MEŽA BIOMASA – jauni produkti un tehnoloģijas
AS “Latvijas valsts meži” pētījuma pasūtījuma
MEŽA BIOMASA – jauni produkti un tehnoloģijas
atskaite
Līgums Nr. 5-5.5_002j_101_16_69
Izpildītājs: Rīgas Tehniskās universitātes
Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūts
Pētījuma vadītāja: Dr. habil. sc. ing. Xxxxxxx Xxxxxxxxx
2016
Izpildītāji
Rīgas Tehniskā universitāte,
Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūts:
Xx.xxx.xx.xxx. Xxxxxxx Xxxxxxxxx Xx.xxx.xx.xxx. Xxxxx Xxxxxxxxxxx Xx.xx.xxx. Xxxxx Xxxxxxxxx
Xx.xx.xxx. Xxxxx Xxxxxxxxx Xx.xx.xxx. Xxxxxx Xxxxxx Dr.chem. Xxxxx Xxxxxxx Dr.chem. Xxxxxx Xxxxxxx X.xx. Xxxxx Xxxxxx
X.xx. Xxxxx Xxxxxxxxx X.xx. Xxxxxxx Xxxxxxxxxx X.xx. Xxxx Xxxxxxxxx X.xx. Xxxxxxx Xxxxxxx
X.xx. Antra Kalnbaļķīte X.xx. Xxxxxxxx Xxxxxx X.xx. Xxxxxx Xxxxxxxxxx
Kopsavilkums
Pētījums “Meža biomasa – jauni produkti un tehnoloģijas” veikts, lai meklētu un atrastu iespējas no uzņēmuma apsaimniekotajiem resursiem ražot inovatīvus produktus ar augstu pievienoto vērtību, kas ir ekonomiski dzīvotspējīgi un balstīti uz biotehonomikas principiem.
Priekšizpētes tematika atbilst AS “Latvijas valsts meži” (LVM) vidēja termiņa stratēģijā noteiktajiem mērķiem: palielināt ilgtermiņa peļņu un nodrošināt pozitīvu naudas plūsmu no saimnieciskās darbības, veicināt un attīstīt augstas pievienotās vērtības produktu ražošanu, pakalpojumus un zināšanas un palielināt apsaimniekojamo mežu devumu globālo klimata izmaiņu mazināšanā.
Šis pētījums ir uzskatāms par pirmo soli (priekšizpēti), lai identificētu perspektīvākos inovatīvos produktus no meža biomasas, kurus varētu ražot Latvijā. Tas sniedz ieskatu tajā, cik plašs ir inovāciju ieviešanas problēmu diapazons, parādot, ka tās visas ir bioekonomikas modeļa sistēmas sastāvdaļas.
Priekšizpētes mērķi sasniegti, īstenojot 12 uzdevumus, kas ir saistīti ne tikai ar zinātnisko sasniegumu analīzi, bet arī ar metodiku izstrādi un izmantošanu inovatīvu produktu inženiertehniskai, ekonomiskai un ekoloģiskai analīzei, tikai nedaudz pieskaroties resursu pieejamībai. Apzināti inovatīvi produkti ar augstu pievienoto vērtību no meža biomasas un izvērtēts to komercializācijas potenciāls Latvijā. Pētījuma laikā tika apzināti 30 un uzskaitīti 14 inovatīvi produkti no meža biomasas. LVM izvēlētie 3 produkti (tekstils no koksnes, bioeļļa un ksilāna atvasinājumi) tika analizēti detalizētāk (ietekme uz klimata politikas mērķu sasniegšanu, resursu pieejamība, ekodizaina analīze, tirgus izpēte, ekonomiskā analīze) un izvērtētas iespējas uzsākt to komerciālu ražošanu.
Pētījuma „Meža biomasa – jauni produkti un tehnoloģijas” atskaitē sniegts īss ieskats par inovatīvajiem produktiem no meža biomasas, pētījumā izmantotās metodes inovatīvu produktu izvērtēšanai un iegūtie rezultāti, kā arī sagatavots jautājumu saraksts, kas papildus pētāmi inovatīvu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanas tehnoloģiju attīstībai, izvērtētas iespējas piesaistīt publisko finansējumu turpmākiem pētījumiem vai produktu komercializēšanai.
Priekšizpētes izpildes laikā secināts, ka nepieciešami papildu detalizēti pētījumi dažādu produktu ar augstu pievienoto vērtību kompleksu ražošanas sistēmu komercializācijas izvērtēšanai. Tāpat arī turpmākai mežsaimniecības attīstībai bioekonomikas kontekstā nepieciešama starpdisciplināra dažādu nozaru speciālistu sadarbība un uz praktiski izmantojamiem rezultātiem orientēti pētījumi.
Atskaite sagatavota uz 212 lpp., tajā ir 39 tabulas un 74 attēli. Izmantoti 378 literatūras avoti.
Summary
Research “Forest biomass – new products and technologies” was made with a goal – to search and find possibilities to manufacture innovative products with high added value from company managed resources, that are economically viable and based on principles of biotechonomy.
Feasibility subjects agree and match up with goals set in average term strategy of Joint Stock Company of the Republic of Latvia “Latvia’s State Forests” (LSF): to increase long-term profit and provide money flow from economic activities, to promote and develop manufacturing of high added value products, services and knowledge base, and to increase the contribution of managed forests in decrease of global climate changes.
This research is considered as the first step (feasibility study) to identify the most perspective innovative products from forest biomass, that could be produced in Latvia. It gives an insight on how wide is the range of innovation implementation problems and that they all are a part of bioeconomy system’s model.
Goals of the feasibility study were achieved by carrying out 12 tasks, that were connected not only with analysis of scientific achievements, but also with development of methodologies and their use for engineer-technical, economic and ecological analysis of innovative products, slightly taking into account availability of resources. Information about innovative products with high added value and their commercialization potential in Latvia was gathered and studied. Gathered information was about 30 products and 14 innovative products from forest biomass were listed, from which detailed analysis (effects on achieving climate policy goals, resource availability, eco-design analysis, market research and economical analysis) was made for LSF chosen 3 products (textile from wood, bio-oil and xylan derivatives) and possibilities to begin their commercial production were evaluated.
“Forest biomass – new products and technologies” research report gives a short insight on innovative products from forest biomass, methods used for evaluating innovative products and including results achieved, as well as a prepared list of questions for further research on development of production technologies for innovative products with high added value, evaluation of the possibilities to attract public funding for further research and product commercialization.
During feasibility study, it was concluded that, there is a need for additional detailed studies to evaluate complex production system commercialization of different products with high added value. Therefore, to provide development of forestry industry in the context of bioeconomy, interdisciplinary different field specialists collaboration and studies focusing on results that can be used practically are necessary.
The report consists of 212 pages, including 74 figures, 39 tables and a list of references with 378 sources.
Saturs
1. Starptautisko inovāciju analīze zinātniskajā literatūrā, apzinot inovatīvus produktus ar augstu pievienoto vērtību, kas iegūstami no meža biomasas, un to ražošanas tehnoloģijas. 13 1.1. Inovācijas 14
1.2. Bioekonomika un biotehonomika 15
1.4. Kaskādes veida koksnes resursu izmantošana 18
1.5. Cirkulārā (aprites) ekonomika 19
1.6. Potenciālie inovatīvie produkti un to virzieni 21
2. Pārskats par aktualitātēm meža biomasas produktu inovācijās un tehnoloģiju izstrādēs 22
2.1. Zinātniskā izpēte un inovācijas perspektīvas 22
2.1.1. Eiropas Savienības struktūrfondu atbalstītie zinātnes projekti biotehnoloģiju jomā 22
2.1.2. Latvijas valsts pētījumu programmas pētījumu projektu rezultāti 23
2.2. Inovatīvu produktu no meža biomasas un to pārstrādes tehnoloģiju izstrāde Ziemeļvalstīs 25
2.2.1. Inovācijas meža biomasas pārstrādē Ziemeļeiropā 26
2.2.2. Inovācijas meža biomasas pārstrādē Ziemeļamerikā 32
3. Bioresursu pārstrādes tehnoloģijas 35
3.1. Bioresursu termoķīmiskie xxxxxxxxx xxxxxxx 00
3.1.3.Hidrotermiskā xxxxxxxx 00
3.2. Bioķīmiskie xxxxxxxxx xxxxxxx 00
3.3. Ķīmiskie xxxxxxxxx xxxxxxx 00
3.4. Mehāniskie xxxxxxxxx xxxxxxx 00
4. Potenciālie inovatīvie produkti un to virzieni nozaru griezumā 47
4.1.5. Kurināmā granulas ar uzlabotām īpašībām 53
4.2. Koksnes izmantošana pārtikas rūpniecībā 54
4.2.1. Lignāns kā uztura bagātinātājs 54
4.2.2. Putnu un dzīvnieku barības piedeva no skuju koku zaleņa 54
4.2.4. Zivju barības piedeva no mikroorganismu proteīniem 55
4.3. Koksnes izmantošana tekstilrūpniecībā 56
4.3.1. Liocels (tekstils no koksnes) 56
4.3.2. Ioncell-F (tekstils no koksnes) 57
4.3.3. Viskoze (tekstils no koksnes celulozes) 58
4.4. Biokompozītmateriāli un būvmateriāli 59
4.4.3. Celulozes siltumizolācijas vate 60
4.4.4. DendroLight šūnmateriāls 61
4.4.5. Koka – plastmasas kompozīti 62
4.4.6. Koka putu siltumizolācija 63
4.4.7. Koksnes polimēra kompozīti ar termiski modificētas koksnes atlikumiem 63
4.4.8. Kokšķiedras kompozītmateriāla grīdas segums 65
4.4.9. Nanocelulozes cements 65
4.4.10. ICLT (interlocking cross-laminated timber) – savstarpēji savienoti krusteniski laminēti paneļi 66
4.4.11. Skuju siltumizolācijas materiāls 67
4.4.12. Stikla šķiedras/koksnes miltu termoplastiskais hibrīdkompozītmateriāls 68
4.5. Citi jauni produkti ar augstu pievienoto vērtību 69
4.5.1. Aktivētā ogle kā adsorbents 69
4.5.2. Bioloģiski aktīvi savienojumi no priedes mehāniskās pārstrādes blakusproduktiem 70
4.5.4. Furfurols un tā iegūšanas tehnoloģija no lapkoku koksnes 72
4.5.5. Nanokristāliskā celuloze 73
4.5.6. Ksilāna atvasinājumi 74
4.5.7. Latvijā augošu lapkoku mizas biorafinēšana – kompleksas izmantošanas tehnoloģiskā shēma 75
4.5.10. Mikrokristāliska celuloze 78
4.5.11. Mikro (nano) fibrilēta celuloze, MFC; NFC 79
4.5.12. Nanocelulozes plēve 80
4.5.13. Nanoporains oglekļa materiāls uz biomasas bāzes superkondensatora elektrodiem 81
4.5.14. Suberīns – funkcionāla piedeva poliuretāna izstrādājumu ražošanai 82
4.5.15. Xxxxxxxx kā saistviela ekoloģiskos šķiedru biokompozītos 82
4.5.16. Tanīnu saturošs ekstrakts 85
4.5.17. Termo (ķīmiski) mehāniskā celuloze 86
5. Pārskats par inovatīvo produktu ietekmi uz klimata politikas mērķu sasniegšanu 87
5.2. Inovatīvo produktu ietekme uz klimata politikas mērķu sasniegšanu 92
5.2.2. Ksilāna atvasinājumi 93
6. Meža resursu pieejamība inovatīvu produktu ražošanai 95
6.4. Nepieciešamība pēc inovācijām 98
6.5. Pieejamie koksnes resursi 98
6.6. Mežu apsaimniekošana 100
6.7. Resursu pieejamība izvēlētajiem produktiem 102
6.7.1. Liocela ražošanai nepieciešamie resursi 102
6.7.2. Ksilāna atvasinājumu ražošanai nepieciešamie resursi 104
6.7.3. Bioeļļas ražošanai nepieciešamie resursi 105
7. Ekodizaina analīze 107
7.1. Ekodizaina būtība un principi 107
7.2. Ekodizaina vēsturiskais konteksts 108
7.3. Ekodizaina nozīmība tagad un nākotnes vīzija 109
7.4. Ietekmes uz vidi modelēšana ar programmu ECO-it 110
7.5. Apsvērumi, ar programmu ECO-it modelējot izvēlētos produktus 111
7.6. Ksilāna ekstrakcijas modelēšana ar programmu ECO-it 112
7.7. Bioeļļas izstrādes modelēšana ar programmu ECO-it 115
7.8. Liocela ražošanas modelēšana ar programmu ECO-IT 117
7.9. ECO-IT ksilāna, bioeļļas un liocela modelēšanas kopsavilkums 119
8. Trīs alternatīvu bioproduktu potenciālā noieta un cenas izpēte 121
8.1. Metodika 123
8.1.1. Noieta tirgus pētījumi un analīze 123
8.1.2. Produkta konkurētspējas analīze un cenas izpēte 125
8.2. Liocela (lyocell) tirgus noieta un cenu izpēte 127
8.2.1. Tirgus klasifikācija 129
8.2.2. Nozares vērtējums 130
8.2.3. Konkurētspējas un tirgus pievilcības raksturojums 133
8.3. Bioeļļas tirgus noieta un cenu izpēte 136
8.3.1. Tirgus klasifikācija 136
8.3.2. Nozares vērtējums 137
8.3.3. Bioeļļas konkurētspējas un tirgus pievilcības raksturojums 141
8.4. Ksilāna un tā atvasinājumu tirgus noieta un cenu izpēte 143
8.4.1. Tirgus klasifikācija 144
8.4.2. Nozares vērtējums 144
8.4.3. Konkurētspējas un tirgus pievilcības raksturojums ksilitolam 145
8.5. Kopsavilkums 147
9. Ekonomiskās analīze 149
9.1. Ekonomiskās analīzes metodika 149
9.1.1. Ievads sistēmdinamikā 149
9.1.2. Investīcijas un finansēšana 152
9.1.3. Pieprasījums, piedāvājums un cenas 153
9.1.4. Darbaspēks un darbaspēka izmaksas 153
9.1.5. Ieņēmumi, izmaksas un peļņa 155
9.2. Bioeļļas ražošanas ekonomiskās analīze 156
9.2.1. Bioeļļas ekonomiskā analīze 158
9.2.2. Sistēmdinamikas modeļa ievaddati par bioeļļas ražošanu 158
9.2.3. Pieņēmumi bioeļļas ražošanai 159
9.2.4. Sistēmdinamikas modelēšanas rezultāti bioeļļas ražošanai 160
9.3. Liocela ražošanas ekonomiskā analīze 161
9.3.1. Sistēmdinamikas modeļa ievades dati par liocela ražošanu 162
9.3.2. Pieņēmumi liocela ražošanai 163
9.3.3. Liocela ražošanas sistēmdinamikas modelēšanas rezultāti 164
9.4. Ksilāna atvasinājumu ražošanas ekonomiskā analīze 165
9.4.1. Sistēmdinamikas modeļa ievaddati par ksilāna atvasinājumu ražošanu 166
9.4.2. Pieņēmumi ksilāna atvasinājumu ražošanai 167
9.4.3. Sistēmdinamikas modelēšanas rezultāti ksilāna atvasinājumu ražošanai 167
9.5. Kopsavilkums 169
10. Perspektīvākie inovatīvie produkti no meža biomasas 171
10.1. Produktu izvērtēšanas metodika 171
10.1.1. Inovatīvu produktu indikatoru modulis 171
10.1.2. Interviju modulis 172
10.1.3. Ekspertu izvēles modulis 176
10.1.4. Resursu pieejamības modulis 177
10.1.5. Aprēķinu modulis 177
10.1.6. Rezultātu apkopojuma modulis 179
10.1.7. Perspektīvāko inovatīvo produktu izvēles modulis 179
10.1.8. Rekomendāciju modulis 179
10.2. Daudzkritēriju analīzes rezultāti 180
10.3. Perspektīvāko inovatīvo produktu no meža biomasas saraksts 183
10.4. Rekomendējamie inovatīvie produkti no meža biomasas tālākai izpētei 185
11. Papildus pētāmie jautājumi. Ko darīt tālāk? 187
11.1. 1. grupa. Inovatīvas tehnoloģijas 187
11.2. 2. grupa. Inovatīvi produkti 188
11.3. 3. grupa. Ekonomiskie jautājumi 189
11.4. 4. grupa. Vides un klimata jautājumi 189
11.5. 5. grupa. Likumdošanas jautājumi 190
12. Publiskā finansējuma piesaistīšanas iespējas inovatīvu produktu pētījumiem un komercializēšanai 192
Rekomendācijas 198
Secinājumi 199
Izmantotā literatūra 201
Izmantotie termini
Bioekonomika (bioeconomy) – uz zinātni balstīta vietējo resursu racionāla un efektīva izmantošana, radot jaunus, tirgū pieprasītus, konkurētspējīgus produktus [1].
Biokompozītmateriāli – kompozītu materiāli, kuros dabiskās šķiedras (piem., kaņepju, džutas, koksnes, bambusa, linu u.tml.) tiek saistītas ar dabiskām saistvielām (māls, sveķi, cements, kaļķi u.tml.).
Biomasa - jebkurš bioloģisks materiāls, kas pats jau ir produkts vai tiek lietots kā izejviela [1].
Bioprodukts – no biomasas izgatavoti produkti.
Biorafinērija (biorefinery) – biomasas pārveide ķīmiskās vielās un enerģijā ar minimālu atlikumu un emisiju daudzumu.
Bioresursi - visi tie resursi, kas ir iegūstami no ūdens, zemes, gaisa, kā arī tie, kas veidojas kā pārpalikumi ražošanas procesos un sadzīvē [1].
Biotehnoloģijas - tehnoloģiskas iekārtas vai tehnoloģisku iekārtu kopums jeb sistēma, kas nodrošina bioresursu ieguvi, apstrādi un pārstrādi [1].
Biotehonomika (biotechonomy) apvieno bioresursu ieguves tehnoloģijas un biotehnoloģiju lietojumu to apstrādei un pārstrādei, izmantojot inovatīvas un modernas tehnoloģijas, lai iegūtu jaunu produktu ar pievienotu vērtību [1].
CO2 ekvivalenti parāda ar produktu vai pakalpojumu saistīto siltumnīcas efekta gāzu emisiju apjomu.
Ekodizains – sistemātiska metode, kas produktu un pakalpojumu projektēšanas procesā ņem vērā vides prasības.
Ekoefektivitāte - resursu efektivitāte un resursu produktivitāte, proti, samazināt izmantoto resursu daudzumu un radīto atkritumu apjomu, kā arī palielināt produktu ekonomisko un pievienoto vērtību. Uzņēmumu līmenī ekoefektivitāte ir sasaiste starp tā vides un ekonomisko sniegumu.
Eko-indikatoru rādītāji - atsevišķi rādītāji, kas izsaka materiāla vai procesa radīto slodzi videi. Jo augstāka rādītāja vērtība, jo nopietnāka ietekme uz vidi.
Emerģija (emergy) – pieejamā enerģija, kas tieši vai netieši izmantota produkta ražošanā vai produkta sniegšanā [2].
Daudzkritēriju analīze (multi-kritēriju analīze, angļu. val. multi criteria analysis) – labākā varianta izvēle no vairākām alternatīvām, kuras ietekmē dažādi kritēriji.
Inovācija – process, kurā jaunas zinātniskās, tehniskās, sociālās, kultūras vai citas jomas idejas, izstrādnes un tehnoloģijas tiek īstenotas tirgū pieprasītā un konkurētspējīgā produktā vai pakalpojumā.
Inovatīvs produkts ar augstu pievienoto vērtību – produkts, kas ražots atbilstoši ekodizaina principiem un tas ietver darbaspēka izmaksas, ražošanas nodokļus, nolietojumu un peļņu.
Sistēmdinamika – kompleksu sistēmu dinamiskās attīstības pētīšanas metode, ar kuras palīdzību ir iespējams risināt kompleksas sistēmas un to uzvedību un izmaiņu laikā. Kompleksa sistēma ir vairāku elementu kopa, kas savstarpēji mijiedarbojas laikā.
Tīrāka ražošana – pārejas posms no esošās ražošanas uz tīru ražošanu, samazinot trokšņu līmeni un emisijas gaisā, notekūdeņu un atkritumu daudzumu un minimizējot materiālu, enerģijas un ūdens patēriņu [3, 1].
Ievads
Meža biomasa ir lielākā Latvijas bagātība, kura jau šobrīd lielā mērā Latvijas valstij sniedz finansiālus, socioekonomiskus un ekoloģiskus labumus. Lai gan mežu resursi ir atjaunojami dabas resursi, jārēķinās ar to, ka tie nav neizsmeļami, un tas, cik ilgi un cik lielu labumu mēs spēsim iegūt no meža, ir atkarīgs no mūsu spējas ilgtspējīgi apsaimniekot šos resursus.
Apmēram puse no Latvijas teritorijā esošajām mežu platībām pieder valstij, un tos apsaimnieko AS “Latvijas valsts meži” (LVM), tādējādi valsts (Latvijas Republika) ir vislielākā mežu resursu īpašniece.
Tas nozīmē, ka ir izveidojušies visi priekšnoteikumi, lai LVM varētu kļūt par vadošo organizāciju valstī, kas veicina inovatīvu biomasas produktu ar augstu pievienoto vērtību attīstību un ražošanu. Šajā gadījumā izejvielas ir meža biomasas resursi, kuru ilgtspējīga apsaimniekošana būtu integrēta uzņēmuma tālākajā izaugsmē.
Šis pētījums ir uzskatāms par pirmo soli (priekšizpēti), lai identificētu perspektīvākos inovatīvos produktus no meža biomasas, kurus varētu ražot Latvijā. Tas sniedz ieskatu tajā, cik plašs ir inovāciju ieviešanas problēmu diapazons un ka tās visas ir bioekonomikas modeļa sistēmas sastāvdaļas.
Priekšizpētes tematika atbilst LVM vidēja termiņa stratēģijā noteiktajiem mērķiem:
• palielināt ilgtermiņa peļņu un nodrošināt pozitīvu naudas plūsmu no saimnieciskās darbības;
• veicināt un attīstīt augstas pievienotās vērtības produktu ražošanu, pakalpojumus un zināšanas;
• palielināt apsaimniekojamo mežu devumu globālo klimata izmaiņu mazināšanā.
Pamatojoties uz iepriekš minētajiem vidēja termiņa mērķiem, LVM noteikusi veikt priekšizpēti ar uzdevumu – meklēt un atrast iespējas no uzņēmuma apsaimniekotajiem resursiem ražot inovatīvus produktus ar augstu pievienoto vērtību, kas ir ekonomiski dzīvotspējīgi un balstīti uz biotehonomikas principiem. LVM mērķu īstenošana saskan arī ar galvenajiem Latvijas Republikas plānošanas dokumentiem, kas izvirza nacionālos pētniecības, attīstības un inovāciju mērķus un virzienus.
Priekšizpētes mērķi sasniegti, īstenojot 12 uzdevumus, kas ir saistīti ne tikai ar zinātnisko sasniegumu analīzi, bet arī ar metodiku izstrādi un izmantošanu inovatīvu produktu inženiertehniskai, ekonomiskai un ekoloģiskai analīzei, tikai nedaudz pievēršoties resursu pieejamībai.
Pētījumā “Meža biomasa – jauni produkti un tehnoloģijas” ir apzināti inovatīvi produkti ar augstu pievienoto vērtību no meža biomasas un izvērtēts to komercializācijas potenciāls Latvijā. Pētījuma laikā tika apzināti 30 un uzskaitīti 14 inovatīvi produkti no meža biomasas, un LVM izvēlētie 3 produkti tika analizēti detalizētāk (novērtējot ietekmi uz klimata politikas mērķu sasniegšanu un resursu pieejamību, veicot ekodizaina analīzi, tirgus izpēti un ekonomisko analīzi) un izvērtētas iespējas sākt to komerciālu ražošanu.
Lai no mūsdienās zināmajiem vai vēl tikai pētniecības stadijā esošajiem inovatīvajiem produktiem no meža biomasas spētu atlasīt LVM interesēm un iespējām atbilstošākos, pētījuma izstrādātājs balstījās uz vairākiem kritērijiem.
• Šajā pētījumā inovatīvo produktu no meža biomasas sarakstā aplūkoti tikai tādi inovatīvie produkti, kuru izgatavošanai izmanto koksnes vai mizas biomasu. Pētījumā nav aplūkotas granulu un kokogļu ražošanas attīstības iespējas. Tajā netiek analizēta arī koksnes plātņu un mēbeļu ražošana. Pētījumā nav iekļauti arī no meža nekoksnes resursiem izgatavojamie produkti. Par pēdējo izmantošanu inovatīvu produktu ražošanai būtu nepieciešams atsevišķs šāda veida pētījums.
• Produkti un to ražošanas tehnoloģijas atbilst biotehonomikas, ekodizaina un tīrākas ražošanas pamatprincipiem, tādējādi nodrošinot, ka to komercializācijas gadījumā tiktu radīts videi, klimatam un cilvēka veselībai nekaitīgs produkts.
• Izvēlētie inovatīvie produkti ir izgatavojami no Latvijā sastopamo valdošo koku sugu biomasas.
• Produktus ir iespējams izgatavot no kokapstrādes un vai mežizstrādes pārpalikumiem, tā nodrošinot ilgtspējīgu mežu resursu izmantošanu, negatīvi neietekmējot pašreizējo koksnes resursu izmantošanu un palielinot ekonomisko un sociālo labumu, ko var iegūt no meža apsaimniekošanas.
• Izvēlētie inovatīvie produkti šobrīd netiek ražoti Latvijā, bet galvenais pieprasījums pēc tiem ir ārvalstīs, tādējādi nodrošinot šiem produktiem noieta tirgu.
Pētījuma „Meža biomasa – jauni produkti un tehnoloģijas” atskaitē sniegts īss ieskats par inovatīvajiem produktiem no meža biomasas, raksturotas pētījumā izmantotās metodes inovatīvu produktu izvērtēšanai un iegūtie rezultāti, kā arī sagatavots jautājumu saraksts, kas papildus pētāmi inovatīvu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanas tehnoloģiju attīstībai, izvērtētas iespējas piesaistīt publisko finansējumu turpmākiem pētījumiem vai produktu komercializēšanai.
Šo pētījumu izstrādājuši Rīgas Tehniskās universitātes Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūta (VASSI) zinātniskie darbinieki. Lai izvēlētos inovatīvus produktus ar augstu pievienoto vērtību no meža biomasas, analizēta zinātniskā literatūra un apzināti citu Latvijas zinātnisko institūciju veiktie pētījumi un inovācijas no meža biomasas. Kā pētījuma partneri tika laipni aicināti piedalīties un iesaistīties Latvijas Lauksaimniecības universitātes Meža fakultāte, Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts (LVKĶI), Valsts mežzinātnes institūts “Silava”, SIA „Biolat” un SIA „Meža un koksnes produktu pētniecības un attīstības institūts” (MeKA), kā arī Latvijas Kokrūpniecības federācija. VASSI darbinieki intervēja meža ekspertus, lūdza aizpildīt anketas par konkurētspējīgiem inovatīviem produktiem. Notika 2 ekspertu semināri un 2 semināri ar LVM darbiniekiem, kuros tika prezentēti iegūtie rezultāti. Paldies visiem zinātniekiem un mežu speciālistiem, kuri mūs uzklausīja. Īpašs paldies trīs speciālistiem: Xxxxxxx Xxxxxxxxx un Xxxxxxx Xxxxxxxxx no LVM un Xxxxx Xxxxxxxx no Valsts mežzinātnes institūta “Silava”.
Bioresursu ilgtspējīgu izmantošanu inovatīvu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanai, atkarībā no konteksta, mēdz sasaistīt vai apzīmēt ar dažādiem jēdzieniem, piemēram, bioekonomika, biorafinērija, kaskādes veida resursu izmantošana, cirkulārā ekonomika, simbioze, ekodizains utt. Lai arī kā to sauktu un uz kādiem aspektiem to tieši attiecinātu, bioresursu ilgtspējīgas izmantošanas kontekstā šiem jēdzieniem kopīgs ir tas, ka runa ir par pārdomātu, bezatlikumu bioresursu izmantošanu, neradot kaitējumu vai radot pēc iespējas mazāku kaitējumu klimatam, videi un cilvēku veselībai, tai skaitā ražošanas procesā, lietošanas laikā un utilizējot, lai no izmantotās biomasas plūsmas iegūtu pēc iespējas lielāku ekonomisko un sociālo labumu. Tajā visā būtisku lomu spēlē tehnoloģijas, jo arī tām, tāpat kā inovatīvam produktam, jāatbilst ilgtspējības principiem – jābūt efektīvām, jāpatērē pēc iespējas mazāks ūdens daudzums, elektroenerģija, siltumenerģija un videi kaitīgi ķīmiski savienojumi, kā arī jābūt klimatam draudzīgām.
Iepazīstoties ar aktualitātēm inovāciju jomā no meža (precīzāk – koksnes) biomasas, vērojama tendence, ka koksnes izmantošana tradicionāla kurināmā ražošanai, kļūst par pagātni, ja nu vienīgi kā sekundārais produkts, kad biomasa ir palikusi kā pārpalikums un nav vairs izmantojama citu produktu ražošanai. No tā izriet, ka zinātniskās darbības tendences šajā jomā saskan ar teorētiski pareizo un vēlamo virzienu un ilgtspējības pamatprincipiem.
Tāpat kā enerģētikas nozarē, arī citās nozarēs sākts aktualizēt jautājumu par to, cik ilgtspējīgi ir izmantot pārtikas augus ne-pārtikas produktu, bet citu bioproduktu ražošanai. Šādā kontekstā, koksne tiek uzskatīta par vienu no labākajiem bioresursiem dažādu produktu ražošanai, jo tā nekonkurē ar pārtikas rūpniecību un tās audzēšana, salīdzinot ar lauksaimniecības kultūrām, ir videi un klimatam nesalīdzināmi draudzīgāka.
Lasot zinātnisko literatūru un citu publiski pieejamo informāciju, jāsecina, ka nav vērojamas tendences, ka kādā reģionā pievērstu uzmanību tādām inovāciju jomām, par kurām citur vēl nedomātu. Mūsdienās inovāciju patentēšana un zinātnisko pētījumu rezultāti ir nepieciešamība, kas noved pie tā, ka relatīvi daudz informācijas par jaunajām idejām ir publiski pieejamas visiem interesentiem. Līdz ar to inovācijām vairs nav robežu un līdzīgas idejas dažkārt tiek vienlaicīgi attīstītas dažādās pasaules malās. Tas attiecināms arī uz inovatīviem produktiem no meža biomasas. Visā pasaulē zinātnes, ražošanas un politikas pārstāvji ir nonākuši pie secinājuma, ka jāsamazina fosilo resursu izmantošana, kā alternatīvu izvēloties bioresursus. Atklāts paliek jautājums, kādam mērķim, kā un cik daudz mēs izmantojam šos bioresursus, jo, lai gan tas ir atjaunojams dabas resurss, to tomēr nedrīkst izmantot neilgtspējīgi, lai nodrošinātu šī resursa pietiekamību stratēģiski nozīmīgākajām vajadzībām arī nākotnē, nenodarot kaitējumu videi, klimatam un cilvēku veselībai.
Šīs nodaļas turpinājumā tiks sniegts neliels ieskats inovāciju jēdzienā un iepriekš minēto terminu, ko lieto attiecībā uz bioresursu izmantošanu inovatīvu produktu ražošanai, pamatprincipos attiecībā uz bioresursu izmantošanu un to pārstrādes tehnoloģijām, lai apjaustu inovatīvu produktu no meža biomasas ražošanas tendences. Par ekodizainu informācija atrodama šī pētījuma 7. nodaļā.
Sīkāka informācija par konkrētiem inovatīvajiem produktiem atrodama šī pētījuma 4. nodaļā.
Būtībā inovācija ir tas, kas tautsaimniecībā nošķir no biomasas pēc biotehonomikas principiem ražotus produktus no pārējiem biomasas produktiem [4, 5]. Ar jaunu, inovatīvu produktu, kuriem ir pievienotā vērtība, šī pētījuma autori saprot produktu, kas ražots atbilstoši ekodizaina principiem, un tas ietver darbaspēka izmaksas, ražošanas nodokļus, nolietojumu un peļņu. Dažādās valstīs un dokumentos inovācijas jēdziens tiek definēts dažādi, tomēr būtiskākā no šo definīciju iezīmēm ir tā, ka ar inovācijas jēdzienu visur tiek apzīmēts process. Arī Latvijā pieņemtajā inovācijas jēdzienā inovācija ir process, kurā jaunas zinātniskās, tehniskās, sociālās, kultūras vai citas jomas idejas, izstrādnes un tehnoloģijas tiek īstenotas tirgū pieprasītā un konkurētspējīgā produktā vai pakalpojumā [6].
Jau šajā oficiālajā definīcijā ir iekļauts, ka inovāciju veidošanos jeb procesu ietekmē daudzi šķēršļi. Līdz ar to tie ietekmē arī biotehonomikas attīstību. Zinātnieki ir veikuši daudzus pētījumus par šķēršļiem inovāciju attīstībā, tai skaitā arī saistībā ar bioekonomikas inovāciju, tai skaitā arī meža biomasas izmantošanu inovatīvu produktu ražošanai, attīstību [6, 7]. Kā piemēru var minēt Golembiewski u.c. pētījumu, kurā identificēti trīs galvenie izaicinājumi bioekonomikai: kompleksa zināšanu bāze, tehnoloģiju pārveide, mērķi attiecībā uz komercializācijas un tirgus difūziju [7]. Ideālo teorētisko bioekonomikas inovāciju īstenošanas procesu aprakstījis Xxxxx Xxx Xxxxxxx u. c., un to ietekmē pieci galvenie faktori: radikāli jaunas un graujošas inovācijas, kompleksa zināšanu bāze, sadarbība, komercializācija un pielāgošana [4]. Reālā situācija biotehonomikas inovāciju attīstībā Latvijā atšķiras no zinātniskajās publikācijās aplūkotajām shēmām. Pamatojoties uz biotehonomikas pašreizējo situāciju Latvijā, biotehonomikas inovācijas ietekmē astoņi galvenie šķēršļu veidi: finansiālie, politiskie, tirgus, uzvedības, organizatoriskie, tehnoloģiju, resursu, klimata un vides. Visiem šķēršļu veidiem ir ietekme ne tikai uz biotehonomiku un resursu izmantošanu inovatīvu produktu ražošanai, bet arī savstarpēji vienam uz otru. Atšķirībā no šķēršļiem inovāciju attīstībai citās nozarēs, biotehonomikā būtiska loma ir tādiem šķēršļu veidiem kā resursi, tehnoloģijas, vide un klimats. Pārējo šķēršļu ietekme ir sastopama vairākumā citās nozarēs līdz šim veikto pētījumu.
Lai nodrošinātu bioekonomikas attīstību un ilgtspējīgu bioresursu izmantošanu produktu ar augstu pievienoto vērtību radīšanai, viens no priekšnosacījumiem ir starpdisciplināra sadarbība [7]. Latvijā nepieciešama mērķtiecīga inovāciju komercializācija, t. i., inovāciju pārnese no idejas līdz patērētājam pieejamam produktam (1.1. attēls). Šī starpposma iztrūkums ir viens no lielākajiem šķēršļiem biotehonomikas attīstībā. Ņemot vērā, ka Latvijai pieejami pārsvarā tikai bioresursi, būtu jāizstrādā start-up pasākumi un politiskie instrumenti, kas sniegtu atbalstu tieši biotehonomikas inovāciju attīstībai.
Idejas
radīšana un izpētes plāna sastādīšana
Izpētes
dalībnieki laboratorijā pārbauda
idejas
Investori
iegulda inovatīva
bioprodukta ražošanā
Inovatīvo
bioproduktu
izmanto lietotāji
1.1. Uz zināšanām balstītu inovatīvu bioproduktu izstrādes posmi [1].
Inovatīva un zinātniski pamatota biotehnoloģiju ieviešana ir saistīta ar prasību, kas ir izvirzīta jauna, uz zināšanām balstīta, inovatīva produkta ražošanai (ieskaitot pakalpojuma sniegšanu), kuram ir nodrošināta augstāka pievienotā vērtība. Tas ir saistīts ar divām jomām:
• ar bioresursu efektīvu ieguvi un lietderīgu sagatavošanu;
• ar bioresursu apstrādes un pārstrādes tehnoloģiju izstrādi un lietojumu.
Uz zināšanām balstīta bioresursu izmantošana ir saistīta ar cilvēkresursiem, kuri katrā inovatīvu bioproduktu ieviešanas posmā spēlē noteiktu lomu. Inovatīvai un zinātniski pamatotai bioresursu lietderīgai izmantošanai ir specifiski priekšnosacījumi:
• sadarbojoties ar universitātēm un zinātniski pētnieciskajām iestādēm vai atsevišķiem nozares ekspertiem, tiek radītas uz zināšanām balstītas idejas, izstrādnes un biotehnoloģijas;
• produkta un pakalpojuma kvalitāte ir atkarīga no jaunievedumiem, produktu un procesu kvalitātes un efektivitātes uzlabojumiem, jauninājumiem darba organizācijā un arī no jaunu piegādātāju un patērētāju attiecību veidošanas;
• jauna, tirgū pieprasīta, konkurētspējīga produkta ražošanai vai pakalpojuma sniegšanai tiek izmantoti bioresursi;
• iespēju ne tikai ražot bioproduktu ar augstāku pievienoto vērtību no viena un tā paša bioresursa, bet arī palielināt konkurētspēju tirgū esošajiem produktiem sniedz inovatīvu biotehnoloģiju izmantošana [1].
1.2. Bioekonomika un biotehonomika
Attiecībā uz bioresursu izmantošanu pēdējo gadu laikā plaši izmantots bioekonomikas (bioeconomy) jēdziens, kas starptautiskas nozīmes skanējumu ieguva līdz ar Eiropas Komisijas 2012. gadā pieņemto Bioekonomikas stratēģiju. Eiropa ir nonākusi pie secinājuma, ka, lai tiktu galā ar pieaugošo iedzīvotāju skaitu, resursu izsīkšanu, pastiprināto ietekme uz vidi un klimatu, ir radikāli jāmaina pieeja bioresursu ražošanai, pārstrādei, patēriņam un likvidēšanai. Ar Bioekonomikas stratēģiju Eiropas Komisija cer bruģēt ceļu uz inovatīvāku, resursu ziņā efektīvāku un konkurētspējīgāku sabiedrību, kas spēj apvienot pārtikas nodrošinājumu un rūpnieciskos mērķus ar bioresursiem, vienlaikus nodrošinot vides aizsardzību. Attiecībā uz mežsaimniecību tiek uzsvērta tās būtiskā loma saistībā ne tikai ar materiālo resursu iegūšanu un izmantošanu produktu ražošanai un ar meža ekosistēmas sniegtajām nemateriālajām vērtībām, bet arī ar šīs nozares reālo ieguldījumu ekonomiskajā attīstībā, nodrošinot darba vietas. [8].
Bioekonomika ir uz zināšanām balstīta bioresursu izmantošana, pamatojoties uz inovatīviem bioloģiskajiem procesiem un principiem, lai ilgtspējīgā veidā nodrošinātu preces un pakalpojumus visās tautsaimniecības nozarēs [9].
Tiek atzīts, ka līdz šim Eiropā bioekonomikas jomā nekas īpaši daudz nav izdarīts un panākts. Biomasas izmantošanas daudzums ķimikāliju un plastmasu izgatavošanā pēdējo desmit gadu laikā nav būtiski mainījies. Vienīgi bioenerģijas un biodegvielu sektori ir labi attīstījušies, pateicoties stingrajiem normatīvajiem aktiem, kas balstīti uz Enerģētikas direktīvu un Emisiju tirdzniecības sistēmu [10]. Daudzās valstīs tieši mazie un vidējie uzņēmumi ir galvenie inovatīvu bioekonomikas ideju attīstītāji. Tāpēc būtu nepieciešams, lai arī viņi tiktu iesaistīti bioekonomikas politikas veidošanā [9].
Latvijas pētnieki piedāvā paplašināt bioekonomikas ideju, ieviešot jaunu terminu – biotehonomika (biotechonomy), kas, atšķirībā no nu jau plaši zināmās bioekonomikas, pievēršas ne tikai bioresursu racionālai un efektīvai izmantošanai inovatīvu produktu ar augstu pievienoto vērtību radīšanai, bet arī bioresursu lietojuma tehnoloģiskajām problēmām [11, 1]. Biotehonomika apvieno bioresursu ieguves tehnoloģijas un biotehnoloģiju lietojumu to apstrādei un pārstrādei, izmantojot inovatīvas un modernas tehnoloģijas, lai iegūtu jaunu produktu ar pievienotu vērtību. Biotehonomikas ideju visprecīzāk izskaidro piramīda, kuras pamatnē ir bioresursa visvienkāršākais lietojums: atkritumi, kas nonāk atkritumu glabātuvē (1.2. attēls). [1]
1.2. attēls. Biotehonomikas piramīda ar bioresursu izmantošanu jaunu produktu ražošanai [1].
Tas ir videi visnedraudzīgākais un ekonomiski visneizdevīgākais risinājums. Ja bioresursu izmanto kurtuvē degšanas procesā un iegūst siltumenerģiju, kuru tālāk izmanto siltumapgādē, rūpniecībā, lauksaimniecībā un pakalpojumu sektorā, tad vienmēr paliek atklāts jautājums: vai šos bioresursus nav iespējams izmantot lietderīgāk. Bieži bioresursus, kurus dedzina katlu kurtuvēs, ir iespējams izmantot arī citiem mērķiem, piemēram, ražojot gāzveida vai šķidro biodegvielu. No jebkura bioresursa ir iespējams iegūt jaunu produktu. Tikai atklāts paliek jautājums par to, kāds būs šī jaunā produkta lietojums, kāds būs tā pieprasījums tirgū, cik izmaksās tā ražošana, kā šī jaunā produkta ražošana ietekmēs vidi un klimata pārmaiņas un kādi būs socioekonomiskie rādītāji. [1]
Biotehonomikas ilgtspējīga attīstība ir atkarīga ne tikai no nozaru struktūras un jauno bioproduktu īpašībām un iespējamā lietojuma, bet arī no specifiskiem priekšnosacījumiem un aspektiem: finanšu resursiem, cilvēkresursiem, klimata, vides, inženiertehniskajiem, ekonomiskajiem un socioekonomiskajiem aspektiem. Ir jāveido biotehonomikas nozaru puduri, kurus apvienotu kādas kopīgas pazīmes, piemēram, produktu kopa, kas būtu produkti ar augstu pievienoto vērtību no meža biomasas. Galvenie biotehonomikas nozaru puduru attīstības priekšnosacījumi ir atkarīgi no tā, kādā virzienā attīstīsies bioresursu izmantošana. Ir ļoti svarīgi, lai visi iepriekš minētie aspekti balstītos uz šādiem principiem:
• uz inovatīvu un zinātniski pamatotu biotehnoloģiju ieviešanu;
• uz ekonomiski izdevīgu un uz biznesa ekonomikas pamatiem būvētu biotehnoloģiju izmantošanu;
• uz socioekonomiski pamatotu biotehnoloģiju attīstību, kuras palielina nodarbinātības līmeni un samazina importu;
• uz videi draudzīgu biotehnoloģiju izmantošanu, lietojot bioresursus, kuru ieguve ir ekoloģiski pamatota;
• uz siltumnīcefekta gāzu emisiju samazināšanas koncepciju. [1]
Ilgtspējīgas bioresursu izmantošanas produktu ar augstu pievienoto vērtību kontekstā plaši tika lietots biorafinērijas (biorefinery) termins, ar to saprotot biomasas ilgtspējīgu pārstrādi, lai ražotu komercializējamus produktus un enerģiju [12, 13]. Biorafinērijas pamatideju veido
4 komponenti: platformas, produkti, izejvielas un procesi (1.3. attēls). Tikai ar šo komponentu ilgtspējīgu savstarpējo mijiedarbību iespējams izpildīt biorafinērijas principus.
1. Platformas
2. Produkti
Biorafinērija
3. Izejvielas
4. Procesi
1.3. attēls. Biorafinērijas sistēmu raksturojošie komponenti [14].
Pētījumi par jaunu, efektīvu un sarežģītu biomasas pārstrādes metožu izstrādi ir rezultējušies inovatīvās biorafinērijas tehnoloģijās. Par to detalizēta informācija ir ietverta Starptautiskās Enerģētikas aģentūras (International Energy Agency – IEA) atskaitē “IEA Bioenergy Task 42, Biorefining: Sustainable and synergetic processing of biomass into marketable food & feed ingredient, chemical, materials and energy (fuels, power, heat)”. Šajā ziņojumā definētas iespējamās biorafinērijas platformas (1.4. attēls). [15, 14]
Biorafinērijas procesu būtība ir atjaunojamo izejvielu, blakusproduktu un atlikumu pārstrāde biodegvielas un augstas pievienotās vērtības ķīmiskajos produktos. Šiem procesiem jābūt organizētiem ar augstu efektivitāti un slēgtā CO2 apritē. Biorafinērijas sistēmu īstenošana parasti saistīta ar augstākām kapitālizmaksām tehnoloģiju izveidei un uzstādīšanai. Tieši augstās kapitālizmaksas ir galvenais iemesls, kāpēc biorafinērija vēl joprojām nav īpaši izplatīta. [15, 16]
lignīns
šķiedras
C6
cukuri
singāze
C5 un
C6
cukuri
pirolīzes
šķidrums
Biorafinērijas
platformas
proteīni
celuloze
biogāze
ūdeņradis
elektrība
siltums
eļļas
1.4. attēls. Biorafinērijas sistēmu iespējamās platformas (saskaņā ar Starptautiskās Enerģētikas aģentūras (IEA) 42 bioenerģijas uzdevumu) [15, 14].
Pastāv divi galvenie biorafinērijas tipi: uz enerģiju orientēta un uz produktu/ķimikālijām orientēta biorafinērija. Uz enerģiju orientētas biorafinērijas mērķis ir ražot degvielas, enerģiju un/vai siltumu, kam tiek izmantota uzlabota biomasas atlikumu plūsma, lai optimizētu rentabilitāti. Uz produktu/ķimikālijām orientētā biorafinērijā tiek ražoti produkti un biomasas atlikumi tiek izmantoti, lai optimizētu vērtības pievienošanu produktam. Biorafinēriju var iedalīt arī citos tipos pēc citiem nosacījumiem, piemēram, pēc platformas tipa (tos skatīt iepriekš 1.4. att.), pamatojoties uz izgatavoto produktu – enerģiju vai materiālu (piem., bioetanols, dzīvnieku barība, biodīzeļdegviela, biometāns, bioķimikālijas utt.), pamatojoties uz izmantoto izejvielu (piem., cietes augi, eļļas augi, lignocelulozes atlikumi un augi, zālaugi, aļģes utt.), pēc izmantotās tehnoloģijas vai to kombinācijas (piem., hidrolīze, fermentācija, transesterifikācija, pirmapstrāde, gazifikācija, Fišera-Tropša sintēze, alkohola sintēze, šķiedru atdalīšana, anaerobā digestācija utt.) un citos veidos. [13].
Biorafinērija meža biomasas pārstrādei visbiežāk tiek izmantota papīrrūpniecībā un degvielu ražošanā. [375]
1.4. Kaskādes veida koksnes resursu izmantošana
Sirkin un Houten bija pirmie, kas 1994. gadā attīstīja kaskādes veida resursu izmantošanas koncepciju [17]. Kopš tā laika dažādos pētījumos atrodama dažādas kaskādes veida resursu izmantošanas definīcijas. Gan šajās definīcijās, gan publikācijās par kaskādes veida resursu izmantošanu galvenais akcents tiek likts uz tehniskajiem procesiem rūpnīcu ražošanas līnijās. Eiropas Komisijas 2016. gada pētījumā, kas veltīts tieši koksnes kaskādes veida izmantošanai (cascading use), kaskādes veida resursu izmantošana definēta kā efektīva resursu
Blakusproduktu izmantošana
2.
galaprodukts
Blakusproduktu izmantošana
3.
galaprodukts
1.
galaprodukts
Biomasa
Izmantošana enerģijas ražošanai
izmantošana, lietojot atlikumus un pārstrādātus materiālus kā izejvielas, lai paplašinātu kopējo biomasas pieejamību konkrētajā sistēmā [18].
1.5. attēls. Biomasas kaskādes veida izmantošana
No tehniskā viedokļa, kaskādes veida koksnes resursu izmantošana notiek tad, kad koksne tiek pārstrādāta produktā un šis produkts tiek izmantots vismaz vēl vienu reizi kā izejviela vai enerģētikas vajadzībām. Viena posma kaskādē koksni pārstrādā produktā, un šis produkts pēc tam tiek izmantots vēlreiz enerģijas ražošanai. Daudzpakāpju kaskādē koksni pārstrādā produktā, un šis produkts tiek izmantots vismaz vēl vienu reizi kā izejviela un pirms apglabāšanas vai pārstrādes enerģijas ieguvei (1.5. attēls). Izmantošana enerģijas ražošanai ir kā galējais izmantošanas veids, kad produktu vairs nav iespējams reciklēt vai izmantot citu produktu ražošanai. [18]
Ideja par secīgu materiālu izmantošanu attiecināma jau uz antīkajiem laikiem, kad vērtīgi materiāli tika izmantoti atkārtoti un pārstrādāti. Mūsdienu modernās tehnoloģijas dod nesalīdzināmi plašākas iespējas īstenot kaskādes veida izejvielu, tajā skaitā arī biomasas, sevišķi koksnes, izmantošanu. Augošā pieprasījuma pēc izejmateriāliem dēļ pēdējā desmitgadē kaskādes veida koncepcijai tiek pievērsta pastiprināta uzmanība, jo tas ir veids, kā paaugstināt resursu izmantošanas efektivitāti un samazināt to ietekmi uz klimatu un vidi. [18]
Kaskādes veida resursu izmantošanas koncepcija pārklājas ar citām koncepcijām, piemēram, cirkulāro ekonomiku un otrreizējo pārstrādi. Par tām neliels ieskats sniegts citās šīs nodaļas apakšnodaļās.
1.5. Cirkulārā (aprites) ekonomika
Cirkulārā (aprites) ekonomika ir industriāla sistēma, kurā potenciālā produktu lietošana un materiāli ir optimizēti un to elementi atgriezti sistēmā to dzīves cikla beigās. Materiālu un produktu dzīves ciklam ir noslēgts aprites loks. Ideālā gadījumā visi elementi, kas tiek izmantoti produkta izgatavošanai, tiek izmantoti atkārtoti vai pārstrādāti [19]. Atšķirībā no līdzšinējās resursu apsaimniekošanas sistēmas, kas balstās uz lineāru ekonomiku, cirkulārajā ekonomikā (ideālā gadījumā) neveidojas atkritumu plūsma un visi produkti, blakusprodukti un atlikumi tiek izmantoti kā resursi jaunu produktu ražošanai (1.6. attēls).
LINEĀRĀ EKONOMIKA
Resursu ieguve
Ražošana
Izplatīšana
Xxxxxxxx
Atkritumi
CIRKULĀRĀ (APRITES) EKONOMIKA
Pārstrādes sektors
Atkārtota izmantošana / labošana / pārstrāde
Xxxxxxxx
Ražošana
Izplatīšana
1.6. Lineārās un cirkulārās ekonomikas pamatprincipi [20].
2015. gadā Eiropas Komisija pieņēmusi Cirkulārās ekonomikas paketi, kurā iekļauti pārskatītie normatīvie akti par atkritumu apsaimniekošanu, lai stimulētu Eiropas pāreju uz cirkulāro ekonomiku, kas veicinās globālo konkurētspēju, ilgtspējīgu ekonomikas izaugsmi un radīs jaunas darba vietas. Eiropas Komisijas ierosinātie pasākumi veicinās “noslēgtu aprites loku” produktu dzīves ciklā, izmantojot lielāku pārstrādi un atkārtotu izmantošanu, tādējādi gūstot gan ekonomiskos, gan vides labumus. Eiropas Komisijas ar aprites cikla ekonomiku saistītajos dokumentos pievērsta uzmanība galvenajiem produkta dzīves posmiem: ražošanai (produkta izstrādes posmam un ražošanas procesiem), patēriņam un atkritumu apsaimniekošanai. Kā prioritārās jomas noteiktas: plastmasa, pārtikas atkritumi, kritiski svarīgas izejvielas (piem., elektroierīcēs), būvniecība un ēku nojaukšana, biomasa un bioprodukti. Attiecībā uz biomasu un bioproduktiem tiek uzsvērts, ka [19, 21]:
• izmantojot bioresursus, ir jāpievērš uzmanība ietekmei uz vidi to aprites ciklā un ilgtspējīgai iegūšanai;
• bioresursi jāizmanto pēc kaskādes principa, paredzot vairākus atkārtotas izmantošanas un pārstrādes ciklus;
• ir jāizmanto bioresursu potenciāls jaunu, inovatīvu materiālu un ķīmisko vielu ražošanai un procesu jomā;
• bioresursi ir neatņemama aprites ekonomikas daļa;
• bioresursu potenciāla īstenošana ir īpaši atkarīga no ieguldījumiem biorafinēšanas rūpnīcās, kas spēj apstrādāt biomasu un bioloģiskos atkritumus dažādiem galaproduktiem.
Eiropas Komisija ir apņēmusies īstenot pasākumu kopu, lai veicinātu bioresursu efektīvu izmantošanu, un pārskatīt tiesību aktus, lai iekļautu mērķvienību, kas attiecas uz koka iepakojuma pārstrādi, un nodrošināt bioloģisko atkritumu atsevišķu savākšanu [21].
Ar cirkulārās ekonomikas ieviešanas palīdzību iespējams padarīt ilgtspējīgāku un konkurētspējīgāku valsts ekonomiku. No tās labums ir ne tikai tautsaimniecības nozarēm un uzņēmējiem, bet arī katram iedzīvotājam, jo šādas ekonomikas īstenošana veicina ne tikai kopējo ekonomikas attīstību un finansiālus ieguvumus, bet, kas ir daudz svarīgāk, veicina resursu ilgtspējīgu izmantošanu, samazina atkritumu daudzumu un to radīto negatīvo ietekmi uz vidi un klimatu [22].
Tagad, kad Eiropa cenšas attīstīt cirkulāro ekonomiku, jāpatur prātā bioekonomika, kurai ir tie paši specifiskie izaicinājumi, tā ir vairāk integrēta mūsu ikdienā. Kā var saprast no iepriekšējās apakšnodaļās rakstītā, kaskādes veida biomasas izmantošanai ir skaidra un spēcīga saikne ar bioekonomiku un cirkulāro ekonomiku. [10].
1.6. Potenciālie inovatīvie produkti un to virzieni
Pastāv daudz un dažādi koksnes izmantošanas veidi. Tradicionālie izmantošanas viedi tiek uzlaboti, un tiek paaugstināta procesa efektivitāte. Paralēli tiek izstrādāti jauni produkti un virzieni. Kā galvenie virzieni šī pētījuma ietvaros tiek apskatīti meža biomasas izmantošana biodegvielas ražošanā, koksnes izmantošana pārtikas rūpniecībā, biokompozītmateriāli un citi jauni produkti ar augstu pievienoto vērtību. Inovatīvus produktus no biomasas, tajā skaitā no meža biomasas, var iedalīt dažādi, piemēram, pēc ražošanas tehnoloģijām, izmantotajiem resursiem, attiecināmajām nozarēm utt. Patērētājam vissaprotamākais ir inovatīvu produktu iedalījums pēc to izmantošanas veida. Tas nozīmē dalījumu šādās grupās, kurām kā piemēri tiek minēti daži produkti [23, 24, 25]:
• būvmateriāli un būvkonstrukcijas (piem., CLT (cross laminated timber) – krusteniski līmēti paneļi, biokompozītmateriāli, kompozītmateriāli);
• biomateriāli (piem., saistvielas, membrānas, siltumizolācijas materiāli, koksnes – plastmasas kompozītmateriāli, šķiedras tekstilizstrādājumiem, bioplastmasa, iepakojums, higiēnas preces, krāsas, lakas);
• nanomateriāli (nanošķiedras; nanocelulozes piedevas cementam, nanocelulozes plēve);
• bioenerģija (bioeļļa, biodīzeļdegviela, bioetanols, biobutanols, singāze, kokogles, torificēta koksne);
• bioķīmija (piem., furfurols, acetilēta koksne, virsmaktīvās vielas, lubrikanti, bioloģiski aktīvi savienojumi, piedevas kosmētikai, izejvielas farmācijā, polimēri);
• pārtika un barība (piedevas dzīvnieku, zivju un putnu barībai, pārtikas piedevas, saldinātāji, ciete).
Iepriekš minēta tikai neliela daļa no inovatīvajiem produktiem, kurus iespējams izgatavot no meža biomasas. Sīkāka informācija par daļu no šiem inovatīvajiem produktiem nozaru griezumā atrodama šī pētījuma 4. nodaļā.
2. Pārskats par aktualitātēm meža biomasas produktu inovācijās un tehnoloģiju izstrādēs
2.1. Zinātniskā izpēte un inovācijas perspektīvas
Mūsdienās starptautiskā zinātniskā izpēte ir fokusēta uz jaunu ziņā izmaksu efektīvu biomasas pārveidošanas procesu pētīšanu. Biomasas pārveidošana par ilgtspējīgu un konkurētspējīgu vietējo biodegvielu vai bioķīmiskām vielām ir cieši saistīta ar spēju variēt ar dažādiem biomasas veidiem [26].
Gan politikas veidotāju, gan zinātnisko institūciju interese par iespējamo pāreju uz bioekonomiku pieaug. Bioekonomika ir viens no galvenajiem virzieniem atkarības no fosilajiem kurināmajiem samazināšanai. Vienlaikus jāatzīmē, ka sociāli ekonomiskie pētījumi par virzību uz bioekonomiku uzņēmumu līmenī joprojām ir retums, īpaši pētījumi par bioekonomikas tehnoloģiskajiem un inovāciju pārvaldības konceptiem [27]. Bioekonomika ir saistīta ar trīs galvenajiem izaicinājumiem: kompleksu zināšanu bāzi, pārveidošanas tehnoloģijām un komercializāciju un tirgus attīstību [28].
2.1.1. Eiropas Savienības struktūrfondu atbalstītie zinātnes projekti biotehnoloģiju jomā
Eiropas Savienības pamatprogrammu pētniecībai un inovācijai ietvaros tikuši atbalstīti vairāki biotehnoloģiju attīstības projekti. Galvenais uzsvars tiek likts uz jauniem enzīmiem un to izmantošanas iespējām medicīnas, vides, pārtikas un ķīmijas nozarēs. Tāpat pastiprināta zinātniskā interese tiek pievērsta robustu mikroorganismu un enzīmu radīšanai un optimizētu bioprocesu pētīšanai. Industriālās biotehnoloģijas jomas un biorafinēšana iet “roku rokā”, jo bioprocesu izmantošana videi draudzīgāku produktu ražošanā ir lielā mērā savstarpēji saistīta. Biorafinēšana nodrošina industriālo tehnoloģiju atjaunojamo izejvielu pārvēršanai par ilgtspējīgu un izmaksu ziņā efektīvu bioproduktu vai bioenerģiju izstrādi. Biodegvielu izpētes projektos galvenais uzsvars tiek likts uz otrās un trešās paaudzes biodegvielu ar uzlabotiem enerģijas un vides parametriem izstrādi un attīstību. Biorafinēšanas galvenie zinātniskie izpētes virzieni: biomasas blakusproduktu pārveidošana par bioproduktiem, otrās un trešās paaudzes biodegvielas, lignocelulozes priekšapstrāde, biomasu pārveidošana par ķīmiskiem būvmateriāliem, integrētās biorafinēšanas attīstība [29]. Turpmāk raksturoti Eiropas Savienības pamatprogrammu ietvaros atbalstītie zinātnes projekti.
• NEMO. Augstas efektivitātes enzīmi un mikroorganismi lignocelulozes biomasas pārveidošanai par bioetanolu [30].
Projekta ietvaros tika pētītas vispiemērotākās tehnoloģijas bioetanola ražošanai, īpašu uzmanību pievēršot augstas efektivitātes enzīmu un enzīmu sajaukuma, kas ļautu nodrošināt efektīvu Eiropā audzētas lignocelulozes izejvielu hidrolīzi, izpētei. Projekta ietvaros tika izstrādāts stresa izturīgs ieraugs C6 un C5 cukuru fermentācijai no lignocelulozes izejvielām par etanolu.
• GLOBAL-BIO-PACT. Biomasas un bioproduktu ietekmes uz sociālekonomisku un ilgtspējīgu attīstību novērtējums [31].
Projekta mērķis bija biomasas ražošanas un pārveides sertifikācijas sistēmas ilgtspējības noteikšanai izstrāde un saskaņošana. Projektā lielākā uzmanība tika pievērsta izejvielu ražošanas un dažādu biomasas pārveides ķēžu detalizētu sociāli ekonomiskās ietekmes novērtējumam. Projekta ietvaros tika izstrādāti sociālekonomiskie ilgtspējības novērtēšanas kritēriji un indikatori, kas būtu integrējami Eiropas Savienības normatīvajos aktos un politikā attiecībā un biomasu un biomasas produktu ražošanu un pārveidošanu.
• BIOCORE. Biorafinēšanas koncepts biomasas pārveidošanai par otrās paaudzes biodegvielām un polimēriem [32].
Projekta ietvaros tika veikta biorafinēšanas rūpnīcu, kurās notiek meža atkritumu un citu bioproduktu atkritumu pārveidošana par otrās paaudzes biodegvielām, ķīmiskām vielām, polimēriem vai materiāliem, industrializācijas un komercializācijas iespēju analīze. Īpaša uzmanība pievērsta polimēru celtniecības bloku izstrādei. Projekta izstrādātāji norādīja, ka 70 % no šodien izmantojamajiem polimēriem var ražot no biomasas.
• BIOFOREVER. Bioprodukti no meža produktiem, izmantojot ekonomiski dzīvotspējīgus Eiropas tīklus [33];
Bioforever ir nesen sācies Eiropas projekts, kura ietvaros tiks demonstrētas lignocelulozes izejvielu, piemēram, koksnes, pārveides iespējas par ķīmiskiem celtniecības blokiem un produktiem ar augstu pievienoto vērtību. Projekta ietvaros tiks veikts piecu dažādu izejvielu/produktu ķēžu tehniskais un ekonomiskais demonstrējums (pilota/pirmsindustrializācijas fāze). Projekta darbības laiks ir no 2016. gada septembra līdz 2019. gada septembrim.
2.1.2. Latvijas valsts pētījumu programmas pētījumu projektu rezultāti
Šobrīd Latvijas valsts pētījumu programmas ietvaros tiek īstenots projekts "Meža un zemes dzīļu resursu izpēte, ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas" 2014–2017 [34].
Projekta vispārējais mērķis ir ilgtspējīgi un racionāli izmantot dabas resursus, palielinot to izmantošanas pievienoto vērtību, racionāli nodrošinot Latvijas mežsaimniecības resursu ilgtspēju un izmantošanu globālajā tirgū konkurētspējīgu produktu ražošanai, izstrādājot jaunas tehnoloģijas koksnes pārstrādei ar minimizētu ražošanas procesu ietekmi uz apkārtējo vidi un pēc iespējas pilnīgāku ražošanas blakusproduktu izmantošanu vai utilizāciju, piegādājot nepieciešamo enerģiju tehnoloģisko procesu nodrošināšanai. Projekta konkrētie mērķi ir veicināt koksnes materiālu konkurētspējas palielināšana būvniecībā, uzlabot lapkoku koksnes bezatlikumu izmantošanu un piedāvāt risinājumus produktu kompleksai izstrādei no mizām un koksnes komponentiem.
Projekta ietvaros tiek pētītas no Latvijā augošiem kokiem izdalīto polifenolu izmantošanas iespējas pārtikas produktu, polimēru un kompozītmateriālu, kā arī kosmētisko līdzekļu ražošanā.
Saskaņā ar projekta izstrādātāju sniegto atskaiti [35], projekta ietvaros tiek pētīti daudzpusīgi lietojami biomateriāli un bioprodukti no meža resursiem. Tiek pētīti optimālie priedes koksnes hidrotermiskās modifikācijas režīmi, noteiktas iegūto materiālu īpašības (statiskā lieces stiprība, optiskās īpašības, bioizturība pret trupes sēnēm). Hidrotermiskās
modifikācijas koksnes dekoratīvo īpašību stabilitātes uzlabošanai pārbaudīta priekšapstrāde ar dzelzs un perokso savienojumiem. Tiek izstrādāts pārklājums uz ūdens bāzes termiski modificētai koksnei āra apstākļos: optimizētas emulsiju kompozīcijas, pārklājumu iesūkšanās uzlabošanai izvēlētas vispiemērotākās virsmaktīvās vielas. Tiek veikti pētījumi par fosforu saturošu poliolu sintēzi ugunsizturīgiem pārklājumiem. Testos ar konisko kalorimetru konstatēts, ka, palielinot fosforskābes saturu poliolā, pārklājumu degamības rādītāji samazinās, tomēr augstāku fosforskābes koncentrāciju lietošanu ierobežo epoksīdgrupu atvēršanas reakcijas paātrināšanās un hidrolītiska iedarbība uz sintezēto poliolu. Veikti pētījumi par koksnes polimēru kompozītu iegūšanu. Lai uzlabotu komponentu savietojamību, veikta koksnes amooksidēšanas reakciju izpēte. Atkāts, ka koksnes polimēru kompozītu īpašības ievērojami var uzlabot, koksnes komponentu termiski modificējot. Turpinās pētījumi par koksnes frakcionālā sastāva ietekmi uz koksnes polimēru kompozītu īpašībām [35].
Vēl viens projekta uzdevums ir novērtēt lapkoku koksnes bezatlikumu izmantošanu Latvijas ekonomikai vajadzīgu produktu iegūšanai, izmantojot progresīvas ķīmiskās un termiskās priekšapstrādes metodes un mūsdienīgas pētniecības iekārtas. Šajā izpētē tiek izstrādāti jauni oglekļa materiāli ar minimālu skābekļa saturu un maksimālu poraino virsmu. Eksperimentāli atrasta optimālā aktivācijas temperatūra un attiecības aktivators - izejmateriāls. Ar imersijas kalorimetriju noteikta aktīvo ogļu entalpija. Secināts, ka, palielinot aktivatora daudzumu, pieaug poru tilpums, porainā virsma un vidējais mikroporu izmērs, bet temperatūras paaugstināšana, palielinot poru tilpumu un poraino virsmu, vienlaikus samazina mikroporu tilpumu kopējā poru tilpumā. Pētītas baltalkšņa un bērza tvaika sprādziena priekšapstrādes masas izmantošanas iespējas siltumizolācijas materiālu iegūšanai. Konstatēts, ka vairāk nekā 70 % no masas jebkurā no apstrādes režīmiem veido šķiedru kūļi, kas liecina par tvaika sprādziena nevienmērīgu ietekmi uz apstrādājamo paraugu, kā rezultātā netiek iegūts pilnīgs sašķiedrošanās efekts. Secināts, ka šo salipšanas defektu novēršanai nepieciešama atkārtota šķiedru vienkāršota malšana vai arī tūlītēja masas žāvēšana. Tiek veikti koksnes skaidu hidrotermiskās priekšapstrādes pētījumi pirolītisko cukuru ieguvei. Konstatēts, ka pie 220–250 °C ūdens fāzē būtiski samazinās cukuru un aldehīdu saturs, bet turpina palielināties organisko skābju saturs. Savukārt temperatūras intervālā 210–240 °C ūdens fāzē palielinās sausnes saturs, kas izskaidrojams ar ķīmisko savienojumu atkārtotām kondensācijas reakcijām. Turpinās koksnes torificēšanas procesa pētījumi. Noteikti rotējošās retortes optimālie darba apstākļi. Eksperimentāli parādīta sakarība starp retortes darba temperatūru un torificētā produkta siltumspēju [35].
Trešais galvenais uzdevums ir meklēt risinājumus produktu kompleksai izstrādei no mizām un koksnes komponentiem ar sintētiskiem vai rūpnieciskiem analogiem salīdzināmām vai labākām īpašībām un plašu lietošanas spektru dažādās tautsaimniecības nozarēs, paātrinot un ekonomiski uzlabojot tehnoloģiskos procesus. Izmantojot izstrādāto un optimizēto oksidēšanas priekšapstrādi ar amonija persulfātu termokatalītiskai destrukcijas metodei, iegūtas sfēriskas bērza un bakteriālās celulozes nanodaļiņas, kuras izmantotas biopolimēra plēvju iegūšanai un to īpašību uzlabošanai. Parādīts, ka, hitozāna matricā ievadot bērza un bakteriālās celulozes nanodaļiņas, tiek uzlabota stiepes stiprība un bioloģiskās īpašības. Tiek pētīta mikroviļņu (MW) priekšapstrādes ietekme uz koksnes un mizu ekstrakciju vērtīgu produktu ieguvei. Aprēķināta jaunās MW iekārtas viļņvada un rezonatora optimālā konfigurācija, izmantojot matemātiskās modelēšanas metodi un panākot elektriskā lauka
vienmērīgu intensitātes sadalījumu. Mikroviļņu izmantošana ekstrakcijas procesā ļauj 4–5 reizes samazināt enerģijas patēriņu uz 1 g izdalītā produkta, kā arī dod par apmēram 2 % lielāku ekstrakcijas iznākumu [35].
2.2. Inovatīvu produktu no meža biomasas un to pārstrādes tehnoloģiju izstrāde Ziemeļvalstīs
Nozares, kas balstītas uz koksnes produktu ražošanu un pārveidošanu, strauji attīstās, un ar katru gadu tirgū parādās jauni inovatīvi materiāli vai ķīmiski savienojumi. Tāpat tiek uzlabots biomasas pārveidošanas process un izstrādātas jaunas tehnoloģijas, īpaši biorafinēšanas jomā, piedāvājot lētākas un vienkāršotākas ražošanas metodes.
Labi attīstās bioplastmasas ražošana. Tiek atrasti aizvien jauni tirgi iepakojumam un higiēnas precēm, ņemot vērā šo produktu augsto bioloģisko noārdāmību un produktu ilgtspējību.
Pateicoties inovatīvām mārketinga stratēģijām, tiek atrastas jaunas nišas elektronikas nozarē, pārklājuma materiālu un krāsu nozarē. Parādās daudzsološas pazīmes bioplastmasas izmantošanai automašīnu industrijā. Biotehnoloģiju materiālu jomā galvenokārt uzsvars ir bijis uz tirgus inovāciju. Jaunu materiālu (piemēram, putu koka-plastmasas kompozītmateriāli) ražošana ir veiksmīgi attīstījusies šie produkti jau ir reāli ienākuši Eiropas tirgū, un ir pazīmes, ka līdzīgus panākumus tie varētu sasniegt arī Āzijā. Daļai no inovatīvajiem koksnes produktiem, piemēram, CLT (krusteniski līmētiem paneļiem), ir atrasti jauni izmantošanas veidi.
Ne visi inovatīvie produkti tiek ieviesti ražošanā un parādās tirgū. Lai izstrādātais produkts tiktu komercializēts, izstrādātājam jāņem vērā:
• izmaksu un tehnoloģiju pieejamība;
• tirgus gatavība un vēlme pieņemt produktu;
• mārketinga stratēģija.
Dažādas koksnes izstrādājumu nozares ir atvērtas inovācijām. Tomēr, lai sasniegtu maksimālo efektivitāti, ir jāattīsta ne tikai jauni produkti, bet vienlaikus jākoncentrējas arī uz inovācijām mārketingā un darbu organizēšanā [36].
Lai bioresursu, tajā skaitā mežizstrādes atlikumu, izmantošana būtu ilgtspējīga, ir pēc iespējas pilnīgāk jāizmanto bioresursu potenciāls. Ir jāveicina vērtīgāku produktu iegūšana, ievērojot biomasas vērtības potenciālu, primāri iegūstot produktus ar augstāku pievienoto vērtību medikamentus, bioloģiski aktīvas vielas, barības un pārtikas sastāvdaļas, tad celulozes šķiedras un pārpalikušās frakcijas izmantojot bioenerģijas ražošanai (2.1. attēls). Prognozējams, ka īpaša uzmanība nākotnē tiks pievērsta atjaunojamās degvielas transporta vajadzībām ražošanai un attīstībai.
Kā vislabākais risinājums zinātniskajā literatūrā tiek minēta integrētā biorafinēšana, kas ļautu pilnībā izmantot biomasas potenciālu. Tiek prognozēts, ka produktu ar augstu pievienoto vērtību cena, ļaus nosegt izejvielu un biorafinēšanas izmaksas.
Farmācija
Pārtika un
barība
Bioplastmasa un
polimēri
Ķīmiskās vielas un degvielas
Enerģija un siltums
2.1. attēls. Biomasas kaskādes veida izmantošana produktu ar augstu pievienoto vērtību radīšanai.
2.2.1. Inovācijas meža biomasas pārstrādē Ziemeļeiropā
Norvēģija
Norvēģijā ir attīstīts bioekonomikas sektors un ir pieejama biorafinēšanas tehnoloģiju infrastruktūra. 2.1. tabulā apkopoti tie uzņēmumi, kas nodarbojas ar mežizstrādes atlikumu pārstrādi.
2.1. tabula. Meža biomasas pārstrāde Norvēģijā
Uzņēmuma nosaukums | Atrašanās vieta | Pārstrādes tehnoloģija | Produkti |
Bio Oil AS | Oslo | Biorafinēšana, pirolīze | Biodegvielas |
Borregaard Industries Ltd. Norge [37] | Sarpsborg | Biorafinēšana, ķīmiskā pārstrāde | Vadošā lignocelulozes biorafinēšanas ražotne. Ķīmiskās vielas, celuloze, bioetanols, vanilīns. |
Eidsiva Bioenergi AS [38] | Gjøvik | Bioenerģijas ražošana, sadedzināšana | Centralizētā siltumapgāde no koksnes produktiem un atkritumiem. |
Norske Skog Holding AS [39] | Lysaker | Ķīmiskā pārstrāde, biogāze, bioenerģijas tehnoloģijas | Vadošais papīra ražošanas uzņēmums. Bioprodukti, biogāze, bioenerģija, ķīmiskās vielas. |
Standard Bio AS [40] | Oslo | Biorafinēšana | Bioprodukti, pārtika un barība, minerālmēsli. |
Treklyngen Holding AS [41] | Hønefoss | Biorafinēšana | Plāno ražot augstas pievienotas vērtības bioproduktus, biodegvielas. |
Šobrīd Norvēģijā no meža biomasas biorafinēšanas ceļā tiek iegūts bioetanols, lignosulfonāti, šķīdinātā celuloze, vanilīns, mikrofibrilētā celuloze un ķīmiski termomehāniskā celuloze.
Uzņēmuma Borregaard celulozes un papīra ražotnē ir uzstādīta viena no lielākajām Eiropā biorafinēšanas iekārtām. Borregaard ražotne ir viena no lielākajām ražotnēm, kur tiek ražots etanols no meža biomasas (2.2. attēls).
Lignīns, 400 kg
•betona piedeva
•dzīvnieku barība
•bateriju ražošana
•briketēšana
•krāsvielas
Etanols, 50 kg
•mašīnu apkalpošana
•krāsas
•farmācijas industrija
•biodegviela
Celuloze, 400kg
•celtniecības materiāls
•kosmētika
•pārtika
•tekstils
•medikamenti
•filtri
•krāsas
Koksne , 1000 kg
Vanilīns, 3 kg
•ēdiens
•smaržu rašošana
•farmācijas industrija
2.2. attēls. Borregaard biorafinēšanas iekārtas produktu shēma [42].
Borregaard pilnveido savu ražotni, īstenojot virkni modernizācijas pasākumu, kas ļauj pilnvērtīgāk izmantot meža resursus, ražojot jaunus bioproduktus. Potenciālie jaunie attīstības produkti ir mikrofibrilā celuloze (MFC – microfibrillated cellulose), proteīni un uz cukura bāzes veidotas ķīmiskās vielas [43]. Uzņēmuma ražošanas procesu shēma parādīta
2.3. attēlā.
Norvēģijas zinātnieki šobrīd pastiprināti pēta šādas jomas:
• C6 un C6/C5 cukuri;
• lignīna izmantošana;
• hidrotermiskā sašķidrināšana;
• pirolīzes eļļas;
• gazifikācija;
• konceptuāli jaunu, videi draudzīgu biomateriālu, tādu kā biokompozītmateriāli, biokosmētika, nanoceluloze, izstrāde;
• biorafinēšanas iekārtu procesa modelēšana, dizains, inženiertehniskie risinājumi;
• biomasas resursu termālās pārveidošanas modeļa izstrāde, ieskaitot paralēlu gazifikācijas un biokarbonizēšanas produktu reaktoru darbību;
• biorafinēšanas procesa uzlabošana, izmantojot sistēmu bioloģiju, metabolisko inženieriju, sintētisko bioloģiju utt.;
• industriālo enzīmu biomasas pārveidošana;
• bioprocesu tehnoloģiju pētījumi;
• pētījumi par meža biomasas izmantošanas iespējām produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanai [44].
2.3. attēls. Borregaard uzņēmumu ražošanas procesu shēma [45].
Norvēģijas zinātnieki un uzņēmumi pastiprināti pēta termoķīmiskos (gazifikācija, karbonizācija, pirolīze, hidrotermiskā sašķidrināšana) un bioķīmiskos (fermentācija, enzīmu pārvērtība, anaerobā fermentācija) risinājumus biomasas pārveidošanai. Norvēģijā izpētei nepieciešamā zinātniskā un tehniskā kapacitāte ir vairākām zinātniskajām institūcijām, piemēram, SINTEF MK (gazifikācija, hidrotermiskā sašķidrināšana, ķīmiskā katalīze), SINTEF ER (gazifikācija, sadedzināšana, karbonizācija, pirolīze) PFI (pirolīze), UiA (gazifikācija) HiT (gazifikācija) un NTNU (gazifikācija). Bioķīmiskās pārveidošanas procesu pētīšanai nepieciešamās iekārtas ir pieejamas, piemēram, NMBU (anaerobā fermentācija, enzīmu pārvērtība, fermentācija), SINTEF MK (fermentācija, enzīmu pārvērtība, anaerobā fermentācija), NAMAB/NOFIMA (enzīmu hidrolīze), BIOFORSK (anaerobā fermentācija), un UiA (anaerobā fermentācija). Biomasas priekšattīrīšanas iekārtas ir pieejamas PFI (mizošana, tvaika sprādziens), NMBU (tvaika sprādziens), HiT (fiziskā un enzīmu hidrolīze), BIOFORSK (tvaika sprādziens). Procesa dizaina, modelēšanas un uzlabošanas izpēte tiek veikta SINTEF MK, NMBU, NTNU, HiT un NOFIMA [45] [43] [44].
Somija
Somija ir viena no līdervalstīm bioenerģijas izmantošanā. Koksne un koksnes materiāli ir galvenā izejviela no biomasas iegūtās enerģijas ražošanai. Somijā meža un lauksamniecības biomasa ir galvenās bioloģiskās biorafinēšanas izejvielas.
Somijā norit šķidrās biodegvielas transportlīdzekļu vajadzībām izstrāde no meža biomasas, tajā skaitā koku galotnēm, celmiem, zariem un citiem mežizstrādes atkritumiem. Šobrīd
notiek vispiemērotāko biorafinēšanas tehniku testēšana. Lapēnrantā, Somijā, ir uzsākta pirmā atjaunojamās biodīzeļdegvielas no meža biomasas komerciālā ražošana. Plānotā ražošanas jauda ir 100 000 tonnu biodīzeļa gadā.
Šobrīd notiek Somijā lielākās bioproduktu ražotnes celtniecība. Tiek plānots, ka uzņēmumā, kas plāno uzsākt darbību 2017. gadā, tiks saražoti 1,3 miljoni tonnu celulozes gadā un citi bioprodukti: taleļļa, terpentīns, lignīna produkti, elektrība un cietais kurināmais. Ražotne tiek būvēta esošās celulozes ražošanas rūpnīcas teritorijā. Plānots kā izejmateriālu izmantot tikai meža biomasu. Tā kā papīra ražošanas apjomi ir samazinājušies, meža industrija meklē jaunas biznesa iespējas, koksnes šķiedras pārstrādājot biokompozītmateriālos, bioķīmiskās vielās utt.
2.2. tabula. Meža biomasas pārstrāde Somijā
Uzņēmuma nosaukums | Atrašanās vieta | Pārstrādes tehnoloģija | Produkti |
BioVerno [46] | Lappeenranta | Biorafinēšana, pirolīze | Biodīzeļdegviela |
Metsä Group [47] | Äänekoski | Celulozes un papīra ražotne, bioproduktu pārstrādes iekārta | Pulpa (celuloze), taleļļa, terpentīns, lignīna produkti |
Fortum | Joensoo | Pirolīze (rotējošais slānis), priede, 10000 kg/h | Biodegviela, 6313 kg/h |
Valmet | Tampere | Pirolīze | Biodegviela |
Lapēnrantā 2015. gadā uzņēmumā BioVerno uzbūvētā biorafinēšanas iekārta ir lielākā koksnes biodīzeļa ražotne Eiropā. Uzņēmums gada laikā saražo 100 000 tonnu biodegvielas. Kā izejmateriāls biodegvielas ražošanai tiek izmantota taleļļa. Tā tiek iegūta uzņēmumam blakus esošajā celulozes un papīra fabrikā. Koksnes taleļļas biodīzeļa ražošana tiek veikta, izmantojot vairākpakāpju ražošanas procesus. Tehnoloģijas pamatā ir hidroattīrīšana. Ražošanas fāzes ietver:
• neattīrītas taleļļas priekšattīrīšanu;
• hidroattīrīšanu;
• hidrokarbonātu atdalīšanu;
• reciklētās gāzes attīrīšanu;
• frakcionēšanu, kuras rezultātā tiek atdalīts dīzelis un neliels atjaunojamās naftas daudzums (skat. 2.4. attēlu).
2.4. attēls. Biodegvielas no koksnes ražošanas shēma Somijas uzņēmumā BioVerno [37].
Ražotnes kopējās investīciju izmaksas ir 000 000 000 eiro.
Zinātniskā izpēte par meža biomasas izmantošanas iespējām Somijā:
• ar Somijas Nodarbinātības un ekonomikas ministrijas atbalstu, uzsākta iekārtas komercializētai celulozes etanola ražošanai būvniecība Myllykoski;
• somu uzņēmumi kopā ar ASV uzņēmumu Andritz Carbona izstrādā gazifikācijas iekārtu biodegvielas ražošanai no meža biomasas. Iekārtas testēšana tika veikta ASV;
• UPM, Metso un Fortum sadarbībā ar VTT Somijas tehniskās izpētes centru izstrādājuši jaunu konceptu meža biomasas biodegvielas ražošanai, kas varēs aizvietot fosilo kurināmo. Biodegvielas ražošana ir integrēta biomasas elektrības ražošanas stacijā. Ilgtermiņa mērķis ir izmantot biodegvielu transporta vajadzībām;
• UPM, Fortum un Valmet izstrādā tehnoloģijas uzlabotas lignocelulozes biodegvielu ražošanai. Projekta nosaukums ir Lignocat (lignocelulozes degvielas, izmantojot katalītisko pirolīzi);
• somu uzņēmums UPM plāno uzsākt uzlabotu meža biomasas biodegvielu ražošanu biorafinēšanas rūpnīcā, kas tiek būvēta Strasbūrā, Francijā. Eiropas Savienība ir piešķīrusi 170 000 000 eiro šī projekta īstenošanai;
• Green Fuel Nordic Oy Kuopio izstrādā meža biomasas biorafinēšanas iekārtu, kas atradīsies Savonlinnā. Ātrā termālā procesa pārstrādes ietvaros ir plānots saražot 90000 tonnu biodegvielas gadā;
• NSE Biofuels Oy Varkaus sadarbībā ar Stora Enso un Neste Oil atlikumus no Varkaus
celulozes ražotnes gazifikācijas procesā plāno pārveidot par singāzi;
• Lapēnrantas Tehnoloģiju universitāte strādā pie cukura un saldinātāju ražošanas no meža biomasas [44] [46] [48] [49];
• Uzņēmums Kaidi plāno uzbūvēt biorafinēšanas iekārtu biodīzeļa ražošanai Kemi. Plānotā ražotnes jauda 2 milj.m3 koksnes gadā. Investīcijas plānotas 1 miljarda eiro apjomā. Plānots, ka ražošana tiks uzsākta 2019. gadā.
Zviedrija
Zviedrija ir viena no vadošajām valstīm transporta biodegvielas ražošanā un izmantošanā. Zviedrijā tiek attīstīta infrastruktūra transporta biodegvielas komercializēšanas vajadzībām. Tajā pašā laikā papildus biodegvielām (pārsvarā bioetanols), biorafinēšanas iekārtās tiek
ražotas dažādas ķīmiskās vielas (tai skaitā farmācijas izejvielas un minerālmēsli), pārtikas piedevas un dzīvnieku barība.
Zviedrijā ir plašs celulozes un papīra rūpniecības tīkls. Daļā no esošajām rūpnīcām jau ražo vai plāno ražot blakusproduktus (2.3. tabula).
2.3. tabula. Blakusproduktu ražošana Zviedrijas celulozes un papīra rūpnīcās
Uzņēmuma nosaukums | Atrašanās vieta | Blakusprodukti |
Aditya Birla Domsjö Fabriker | Örnsköldsvik | Lignosulfonāts, etanols, tekstila šķiedras |
BillerudKorsnäs AB | Brövi | Bioplastmasa |
Xxxxxxxxx | Iepakojums | |
Zviedrijā tiek prognozēts, ka nākotnē aizvien vairāk tiks ražoas biodegvielas un citi produkti ar augstu pievienoto vērtību:
• Zviedrijā interesējas par ķīmisko vielu ražošanu no biomasas, un vislielākā interese šobrīd ir par cukuriem un ligno bāzes produktiem. Galvenā interese ir par šādiem produktiem:
― ķīmiskām vielām, tādām kā diacīds, dihidroksipropionskābe, asparagīnskābe utt. Šīs vielas ir pieprasītas lielos apjomos, tāpēc garantēts ir to noiets. Šīs vielas tiek izmantotas polimēru celtniecības bloku ražošanā un bioplastmasā;
― bioplastmasām;
― speciālām ķīmiskām vielām (lubrikantiem, virsmaktīvām vielām);
― parafarmācijas vielām;
― minerālmēsliem;
― pārtikas produktiem un barību. Plānots sākt pārtikas produktu ražošanu no meža resursiem, ražojot dzīvnieku barību un medikamentus (antioksidantus, prebiotiķus utt.);
― biotehnoloģiskajiem risinājumiem (bioloģisko komponentu vai/un enzīmu izmantošana), izmantojot cukuru atvasinājumus par oglekļa bāzi. Pieejamas izstrādes par monometrisko un dimetrisko cukuru ražošanu no resursiem, kas pieļauj mikroorganismu augšanu, kuri tiek izmantoti kā metabolīti vai katalīti.
• Kā viens no intereses objektiem ir arī priekšattīrīšanas izstrāde un uzlabošana, kas ļauj koka skaidas izmantot etanola ražošanā.
• Ģenētiskās inženierijas un biokatalītiskās platformas pētījumos tiek radītas virsmaktīvās vielas un pētīti jauni farmaceitiskie proteīni.
• Mikrobioloģiskās izpētes pamatā ir cukuri, un tā ir saistīta ar tehnoloģijām, kas nodrošina bioetanola ražošanu, izmantojot rauga šūnas.
• Atdalīšanas tehnoloģijas ir balstītas uz membrānu tehnoloģiju izmantošanu.
Zviedrijas inovāciju sistēmas, kas saistītas ar meža biomasas izmantošanas pētījumiem, stiprās puses ir:
• ilgtermiņa finansējums zinātnei;
• attīstīta zinātnes infrastruktūra;
• spēcīgs iesaistīto pušu tīkls. Tas sekmē Zviedrijas inovāciju attīstību. Kavējošie faktori ir:
• vāja starpministriju koordinācija;
• industriālās kapacitātes trūkums;
• neskaidras lomas utt.
2.5. attēls. Inovācijas sistēmas spēlētāji Zviedrijā [50].
Zviedrijas integrētās biorafinēšanas tehnoloģiskās inovācijas sistēmas galvenie spēlētāji ir redzami 2.5. attēlā.
2.2.2. Inovācijas meža biomasas pārstrādē Ziemeļamerikā
Kanāda
Kanāda kā valsts ar lielu teritoriju un lieliem meža resursiem domā par dažādiem meža biomasas ilgtspējīgākas izmantošanas veidiem, tajā skaitā koksnes izmantošanu elektrības ieguvei (līdzsadedzināšana ogļu stacijās) un biorafinēšanu [51].
Kanādā, meklējot inovatīvus risinājumus meža biomasas izmantošanai, netiek aizmirsts tradicionālais koksnes izmantošanas veids – būvniecībai. Tiek akcentēts, ka koka būvkonstrukcijas pašlaik aizņem apmēram 17 % no tirgus daļas, bet tā potenciāls ir 50–65 %. Kā būtiska inovācija, kas šajā ziņā pārliecinoši turpina ieņemt būvkonstrukciju tirgu, ir CLT (cross laminated timber) paneļi [52], kā arī citi koka konstrukciju veidi, piemēram, glulam (slāņveida liektas sijas).
2.24. tabula. Meža biomasas pārstrāde Kanādā
Uzņēmuma nosaukums
Atrašanās vieta Pārstrādes tehnoloģija Produkti
ABRITech | Kvebeka | Pirolīze, 2000 kg/h skujkoku mizas | Biodegviela, 1300 kg/h, singāze, 320 kg/h |
Pirolīze (cirkulējošais verdošais slānis), 2500 kg/h mežizstrādes atkritumu | Biodegviela, 1720 kg/h | ||
Ensyn | Renfrew | ||
Lignol Innovations Ltd. | Burnaby | Termoķīmiskā pārstrāde | Etanols, lignīns |
Tāpat kā citās valstīs, arī Kanādā uzmanība tiek pievērsta netradicionālām koksnes izmantošanas iespējām, piemēram, automašīnu industrijā. Kokšķiedras tiek izmantotas, lai ražotu vieglus kompozītmateriālus ar augstu stiprību. Lignīns tiek izmantots kā viena no sastāvdaļām riepu ražošanā. Koksnes putekļi – kā komponents automobiļu iekšējai apdarei. Tādējādi tiek samazināta automašīnu ietekme uz vidi un klimatu. Pastiprināta pētījumu uzmanība vērsta arī uz produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanu, izmantojot no koksnes iegūstamos ķīmiskos savienojumus, piemēram, kosmētikā. Tiek attīstītas iespējas no celulozes iegūšanas pāri palikušo lignīnu izmantot 3D drukāšanai nepieciešamā substrāta izgatavošanai [53].
Amerikas Savienotās Valstis
Neskatoties uz to, ka Amerikas Savienotās Valstis ir bagātas ar fosilajiem resursiem, arī tur notiek aktīvi pētījumi par bioresursu izmantošanu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanai, tātad – valsts attīstību atbilstoši bioekonomikas pamatprincipiem. Turklāt viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc uzņēmēji, patērētāji un valdība cenšas palielināt bioproduktu tirgus daļu, ir tieši vēlme mazināt atkarību no naftas pārstrādes produktiem, kas nāk no citām valstīm. Šobrīd no inovatīvajiem bioproduktiem visplašāk tiek ražota bioplastmasa, lubrikanti, šķīdinātāji, virsmaktīvās vielas un citi bioloģiski ķīmiskie izstrādājumi [54].
2.5. tabula. Meža biomasas pārstrāde ASV
Uzņēmuma nosaukums | Atrašanās vieta | Pārstrādes tehnoloģija | Produkti |
Frontier Renewable Resources | Kincheloe | Termoķīmiskā pārstrāde | Etanols, 60000 t/gadā, lignīns |
LanzaTech, Inc | Xxxxxxxx | Xxxxxxxxxxxx pārstrāde | Etanols, 15000 t/gadā |
Mascoma Corporation | Rome | Termoķīmiskā pārstrāde | Etanols, 500 t/gadā, lignīns |
Abengoa | Hadsona | Biorafinēšana | Etanols |
Haldor Topsoe | Ilinoisa | Biorafinēšana | Biodīzeļdegviela |
Zeachem | Oregona | Biorafinēšana | Etanols un ķīmiskās vielas |
Red Rock Biofuels | Lakeview | Gazifikācija | Biodīzelis |
ASV jau pastāv relatīvi daudz uzņēmumu, kas nodarbojas ar dažādu produktu izgatavošanu no meža biomasas, tajā skaitā arī ar produktu ar augstu pievienoto vērtību. Joprojām izplatītākie no šiem produktiem ir enerģētikas nozares produkti. Daži piemēri apkopoti 2.5. tabulā.
Galvenie bioproduktu izpētes virzieni Amerikas Savienotajās Valstīs ir līdzīgi kā citās:
• ķimikālijas (bioplastmasa ar plastmasas no naftas pārstrādes produktiem pievienošanu un bez tās, biolubrikanti, biošķīdinātāji, bioloģiskas virsmaktīvās vielas, biosintētika);
• tradicionālo biomasas pārstrādes veidu blakusprodukti;
• biofarmācija;
• mikroorganismi un enzīmi;
• krāsvielas;
• plaša patēriņa preces (mēbeļu, mājsaimniecības preču, higiēnas preču, autobūves, būvniecības un pārtikas nozarēs) [54].
2012. gadā ASV izstrādāts Nacionālais bioekonomikas projekts. Kā galvenās bioekonomikas tendences izvirzīats veselība, enerģija, lauksaimniecība, vide un sadarbība. Šajā dokumentā mežsaimniecībai un meža biomasas izmantošanai bioekonomikas kontekstā netiek pievērsta pastiprināta uzmanība, tomēr tas nenozīmē, ka plānotais valsts atbalsts un izmaiņas normatīvajos aktos, lai veicinātu bioresursu ilgtspējīgu izmantošanu, netiek attiecināts arī uz meža biomasas izmantošanu [55].
3. Bioresursu pārstrādes tehnoloģijas
Šajā nodaļā apskatītas bioresursu pārveides tehnoloģijas, kas izmantojamas meža bioresursu un to atlikumu pārstrādei. Šīs pārstrādes tehnoloģijas apskatītas atsevišķi, tomēr visbiežāk biomasas pārstrādes procesi ietver vairākus tehnoloģijas veidus.
Biomasas pārstrāde ietver plašu tehnoloģiju klāstu, ko izmanto, lai no biomasas izejvielas (koksne, zāle, lauksaimniecības kultūras, organiskie atkritumi u. c.) izdalītu tās sastāvā esošos ogļūdeņražus, proteīnus, triglicerīdus un citas vielas, ko var izmantot produktu ražošanā. Biomasas pārveide enerģijā, degvielā un produktos notiek ar dažādu pārveides procesu vai to kombināciju palīdzību.
Savu metodiku biomasas pārstrādes procesu un galaproduktu klasifikācijai ir piedāvājusi Starptautiskā Enerģētikas aģentūra. Metodikas pamatā ir ideja, ka ikvienu individuālu biomasas pārstrādes sistēmu ir iespējams raksturot četros dažādos aspektos [56]:
• tehnoloģiju platforma;
• produkti;
• izejviela;
• procesi.
Lai no bioresursiem ražotu biodegvielas, bioķīmiju, biomateriālus, pārtiku un lopbarību, tiek izmantoti dažādi pārveides procesi. Vispārīgi biomasas pārveides procesi iedalāmi četrās lielās grupās (3.1. attēls) [57]:
• bioķīmiskie procesi (fermentācija un anaerobā fermentācija), kas noris “vieglākos” apstākļos (zemākā temperatūrā un spiedienā), izmantojot mikroorganismus un enzīmus;
• termoķīmiskie procesi (sadedzināšana, gazifikācija, pirolīze, hidrotermiskā pārveide), kur izejvielas nonāk “ekstremālos” apstākļos (ļoti augsta temperatūra un/vai spiediens, izmantojot vai neizmantojot katalizatoru);
• mehāniskie procesi (ekstrakcija, šķiedru atdalīšana, presēšana, mehāniskā frakcionēšana, destilācija u. c.), kas nemaina biomasas ķīmisko sastāvu, bet panāk daļiņu samazinājumu vai atsevišķu komponentu izdalīšanu no biomasas izejvielas;
• ķīmiskie procesi (hidrolīze, pāresterifikācija, hidrogenēšana, oksidācija u. c.), kuru laikā notiek ķīmiskas izmaiņas substrātā.
Termoķīmiski procesi
Bioķīmiski procesi
Ķīmiski procesi
Mehāniski procesi
3.1.attēls. Bioresursu tehnoloģisko pārveides procesu klasifikācija.
3.1. Bioresursu termoķīmiskie pārveides procesi
Termoķīmiskā biomasas pārveide nozīmē paaugstinātas temperatūras un spiediena ietekmi uz biomasu, lai sarautu biomasas struktūru veidojošās ķīmiskās saites un atbrīvotu enerģiju vai nu tiešā veidā kā sadedzināšanas procesā, vai ķīmiskās pārveides ceļā, iegūstot tālāk izmantojamus produktus. Termoķīmiskie biomasas pārveides procesi, enerģijas nesēji un galaprodukti no biomasas izejvielām ir ilustrēti 3.2. attēlā [58].
3.2.attēls. Termoķīmiskie bioresursu pārveides procesi [58].
Šajā nodaļā tiks apskatīti galvenie bioresursu termoķīmiskie pārveides procesi, kurus var pielietot meža biomasas pārveidei.
3.1.1. Pirolīze
Pirolīze ir biomasas pārveide šķidrā, cietā vai gāzveida stāvoklī, biomasu karsējot bez gaisa pievadīšanas (~ 500 °C temperatūrā). Procesa rezultātā var iegūt gan cietu (bioogles), gan šķidru (bioeļļa), gan gāzveida produktu. Šī iemesla dēļ pirolīzi komerciāli izmanto dažādu produktu ražošanai, ieskaitot degvielas, šķīdinātājus, ķimikālijas. Ir trīs pirolīzes procesa veidi [59]:
• lēnā pirolīze jeb karbonizācija;
• ātrā pirolīze;
• superātrā pirolīze.
Atkarībā no pirolīzes procesa parametriem (temperatūras un procesa ātruma) mainās attiecība, kādā iegūst galaproduktus:
• šķidrā agregātstāvoklī – bioeļļu;
• cietā agregātstāvoklī – bioogles;
• gāzveida agregātstāvoklī – sintēzes gāzi.
Bioogles ir cieta viela vai materiāls ar kokoglei līdzīgām īpašībām. Bioogļu augstākais sadegšanas siltums ir vidēji 26 MJ/kg, kas ir tuvu vidējas kvalitātes akmeņogļu augstākā sadegšanas siltuma vērtībai.
Pirolīzes sintēzes gāze sastāv galvenokārt no ūdeņraža un oglekļa monoksīda, bet nelielos daudzumos satur oglekļa dioksīdu, ūdeni, slāpekli un ogļūdeņražus CH4, C2H4, C2H6, darvu, pelnus u. c. piejaukumus atkarībā no izejviela sastāva un pirolīzes procesa apstākļiem. Sintēzes gāzi no biomasas pirolīzes var izmantot kā degvielu iekšdedzes dzinējos vai rūpnieciskajos degšanas procesos.
Bioeļļa ir šķidrums, kas galvenokārt sastāv no ūdens, organiskajām skābēm, dažādiem ogļūdeņražu savienojumiem un citiem komponentiem. Bioeļļai ir plašas lietojuma iespējas (skatīt 3.3. attēlu). Bioeļļu var izmantot tiešā veidā, sadedzinot kurtuvēs vai citā aprīkojumā ar tiešu degvielas padevi. Tomēr jāņem vērā, ka, lai izmantotu bioeļļu, tai piemītošo īpašību dēļ (augsts skābums, kas izraisa koroziju, nestabilitāte uzglabājot un pārvadājot, polimerizācija, pakāpeniska viskozitātes palielināšanās u. c.) ir jāveic pielāgošanas pasākumi. Tie var būt vērsti gan uz aprīkojuma pielāgošanu, gan bioeļļas priekšapstrādi. Turklāt bioeļļai ir salīdzinoši zema enerģētiskā vērtība: tās augstākais sadegšanas siltums ir aptuveni 20 MJ/kg [57].
Bioeļļu ir iespējams gazificēt un iegūt pirolīzes eļļas sintēzes gāzi. Tas paver iespējas ražot sintētisko degvielu, ar ko iespējams aizstāt fosilo transporta degvielu. Par sintēzes gāzi vairāk aprakstīts turpmākajās apakšnodaļās. Transporta degvielu no bioeļļas var ražot arī, uzlabojot tās kvalitāti. Bioeļļas kvalitātes uzlabošanas procesa mērķis ir atbrīvoties no bioeļļas sastāvā esošā skābekļa, un to dara ar katalizatora palīdzību [60].
Bioeļļa satur vairāk nekā 300 ķīmisku vielu, līdz ar to pastāv iespēja izmantot bioeļļu arī dažādu ķīmisku vielu un materiālu ražošanā. No bioeļļas var iegūt, piemēram, lignīnu, dažādus ogļūdeņražus un pārtikas rūpniecībā izmantojamas vielas. Tomēr jāņem vērā, ka daudzu elementu koncentrācija bioeļļā ir ļoti zema un to atgūšana no bioeļļas šobrīd nav ekonomiski pamatota.
3.3.attēls. Bioeļļas izmantošanas risinājumi [60].
No bioeļļas var iegūt arī ūdeņradi, izmantojot tvaika reformāciju, daļēju oksidāciju, superkritisko ūdens reformāciju un citas metodes. Galvenais izaicinājums, iegūstot ūdeņradi no bioeļļas, ir katalizatora deaktivizācija, ko izraisa koksēšana. Daudzi pētījumi [61], [62], [63] notiek tieši šajā jomā, lai atrastu jaunus katalizatorus nepārtrauktai ūdeņraža ieguvei no
bioeļļas. Bioeļļas fizikālās īpašības (lipīgums, sveķiem līdzīgā kvalitāte) padara to piemērotu izmantošanai arī citiem nolūkiem, piemēram, kā asfalta saistvielu, aizstājot līdz šim izmantotos naftas produktus.
3.1.2. Gazifikācija
Gazifikāciju cilvēki pazīst un izmanto jau vairāk nekā 100 gadus, kad no oglēm un kūdras tika iegūta gāze apsildei, ēdiena gatavošanai un arī apgaismojumam. Eiropā gazifikācija ienāca Otrā pasaules kara laikā, kad, iztrūkstot naftas piegādēm, no koksnes šķeldas tika ražota gāze transportlīdzekļu darbināšanai un elektroenerģijas ražošanai [58].
Galvenais biomasas gazifikācijas procesa princips ir cietās biomasas pārveidošana gāzveida produktos. Tas notiek, izmantojot daļēju biomasas oksidāciju augstā temperatūrā. Temperatūras diapazons ir robežās no 700 līdz 1500 °C, un spiediens var sasniegt 30 atmosfēras. Kā oksidējošo aģentu izmanto ne tikai gaisu, bet arī tīru skābekli, tvaiku vai šo gāzu maisījumu [57].
Gazifikācijas procesā iegūto gāzi, sauktu arī par sintēzes gāzi, veido CO, CO2, H2, CH4 un citi ogļūdeņraži, kā arī piesārņotāji (cietās daļiņas, darva, slāpekļa savienojumi, sēra savienojumi, sārmu metālu savienojumi). Sintēzes gāzes sastāvu un kvalitāti lielā mērā ietekmē biomasas izejvielas fizikālās un ķīmiskās īpašības (pelnu un mitruma saturs, organisko vielu sastāvs).
Sintēzes gāzi var izmantot, gan tiešā veidā sadedzinot, gan kā degvielu gāzes dzinējos un turbīnās elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošanai. Tāpat sintēzes gāzi ir iespējams izmantot kā izejvielu citu produktu ražošanā, piemēram, izdalot ūdeņradi, vai lai ķīmiskās sintēzes ceļā ražotu dažādus ķīmiskās rūpniecības produktus, piemēram, amonjaku.
3.4.attēls. Sintēzes gāzes lietojuma iespējas [64].
Sintēzes gāzes lietojums ūdeņraža ražošanā
Ūdeņradis ir viena no svarīgākajām rūpnieciskajām ķīmiskajām vielām. Ūdeņradi plaši izmanto ne vien metanola un amonjaka ražošanā, bet arī tauku un eļļu hidrogenēšanai
pārtikas rūpniecībā, kā arī desulfurizācijas un reģenerācijas procesos benzīna pārstrādes rūpniecībā.
Šobrīd 95 % ūdeņraža tiek iegūti no fosilajām izejvielām: dabasgāzes, naftas un oglēm. Ūdeņraža ieguve no dabasgāzes notiek metāna pārtvaices procesā, kurā metāns 3–25 bāru spiedienā katalizatora klātbūtnē reaģē ar ūdens tvaiku augstā temperatūrā (700–1000 °C). Reakcijas rezultātā rodas ūdeņradis, oglekļa monoksīds un nelielā daudzumā oglekļa dioksīds:
CH4 + H2O → CO + 3 H2.
Otrajā procesa solī iegūtais gāzu maisījums kopā ar ūdens tvaiku tiek laists pāri katalizatoram. Oglekļa monoksīds katalizatora klātbūtnē reaģē ar tvaiku, radot oglekļa dioksīdu un papildu ūdeņradi:
CO + H2O → CO2 + H2.
Ūdeņraža ražošana no dabasgāzes ir šobrīd vislētākais un visplašāk izmantotais paņēmiens. Tomēr jāņem vērā, ka dabasgāze ir fosilais resurss. Alternatīva iespēja ir ūdeņradi ražot no biomasas sintēzes gāzes.
Ūdeņraža ieguve no biomasas sintēzes gāzes notiek līdzīgi kā no dabasgāzes. Sintēzes gāze tiek attīrīta, atdzesēta un saspiesta. Primārajā procesa solī sintēzes gāzes sastāvā esošais metāns un augstākie ogļūdeņraži tiek pārvērsti H2 un CO (temperatūra reaktorā ir 800–850 oC), un ūdens tvaika katalītiskajā reakcijā ar CO liela daļa CO un ūdens tiek pārvērsta H2 un CO2. Atlikušais CO tiek izlietots reakcijās augstas (370–435 oC) un zemas temperatūras (220 oC) reaktoros. Vēlāk ūdeņradis ir jāatdala no pārējo gāzu plūsmas, kas sastāv galvenokārt no CO2, neizreaģējušā CO, CH4 un citiem ogļūdeņražiem. Šim nolūkam var izmantot, piemēram, PSA (spiediena maiņas adsorbcijas) vai membrānu separācijas sistēmas.
Sintēzes gāzes lietojums 2. paaudzes biodegvielas ražošanai
Šķidrās biodegvielas ražošanai no sintēzes gāzes izmanto Fišera-Tropša (FT) procesu. FT process ir pazīstams kopš 1920. gada, kad to radīja vācu izgudrotāji Xxxxxx Xxxxxx (Xxxxx Xxxxxxx) un Xxxxx Xxxxxx (Xxxx Xxxxxxx). FT sintēzē lielākoties kā izejvielas izmanto ogles un dabasgāzi. Tomēr FT procesu r iespējams īstenot arī ar biomasas izejvielu.
FT process ir katalītiska ķīmiska reakcija, kuras laikā sintēzes gāzi veidojošais oglekļa monoksīds un ūdeņradis tiek pārvērsti piesātinātajos ogļūdeņražos. Process notiek 200–250 oC temperatūrā un 25–60 bāru spiedienā katalizatora klātbūtnē. FT sintēzei var izmantot dažādus katalizatorus, no kuriem visbiežāk lietotie ir dzelzs, kobalts un niķelis.
Dominējošā procesa blakusreakcija ir ūdens tvaika katalītiskā konversija ar oglekļa monoksīdu:
CO + H2O → H2 + CO2.
Atkarībā no biomasas sastāva, FT reaktora veida, izmantotā katalizatora un darbināšanas apstākļiem (temperatūra, spiediens, ātrums) FT sintēzes rezultātā var iegūt dažādus ogļūdeņražus. To vidū ir metāns, propāns, butāns, metanols, etanols, izobutanols, dimetilēteris, metilacetāts, dimetilkarbonāts, benzīns, dīzeļdegviela un parafīna vaski. 3.5. attēlā parādīta Fišera-Tropša sintēze.
3.5.attēls. Šķidrās degvielas ražošana, izmantojot Fišera-Tropša metodi [64].
3.1.3.Hidrotermiskā pārveide
Bioeļļu var iegūt ne tikai biomasas pirolīzes rezultātā, bet arī hidrotermiskās sašķidrināšanas procesā. Biomasas hidrotermiskās pārstrādes tehnoloģiskie procesi ir trīs:
• sašķidrināšana;
• hidrotermiskā gazifikācija;
• hidrotermiskā karbonizācija [57].
Kopējais hidrotermiskās pārveides process parādīts 3.6. attēlā.
Sašķidrināšana pieder pie hidrotermiskajiem biomasas pārveides procesiem, kuru norisei kā reakcijas vide ir nepieciešams ūdens. Šī iemesla dēļ hidrotermiskā pārstrāde ir piemērota mitrai biomasas izejvielai.
Sašķidrināšana ir biomasas termiska pārveide no cietas vielas šķidrumā, kas tiek īstenota, nodrošinot noteiktus procesa parametrus:
• salīdzinoši zemu temperatūru (250–450 oC);
• augstu spiedienu (100–200 bāri);
• katalizatora klātbūtni (parasti tas ir nātrija karbonāts).
3.6. attēls. Biomasas sašķidrināšanas un kvalitātes uzlabošanas procesa soļi un galaprodukti [58].
Process norit ūdens vidē, ko nodrošina paaugstinātais spiediens. Procesa būtība ir panākt, ka biomasas sastāvā esošais mitrums nevis iztvaiko, bet saglabā šķidro fāzi. Atšķirībā no pirolīzes sašķidrināšana ir ilgāks process un ilgst apmēram pusstundu. Sašķidrināšana ir arī dārgāka nekā pirolīze, tomēr iegūtā bioeļļa satur mazāk skābekļa (12–14 %) nekā pirolīzes ceļā iegūtā bioeļļa, kas padara degvielu ķīmiski stabilāku un ļauj vienkāršot tālāko pārstrādes procesu, lai iegūtu ogļūdeņraža produktus. Atšķirībā no tradicionālās gazifikācijas, kurā tiek izmantota sausa biomasa, hidrotermiskā biomasas gazifikācija ļauj izmantot biomasu ar tās dabisko mitruma saturu. Atkarībā no reakcijas apstākļiem gazifikatorā tiek iegūta degoša metāna vai ūdeņraža gāze.
Hidrotermiskās biomasas gazifikācijas ideja ir izmantot ūdeni kā šķīdinātāju un reakcijas partneri. Superkritiskos apstākļos notiek strauja biomasas hidrolīze un biomasas polimēriskās struktūras degradācija. Sekojošajās reakcijās, temperatūrai esot relatīvi zemai, salīdzinot ar tradicionālo gazifikāciju, veidojas gāze. Hidrotermiskā karbonizācija ir termoķīmisks process, kas ļauj izmantot zemas kvalitātes, mitru biomasu. Biomasa tiek ievietota slēgtā reaktorā, kur temperatūra ir 108–250 oC. Hidrotermiskās karbonizācijas reakcijas laikā no biomasas tiek izdalīts ūdens, oglekļa dioksīds un citi savienojumi, tādējādi paaugstinot biomasas enerģētisko vērtību. Procesa rezultātā tiek iegūts tā saucamais hidrotermiskais ogleklis, kas ir porains, trausls, gandrīz putekļiem līdzīgs produkts, kuru var gan izmantot enerģijas ieguvei, gan, piemēram, iestrādāt augsnē kā CO2 absorbentu. Savukārt šķidrā fāze satur vērtīgas ķīmiskas vielas, piemēram, organiskās skābes.
3.2. Bioķīmiskie pārveides procesi
Salīdzinot ar termoķīmiskajiem procesiem, bioķīmiskie biomasas pārveides procesi norit zemākās temperatūrās (0 – 60 oC), un reakciju ātrums ir mazāks. Bioķīmiskā biomasas pārveide ietver enzīmu, baktēriju un mikroorganismu izmantošanu, lai sadalītu biomasu gāzveida vai šķidrajā degvielā. Divi populārākie bioķīmiskie procesi ir fermentācija un anaerobā fermentācija.
3.2.1. Fermentācija
Fermentācijā izmanto mikroorganismus un enzīmus, lai pārvērstu substrātu tālāk izmantojamos produktos (parasti alkoholos vai organiskajās skābēs). Šobrīd vispieprasītākais fermentācijas produkts ir etanols, tomēr daudz tiek pētīta arī dažādu citu ķīmisku vielu, piemēram, ūdeņraža, metanola un dzintarskābes, iegūšana fermentācijas ceļā. Heksozes (monosaharīdi ar sešiem oglekļa atomiem), galvenokārt glikoze, ir visbiežāk izmantotais fermentācijas substrāts, kamēr, lai izmantotu pentozes (pieci oglekļa atomi), glicerīnu un citus ogļūdeņražus, ir jāizmanto speciāli fermentācijas organismi, lai nodrošinātu to pārveidi etanolā [65].
Anaerobā fermentācija ir bioķīmisks process, kura laikā biosadalāmais organiskais substrāts bezskābekļa vidē baktēriju ietekmē sadalās. Galvenie procesa galaprodukti ir biogāze (gāzes maisījums, ko veido metāns, CO2 un dažādi piemaisījumi) un pārstrādātais substrāts jeb digestāts.
Etanola fermentācija
Fermentācija ir pasaulē labi zināma un plaši lietota, lai ražotu etanolu no cukuru un cieti saturošiem augiem. Fermentācija ir anaerobs process (notiek bezskābekļa vidē), kas ietver virkni ķīmisku reakciju. Fermentācijas procesu vienkāršoti raksturo vienādojums:
Glikoze → etanols + CO2.
Fermentācijas process nevar notikt bez rauga baktēriju klātbūtnes. Raugs ir mikroorganisms, kas darbojas kā reakcijas katalizators. Etanolu vēlāk destilē un dehidrē, lai palielinātu alkohola koncentrāciju un sasniegtu nepieciešamo tīrības pakāpi, kas ļauj degvielu izmantot transportlīdzekļos. Fermentācijas procesa pārpalikumus var izmantot lopbarībai vai kā kurināmo [66].
Bioetanola ražošanā parasti izmanto augus ar augstu cukura saturu (cukurniedres, kukurūzu, saldos kartupeļus). Šīs izejvielas ir uzskatāmas par pirmās paaudzes bioresursiem. Citi biomasas veidi, ko izmanto fermentācijas procesos, ir cieti saturoši materiāli, tādi kā kvieši, mieži, auzas un rīsi, kā arī lignocelulozi saturoši materiāli – lauksaimniecības atkritumi un koksnes biomasa. Pilnu Bioetanola ražošanas shēmu skatīt 3.7. attēlā.
3.7. attēls. Bioetanola ražošanas no pirmās un otrās paaudzes izejvielām.
Lignocelulozes biomasas gadījumā atšķirība ir tā, ka bez celulozes un hemicelulozes, ko var pārvērst cukuros, tā satur arī nefermentējamu frakciju, ko sauc par lignīnu. Tāpēc ir nepieciešami vairāki priekšapstrādes un hidrolīzes soļi, lai pārrautu celulozes un hemicelulozes šķiedras aptverošās lignīna sieniņas. Tādā veidā šīs šķiedras kļūst pieejamas fermentācijas procesam. Tomēr 15–30 % no ievadītās biomasas masas paliek pāri kā neizreaģējušais lignīns – komplekss polimērs, kas sastopams lielākajā daļā augu. Tā vietā, lai noglabātu lignīna masu atkritumu poligonā, tas var kalpot kā vērtīgs blakusprodukts, ko var izmantot gan enerģijas un degvielas, gan citu produktu ražošanā. Lai gan lignocelulozes izejvielas sadalīšana fermentējamos cukuros ir sarežģītāka, fermentācijas, destilācijas un dehidrēšanas posmi ir praktiski identiski gan bioetanola ražošanai no graudaugiem, gan no lignocelulozi saturošas biomasas.
Anaerobā fermentācija
Anaerobā fermentācija ir organisko vielu mikrobioloģiska sadalīšanās bezskābekļa apstākļos. Biogāzes veidošanās procesā ir četri secīgi posmi: hidrolīze, skābju veidošanās, acetona grupas savienojumu veidošanās un metāna veidošanās. Katrā posmā ir iesaistīti mikroorganismi, kas nodrošina procesa norisi.
Hidrolīze ir anaerobās fermentācijas pirmais posms, kura laikā polimēri (ogļhidrāti, lipīdi, nukleīnskābes, proteīni) tiek sadalīti mazākās vienībās – monomēros un oligomēros (glikozē, glicerolā, purīnā, piridīnā u. c.). Procesu norisi nodrošina hidrolīzes baktērijas, kas izdala hidrolīzes enzīmus, kuri ļauj pārveidot biopolimērus vienkāršākos un šķīstošos komponentos. Skābju veidošanās posmā vienkāršie cukuri, aminoskābes un taukskābes tiek sadalītas acetātā, oglekļa dioksīdā un ūdeņradī (70 %), kā arī gaistošajās taukskābēs un alkoholos (30
%). Procesu norisi nodrošina fermentatīvās acidogēnās baktērijas. Acetona grupas savienojumu veidošanās ir anaerobās fermentācijas trešais posms, kura laikā produkti no skābju veidošanās posma tiek pārvērsti ūdeņradī, oglekļa dioksīdā un etiķskābē. Lai ražotu etiķskābi, acetona grupas savienojumus veidojošajām baktērijām ir nepieciešams skābeklis un ogļskābā gāze. Šim nolūkam tiek izmantots izšķīdušais vai saistītais skābeklis. Tādējādi acetona grupas savienojumus veidojošās baktērijas rada anaerobus apstākļus, kas ir nepieciešami, lai metānu veidojošie mikroorganismi varētu īstenot pēdējo – metāna veidošanās – posmu. Metāna un oglekļa dioksīda ieguvi no starpproduktiem veic metanogēnās baktērijas. Tās pārvērš etiķskābi, oglekļa dioksīdu un ūdeņradi metāna (50–75
%) un oglekļa dioksīda (25–45 %) maisījumā, kas nelielos daudzumos satur arī ūdens tvaikus, slāpekli, sērūdeņradi un citus komponentus [66].
Anaerobās fermentācijas efektivitāte ir atkarīga no vairākiem būtiskiem parametriem, kā, piemēram, temperatūras, pH, barības vielu piegādes, skābekļa neesamības, maisīšanas intensitātes, kā arī inhibitoru klātbūtnes un daudzuma. Lai nodrošinātu mikroorganismiem piemērotus apstākļus, ir jāatrod un jāuztur optimāls reaktora darba režīms.
Bioloģiskie ūdeņraža ieguves procesi
Ūdeņradis tiek uzskatīts par nākotnes enerģijas nesēju, kas piedāvā virkni ieguvumu. Tas ir atjaunojams, sadegšanas procesā nerada emisijas, satur lielu enerģijas daudzumu, un to var vienkārši pārveidot elektroenerģijā, izmantojot degvielas šūnas.
Šobrīd ūdeņradi galvenokārt ražo no fosilā kurināmā – dabasgāzes un oglēm. Bioūdeņradis ir ūdeņradis, kas ir iegūts no atjaunojamām biomasas izejvielām. Bioūdeņraža ražošanai var izmantot dažādas metodes [67]:
• ķīmiskās;
• termoķīmiskās;
• bioloģiskās;
• bioķīmiskās;
• biofotolītiskās.
Šajā nodaļā ir aplūkoti bioloģiskie ūdeņraža ieguves veidi. Bioloģiskā ūdeņraža ieguve balstās uz mikrobioloģisku ūdens, saules gaismas un organiskā substrāta pārveidi ūdeņradī. Šobrīd ir zināmas divas galvenās metodes, kā iegūt ūdeņradi, izmantojot bioloģiskus organismus. Pirmajā metodē tiek iesaistīti mikroorganismi, kas ir spējīgi izmantot gaismas fotonus, lai no ūdens atdalītu ūdeņradi. Otrajā metodē tiek izmantotas biotehnoloģijas – mikroorganismu spēju noteiktos apstākļos dabiski ražot ūdeņradi. Bioloģiskos ūdeņraža ieguves procesus var iedalīt četrās grupās (skatīt 3.8. attēlu) :
• ūdens biofotolīze, izmantojot zaļaļģes un ciānbaktērijas;
• fotofermentācija;
• tumsas fermentācija;
• hibrīdās sistēmas.
3.8. attēls. Bioloģiskās ūdeņraža ieguves metodes.
Bioloģiskā ūdeņraža ražošana nevar notikt bez ūdeņradi ražojošu enzīmu klātbūtnes. Šim nolūkam tiek izmantoti hidroģenēzes un nitroģenēzes enzīmi, kas katalizē bioloģisko ūdeņraža ražošanu.
3.3. Ķīmiskie pārveides procesi
Ķīmiskie biomasas pārveides procesi apver plašu ķīmisko reakciju klāstu, kas maina biomasas molekulāro struktūru. Visbiežāk lietotie ķīmiskie biomasas pārveides procesi ir hidrolīze un pāresterifikācija. Citas svarīgas ķīmiskās reakcijas biomasas pārstrādē ir Fišera-Tropša sintēze, metanācija un pārtvaice, par kurām rakstīts iepriekšējās šīs nodaļas apakšnodaļās.
3.3.1. Esterifikācija
Ar esterifikāciju apzīmē ķīmisku reakciju, kuras laikā divi reaģenti (parasti alkohols un skābe) veido esteri kā reakcijas produktu. Reakcija notiek paaugstinātā temperatūrā koncentrētas sērskābes klātbūtnē. Esteri ir plaši sastopami dabā. Tie piešķir aromātu ziediem, augiem un augļiem. Mūsdienās daudzus aromātiskos esterus, ko izmanto pārtikas un parfimērijas rūpniecībā, iegūst rūpnieciskajā sintēzē.
Arī tauki un vaski ir esteri. Esterifikācija ir efektīvs veids, kā pazemināt augstu brīvo taukskābju saturu pārstrādātajās eļļās. Iespēja izmantot zemas kvalitātes izejvielas biodīzeļdegvielas ražošanas ciklā ir nozīmīgs aspekts, lai samazinātu biodīzeļdegvielas ražošanas izmaksas un tā varētu konkurēt ar tradicionālajām fosilajām degvielām [68].
Pāresterifikācija ir termins, ko lieto attiecībā uz nozīmīgu organisko reakciju klasi, kuru laikā viens esteris tiek pārveidots citā, apmainoties alkoksigrupām. Visbiežāk sastopamā pāresterifikācijas metode ir estera reakcija ar alkoholu skābes katalizatora klātbūtnē. Pāresterifikāciju izmanto rūpnieciskajos procesos, piemēram, polietilēntereftalāta (PET) ražošanā un akrilskābes un tās atvasinājumu ražošanā, kas ir svarīgas izejvielas polimēru ražošanā.
Pāresterifikācija ir šobrīd vispopulārākā biodīzeļdegvielas ražošanas metode. Tas ir ķīmisks process, kas ietver augu eļļu pārveidi taukskābju metilesterī vai etilesterī jeb
biodīzeļdegvielā. Procesā kā blakusprodukts rodas glicerīns – ķīmiska viela, kas ir komerciāli plaši lietojuma [69].
Biodīzeļdegvielas ražošana sākas ar katalizatora (bieži – NaOH) un metanola sajaukšanu, kā rezultātā NaOH izšķīst metanolā. Šķīdumu kopā ar augu eļļu ievada reaktorā un silda. Reaktorā notiek pāresterifikācija, kurā iegūst biodīzeļdegvielu un jēlglicerīnu. Tālāk abus produktus ievada nostādināšanas tvertnē. Tā kā glicerīna blīvums ir daudz lielāks par biodīzeļdegvielas blīvumu, tvertnē notiek to gravitācijas separācija. Glicerīns nogulsnējas tvertnes apakšējā daļā, no kurienes to izvada uz neitralizācijas reaktoru.
Jēlglicerīns ir netīrs produkts, kas satur katalizatora paliekas, metilspirtu, ūdeni, taukskābju sāļus u. c., tāpēc tas ir jāneitralizē. Neitralizācija notiek, izmantojot skābes, kā rezultātā tiek atdalītas brīvās taukskābes. Pēc neitralizācijas jēlglicerīnu apstrādā destilācijas kolonnā, kurā atdestilē metilspirtu, un tas ir izmantojams atkārtoti. Destilācijas atlikums ir tehniskais glicerīns, kurā glicerīna saturs ir 80–88 %. Ja tehnisko glicerīnu tālāk rafinē, iegūst glicerīnu, kas izmantojams parfimērijā un farmācijā.
Biodīzeļdegviela pēc nostādināšanas ir jāmazgā ar ūdeni, lai to attīrītu no piesārņojumiem. Ūdens ir smagāks par biodīzeļdegvielu, tāpēc absorbē katalizatora paliekas un suspendētās taukskābju daļiņas. Pēc nostādināšanas ūdeni no apakšējās daļas aizvada. Biodīzeļdegvielu tālāk apstrādā destilācijas kolonnā, kurā atdala metanolu, lai to varētu izmantot atkārtoti.
Pēc šīs procesu shēmas biodīzeļdegvielu var ražot ne tikai no tradicionālajām augu eļļām un dzīvnieku taukiem, bet arī no aļģēm. Šī ir trešās paaudzes biodīzeļdegvielas ražošanas tehnoloģija. Tādā gadījumā pirms biodīzeļdegvielas ražošanas procesa notiek aļģu kultivēšana un ražas novākšana, aļģu biomasas pārstrāde (atūdeņošana, sabiezināšana, filtrācija, žāvēšana), eļļas ekstrakcija.
3.3.2. Ekstrakcija
Ekstrakcijas process ir daudzu rūpniecības nozaru pamatā – cukura iegūšana no cukurbiešu graizījumiem, augu eļļu iegūšana no sēklām, dažādu ekstraktu un tinktūru iegūšana no ārstniecības augiem, miecvielu iegūšana no miecvielu saturošiem augiem, kolofonija un terpentīna iegūšana no celmiem [70].
Ķīmiskajā rūpniecībā šķīdumu ekstrakciju plaši lieto penicilīna un citu antibiotiku izdalīšanā no tīrkultūras. Biodīzeļdegvielas ražošanas process ietver biomasas priekšapstrādi, eļļas ekstrakciju un iegūtā produkta kvalitātes uzlabošanas ar divām atšķirīgām metodēm - pāresterifikāciju vai hidrogenēšanu [70].
Atkarībā no vielu agregātstāvokļa ekstrakcijas procesu iedala divās grupās: šķidrumu ekstrakcija un cietu vielu ekstrakcija. Šķidruma ekstrakcijas procesa pamatā ir šķidruma esošo vielu dažāda šķīdība ekstrahentā. Ekstrakcija realizējama, ja vielu šķīdums atrodas ciešā kontaktā ar šķīdinātāju. Ekstrahējot šķīdumus, ekstrahents nedrīkst šķīst ekstrahējamā šķīdumā. Tas nepieciešams, lai pēc ekstrakcijas ar vienkāršiem paņēmieniem iegūto sistēmu varētu sadalīt. Šķidruma ekstrakcijas rezultātā iegūst rafinādi (masa, kas paliek pāri pēc ekstrakcijas) un ekstraktu.
Cietas vielas ekstrakcija ir ekstrakcijas un šķīdināšanas process. Ekstrakcijas procesā ar šķīdinātāju no cietās fāzes, tās sastāvdaļu dažādās šķīdības dēļ, atdala vienu vai vairākas
komponentes. Šķīdināšana ir vienkāršākais ekstrahēšanas veids. Šķīdināšanai pakļautas cietas vielas ar niecīgu nešķīstošo piemaisījumu saturu.
3.4. Mehāniskie pārveides procesi
Lignocelulozes biomasa ir uz Zemes visplašāk pieejamais bioresurss. Šī biomasa ietver sauszemes augus: kokus, krūmus, zāli, dažādu rūpniecības nozaru mazvērtīgos blakusproduktus un atlikumus (piemēram, kukurūzas salmus, cukurniedru izspaidas, salmus, zāģētavu atlikumus), kā arī enerģētiskās kultūras. Lignocelulozes biomasa sastāv no trīs pamatkomponentiem: celulozes, hemicelulozes un lignīna. Celuloze un hemiceluloze ir polimēri, kas sastāv no cukuriem un ir potenciāls fermentējamo cukuru avots. Hemicelulozi var viegli hidrolizēt ar vieglu skābi vai bāzi. Celuloze ir izturīgāka, un tādēļ tā nopietnāk jāapstrādā. Savukārt lignīns – lielmolekulārs savienojums, kas veido apvalku ap celulozes šķiedrām un arī aizpilda koksnes šūnu starpas – kavē hidrolīzes procesu. Tāpēc, lai lignocelulozi varētu izmantot degvielas un produktu ražošanā bioķīmiskajos procesos, pirms tam ir jāveic biomasas priekšapstrāde.
Priekšapstrādes mērķis ir padarīt sākotnējo izejvielu vieglāk “ pieejamiem” enzīmiem, kas hidrolīzes procesā ogļhidrātu polimērus sadala fermentējamos cukuros. Biomasas priekšapstrādi īsteno, izmantojot bioloģiskas, mehāniskas un ķīmiskas metodes, kā arī dažādas to kombinācijas.
Pie mehāniskajiem biomasas priekšapstrādes procesiem pieder mehāniska biomasas daļiņu izmēra samazināšana maļot, smalcinot, drupinot un šķeldojot. Biomasas daļiņu izmēra samazināšana nenodrošina dažādu frakciju (celulozes, hemicelulozes un lignīna) atdalīšanu. Tomēr tas uzlabo turpmāko ķīmisko procesu efektivitāti, pateicoties reaģēšanas virsmas laukuma palielināšanai. Enerģijas patēriņš biomasas smalcināšanai ir atkarīgs gan no vēlamā daļiņas izmēra, gan biomasas veida. Tomēr parasti tas ir diezgan liels.
Daļiņas izmēra samazināšana kā biomasas priekšapstrādes posms tiek izmantota, ne tikai lai nodrošinātu labāku ķīmisko procesu norisi turpmākajos biomasas apstrādes posmos, bet arī, piemēram, gatavojot šķeldas kurināmo vai skaidas brikešu vai granulu ražošanai.
Bez biomasas daļiņas izmēra samazināšanas brikešu un granulu ražošanas procesā tiek izmantoti arī citi mehāniskās pārstrādes veidi – presēšana un griešana.
Vēl pie mehāniskajiem biomasas pārstrādes procesiem pieder eļļas spiešana no biomasas, šķirošana (piemēram, lai atdalītu dažādas sadzīves atkritumu plūsmas), sijāšana u. c. līdzīgi procesi, kas nemaina biomasas ķīmisko sastāvu, bet gan fizikālās īpašības vai nodrošina, ka produkts vai izejviela atbilst prasītajam standartam.
4. Potenciālie inovatīvie produkti un to virzieni nozaru griezumā
Pētījuma 1. un 2. nodaļā ieskicēti inovatīvo produktu no meža biomasas galvenie pētniecības un komercializācijas virzieni gan Latvijā, gan citās pasaules valstīs. Šajā nodaļā nozaru griezumā apkopota vispārēja informācija par tiem inovatīvajiem bioproduktiem, kas iekļauti daudzkritēriju analīzē produktu komercializācijas potenciāla izvērtēšanai, kā arī par produktiem, par kuriem informāciju sniedza Latvijas zinātniskās institūcijas, kas nodarbojas ar bioproduktu izstrādi (Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts, Latvijas Valsts mežzinātnes institūts "Silava", AS “Biolat”, SIA „Meža un koksnes produktu pētniecības un attīstības institūts” (MeKA)). Daudzkritēriju analīzē tika iekļauti tikai tie produkti, par kuriem bija sniegta pietiekama informācija.
Produkti sadalīti 4 nozaru grupās: enerģētika, pārtikas rūpniecība, tekstilrūpniecība, biokompozītmateriāli un būvmateriāli. Piektajā grupā iekļauti tie produkti, kuri neatbilst iepriekš minētajām nozarēm vai arī kuri ir plaši ietojumi un attiecināmi uz vairākām nozarēm, jo ir kā starpprodukts. Arī nozaru grupās daļa no iekļautajiem produktiem ir starpprodukts (izejviela produktu ražošanai), nevis galaprodukts. Šī pētījuma ietvaros produkti netika dalīti pēc tā, vai tie ir starpprodukti vai galaprodukti. Netika arī mērķtiecīgi izvēlēti tikai galaprodukti, jo pētījuma veicējs apzinās, ka pētījuma pasūtītājs nav ieinteresēts uzsākt ļoti specifisku produktu ražošanu (piemēram, medikamenti, kosmētikas produkti).
Ņemot vērā pētījuma pasūtītāja uzstādījumus, šajā pētījumā apzināti netiek iekļauts tāds ļoti perspektīvs inovatīvs produkts kā betulīns, ko izgatavo no bērza tāss, jo šī produkta un tā komercializācijas potenciāla izpēti jau ir uzsākusi AS “Latvijas Finieris”. Pētījumus par šo produktu un tā ražošanas tehnoloģijām Latvijā veic Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts un Rīgas Tehniskās universitātes Organiskās ķīmijas tehnoloģijas institūts [71, 72, 73, 74, 75].
4.1. Enerģētika
4.1.1. Bioeļļa
Bioeļļa jeb pirolīzes eļļa ir viela, ko iegūst no bioloģiski noārdāma materiāla pirolīzes ceļā, karsējot biomasu bezskābekļa vidē. Gala iznākums ir augsts bioeļļas sastāvs, kā arī bioogles un pirolīzes gāze. Bioeļļu bez iepriekšējas apstrādes iespējams izmantot šķidrā kurināmā katlos. Veicot pēcapstrādi, iespējams to izmantot kā iekšdedzes dzinēju degvielu vai arī no tās izstrādāt vērtīgus ķīmiskus savienojumus. Produkta galvenā mērķauditorija ir katlu mājas, kurās izmanto šķidro kurināmo, kā arī ķīmijas un degvielas ražošanas uzņēmumi, pārdevēji un patērētāji.
Biodegvielu iespējams ražot arī no pārtikai izmantojamiem produktiem (piemēram, kviešiem, kukurūzas utt.), tomēr, ņemot vērā pasaulē augošo iedzīvotāju skaitu un pieprasījumu pēc pārtikas, notiek pāreja uz 2. xxxxxxxx biodegvielas ražošanu no koksnes resursiem. Bioeļļas ražošanai vēlams izmantot koksni ar augstu lignīna saturu. Ķīmijas nozarē liela daļa ķīmisko savienojumu tiek iegūti no fosilajiem resursiem, tāpēc to ražošana no bioresursiem ir kā alternatīva, ar kuras palīdzību iespējams samazināt rūpniecības radīto negatīvo ietekmi uz klimatu, apkārtējo vidi un cilvēku veselību. Bioresursu izmantošanai enerģētikas nozarē ir
nākotne, ņemot vērā fosilo resursu krājuma samazināšanos, kā arī faktorus, kas saistīti ar paaugstināta piesārņojuma radīšanu.
Atkarībā no izmantotās izejvielas un tās mitruma satura, kā arī no izmantotā tehnoloģiskā risinājuma veida, iespējams iegūt bioeļļu ar atšķirīgu ķīmisko sastāvu. Ir divi pirolīzes veidi – lēnā un ātrā pirolīze –, no kā būtiski atšķiras iegūstamais bioeļļas apjoms, un ķīmisko savienojumu veids. Izmantojot lēnās pirolīzes metodi, bioeļļas iznākums ir tikai apmēram 30 %, tāpēc šī metode netiks aplūkota sīkāk. Ar mazāku izejvielas mitruma saturu iespējams arī iegūt bioeļļu ar zemāku mitruma saturu un augstāku sadegšanas siltumu. Ražošanai nepieciešamā izejviela ir jebkāda veida biomasa – var izmantot gan malku, gan šķeldu, gan ražošanas procesu pārpalikumus, kā arī mizu un mežizstrādes atlikumus (zarus, galotnes). Ražošanai iespējams izmantot arī koksnes pārpalikumus no kokzāģētavām un mēbeļu ražotnēm. Var izmantot gan skaidas, gan mizu, gan citus pārpalikumus. Iegūtais bioeļļas apjoms ir atkarīgs tieši no izmantotās koksnes veida, un tas var svārstīties 50–80 % robežās no ievadītās izejvielas apjoma (izmantojot ātrās pirolīzes tehnoloģijas). Ražošanas nodrošināšanai nepieciešama gāze verdošā slāņa veidošanai, kas nesatur skābekli, jo pirolīzes process notiek bezskābekļa vidē, lai nenotiktu degšana. Parasti tiek izmantots slāpeklis (N2). Pirolīzes reaktorā nenotiek degšana, līdz ar to visa izejviela tiek pārvērsta produktos – bioeļļā, biooglēs un pirolīzes gāzē –, kurus visus var atsevišķi savākt. Galaprodukts var atstāt ietekmi uz augsni, ja tas tiešā veidā tiek izgāzts augsnē, veicinot augsnes paskābināšanos un eitrofikāciju, bet, ja produkts tiek izmantots tam paredzētajā veidā, ietekme uz vidi ir ekvivalenta citu enerģētikā izmantoto koksnes produktu ietekmei [76, 3, 77].
Koksnes vēlamais mitruma saturs ir līdz 10 %, lai novērstu augstu ūdens saturu galaproduktā. Ja koksne ir ar augstāku mitruma saturu, pirms ievadīšanas pirolīzes reaktorā tā ir jāžāvē. Lai iegūtu maksimālu eļļas daudzumu, vēlams veikt arī smalcināšanu, jo koksnes daļiņas izmēram nevajadzētu būt lielākam par 3–5 cm. Tālāk koksne tiek ievadīta pirolīzes reaktorā, kur tā tiek karsēta aptuveni 500 °C temperatūrā pāris sekundes, un tad ar gāzes plūsmu tiek izvadīta no reaktora, kur tālāk ciklonā tiek atdalīta cietā frakcija. Savukārt gāzveida frakcija nonāk kondensatorā, kur tā tiek kondensēta un tiek iegūta bioeļļa, kā arī pirolīzes gāze, kas tiek aizvadīta prom. Pirolīzes nodrošināšanai var izmantot verdošā slāņa reaktoru, kurā verdošo slāni veido uzkarsētas smiltis, caur kurām plūst inerta gāze (N2), tādējādi nodrošinot koksnes daļiņu uzsilšanu un galaproduktu aizvadīšanu. Iespējams nodrošināt nepārtrauktas darbības procesu, kur ik pēc noteikta laika tiek padota jauna izejvielu porcija, kā arī nepieciešamā reaktora temperatūra tiek nodrošināta visu laiku, pievadot uzkarsētas smiltis no kurināmā katla. Ražošanas procesā rodas tādi atkritumu produkti kā bioogles (10–25 %) un pirolīzes gāze (10–25 %), kurus tālāk var izmantot kā papildu kurināmo procesa siltumenerģijas nodrošināšanai [77, 78, 79].
Latvijā līdz šim darbojusies pirolīzes iekārta, kurā pārstrādātas nolietotās riepas un ražota pirolīzes eļļa, kā arī cietā un šķidrā frakcija. SIA “Fortums Jelgava” bija mērķis attīstīt bioeļļas ražošanu no šķeldas, tomēr projekts vismaz pagaidām nav sākts. Latvijā pēc bioeļļas pagaidām nav liela pieprasījuma un noieta tirgus, bet to ir iespējams eksportēt uz valstīm, kur ir attīstītāka ražošana, kurā kā izejvielu izmanto bioeļļu. Neapstrādātas bioeļļas cena ir pielīdzināma mazuta cenai.
4.1.2. Bioetanols
Bioetanols (C2H5OH) ir viela, ko iegūst no bioloģiski noārdāmām izejvielām turpmākai degvielas ražošanai. Atšķirībā no parasta benzīna, tā sastāvā ir skābekļa atoms, kas sekmē pilnīgāku degvielas sadegšanu. Pateicoties augstam oktānskaitlim bioetanolā, ir iespējams sasniegt augstāku motora lietderības koeficientu.
Mūsdienās tirgū pastāv augsts un pastāvīgs pieprasījums pēc bioetanola, kuru veicina Eiropas Parlamenta un Padomes direktīva 2003/30/EC “Par biodegvielu un citu atjaunojamo degvielu izmantošanas veicināšanu transportā”. Balstoties uz normatīvajiem aktiem, Latvijas Republikā visam A95 markas benzīnam ir jāpievieno 5 % bioetanola. Līdz ar to šim produktam ir plašs noieta tirgus. Savukārt E85 markas benzīna sastāvā ir 85 % bioetanola, tomēr šī benzīna izmantošanas apjoms ir salīdzinoši neliels, jo, lai izmantotu šādu degvielu, mašīnām ir jāmodificē dzinējs.
Bioetanols ir pieejams Latvijas tirgū. Viens no lielākajiem ražotājiem un produkta piegādātajiem ir SIA “Jaunpagasts Plus”, kur par izejmateriālu tiek izmantoti graudi. Saskaņā ar Ministru kabineta 2016. gada rīkojumu Nr. 270 ir noteikts arī bioetanola ražošanas atbalsts 0,37 eiro par litru [80].
Bioetanolu ir iespējams ražot no dažādām izejvielām. Sākotnēji bioetanolu plaši ražoja no pārtikas produktiem. Tomēr iedzīvotāju skaits pasaule nemitīgi aug, un pārtikas produkti ir nepieciešami cilvēku iztikai. Līdz ar to notiek pareja uz otrās paaudze bioetanola ražošanu no koksnes [81]. Viens no galvenajiem nosacījumiem izejvielas izmantošanai ir pēc iespējas augstāks lignocelulozes saturs [82].
Pastāv dažādas bioetanola ražošanas tehnoloģijas. Līdz ar to nedaudz var atšķirties arī saražotā bioetanola īpašības (sadegšanas siltums, tīrības pakāpe), tāpēc var mainīties arī bioetanola izmantošanas veids un cena. Izejvielu daudzums var atšķirties atkarībā no izmantotās koku sugas koksnes, galvenokārt no lignīna, celulozes un hemicelulozes proporcijas. Piemēram, vienas tonnas bioetanola ražošanai no apses ir nepieciešams 3130 kg sausas koksnes. Koksnes hidrolīzes un pārcukurošanās procesa norisei ir nepieciešami 85,8 kg kaļķa, 118 kg sērskābes, kā arī 13,4 kg citu vielu, ieskaitot vinilacetātu un diamonija fosfātu. Kaļķu cena ir 20 eiro par 100 kg, sērskābes cena 75 eiro par 100 kg [83].
Par izejmateriālu bioetanola ražošanai var izmantot ne tikai apaļkoku sortimentus, bet jau citos ražošanas procesos radītos koksnes atlikumus un mežizstrādes atlikumus. Viens no galvenajiem resursiem, kas tiek izmantots bioetanola ražošanas procesā, ir kaļķi. Kopējie kaļķakmens krājumi Latvijā pārsniedz 500 miljonus tonnu, bet to ieguves apjoms gada laikā svārstās ap 500 tūkstošiem tonnu. Līdz ar to šo izejvielu daudzums Latvijā ir pietiekams, un to var aktīvi izmantot jaunu produktu ražošanā [84]. Sērskābe netiek brīvi pārdota Latvijas tirgū. Tomēr šo vielu var pasūtīt no Eiropas Savienības valstīm, kā arī citām valstīm, kur to ražošanas un pārdošanas apjomi ir pilnīgi pietiekami.
Bioetanola ražošanas procesa sākumā notiek koksnes sagatavošana. Koksnes materiāls tiek smalcināts līdz nepieciešamajam izmēram. Ja nepieciešams, biomasa tiek samaisīta un tad tiek apstrādāta ar tvaiku un skābi. Biomasas pirmsapstrādes laiks ilgst apmēram 2 minūtes. Šajā ražošanas posmā koksne atrodas augstā temperatūrā (tuvu 200 °C) nepārtrauktā sērskābes katalizatoru ietekmē. Rezultātā tiek atbrīvoti hemicelulozes cukuri un citi
savienojumi. Tālāk notiek hidrolīzes process, kura rezultātā biomasa sadalās cietajā un šķidrajā frakcijā. Lai minimizētu vērtīgo vielu zaudēšanu ar šķīdumu, tam tiek pievienots kaļķis, un hidrolīzes rezultātā tiek iegūts ģipsis. Tālāk notiek fermentēšanas un pārcukurošanās process. Tas notiek anaerobos apstākļos un, lai nodrošinātu aktīvu fermentēšanās procesu, tiek pievienots ferments. Celulozes pārvēršana etanolā var prasīt samēra ilgu laiku, līdz pat 7 dienām. Tālāk viss maisījums nonāk destilatorā, kur no šķīduma tiek atdalīts cietās frakcijas materiāls, kas paliek pāri pēc fermentācijas. Tas parasti tiek izmantots siltuma un elektroenerģijas ražošanā kā kurināmais. Šķīdums, kas satur etanolu, nonāk speciālā tvertnē, kura notiek atūdeņošanas process, kuru rezultātā bioetanols tiek atdalīts no ūdens (4.1. attēls).
4.1. attēls. Bioetanola ražošanas shēma.
Šis bioetanola ražošanas process ir ievērojami draudzīgāks videi, klimatam un cilvēka veselībai nekā benzīna ražošanas process. Ražošanas procesa gaitā neveidojas bīstamie atkritumi. Videi kaitīgo emisiju daudzums ir minimāls. Lielāko piesārņojumu rada sēra dioksīds un etilēns. Saražojot 1 kg bioetanola, vidēji rodas 1,94 g sēra dioksīda un 1,44 g etilēna. Bioetanola ražošana atstāj pozitīvu ietekmi uz cilvēka veselību, jo ar bioetanolu tiek aizstāts benzīns. Šādā veidā tiek samazināts siltumnīcefekta gāzes apjoms, kurš varēja rasties benzīna ražošanas gaitā [83], jo bioetanola ražošanai tiek izmantoti 75 % atjaunojamo resursu.
Ir patentētas vairākas bioetanola ražošanas metodes [85, 86]. Būtiskākās šo patentēto ražošanas metožu atšķirības ir izmantotās izejvielas un blakusproduktu plūsmas. Kā inovācija bioetanola ražošanas tehnoloģijās sāk parādīties bioetanola ražošana, izmantojot mikroorganismus [87].
4.1.3. Biobutanols
1-butanols (saukts arī par butilspirtu vai n-butanolu) ir bezkrāsains, četru oglekļa lineārās virknes alkohols ar molekulāro formulu C4H9OH, kura viršanas temperatūra ir 118 ˚C [88]. Degvielai vispiemērotākais ir n-butanols. Biobutanolu iegūst - pārstrādājot augu celulozi, tajā skaitā arī no nezālēm, mežizstrādes vai koksnes pārstrādes atliekām (celulozes sašķelšana un
raudzēšana), iegūstot, tā saucamās otrās pakāpes biobutanolu. Biobutanols neatdalās ūdenī, tāpēc to var jaukt tieši pārstrādes rūpnīcās un transportēt, izmantojot jau esošo degvielas infrastruktūru un cauruļvadus. Biobutanolam ir potenciāls aizstāt gan etanola, gan bio-dīzeļa tirgus daļu [88]. Biobutanols spēj atstāt lielu iespaidu uz SEG emisiju samazināšanu. Atbilstoši literatūrā minētajam SEG emisiju samazinājums ir 32–48 % salīdzinājumā ar benzīnu [89].
Jau agrāk butanolu ražoja no kukurūzas fermentācijas iekārtās ar baktērijas Clostridium acetobutylicum palīdzību. Šī baktērija saražoja 15 gramus butanola uz 1 litru ūdens. Ražošanas procesā ieguva acetonu, butanolu un etanolu. Blakusprodukti ir ūdeņradis, izopropanols, skābeņskābe, pienskābe un citi maznozīmīgāki produkti [90]. Biobutanola ieguves metodes ir dažādas, bet pēdējā laikā akcents tiek likts tieši uz fermentācijas metodi, kas uzskatāma par bioloģisko metodi. Latvijā ir patentēts biobutanola bez atlikuma ieguves tehnoloģija ar fermentācijas metodi, kurā izmanto anaerobās baktērijas.
Mežistrādes atlikumu smalcināšana
Vārīšana un enzīmu
hidrolīze
Fermentācija
Biobutanols
4.2 attēls. Biobutanola ražošanas process.
Biobutanola ražošanas process ietver šādus 4 posmus (4.2. attēls):
● bioreaktorā ievadāmās biomasas pirmatnējā apstrāde, kura sagrauj šūnu apvalku struktūru un neitralizē lignīnu;
● celulozes un hemicelulozes hidrolīze līdz parastajiem cukuriem, izmantojot enzīmus;
● parasto cukuru pārvēršana (fermentācija) butanolā, izmantojot tīrkultūras Clostridium beijerinckii P206 anaerobās baktērijas;
● butanola ieguve.
Procesa unikalitāte ir tajā, ka pēdējie 3 posmi ir savienoti un norit vienā bioreaktorā [90]. Uz šo RTU zinātnieku izstrādāto tehnoloģiju ir apstiprināts Eiropas īmeņa patents [91]. Ražošanas procesā netiek izmantotas bīstamas vai videi kaitīgas lignocelulozes apstrādes metodes (hidrolīze ar skābi, sārmu, paaugstināts spiediens). Ražošanas izmaksu samazināšanai tiek izmantota membrānu atdalīšana. Tehnoloģiju iespējams pielāgot gan bioetanola, gan biobutanola ražošanai. [92]
Neskatoties uz faktu, ka skābekļa saturs biobutanolā ir zemāks nekā bioetanolā, biobutanolu var pievienot benzīnam daudz lielākā koncentrācijā. Augstāks biobutanola saturs benzīnā neprasa nekādu motoru modifikācijas [93]. Butanolu šobrīd pasaulē ražo jau 7 uzņēmumi: Lielbritānijā, ASV, Brazīlijā, Ķīnā, Indijā un Vācijā. Biobutanols tiek veiksmīgi izmantots ne tikai autotransportā, bet arī lidmašīnās un ūdens transportā. Uzņēmuma Butamax pētījumi norāda, ka, jau butanola piemaisījumam sasniedzot 16 %, benzīna ekonomija ir tāda pati kā
10 % bioetanola piemaisījuma gadījumā, bet enerģija divkāršojas un SEG emisiju samazinājums arī ir divreiz lielāks. Butamax ir veiksmīgi sasniedzis jau 24 % biobutanola piemaisījumu [94].
4.1.4. Biodīzeļdegviela
No meža biomasas ražota biodīzeļdegviela ir uzskatāma par otrās paaudzes biodegvielu, jo tiek izmantots atjaunojamais resurss – nepārtikas augu valsts biomasa. Pašlaik nav normatīvo aktu, kas noteiktu, ka biodegvielas ražošanai nedrīkst izmantot pārtikas kultūraugus, bet, ņemot vērā iedzīvotāju skaita pieaugumu un attiecīgi pieprasījuma palielināšanos pēc pārtikas un degvielas, otrās paaudzes biodīzeļdegvielas noieta tirgus ir garantēts. Biodīzeļdegvielas izmantošana fosilās degvielas vietā ir veids, kā samazināt cilvēka darbības radīto negatīvo ietekmi uz vidi un klimatu, kā arī ilgtspējīgi izmantot dabas resursus [95].
Biodīzeļdegvielu iespējams ražot ar vairākām tehnoloģijām, kuras aizvien tiek attīstītas un kļūst efektīvākas un videi draudzīgākas. Pazīstamākās no biodīzeļdegvielas ražošanas tehnoloģijām ir pirolīzes tehnoloģija (izšķir ātro un lēno pirolīzi) un gazifikācija. Šo tehnoloģiju rezultātā iegūst bioeļļu. To var izmantot otrās paaudzes biodegvielas ražošanai, atdalot ūdeni un veicot tās modifikāciju. Bioeļļu var modificēt par transportlīdzekļu degvielu vairākos veidos: samazinot ūdens un skābekļa daudzumu ar katalizatoru, apstrādājot ar ceolītu, veidojot bioeļļas emulsiju ar dīzeļdegvielu, izmantojot kopā ar biooglēm kā izejvielu ūdeņraža ieguvei. Izmantotās tehnoloģijas izvēle atkarīga no tā, kāds ir pamatprodukts, ko vēlas izgūt ražošanas procesā, jo atšķiras iegūtais bioeļļas daudzums. Ātrajā pirolīzē tas ir apmēram 75 %, lēnajā pirolīzē apmēram 30 %, bet gazifikācijā tikai 5 % [3]. Ņemot vērā bioeļļas iznākuma daudzumu, koksnei tiek rekomendēts izmantot ātrās pirolīzes tehnoloģijas [96].
Ātrā pirolīze ir biomasas termoķīmiskā pārveide, kuras rezultātā no izejvielas rodas bioeļļa, bioogles un gāze. Procesu raksturo liels karsēšanas ātrums no 2–3 °C līdz pat 100 °C minūtē. Temperatūra reaktorā ir augsta – robežās no 450 līdz 700 un vairāk Celsija grādiem. Pirolīze notiek trijos posmos. Pirmajā posmā biomasas temperatūra pieaug līdz 122–202 °C un iztvaiko ūdens, un veidojas dažādi gaistošie savienojumi. Paaugstinot temperatūru līdz 300– 600 °C, notiek biomasas aktīva sadalīšana. Rezultātā veidojas bioogles un pirolīzes tvaiks. Augot temperatūrai, bioogles pārveidojas pirolīzes tvaikā, kas sastāv no kondensējamas un nekondensējamas daļas. Procesa beigās tvaiks tiek dzesēts līdz apkārtējas vides temperatūrai un pārveidojas bioeļļā. Ātras pirolīzes rezultātā iegūtas bioeļļas sadegšanas siltums parasti svārstās no 16 līdz 21 MJ/kg. Bioeļļas sastāvā atrodas liels ūdens daudzums. Ūdens veido no 20 līdz 25 % no iegūtā bioeļļas daudzuma [3].
Ievadot 1 tonnu biomasas, ir iespējams iegūt 600 kg bioeļļas. Kā blakusprodukti rodas gāze un bioogles, kuru apjoms ir 130 un 150 kg. Šos produktus arī var izmantot tālāk citos procesos, galvenokārt siltumenerģijas iegūšanai. Papildus pirolīzes laikā rodas 110 kg ūdens un 10 kg pelnu [97, 96].
Šobrīd vēl biodīzeļdegvielas ražošana no koksnes nevar konkurēt ar fosilo degvielu augsto ražošanas izmaksu dēļ. Izmaksas ietekmē biomasas mitruma saturs. Pētījumi liecina, ka bioeļļas ražošanas izmaksas, izmantojot ātrās pirolīzes tehnoloģijas, no slapjas koksnes ir 0,50–1,48 USD/gal, bet no sausas koksnes 0,40–0,71 USD/gal (1 gal. = 4,54609 l) [96].
4.1.5. Kurināmā granulas ar uzlabotām īpašībām
Latvijas Valsts koksne ķīmijas institūtā ir izstrādāts inovatīvs process, kas ietver granulu no augu biomasas pirmsapstrādi mikroviļņu laukā un turpmāku tās virsmas modifikāciju ar dabiskas izcelsmes eļļām, kas ļauj būtiski palielināt granulētās biomasas sadegšanas siltumu un pozitīvi ietekmēt citas īpašības. Piemēram, komerciālo koka granulu apstrāde pēc izstrādātās tehnoloģiskās shēmas nodrošina to siltumspējas pieaugumu no 18 MJ/kg līdz 24 MJ/kg un enerģētiskā blīvuma pieaugumu no 12,0 MJ/m3 līdz 16,5 MJ/m3 salīdzinājumā ar neapstrādātajām granulām. Apstrādātas granulas ilgstošā kontaktā ar ūdeni (nedēļa un vairāk) ir izturīgākas salīdzinājumā ar neapstrādātām granulām (4.3.attēls). Modificēto granulu degšanā pieaug siltumenerģijas iznākums, samazinās kaitīgo emisiju daudzums, salīdzinot ar neapstrādātām granulām [98].
4.3 attēls. Izejas (dzeltenas) un modificētas (brūnas) koksnes granulas pirms (A) un pēc (B) 15 min. kontaktā ar ūdeni [98].
Šīs tehnoloģijas izmantošana ļauj paaugstināt iegūtā biokurināmā kvalitāti un samazināt tā ražošanas enerģijas patēriņu, salīdzinājuot ar tradicionālām augu biomasas torefikācijas metodēm, kas ir priekšnosacījums ražošanas izveidošanai ar augstiem tehno- ekonomiskajiem rādītājiem. Pētījumi, kas nepieciešami režīmu atstrādāšanai granulu kompleksai apstrādei, tika veikti izmantojot laboratorijas un pilota mēroga mikroviļņu reaktorus, kas ir izveidoti Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā šo darba īstenošanai. No mūsdienīgas cirkulārās ekonomikas koncepcijas skatapunkta, lignocelulozes izejvielas patēriņš enerģētiskiem mērķiem bez iepriekšējas tās izmantošanas zemmolekulāru ekstraktvielu savienojumu ieguvei ir neefektīva vairākkomponentu atjaunojamā resursa izmantošana. Ekstraktvielu savienojumi, kas izdalīti no ekoloģiski tīras lignocelulozes biomasas, ir vērtīgs atjaunojams resurss dažādām nozarēm, ieskaitot farmāciju. Piedāvātā tehnoloģija granulētas augu biomasas kurināmā raksturlielumu paaugstināšanai, apstrādājot tās mikroviļņu laukā un turpmāk uznesot uz tās virsmas augu vai naftas izcelsmes apstrādātus šķidrus energonesējus, ļauj izmantot kā sākuma izejvielu biomasas atlikumu pēc veiktajiem ekstrakcijas cikliem. Tādā veidā produkts, iegūts vienā ražošanas stadijā, tiks izmantots kā resurss nākamajam ciklam. Turklāt iespējamā biomasas enerģētiskās vērtības samazināšanās ekstraktvielu atdalīšanas dēļ, tiks kompensēta un pat ievērojami paaugstināta granulu mikroviļņu apstrādes un sekojošā šķidro energonesēju uznešanas rezultātā [98].
2015. gadā saņemta Latvijas Zinātņu akadēmijas balva “Latvijas zinātnes nozīmīgākais sasniegums 2015. gadā – praktiskajos pielietojumos” par izstrādātu inovatīvu procesu kurināmo granulu ieguvei ar uzlabotam īpašībām.
Inovācija izstrādāta ERAF projekta (2014/0042/2DP/2.1.1.1.0/14/APIA/VIAA/054) "Granulēto augu biomasas kurināmā kvalitātes paaugstināšana impregnējot tās virsmas slāni ar augstās
enerģētiskās ietilpības šķidro energonesēju atkritumiem, iepriekš apstrādājot biomasu zemas intensitātes mikroviļņu laukā" ietvaros. Ir iesniegts patenta pieteikums (P-16-04) par “Kurināmo granulu iegūšanas paņēmiens no augu materiāla” (īpašnieks: Latvijas valsts koksnes ķīmijas institūts).
4.2. Koksnes izmantošana pārtikas rūpniecībā
4.2.1. Lignāns kā uztura bagātinātājs
Publikācijās, kurās pētīta lignāna ārstnieciskā iedarbība uz cilvēku veselību, ir uzrādītas lignāna kā antioksidanta īpašības, kā arī ir apstiprināta tā pozitīvā iedarbība iekaisumu gadījumā [99]. Pētījumi ir uzrādījuši, ka lignāns ir anti-kancerogēns, tā lietošanu uzturā var saistīt ar pazeminātu risku saslimt ar krūts un prostatas vēzi [100]. Lignānu pārtikas piedevu ražošanai pašlaik visbiežāk iegūst no linsēklām, jo tajās ir augsts lignāna saturs. Ar lignāna izmantošanu pārtikā kā uztura bagātinātāju vismaz daļēji iespējams aizstāt citus sintētiski ražotus medikamentus vai pārtikas piedevas. Kā inovācija tiek piedāvāta lignāna iegūšana no mežizstrādes atlikumiem, precīzāk – koku mizām, vai celulozes blakusproduktiem. Abos gadījumos tiktu pārstrādāts bioresurss, bet linu audzēšanai, atšķirībā no mežiem, ir lielāka ietekme uz vidi (industrializētā agrotehnika), kas konkurē ar linsēklu un lineļļas izmantošanu pārtikā. Izejvielas no meža biomasas ir brīvi pieejamas, un tā būtu iespēja no ražošanas atlikumiem izgatavot produktu ar augstu pievienoto vērtību.
Literatūrā pārsvarā pieejama informācija par lignāna iegūšanu no linsēklām, kas ir līdzīga arī maltu koku mizu izmantošanas gadījumā. Izejmateriālu ekstraģē 4 °C temperatūrā ar diaxam: etilspirta maisījumu proporcijā (1:8), 24 stundas mēreni maisot. Pēc tam suspensiju filtrē un iztvaicē 40 °C temperatūrā, nosūcot tvaiku. Iegūst sausu jēlmateriālu – lignānu. To šķīdina mikserī hidrolizējošā aģentā 24 stundas. Suspensiju filtrē, un ekstraktu iztvaicē 45 °C temperatūrā. Iegūst biezu viskozu materiālu, ko paskābina ar koncentrētu sālsskābi līdz pH 3,0, un produktu glabā 4 °C temperatūrā [101]. Biomasa (linsēklu vai mizu atlikumi) pēc ekstrakcijas ir izmantojama siltuma ieguvei vai augsnes ielabošanai.
4.2.2. Putnu un dzīvnieku barības piedeva no skuju koku zaleņa
Produkts ir premikss (dzīvnieku barības piedeva), kas nesatur sveķskābes, lai novērstu barības sauso sastāvdaļu salipšanu. Kā pildviela barībai tiek izmantoti dolomītmilti (85–99 %), klāt tiek pievienots bioaktīvu vielu komplekss no skuju koka zaleņa (1–15 %). Bioloģiski aktīvo vielu kompleksam no skuju koku zaleņa piemīt biostimulatora, antioksidanta, fitoantibiotiķa un imūnmodulatora īpašības. Šīs īpašības novērš pelējuma attīstīšanos barībā. Lai izgatavotu šādu barību, dolomītmiltus samaisa ar bioaktīvo vielu kompleksu no skuju koku zaleņa, sākotnēji sakarsētu līdz 50–60 °C. Abas sastāvdaļas maisa, kamēr tiek iegūta viendabīga oranžas krāsas masa ar sausu un irdenu konsistenci. Pētījumos pierādīts, ka šādas piedevas lietošana putnu barošanai samazina putnu gaļas holesterīna līmeni par 23,66 % un veicina masas pieaugumu par 4,11 % [102].
Ir veikts arī pētījums par egļu skuju ekstraktvielu piedevas staltbriežu ziemas barībā lietošanas ietekmi uz šo dzīvnieku gaļas kvalitāti. Arī šajā pētījumā pierādīts, ka, lietojot egļu skuju ekstraktvielas piedevu, staltbriežu gaļā samazinājās holesterīna līmenis par 19,57 % un palielinājās muskuļaudu īpatsvars par 3,1 % [103].
Šādu piedevu iespējams izgatavot sausā, smalkā, irdenā vai granulētā veidā, lai nodrošinātu tās ērtāku lietošanu. Šis produkts ir patentēts Latvijas Republikas Patentu valdē, bet nav komercializēts.
4.2.3. Vanilīns
Vanilīns ir garšviela, ko izmanto pārtikas, dzērienu un zāļu ražošanā. Pamatā vanilīnu iegūst no vaniļas pākstīm, bet lielā pieprasījuma dēļ vanilīna ekstraktu iegūst to mākslīgi sintezējot. 2001. gadā vanilīna pieprasījums sasniedza 12 000 tonnu, kamēr no vanilīna pākstīm visā pasaulē bija iespējams iegūt tikai 1 800 tonnu vanilīna [104]. Kopš 1920. gada tiek izmantotas vairākas pieejas, kā sintētiski ražot vanilīna ekstraktu. Vanilīnu mēdza iegūt no koksnes masas, kas bagāta ar lignīnu, bet šis process, lai gan tika izmantota papīra ražošanas blakusprodukts, bija pārāk kaitīgs apkārtējai videi. Mūsdienās vanilīnu ražo no izejvielas guaiakola [105]. Guaiakolu ražo virkne organismu, bet parasti aromātisko guaiakola eļļu iegūst no Guaiacum ģints krūmiem un kokiem vai izmantojot koksnes kreozotu, pirolīzes ceļā iegūtu vielu, kas ES ir ierobežota, jo ir kancerogēna, to agrāk izmantoja kā antiseptiķi [106, 107]. Inovācija vanilīna ražošanas procesā ir uzņēmuma Borregaard (Norvēģija) biorafinēšanas līnijas izmantošana. 2013. gadā ES ir izsniegusi Borregaard patentu par šo produkcijas līniju, kas derīgs līdz 2029. gada decembrim [108]. Borregaard produkcijas līnija ir viena no videi draudzīgākajām papīra fabrikām, to panākot ar dažādu blakusproduktu apstrādi, rezultātā iegūstot virkni tirgojamu produktu līdzās saražotajam papīram. Piemēram, ja ieejošā plūsma būtu 1000 kg koksnes, tad izmantojot viņu produkcijas līniju, iespējams saražot 400 kg celulozes, 400 kg lignīna, 50 kg etanola un 3 kg vanilīna. Atlikušā masa, kas ir <
10 %, tiek izmantota enerģijas saražošanai. Vanilīnu var ražot no papīra ražošanas blakusprodukta lignīna un lignīnu saturošiem savienojumiem (lignosulfonātiem). Vanilīnu Borregaard produkcijas līnijā ražo, oksidējot lignosulfonātu. Nātrija lignosulfonāts tiek katalizēts ar Cu2+ paaugstinātā temperatūrā (120, 140, 160 °C), skābā vidē, ∼10 bāru (1 milj. paskālu) spiedienā. Pievienojot reaktoram ar skābekli bagātinātu gaisu iespējams iniciēt hidrolīzi un vanilīna un vanilīnskābes sintēzi. Pārējo šīs biorafinērijas shēmas produktu izmantošanas iespējas aprakstītas citos šī pētījuma produktu aprakstos [109].
4.2.4. Zivju barības piedeva no mikroorganismu proteīniem
Augošais zivju barības pieprasījums kombinācijā ar pārāk lielu dabīgo nozveju un zivju daudzuma samazināšanos okeānos ir sekmējis akvakultūras industrijas attīstīšanos, lai nodrošinātu pieprasījumu pēc jūras veltēm. Mūsdienās zivju barība ir proteīnu pamatavots zivīm, kuras audzētas akvakultūrās. Tomēr zivju barības pieejamība drīzumā varētu izsīkt, jo pieprasījums pēc tās pārsniedz saražoto apjomu. Zivju barības trūkuma dēļ ir jārod alternatīvas proteīnu avotam zivju barībā. Ar proteīniem bagāti mikroorganismi (vienšūņu proteīni) ir perspektīva opcija zivju barības aizstāšanai, un papildus tam šos proteīnus būtu iespējams saražot, izmantojot kokapstrādes blakusproduktus kā galveno izejvielu. Tiem ir jābūt ar augstu lignīna saturu, piemēram, kā atlikumproduktam no papīrrūpniecības (sulfīda šķīduma permeāts) vai tekstilizstrādājumu ražošanas no koksnes. Tāpēc šādas proteīniem bagātas zivju barības piedevas ražošanu var savienot ar citu produktu ražošanas procesu un veidot tīras jeb bezatlikumu ražošanas shēmu [110].
Kā piemērs šādas zivju barības piedevas no mikroorganismiem ražošanai tiks aplūkots 50 l reaktors laboratorijas apstākļos. No meža biomasas iegūtā lignīnu saturošā masa tiek atšķaidīta ar ūdeni, lai sasniegtu optimālu ogļhidrātu koncentrāciju attiecībā pret biomasas pieaugumu. Mikroorganismu (P. variotii un F. venenatum) vairošanās notiek 30 °C, pH 6 un maisīšanas ātrums tika palielināts līdz ar viskozitātes palielināšanos, lai nodrošinātu pietiekamu skābekļa pieejamību kultūrā. Kultivāciju veic “fed-batch fill and draw” režīmā (patstāvīga piebarošana un noņemšana). Sākotnējais reakcijas tilpums 10 l, pēc 24 h kultivēšanas (nepārtraukti pievadot barības vielas) reaktors tiek piepildīts līdz 50 l. 40 l no tā tiek ievākti, un jauns kultivēšanas cikls tiek uzsākts uz nākamajām 24 h līdz atkal tiek sasniegts 50 l tilpums. Piepildīšanas un ievākšanas procedūra tiek turpināta aptuveni 10 reizes, pēc tam visa kultivēšana tiek atsākta no jauna, iniciējot to ar svaigi sagatavotiem reaģentiem un mikroorganismiem. Ievāktā biomasa tika atdalīta no šķidrās frakcijas, izmantojot vakuuma filtrāciju. Iegūtais filtrāts tiek skalots divkāršā destilēta ūdens daudzumā un izžāvēts 75 °C. Proteīnu daudzums ir vidēji 55 g/100 g sausās biomasas. Barībai tiek izmantots 9,5 % un 19 % vienšūņu proteīns no kopējās barības satura. Zivju barību izgatavo, sajaucot kopā visas sastāvdaļas, izžāvējot iegūto mīklu un saberžot to drupačās. Maksimālā biomasas koncentrācija, ko iespējams iegūt audzējot P. variotii sulfīda šķīduma permeātā un
F. venenatum šķiedru dūņu hidrolizātā, bija 9 g/l un 25 g/l. Šāda veida biomasa nesatur bīstamu daudzumu mikotoksīnu. Pētījumi pierāda, ka zivis, kuras barotas ar P. variotii 66 % piemaisījumā, uzrāda vislielāko dzīvmasas pieaugumu, kas bija par 12 % lielāks nekā kontroles grupai [110].
Latvijā zivsaimniecība, izmantojot akvakultūras, attīstās tāpat kā visā pasaulē kopumā, tāpēc pieprasījums pēc lētākas zivju barības pieaug. Standarta zivju barības cena ir 1,427.45 USD par tonnu [111]. Izmantojot biomasu zivju barības ražošanai, būtu iespējams gūt pievienoto vērtību kokapstrādes (papīrrūpniecības) atkritumproduktiem.
4.3. Koksnes izmantošana tekstilrūpniecībā
4.3.1. Liocels (tekstils no koksnes)
Liocels (lyocell) ir no celulozes mākslīgi iegūta tekstilšķiedra. Liocels ir radies krietnu laiku pēc viskozes, kad tika meklēts dabai draudzīgāks šķīdinātājs tekstilizstrādājumu ražošanai. Liocels uzrādīja daudz labākas īpašības nekā viskoze. Tas ir mīkstāks nekā zīds, vēsāks nekā lins, 50 % vairāk absorbējošs nekā kokvilna, labs jutīgai ādai un zīdaiņiem, dabīgi hipoalerģisks, bez pesticīdiem vai citām lauksaimniecības ķimikālijām (kā tas ir, piemēram, kokvilnai), izturīgs pret izbalēšanu un sarukšanu, augstas stiprības dabīgas šķiedras, kas bioloģiski noārdās [112]. Austrijas uzņēmums Lenzig ražo liocelu jau 20 gadus, un nepārtraukti pētījumi tikai pierāda, ka šī inovācija ir tekstila nākotne. Pēc šī produkta pieprasījums tirgū ir pakāpeniski pieaugošs, pateicoties tā īpašībām, videi draudzīgajām tehnoloģijām un iespējām bioloģiski noārdīties vai pārstrādāt [113]. Liocels ir gandrīz uz pusi izturīgāks nekā viskoze [114].
Austrijā liocela ražošanai pārsvarā izmanto eikaliptu, bet to ir iespējams ražot no egles, priedes un kļavas, un paredzams, ka arī no bērza vai apses vai jebkura cita koka, pat augiem [ [115, 116, 117]. Liocela tehnoloģija balstās uz organisko šķīdinātāju N-methylmorpholine-N- oxide (NMMO). Taču pati ražošana dažādos pētījumos mazliet atšķiras. Vienkāršotā ražošanas procesā ir šādi posmi: celuloze – šķīdināšana – vērpšana – mazgāšana –
pēcapstrāde/žāvēšana – šķiedra. Augstas kvalitātes celulozes iegūšanai no koka, izmanto magnija bisulfītu vai amīna N-oksīdu. Tālāk celulozi izšķīdina pastas veidā ar NMMO, un masa tālāk iet cauri augstas temperatūras šķīdināšanas vienībai, lai iegūtu skaidru, viskozu šķidrumu. Tas tiek filtrēts un savērpts atšķaidītā NMMO. Šķiedras mazgā un žāvē, un pako ķīpās. Izgriešanas/centrifūgas vannas un mazgāšanas šķidrumi tiek nodoti šķīdinātāju reģenerācijas sistēmā, kas koncentrējas uz NMMO noteiktā līmenī un tiek atkārtoti izmantoti 99,5 % apmērā [112, 118].
NMMO ir labs šķīdinātājs, taču tam ir arī trūkumi – šķīdinātājam ir ķīmiskā un siltuma nestabilitāte, kas sniedz iespēju pievienot stabilizētājus, bet nenovērš bīstamas noplūdes reakcijas (celulozes degradācija - sadalīšanās) [119]. Tomēr, neskatoties uz to, vairāki uzņēmumi izmanto tieši šo šķīdinātāju [120].
4.3.2. Ioncell-F (tekstils no koksnes)
Ioncell-F(ibre) ir nākamās paaudzes liocels – tekstils no koksnes. Tā ir jauna tehnoloģija, kas ir izpētīta Ālto Universitātē, Somijā. Mākslīga (man-made) celulozes šķiedra, no kuras var iegūt augstas kvalitātes audumu. Procesā tiek izmantots videi draudzīgs jonu šķidrums (ionic liquid). Ioncell-F uzrāda krietni lielāku izturību salīdzinājumā ar viskozi un kokvilnu un nedaudz lielāku salīdzinājumā ar liocelu [121]. Jau kopš 2001. gada ir vērojams pieprasījuma pieaugums tieši MMCF (man made cellulosic fibres) jeb celulozes šķiedrām. Vidējais pieaugums ir 5,6 % gadā [122].
Ioncell-F eksperimenti ir veikti ar bērza koksni, lai atrastu stabilāku šķīdinātāju par NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide) un iegūtu audumu ar vēl labākām īpašībām (izturību). Galvenā jonu šķidruma priekšrocība ir tā, ka iegūtais celulozes risinājums ir augsta izšķīdināšanas jauda un zema viskozitāte (NMMO ir augsta viskozitāte), tādējādi var piemērot zemas vērpšanas temperatūras (par 20–25 % zemākas nekā NMMO), kas nodrošina labu procesu un produktu stabilitāti. Taču jonu šķidruma trūkums, salīdzinot ar NMMO šobrīd, ir tāds, ka ūdens ir jānosmeļ, kamēr NMMO gadījumā ir jākoncentrē tikai tā monohidrāts ar atlikušo ūdens saturu 13,3 masas %. Tas nozīmē, kamēr jonu šķidrums nav plaši komercializēts, tas būs dārgāks nekā NMMO [123]. Ālto Universitātē, Somijā, Ioncell-F nākotnes pētījumi tiks vērsti uz jonu šķidrumu atgriešanu ražošanas procesā, lai nodrošinātu slēgtā cikla procesu [124].
Ioncell-F ražošana ir notikusi tikai laboratorijas apstākļos un sastāv no trīs galvenajiem posmiem: celulozes šķīdināšanas, šķiedru vērpšanas un šķīdinātāja atgriešanas procesā. Izejmateriāls ir celuloze, kas iegūta no koka. Ioncell-F ir balstīts uz tiešo celulozes šķīdināšanu (tāpat kā liocels, bet ne viskoze, kas tiek vispirms pārvērsta šķīstošā atvasinājumā), tādējādi saīsinot ražošanas procesu. Šķīdināšanas posmā masa tiek sajaukta ar jonu šķidrumu. Augstās viskozitātes dēļ šajā posmā maisīšana notiek speciālā reaktorā. Iegūtais celulozes šķidrums tiek filtrēts, lai novērstu iespējamo cieto daļiņu klātesamību, un izmantots šķiedras vērpšanai. Šķiedru vērpšanai izmanto sausās sprauslas slapjo vērpšanas tehnoloģiju. Šajā posmā veidojas šķidruma pavedieni, kas pēc tam iet caur gaisa sprauslu uz recēšanas vannu. Tā ir piepildīta ar ūdeni, antišķīdinātāju, un rezultātā celuloze tiek reģenerēta. Tiek savākti šķiedras pavedieni tālākai apstrādei. Šķiedru izturība rodas, pateicoties gaisa spraugai, kurā šķidruma pavediens tiek izstiepts. Tālākā apstrāde ietver pavedienu griešanu, šķiedru
atvēršanu, mazgāšanu un virsmas apstrādi. Pēc tam šķiedras var pārvērst xxxxxx, izmantojot diegu ražošanas tehnoloģijas, kas ietver kāršanu un vērpšanu. Šķīdinātāja atgriešana procesā nodrošinātu ilgtspējīgu ražošanas tehnoloģiju, jo ir nepieciešams slēgts ražošanas cikls. Šķiedru vērpšanas laikā jonu šķidrums ir izšķīdināts ūdenī, kas ir vērpšanas vannās, to vajag atgūt kā ūdens šķīdumu. Pēc tam jonu šķidrums tiek atdalīts no ūdens un attīrīts, lai novērstu uzkrāšanos šķīstošo piemaisījumu slēgtajā šķīdinātāju cilpā. Pētījumi par šo posmu tiek turpināti [125].
4.3.3. Viskoze (tekstils no koksnes celulozes)
Celulozes izmantošanas tekstilšķiedras ražošanai senākā zināmā metode ir viskozes ražošana [126]. Viskozi ražo no koka celulozes, pārsvarā eikalipta un bambusa, bet šobrīd sāk izmantot arī citas koku sugas vai to maisījumus, piemēram, egli. Celulozes viskoze sākotnēji tika ražota kā lēts zīda aizstājējs. Sākotnēji viskozes ražošanas process bija samērā ķīmisks un videi kaitīgs. Taču pēdējos gados tika pievērsta uzmanība dabai draudzīgāku tehnoloģiju ieviešanai. Viskozes ražošanas process ir garš un veido atlikumus procesa laikā, salīdzinot ar jaunākas paaudzes līdzīgiem produktiem, kur šis process ir vienkāršāks un tiek nodrošināta slēgtā cikla ražošana, maksimāli izmantojot esošos un jau izmantotos resursus. Lai gan viskoze aizņem lielu celulozes šķiedru tirgus daļu, pieprasījums pēc viskozes ir ar negatīvu zīmi. Lielāka uzmanība tiek pievērsta jaunākiem tekstilizstrādājumiem, piemēram, liocelam, kas uzrāda labākas īpašības kā viskoze un sāk kļūt par tirgus līderi celulozes šķiedru pieprasījumā. Viskozes ražošanai ir augstas investīciju un uzturēšanas izmaksas, taču tās cena ir nokritusies pat zem kokvilnas cenas [127, 128].
Turpmāk īsumā raksturots viskozes ražošanas no koksnes process. Vispirms koksni šķeļ, izmantojot magnija bisulfītu, tad balina bez hlora. Pēc žāvēšanas tiek iegūta alfaceluloze, kas ir ar augstu celulozes saturu. Celulozi tālāk apstrādā ar stipru 18 % NaOH, lai iegūtu sārmainu celulozi. Kad nepieciešamā iedarbība panākta, lieko NaOH novada presējot, lai izveidotos vēlamais sausnas saturs un sasmalcināšanas procesā panāktu lielāku sārmu celulozes reaģējošu virsmu. Pirmsnogatavināšanas procesā sārmu celuloze reaģē ar gaisu, un vidējās molekulu ķēdes garums samazinās. Šajā posmā viskozitāte tiek regulēta ar temperatūru, piemēram, 45 °C un 5 h. Lai paātrinātu šo procesu, var izmantot tādus katalizatorus kā dzelzs (Fe), mangāns (Mn) vai kobalta (Co) savienojumi. Tālāk seko ksantācija (xanthation) un šķīdināšana: sārmu celuloze reaģē ar sēroglekli (CS2) un rodas celulozes ksantonegāts (xanthogenate), reakcijas ātrums slēgtā reaktorā ir apmēram 1 h 23 °C temperatūrā. Celulozes ksantonegāts tiek šķīdināts maisītājā vājā NaOH, lai radītu viskozi. Viskoze tiek nogatavināta 20 °C temperatūrā no 5 līdz 24 h. Šajā savienošanā viskoze tiek filtrēta 2–3 reizes, lai noņemtu nereaģējušās celulozes šķiedras un citus piemaisījumus. Gaiss un gāzes burbuļi viskozē tiek noņemti ar vakuuma palīdzību. Tipiska viskoze ir kā sīrups, un satur 5–7
% nātrija un 7–10 % celulozes. Viskoze tiek iesūknēta vērpšanas sprauslās. Tad tā tiek ievietota vērpšanas vannās ar Na2SO4 (10–30 %), H2SO4 (6–10 %) un ZnSO4 (1–4 %) 40–60 °C temperatūrā. Ja vērpšanas mašīna ir ar 150 – 400 vērpšanas sprauslām, tad vērpšanas ātrums ir 40 līdz 80 m/min. Svarīgs posms pēc vērpšanas ir izstiepšana, lai radītu viskozes šķiedru izturību. Pirmreizējā mazgāšana notiek pirms šķiedru nogādāšanas nepārtrauktās šķiedras griezējā. Viskozi mazgā ar ūdeni un NaOH šķīdumu, lai noņemtu oglekli. Lai
neitralizētu šķiedru, tiek veikta paskābināšana ar etiķskābi. Ražošanas procesa noslēguma fāzē notiek žāvēšana, atvēršana un pakošana ķīpās [129].
4.4. Biokompozītmateriāli un būvmateriāli
4.4.1. Acetilēta koksne
Acetilētā koksne ir dimensiāli stabila koksne, kas nerūk un nebriest mitruma ietekmē. Kalpošanas laiks acetilētai baltalkšņa koksnei, kas nesaskaras ar ūdeni vai zemi, ir apmēram 50 gadi (piem., fasādēs, konstrukcijās). Acetilētai koksnei, kas saskaras ar ūdeni vai zemi, vidējais kalpošanas laiks ir 25 gadi (piem., pāļi, laipas utt.). Acetilēto koksni nenoārda ne koksnes sēnes, ne kukaiņi. Pēc literatūras datiem acetilēt iesaka baltalkšņa koksni, jo tā vieglāk pakļaujas acetilēšanas tehnoloģijai. Nav novērotas mehāniskās stiprības samazināšanās acetilētai koksnei, salīdzinot ar neacetilētu koksni [98].
Koksne satur OH grupas savienojumus, kas ir hidrofīli. Minētas ķīmiskās grupas reaģē ar ūdeni, tās “atpazīst” koksnes noārdošās sēnes un kukaiņi. Ar acetilēšanas tehnoloģiju koksnes OH grupas tiek aizstātas ar COH grupām, un koksne iegūst pozitīvas īpašības. Minētā tehnoloģija ir izstrādāta 20. gs. sešdesmitajos gados, bet tad pētījumi Latvijā ir pārtraukti. Pēc publiskās informācijas, vienīgā acetilētas koksnes pētnieciskā un ražošanas iekārta darbojas Accoya grupas uzņēmumos (Holande un Anglija). Tehnoloģijas pamatā ir autoklāvs, kurā piesūcina koksni ar etiķskābes anhidrīdu ((CH3CO)20) [98].
4.4.2. Caurspīdīga koksne
Caurspīdīga koksne ir pavisam jauns un inovatīvs produkts. Pirmo reizi informācija par caurspīdīgas koksnes iegūšanu tika publiskota 2016. gadā pavasarī. Produktu izstrādājuši Zviedrijas Karaliskas Tehniskas universitātes zinātnieki. Caurspīdīgai koksnei ir unikālas īpašības. Materiālam saglabājas tādas koksnei raksturīgas īpašības kā izturīgums, blīvums un siltumvadītspēja, bet, izmantojot speciālo ražošanas tehnoloģiju, tas kļūst praktiski caurspīdīgs. Jauno materiālu var izmantot parasta stikla vietā, piemēram, logu ražošanā. Ņemot vēra produkta augsto izturīgumu, to var plaši izmantot celtniecībā, piemēram, aizstājot daļu no sienas ar caurspīdīgu koksni. Rezultātā tiks palielināts ēkā nonākošais saules gaismas daudzums, samazināta nepieciešamība pēc mākslīgas gaismas un panākts elektroenerģijas ietaupījums. Pateicoties labajām siltumvadītspējas īpašībām, ēkām tiktu samazināts kopējais siltuma zudumu apjoms. Pagaidām produkts vēl nav komercializēts. Tomēr izgudrotāji uzskata, ka ir iespējams uzsākt produkta ražošanu arī rūpnieciskos apjomos, lai produkts nonāktu tirgū plašā lietošanā. Pagaidām pasaulē nav līdzīgu – caurspīdīgas biomasas plāksnes – produktu. Pieejamā informācija liecina par to, ka Japānā no koksnes biomasas izdevies iegūt caurspīdīgu papīru [130, 131, 132].
Galvenā izejviela caurspīdīgas koksnes produkta iegūšanai ir koksne, kas tiek izmantota plākšņu veidā. Lignīna atdalīšanai tiek izmantota 1 % koncentrēta NaClO2. Vielas daudzumam jābūt pietiekamam, lai tajā pilnīgi ievietotu koksnes plāksni. Metilmetakrilāts tiek izmantots, lai padarītu koksni caurspīdīgu. Patērētā metilmetakrilāta daudzums nav definēts, jo tas var atšķirties atkarībā no izmantotās koku sugas. Metilmetakrilāts aizpilda brīvos kanālus koksnē pēc lignīna izvadīšanas. Ražošanas procesā tiek patērēts noteikts siltumenerģijas daudzums, lai nodrošinātu nepieciešamo temperatūru, atdalot lignīnu un pievienojot metilmetakrilātu.
Nātrija hlorīta un metilmetakrilāta ražošanas process neatstāj negatīvu ietekmi uz klimatu un bioloģisko daudzveidību. Nātrija hlorīta ražošanā par izejvielām izmanto hlora dioksīdu un nātrija hidroksīdu. Savukārt metilmetakrilāta ražošanai par galvenajām izejvielām kalpo ciānūdeņradis, sērskābe un acetons [130, 131, 132].
Caurspīdīgas koksnes ražošanas process ir salīdzinoši vienkāršs. Sākumā no koksnes ar ķīmisko procesu palīdzību tiek izdalīts lignīns jeb dabisko polimēru maisījums. Lignīns galvenokārt veido koksnes šūnu sienas. Lai atdalītu lignīnu, koksne tiek sagriezta plānās plāksnēs, kuru biezums nepārsniedz 3 mm. Šīs plāksnes tiek novietotas vannās ar NaClO2 un tiek mērcētas 6 stundu garumā 80 °C temperatūrā. Rezultātā koksne kļūst balta. Pēc mērcēšanas koksnei tiek pievienots metilmetakrilāts. Metilmetakrilāts tiek karsēts, kamēr viela kļūst viskoza, un tad apklāj koksnes plāksnes ar šo vielu. Lai panāktu pilnīgu vielas iesūkšanos, plāksnes ar metilmetakrilātu tiek karsētas četras stundas 100 °C temperatūrā. Rezultātā tiek iegūts caurspīdīgs kompozītmateriāls. Caurspīdīgas koksnes ražošanas procesa ietekme uz vidi, klimatu un cilvēka veselību nav detalizēti izpētīta, ņemot vērā pavisam neseno produkta iegūšanas tehnoloģijas radīšanu. Tā kā ražošanas procesā netiek ražoti bīstamie atkritumi un kaitīgas emisijas, var secināt, ka produkta ražošanas tehnoloģija neatstāj būtisku negatīvo ietekmi uz apkārtējo vidi, klimatu un cilvēku veselību [130, 131, 132].
Caurspīdīgas koksnes ražošanas procesā kā blakusprodukts rodas lignīns. Šo produktu var izmantot kā kurināmo siltumenerģijas iegūšanai un novirzīt caurspīdīgas koksnes ražošanas procesam, lai nodrošinātu nepieciešamo temperatūru koksnes pārveidošanās stadijās, vai arī izmantot citu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanai, piemēram, kā izejvielu dažādu līmju, ķimikāliju, mēslojumu un skābju ražošanā [133].
4.4.3. Celulozes siltumizolācijas vate
Ēku siltināšana ir viens no galvenajiem risinājumiem, lai samazinātu ēku siltumenerģijas patēriņu un padarītu tās energoefektīvas. Mūsdienās eksistē plaša siltumizolācijas materiālu izvēle, ko veicina augsts pieprasījums pēc šī produkta. Siltumizolācijas materiālus var izmantot gan jaunu, gan esošo māju siltināšanai. Par celulozes siltumizolācijas vates mērķauditoriju var uzskatīt gan būvniecības nozares pārstāvjus, gan produkta galapatērētājus – cilvēkus, kuri dzīvo vai strādā ar šo materiālu siltinātās ēkas.
Siltumizolācijas materiāls, kas izgatavots no koksnes skaidām un ģipša, izceļas ar labiem gan siltuma vadīšanas, gan izturības rādītājiem. Viena no galvenajām produkta priekšrocībām ir saistīta ar relatīvi zemām ražošanas izmaksām. Celulozes siltumizolācijas vates ražošanai tiek izmantoti atjaunojami resursi un netiek pievienotas kaitīgas vielas, līdz ar to produktu var uzskatīt par videi draudzīgu. Šis produkts ir inovatīvs, jo tiek piedāvāts jauns tehnoloģisks risinājums. Atšķirībā no citiem izolācijas materiāliem, celulozes vate atrodas suspensijas veidā un to ar spiedienu iepūš iepriekš noslēgtās formās. Ir divu veidu celulozes vates – žāvēta un mitrināta. Žāvētu galvenokārt izmanto bēniņu, grīdu vai jumtu izolācijai, bet mitrinātu celulozes vati izmanto zem betona plāksnēm un starpsienu izolācijai. Galvenā atšķirība no citiem siltumizolācijas materiāliem ir tā, ka netiek izmantota koksne, bet tikai viena no koksnes sastāvdaļām – celuloze, un pirms lietošanas tā atrodas suspensijas veidā un ar to var ērti piepildīt visdažādākās formas. Celulozes vate 85 % sastāv no koksnes celulozes,
7,5 % no amonija sulfāta, un pārējie 7,5 % ir bora savienojumi. Tāpēc šādu produktu var ražot paralēli citiem produktiem, kuriem nepieciešams lignīns un hemiceluloze. Celulozes vates izgatavošanai nepieciešamo izejvielu iegūšana neatstāj negatīvu ietekmi uz apkārtējo vidi, klimatu un cilvēku veselību. Celulozes izolācijas materiāla ražošanas process ir vienkāršs un sastāv no diviem galvenajiem posmiem: celulozes iegūšanas no koksnes un izolācija materiāla tekstūras veidojošo un ugunsizturību veicinošo vielu pievienošanas [134, 135].
Celulozes vate ir pieejama tirgū Eiropā un ASV. Ņemot vēra to, ka celulozes vates uzklāšanas process ir visai specifisks, parasti ar to nodarbojas specializēti uzņēmumi.
4.4.4. DendroLight šūnmateriāls
2010. gadā Latvijā, Ventspilī, ar Eiropas Reģionālās attīstības fonda atbalstu tika atvērta jauna rūpnīca un uzsākta DendroLight šūnmateriāla ražošana. Tajā laikā tā bija pirmā koksnes šūnmateriāla rūpnīca pasaulē. Apgrozāmo naudas līdzekļu trūkuma dēļ rūpnīca savu darbu pārtrauca jau 2013. gadā, un tika izsludināta uzņēmuma maksātnespēja. Lai gan šis mēģinājums uzsākt šūnmateriāla ražošanu Latvijā nevainagojās ar panākumiem, tas tomēr nenozīmē, ka šādam inovatīvam produktam, prātīgi saimniekojot, nav potenciāla tikt komercializētam.
DendroLight šūnmateriālu var izgatavot no mazvērtīgiem kokmateriāliem, piemēram, papīrmalkas, kas var būt arī nestandarta izmēra, jo materiāls tiek līmēts kopā no nelieliem gabaliem. DendroLight šūnmateriālu ražo no unikāli profilētiem egļu, priedes vai apses dēļiem, kas savā starpā salīmēti perpendikulārā leņķī, veidojot bloku, kuru pēc tam sazāģē šūnmateriāla sloksnēs (4.4. attēls). Unikālā profilēšanas tehnoloģija samazina masīvkoka svaru aptuveni par 40 %, sasniedzot 250 kg/m3 mazu blīvumu un mazinot iekšējo spriedzi. Slāņu līmēšanai izmanto PVAc (D3/D4) vai EPI saistvielas, kuru kopējais īpatsvars nepārsniedz 5 %. Šo materiālu var izmantot logu, durvju, mēbeļu, paneļu un būvniecības sistēmu izgatavošanai. DendroLight izgatavotājs šo materiālu pozicionēja kā dabai un cilvēkam draudzīgu produktu [136].
4.4 attēls. DendroLight šūnmateriāls [137].
Nav pieejama informācija par to, cik daudz atlikumu rodas šī produkta izgatavošanas procesā (koka skaidas un atgriezumi), bet jebkurā gadījumā tos ir iespējams izmantot citu produktu ražošanai vai kā kurināmo.
Lai gan šis produkts ir jau bijis komercializēts, tomēr pastāv iespēja šī produkta ideju pilnveidot un izveidot jaunu inovatīvu produktu, piemēram, piestrādājot pie šūnmateriāla slāņa savienojuma principiem un integrējot materiāla gaisa šūnās siltumizolācijas materiālus, tā padarot šo produktu funkcionālāku.
4.4.5. Koka – plastmasas kompozīti
Koka–plastmasas kompozīti ir kompozītmateriāli, kas izgatavoti no koka šķiedras un termoplastiskas. Ķīmiskās piedevas ir praktiski "neredzamas" (izņemot minerālo pildvielu un pigmentu, ja ir pievienotas) kompozīta struktūrā. Piedevas tiek lietotas, lai nodrošinātu polimēra un koksnes miltu (pulvera) sasaisti. Papildus koka šķiedrai un plastmasai kompozīti var saturēt arī citas lignocelulozes un/vai neorganiskas pildvielas materiālus. Koka– plastmasas kompozīti pirmo reizi tirgū parādījās deviņdesmito gadu sākumā. Koka– plastmasas kompozīti joprojām ir jauni materiāli, salīdzinot ar zāģmateriālu kā celtniecības materiālu ilgo vēsturi. Koka–plastmasas kompozītu visizplatītākā izmantošana Ziemeļamerikā ir āra terašu grīdām, bet tie tiek izmantoti arī kā materiāls margām, žogiem, apšuvumiem, parka soliņiem, apdarei, logu un durvju rāmjiem un iekštelpu mēbelēm. Produkts tiek izmantots, lai pārstrādātu kokapstrādes pārpalikumus un blakusproduktus kvalitatīvā produktā. Koksnes daudzums koka–plastmasas kompozītos var sasniegt 80 %. Šis produkts satur atjaunojamos resursus – kokapstrādes pārpalikumus un blakusproduktus, tādējādi aizstājot dēļus, kas iegūti tikai no polimēriem. Salīdzinot ar koka dēļiem, koka–plastmasas kompozītiem ir labāka noturība pret apkārtējās vides ietekmi, un tos var salīdzinoši viegli formēt un iegūt arī dažādus toņus [138, 139, 140].
Koka–plastmasas kompozīti un to ražošanas tehnoloģijas ir patentēti daudzās valstīs visā pasaulē [141]. Līdz ar to produkts tiek ražots komerciālos apjomos, ir brīvi pieejams tirgū, arī Latvijā. Piemēram, 2012. gadā Ziemeļamerikā tika saražots 1 100 000 t koka–plastmasas kompozītu, Ķīnā 90 000 t un Eiropā 260 000 t. 67 % no Eiropā saražotās produkcijas bija terases dēļi un 24 % materiāli auto industrijas vajadzībām. Tiek prognozēts, ka nākotnē pieprasījums pēc koka–plastmasas kompozītiem turpinās augt par 10 % gadā. Gala produkcijas cena ir aptuveni 28–50 eiro par kvadrātmetru. Salīdzinot ar koka terases dēļiem, to cena ir apmēram divas reizes lielāka, bet koka–plastmasas dēļu ilgmūžība un vieglā kopšana ir aspekts, kas nodrošina pietiekami lielu pieprasījumu pēc šī produkta.
Šī produkta ražošanai ir nepieciešami koksnes putekļi, kas iegūti no dažādiem kokapstrādes pārpalikumiem un blakusproduktiem, polimēri un piedevas. Koka–plastmasas kompozītos koka putekļu daudzums visbiežāk svārstās 60–70 % robežās. Polimērmateriālu un piedevu izmantošana un ražošana var atstāt negatīvu ietekmi uz klimatu, apkārtējo vidi un bioloģisko daudzveidību. Salīdzinot ar koka dēļiem, rodas lielāka ietekme uz vidi, taču, salīdzinot tikai ar plastmasas dēļiem, – tā tiek samazināta. Pašlaik zinātniskajā literatūrā atrodams, ka koksnes putekļu daudzumu galaproduktā ir iespējams palielināt līdz 80 %. Izmantojot reciklētus polimērus, iespējams samazināt radīto produkta ietekmi uz vidi [138, 139, 140].
Koka–plastmasas kompozīti tiek ražoti, rūpīgi sajaucot sasmalcinātas koksnes daļiņas un uzsildītus termoplastiskus sveķus. Izmantojot koksnes putekļus, kompozīti tiek ražoti daudz zemākā temperatūrā nekā tradicionālās plastmasas ekstrūzijas un spiedliešanas līnijās. Koka– plastmasas kompozītu apstrādā apmēram 28 °C augstā temperatūrā. Visbiežākās izplatītās ražošanas metodes ir ekstrūzija un spiedliešana. Koka–plastmasas kompozītus var iegūt gan no pirmlietojuma, gan no pārstrādātiem polimēriem. Tiek lietotas arī piedevas, piemēram, krāsvielas, sakabes aģenti, UV stabilizatori, putu aģenti, putošanas aģenti un smērvielas, lai pielāgotu galaprodukta īpašības. Izmantojot ekstrūzijas metodi, tiek iegūti gan pildīti, gan dobi koka–plastmasas kompozītu profili. Spiedliešanas veidnes izmanto, lai izveidotu
sarežģītākas formas produktus, kas nepieciešami, sākot ar automobiļu durvju paneļiem beidzot ar mobilo telefonu vāciņiem [138, 139, 140].
4.4.6. Koka putu siltumizolācija
Dabisko siltumizolācijas materiālu pētniecībā parādījies jauns izpētes objekts – putas, kas izgatavotas no koka putekļiem. Koka šķiedras samaļot ļoti smalki, veidojas šķidra masa, kura tiek uzputota, izmantojot gāzi, kas liek masai sacietēt. Radītais materiāls ir viegls, jo tam ir poraina struktūra. Ņemot vērā, ka šī produkta izgatavošanai tiek izmantots koka pulveris, tad kā izejmateriālus koka pulvera izgatavošanai var izmantot kokapstrādes un mežizstrādes atlikumus, tādējādi ilgtspējīgi izmantojot bioresursus un radot produktu ar augstāku pievienoto vērtību. Zinātnieki pēta iespējas, kā nodrošināt putu sacietēšanu ar koka biomasā dabiski esošajām vielām vai pievienojot citas ķīmiskas vielas. Šī produkta inovācijas pamatā ir radīt materiālu, kas aizstātu šobrīd plaši izmantotās no naftas produktiem ražotās izolācijas putas, tā samazinot fosilo resursu izmantošanas radīto negatīvo ietekmi uz apkārtējo vidi, klimatu un bioloģisko daudzveidību. Mūsdienās tirgū ir plaši pieejamas ne tikai siltumizolācijas putas, plātņveida un beramie siltumizolācijas materiāli no naftas produktiem, bet arī no dabiskiem izejmateriāliem. Tomēr valda uzskats, ka dabiskas izcelsmes siltumizolācijas materiāli ir mazāk izturīgi, absorbē mitrumu un ātri deformējas. Koka putu siltumizolācijas materiālā šīs problēmas ir novērstas un tā īpašības ir tikpat labas kā siltumizolācijas materiāliem no naftas produktiem. Turklāt putu siltumizolācija ir plašāk lietojama nekā līdzšinējie dabiskie siltumizolācijas materiāli, kas vairākumā gadījumu paredzēti standarta ēku siltināšanas risinājumiem [142].
Pagaidām šis produkts nav komercializēts, jo vēl notiek tā pilnveidošanas izpēte. Literatūrā atrodama informācija, ka pie šī produkta izstrādes šobrīd strādā zinātnieki Amerikas Savienotajās Valstīs un Vācijā.
4.4.7. Koksnes polimēra kompozīti ar termiski modificētas koksnes atlikumiem
Produkts koksnes polimēra kompozīti ar termiski modificētas koksnes atlikumiem ir viens no Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā izstrādātajiem produktiem. Atšķirībā no plaši zināmajiem koksnes polimēru kompozītiem, šajā produktā koksnes daļa tiek aizstāta ar termiski modificētiem koksnes atlikumiem.
Koksnes polimēra kompozīti (KPK) ir biokompozītmateriāli, kas galvenokārt sastāv no koksnes atlikumiem (skaidām, koksnes miltiem u. c.) un termoplastiska polimēra (PP, HDPE, LDPE u. c.), kura mīksttapšanas temperatūra nepārsniedz 200 °C. Koksnes atlikumu daudzums parasti ir robežās no 40 % līdz 70 % no kopējās kompozītmateriāla masas. Īpašību uzlabošanas nolūkā tiek izmantotas dažāda veida piedevas: krāsvielas, stabilizatori, starpfāžu modifikatori, plastifikatori, biocīdi u. c. Šāda veida materiālus visbiežāk izmanto terases dēļu, margu, ārtelpu mēbeļu, logu rāmju, sētu, iepakojumu un dažādu automašīnu paneļu ražošanā. No KPK kausējuma var izgatavot sarežģītas formas produktus, piemēram, neregulāras formas paneļus. Kompozītmateriāliem piemīt relatīvi labas mehāniskās īpašības, nav nepieciešama tik regulāra apkope, kā tas ir koksnes gadījumā, ražošanā var izmantot visdažādākās dabas šķiedras, kā arī otrreiz pārstrādātas plastmasas. Pieņemot, ka piedevu daudzums kompozītā ir 10 masas %, atlikušos 90 masas % veido plastmasas atkritumi. Paši KPK arī ir otrreiz pārstrādājami, kur materiālais zudums pārstrādes procesā ir minimāls, kas ir
ļoti būtiski automašīnu ražošanas sektorā, kur saskaņā ar Eiropas Parlamenta direktīvu 2000/53/EC vismaz 95 % no automašīnas masas ir jābūt reciklējamai (mehāniski 85 % un termiski 10 %) [143, 144]. Konkrētais piedāvājums ir izmantot tieši termiski modificētas koksnes atlikumu produktus, kas veidojas termiski modificētas koksnes ražošanas procesā, kā arī pēcapstrādē. Saskaņā ar veiktajiem pētījumiem ir noskaidrots, ka, izmantojot šādu pildvielu, uzlabojas KPK materiāla bioizturība, samazinās ūdens absorbcijas, palielinās dimensionālā stabilitāte, palielinās materiāla stingums (lielāks lieces modulis), bet pasliktinās triecienizturība un produkti ir pieejami tikai tumšā krāsā [98].
KPK materiāli ir piedzīvojuši ļoti strauju pieprasījuma palielināšanos visā pasaulē pēdējo 10 gadu laikā, pateicoties to relatīvi mazajai cenai, labajām īpašībām un videi draudzīgai pieejai. KPK ar termiski modificētas koksnes atlikumiem šobrīd ražo tikai viens uzņēmums LunaComp (Somija), kas arī uzsver, ka viņu produkts ir ar ļoti labu dimensionālo stabilitāti un izturību pret sēņu iedarbību. To pārdod mazumtirgotāji 9 valstīs (Lielbritānijā, Somijā, Vācijā, Ungārijā, Lietuvā, Singapūrā, Zviedrijā, Taizemē un Turcijā). Tas ir ļoti izplatīts Somijā. Lietuvā ir viens mazumtirgotājs, kurš piedāvā šo produktu (terases dēli) par cenu 45 eiro/m2. Latvijā, Igaunijā, Krievijā, Baltkrievijā, Polijā u. c. šis produkts nav pieejams [145]. LunaComp uzņēmums uzsāka savu industriālo ražošanu 2011. gadā. Atšķirībā no LunaComp kompozīta, Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūta piedāvātajam produktam ir izejvielas izvēles iespējas, piemēram, izmantot termiski modificētas lapkoksnes atlikumus, kas KPK nodrošina mazāku ūdens absorbciju un lielāku dimensionālo stabilitāti, nekā izmantojot termiski modificētas skuju koku skaidas, kā arī izmantot dažādos režīmos termiski modificētus koksnes atlikumus. Pastāv arī iespējas izmantot citādu sastāvu, kas nodrošinās atšķirīgas īpašības un līdz ar to paplašinās izmantošanas sfēra [98].
Produkta mērķauditorija ir privātmāju, dārzu un lauksaimniecības ēku īpašnieki, kuri var izmantot produktu kā terases dēli, sētas materiālu, ārtelpu mēbeli u. c., kā arī automašīnu ražotāji, iepakojumu ražotāji un pašvaldības. Būtiskākās pircēju prasības attiecībā uz šo produktu ir saglabāt sākotnējās materiāla īpašības pēc iespējas ilgākā laika posmā, neveicot papildu materiāla apstrādes, piemēram, krāsošanu. Šo produktu varētu izmantot turpat, kur parastos KPK materiālus, bet tas varētu būt arī nišas produkts tādās sfērās, kur parastā KPK īpašības nespēj nodrošināt vēlamās prasības [98].
Kompozīts ar termiski modificētas koksnes atlikumiem varētu pavērt jaunas izmantošanas iespējas tieši šāda veida materiāliem. Tos varētu izmantot īpaši mitrās vietās, kur parastie KPK nespēj nodrošināt gan izturību pret sēnītēm, gan dimensionālo stabilitāti. Tā kā arī termiski modificētas koksnes ražošanas apjomi pēdējo gadu laikā strauji pieaug, tad termiski modificētas koksnes atlikumu pieejamība tikai palielināsies.
Šobrīd Latvijā darbojas vairāki uzņēmumi, kas ražo termiski modificētu koksni, un kā ietekmīgāko ražotāju var minēt Stora Enso (Launkalne). Būtiski ir piebilst, ka, izmantojot termiski modificētas koksnes atlikuma produktus, KPK ražošanā nav nepieciešama šo skaidu ķīmiska pirmsapstrāde, piemēram, apstrāde ar sārmu, jo jau pašas termiski modificētās skaidas nodrošina pietiekami labas materiāla īpašības. Līdz ar to arī šeit parādās gan ekonomisks, gan videi draudzīgs aspekts. Šāda veida pildvielas izmantošana KPK materiālu ražošanā ir salīdzinoši maz pētīta, un līdz ar to turpmāka izpēte varētu nodrošināt citu, ar KPK materiāliem nesaistītu tirgu iekarošanu [98].
Vienas KPK produkta vienības saražošanai nepieciešams 0,5 vienības termiski modificētas priedes vai bērza koksnes atlikumu (0,2–0,4 eiro/kg), 0,42 vienības polipropilēna granulu (1,2–1,5 eiro/kg), 0,03 vienības starpfāžu modifikatora (1,5–3,0 eiro/kg) un 0,05 vienības UV absorbera (0,5–0,7 eiro/kg). Termiski modificētas koksnes atlikumi netiek izmantoti citu produktu ražošanā. Šie atlikumi parasti tiek sadedzināti siltumenerģijas ieguvei. No visa saražotā termiski modificētas koksnes apjoma aptuveni 3 % varētu veidoties kā atlikumi. Atlikumu pieejamība būtu atkarīga no termiski modificētas koksnes ražotājiem. Polipropilēna atkritumi rada vides piesārņojumu, jo tie bioloģiski nenoārdās. Šo atkritumu savākšana un otrreizēja pārstrāde veicinās vides kvalitātes uzlabošanos. To cena varētu būt robežās no 0,3 līdz 0,6 eiro/kg. Polipropilēna cena ir aptuveni 1,2–1,5 eiro/kg [98].
Termiski modificētas koksnes ražošanas process ir videi nekaitīgs. Turklāt termiski modificētas koksnes atlikumu otrreizēja pārstrāde atstāj pozitīvu ietekmi uz vidi, jo tad tā nenonāk vidē, kā arī tādā veidā tiek ietaupīti fosilie resursi. KPK materiālus var ražot, izmantojot ekstrūderi, spiedliešanas iekārtu, pultrūzijas iekārtu vai presi. Izmantotās iekārtas veids ir atkarīgs no vēlamā produkta, piemēram, terases dēļus ražo, izmantojot ekstrūderi. Skaidas, polipropilēns un piedevas tiek ievadītas ekstrūderī, lai notiktu masas vienmērīga samaisīšanās, tad notiek granulēšana vai gatavu produktu izstrādāšana. Ražošanas procesam nepieciešamās iekārtas ir iespējams iegādāties Latvijā [98].
Produkta izgatavošanai 90 % apmērā tiek izmantoti atjaunojamie dabas resursi. Tā sastāvā nav ķīmisku savienojumu, kuru nonākšana vidē var radīt piesārņojumu un kaitējumu dzīvajiem organismiem. To lietošanas cikla beigās iespējams 100 % apmērā reciklēt, tas atbilst ekodizaina pamatprincipiem un ir alternatīva plastmasas izstrādājumiem, tāpēc šis produkts uzskatāms par ekoloģisku, cilvēkam, videi un klimatam draudzīgu.
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā šis produkts izstrādāts Valsts pētījumu programmas 2014.10-4/VPP-6/6 "Meža un zemes dzīļu resursu izpēte, ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas" (ResProd) (2014–2017) ietvaros. Tieši šāds kompozīts šobrīd nav komercializēts un nav pieejams tirgū. Vēl tiek veikti pētījumi.
4.4.8. Kokšķiedras kompozītmateriāla grīdas segums
Kokšķiedras kompozītmateriāla grīdas segumu veido koka šķiedra, kaļķakmens pulveris, PVC, vinilhlorīda–vinilacetāta polimērs. Ar koka šķiedru armētie kompozītmateriāli ir dabai draudzīgāki un ilgtspējīgāki. Atšķirībā no koka grīdas dēļiem tie kalpo ilgāk, jo ir noturīgāki pret abrāziju. Atšķirībā no WPC (wood/plastic composites) dēļiem, tiem ir lielāks dabisko materiālu īpatsvars un augstāka materiāla cietība. Koksnes pulveri vienu stundu 100 °C izžāvē (atkarībā no sugas, bet tā, lai mitruma daudzums būtu mazāks nekā 8 %). Sauso koksnes pulveri 30 min. sajauc ar vinilhlorīda-vinilacetāta polimēru, PVC un kaļķakmeni, tad atstāj žāvēties 100–180 °C (15–20 min.), 80–120 °C (5–10 min.), 60–100 °C (3–5 min.) un 30– 50 °C (3–5 min.), kam seko malu apgriešana un pulēšana [146].
4.4.9. Nanocelulozes cements
Nanocelulozi tās īpašību dēļ var izmantot kā izolācijas materiālu vai kā cementa piejaukumu. Tas padarītu būvniecības procesu videi draudzīgāku, uzlabojot kvalitāti. Tiktu likvidētas
mikroplaisas, kas veidojas cementā. Produkts ir inovācija, jo īpaši Latvijā. Tas netiek ražots pārdošanai, un tam ir būvniecības nozares uzlabošanas potenciāls [147, 148].
Nanocelulozes cementa izgatavošanai Latvijā ir pieejamas visas nepieciešamās izejvielas: cements un koksnes resursi. Indijā veikts pētījums liecina, ka nanocelulozes ieguvei var izmantot arī papīra ražošanas un kokzāģētavu atlikumus [149]. Tātad Latvijā šāda produkta ražošanai varētu izmantot mežizstrādes un kokapstrādes atlikumus.
4.4.10. ICLT (interlocking cross-laminated timber) – savstarpēji savienoti krusteniski laminēti paneļi
ICLT (interlocking cross-laminated timber) – savstarpēji savienoti krusteniski laminēti paneļi – ir jauns produkts un vēl nav pieejams tirgū. Tas izgudrots Amerikas Savienotajās Valstīs, Jūtas Universitātē (University of Utah). Ražojot ICTL, iespējams izmantot defektētu koksni, kuru nav iespējams pārdot kā zāģbaļķus, vai arī no vecām koka ēkām demontētus kokmateriālus. Izgudrotāji ICLT izgatavošanai izmantojuši egles, kuras dabā plašā teritorijā cietušas no kaitēkļu bojājumiem, izraisot koku kalšanu plašās teritorijās, kas paaugstina ugunsbīstamības risku. Šāds koks nav pietiekami izturīgs, lai to izmantotu viengabalaina materiāla izgatavošanai, savukārt CLT (cross-laminated timber) slāņos tas kļūst pietiekami izturīgs [150]. CLT jau ir plašāk zināms, un līdzīgs produkts jau ir komercializēts. Šis produkts tiek izgatavots ar saistvielu, zem spiediena savstarpēji savienojot vairākos slāņos un pretējos virzienos liktus dēļus, tādējādi iegūstot lielāku un izturīgāku viengabalainu koka paneli. Šāda veida paneļu priekšrocības ir ne tikai tas, ka iespējams izmantot nestandarta izejmateriālus, bet arī tas, ka tiek paaugstinātas tā mehāniskās īpašības (to stiprība ir tuva betonam). Būvniecībā, izmantojot CLT paneļus, tiek palielināts būvniecības procesa ātrums un līdz ar to arī samazinātas izmaksas. Šobrīd CLT paneļi tiek izmantoti daudzstāvu māju būvniecībai. Īpaši lielu popularitāti tie ieguvuši Skandināvijas valstīs. Pirmā un pagaidām vienīgā CLT rūpnīca Latvijā tika atvērta 2015. gadā Jelgavā. Tāpēc CLT Latvijā vairs nebūtu uzskatāms par pētījuma pasūtītāja interesēm atbilstošu inovatīvu produktu. Savukārt ICLT ideju var attīstīt un rast risinājumu nestandarta un nekvalitatīvas koksnes izmantošanai inovatīva būvmateriāla ražošanai.
4.5. attēls. ICLT 5 slāņu profila šķērsgriezums [150].
ICLT slāņu savstarpējai savienošanai netiek izmantotas nekādas saistvielas, jo koka gabali tiek izfrēzēti dažādās formās un savstarpēji savienoti viengabalainā panelī (4.5. attēls). Tādējādi tiek izslēgta iespējamība, ka tiek izmantotas videi un cilvēka veselībai kaitīgas saistvielas, un šādu produktu pēc dzīves cikla beigām ir iespējams izmantot kurināmā ražošanai.
Izmantojot defektēto un nestandarta koksni ICLT paneļu ražošanai iespējams samazināt neizmantoto mežizstrādes biomasas atlikumu apjomu un vienlaicīgi esošajiem kokmateriāliem paugstināt pievienoto vērtību, nepalielinot ietekmi uz vidi. Tā kā AS “Latvijas valsts meži” ir ieguvuši PEFC sertifikātu, tad no šo mežu biomasas produktiem celtas ēkas arī varētu iegūt PEFC sertifikātu. Pēc dzīves cikla beigām ICLT var izmantot, piemēram, kurināmā ražošanai, jo tā sastāvā nav nekādu ķīmisku saistvielu.
Starptautiskajā patentu datubāzē nav pieejama informācija, ka ICLT būtu patentēts kā produkts vai tā ražošanas metode. CLT gan ir vairāki patenti [151, 152, 153].
4.4.11. Skuju siltumizolācijas materiāls
Skuju siltumizolācijas materiāls ir izgatavots no mežizstrādes atlikumiem – skuju koku zaleņa (egļu un/ vai priežu skujas ar vai bez smalkajiem zariem). Produktu iespējams izgatavot plātņu vai granulu veidā (4.6. attēls). Lai tas turētos kopā, tiek likta klāt saistviela, kas izgatavota no cietes un ūdens maisījuma. Lai materiālu padarītu vēl izturīgāku un ne tik drūpošu, kā arī padarītu to ugunsdrošu, ir jāveic papildu pētījumi par vielām, kas vēl būtu pievienojamas saistvielai. Eksperimentos iegūtie siltumvadītspējas koeficienta (λ) rezultāti skuju siltumizolācijas materiālam ir šādi:
• granulēts skuju siltumizolācijas materiāls: λ = 0,045–0,082 W/mK;
• plātņveida skuju siltumizolācijas materiāls ar cietes saistvielu λ = 0,048–0,054 W/mK;
• plātņveida skuju koku zaleņa siltumizolācijas materiāls λ = 0,056–0,065 W/mK;
• bērtas egļu skujas: λ = ~0,035 W/mK;
• bērtas priežu skujas: λ = ~0,075 W/mK [154, 155, 156, 157].
Produkts izmantojams ēku siltināšanai. Tā mērķauditorija ir “zaļās” būvniecības piekritēji, kuriem ir būtiski, ka telpas, kurās viņi uzturas, ir veidotas no videi un cilvēka veselībai nekaitīgiem materiāliem. Šis materiāls bioloģiski noārdās, un tā nonākšana vidē nerada nekādu piesārņojumu un neatstāj negatīvu ietekmi uz cilvēku veselību, klimatu un vidi.
4.6. attēls. Skuju siltumizolācijas materiālu paraugi.
Produkts izgudrots Rīgas Tehniskās universitātes Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūtā, un šis izgudrojums ir patentēts ar Latvijas Patentu valdē (patenti Nr. LV14792B “Kokskaidu siltumizolācijas materiāls” un Nr. LV15124A “Granulēts kokskaidu siltumizolācijas materiāls”) [158, 159]. Patentu īpašniece ir Rīgas Tehniskā universitāte. Šobrīd tirgū nav pieejami siltumizolācijas materiāli, kuru izgatavošanai būtu izmantota ne tikai koksne, bet arī skujas. Par līdzīgiem produktiem varētu uzskatīt kokšķiedras plātnes (λ = 0,053 W/mK) un kokšķiedras vati (λ = 0,058 W/mK).
Produkta ražošanas tehnoloģijas ir vienkāršas, un tam ir iespējams pielāgot jau esošas iekārtas. Atkarībā no skuju siltumizolācijas materiāla veida ražošanas process var atšķiries,
bet galvenie produkta ražošanas posmi ir izejmateriāla iegūšana no mežizstrādes atlikumiem cirsmās, tā smalcināšana, sajaukšana ar saistvielu, formēšana un žāvēšana. Lielākās problēmas varētu būt tieši ar zaleņa ieguvi jau veiktajās cirtēs, jo šobrīd nav rasts risinājums, kā šo procesu mehanizēt, tajā skaitā veicot mehanizētu mežizstrādes atlikumu šķirošanu uz vietas cirsmā, no tiem atdalot skuju koku zaleni (smalkie zari diametrā līdz 5 mm ar skujām). Latvijā skuju koku zaleņa ieguve joprojām ir manuāls, cilvēkdarba ietilpīgs process.
Skuju koku zaleni Latvijā komerciālu produktu ražošanai izmanto uzņēmumi AS “Biolat” un SIA “Vecventa”, kas izgatavo dažādus produktus no skuju koku zaleņa ekstraktiem un atlikušo masu nelielos daudzumos izmanto lopbarībai un kā mulču. Vēl nav veikti pētījumi, bet, iespējams, skuju siltumizolācijas materiālu varētu izgatavot no skuju koku zaleņa masas, kas paliek pāri pēc ekstrakta iegūšanas, tādējādi iegūstot lielāku pievienoto vērtību no skuju koku zaleņa izmantošanas, jo tā izmantošanas procesā tiktu izgatavots vēl viens produkts ar lielāku pievienoto vērtību nekā līdz šim.
4.4.12. Stikla šķiedras/koksnes miltu termoplastiskais hibrīdkompozītmateriāls
Hibrīdkompozītmateriālu veido stikla šķiedra, koksnes milti un polimērs. To var izmantot logu rāmju, durvju, automašīnas salona paneļu, margu, apšuvuma, seguma un žogu ražošanā. Lielākais potenciāls saistāms ar automašīnu industriju. WPC (wood/plastic components) ir aktuālākais kompozītmateriāls pēdējā desmitgadē. Tas ir videi draudzīgāks, ar zemākām ražošanas izmaksām, it sevišķi, ja izmanto otrreizēji pārstrādātas izejvielas. Par nišas produktu hibrīdkompozītmateriālu var uzskatīt tāpēc, ka papildus koksnes šķiedrai/pulverim plastmasai tiek pievienota stikla šķiedra, kas paaugstina materiāla cietību. Atkarībā no nepieciešamajiem kompozītmateriāla parametriem izmanto pirmreizēji ražotus vai pārstrādātus materiālus nepieciešamajās proporcijās: stikla šķiedra (rūpniecības atkritumi (sasmalcināta 3 mm garumā), pārstrādāta stikla šķiedra), polimērs (PE, LDPE, PP, PVC, PS, ABS plastmasa, neilons) un koksnes milti (pārstrādāti koksnes atgriezumi, zāģu skaidas utt.) 250–500 µm diametrā. Palielinot koksnes miltu procentuālo īpatsvaru, pieaug polimēru matricas cietība, it sevišķi, pieaugot temperatūrai, kas polimēru mīkstina. Tāpat materiāla cietību uzlabo arī stikla šķiedra (atšķirība starp nepārstrādātu un pārstrādātu stikla šķiedru nav nozīmīga). Savukārt lieces stiprība paaugstinās, samazinoties koksnes miltu īpatsvaram. Pirms ražošanas polimēri (65 °C) un koksnes milti (105 °C) 24 h tiek žāvēti krāsnī, lai likvidētu mitrumu. Polimēra, koksnes miltu un stikla šķiedras sajaukšanai izmanto kinētisko maisītāju. Polimēru un pildvielas ievada sajaukšanas kamerā, strauji (~3 min.) maisījums tiek novests līdz polimēra kušanas temperatūrai (LDPE kušanas temperatūra ir 130 °C, PP – 160 °C), veidojot homogenizētu izkausētu masu, kuru atlej veidnē. Nepieciešamās veidnes iegūšanai (atkarībā no iecerētā mērķa) izmanto kompresijas iekārtu [160].
Lai gan šāda kompozītmateriāla sastāvā ir tikai 20–60 % atjaunojamo resursu, tas ir apkārtējai videi draudzīgāks nekā materiāli, kas 100 % apmērā tiek ražoti no naftas pārstrādes produktiem. Turklāt materiāla ražošanā iespējams izmantot reciklētu stiklašķiedru un plastmasu, tādējādi arī samazinot produkta ietekmi uz klimatu un apkārtējo vidi.
4.5. Citi jauni produkti ar augstu pievienoto vērtību
4.5.1. Aktivētā ogle kā adsorbents
Aktivētās ogles (AO) apvieno porainus oglekļa materiālus, kas iegūti, apstrādājot ogles ar oksidējošām gāzēm vai karbonizējot oglekļa saturošu materiālus ar vienlaicīgu ķīmisko aktivāciju. Visus šos oglekļa materiālus iegūst, lai sasniegtu augstu porainuma pakāpi un lielu iekšējās virsmas laukumu. Daudz un dažādas AO lietojuma iespējas ir apskatītas vairāk nekā 1500 rūpnieciskajos patentos visā pasaulē [161].
Ūdens attīrīšana ir vislielākā AO patēriņa pasaules nozare. To ietekmē tīra dzeramā ūdens nepieciešamība un daudzu valstu apkārtējās vides augstie normatīvi attiecībā uz notekūdeņiem. Arī citas nozares patērē AO, kā arī arvien palielinās spēkstaciju izplūdes gāzu un automobiļu dzinēja izmešu kontrole. Prognozēts, ka kopējais AO pasaules patēriņš līdz 2017. gadam būs dubultojies, t. i., no 2007. gada 890,5 tūkstošiem līdz 1,73 miljoniem tonnu 2017. gadā [161, 162]. AO patēriņš palielinās, pateicoties izmaiņām valstu normatīvajā regulējumā par labu vides aspektiem. Lai apmierinātu pieaugošo pieprasījumu un samazinātu atmosfēras piesārņojumu, ir jāizstrādā jaunas AO iegūšanas metodes un racionāli tās jāīsteno [98].
Šī produkta mērķauditorija ir jebkurš process un pakalpojums, kur nepieciešama gāzveida un šķidras vides attīrīšana no nevēlamiem piemaisījumiem, piemēram, izmantojot kā katalizatoru metalurģijā un benzīna attīrīšanā; peldbaseinu un bezalkoholisko dzērienu ūdens attīrīšanai no hlora savienojumiem; dzeramā ūdens un rūpniecisko gāzu izmešu attīrīšanai; šķīdinātāju un zelta atgūšanā; izšķīdušu organisko savienojumu adsorbcijai; ūdens un gāzmasku filtros; alus un degvīna dzidrināšanai. Līdz šim AO noieta tirgus ir tikai audzis – pēdējo 10 gadu laikā tas ir dubultojies, un tam ir tendence palielināties, jo aizvien palielinās prasības notekūdeņu un izplūdes gāzu attīrīšanai [162].
Pulverveida AO, kuras vēsturiski aizņēma lielāko daļu no kopējā patēriņa, pamazām piekāpjas granulveida aktivētajām oglēm (GAO), kuras pasaulē galvenokārt ražo no dabīgi blīva materiāla – kokosriekstu čaumalām. GAO galvenā priekšrocība ir to reģenerācijas spēja. Cena atkarībā no sortimenta ir aptuveni 2000–4000 eiro/t. GAO plaši izmanto kārtridžu sistēmās dažādu nevēlamu piemaisījumu atdalīšanai no pamatprodukta. Pēc šādām AO ir pastāvīgi augošs pieprasījums kā Amerikas Savienotajās Valstīs, tā Rietumeiropas tirgos. Koksnei kā GAO ražošanas izejvielai ir vairāki trūkumi – iegūtās AO ir ar mazu blīvumu un mehānisko izturību. Tādēļ AO, kas ražotas no koksnes, pārsvarā ir pulverveida, un to cena ir zema, bet, veicot hidrotermisko apstrādi un granulēšanu, ir iespējams iegūt GAO no koksnes [98].
AO ražotāji atrodami visā pasaulē, tāpēc varētu rasties šaubas par šī produkta novitāti, bet jāpievērš uzmanība tehnoloģijai, ar kuru šis produkts tiek saražots. LVKĶI ir izstrādāta oriģināla un videi draudzīga tehnoloģija, lai no mazvērtīgas lapu koku koksnes, kurai ir zema lietošanas un pievienotā vērtība, iegūtu augstas kvalitātes blīvas un mehāniski izturīgas sīkporainas GAO, kas ir lietojamas gāzes un šķidrajā fāzē ar iespēju tās reģenerēt. LVKĶI pētījumu rezultātā ir noskaidrots, kā baltalkšņa koksnes hemiceluložu daļējās noārdīšanās process, neizmantojot neorganiskus katalizatorus, iespaido modificētas (hidrotermiski apstrādātas) koksnes granulu, pārogļotu granulu un AO struktūras veidošanos,
submikroskopisko uzbūvi un īpašības. Izstrādāta jauna kompleksa un videi draudzīga GAO iegūšanas tehnoloģija no modificētas un granulētas baltalkšņa koksnes. Balstoties uz veikto pētījumu rezultātiem, piedāvātā tehnoloģija apvieno hidrotermiskās apstrādes, granulēšanas un termiskās apstrādes metodes, kas sekmē jaunu GAO ražošanas tehnoloģiju attīstību. Iegūtie adsorbenti darbojas ne tikai gāzes, bet arī šķidrajā fāzē ar izmantošanas iespējām farmācijā, ķīmiskajā un pārtikas rūpniecībā, kā arī vides un enerģētikas problēmu risināšanā [98].
1 t AO iegūšanai nepieciešams 5,9 t papīrmalkas vai kurināmās malkas. Kā izejvielu granulveida aktivēto ogļu iegūšanai var izmantot furfurola ražošanas atlikumu – lignocelulozi. Šobrīd furfurola ražošana Eiropā ir attīstības stadijā, tādēļ šādi atlikumi nav pieejami lielos daudzumos. Prognozējams, ka nākotnē Eiropā attīstīsies furfurola rūpnīcas, kurās 50–70% lignoceluloze tiktu dedzināta paša procesa enerģijas vajadzībām. AO ražošana no lignocelulozes būtu produkts ar lielāku pievienoto vērtību [98].
Aktivētās ogles ražošanas tehnoloģija LVKĶI izstrādāta valsts pētījumu programmas (2005.- 2009. gads) projekta “Lapu koku audzēšanas un racionālas izmantošanas pamatojums, jauni produkti un tehnoloģijas” ietvaros. Pagaidām šī aktivētās ogles ražošanas tehnoloģija vēl nav patentēta un komercializēta. Kā galvenie iemesli, kāpēc šī AO ražošanas tehnoloģija un produkts vēl nav komercializēts, ir tas, ka nepieciešamas lielas investīcijas šādas ražošanas uzsākšanai un nav bijusi kvalitatīva inovācijas pārnese no zinātnes uz biznesu [98].
4.5.2. Bioloģiski aktīvi savienojumi no priedes mehāniskās pārstrādes blakusproduktiem
Priedes mehāniskās pārstrādes blakusprodukti, kas rodas priedes koka pārstrādes procesā, ir racionalizēti, papildinot to enerģētisku izmantošanu ar bioloģiski aktīvu, tai skaitā veselību veicinošu dabas vielu ieguvi. Izstrādātajā procesā ir integrēta ilgtspējīga attīstība atbilstoši cirkulārās ekonomikas stratēģijai, kur viena procesa blakusprodukts ir izejviela citam un tiek palielināta ekonomiskā vērtība bez papildu patēriņa pieauguma. Iegūtie ekstraktu savienojumi ir pasaulē zināmi, pateicoties to efektīvai iedarbībai uz sirds slimībām, Alcheimera slimību un citām slimībām. Tiem piemīt pretmikrobu un antibakteriālā aktivitāte, antimetastatiskā un pretiekaisuma, kā arī antioksidantā aktivitāte. Izstrādātā bioloģiski aktīvo savienojumu ieguve vēl tiek optimizēta, un pilnvērtīgai izejvielas izmantošanai ir nepieciešami papildu pētījumi [98].
Priede (Pinus Sylvestris L.) ir viena no nozīmīgākajām koku sugām Latvijas ekonomikā. Daudzi bioloģiski aktīvi savienojumi no priedes koksnes ir guvuši plašu atzinību, pateicoties to potenciālajām veselību veicinošām īpašībām, antimikrobiālām un antidiabētiskajām aktivitātēm. Tradicionāli tie tiek ekstrahēti, izmantojot šķidruma ekstrakciju, bet ieguves apstākļu pētījumi ir aktualizējušies un sistemātiski sākti pētīt pēdējā piecgadē, citviet Eiropā dažu šo savienojumu, piemēram, lignānu, ieguve ir komercializēta, tiem ir liela tirgus un komerciālā vērtība, pieejamo preparātu skaits arvien tiek papildināts [98].
Šī produkta izpēte veikta Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā starptautiska ERA-NET
„WoodWisdom - Net" projekta „Pinosylvins as novel Bioactive Agents for Food Applications
(PINOBIO)" ietvaros (projektā iesaistītas 5 zinātniskās institūcijas no 4 dažādām valstīm
(Somijas, Spānijas, Slovēnijas, Latvijas)). Šobrīd par šo produktu tiek izstrādāts patenta pieteikums.
4.5.3. Ciete
Ciete ir visplašāk dabā sastopamais slēgtais ogļhidrāts un rodas augos fotosintēzes rezultātā. Cietes molekulas atrodas saknēs, zaros, sēklās un augļos. Ciete veido mazas granulas, kas nešķīst aukstā ūdenī [163]. Ciete ir polisaharīds, tā galvenā funkcija augos ir enerģijas uzkrāšana.
Ciete ir izejviela, ko var izmantot gan pārtikas rūpniecībā (kā cieti tiešā veidā vai lai izgatavotu sīrupu vai glikozi), gan kā izejvielu citās rūpniecības nozarēs, piemēram, tekstilrūpniecībā, saistvielu ražošanai vai bioplastmasas izgatavošanai. ES izplatītākais cietes lietojums ir papīra un kartona ražošanas industrija (apmēram 70 %). Citas būtiskas nozares ir saistvielu ražošana, tekstilrūpniecība, piedevu ražošana, kosmētikas ražošana, farmācija, būvniecība, krāsu ražošana, neapstrādātas eļļas ekstrakcija, agroķīmija un cietes plastmasas un kompozītu izgatavošana [164].
Cietes no koksnes mērķauditorija būtu uzņēmumi, kuriem savu produktu ražošanai ciete lielos daudzumos nepieciešama kā izejviela un paši ar šīs izejvielas izgatavošanu nenodarbojas. Tieši par cietes, kas izgatavota no koksnes, īpašībām un labākajām izmantošanas iespējām ir pieejama ļoti ierobežota informācija, līdz ar to nepieciešami papildu pētījumi. Bet tiek pieļauts, ka šo cieti varētu izmantot tādiem pašiem mērķiem kā citu augu cietes. Cietes iegūšanas no koksnes inovācija saistīta ar to, ka izejvielas (koksnes) audzēšana nodara videi daudz mazāku kaitējumu nekā lauksaimniecības kultūraugu audzēšana un ciete ir viens no visbiežāk sastopamajiem organiskajiem savienojumiem uz Zemes [165, 166].
Šobrīd nav daudz zinātnisku pētījumu par cietes iegūšanu no koksnes, tās specifiskajām īpašībām un izmantošanu [165]. Ir atrodama informācija, piemēram, par cietes iegūšanu no manioka auga [167]. Tas liecina par to ka, šis produkts un tā izgatavošanas tehnoloģijas ir inovācijas, tas nav vēl pilnībā izstrādātas, līdz ar to arī komercializētas. Starptautiskajā patentu datubāzē nav pieejama informācija, ka uz šāda veida produktu vai uz tā ražošanas tehnoloģiju būtu izsniegts patents. Pasaulē izplatītākie cietes ieguves kultūraugi ir kukurūza, (80,9 %), kvieši (8,6 %), kartupeļi (5,3 %) un rīsi. No šo augu sausas masas var iegūt 60–90 % cietes [168]. No koksnes izgatavota ciete nav pieejama tirgū, jo vēl ir tikai izstrādes stadijā. No citiem augiem iegūtas cietes (tai skaitā arī bioloģiskās) plašā klāstā ir pieejamas visā pasaulē. Latvijā nepieciešamos cietes apjomus galvenokārt nodrošina Alojas kartupeļu cietes ražotne, bet apmēram 80 % no savas produkcijas tā eksportē [169].
Cieti iespējams iegūt gandrīz no visiem augiem, jo tā atrodas augu šūnās. Visplašāk ciete tiek iegūta no kartupeļiem, graudiem, rīsiem un kukurūzas. Atkarībā no augu fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām atšķiras cietes iegūšanas tehnoloģijas. Kartupeļu cieti iegūst no sasmalcinātas kartupeļu masas, to skalojot ūdenī. Izskalotā ciete tiek atdalīta no šķidruma un kaltēta. Lai iegūtu cieti no koksnes, ir jāizmanto pavisam citas tehnoloģijas. Nav pieejami pētījumi, kuros konkrēti būtu minēti dati par to, cik daudz cietes var iegūt no Latvijā augošajām koku sugām un vai cietes iegūšanai var izmantot mežizstrādes vai kokapstrādes atlikumus, kā arī to, vai ir atšķirības starp Latvijā valdošajām koku sugām un kuras no tām
būtu vispiemērotākās cietes iegūšanai. Dabisko cieti var modificēt ķīmiski, fiziski un ar enzīmiem vai kombinējot vairākas metodes. Rezultātā iegūst hidratētu vai želejveida cieti. Viens nozīmīgs faktors, kas jāņem vērā, ražojot cieti, ir depolimerizācija (polimēru pārvēršana monomēros). Depolimerizācija notiek 160–180 °C, kā rezultātā strauji pieaug viskozitāte [168]. Koksnē esošā ciete neatrodas tīrā veidā, un to nav iespējams izskalot ar ūdeni kā no kartupeļiem. Lai no koksnes iegūtu cieti, kas būtībā sastāv no cukuru glikozes, tā ir jāsašķeļ. Tāpēc zinātnieki radījuši speciālus enzīmus. Viens no tiem sašķeļ celulozi molekulās, otrs no tām izgatavo cieti. [165, 166]
4.5.4. Furfurols un tā iegūšanas tehnoloģija no lapkoku koksnes
Furfurols (furān-2-karbaldehīds) šobrīd ir vienīgais rūpnieciski organiskajā sintēzē izmantotais monomērs, ko iegūst nevis no naftas, bet tikai no atjaunojamām izejvielām, kas satur pentozānus (ksilānu, arabinānu). Pašreiz rūpnieciskajā praksē par izejvielām furfurola ieguvē galvenokārt izmanto tādus biomasas pārpalikumus kā cukurniedru bagasi un kukurūzas kacenus, bet var izmantot arī lapkoku koksni un dažādu graudaugu salmus, jo tajos ir līdzvērtīgs pentozānu saturs [170]. Furfurols tikko iegūtā veidā ir eļļains bezkrāsains šķidrums ar mandeļu aromātu, kas saskarē ar gaisu kļūst brūns un tad melns. Furfurols ir heterociklisks savienojums, kas sastāv no furāna gredzena un aldehīdgrupas. Mūsdienās furfurols sekmīgi konkurē ar naftas ķīmijas produktiem, jo tam ir vienkārša iegūšanas shēma, kā arī tā ķīmiskajā molekulā esošā aldehīdgrupa un nepiesātinātās saites dod unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Līdz ar to furfurolu var uzskatīt par platformas ķimikāliju, ko var izmantot vēl augstvērtīgāku produktu ieguvei (piemēram, antacīdi, mēslojumi, plastmasas, tintes, fungicīdi, nematicīdi, līmes un aromatizētāju sastāvdaļas). Galvenais furfurola iegūšanas mērķis ir, lai no tā iegūtu tādus atvasinājumus kā furilspirtu un tetrahidrofurilspirtu, kas arī nosaka furfurola saražotos apjomus pasaulē. 2015. gadā furfurola saražotais daudzums sasniedza 306 300 tonnas, bet tuvākajos piecos gados tiek prognozēts, ka šis apjoms pieaugs līdz 488 300 t/gadā [171, 98].
Šobrīd furfurolu komerciāli iegūst ar trim dažādiem rūpnieciskiem paņēmieniem: ķīniešu pārtrauktas darbības (the Chinese batch process), “Quaker” pārtrauktas darbības (the Quaker batch process) un “Rosenlew” nepārtrauktas darbības procesiem. Būtībā visos šajos procesos biomasa tiek sasmalcināta līdz nepieciešamajam izmēram un izturēta hidrolīzes reaktorā paaugstinātā temperatūrā zem spiediena un/vai bez katalizatora klātbūtnes. Atkarībā no tehnoloģijas darba temperatūra ir 150–180 °C, spiediens 5–10 bar, bet biomasas izturēšanas laiks 60–300 min. Kā katalizatoru izmanto atšķaidītu sērskābi, kuras daudzums nepārsniedz 2,5 % no biomasas masas [1]. Ar šīm metodēm praktiski var iegūt līdz 55 % no teorētiski iespējamā furfurola daudzuma, bet pāri palikušo biomasu var izmantot tikai kā kurināmo. Līdz ar to zinātnieki visā pasaulē strādā pie jaunu, efektīvu un videi draudzīgu furfurola iegūšanas tehnoloģiju izstrādes un ieviešanas ražošanā.
Arī Latvijā notiek aktuāli pētījumi šajā jomā. Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūta (LVKĶI) Biorafinēšanas laboratorijas Polisaharīdu nodaļa ir izstrādājusi oriģinālu furfurola iegūšanas tehnoloģiju no sašķeldotas lapkoku koksnes. Izmantojot fundamentāli jaunu pieeju furfurola iegūšanai nekā pārējā pasaulē, šī metode ļauj palielināt furfurola iznākumu līdz pat 80 % no teorētiski iespējamā daudzuma. Furfurola iegūšanas pētījumi tiek veikti ar unikālu vienā eksemplārā izgatavotu hidrolīzes iekārtu, kas ļauj modelēt reālu rūpniecībā izmantojamu
furfurola iegūšanas procesu. Izstrādātā tehnoloģija paralēli furfurolam ļauj iegūt arī etiķskābi, ko var izmantot pārtikā vai dažādos organiskās sintēzes procesos [98].
Pētījumu rezultātos ir noskaidrots, ka, mainot tehnoloģisko parametru lielumus, pēc hidrolīzes ir iespējams saglabāt arī augstu celulozes saturu biomasas atlikumā (lignoceluloze). Tādējādi rodas iespēja izstrādāt pilnvērtīgāku lapkoksnes pārstrādes tehnoloģiju, iegūstot tādus augstvērtīgus produktus kā bioetanols, levoglikozāns, levoglikozenons, aktivētā ogle u.c. Neskatoties uz to, furfurola iznākums vēl joprojām tiek saglabāts 65–70 % robežās no teorētiski iespējamā daudzuma [98].
LVKĶI šis produkts pētīts ERAF projekta Nr. 2010/0288/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/038 “Bezatlikuma tehnoloģija bioetanola un citu vērtīgu produktu ieguvei no lapkoku koksnes” ietvaros (2011.–2013. g.).
4.5.5. Nanokristāliskā celuloze
Nanokristāliskā celuloze ir veidota no stieņveida daļiņām, kas ir 5–70 nm platas un 100 nm vai dažus mikronus garas. Daļiņas ir veidotas no 100 % celulozes un ir ļoti kristāliskas. Aspekta attiecība, kas definēta kā garuma attiecība pret diametru, aptver plašu diapazonu, ko ietekmē kokmateriāla un apstrādes tehnoloģijas izvēle. Produkts ir izmantojams naftas un gāzes, adhezīvu, papīra un tekstila, cementa, polimēru un kompozītu, krāsu un pārklājumu, personīgās higiēnas, medicīnā, pārtikas un dzērienu, kā arī elektronikas industrijā. No nanokristāliskās celulozes var iegūt šādu veidu polimērus vai to izmantot kā pildījumu šādiem polimēriem: PLA, PHA, PHO, EVA, PDDA, PAH, PMMA, PAA, PEO, PP, PVC, PVOH, PU,
PCL un citus.
Produktu var iegūt no kokapstrādes pārpalikumiem, rūpniecības pārpalikumiem un citiem blakusproduktiem. Galvenais nosacījums ir, ka pārpalikumiem ir jāsatur celuloze. Šis produkts satur atjaunojamos resursus – celulozes pārpalikumus un blakusproduktus, pārvēršot tos augstas pievienotās vērtības produktā, kas ir lietojams vairākās tautsaimniecības nozarēs. Nanokristāliskā celuloze, no tās izgatavoti produkti un to izgatavošanas tehnoloģijas ir patentētas vairākās valstīs visā pasaulē un šis produkts tiek ražots komerciālos apjomos [172] [173, 174].
Nanokristāliskās celulozes ražošanai ir nepieciešama celuloze un skābes vai jonu šķidrumi (ionic liquids). Sākumā notiek koksnes pirmapstrāde, kuras laikā atdala celulozes šķiedras. Šī procesa laikā izmanto mehāniskās (šķeldošana) un ķīmiskās pirmapstrādes (balināšanas ar oksidētājiem vai tvaika sprādziena) metodes. Nākamajā solī notiek hidrolīze, lai atdalītu amorfos celulozes reģionus. Tipiski procedūra sastāv no šādiem soļiem: (1) stipras skābes no tīras celulozes materiāla hidrolīze stingri kontrolētos temperatūras, kontaktlaika, sajaukšanās apstākļos un arī kontrolējot citus nosacījumus, piemēram, skābes uzvedību un koncentrāciju, kā arī skābes un celulozes attiecību; (2) atšķaidīšana ar ūdeni, lai apturētu reakciju, un atkārtotu mazgāšanu ar tai sekojošu centrifugēšanu; (3) spēcīga dialīze, lai pilnībā noņemtu brīvās skābes molekulas; (4) mehāniskā apstrāde, parasti apstrāde ar ultraskaņu, lai disperģētu nanokristālus un veidotu vienotu stabilu šķīdumu; (5) visbeidzot nanokristālu koncentrēšana un žāvēšana, lai iegūtu suspensiju vai cietu nanokristālisko celulozi. Ja turpmākajā gaitā iegūto nanokristālisko celulozi izmanto polimēru izgatavošanā, tad tehnoloģiskā shēma tiek papildināta ar klasiskajām polimērmateriālu iegūšanas
tehnoloģijām. Visizplatītās ražošanas metodes ir ekstrūzija un spiedliešana. Tiek lietotas arī piedevas, piemēram, krāsvielas, sakabes aģenti, UV stabilizatori, putu aģenti, putošana aģenti un smērvielas, lai pielāgotu gala produkta īpašības. Izmantojot ekstrūzijas metodi, tiek iegūti gan pildīti, gan dobi lignīna polimēru profili. Spiedliešanas veidnes izmanto, lai izveidotu sarežģītākas formas produktus, kas nepieciešami sākot ar automobiļu durvju paneļiem beidzot ar mobilo telefonu vāciņiem [173, 174].
Skābju šķīdumu izmantošana atstāj negatīvu ietekmi uz apkārtējo vidi. Zinātniskajā literatūrā atrodama informācija, ka skābju šķīdumu vietā var izmantot jonu šķidrumu - tādā veidā neradot negatīvu ietekmi uz vidi, jo jonu šķidrumi bioloģiski noārdās un darbojas noslēgtā ciklā. Nanokristāliskā celuloze ir bioloģiski noārdāma.
4.5.6. Ksilāna atvasinājumi
Ksilāns ir ksilāna tipa polisaharīdu maisījums. Tā ir ksilozes ražošanas izejviela, no kuras tālāk var iegūt ksilitolu (sadzīvē sauktu arī par ksilītu). Pēdējo lieto farmācijā un pārtikas ražošanā. Tā ir alternatīva saldviela (cukura aizstājējs) diabēta slimniekiem. Ksilānus saturošus biopolimērus un biokompozītus izmanto visdažādāko materiālu un izstrādājumu pārklājumiem to virsmas aizsargāšanai no korozijas u. c. Ksilānu pārklājumiem ir lubrikantu, pretpiedeguma u. c. īpašības. No ksilāniem ražota biosadalāma plēve der pārtikas iesaiņošanai. Tātad ksilāniem ir visplašākā mērķauditorija: sabiedrība (veselības aizsardzība, sadzīve), mašīnbūve un metālapstrāde (pretkorozija, sausais lubrikants, krāsošana, virsmas aktīvas īpašības) u. c. tautsaimniecības nozares [175, 176, 177].
Ksilāna un ksilitola, kā arī plaša spektra izstrādājumu ražošana un pārdošana ir komercializēta. Ksilāns un to saturoši produkti tiek ražoti daudzās valstīs, tajā skaitā Kanādā, Ķīnā u.c. lielvalstīs. Komercializācijas pakāpi raksturo šādi apjomi: augoša farmaceitiskās industrijas pieprasījuma rezultātā ksilola globālā tirgus apjoms 2015. gadā pārsniedza 955 miljardus USD. Ksilitola tirgus apjoms bija 175 kilotonnas un 2024. gadā ir sagaidāms līdz 6 % pieaugums [178]. Citi Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta dati: ksilitola ražošanas apjoms pasaulē ir 56,000 t/gadā, un ik gadu pieaug par 3–4 % [179]. Latvijā ksilitolu neražo un neimportē.
Ražošanā izmanto dažādas tehnoloģijas un izejvielu klāsts ir ļoti daudzveidīgs. Pamatresursi ir dažādu sugu (vēlams lapu koku) koksne, vai mežizstrādes un/vai kokapstrādes atlikumi, elektroenerģija un siltumenerģija, ūdens, ķimikālijas (sārmi, skābes, piemēroti katalizatori). Ksilānu ieguvei piemēroti ir visi Latvijā augošie lapu koki un to ieguves/apstrādes procesu atlikumi.
Hemicelulozes sastāvā esošo ksilānu izdalīšana no biomateriāliem sākās ap 20. gs. trīsdesmitajiem gadiem. Konvencionālās metodes pamatā ir ksilānu hidrolizēšana un izdalīšana no koksnes matricas. Tā prasa ilgstošu biomasas karsēšanu hidrolizējošā vidē augstā temperatūrā un/vai spiedienā. Tas izsauc ksilāna molekulu daļēju degradēšanos, kas pazemina produkta kā biopolimēra lietojuma iespējas, tādēļ tiek izstrādātas un patentētas modernākas metodes.
Alternatīva konvencionālai laikietilpīgai tehnoloģijai ir mikroviļņu izmantošana sārmainās ekstrakcijas laikā. Šāda energoefektīva mikroviļņu izraisīta biomasas karsēšana optimālos
ekstrakcijas apstākļos (8 sv % NaOH šķīdums, 1:8 (g:ml) biomasa pret šķīdumu) 25 minūtēs ļauj ekstraģēt 75 % no biomasā esošā ksilāna [180].
Xxxxxxx un ksiloze nav uzskatāmi par jaunu inovāciju, bet, ņemot vērā lielo pieprasījumu pēc šī produkta, kā inovācija tiek piedāvāta jauna ksilozes iegūšanas tehnoloģija. Jaunu ksilozes iegūšanas tehnoloģiju no bērza koksnes izstrādājis arī Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts. Ar šīs tehnoloģijas palīdzību 5 reizes tiek samazināts patērētais ūdens daudzums, tādējādi radot mazāku slodzi uz vidi un padarot ražošanas procesu ekonomiskāku. Paņēmiens ksilozes iegūšanai no biomasā esošā ksilāna (> 10 %), hidrolizējot to katalizatora klātbūtnē līdz ksilozei un tad izdalot mērķproduktu. Biomasu, kas satur ksilānu, samaisa ar sērskābes 10–20
% šķīdumu ( < 30 % no sausas biomasas svara). Maisījumu apstrādā ar ūdens tvaiku 120–140
°C temperatūrā un ekstrahē ksilozi [179, 181].
4.5.7. Latvijā augošu lapkoku mizas biorafinēšana – kompleksas izmantošanas tehnoloģiskā shēma
Vairākpakāpju
šķidruma ekstrakcija
Žāvēšana,
smalcināšana, malšana
• Garnulēts cietais kurināmais
• Agro atkritumu granulēšanas
procesa dabiskie uzlabotāji
• Makromonomēri/ pildvielas polimēros/
kompozītmateriālos
• Bioķimikālijas
• Antioksidanti
•Aktīvie ingredienti:
- pārtikā/barībā
-kosmētikā
- farmācijā, veselību veicinošos līdzekļos
- kompozītmateriālos
Izekstrahēta
miza
Kompleksa lapkoku mizas racionālas izmantošanas shēma, papildus enerģijas ieguvei, izstrādāta ekstraktvielu ieguve un izekstrahētās mizas alternatīvas izmantošanas iespējas parādītas 4.7. attēlā. Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā izstrādāts tehnoloģiskais klasteris lapkoku mizas pārvēršanai bez atlikumiem par produktiem ar augstu pievienotos vērtību, izstrādātā shēma vēl joprojām tiek papildināta un uzlabota, bet jau ir pieejami arī produkti tirgū: kosmētiskais krēms un uztura bagātinātājs. Pašlaik ir izstrādāti mizas produktu ieguves, pētījumu un raksturojuma parametri. Izstrādātajos procesos ir integrēta ilgtspējīga attīstība, atbilstoši cirkulārai ekonomikai stratēģijai. Racionāla izejvielu izmantošana atbilstoši to vērtībai ir ilgtspējīgas attīstības stratēģijas pamatā, sistemātiska efektīvu procesu un produktu izstrāde ir galaprodukta komercializācijas atslēga. Arvien pieaug interese un patēriņš dabīgas izcelsmes produktiem. Aktuāli ir aizstāt dabai nedraudzīgos un sintētiski iegūtos aktīvos savienojumus, kuru terapeitiskai iedarbībai arvien biežāk tiek konstatētas nevēlamas blaknes un kuru nokļūšana dabā rada piesārņojumu [98].
Baļķis
ar mizu
Mizošana
slapjā /sausā
4.7 attēls. Latvijā augošu lapkoku mizas biorafinēšana – kompleksas izmantošanas tehnoloģiskā shēma [98].
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā šī tehnoloģiskā shēma izstrādāta valsts pētījumu programmas „Meža un zemes dzīļu resursu izpēte, ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas” (ResProd) projekta Nr.3 „Biomateriāli un bioprodukti no meža resursiem ar daudzpusīgu pielietojumu” un valsts pētījumu programmas Nr. 2010.10-4/VPP-5 “Vietējo
resursu (zemes dzīļu, meža, pārtikas un transporta) ilgtspējīga izmantošana - jauni produkti un tehnoloģijas (NatRes)” ietvaros.
Šīs shēmas ietvaros Latvijas Republikas Patentu valdē ir apstiprināti Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta izstrādāti 9 patenta pieteikumi:
• LV 14615B, Līdzeklis karbonila olbaltumvielu līmeņa pazemināšanai asins plazmā;
• LV14569B, Līdzeklis bifidobaktēriju un laktobaktēriju satura paaugstināšanai tievās zarnas gļotādā un pretinfekcijas aizsardzības imuno mehanismu stimulēšanai;
• LV14499B, Līdzeklis malondialdehīda (MDA) koncentrācijas pazemināšanai asins plazmā;
• LV 14394, Līdzeklis glikozes koncentrācijas pazemināšanai asins plazmā;
• LV 14361, Līdzeklis fagocitārās aktivitātes paaugstināšanai;
• LV14193, Pankreātāzes aktivitātes asinīs inhibitējošs līdzeklis;
• LV14012, Eritrocītu hemoglobīna līmeni paaugstinošs līdzeklis;
• LV14030, Triglicerīdu koncentrāciju asins plazmā pazeminošs līdzeklis;
• LV14172, Preparāts, kas paaugstina glutationa līmeni asinīs.
4.5.8. Levoglikozenons
Levoglikozenons jeb 1.6-anhidro-3.4-dideoksi-β-D-piranozīn-2-ons (LGO), ko iegūst, pirolizējot celulozi, izmantojot skābes kā katalizatorus, pievērš savu uzmanību ar unikālo uzbūvi un kā dabas vielu stereospecifisku savienojumu sintēzes izejviela, jo tajā var ievadīt hirālus centrus [182, 183]. Tāpat LGO iespējams izmantot aprotiskā šķīdinātāja cirēna (kas tiek uzskatīts par dimetilformamīda un citu videi un cilvēkam kaitīgu šķīdinātāju zaļo aizstājēju) un citu zaļās ķīmijas savienojumu sintēzē. LGO sākts pētīt septiņdesmitajos gados, bet joprojām nav rūpnieciskas ražošanas, kas saistīts ar sintēzes un attīrīšanas grūtībām, jo tradicionālo metožu rezultātā iznākums ir 5–8 %. LGO cena pašlaik ir 50 USD/g un vairāk, jo to iegūst daudzstadiju sintēzē, piemērām no D-galaktozes3, taču industrijai nepieciešamā cena ir 5 USD/kg. Pašlaik Circa group (Austrālija) attīsta ražošanu pēc savas patentētas tehnoloģijas, lai no celulozes iegūtu LGO, lai to izmantotu cirēna sintēzē, aizstājot N-metil-2- pirolidonu un dimetilformamīdu, kā arī smaržvielu sintēzē [184, 185, 186].
Procesā notiek celulozes priekšapstrāde 150–200 °C temperatūrā, izmantojot sulfolānu kā vidi un fosforskābi kā katalizatoru, mazgāšana ar ūdeni un pirolīze 300–450 °C temperatūrā vakuumā šneka reaktorā. LGO iznākums no celulozes ir 10–40 %, kā arī veidojas ūdens, furfurols, levulīnskābe, 5-HMF, etiķskābe un skudrskābe. Tomēr procesam ir savi trūkumi, kas saistīti ar tīras celulozes izmantošanu, lai iegūtu augstu iznākumu, vakuuma nodrošināšanu, notekūdeņiem, kā arī sarežģīto destilācijas sistēmu, kā rezultātā nav notikusi būtiska LGO cenas samazināšanās. Otrs virziens ir cietfāzes katalizatoru vai jonu šķidrumu izmantošana, kurā ir ievērojami mazāks notekūdeņu daudzums, bet arī mazāki iznākumi [187, 188]. LGO pašlaik tiek piedāvāts kā tīra ķimikālija. Daudzumiem, kas pārsniedz 5–10 gramus jāsūta speciāls pieprasījums. LGO ražošana dotu iespēju attīstīt maztonnāžas ķīmiskā produkta ražošanu ar iespējām attīstīt tālāk nākotnē tā pārstrādi jaunos produktos. Paralēli ražošanas procesā rodas ogles, kuras iespējams izmantot kā aktīvās ogles (4.8. attēls).
Koksne
Hidrotermoapstrāde
Lignoceluloze
Hemicelulozes
Pirolīze
Aktīvās ogles
Gāzes
Levoglikozenons
4.8. attēls. Levoglikozenona ražošanas shēma [98].
LVKĶI LGO pētījumi (1996.–2005. gadā) tika veikti kopā ar Hamburgas BFH pētniekiem, kas rezultātā tapa bieži citētas publikācijas [369, 370, 371, 372]. Tika sasniegta LGO koncentrācija pirolīzes eļļa 50 % un tika konstatēts, ka vienlaikus rodas arī levoglikozāns, kuru, kā arī citus cukurus, iespējams pārvērst LGO [373].
Produkta 1 vienības saražošanai nepieciešamas divas izejvielas: koksnes baltā šķelda 50 t (50 eiro/t) un 0,35 t fosforskābes (800 eiro/t) [98].
Pētījums izstrādāts valsts pētījumu programmas (2006.–2008. gadā) ietvaros. 2009. gadā par šo tēmu izstrādāts promocijas darbs “Ātrās pirolīzes izmantošana koksnes kompleksai (bezatkritumu) pārstrādei” (autore: X. Xxxxxxxxxx). Finansējuma trūkuma dēļ nav notikusi tehnoloģijas tālāka attīstība un izgudrojums van patentēts. Šobrīd tirgū nav pieejami līdzīgi produkti.
4.5.9. Lignīna polimēri
Lignīna polimēri tiek izgatavoti, izmantojot lignīnu no ražošanas pārpalikumiem un termoplastiku. Piedevas tiek lietotas, lai nodrošinātu polimēra un lignīna sasaisti. Lignīna polimēru visizplatītākā izmantošana ir iepakojumā pārtikas un arī nepārtikas rūpniecībā un dažādu polimēru sastāvā, kurus izmanto būvniecībā. Produkts tiek izmantots, lai pārstrādātu papīra rūpniecības un biomasas metanola rūpnīcu pārpalikumus un blakusproduktus kvalitatīvā produktā. Ir iespējams izmantot arī citus lignīna avotus. Lignīna daudzums lignīna polimēros pašlaik var sasniegt 50 %. Atlikušie 50 % ir izejvielas, kas nepieciešamas, lai iegūtu polimērus no fosilajiem resursiem. Tos var iegūt no reciklētiem plastmasas atkritumiem. Šis produkts satur atjaunojamos resursus – lignīna pārpalikumus un blakusprodukts, tādējādi aizstājot fosilos resursus, no kā pašlaik tiek iegūta lielākā polimēru daļa. Salīdzinājumā ar polimēriem, kas iegūti no fosilajiem resursiem, lignīnu saturošajiem polimēriem ir mazāks molekulārais svars. Gatavo produkciju var izmantot pārtikas rūpniecībā kā iepakojuma materiālu, kā arī būvniecībā, galvenokārt poliuretānu izgatavošanā. Pieprasījums pēc polimēra materiāliem aug, tai skaitā aug arī pieprasījums pēc bioloģiski noārdāmiem polimēriem [189]. Galaprodukcijas cena ir aptuveni tāda pati, kā ražojot produktus no fosilajiem materiāliem, jo tiek izmantota tā pati ražošanas tehnoloģija. Vienīgā atšķirība ir tajā, ka fosilos resursus aizstāj ar lignīnu [190, 191, 192].
Polimērmateriālu un piedevu izmantošana atstāj negatīvu ietekmi uz vidi. Pašlaik zinātniskajā literatūrā atrodams, ka lignīna daudzumu gala produktā ir iespējams palielināt līdz pat 100 %,
taču komerciāli pieejamos produktos maksimālais lignīna daudzums ir 50 %. Izmantojot reciklētus polimērus, ir iespējams samazināt produkta radīto ietekmi uz vidi.
Lignīna polimēri tiek ražoti, rūpīgi sajaucot sasmalcinātas lignīna daļiņas un uzsildītus termoplastiskas sveķus. Izmantojot lignīnu, kompozīti tiek ražoti daudz zemākā temperatūrā nekā tradicionālās plastmasas ekstrūzijas un spiedliešanas līnijās. Lignīna polimērus apstrādā apmēram 60–70 °C augstā temperatūrā. Visbiežākās izplatītās ražošanas metodes ir ekstrūzija un spiedliešana. Lignīna polimērus var iegūt gan no pirmlietojuma, gan no pārstrādātiem polimēriem. Tiek lietotas arī piedevas, piemēram, krāsvielas, sakabes aģenti, UV stabilizatori, putu aģenti, putošana aģenti un smērvielas, lai pielāgotu galaprodukta īpašības. Izmantojot ekstrūzijas metodi, tiek iegūti gan pildīti, gan dobi lignīna polimēru profili. Spiedliešanas veidnes izmanto, lai izveidotu sarežģītākas formas produktus, kas nepieciešami, sākot ar automobiļu durvju paneļiem beidzot ar mobilo telefonu vāciņiem [191, 190, 192].
4.5.10. Mikrokristāliska celuloze
Mikrokristāliskā celuloze (MKC) ir koksnes izcelsmes produkts ar augstu pievienoto vērtību un plašām lietojuma iespējām pārtikas rūpniecībā, farmācijā, kosmētikas industrijā un citur. To iegūst no celulozi saturošas biomasas. MKC iegūšanai var lietot jebkuru koksni, tāpēc var izmantot jebkurus kokrūpniecības atlikumus. Ražojot produktu Latvijā, var izmantot kokrūpniecības atlikumus, kuru pārvēršana resursos sekmētu atbildīgu un maksimāli efektīvu koksnes izmantošanu. Pieprasījums pēc MKC pasaulē pieaug [193]. Tas ir visapjomīgāk lietotais dabīgas izcelsmes biezinātājs un stabilizētājs pārtikas ražošanā [194], tablešu pamatsastāvdaļa farmācijā [195], piedeva kosmētikas izstrādājumiem, kā arī izejviela citiem produktiem [196]. Mikrokristāliska celuloze ir vērtīga pārtikas sastāvdaļa, ar kuru var ievērojami samazināt kaloriju uzņemšanu, nezaudējot pārtikas labās īpašības [98].
Latvijas uzņēmumi šobrīd visu nepieciešamo MKC iepērk ārvalstīs, bet, izstrādājot un attīstot MKC lielapjoma ražošanas tehnoloģiju, gan vietējiem uzņēmējiem tiktu radīta iespēja importētās izejvielas vietā iegādāties vietējās izcelsmes produktu, gan saražoto MKC eksportēt. Produkta komercializācija vēl nav nonākusi līdz posmam, kad ir zināma tā lielapjoma ražošanas pašizmaksa. Tā kā lielu daļu no tās veido tehnoloģiskajam procesam nepieciešamā enerģija, izmaksas lielā mērā noteiks tā brīža enerģijas cena. Latvijas mērogā klientu iespējams ieinteresēt, piedāvājot lokālas izcelsmes MKC no vietējiem koksnes resursiem, tādā veidā stimulējot viņa līdzatbildību par tautsaimniecības izaugsmi [98].
MKC ražošanai var lietot jebkuru celulozi saturošu biomasu. No koksnes atlikumiem iegūst celulozi, to termokatalītiski oksidē, tad mehāniskās apstrādes ceļā iegūst MKC. MKC tirgus cena svārstās atkarībā no produkta kvalitātes (piem., tīrības pakāpes) un atbilstības standartiem [98].
Šis produkts uzskatāms par videi, klimatam un cilvēka veselībai nekaitīgu, jo tiek izmantots atjaunojams dabas resurss, tā ražošanas tehnoloģija paredz atšķaidītas skābes lietošanu, bet iespējama tās izmantošana noslēgtā ciklā un bez kaitīgiem izmešiem, un šis produkts var būt kā alternatīva sintētiskiem šāda veida produktiem [98].
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā ir izstrādāts mikrokristāliskas celulozes iegūšanas paņēmiens, kas 1996. gadā tika patentēts (patents Nr.11184), bet šobrīd šis patents netiek
uzturēts finansējuma trūkuma dēļ. Trūka finansējums arī produkta reālā lietojuma eksperimentālajām izstrādnēm, kā rezultātā potenciālie lietotāji nevēlējās iegādāties neaprobētu izejvielu [98].
4.5.11. Mikro (nano) fibrilēta celuloze, MFC; NFC
Materiāli no nanofibrilētās celulozes (NFC) ir alternatīva naftas bāzes materiāliem galvenokārt (bet ne tikai) vides apsvērumu dēļ. NFC var lietot kā izejvielu dažādiem materiāliem ar plašu īpašību klāstu. Vieglas putas, kurām raksturīga līdz pat 99,5 % porainība, un šūnu struktūru iegūst, liofilizējot (īpaša žāvēšanas metode, angļu val. freeze-drying) NFC ūdens suspensiju. NFC aerogelu ar 3D tīkla struktūru un lielu īpatnējo virsmas laukumu var iegūt ar īpašu (supercritical) žāvēšanu vai t-butanola sasaldēšanas žāvēšanu. Blīvas caurspīdīgas plēves, kas izgatavotas no NFC, sauktas arī par nanopapīru, var iegūt ar papīra ražošanas tehnoloģijām, iesaistot filtrāciju un žāvēšanu. Atsevišķu šķiedru augstās mehāniskās īpašības un to mijiedarbība nodrošina NFC materiālus ar augstu izturību. NFC plēves un putas var būt arī labs aizstājējs pašreizējiem iepakojuma materiāliem no sintētiskiem polimēriem, tām piemīt labas barjerīpašības un triecienabsorbcija, savukārt aerogelu var izmantot nozarēs, kur nepieciešams augsts virsmas laukums, piemēram, uzglabāšanā, katalīzē un filtrēšanā. Orientējot NFC šķiedras materiālā, iespējams mainīt produktu īpašības. Turklāt NFC var izmantot arī biokompozītu izstrādē, kas vēl vairāk paplašina šobrīd pieejamo celulozes materiālu īpašību klāstu.
Pasaules interese par nanocelulozes materiāliem pieaug, pateicoties to unikālajām īpašībām un potenciālajiem lietojuma veidiem. To, no vienas puses, pierāda milzīgais zinātnisko publikāciju skaita pieaugums pēdējo desmit gadu laikā, un, no otras puses, vairāku uzņēmumu un pētniecisko institūtu interese nanocelulozes ražošanā Ziemeļamerikā, Eiropā un Āzijā. Tiek prognozēts, ka globālais tirgus nanocelulozes tehnoloģijās sasniegs 403 000 000 ASV dolāru apmēru līdz 2020. gadam [197]. To veicina pieaugošais lietojumu skaits un pieprasījums pēc videi draudzīgām alternatīvām naftas sintētisko polimēru un ķimikāliju ražošanā. NFC ražošanai var lietot jebkuru celulozi saturošu biomasu Latvijā visizdevīgāk lietot kokrūpniecības atlikumus, tādējādi atlikumus pārvēršot resursos [98].
Ņemot vērā tās unikālās īpašības, NFC ir potenciāls, lai atrastu lietojumu daudzos galapatēriņa sektoros, sākot no kompozītmateriāliem un beidzot ar papīra un kartona, elektronikas un naftas rūpniecību. Tās īpašības, piemēram, vieglums, ārkārtīgi augstā izturība un stingrība ir galvenie faktori nanocelulozes komerciālo iespēju attīstībā. Tā kā nanoceluloze tiek uzskatīta par ideālu alternatīvu esošajiem materiāliem, noris ļoti daudz pētījumu, kā efektīvāk komercializēt šo biomateriālu. Kaut arī gandrīz visa pieejamā nanoceluloze tiek izmantota pētniecībā, lai izstrādātu jaunus produktus, tirgū pastāv daži komercializēti nanocelulozes produkti, tostarp cementa piedevas un farmaceitiskās pildvielas. Pētniecības darbs notiek arī, lai attīstītu uz nanocelulozi balstītus polimērus, ko varētu izmantot kosmiskajā aviācijā un autorūpniecībā. Šis produkts vēl nav komercializēts un pieejams tirgū [98].
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā veikti pētījumi par alternatīvām nanocelulozes ieguves metodēm [198].
4.5.12. Nanocelulozes plēve
Nanocelulozes plēvi var izmantot ēdiena kvalitatīvai iepakošanai videi draudzīgā materiālā, kas nodrošina svaiguma saglabāšanu pārtikai un garantē, ka no iepakojuma pārtikā nenonāks nekādi kaitīgi savienojumi. Pagaidām tas ir nišas produkts, jo kalpo kā bioloģisks iepakojums, kas attīstījies pēdējos gados. Nanocelulozes plēvi var izmantot arī kā pārklājumu kartona un papīra iepakojumiem, palielinot to stiprību un termisko izturību [199].
Ražošanas process ir dārgs un laikietilpīgs. Šobrīd ar nanocelulozes ražošanu nodarbojas 26 uzņēmumi pasaulē, tomēr tie lielākoties ir laboratorijas tipa pētnieciskie uzņēmumi. Un saražotā nanoceluloze tiek pārdota uzņēmumiem, kas plāno to testēt. Nanocelulozes ieguvei var izmantot ķīmisko un mehānisko metodi. Mehāniskā metode nodrošina 100 % koksnes izmantošanu, bet tiek patērēts lielāks enerģijas daudzums. Ķīmiskajā metodē tiek zaudēta puse no izmantotā resursa apjoma. Uzņēmumos galvenokārt izmanto ķīmisko metodi. Nanocelulozes cena ir atkarīga no metodes. Cenas svārstās no 0,89 eiro/g līdz 1,21 eiro/g. Nanocelulozes cena ir vēl augstāka, jo pēc tās izveidošanas ir jāveic vēl papildu apstrāde. Kā izejmateriālu nanocelulozes ražošanai var izmantot arī kokapstrādes un mežizstrādes atlikumus. Biomasa 2 stundas tiek mērcēta karstā ūdenī, tad mazgāta un diennakti žāvēta 105 °C karsta gaisa krāsnī. Sausa biomasa tiek samalta daļiņās ar izmēru līdz 2mm un izsijāta. Iegūtais pulveris 4 h tiek mērcēts 90 °C ūdenī, lai atdalītu sveķus un citus piejaukumus. Apstrādātais pulveris tiek žāvēts 6 h 105 °C, lai iegūtu nemainīgu masu. Nanocelulozes izgatavošanai sagatavotā biomasa tiek 2 h hidrolizēta 80 °C temperatūrā ar 0,05N HCl, esot nemainīgam mitruma saturam 10 %. Pēc tam viela tiek dzesēta līdz istabas temperatūrai un tās pH līmenis tiek noregulēts uz 9,0, ar amonija hidroksīda šķīduma palīdzību. Tad iegūtā viela tiek skalota ar destilētu ūdeni, līdz tas sasniedz neitrālu pH līmeni. Attīrītā biomasa masa tiek mērcēta dažādu koncentrāciju NaOH (2–6 %) un tad 4 h karsēta 70 °C, lai atdalītu hemicelulozi un lignīnu. Pēc minēto vielu atdalīšanas sārmu un biomasas maisījums tiek filtrēts. Iegūtais materiāls tiek mazgāts ar 0,01 N HCl un pēc tam skalots ar karstu destilētu ūdeni, līdz tiek sasniegts neitrāls pH līmenis.
Delignifikācija ir jāveic tīras nanocelulozes iegūšanai. Tam tiek izmantots dažādu koncentrāciju paskābināts nātrija hlorīda šķīdums. Tad masa tiek 2 h karsēta ūdens vannā 70
°C. Tad paraugs tiek filtrēts un tam tiek pievienots jauns paskābinātā nātrija hlorīda šķīdums. Šis process tiek atkārtots trīs reizes un kopumā ilgst aptuveni 6 h. Pēc tam cietais materiāls tiek filtrēts un mazgāts ar destilētu ūdeni, līdz pH 7,0 (± 0,5). Materiāls tiek saglabāts mitrā stāvoklī, lai novērstu šķiedru mezglu veidošanos. Apstrādes laikā šķiedru krāsa mainās no brūnas uz tumši brūnu uz baltu. Baltā šķiedru krāsa norāda uz veiksmīgu celulozes iegūšanu un lieko vielu atdalīšanu. Mitrā masa tiek mehāniski apstrādāta, lai atdalītu nanošķiedras. Celulozes suspensijas filtrēšana ar membrānām tiek veikta, lai atdalītu no tām visu lieko mitrumu. No membrānām tiek noņemtas nanocelulozes plēves, kas 15 min. tiek presētas normālos apstākļos. Pēc tam tās diennakti tiek žāvētas istabas temperatūrā un beigās 12 h karsētas krāsnī 40 °C. Rezultātā tiek iegūta nanocelulozes plēve [200, 201].
4.5.13. Nanoporains oglekļa materiāls uz biomasas bāzes superkondensatora elektrodiem
Pašlaik pasaulē aktīvo ogļu tirgū ir apmēram 200 dažādu aktīvo ogļu (AO) veidu, bet aktīvās ogles, kas ir paredzētas superkondensatoru (SK) elektrodiem, ir jauns un specifisks aktīvo ogļu tips, kas atrodas attīstības stadijā. Šī virziena aktualitāti nosaka ar NOM augsto potenciālu, praktiski izmantojot nanoelektronikā, katalīzē, jaunu kompozīcijas materiālu radīšanā, gāzu un bioloģisko sensoru, sorbentu un vairāku citu materiālu veidošanā. Radot kompozītus ar NOM piedevām, ir iespēja uzlabot zināmu materiālu funkcionālās īpašības. Zinātniskajā literatūrā līdz šīm nav teorētiska pamatojuma AO struktūras un īpašību sakarībai ar SK energoietilpību un jaudu. AO mikroporainā struktūra, īpaši īpatnējā virsma, poru tilpums un īpatnējā elektriskā ietilpība ir atkarīgi no materiāla sintēzes apstākļiem un izejvielas veida. LVKĶI ir izstrādāta metode, kuras rezultātā iespējams iegūt AO, kuru īpatnējā kapacitāte un energoietilpība SK ar organisko un neorganisko elektrolītu ir par 25 % lielāka nekā pašlaik pieejamajiem labākajiem ārzemju uzņēmumu paraugiem, pastāvot līdzīgiem pārējiem parametriem (pretestība, lietderības koeficients utt.). SK pasaulē ražo 80 uzņēmumi, no tiem tikai 6 atrodas Eiropā, kas norāda uz tirgus attīstības iespējām. [98, 202, 374].
Šis produkts izstrādāts vairāku projektu ietvaros:
• ERAF 2014/0045/2DP/0.0.0.0/00/XXXX/XXXX/000 „Nanostrukturētas aktīvās ogles” 2014.–2015;
• Latvijas Valsts pētījumu programma Nr.2.2.4. „Vietējo resursu (zemes, dzīļu, meža, pārtikas un transporta) ilgtspējīga izmantošana un tehnoloģijas” sadaļa
„Nanoporainie oglekļa sorbenti uz koksnes bāzes” 2010–2013;
• Latvijas Valsts sadarbības programma „Kontrolējamas porainības kompozītmateriālu sintēze un pētījumi plāno slāņu un to sistēmu iegūšanai enerģijas uzkrāšanas un pārveidošanas pielietojumiem”, apakšprojekts „Oglekļa materiālu ar kontrolētu porainību sintēze un izpēte”, 2014–2017;
• Latvijas Valsts pētījumu programma, „Meža un zemes dzīļu resursu izpēte, ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas” sadaļa „Multifunkcionālie oglekļa materiāli”, 2014–2017.
Veikto pētījumu rezultātā izstrādātais produkts ir patentēts (Nr. LV14683B, Oglekļa sorbenta iegūšanas paņēmiens, autori: X. Xxxxxx, X. Xxxxxxxx, X. Xxxxxxx, X. Xxxxxxxx, D. Xxxxxxxxxx, X. Xxxxxxxxxx). Oglekļa sorbentu iegūst, karbonizējot lignocelulozes materiālu, pēc tam aktivējot ar sārmu un mazgājot ar ūdeni, sālsskābes šķīdumu un ūdeni 50 °C temperatūrā līdz neitrālam pH un iegūto produktu žāvējot. Iegūto atdzesēto karbonizātu pirms aktivēšanas aplej ar 50 % sārma šķīdumu attiecībā 1:2 līdz 1:4, rēķinot uz sausu vielu, iztur 30 līdz 40 minūtes istabas temperatūrā, pēc tam maisījumu ievieto aktivēšanas reaktorā, kas uzkarsēts līdz 700–800 °C. Maisījumu iztur šajā temperatūrā 60 līdz 90 minūtes. Lignocelulozes materiāla karbonizēšanu veic pirolīzē izveidojušos gāzu atmosfērā, kur uzkarsēšanas ātrums ir 4–6 °C/min. līdz sasniedz 300–600 °C, beigu temperatūrā izturot 60–120 min. Par lignocelulozes materiālu izmanto koksnes skaidu frakciju ar izmēru no 5 līdz 20 mm [203].
4.5.14. Suberīns – funkcionāla piedeva poliuretāna izstrādājumu ražošanai
Mežizstrādes atlikumos – koku mizās, it īpaši bērza mizā, kā arī celulozes ražošanas atlikumos
– ir suberīns. Suberīni ļauj iegūt citus specifiskus ķīmiskos produktus, tajā skaitā arī bioaktīvas vielas. Tie ir augu aizsardzības līdzekļi un antibiotiski savienojumi, kam galvenās izmantošanas jomas ir medicīna/farmācija, veterinārija, augu aizsardzība, kosmētika. No suberīna pēc depolimerizēšanas iegūtie monomēri var kalpot kā funkcionālas piedevas (plastifikatori) poliuretāna un citu polimēru ražošanā. Suberīna taukskābju hidroksi- un epoksi- atvasinājumi ir potenciāli prekursori daudzu citu vērtīgu produktu ražošanai. Šobrīd pārsvarā kā plastifikatorus lieto difenilftalātu, salicilskābi, β-naftolu, trifenilfosfātu, dioktilftalātu, dibutilftalātu u. c., kas iegūti no fosilajiem resursiem. Suberīns no bioresursiem ir funkcionāla piedeva, kas darbojas kā plastifikators un papildus satur poliuretānā iestrādājamus dabiskas izcelsmes polimērmolekulu fragmentus [204].
Suberīna ražošanai nepieciešamas bērza mizas, holinija hesanoāts, ūdens un elektroenerģija. Holinija heksanoāta toksicitāte ir pārbaudīta, un tas atzīts kā praktiski nekaitīgs „zaļām” tehnoloģijām izmantojams šķīdinātājs [205]. Tas ir jonu šķidrums, kas bioloģiski noardās. Šķīdinātāju holinija heksanoātu sintezē, pievienojot heksanoinskābi holinija hidrogenkarbonāta ūdens šķīdumam. Suberīna ražošanas tehnoloģijas ir vairākas. Tās izvēlas atkarībā no tā, cik pilnīgu depolarizēšanos vēlas sasniegt. Poliuretāna ražošanai optimāla, videi visdraudzīgākā suberīna iegūšanas tehnoloģija ir šāda: sasmalcinātu bērza mizu pulveri sajauc ar holinija heksanoātu (1:9) un maisot iztur 4 stundas 100 °C temperatūrā, notiek ekstrakcija, neizšķīdušo masu filtrē, mazgā ūdens pārpalikumā, filtrātu iztur 1 stundu 4 °C temperatūrā. Izkritušās subarīna nogulsnes centrifugē, mazgā ar ūdeni un žāvē [206]. Mizas atlikumus pēc ekstrakcijas var izmantot citu vērtīgu ķīmisko savienojumu izdalīšanai vai izmantot kā kurināmo, vai augsnes ielabošanai.
Par inovāciju šī produkta ražošanas jomā uzskatāma jauna tā ražošanas tehnoloģija, kas ir videi draudzīga, jo suberīna izdalīšanai tiek izmantota depolimerizēšanas metode, ekstrakcijai tiek izmantots bioloģiski noārdāms jonu šķidrums holinija heksanoāts [207, 205, 208]. Šī metodika izstrādāta eksperimentāli, izmantojot laboratorijas aprīkojumu.
Suberīns kā tīra viela nav komercializēts produkts. Suberīns varētu nonākt plašākā tirgū kā poliuretāna piedeva. Poliuretāna tirgus ir liels, piem., Ķīnā pieprasījums pēdējā dekādē ir strauji pieaudzis, un nākotnē prognozē vēl straujāku poliuretāna ražošanas un pieprasījuma izaugsmi [209].
4.5.15. Xxxxxxxx kā saistviela ekoloģiskos šķiedru biokompozītos
Vispārzināmais paņēmiens skaidu plātņu izgatavošanā ir skaidām kā pildvielai izmantot sintētiskās termoreaktīvās saistvielas: fenola – formaldehīda, karbamīda – formaldehīda un uz izocianātu pamata sintezētus sveķus [210, 211]. Šie kompozītmateriāli ir cilvēkam toksiski gan to izgatavošanas procesā, gan ekspluatējot gatavos izstrādājumus, jo notiek formaldehīda un fenola tvaiku emisija [212]. Ja formaldehīda koncentrācija gaisā ir virs 0,1 ppm, tas kairina acis, kakla un deguna gļotādu, apgrūtina elpošanu. Neskatoties uz to, pateicoties to labajām tehniskajām īpašībām, šīs saistvielas izmanto 85 % koksnes kompozītmateriālu [213]. Pašlaik rūpnieciski ražotie kompozītmateriāli satur līdz 15 % sintētiskās saistvielas, kas ir iegūtas no naftas resursiem. Tas savukārt veido līdz pat 50 % no
visām izmaksām. Šādi iegūti kompozītmateriāli ir nedraudzīgi videi un veselībai, kā arī rada utilizācijas problēmas [214]. Kā laba, pieejama un no koksnes pārstrādes blakusprodukta – mizām izgatavojama ekoloģiska saistviela ir suberīns, kuru izmanto suberīnskābju vai daļēji depolimerizēta un paskābināta suberīna veidā [215]. Šādu biokompozītmateriālu priekšrocības ir ekoloģiskums [98].
Šobrīd ir pieejamas dažas alternatīvas, lai kokšķiedru un MDF plātņu ražošanā aizstātu fenola
– formaldehīda, karbamīda – formaldehīda un uz izocianātu pamata sintezētus sveķus [210]. Dažas alternatīvās saistvielas, kas iegūtas no atjaunojamiem resursiem, tādas kā sojas milti, neizdala formaldehīdu, taču šīm saistvielām piemīt 2 trūkumi – to iegūšana konkurē ar pārtikas ražošanu, kā arī vērojama plātņu stiprības samazināšanās mitruma iedarbībā [216]. Vienīgais paņēmiens, kā saglabāt plātņu stiprību mitruma iedarbībā, ir eļļas palmas cieti modificējot ar α-epihlorhidrīnu [217]. Tomēr iegūtais produkts rada veselības aizsardzības speciālistu bažas, ka, lai gan saistvielas sastāvā nav formaldehīda, tajā esošā α-epihlorhidrīna komponente, kaut zemā koncentrācijā, var iedarboties kā iespējama kancerogēnā viela, kā to nosaka Starptautiskā Vēža pētniecības aģentūra (SARC) [210]. Sojas milti jau tiek komerciāli piedāvāti kā saistviela, lai aizstātu formaldehīda sveķus koksnes produktu ražošanā un kā proteīns pārtikas rūpniecībā, lai aizstātu dzīvnieku izcelsmes proteīnus [218].
Tādēļ Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta zinātnieki piedāvā izstrādāt uz atjaunojamiem resursiem bāzētu saistvielu – suberīnu [215]. Iegūtie šķiedru biokompozīti neemitēs formaldehīdu, to stiprība mitruma iedarbībā saglabāsies, kā arī izejviela – bērza miza – nekonkurē ar pārtikas rūpniecību un ir kā ražošanas atkritums. LVKĶI suberīna kā saistvielas ekoloģiskos šķiedru biokompozītos priekšizpēte veikta ERAF projekta Nr.2010/0289/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/058 “Bioloģiski aktīvu vielu un polimērmateriālu izejvielu iegūšana no bērza mizu pārpalikumiem” ietvaros. Projektu finansēja Eiropas Reģionālās attīstības fonds un Izglītības un zinātnes ministrija, izmantojot Valsts Izglītības un attīstības aģentūras pakalpojumus [219]. Šobrīd ir apstiprināts viens patenta pieteikums (Nr. LV 15031 B; Kokskaidu plātņu izgatavošanas paņēmiens bez formaldehīda izmantošanas; īpašnieks: Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts; autori: Xxxxx Xxxxxxxxxx, Xxxxx Xxxxxxxx, Xxxxxx Xxxx, Xxxxx Xxxxxxxxx, Xxxxx Xxxxxx) [220]. Izgudrojums attiecas uz galdniecībā un celtniecībā izmantojamu koksnes kompozītu, īpaši kokskaidu plātņu, izgatavošanas paņēmieniem, kuras nesatur un neemitē formaldehīdu vai citas veselībai kaitīgas vielas. Ir piedāvāts kokskaidu plātņu izgatavošanai kā saistvielu izmantot no bērza mizas un tāss iegūtu saistvielu, kas šim nolūkam kalpo kā cilvēkam nekaitīga dabiskas izcelsmes koksnes saistviela. Paņēmiena īstenošanai ir izmantots sastāvs, kuru iegūst, izgulsnējot apziepotās suberīnskābes kopā ar tāss lignoogļūdeņražu kompleksu pēc tam, kad no tāss ir ekstraģēta tā otra galvenā sastāvdaļa – triterpēni, kā rezultātā rodas perspektīva kompleksai tāss pārstrādei par kokskaidu plātņu saistvielu, kuras efektīvai darbībai nav nepieciešama formaldehīda vai izocianātu un/vai citu cilvēkam kaitīgu vielu klātbūtne un kuras sastāvā nav sintētisku vielu. Procesa palīgvielas, kālija hidroksīdu un slāpekļskābi reģenerējot kālija nitrāta veidā, piedāvāts izmantot kā minerālmēslojuma koncentrātu [220]. Šis produkts vēl nav komercializēts, jo tas vēl ir izstrādes procesā. Vēl jāveic dzīves cikla izvērtējums, ietekmes uz vidi novērtējums un tirgus izpēte par šāda produkta nepieciešamību. Ir jāizstrādā biznesa plāns, kā arī jāizmēģina un jāvalidē tehnoloģija pilotiekārtu līmenī, lai pārliecinātos, ka tā padodas mērogošanai. Kā būtiskāko šķērsli šī produkta komercializācijai
var minēt finansējuma trūkumu turpmākajiem pētījumiem un pilotiekārtu iegādei. Komercializācijas procesu būtu iespējams paātrināt, ja kādam investoram būtu interese ieguldīt šī produkta attīstībā un novešanā līdz komerciālam produktam. Galvenā šāda produkta mērķauditorija ir skaidu un šķiedru plākšņu ražotāji, kas tendēti uz ekoloģisku produktu ražošanu [98].
Suberīna (tāss) saistvielas ražošanas principiālā shēma redzama 4.9. attēlā. Ražošanas procesa laikā nerodas atlikumi, ja izdalītie suberīnskābju sāļi un ogļhidrāti (celuloze, lignīns, polifenoliskie savienojumi) tiek izmantoti kā saistviela ekoloģisku skaidu plākšņu iegūšanai. Kā blakusprodukts rodas kālija nitrāta ūdens šķīdums, kas palicis pār no suberīnskābju izsēdināšanas operācijas. To iespējams izmantot kā mēslojums dārzniecībā, lauksaimniecībā, mežsaimniecībā un augļkopībā. Ražošanas procesā tiek ievērots tīrākas ražošanas princips, jo kā šķīdinātājs tiek izmantots ūdens, un neveidojas kaitīgi izmeši. Produkta sastāvā nav ķīmisku savienojumu, kuru nonākšana vidē var radīt piesārņojumu un kaitējumu dzīvajiem organismiem. Produkts atbilst ekodizaina principiem, un pēc tā lietošanas cikla beigām to ir iespējams reciklēt. Tā ražošana un lietošana neatstāj nekādu negatīvu ietekmi uz klimatu, vidi, bioloģisko daudzveidību un cilvēka veselību, pat rada pozitīvu efektu, jo ar šo produktu var aizstāt kaitīgu produktu – formaldehīdu saturošas saistvielas [98].
HNO2
H2O
H2O
H2O
H2O
5
5
Vakuumsūknis
14
2
3
4
5
10
Uz hidroslēgu
Tāss no noliktavas
Masa no 7. poz.
Tvaiks
Tvaiks
1
Kanal.
H2O
6
Kond.
10. poz.
1. poz.
Poz. 2.,
3., 4.
7
8
9
12
13
Uz 1. poz.
Uz
fasēšanu
Kond.
No 8. poz.
11
4.9. attēls. Suberīna / tāss saistvielas ražošanas iecirkņa principiālā shēma [98].
Suberīnu var izmantots arī citu produktu ražošanai, piemēram, plastifikatoriem, lubrikantiem, virsmaktīvajām vielām un dažādām piedevām [221].
Vienas tonnas suberīna saražošanai nepieciešamas 10 tonnas bērza tāss, kuras tirgus cena (ar PVN) ir 140 eiro/t. Galvenais šīs izejvielas avots ir papīrmalka. Pagaidām bērza miza tiek izmantota tikai kā kurināmais vai kādu dekoratīvu nišas produktu ražošanai, līdz ar to tas ir Latvijā vēl plaši neizmantots un vērtīgs resurss. Konkurents uz bērza tāsīm ar laiku varētu būt
betulīna ražotne, kuras Latvijā vēl nav, bet šobrīd tiek veikta izpēte par iespējām paralēli finiera ražošanai no bērza tāss, kas ir finiera ražošanas procesa atlikums, ražot betulīnu.
4.5.16. Tanīnu saturošs ekstrakts
Kā inovatīvs produkts tiek piedāvāti kondensēto tanīnu (proantocianidīnu) saturoši ekstrakti no Latvijā augošu lapu koku mežizstrādes un kokapstrādes atlikumiem un to izmantošana dažādos Latvija ražošanas uzņēmumos. Pašlaik Latvijā miza no lapu kokiem tiek izmantota kā atjaunojamais enerģijas avots, neizmantojot tās kā augstvērtīga resursa – ar proantocianidīniem bagātināta ekstraktu ieguves avota – potenciālu. Šāda produkta pētniecības aktualitāte ir pamatota ar augstu izmantošanas potenciālu dažādās nozarēs. Saistībā ar to LVKĶI tika izstrādāta proantocianidīnu saturošo ekstraktu (PAC ekstrakts) iegūšanas principiāla tehnoloģiskā shēma (4.10. attēls) un eksperimentāli pamatoti PAC ekstrakta kā patstāvīgā produkta, tā arī kombinācijā ar modificētām piedevām izmantošanas virzieni Latvijas tautsaimniecībā.
1. PAC ekstrakta kā saistvielas, izmantošana kokskaidu plātņu ražošanā. Iegūto paraugu rezultātu vērtības atbilst NE–314–P2 standarta prasībām. Mehānisko īpašību uzlabošanai ir iespējama PAC ekstraktu modifikācija. Paredzēts šo pētījumu turpinājums.
2. Modificēta PAC ekstrakta, kā saistvielas, izmantošana saplākšņu ražošanā. Iegūtie saplākšņu paraugi atbilst standarta LVS EN 314 punkta 5.1.3 un 5.1.1. prasībām, kas paredzētas izmantošanai iekšējiem un ārējiem apstākļiem. Paredzēts šo pētījumu turpinājums.
3. PAC ekstrakts kā antioksidants lipīdu saturošiem produktiem. PAC ekstrakts kā piedeva tika pārbaudīts majonēzes un kosmētiska krēma sastāvā. PAC ekstrakta antioksidatīvās īpašības nodrošina efektivitāti lipīdu saturošo produktu, pārtikas un kosmētisko līdzekļu īpašību stabilizācijā un kvalitātes uzlabošanai.
4. Eksperimentāli pierādīts, ka PAC ekstrakts labvēlīgi ietekmē α-amilāzes aktivitāti un kavē aizkuņģa dziedzera lipāzes aktivitāti, samazinot lipīdu uzsūkšanos asinīs, nodrošinot to izmantošanu veselības aprūpē [98].
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā šis produkts pētīts un izstrādāts vairāku projektu ietvaros:
• valsts pētījumu programma Nr. 2010.10-4/VPP-5: “Vietējo resursu (zemes dzīļu, meža, pārtikas un transporta) ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas (NatRes)” (2010.–2013. g.);
• ERAF projekts „Dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu jauna veida granulētu produktu izveidošana ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un siltuma ražošanas procesu nodrošināšanai ar būtiski uzlabotu šo procesu tehnoloģiju” (2010.–2013. g.);
• VPP-5 projekta Nr. 2 „Jaunu produktu un inovatīvas meža apsaimniekošanas, meža koksnes un nekoksnes produktu ražošanas tehnoloģijas, racionāli izmantojot meža resursus un būtiski palielinot produkcijas pievienoto vērtību” 2.4. apakšprojekts
„Maztonnāžas produkti ar augstu pievienoto vērtību no koksnes ar biorafinērijas tehnoloģijām, materiāli ar uzlabotām ilgizturības īpašībām” (2010.–2013. g.);
• Wood WisdomNet-2 research program „Pinobio, Pinosylvins as novel Bioactive Agents for Food Applications” (2011.–2014. g.);
• valsts pētījumu programma „Meža un zemes dzīļu resursu izpēte, ilgtspējīga izmantošana – jauni produkti un tehnoloģijas” (ResProd), projekts Nr.3 „Biomateriāli un bioprodukti no meža resursiem ar daudzpusīgu pielietojumu” (2014.–2017. g.) [98].
Lapkoku miza
Mehāniskā priekšapstrāde
Ķīmiskā priekšapstrāde
Ekstrakcija ar
etanolu / ūdeni
PAC saturošs ekstrakts
4.10 attēls. ProantocianidīnU saturoša ekstrakta iegūšanas shēma [98].
Daudzo pētījumu rezultātā LVKĶI ir izstrādājis konkrētu produktu, kuram ir iesniegts patenta pieteikums (Nr. 15130A, Līdzeklis piruvātu līmeņa pazemināšanai asins plazmā. Autori: Xxxxxx Xxxxxxxxxxxxxx, Xxxx Xxxxxxxxxx, Xxxxxx Xxxxxxxx, Xxxxxxx Xxxxxxx, Xxxxxxx Xxxxxxx, Xxxxxxx Xxxxxxx). Izgudrojums attiecas uz ārstniecisku līdzekli piruvātu līmeņa samazināšanai asins plazmā. Par šādu līdzekli tiek piedāvāts oligomērs proantocianidīns [98].
4.5.17. Termo (ķīmiski) mehāniskā celuloze
Termo mehāniskā (ķīmiskā) celuloze (TMM vai ĶTMM) ir koksnes izcelsmes produkts ar augstu pievienoto vērtību un plašām lietojuma iespējām papīrrūpniecībā un sarežģītu mēbeļu formu izgatavošanā. To iegūst no celulozi saturošas biomasas. Ražojot produktu Latvijā, var izmantot gan kokrūpniecības atlikumus, gan apses koksni. No apses koksnes ir iespējams iegūt visgaišākās koksnes šķiedras (pasaulē gaišākās koksnes šķiedras ir iegūtas tieši no ĶTMM apses šķiedrām – 98 % ISO baltuma), kas ir ļoti tuvs titāna oksīda baltumam. No TMM ir iespējams ražot 3D liektas formas mēbeļu detaļas ar maziem materiāla zudumiem. 3D liekto mēbeļu detaļas ļauj brīvu vaļu interjera dizaineriem veidot savus produktus. Tāpat šķiedru materiālā ieinteresēti būtu papīru produktu ražotāji Latvijā un Baltijā, kur pašreiz tehnoloģiskās līnijās izmanto 100 % pārstrādāto makulatūru. TMM vai ĶTMM šķiedru pievienošana ļauj ieviest ražotnē jaunākas šķiedras un uzlabot produktu kvalitāti un konkurētspēju [98].
Produkts ir plaši pazīstams papīrrūpniecībā. Kā lielāko produkta pamatojumu var minēt, ka šķiedru materiālā ieinteresēti Latvijā būtu SIA “VLT”, SIA “Baltkartons”, kā arī SIA “Līgatne”, ja nākotnē atjaunos ražošanu. 3D liekto mēbeļu detaļas šobrīd ražo no masīvās koksnes ar CNC darbgaldiem, metāla vai plastmasas. Pieaugot sabiedrības interesei par ekoproduktiem, ir iespējams efektīvāk izmantot koksnes resursus, ja sarežģītas 3D mēbeļu formas veidotu šķiedru atliešanas tehnoloģijā, kas samazinātu arī mēbeļu savienojumu vietas. Tas nākotnē ļautu attīstīt 3D drukāšanu, izmantojot TMM koksnes šķiedras. Ražojot TMM un ĶTMM šķiedras no apses koksnes, būtu iespējams pārstrādāt apses sortimentu, kas Latvijā šobrīd netiek efektīvi izmantots. No TMM un ĶTMM masas iespējams ražot arī siltumizolācijas materiālus. Līdzīgu tehnoloģiju lieto, piemēram, STEICO (Polija), un Scano (Igaunija), (izmantojot skujkoku koksni). Tuvākā ražotne, kas ražo ĶTMM un TMM, atrodas Kundā (Igaunija) [98].
5. Pārskats par inovatīvo produktu ietekmi uz klimata politikas mērķu sasniegšanu
Klimata pārmaiņu rezonanse ir aptvērusi visu pasauli, un tās iedarbība ir jau pamanāma dažādās pasaules vietās. Kā piemērus var minēt vēja stipruma pieaugumu, ilgstošo sausumu vai tieši pretēji – ilgstošas lietavas vietās, kur tas nebija ierasts. Tās ir tikai dažas sekas, kas ir pieminamas klimata pārmaiņu kontekstā. Tādēļ ir jārod risinājumi, lai šī ietekme nebūtu vēl lielāka un mēs sāktu īstenot ilgtspējības principus – to, kas mums ir šobrīd, atstāt arī nākamajām paaudzēm [222].
Kā viens no globālās sasilšanas galvenajiem iemesliem ir siltumnīcefekta gāzu (SEG) emisiju pārlieku liela koncentrācija atmosfērā. SEG emisijas iedalāmas dabiskās un antropogēnās. Svarīgākās dabīgās emisijas ir ūdens tvaiki, oglekļa dioksīds (CO2) un metāns (CH4). Lai gan no SEG emisijām daļa ir dabiskās emisijas, tomēr lielāka uzmanība ir jāpievērš tieši antropogēnajām emisijām jeb emisijām, kas rodas cilvēku darbības rezultātā. Antropogēnās emisijas ir CO2, CH4, slāpekļa oksīds (N2O), fluorogļūdeņraži (HFC), perfluoroglekļi (PFC) un sēra heksafluorīds (SF6)) [223] 2011. gadā tika noteikts, ka vidējais globālais emisiju koncentrācijas lielums CO2 ir 391 ppm (parts per million – miljonā daļa) jeb gāzes molekulu daļu daudzums uz visa gaisa kopējo molekulu daudzumu), CH4 ir 1803 ppb (parts per billion – miljardā daļa) un N2O – 324 ppb [224]. No SEG emisiju koncentrāciju vērtībām vislielāko lomu spēlē ogļskābā gāze CO2.
Eiropas Savienības klimata politikas ietvaros ir noteikti vairāki mērķi, kas jāsasniedz līdz 2030. gadam:
• SEG emisijas ir jāsamazina vismaz par 40 % salīdzinājumā ar 1990. gada līmeni;
• jāpanāk, lai no atjaunojamajiem energoresursiem iegūtās enerģijas īpatsvars būtu vismaz 27 % no kopējā patēriņa;
• vismaz par 27 % jāuzlabo energoefektivitāte patērētāja sektorā [225].
Latvijas klimata politikas mērķi ne-ETS (tie sektori un operatori, kas nepiedalās emisiju tirdzniecības shēmā) sektorā, kurā ir ietverta arī lauksaimniecība, ir analizēti 5.1. attēlā [226]. Tie rāda, ka, laikā līdz 2020. gadam Latvijā CO2 emisiju līmenis būs zemāks nekā Latvija ir apņēmusies, nosakot klimata politikas mērķus. Lielākas problēmas klimata politikas mērķu sasniegšanā Latvijai varētu rasties laikā no 2025. līdz 2030. gadam.
Latvijas ne-ETS klimata politikas mērķi paredz būtisku CO2 samazinājumu 2030. gadā salīdzinājumā ar 2005.gadu. Tomēr lauksaimniecības sektors prognozē strauju šobrīd neizmantoto lauksaimniecības zemju izmantošanas atsākšanu, kas varētu palielināt siltumnīcefekta gāzu emisiju pieaugumu. Kā redzams 5.1. attēlā ilustrētajās prognozēs, SEG emisiju būtisko pieaugumu lauksaimniecības sektorā nav iespējams kompensēt ar samazinājumu citos sektoros.
Jauno klimata politikas mērķu sasniegšanā netieša pozitīva ietekme uz CO2 piesaisti ir raksturīga mežizstrādei, kas ilgtermiņā [227]:
• atjauno koksnes produktu oglekļa krātuvi (Latvijā tikpat liela kā oglekļa uzkrājums aramzemēs);
• nodrošina tehniskos priekšnosacījumus meža atjaunošanai un ekonomiskos priekšnosacījumus visām ar CO2 piesaistes veicināšanas darbībām;
• nodrošina saīsinātu apriti, aizstāšanas efektu enerģētikas sektorā, palielinātu augšanas potenciālu.
30,4%
31,5%
33,7%
23,8%
16,1%
21,7%
30,7%
30,3%
33,1%
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
2005 2010 2013 2014 2015 2020 2025 2030
lauksaimniecība ne-ETS stacionārā enerģētika
transports mājsaimniecības
cita ne-ETS enerģētika ne-ETS rūpnieciskie proc., produktu izm.
atkritumu apsaimniekošana ne-ETS SEG emisiju mērķis (+17%)
iespēj. ne-ETS 2030.g. mērķis (-10%) 2005.g. ne-ETS SEG emisiju apjoms
5.1. attēls. Latvijas ne-ETS SEG emisijas un to prognozes, kt CO2 ekv. [5].
No koksnes ražotiem produktiem ir ražoti svarīga loma ietekmes uz klimata pārmaiņām samazinājumā. Tie ir būtisks CO2 piesaistes avots. Ekspertu vērojumi liecina par tiešas sakarības pastāvēšanu starp CO2 piesaisti un mežistrādes apjomu un koksnes produktu pievienoto vērtību: ja pieaug mežizstrādes apjomi vai palielinās koksnes izmantošanas efektivitāte, tad oglekļa piesaiste palielinās.
Latvijā vēsturiski koksnes produktu radītā CO2 piesaiste galvenokārt ir saistīta ar kokapstrādes rūpnīcu jaudas palielināšanu un efektīvāku papīrmalkas sortimenta izmantošanu plātņu rūpniecībā.
Šī pētījuma ietvaros tiek paplašināts koksnes produktu klāsts, palielināsies koksnes izmantošanas efektivitāte un pieaugs CO2 emisiju piesaiste Latvijā.
Galvenais uzsvars šajā priekšizpētē ir vērsts uz oglekļa piesaisti attiecīgajā produktā [5]. Šīs metodes nolūks ir panākt, ka ogleklis tiek ietverts produktā, no kura tālāk tam nav iespēju izveidoties par CO2 un nonākt apkārtējā vidē.
Ja koksnes resurss tiek izmantots, lai aizstātu jau šobrīd tirgū esošu un konkurējošu produktu, kas tiek ražots no fosiliem resursiem (nafta un naftas pārstrādes resursi), tad neveidojas emisijas apkārtējā vidē ražošanas, lietošanas un arī dzīves cikla beigās. Tas nozīmē, ka, ja meža biomasa tiek izmantota koksnes produktu ražošanai, nevis tiek dedzināta, eksportēta vai atstāta mežā trūdam, valstij ir iespējas virzīties klimata politikas mērķu sasniegšanas virzienā.
5.1. Aprēķinu metodika
Latvijas SEG inventarizācijā CO2 piesaisti koksnes produktos aprēķina, izmantojot 2013. gadā publicēto metodiku Kioto protokola aktivitāšu uzskaitei [228].
Koksnes produktu klasifikācija veidota atbilstoši 2013. gada vadlīniju Kioto protokola aktivitāšu uzskaitei [224]. Koksnes produkti iedalīti 3 pamatgrupās:
• zāģmateriāli;
• plātņu koksne;
• papīra un kartona izstrādājumi.
Metodē tiek izmantoti koeficienti, kas norāda, cik daudz oglekļa ir 1 tonnā attiecīgā produkta, kurā kā resurss tiek izmantota koksne. Nākamajā aprēķinu solī var noteikt piesaistītā oglekļa daudzumu, pieņemot, ka gadā tiek izmantots noteikts daudzums konkrētā koksnes produkta izgatavošanai.
Aprēķiniem nepieciešamie koeficienti un skaitliskās vērtības katram produktam ir dotas 5.1. tabulā. Biokurināmais netiek ņemts vērā, jo tiek pieņemts, ka notiek biokurināmā tūlītēja oksidēšanās mežizstrādes gadā.
5.1. tabula. Pieņēmumi, lai novērtētu oglekļa uzkrājumu koksnes produktos [228]
Koksnes produkti | Koksnes blīvums, t/m3 | Oglekļa saturs koksnē, t C/m3 |
Zāģmateriāli – skujkoki | 0,450 | 0,225 |
Zāģmateriāli – lapukoki | 0,560 | 0,280 |
Finieris | 0,505 | 0,253 |
Saplāksnis | 0,542 | 0,267 |
Skaidu plātne | 0,596 | 0,269 |
Kokšķiedras plātne | 0,788 | 0,335 |
MDF | 0,691 | 0,295 |
Presēta kokšķiedru plātne | 0,739 | 0,315 |
Izolācijas plātne | 0,159 | 0,075 |
- | Sausnas masa, t/t | Xxxxxxxxx masa, t C/t |
Papīrs un kartons | 0,900 | 0,386 |
Aprēķinu metodikas pamatā ir zinātniska publikācija par meža apsaimniekošanas references līmeņa izstrādāšanu Kioto protokola 1. pielikumā uzskaitītajām valstīm [229].
Šīs priekšizpētes gadījumā koksne tiek izmantota jaunu bioproduktu izgatavošanai. Produktu iedalījums aptver tekstila rūpniecību, ķīmijas rūpniecību un enerģētiku. Koksnes produktu ražošanas procesā veidojas blakusprodukti, kas tiek izmantoti koksnes degšanas procesos, lai ražotu enerģiju.
Šīs metodikas galvenais mērķis ir noteikt oglekļa piesaistes apjomus, ja koksne netiek tiešā veidā izmantota kā kurināmais: koksnes sastāvā esošais ogleklis degšanas procesā neoksidējas un neveido CO2 emisijas.
Metodē tiek apskatīti trīs galvenie produkti, kuros tiek izmantota koksne. Tie ir:
• tekstilšķiedra;
• bioeļļa;
• ksilāna atvasinājumi.
Aprēķiniem nepieciešamie statistikas dati par mežizstrādes apjomiem ir iegūti no Valsts meža dienesta, bet dati par ražošanu – no Latvijas kokrūpniecības federācijas, datu bāzes FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) un EUROSTAT. Valsts meža dienesta kompetencē ir veikt monitoringu, lai mežizstrāde tiktu veikta atbilstoši prasībām un nebūtu likumpārkāpumu.
5.1. vienādojumā tiek aprēķināts iegūtais oglekļa daudzums no vietējās izcelsmes apaļkokiem.
𝐼𝑅𝑊 (𝑖) = (1 − 𝐷∗𝑀𝑎𝑣𝑔 ) ∗ 𝐼𝑅𝑊
(𝑖) , (5.1.)
𝑃 𝑀𝐻𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
kur
𝐼𝑅𝑊𝑃(𝑖) vietējas izcelsmes apaļkoksne, neieskaitot to, kas iegūta no atmežotajām platībām, Gg C/gadā;
𝐷 atmežotās platības, ha;
𝑀𝑎𝑣𝑔. vidējā krāja, m3/ha;
𝑀𝐻𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 kopējā izcirstā krāja, m3;
𝐼𝑅𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑖) kopējais iegūtais vietējās izcelsmes apaļkoku apjoms.
Koksnes produktos izmantotās vietējās izcelsmes koku īpatsvars tiek aprēķināts ar 5.2. vienādojumu.
𝐼𝑅𝑊
𝑓 (𝑖) = 𝐼𝑅𝑊𝑃(𝑖)−𝐼𝑅𝑊𝐸𝑋(𝑖) , (5.2.)
𝐼𝑅𝑊𝑃(𝑖)+𝐼𝑅𝑊(𝐼𝑀)(𝐼)−𝐼𝑅𝑊𝐸𝑋(𝑖)
kur
𝑓𝐼𝑅𝑊(𝑖) koksnes produktos izmantotās vietējās izcelsmes koku īpatsvars, kuri tiek iegūti no vietējiem mežiem;
𝐼𝑅𝑊𝑃(𝑖) apaļkoksnes iegūtais apjoms, izņemot apaļkokus, kas iegūti no atmežotās platības, atsauces gadā, Gg C/gadā;
𝐼𝑅𝑊𝐸𝑋(𝑖) apaļkoksnes eksports gadā i, Gg C/gadā;
𝐼𝑅𝑊(𝐼𝑀)(𝐼) apaļkoksnes imports gadā i, Gg C/gadā.
Ogleklis vietējās izcelsmes koksnes produktos tiek aprēķināts pēc 5.3. vienādojuma.
𝐶𝐻𝑊𝑃 = 𝑓𝐼𝑅𝑊(𝑖) ∗ 𝐻𝑊𝑃𝐷, (5.3.)
kur
𝐶𝐻𝑊𝑃 ogleklis vietējās izcelsmes koksnes produktos, izņamot koksnes produktos, kuri ir iegūti no atmežotajām platībām, Gg C/gadā;
𝐻𝑊𝑃𝐷 vietējās izcelsmes koksnes produktu īpatsvars, Gg C/gadā.
CO2 emisiju un piesaistes novērtējums koksnes produktos tiek aprēķināts, izmantojot 5.4. un
5.6. vienādojumu.
𝐶(𝑖 + 1) = 𝑒−𝑘 ∗ 𝐶(𝑖) + [1−𝑒−𝑘] ∗ 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑖) , (5.4.)
𝑘
kur
𝐶(𝑖 + 1) oglekļa uzkrājums vietējās izcelsmes koksnes produktos nākamajā gadā (i+1) Gg C/gadā;
𝑒 eksponencionāla konstante;
𝑘 koeficients, kas raksturo gada laikā mineralizēto koksnes produktu potenciālo īpatsvaru, vienības/gadā;
𝐶(𝑖) oglekļa uzkrājums vietējās izcelsmes koksnes produktos aprēķinu gadā (i), Gg C;
𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑖) oglekļa uzkrājums aprēķinu gadā saražotajos koksnes produktos, Gg C/gadā.
𝑘 = ln(2) , (5.5.)
𝐻𝐿
kur
𝐻𝐿 gadu skaits, kas nepieciešams, lai zaudētu vienu daļu materiāla šobrīd krātuvē, gadi.
∆𝐶(𝑖) = 𝐶(𝑖 + 1) − 𝐶(𝑖) k (5.6.)
kur
∆𝐶(𝑖) gada laikā oglekļa uzkrājuma izmaiņas koksnes produktos, Gg C/gadā.
5.12. tabula. Koeficienti, kas nepieciešami, lai novērtētu CO2 emisiju un piesaistes bilanci koksnes produktos
Faktors | Skaitliskā vērtība | ||
Kopējie koeficienti: | |||
e | 2,718282 | ||
ln(2) | 0,6931 | ||
Katram produktam nepieciešamais koeficients: | |||
Produktu klāsts | Zāģmateriāls | Plātņu koksne | Papīrs un kartons |
HL | 35 | 25 | 2 |
k | 0,02 | 0,03 | 0,35 |
e-k | 0,98 | 0,97 | 0,71 |
𝑘 = 1 − ln(2) 𝐻 ∗ 𝐿 | 0,99 | 0,99 | 0,85 |
5.2. Inovatīvo produktu ietekme uz klimata politikas mērķu sasniegšanu
Priekšizpētē šajos aprēķinos, lai noteiktu produktu ietekmi uz klimata politikas mērķu sasniegšanu, tiek izmantoti trīs pasūtītāja izvēlētie produkti:
• tekstilšķiedra;
• ksilāna atvasinājumi;
• bioeļļa.
Augstāk minētā metodika ir sarežģīta, un, lai to izmantotu, vajadzīgi precīzi dati par resursu ieguves avotiem. Priekšizpētē koksnes produktu ražošanai nepieciešamo resursu izcelsmes avots nav būtisks, jo resursu apjoms Latvijā ir pietiekams. Koksnes fizikālie pārveides koeficienti izmantoti no Latvijas normatīvā dokumenta [230]. Tas nozīmē, ka oglekļa piesaisti iespējams noteikt ar vienkāršāku metodiku, izmantojot vienādojumu:
𝐶𝐻𝑔𝑎𝑑ā = 𝑐ℎ ∗ 𝑚𝑠𝑎𝑢𝑠𝑛𝑒𝑠 , (5.7.)
kur
𝐶𝐻𝑔𝑎𝑑ā gada laikā piesaistītais ogleklis, tC/gadā;
ch oglekļa koncentrācija koksnē tC/t;
msausnes ražošanai nepieciešamais sausas koksnes daudzums, tkoksnes/gadā.
Klimata pārmaiņu starpvaldību padomes izdotajā ceturtajā novērtējumā par mežsaimniecību ir noteikta oglekļa koncentrācija koksnē, kas ir 0,5 tC/tsausnes [231].
5.2.1. Tekstilšķiedra
Tekstilšķiedras ražošanai tiek izmantota celuloze, kura tiek pēc tam ķīmiski apstrādāta ar organisku šķīdinātāju.
Izejas dati:
• saražots 65 000 t tekstilšķiedras;
• ražošanai nepieciešamais sausas koksnes daudzums ir 195 500 tkoksnes/gadā. Tiek aprēķināts piesaistītais oglekļa saturs tekstilšķiedras ražošanas gadījumā:
CH gadā = 0,5 * 195,500 = 97,750 tC/gadā.
Tas nozīmē, ka piesaistītais oglekļa daudzums nenonāk apkārtējā vidē un neveido CO2 emisijas.
5.2.2. Ksilāna atvasinājumi
Ksilāna un to atvasinājumi ražošanā kā pamatresurss tiek izmantota koksne, kas tiek apstrādāta ar sālsskābi, amoniju un nātrija sārmu.
Izejas dati:
• saražots 20 000 t nepieciešamās produkcijas (ksilāna atvasinājuma);
• ražošanai nepieciešamais sausas koksnes daudzums ir 106 667 tkoksnes/gadā. Piesaistītais oglekļa daudzums ksilāna atvasinājuma ražošanas gadījumā ir:
CH gadā = 0.5 * 106 667 = 53 334 tC/gadā.
5.2.3. Bioeļļa
Bioeļļas ražošanā galvenais tehnoloģiskais process ir saistīts ar pirolīzes procesu. Izejas dati:
• saražots 30 000 t nepieciešamās produkcijas (bioeļļu);
• ražošanai nepieciešamais sausas koksnes daudzums ir 42 857 tkoksnes/gadā. Piesaistītais oglekļa daudzums bioeļļas ražošanas gadījumā ir šāds:
CH gadā = 0,5 * 42 857 = 21 429 tC/gadā.
Trīs jauno koksnes produktu ieguldījuma salīdzinājums klimata politikas mērķu sasniegšanā ilustrēts 5.3. tabulā.
5.23.tabula. Trīs koksnes produktu oglekļa piesaistes salīdzinājums
Koksnes produkts | Oglekļa piesaiste, tC/gadā | |
1. | Tekstilšķiedra (liocels) | 97 750 |
2. | Ksilāna atvasinājumi | 53 334 |
3. | Bioeļļa | 21 429 |
Jaunajiem produktiem ir jārēķina aizstāšanas efekts vai arī jāsalīdzina esošais attiecīgā kokmateriālu veida izmantošanas veids ar plānoto izmantošanas veidu. Aizstāšanas efekts raksturo fosilajā resursā esošā oglekļa aizstāšanu ar biomasas resursā esošo oglekli.
Priekšizpētē ir ieskicēta ilgstoši kalpojoša bioproduktu ražošana no koksnes resursiem un brīdī, kad būs precīzāk izvēlēts produkts, vajadzēs salīdzināt:
• ražošanas atlikumu sadedzināšanas radīto aizstāšanas efektu;
• pašu koksnes produktu aizstāšanas radīto efektu pusdzīves (half-life) laikā;
• tās daļas koksnes produktu, kas nenonāk izgāztuvē vai kompostā, radīto aizstāšanas efektu sadedzinot.
Priekšizpētes uzdevums ir galvenokārt problēmu izvirzīšana un aptuvens vērtējums, bet detalizēta analīze ir nākamais solis. Tāpēc, jo konkrētāka būs produkta izvēle, jo vairāk sašaurināsies izpētes joma un precīzāk būs iespējams arī noteikt oglekļa piesaistes vērtību lielumus.
6. Meža resursu pieejamība inovatīvu produktu ražošanai
Mežs ir ekosistēma visās tās attīstības stadijās, kur galvenais organiskās masas ražotājs ir koki, kuru augstums konkrētajā vietā var sasniegt vismaz piecus metrus un kuru pašreizējā vai potenciālā vainaga projekcija ir vismaz 20 procentu no mežaudzes aizņemtās platības [232].
Meži Latvijā izņem aptuveni 3.2 miljonus hektāru (milj. ha) un valsts mežainums ir 49.62 %. Meža zemes veido meži, purvi, lauces, pārplūduši klajumi un infrastruktūras objekti. Valdošās koku sugas ir priede (34 %), egle (19 %) un bērzs (26 %). Pārsvarā valstī izplatīti skuju koku meži, mazāk – lapkoku un jauktu koku meži [233]. AS “Latvijas valsts meži” (LVM) apsaimniekošanā atrodas 47 % no mežu teritorijām [233].
Šīs nodaļas mērķis ir noskaidrot, vai vietējie meža resursi ir pietiekami trīs izvēlēto inovatīvo produktu ražošanai. Izpētes autori šajā nodaļā uzstādījuši sev tikai vienu uzdevumu: izanalizēt nepieciešamo meža resursu apjomu, izmantojot oficiālus informācijas avotus, kuros atrodama literatūrā un statistikā pieejamām informācija. Autori nepretendē uz pieejamo datu atšķirīgu interpretāciju, uz resursu sagatavošanas un ražošanas analīzi.
6.1. Koksnes resursi
Kā koksnes resursus var minēt dažādas koku un krūmu sugas, un to sastāvdaļas – stumbrus, zarus, celmus, mizas, galotnes. Šobrīd visplašāk izmantotā sastāvdaļa ir stumbri, kas nes arī lielāko ekonomisko ieguvumu un ir izmantojami dažādu produktu ražošanai, arī kā kurināmais. Sastāvdaļas, kuras šobrīd praktiski netiek izmantotas vai tiek izmantotas nepilnīgi, ir galotnes, sīkie zari un celmi ar saknēm. Tie ir augstvērtīgi biomasas resursi, kuru izmantošanas iespējas ir jāattīsta, bet šobrīd eksistējošā mazā pieprasījuma dēļ tas vēl nav izdevies [1].
Celmu gadījumā ir jāizstrādā rekomendācijas to izraušanas iespējām, jo metode var atstāt nelabvēlīgu ietekmi uz augsni un vidi, samazinot organisko vielu daudzums augsnē un veicinot eroziju. Koku mizas satur vērtīgus bioloģiski aktīvos savienojumus, kuri var radīt augstu pievienoto vērtību produktiem kā piedevas pārtikai, tie ir noderīgi farmācijā un kosmētikas ražošanā [1], tomēr šobrīd tiek izmantoti galvenokārt kā kurināmais un mulču sastāvdaļa. Viena no mizu lietojumam problēmām ir izejvielu neviendabīgums, kas būtiski sarežģī ķīmisko pārstrādi. Jo augstvērtīgāks produkts, jo tīrākas izejvielas tam nepieciešamas, tāpēc koksnes atlikumu izmantošana ķīmiskajai pārstrādei ir maz iespējama. Daudz ticamāka ir konkurence pēc augstvērtīgajiem resursiem.
Biomasas resursu pārpalikumi lielākos daudzumos rodas no apaļkoku pārstrādes. Šie pārpalikumi ir mežizstrādes blakusprodukti un atlikumi: mizas, skaidas, atgriezumi, koksnes vainas [234]. Šobrīd šie atlikumi tiek novirzīti tehnoloģiskās šķeldas ieguvei. No mežizstrādes atlikumiem šobrīd iegūst zemas kvalitātes šķeldu, kam tirgū ir zemāka cena. Šķelda satur daudzus piemaisījumus, piemēram, smiltis un skujas, kas padara produktu mazāk piemērotu kurtuvēm. Tomēr ir arī savi plusi. Radušos pelnus var izmantot mēslojumam, atgriezt atpakaļ meža augsnē vai izmantot rūpniecībā kā piedevu produktu ražošanā. Lai izvairītos no mazvērtīga kurināmā, rodas vēl viens iemesls inovāciju radīšanai no neizmantotajiem vai nepilnīgi izmantotajiem koksnes resursiem. [1]
Tradicionāli koksne tiek izmantota būvniecībā, papīra un mēbeļu ražošanā, kurināmā ieguvei, tomēr tā satur daudz vērtīgu ķīmisko savienojumu, kurus sintēzes rezultātā iespējams iegūt un izmantot augstas pievienotās vērtības produktu ražošanai. Minētos ķīmiskos savienojumus iespējams iegūt gan no koksnes atlikumiem, gan konkrētām koksnes sastāvdaļām [1]. Vidējais ķīmisko savienojumu sastāvs koksnē ir attēlots 6.1. tabulā.
6.1. tabula. Ķīmisko savienojumu saturs koksnē [235]
Nr. p.k. | Savienojums | Vidējais saturs koksnē, % |
1. | Celuloze | 39,96 |
2. | Hemiceluloze | 22,67 |
3. Lignīns • Skābē nešķīstošs lignīns • Skābē šķīstošs lignīns | 24,72 | |
24,35 | ||
1,33 | ||
4. | Lipīdi | 8,25 |
5. | Proteīni | 4,87 |
6. | Toluols | 2,95 |
7. | Ekstraktvielas | 6,64 |
8. | Ciete | 1,70 |
9. | Pektīns | 3,77 |
10. | Kopējais bezstruktūras ogļhidrātu saturs | 26,50 |
11. | Ksilāns | 12,09 |
12. | Glikāns | 42,04 |
6.1. tabulā attēlota tikai daļa no savienojamiem, kas iegūstami no koksnes. Potenciāls tās lietojumam dažādās sfērās ir liels. Šajā pētījumā uzsvars ir likts uz celulozes un ksilāna atvasinājumi ieguvi.
6.2. Nekoksnes resursi
Citi bioresursi, ko sniedz mežs, ir zāle, sūnas, medus, kūdra, augļi, ogas, sēnes, mizas, Ziemassvētku eglītes, pumpuri, sulas, čiekuri, sveķi, ārstniecības augi, zalenis utt. Šie resursi produktu ražošanai tiek izmantoti minimālos daudzumos. Tas liecina, ka netiek izmantots iespējamais resursu potenciāls no mežiem un nekoksnes resursiem. Kā piemēru šim var minēt skuju koku zaleni, kas kopā ar zariem veido apmēram 25 % no koka masas. Latvijā šobrīd tas tiek izmantots nelielos daudzumos tikai skuju ekstrakta ieguvei (SIA “Vecventa”, Piltenē). Šī resursa iespējamie izmantošanas veidi ir kļuvuši īpaši aktuāli pēdējo gadu laikā [1].
Tomēr jāņem vērā augsnes saglabāšanas nepieciešamība un jāizvērtē, cik liels daudzums no meža biomasas ir pieejams ražošanai, neradot kaitējumu videi. Meža platība un kopējā koksnes krāja Latvijā palielinās, un tas stabili un pozitīvi ietekmē oglekļa uzkrāšanos mežā. 2009. gadā meža nozares radītā CO2 piesaistes apjoms divas reizes pārsniedza kopējās Latvijas radītās emisijas, nodrošinot Latvijai pozitīvu siltumnīcefekta gāzu bilanci [236].
Kā vēl vienu nu jau aizmirstu nekoksnes resursu var minēt skuju koku sveķus, kuri šobrīd tiek izmantoti nelielos daudzumos farmācijas nozarē. Mūsdienās šis resurss ir aizstāts ar sintētiskajiem sveķiem, tādēļ netiek iegūts. Šobrīd pastāvošā virzība uz pēc iespējas dabīgākiem produktiem var atgriezt šo resursu un tehnoloģiju aktīvā izmantošanā [1]. Būtisku labumu dod tikai priežu celmu sveķu iegūšana. Stumbra sveķu iegūšanas negatīvās sekas var būtiski pārsniegt jebkādus ieguvumus.
6.3. Nemateriālās vērtības
Mežs ar tā produktiem un pakalpojumiem ir nozīmīgs sabiedrības labklājības avots. Tas nodrošina kokmateriālus būvniecībai un mēbeļu ražošanai. No koksnes iegūst biomasu enerģijas ieguvei. Mežs nodrošina pārtiku un mājvietu. Tas aizsargā augsni no erozijas, nodrošina bioloģiskās daudzveidības saglabāšanos. Mežs ir ienākumu avots iedzīvotājiem, kā arī piedāvā rekreācijas iespējas. [1]
2010. gadā veiktais pētījums „Meža nekoksnes produktu un pakalpojumu devuma Latvijas tautsaimniecības novērtējums”, projekta „Papildus pētījumi Integrēto vides un meža ekonomisko kontu izstrādē Latvijā” ietvaros pirmo reizi deva iespēju novērtēt aptuveno meža nekoksnes produktu un pakalpojumu vērtību, kā arī izvērtēt to ietekmi uz Latvijas tautsaimniecību un meža sociālo nozīmi. [237]
Mežā iegūto nekoksnes produktu kopējā relatīvā vērtība ir 101 miljons eiro. Lielākā daļa no meža nekoksnes resursiem tiek izmantotas pašpatēriņam, bet aptuveni 13 % no kopējās mežā iegūtās produkcijas nonāk tirgū. Nozīmīgākais meža ieguvums ir sēnes, kuru ieguves vērtība veido pusi no nekoksnes produktu vērtības. Pašpatēriņā patērētās meža veltes tika novērtētas tirgus vērtībā, neņemot vērā piegādes un ieguves izdevumus. Šis rādītājs vairāk raksturo meža sociālo nozīmi monetārās vērtībās. [237]
Kopējā mežā sniegto komerciālo ne-mežsaimniecisko pakalpojumu vērtība ir aptuveni 37 miljoni eiro, no kuriem nozīmīgākie ir ar medībām saistītie pakalpojumi. Meža ekosistēma ir arī ievērojama oglekļa dioksīda (CO2) piesaistītāja. Fotosintēzes rezultātā mežā augošie koki piesaista CO2, uzkrājot oglekli koksnē un augsnē. Tas nozīmē, ka meža krājas pieauguma palielināšanās stabili un pozitīvi ietekmē CO2 piesaisti un oglekļa uzkrāšanos meža ekosistēmā, samazinot kaitīgo gāzu koncentrāciju atmosfērā, mazinot klimata pārmaiņu riskus. [237]
Saskaņā ar ANO Vispārējo konvenciju par klimata pārmaiņām un tās Kioto protokolā noteiktajām saistībām, Kioto protokola 2. periodā (2013.–2020. gads) meža apsaimniekošanai ir noteikts konkrēts mērķis -16,302 milj.t CO2 ekv. Mērķa sasniegšanu ietekmē dažādi faktori, no kuriem galvenie ir [237]:
• meža platība;
• produktivitāte;
• dzīvotspēja, kas tieši ietekmē kopējo ikgadējo koksnes biomasas pieaugumu:
― mežaudžu vecumstruktūra;
― meža kopšana;
― meža infrastruktūra;
― meža apsaimniekošanas risku mazināšana, galvenokārt meža ugunsgrēki, kaitēkļi un slimības [237].
Ir svarīgi apzināties visus labumus, ko sniedz meža resursi, un izvērtēt to izmantošanu pārdomātā un ilgtspējīgā veidā. Iegūtie resursi jāizmanto maksimāli. Tas nozīmē, ka jāattīsta jaunu produktu ražošana no zaleņa, mežizstrādes pārpalikumiem un citiem šobrīd nenovērtētiem un neizmantotiem meža bioresursiem.
6.4. Nepieciešamība pēc inovācijām
Valsts attīstību, tāpat kā uzņēmuma un jebkura veida biznesa attīstību, raksturo ekonomiskā izaugsme, pielāgošanās pārmaiņām un tiekšanās pēc inovācijām. Tieši tiekšanās pēc inovācijām ir saistīta ar uzņēmuma dzīves ciklu, tādēļ katrs uzņēmums un katra nozare tiecas būt ilgtspējīgi. “Kaut kā jauna radīšana ir piedeva dzīves ciklā. Tā ir vienīgā pareizā stratēģija, ja organizācija vēlas būt produktīva ilgtermiņā. Savukārt, lai inovācijas ieviestu, ir jāmaina arī esošā sistēma, jāpielāgojas pārmaiņām,” izteicies A.Xxxxxxx, uzņēmuma “Projektu fabrika” vadošais konsultants [238].
Mežsaimniecība ir viena no saimnieciski svarīgākajām nozarēm Latvijā, kas dod nozīmīgu ieguldījumu kopējā ilgtspējīgā Latvijas tautsaimniecības attīstībā. Tai ir arī būtiska loma valsts ekonomikas stabilizēšanā. Tieši mežu kontekstā tas nozīmē visu pieejamo resursu apzināšanu un aktīvu izmantošanu jaunu produktu ražošanai. Tas nozīmē, ka jākoncentrējas tieši uz neizmantotajiem resursiem – mežizstrādes pārpalikumiem, celmiem, zaleni, malku, tehnoloģisko koksni [239]. Šī pētījuma ietvaros pastiprināta uzmanība pievērsta trīs produktiem ar augstu pievienoto vērtību – tekstilam no koksnes (liocelam), ksilāna atvasinājumiem un bioeļļai. Šo produktu pievienotās vērtības rādītāji un ekonomiskā analīze aprakstīta 9. nodaļā.
6.5. Pieejamie koksnes resursi
Pieejamo koksnes resursu daudzumu var noteikt, analizējot esošos koksnes resursus un to izmantošanas virzienus. No tā var secināt, kuras plūsmas ir lielākās un rada visvairāk atlikumu, kas netiek lietderīgi izmantoti. Tādējādi iespējams izvērtēt plūsmu maiņu un resursu vai atlikumu novirzīšanu jaunu, inovatīvu produktu ražošanai ar augstu pievienoto vērtību. Valdošo koku sugu sadalījums Latvijas mežos redzams 6.1. attēlā.
9%
6%
6%
34%
24%
19%
1% 1%
Priede
Egle Bērzs
Melnalksnis Baltalksnis Apse
Ozols, osis Citi
6.1.attēls. Koku sugu sadalījums Latvijas mežos [233, 240].
Kā var redzēt 6.1. attēlā, dominējošās koku sugas Latvijas mežos ir priede, bērzs un egle. Tas liecina par to, ka šie arī ir Latvijā visplašāk pieejamie koksnes resursi.
No kopējās krājas apjoma mežu atmirums veido 79,27 milj. m3 [240], kas ietver gan nokaltušus kokus, gan kritalas, gan stumbeņus, gan nolauztos kokus. Koku bojājumi ietver slimības, dabas, dzīvnieku, kaitēkļu ietekmi un ugunsgrēkus. Mežaudžu augošo koku biomasas pa piecām valdošajām sugām veido 722,63 milj. m3 [240]. Svarīgs parametrs šajā ziņā ir nocirsta, bet pamesta koksne, kas veido no 293,37 līdz 330 tūkst.m3 [233]. Šis lielums parāda papildus no mežiem pieejamo koksnes resursu, ko var izmantot mežu augsnes ielabošanai (atstājot satrūdēšanai) vai atgūt kā papildu koksnes resursu. Gadā vidēji nocirstā un no meža izvestā koksnes krāja veido līdz 11,5 milj. m3 [241].
Pēc AS “Latvijas valsts meži” (LVM) sniegtās informācijas mežizstrādei pieejamie koksnes resursi sadalās pēc 6.2. attēlā redzamās shēmas.
6.2. attēls. Koksnes resursu sadalījums pa mežizstrādes sortimentu grupām [241].
Kā redzams 6.2. attēlā, atspoguļotais koksnes resursu apjoms iedalāms divās galvenajās plūsmās :
• resnas dimensijas sortimenti mehāniskai pārstrādei, kas izmantojami zāģmateriālu un saplākšņa ražošanai vietējam patēriņam un eksportam ;
• papīrmalka, kas Latvijā izmantota dažādu produktu ražošanai, kā arī tiek eksportēta kā izejviela celulozes industrijai. Šis ir resurss, ko nepieciešams plašāk izmantot tepat Latvijā dažādu produktu ražošanai.
Inovatīvu produktu ar augstu pievienoto vērtību ražošanai izmantojama papīrmalka un malka, kuru ir iespējams novirzīt augstvērtīgākam patēriņam. Ražošanai noderīgi resursi no šī iedalījuma varētu šķist arī ciršanas atliekas, tomēr tās ne vienmēr ir augstas kvalitātes, tādēļ var būt tikai kā kurināmais. Tātad Latvijā katru gadu no vidēji mežizstrādē cirstajiem 11,5 milj. m3 aptuveni 3,0 milj. m3 var izmantot jaunu produktu ražošanai. Tas ir apjoms, kas tiek kā izejviela eksportēts (papīrmalka 1,6 milj. m3; šķeldas un malka 1,4 milj. m3).
Vairums no sagatavotajiem kokmateriāliem nonāk dažāda veida kokapstrādes ražotnēs Latvijā. Tievā koksne jeb papīrmalka galvenokārt tiek eksportēta, jo Latvijā nav daudz pārstrādes rūpnīcu produktu ražošanai no šāda veida koksnes. Arī Latvijā no tās ražotie