Produksjon av en ligninholdig nanocellulosekvalitet

Nanocellulose er et trebasert produkt med et økende antall anvendelsesområder innenfor flere materialer som papir og kartong, fiberplater, maling, lim, komposittmaterialer, borevæske og som tilsetning i mat. Materialet er lett, sterkt og har god motstandskraft mot kjemisk, mekanisk og termisk nedbryting, allikevel kan det brytes ned av mikroorganismer i naturen. Det har spesielt gode reologiske egenskaper og er tiksotropisk, det vil si tyktflytende ved lett omrøring og mer tyntflytende ved kraftig omrøring. Cellulose dannes naturlig i alle levende planter og særlig celleveggene i trær er rike på dette fibrillmaterialet som er bygget opp av cellulosekjeder, hemicellulose og lignin. Termene micro fibrillated cellulose (MFC) og cellulose nano fibrills (CNF) er ofte benyttede benevnelser som beskriver samme type nanocellulose. Fremstillingen av CNF skjer normalt i 4en prosess der man starter med å fjerne vedens bindemiddel lignin for på den måten å separere vedens celler, fibrene. Deretter brytes disse fibrene videre ned til fibriller. Følgelig så kan nanocellulose i praksis ikke inneholde lignin, da det vil forhindre dannelse av fibriller. I LigNano prosjektet er en helt ny prosess for produksjon av nanocellulose etablert av RISE-PFI og Norske Skog Saugbrugs, der mye av ligninet bevares. Dette innebærer nye egenskaper og muligheter ved bruk av det nye CNF-produktet i ulike materialer. Prosessen gir et høyere masseutbytte og lavere energiforbruk sammenlignet med andre produksjonsmetoder, og potensielt lavere råvarekostnad for en storskala produksjon. Det er vist hvordan mengden lignin (og utbytte) i produktet kan kontrolleres med justering av ulike prosessparametere. Slik kan også overflateladning, fibrilldimensjoner og reologiske egenskaper styres. Vannfjerning virker å være enklere enn en konvensjonell CNF, da det oppnås høyere tørrstoff uten dannelse av agglomerater i vannbaserte og vannfrie løsninger enn for referansene basert på kjemisk masse. Bruk av den ligninrike nanocellulosen i vannfri epoksy og termoplast er demonstrert, og viser lovende egenskaper i små-skala testing. Fibrilldimensjoner, styrkepotensiale i fibermaterialer, samt viskositetsegenskaper i suspensjoner er også testet, og har vist seg å være på nivå med mekanisk produsert nanocellulose fremstilt fra sulfatmasse. Prosessen er i prosjektet oppskalert mer enn 20 ganger fra 30 g til 700 g pr batch og viser godt potensiale for videre oppskalering til større pilotanlegg (10-100 kg/batch) og fullskala anlegg (tonn/batch og kontinuerlig). Substratet som løses ut fra prosessen inneholder en stor andel vannløst sukker og en prosjektanalyse viser at dette vil kunne egne seg godt for biogassproduksjon eller produksjon av biokjemikalier. I prosjektet er det laget en rekke demonstratorer og prototyper av den nye LigNano-CNFen innenfor papir, fiberplater, coating, lim og filmer. Norske Skog Saugbrugs har som mål å jobbe videre med oppskalering og pilotering av prosessen med sikte på å starte kommersiell produksjon og salg av LigNano-CNF under merkenavnet CEBINA i ulike applikasjoner. Det er også nødvendig å arbeide med industriell utnyttelse av utløst materialet fra prosessen i videre studier og oppskalering.

Det vurderes at prosjektet gir følgende effekter: - Den vil posisjonere Norske Skog Saugbrugs som en unik CNF-produsent i verdenssammenheng. - Produksjon av CNF fra mekanisk masse vil gi en vesentlig mer kostnadseffektiv produksjon og bedre marginer sammenlignet med CNF fra kjemisk masse. Dette vil gi Norske Skog Saugbrugs konkurransekraft. - Den vil bidra til å opprettholde fremtidig verdiskaping fra norske skogsråvarer i Halden. - Ett nytt biobasert CNF-produkt vil bidra til substituering av fossile produkter; en realisering av innovasjonen vil gi økt biogassproduksjon, gjøre biobaserte materialer mer tilgjengelige og vil åpne for produksjon av biobaserte kjemikalier. - Den spesielle CNF kvaliteten vil kunne gi opphav til forskning på en rekke nye materialer og applikasjoner - Bruk av substrat fra prosessen vil kunne gi opphav til mye ny forskning på anvendelse av disse og konverteringsprosesser inn mot biokjemikalier - Resultater fra avvanningsstudiene er benyttet som grunnlag for bygging av et pilotanlegg for sentrifugering av CNF i industriell skala på Saugbrugs - Applikasjonstester i papir og fiberplater er kommunisert til kunder og benyttet som grunnlag for fullskala applikasjonstester hos flere kunder. Her brukes foreløpig CNF basert på kjemisk masse inntil LigNano varianten blir tilgjengelig i industriell skala - Tester av Epoksy med LigNano i coating og lim er vist kunder som eksempel på fremtidige produkter - Verdiskapningspotensialet er stort og antagelig minst 400 MNOK de neste 5-10 år, men det er fortsatt usikkert når den store tilveksten i volum vil skje. Det er viktig å komme videre i arbeidet med pilotering og oppskalering og tidsplan for dette, samt at man følger utvikling av skala og pris i markedet framover. Da vil man kunne være i posisjon med produktet når markedet setter fart - En realisering av innovasjonen vil være viktig for å sikre Norske Skogs fremtidige konkurranseevne, og således sikre opprettholdelse av norske arbeidsplasser med påfølgende bidrag til BNP. - Vil bidra til en bærekraftig næringsutvikling, og det støtter opp om flere av FNs bærekraftsmål, spesielt 9.2,9.4,12.4

Norske Skog Saugbrugs AS er en av verdens største og mest moderne produsenter av superkalandrert magasinpapir (SC-papir). Fabrikken produserer årlig mekaniske massefibre (TMP) fra omlag 850 000 m3 tømmer, og har en produksjonskapasitet på 485 000 tonn SC-papir fordelt på tre papirmaskiner. Fabrikken har de siste årene jobbet kontinuerlig med å etablere produksjon av nye biobaserte produkter, og startet i 2017 produksjon og salg av biogass. Saugbrugs har videre etablert et pilotanlegg for produksjon av nanocellulose (CNF), et pilotanlegg for produksjon av fiberplater for bygningsformål og det jobbes nå med etablering av et pilotanlegg for produksjon av biokompositter. I løpet av de siste årene har flere aktører startet industriell produksjon av CNF i mindre skala, og Saugbrugs er i dag en av to aktører med mulighet for industriell produksjon i Norge. En videreutvikling av nanocellulose er noe som står sentralt i Norske Saugbrugs sin strategi. I dette prosjektet skal ny kunnskap og teknologi tas fram og videreutvikles for produksjon av en ligninholdig nanocellulosekvalitet med unike egenskaper, med sikte på implementering og økt produksjonskapasitetved anlegget i Halden.