Non-wood plants as raw material for pulp and paper

Abstract

Suomessa viljelystä poistettavan peltoalan määrästä esitettiin 1990-luvun alussa arvioita, joiden suuruus vaihteli 0,5 miljoonasta hehtaarista 1 miljoonaan hehtaariin. Samoihin aikoihin hienopaperin kulutus kasvoi ja lehtipuuta jouduttiin tuomaan yhä enemmän maahan. Näihin lähtökohtiin perustuen aloitettiin vuonna 1990 tutkimus, jonka tarkoituksena oli kehittää menetelmä, jolla saataisiin tuotettua suomalaisista peltokasveista koivun veroista lyhytkuituista raaka-ainetta mahdollisimman edullisesti hienopaperin raaka-aineeksi. Samalla oli tarkoitus saada elintarvike-tuotannosta vapautuville pelloille uutta käyttöä. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset ovat Agrokuitututkimuksen kasvintuotanto-osasta vuosilta 1990 ja 1993-1999. Koska nämä tulokset ovat osa suuremmasta kokonaisuudesta, väitöskirjassa on tarkasteltu myös projektin muiden osatutkimusten sekä ruokohelven kuitukäyttöön läheisesti liittyvien muiden tutkimusten tuloksia suhteessa kasvintuotantotukimuksista saatuihin tuloksiin. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, voidaanko Suomen peltokasveista löytää sellun raaka-aineeksi soveltuvia lajeja, joita voitaisiin tuottaa kilpailukykyiseen hintaan ja onko tuotantotekniikalla mahdollista vaikuttaa suotuisalla tavalla sellun raaka-ainekasvien biomassan tuottoon ja kemialliseen koostumukseen. Tutkimuksen tarkoituksena oli myös laatia kuvaus suurille viljelyaloille tarkoitetusta viljelymenetelmästä, joka tuottaisi tarkoitukseen valitusta kasvilajista teollisuuden käyttöön mahdollisimman laadukasta, lyhytkuituista raaka-ainetta. Alustava tutkimus käynnistyi vuonna 1990, jolloin mukana oli 17 kasvilajia. Näistä valittiin edelleen sellu- ja kivennäisanalyysien perusteella seitsemän kasvilajia viljelyteknisiin tutkimuksiin, joissa selvitettiin kasvien biomassan tuottoa sekä viljelytoimenpiteiden vaikutusta sellun ja paperin valmistuksen kannalta tärkeisiin laatutekijöihin. Vuonna 1993, jolloin vakavasti otettavia ehdokkaita lyhytkuituiseksi sellukasviksi oli enää ruokonata (Festuca arundinacea Schreb.) ja ruokohelpi (Phalaris arundinacea L.), perustettiin laajoja kenttäkokeita molemmista kasvilajeista. Samaan aikaan tutkimusta laajennettiin käsittämään koko tuotantoketju viljelystä paperin valmistukseen saakka. Tuotantotekniikan vaikutuksia ruokohelven ja ruokonadan biomassasadon määrään, sellun valmistuksen kannalta tärkeiden kivennäisaineiden pitoisuuksiin sekä sellusaantoon ja laatuun tutkittiin eri korjuuaikoina ja käyttäen erilaisia lannoitusmääriä. Kasvilajeista vain ruokohelpi soveltui monivuotisessa viljelyssä korjattavaksi keväällä kuloheinänä, mikä kokeilluista korjuutavoista tuotti sellun valmistukseen parhaiten soveltuvaa raaka-ainetta. Ruokohelpi osoittautui myös kestävimmäksi kasvilajiksi, jonka kuiva-ainesadot vakiintuivat ensimmäisen korjuuvuoden jälkeen noin 7 8 tonniksi hehtaarilta. Kun ruokohelpi korjataan keväällä, kylvöjen väli voi olla jopa kymmenen vuotta. Ruokohelven vuotuiset typpilannoitusmäärät vaihtelevat 50 100 kg N hehtaarilla. Markkinoilla olevia ruokohelven rehulajikkeita voidaan käyttää kuidun raaka-aineena ja ne menestyvät aina Pohjois-Suomea myöten. Parhaiten kevätkorjuuseen soveltuivat Palaton, Lara, Vantage ja Venture lajikkeet. Viljelyn lopettamisen jälkeen ruokohelpi ei jää pellolle rikkakasviksi, jos kasvusto hävitetään glyfosaatilla ja kynnetään syksyllä, ja parina seuraavana vuonna viljellään yksivuotisia kasveja esim. kevätviljaa. Heinäkasvien kivennäisaineiden pitoisuudet olivat suurempia kuin puuraaka-aineessa, mutta kuitupitoisuudet lähes samanlaisia. Ruokohelpiraaka-aineen laatuominaisuuksia voitiin parantaa korjaamalla kasvusto keväällä kuivana kuloheinänä, jolloin sadon vesipitoisuus on ainoastaan 10 15 %. Sellun valmistuksessa haitallisten kivennäisaineiden määrää voitiin vähentää käyttämällä ruokohelven keväällä kuloheinänä korjattua satoa, ja edelleen poistamalla kevätkorjatusta materiaalista lehtilavat, jotka sisälsivät eniten kivennäisaineita ja vähiten kuitua. Ruokohelven kasvinosista korsi sisälsi eniten kuitua ja vähiten kivennäisaineita ja se soveltuu siten parhaiten sellun valmistukseen. Kun uusi kasvilaji otetaan lyhyessä ajassa laaja-mittaiseen tuotantoon, se vaatii onnistuakseen laajoja tutkimuksia, jotka etenevät samaan aikaan koko tuotantoketjussa. Tämän tutkimuksen tulosten käyttökelpoisuus ja siten myös tutkimuksen onnistuminen punnitaan tulosten soveltamistilanteessa, kun ruokohelpeä viljellään suurilla pinta-aloilla ja saatu raaka-aine käytetään sellun valmistukseen.

This study was begun in 1990 when there was a marked shortage of short fibre raw material for the pulp industry. During the last ten years the situation has changed little, and the shortage is still apparent. It was estimated that 0.5 to 1 million hectares of arable land would be set aside from cultivation in Finland during this period. An alternative to using hardwoods in printing papers is non-wood fibres from herbaceous field crops. The study aimed at determining the feasibility of using non-wood plants as raw material for the pulp and paper industry, and developing crop management methods for the selected species. The properties considered important for a fibre crop were high yielding ability, high pulping quality and good adaptation to the prevailing climatic conditions and possibilities for low cost production. A strategy and a process to identify, select and introduce a crop for domestic short fibre production is described in this thesis. The experimental part of the study consisted of screening plant species by analysing fibre and mineral content, evaluating crop management methods and varieties, resulting in description of an appropriate cropping system for large-scale fibre plant production. Of the 17 herbaceous plant species studied, monocotyledons were most suitable for pulping. They were productive and well adapted to Finnish climatic conditions. Of the monocots, reed canary grass (Phalaris arundinacea L.) and tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) were the most promising. These were chosen for further studies and were included in field experiments to determine the most suitable harvesting system and fertilizer application procedures for biomass production. Reed canary grass was favoured by delayed harvesting in spring when the moisture content of the crop stand was 10-15% of DM before production of new tillers. When sown in early spring, reed canary grass typically yielded 7-8 t ha-1 within three years on clay soil. The yield exceeded 10 t ha-1 on organic soil after the second harvest year. Spring harvesting was not suitable for tall fescue and resulted in only 37-54% of dry matter yields and in far fewer stems and panicles than harvested during the growing season. The economic optimum for fertilizer application rate for reed canary grass ranged from 50 to 100 kg N ha-1 when grown on clay soil and harvested in spring. On organic soil the fertilizer rates needed were lower. If tall fescue is used for raw material for paper, fertilizer application rates higher than 100 kg N ha-1 were not of any additional benefit. It was possible to decrease the mineral content of raw material by harvesting in spring, using moderate fertilizer application rates, removing leaf blades from the raw material and growing the crop on organic soil. The fibre content of the raw material increased the later the crop was harvested, being highest in spring. Removing leaf blades and using minimum fertilizer application rates in-creased the fibre content of biomass.