
production.
• Polyester is one of the major sources of
microplastics in natural waters.

34. Ligniinillä voi tehdä rahaa!
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 34

35. Ligniinistä uusia tuotteita
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 35
LIGNIN
• Kraft
• Soda
• Organosolv
• Hydrolysis residue
Phenolic resins for
wood products
Rubber and
plastic products
Carbonised materials
Thermoplastic materials
• CatLignin technology
for highly reactive
lignin
• Solvent fractionation
• Biotechnical activation
Surface active agents
• LigniOx technology for versatile dispersants
• Concrete and gypsum plasticizers
• Dispersant for inorganic fillers/pigments
Food & feed
• Structure modifier
• Functional additive
• Reinforcement fillers
• Antioxidants
• Fire retardants
• Thermoplastic matrix polymer for composites
• Tackifier for hot melt adhesives
• Coatings
• Carbon black by HTC
• Activated carbon
Fuels &
chemicals
• HTL
• Pyrolysis
• Solvolysis

36. 6.3.2019 VTT – beyond the obvious 36
FinnCERES is a next
level research
collaboration
in new lignocellulose-
based materials.
FinnCERES aims
to reinvent the future
of the Finnish forest
industry.
First in the world Strategic Research of its kind
Unique world-class infrastructure

37. 37VTT 2018
• Forest industry has adapted to the constantly
changing requirements and found new paths
for growth
• Digitally assisted business ecosystems
between industries will develop value-added
cellulose products and revolutionise bio-based
material markets
VTT’s vision of digital
cellulose-based industries

38. The central role of digital technologies
in future cellulose-based industries
A rich ecosystem of new products made from cellulose raw material will be brought to life with networked, design-driven approaches,
and a value-adding consumer market will emerge
System
change

39. 39VTT 2018
• Cellulose-based materials will play a crucial
role in entering a post-plastic world
• Digital technologies enable a controlled
circulation of cellulose-based materials.
• By mastering an intelligent material circulation,
cellulose can become a service.
• In the material leasing concept, the customer
pays for the material use and quality losses
during the utilisation phase
Cellulose is unique material
platform

40. Take home messages
§ Lisäarvoisissa biotuotteissa valtava lisäarvon mahdollisuus Suomelle.
Metsäteollisuuden lisäarvo jopa tuplattavissa!
§ Puupohjaisille tekstiileille, pakkausmateriaaleille ja komposiiteille
ennustetaan kasvupotentiaalia
§ Muovi on lähtökohtaisesti loistava raaka-aine mutta ihminen ei ”osaa”
käyttää sitä oikein. EU:n muovistrategia on hieno avaus, erityisesti
kertakäyttöisten muovien korvaamisessa isoja mahdollisuuksia
biomateriaaleille.
§ Vaahtorainaus ja 3D-tulostaminen ovat distruptiivisia
biotuoteteknologioita.
§ Digitalisaatio tulee mullistamaan metsäsektoria.
Katariina Torvinen, Tutkimuspäällikkö
Katariina.Torvinen@vtt.fi
6.3.2019 VTT – beyond the obvious 40