Zavrženi potenciali biomase
Program "Izkoriščanje potenciala biomase za razvoj naprednih materialov in bio-osnovanih produktov"
Strateška usmeritev programa je napredno izkoriščanje biomase kot obnovljivega surovinskega vira, za razvoj novih materialov in bio-osnovanih produktov. Za te namene je vzpostavljena celostna veriga vrednosti za kaskadno rabo biomase.
Program je umeščen v prednostno področje S4, Mreže za prehod v krožno gospodarstvo in je delno financiran iz sredstev strukturnih skladov EU v Sloveniji. Vključuje vsa fokusna področja: tehnologije za predelavo biomase in razvoj novih bioloških materialov, tehnologije za uporabo sekundarnih surovin in ponovno uporabo odpadkov ter pridobivanje energije iz le teh.
Produktne smeri sledijo ambicioznim ciljem vključenih podjetij za razvoj konkurenčnih produktov na osnovi obnovljivih virov, skladno z zahtevami po učinkovitejši rabi surovin in zmanjševanju pritiskov na okolje. S sinergijami v čez-sektorskem povezovanju podjetij, ki predstavljajo celostno verigo v snovni in energetski izrabi biomase, program prispeva k dolgoročni konkurenčnosti pomembnega dela slovenske industrije: kemijske, tekstilne, papirne, lesne in avtomobilske industrije, gradbeništva, inženiringa in energetike.
V programu sodelujejo vrhunske raziskovalne skupine s področij materialov, kemijskega inženirstva, predelovalnih in procesnih tehnologij, biotehnologije in nanotehnologije. Povezovanje v novih verigah vrednosti prispeva k preseganju razdrobljenosti ter s tem h krepitvi sposobnosti za mednarodno odličnost raziskav in tehnološkega razvoja.
Projekt obsega pet vsebinskih sklopov:
Vrednotenje potenciala biomase in razvoj novih produktov iz biomase: nanoceluloza in zelene kemikalije
Vse vrste primarne in odpadne biomase predstavljajo obnovljiv vir surovin, uporaben za pridobivanje tržno zanimivih bio-polimerov kot sta nanoceluloza in lignin ter bio-osnovanih spojin, ki bi v različnih industrijskih panogah ─ v papirni, tekstilni, polimerni, avtomobilski, gradbeni, elektro in drugih, nadomestile neobnovljive in za okolje obremenjujoče snovi fosilnega izvora, ki danes prevladujejo.
V tem sklopu se partnerji v projektu osredotočajo na naslednje:
Oblikovanje baze podatkov tehnološko pomembne lignocelulozne biomase
Katere vrste biomase imamo na razpolago in kakšne so njene značilnosti? Kakšni so potenciali različnih vrst biomase za ekonomsko uporabo gradnikov in razvoj novih bio-materialov?
Da si odgovorimo na zastavljena vprašanja, bo izdelana celovita baza podatkov in opredelitev različnih dostopnih vrst biomase (les, zeleni odrez, enoletne rastline, tujerodne invazivne rastline, odpadna lignocelulozna biomasa v kmetijstvu in industriji, idr.). Rezultat bo celovit pregled vseh vrst dostopne (primarne in odpadne) biomase, ovrednotenih z vidika morfoloških, fizikalnih, kemijskih in mehanskih lastnosti, iz česar bo razvidno, kakšni so potenciali posameznih vrst biomase za ekonomsko uporabo gradnikov in razvoj bio-materialov, bodisi kot končnih produktov (zelene kemikalije, bio-polimeri, ekstrakti) ali kot sekundarnih surovin za kemijsko, papirno, tekstilno in druge predelovalne industrije. Baza podatkov bo predstavljala izhodišče za nadaljnje raziskave tehnoloških postopkov pridobivanja tržno zanimivih bio-materialov in za njihovo nadaljnjo uporabo v različnih končnih produktih.
Razvoj naprednih postopkov razklopa biomase in izolacije gradnikov za pridobivanje bio-osnovanih spojin za industrijo premazov, smol in lepil
Uporaba obnovljivih materialov in nadomeščanje spojin fosilnega izvora je trend, ki danes pomembno zaznamuje razvoj različnih industrij. Izziv, ki smo ga sprejeli, je razviti postopke kaskadne izrabe biomase in izolacije gradnikov, postopke, ki so učinkoviti ter okoljsko in ekonomsko sprejemljivi. Ekstrakcija, razgradnja in predelava biomase z uporabo evtektičnih topil (Deep Eutectic Solvent), ki so prepoznana kot ena izmed prebojnih tehnologij na področju izkoriščanja obnovljiv virov za pridobivanje primarnih (celuloza, nanoceluloza in lignin) in sekundarnih surovin (zelene kemikalije) bi omogočila, da zamenjamo in postopoma opustimo uporabo spojin fosilnega izvora v obstoječih premazih, smolah in lepilih.
Na podlagi raziskav in izkustev bomo partnerji pridobili potrebna znanja in razvili prej omenjene postopke izkoriščanja biomase ter vzpostavili novo verigo vrednosti za prikaz proizvodnje treh pomembnih stopenjskih monomerov iz biomase za industrijo premazov, smol in lepil ter njihovo nadaljnjo vgradnjo v obstoječe produkte (papir, karton in bio kompoziti).
Razvoj kontinuiranega postopka pridobivanja (nano)celuloze iz različnih vrst biomase
Študije in tržne napovedi kažejo, da je trg za nanocelulozo praktično neomejen. Razvoj postopkov in spremljajočih tehnologij je izredno hiter, omejuje ga le ekonomska učinkovitost proizvodnje. Slovenija ima na tem področju pomembne primerjalne prednosti, ne le v izjemni razpoložljivosti različnih vrst biomase, temveč tudi v znanju in kompetencah, potrebnih za razvoj stroškovno in okoljsko učinkovitih tehnologij.
Zato bomo razvili in optimizirali pridobivanje nanoceluloze s kombinacijo mehanskih in kemijskih postopkov, s pomočjo katerih bomo dosegli zadostne količine pridobljene nanoceluloze in hkrati primerne kakovosti. V tem programu se povezuje celotna veriga vrednosti ─ od nosilcev znanja za razvoj postopkov, možnih proizvajalcev nanoceluloze iz odpadne biomase, pa vse do končnih uporabnikov (papirna, tekstilna, polimerna, avtomobilska in gradbena industrija). To je cilj, ki predstavlja tudi zaključek verige vrednosti v prvem sklopu projekta, a se hkrati navezuje na vrednostne verige v naslednjih sklopih, kjer gre za razvoj končnih produktov z uporabo nanoceluloze.
Razvoj naprednih in večfunkcionalnih materialov z integrirano nanocelulozo in okoljsko sprejemljivimi aditivi: papir, karton in preja
Drugi sklop je ciljno naravnan v razvoj naprednih materialov in produktov v primarni verigi predelave lignoceluloznih vlaken ─ v proizvodnji papirja, kartona in prej. Tako sledimo temeljnim trendom in zahtevam trga po novih, bio-osnovanih, netoksičnih in biorazgradljivih izdelkih z več-funkcionalnimi lastnostmi. Z njimi bomo konkurenčno nastopili na rastočih trgih napredne embalaže in tekstilij.
Razvoj nizko gramskih papirjev z izboljšanimi fizikalno-mehanskimi lastnostmi
Cilj je razviti papir z nizko gramaturo in s čim višjo vsebnostjo recikliranih vlaken, ki pa hkrati ohranja svoje fizikalno-mehanske lastnosti ali pa so te celo boljše (voluminoznost, mehkoba, belina, tiskovne lastnost idr.). Z uporabo (modificirane) nanoceluloze in (nano)delcev v različnih oblikah, bomo razvili optimalno recepturo in procesne parametre za proizvodnjo nizko gramskega papirja, ki presegajo karakteristike obstoječih produktov na trgu. Testiranje se bo izvedlo v realnem okolju, v proces bodo vključeni partnerji v celotni verigi vrednosti ─ od dobaviteljev, proizvajalcev papirja ter končnih predelovalcev papirja oz. uporabnikov.
Razvoj papirja/kartona z optimalnimi bariernimi lastnostmi
Produkti izdelani iz spojin fosilnega izvora, in produkti, tudi celulozni, s škodljivimi primesmi, predstavljajo za okolje veliko obremenitev, zato se usmerjamo v raziskavo postopkov, kako pridobiti bio-osnovane substitute, ki bodo papirju in kartonu dali lastnosti, ki jih kot embalaža nujno potrebuje (odpornost na olja in maščobe, vodno paro, kisik). V ta namen bomo razvili premaze, s katerimi bomo te optimalne barierne lastnosti papirja in kartona dosegli. Rezultat bodo različne premazne formulacije ter optimizirani materiali in procesi za doseganje ciljnih učinkov – papir in karton z bariernimi lastnostmi, konkurenčni obstoječim izdelkom na trgu, ki so delno ali v celoti fosilnega izvora.
Proces predstavlja pomembno novo znanje za vse partnerje v verigi. Končni rezultat bo procesna in produktna specifikacija za izbrane recepture, ocenjena v realnem okolju, s strani uporabnika.
Uporaba zeolitov za izboljšanje senzoričnih lastnosti materiala
Vulkanska kamnina zeolit se bo uporabila kot sekundarna surovina z izjemnimi senzoričnimi lastnostmi, v proizvodnji kartona za izboljšanje senzoričnih lastnosti. Raziskave vključujejo razvoj in modifikacija zeolitnih delcev, ki bodo sposobni absorpcije ali preprečevanja neprijetnih vonjav ter potencialno zdravju škodljivih hlapnih kemikalij, ki nastajajo v procesu proizvodnje kartona.
Rezultat bo nov, ustrezno certificiran zeolitni produkt, preverjen v realnem okolju. Tako bo moč kartonsko embalažo uporabiti neposredno tudi za živila.
Papir z dodanimi senzorskimi elementi
Pametna embalaža predstavlja pomemben trend na področju embaliranja izdelkov. S svojimi senzorskimi elementi služi za opozarjanje potrošnikov o primernosti embalažnega izdelka, v logističnih verigah pa omogoča boljšo sledljivost izdelka, beleženje trenutnih pogojev kot je temperatura in vlaga, kar vodi v prihranke oziroma optimizacijo embalaže za specifične zahteve trga.
Cilj, ki ga tukaj zasledujemo, je razvoj elementov tiskane elektronike: dodajanje senzorskih elementov na papir s pomočjo tiska. Elemente lahko integriramo neposredno v embalažo ali pa se ti izdelajo v obliki samolepilnih etiket. Rezultat bo samolepilna nalepka na osnovi radiofrekvenčne identifikacije (RFID) z dodanim tiskanim senzorskim elementom, tiskano RFID anteno in čipom za RFID komunikacijo.
Razvoj prej s funkcionalnimi celuloznimi vlakni
Cilj je razvoj prej s funkcionalnimi celuloznimi vlakni, ki zagotavljajo ognjevarno zaščito, protimikrobno zaščito oziroma imajo učinek repelenta. Raziskave bodo usmerjene v uporabo obstoječih in novih naravnih izolatov (ekstraktivi, nanoceluloza) in optimizacijo postopkov vezave izolatov na vlakna, s katerimi bomo omenjene funkcionalnosti vlaken dosegli. Rezultat bo prototip preje z ognjevarno ali protimikrobno zaščito ali z učinkom repelenta.
.
Razvoj produktov z večjim deležem bio-osnovanih komponent in z izboljšanimi funkcionalnostmi: gradbeništvo, avtomobilska, tekstilna in elektro industrija
Cilj tretjega sklopa je razvoj novih in okolju prijaznih bio-kompozitnih materialov, ki bodo uporabljeni v industrijskem okolju. Izkazovali bodo primerljive ali boljše lastnosti od materialov, ki so trenutno komercialno dostopni. Poudarek raziskovalno-razvojnega dela bo zagotavljanje odličnega razmerja med težo materiala ali izdelka in superiornimi mehanskimi lastnostmi materialov v kombinaciji z dodanimi funkcionalnostmi, ki bodo temeljili na obnovljivih polimernih matricah, ojačanih z modificiranimi naravnimi vlakni. Implementacija ligno-celulozne mase v naprednih tehničnih kompozitnih materialih bo prispevala k zmanjšanju odvisnosti proizvodnje od sintetičnih polimerov in posledično k zmanjšanju ogljičnega odtisa v končnih izdelkih.
Razvoj bio-osnovanih filtrirnih materialov
Tukaj sledimo zahtevam po zmanjšanju onesnaženosti zraka s trdnimi delci, kar v današnjem času predstavlja nevarnost za okolje in zdravje ljudi v razvitih državah. Na področju tehnologij filtriranja je trenutno največji poudarek na odstranjevanju vedno manjših delcev, zato so potrebni filtrirni sistemi z relativno majhno velikostjo por in veliko specifično površino. To je tudi cilj naših raziskovalno-razvojnih aktivnosti. Rezultat konstrukcije 3D vlaknovin z vključenimi aktivnimi komponentami (anorganski nanodelci in nano/mikrofibrilirana celuloza) bo filtrni material z nadzorovano stopnjo poroznosti in aktivno specifično površino, ki bo testiran v simuliranem delovnem okolju.
Razvoj lahkih polimernih kompozitov za uporabo v avtomobilski industriji
Trend razvoja v avtomobilski industriji predstavljajo novi lahki kompozitni materiali, s katerimi bo moč dosegati vse zahtevnejše okoljske standarde v avtomobilski industriji. Raziskave bodo usmerjene v razvoj nizko- in visoko- temperaturnih polimernih kompozitov. Vanje bodo kot aktivna komponenta za doseganje potrebnih mehanskih lastnosti in nizke mase vključena različna ligno-celulozna vlakna (v makro, mikro in nano velikostnem redu) v kombinaciji s površinsko kemijsko modifikacijo in uporabo bio-osnovanih modifikatorjev. Cilj je razvoj polimernih kompozitov z vgrajenimi lignoceluloznimi vlakni, ki bodo služili za izdelavo tehnično dovršenih prototipnih avtomobilskih delov z lastnostmi, ki sledijo zahtevam trga: lažji izdelki, ki zmanjšujejo vpliv na globalno segrevanje, omogočajo nižjo porabo in višjo varnost in so hkrati dostopni po konkurenčni ceni. Rezultat bo industrijski prototip komponente dela ohišja v avtomobilski industriji.
Razvoj inovativnih baterijskih separatorjev z vgrajeno nanocelulozo
Eno od ključnih vprašanj pri konstrukciji baterij je učinkovito in selektivno ločevanje anode in katode. V preteklosti je bilo izvedenih že več poskusov, a trenutne rešitve še niso dovolj učinkovite (npr. separator iz polipropilena ali polietilena) ali pa so ekonomsko nesprejemljive in izkazujejo pomanjkljivosti v mehanskih lastnostih (npr. keramične membrane). V sklopu smo se zato namenili razviti inovativne separatorske materiale na osnovi površinsko modificirane nanoceluloze, ki zaradi velike aktivne površine, odličnih mehanskih lastnosti, ne-toksičnosti ter možnosti površinske funkcionalizacije, predstavlja atraktiven material za napredne separatorje. Rezultat aktivnosti bo prototip baterijskega separatorja na TRL6.
Razvoj visoko zmogljivih izolativnih materialov
Celuloza in celulozni materiali so okolju zelo prijazni, postavljajo se s hvalevrednimi toplotnimi in akustičnimi lastnostmi, hkrati pa posedujejo eno najnižjih vrednosti ogljičnega odtisa na kilogram materiala. Visoka higroskopičnost, vnetljivost in plesnenje so razlog, da celulozna vlakna trenutno zasedajo le majhen delež evropske porabe za namene izolacijskih materialov. Odprava omenjenih neželenih lastnosti bi zagotovila večjo uporabo celuloznih izolacijskih materialov v gradbenem sektorju in bi prispevala k zmanjšanju negativnih učinkov grajenih objektov in renovacijskih postopkov na okolje. Cilj raziskav je razvoj toplotnih izolacijskih plošč iz naravnih celuloznih vlaknen, ki bodo v kombinaciji z bio-osnovanimi vezivi predstavljala novo generacijo okolju prijaznih gradbenih materialov z nizko stopnjo ogljičnega odtisa ter velik prispevek k nadaljnjemu razvoju pasivnih zgradb. Rezultat bo toplotno izolacijska plošča ustreznih dimenzij, testirana in vrednotena v realnem okolju.
Razvoj procesov za biološko in mehansko predelavo trdnih odpadkov v produkte z dodano vrednostjo
Cilj tega sklopa je razvoj tehnologij za končno predelavo in snovno izrabo odpadkov, s čimer zapiramo celoten krogotok razvoja, proizvodnje in (re)uporabe.
Raziskave so usmerjene v izkoriščanje trdnih odpadkov organskega in anorganskega izvora, s kombinacijo mehanske in biološke obdelave z namenom popolne snovne izrabe odpadkov. Rezultat tega je popolno izkoriščen odpadek ter pridobljeni produkti z dodano vrednostjo.
Odstranjevanje lignoceluloznih odpadkov je izziv za različne industrijske panoge, saj danes še predstavlja velik strošek. Zato bomo razvili postopke biološke razgradnje tistih odpadkov, ki nastanejo v procesu razklopa biomase in v industriji predelave vlaken (biološki mulj). Z gojenjem gliv bomo namreč pridobivali encime, ki se uporabljajo za izboljšanje industrijskih procesov, predvsem za obdelavo recikliranega papirja. Preostanek po biološki razgradnji ter ostali trdni odpadki, mulji in pepeli, bodo modificirani za uporabo v različnih gradbenih materialih. Rezultat aktivnosti bodo ovrednoteni procesni parametri za pridobivanje encimov in njihovo uporabo.
Za optimalno zapiranje snovni poti bo v okviru programa sočasno potekala valorizacija odpadkov, nastalih pri biološki razgradnji ter sorodnih odpadkov (morski mulj, papirni mulj, pepeli, deinking mulj idr.) ter razvoj procesov za njihovo uporabo v gradbeništvu. Rezultat bo ovrednoten izbor in homogenizacija odpadkov in procesnih parametrov za uporabo v gradbeništvu.
Razvoj inovativnega sistema za energetsko izrabo odpadkov
Naš cilj je razviti pilotni WtE sistem (Waste to Energy) ─ sistem za pridobivanje energije iz širokega spektra odpadnih materialov, katerih lastnost je visoka vsebnost vode (odpadki iz papirništva, čistilnih naprav, deponij komunalnih odpadkov). Sistem bo uporaben za širok spekter odpadnih surovin, omogočal bo doseganje visokih izkoristkov kljub majhni moči sistema. In bo hkrati izpolnjeval okoljevarstvene zahteve. Majhna moč sistema pomeni investicijo, ki je finančno zelo obvladljiva, zato tak sistem predstavlja precejšnjo tržno prednost za posamezen subjekt ali skupino subjektov, ki bodo odpadke na tak način lahko predelovali lokalno, brez negativnega vpliva na okolje. Rezultat sklopa bodo pilotno razvite posamezne komponente sistema; kavitacijska črpalka za procesiranje odpadnih in tehnoloških vod, inovativen sistem za sušenje ter zgorevalna naprava. Integracija v prototip WtE sistema bo omogočil enostavno skalabilnost in prenos tehnologije za obdelavo različnih vrst odpadnih surovin. Tehnologija hitro dinamske kavitacije (črpanje vode) bo dodatno implementirana tudi v papirništvu za pripravo vlaknin in čiščenje procesnih vod.
Vrednotenje procesov
Vrednotenje procesov novih rešitev in produktov z vidika okoljskih učinkov je pomemben horizontalen cilj programa. V vseh fazah procesa bo potekalo vrednotenje učinkov po standardizirani metodologiji Analiz življenjskega cikla (LCA; ISO 14040 in 14044). Aktivnost, ki bo povezovala vse partnerje, bo namenjena tudi sistematičnemu informiranju o okoljskem vrednotenju, ki postaja vse pomembnejše komunikacijsko orodje na trgu. Na osnovi podatkov iz razpoložljivih podatkovnih baz in obdelave podatkov partnerjev bodo pripravljeni modeli, kar bo omogočalo nadaljnjo pripravo različnih scenarijev in identificiranje šibkih točk sistema po celotni vrednostni verigi. Rezultat aktivnosti bo nabor jasnih odgovorov in/ali v kakšni meri zeleni proizvodi izkazujejo ugodnejše okoljske in posledično ekonomske parametre v primerjavi z uveljavljenimi.
Medsektorsko in družbeno povezovanje s poudarkom na lokalnih krogih – nove verige vrednosti
V programu sodelujejo vrhunske raziskovalne skupine s področij materialov, kemijskega inženirstva, predelovalnih in procesnih tehnologij, biotehnologije, nanotehnologije in energetike, ki se jim kot ključni izkustveni partner in končni uporabnik v proizvodnji pridružujejo predstavniki kemijske, tekstilne, papirne, lesne in avtomobilske industrije, gradbeništva, inženiringa in energetike. S takšnim povezovanjem v novih verigah vrednosti presegamo razdrobljenost in vase usmerjene aktivnosti ter krepimo sposobnost slovenskega raziskovalno-proizvodnega sektorja, da doseže mednarodno odličnost in se kot ključni člen poveže v mednarodne verige vrednosti.
Osredotočanje na učinkovito izrabo odpadne biomase, v svoje procese nujno vključuje tudi širšo družbo, gospodarska in družbena lokalna okolja, katerih angažma pri identifikaciji virov odpadne biomase in zbiranju le te je za učinkovito vpeljavo bioekonomije v Sloveniji ključnega pomena.
Program predstavlja precedenčni primer vpeljave krožnega gospodarstva, partnerskega delovanja množice subjektov s temeljnim ciljem učinkovite izrabe avtohtonih produkcijskih virov z namenom:
- zmanjšati odvisnost od tujih virov surovin,
- nadomestiti surovine fosilnega izvora,
- ustvariti učinkovit sistem zapiranja snovnih krogov,
- izkoristiti priložnosti na rastočem trgu zelenih rešitev,
- povezati lokalne kompetence v inovativne krožne partnerske strukture,
- okrepiti lokalne družbeno-ekonomske odnose,
- spodbuditi delovanje celotne družbe v smeri zelenega sobivanja in tako
- bistveno prispevati k zmanjšanju obremenitev za okolje.
