Nästa revolution börjar i skogen

I början av året publicerade EU sin första plaststrategi som baseras på cirkulär ekonomi. Statistik visar att att det verkligen finns behov av en sådan strategi.

Mer än 25 miljoner ton plastavfall produceras i Europa varje år. Mindre än en tredjedel återvinns medan resten hamnar som osorterat i deponier eller i miljön.

84% av avfallet som finns på våra stränder är plast och engångsartiklar som bomullspinnar, tallrikar, sugrör och gafflar står för huvuddelen av detta. EU planerar nu ett totalförbud för sådana produkter för att minska belastningen som plast utgör på miljön.

"De flesta plastsorterna är okänsliga för fukt, vilket ger dem dess långlivade karaktär," säger VTT:s tekniska forskningsprofessor Kristiina Kruus.

Kruus intar tjänsten som dekanus vid högskolan för kemiteknik i december 2018. Hon leder det nya, av Finlands Akademi finansierade, FinnCERES -projektet tillsammans med Orlando Rojas, professor vid Aalto-universitetet. Ett mål med denna miljoninvestering är att utmana plast med nya, växtbaserade material, inklusive sådana från lignocellulosa. Detta är en stor utmaning eftersom plast har sina styrkor - och tills vidare betydande fördelar. 

Söndra, separera och sammanslut

Massproduktionen av plast började på 1950-talet. Sedan dess har 8,3 miljarder ton plast tillverkats. Idag produceras plast i 20 gånger högre än på 60-talet. Plastens popularitet är lätt att förstå eftersom plast är vattentätt, lätt och formbart och är tillverkat av billiga råmaterial utifrån råolja.

”Det belopp som investerats i relaterad infrastruktur är så enorm att det är orealistiskt att förvänta sig att produktionen avvecklas inom snar framtid” säger Kruus.

Sidoflödens kolväten skapar byggstenar för plast, det vill säga långa och starka syntetiska polymerkedjor som består av tusentals molekyler. Lignocellulosa-biopolymerer skapas å sin sida i fotosyntesprocessen genom samverkan av solljus, vatten och koldioxid och biopolymeler utgör de tre huvudsakliga strukturella komponenterna i lignocellulosa: cellulosa, hemicellulosa och lignin.

"Vår idé är att separera beståndsdelarna och samtidigt bevara polymerens struktur och sedan använda dessa delar för att konstruera material med helt nya egenskaper" säger Rojas.

Detta är en bekant idé från papperstillverkning där träfibrer först separeras från varandra och sedan blandas med vatten för att bilda en blandning som sedan förvandlas till papper efter filtrering, pressning och torkning. Rojas och hans kollegor vill gå mycket längre och genom nya separations- och monteringsstrategier skapa funktionella biomaterial.

Fibrer kan till exempel dekonstrueras till nano- och mikroskalade delar, inklusive nanocellulosor och nanoligniner. I sin tur uppvisar de några typiska funktioner som hög reaktionsstyrka och yta. Sådana egenskaper kan användas vid vattenrening, för avlägsning av skadliga ämnen som läkemedel och hormoner eller för luftfiltrering. Ihopsättning av färglösa cellulosabaserade nanomaterial på ett specifikt sätt kan resultera i att beläggningar visar livliga färger. Utöver färg kan nya funktioner tas i bruk i sådana strukturer.

Enligt Rojas handlar det inom FinnCERES om ett paradigmskifte vid materialtillverkning.

"Vi kommer inte bara att ersätta plast, vi vill också utveckla bättre material som är unika för biopolymeler".

Naturens egna komposit

Enbart plastindustrin i Europa genererar mer än 300 miljarder euro i omsättning. Övergången från plast till biomaterial skulle revolutionera industrins och ekonomins strukturer - på ett för Finland gynnsamt sätt.

"Det finns ingen olja i Finland men 78% av vårt landsområde täcks av skog och mängden biomassa fortsätter att växa varje år." Finland har mer skogsbiomassa per capita än något annat europeiskt land och vi är nära toppen också på global skala" säger forskningschef Katariina Torvinen från VTT.

Finland exporterar skogsbaserade bioprodukter till ett värde på 14 miljarder euro varje år. VTT beräknar att exportens värde till och med kan fördubblas till 2050 genom att man utvecklar produkter av biomassa. Detta skulle öka BNP med cirka tre procent. En stark tillväxt som denna skulle kräva att Finland blir mer än bara en tillverkare av biomassa och istället bearbetar biomassa ytterligare till produkter med högt värde.

Mikroplastproblemet har redan ökat efterfrågan på cellulosafibrer och sökningen pågår för att utveckla alternativ till plast också inom komposit- och förpackningssektorn. Torvinen förutspår att nästa punkt som kommer att förbjudas av EU kommer att vara polystyren, mer känd som cellplast, styrofoam eller frigolit.

"I USA har ett fåtal stater redan förbjudit dess användning. Vi har utvecklat en teknik som gör det möjligt att bearbeta biomassa till ett fiberskum som kan ersätta polystyren. Dessutom kan den användas som värme- och ljudisolering i byggnader."

Mer än 300 miljoner ton plast produceras årligen i världen medan massproduktionen uppgår till cirka 200 miljoner ton. Det är därför inte möjligt att ersätta all plast och det är inte heller målet, säger forskarna. Det smarta valet är att använda lignocellulosa i produkter för vilka dess naturliga egenskaper är bäst lämpade.

En av egenskaperna är hållbarheten i lignocellulosa. 

Motståndskraft och multifunktionalitet är några av funktionerna i lignocellulosor. Lignocellulosa är redan ett mångsidigt kompositmaterial. ”Genom evolutionen är lignocelluloser i träd motståndskraftiga för stormar, vindar, översvämningar, värme, ljus och patogener. Från styrkans synvinkel kan trä bearbetas till och med till skottsäkert material, säger Orlando Rojas.

”Plast är livlöst, tillverkas av fossila material till skillnad från levande material som utvecklas för att anpassa sig på många sätt. Vi vill lära oss av det här på ett klokt och hållbart sätt."

FinnCERES  – kunskapscentrum för biomaterial

- Projekt finansierat av Finlands akademi som sammanställer Aalto-universitetet och VTT: s nära forskningssamarbete med industrin samt nationella och internationella forskningsnätverk.
- Baserat på vetenskaplig kompetens, unik infrastruktur och hög samhällelig inverkan.
- Utvecklar nya biobaserade material för industriell tillverkning för de internationella marknaderna. Dessa material kan användas både i vardagen och för industrin: textilier, hushållsartiklar, luftrening och vattenreningssystem, nästa generations katalysatorer, ultralätt transporter och energiåtervinningssystem.
- Finlands Akademi har beviljat FinnCERES cirka 9 miljoner euro i finansiering för de kommande fyra åren. En femtedel av detta kommer att ägnas åt att förverkliga nya projekt som forskarsamhället föreslår

Text: Minna Hölttä. Bild: Aleksi Poutanen.

Artikeln är publicerad i Aalto University Magazine, nummer 23 (issuu.com) i oktober 2018.