As part of the Multibio project, the potential for production of biobased and biodegradable polymers, from organic residuals in process effluent streams, was evaluated for Stora Enso Skoghalls and Rottneros pulp and paper mills in Värmland, Sweden.   These biopolymers are thermoplastic polyesters made by naturally occurring bacteria and are from the family of polyhydroxyalkanoates (PHAs).  They can be formulated as principal ingredients for plastics, functional chemicals, and composite materials of interest to a diversity of sectors including the pulp and paper industry.  They can also be formulated into fish feed to impart pre/pro-biotic benefits in aquaculture.  Commercial quantities and qualities of PHAs can be produced as a corollary benefit to biological wastewater treatment processes that are used to treat industrial and municipal wastewaters for environmental protection.  The goal of the present study has been to determine the potential quantities of PHA that could be produced as an integral part of the mill residual organics and effluent management.  The aim of this Multibio work package has also been to recommend steps forward.

It was estimated that Skoghalls and Rottneros mills manage 70 and 15 tons per day of residual organic material on a chemical oxygen demand (COD) basis, and in relation to respective production levels of about 778,000 and 170,000 ton/yr paper and board.  These numbers were calculated from mass balances using historical monitoring information provided by the mills and with measurements made in this study on samples from selected locations of the treatment processes.  The residual COD is comprised of fibre and surplus activated sludge as well as soluble dissolved organic material.  This organic material is a resource to produce a microbial biomass rich in PHA with remaining organic material being used for boiler heat production.   Improved sludge dewatering is expected such that COD used for heat production today could be diverted to PHA without undue loss of heat production capacity in the balance.

Two process scenarios are presented (Scenario 1 & 2) as a logical progression of risk and development.  PHA production requires that some organic feedstock is first converted into volatile fatty acids (VFAs) through acidogenic fermentation.  If all the residual organic mass is used to produce VFAs (Scenario 1), it was estimated that about 2 000 and 400 tons PHA per year could be produced at Skoghalls and Rottneros mills, respectively.  Production amounts would be increased (Scenario 2) by about 50 % (3 000 and 600 tPHA/yr, respectively) if the residual mass flows of waste activated sludge biomass from the mill aerobic biological wastewater treatment processes could be exploited for a PHA storing potential rather than just being an organic feedstock to yield VFAs.  

A mill side-line of polymer production anchors in-house supply and experience with PHAs while casting a net for evolving and capturing future interesting materials and business.  Future mill economies may foreseeably require standing on wider business footings including fibre as well as from other cellulose derived biobased revenue generating products and services.  PHAs can naturally also be made using the prime input lumber starting with hemicellulose and cellulose.  Opening a PHA specialty industry first is a way to open the door for discovery that may well motivate directing strategically separated mill upstream organic fractions to successful large commercial revenues from PHAs in the future.  

Som en del av projektet Multibio har potentialen att producera biobaserade och biologiskt nedbrytbara polymerer från organiska rester i processavloppsvatten utvärderats vid Stora Enso Skoghalls och Rottneros pappers- och massabruk i Värmland, Sverige. Dessa polymerer är termoplastiska polyestrar som produceras av naturligt förekommande bakterier och tillhör gruppen polyhydroxyalkanoater (PHA). De kan formuleras som huvudingrediens i plaster, funktionella kemikalier och kompositmaterial relevanta för vitt skilda sektorer inklusive skogsindustrin. De kan också användas som ingrediens i fiskfoder för att åstadkomma en pre/pro-biotisk effekt vid fiskodling. Kommersiellt relevanta mängder och kvaliteter av PHA kan produceras som en bi-produkter vid den biologiska vattenrening som används för att behandla industriella och kommunala processavloppsvatten. Målet med denna studie har varit att bestämma de potentiella mängder av PHA som skulle kunna produceras som en integrerad del av brukens hantering och behandling av restströmmar. Syftet med denna del av Multibioprojektet har även varit att ge rekommendationer för en fortsatt stegvis utveckling.

Tillgängliga restströmmar vid Skoghalls och Rottneros bruk uppskattas motsvarar 70 respektive 15 ton per dag angivet som kemiskt syrebehov (COD, ”chemical oxygen demand”). Siffrorna beräknades med en massbalans baserad på historiska data från bruken samt analyser av stickprov från olika delar av reningsprocesserna. Restströmmarnas COD består av fiber, överskottsbioslam och löst organiskt material. Detta organiska material skulle kunna användas som råvara för att producera en mikrobiell biomassa rik på PHA med en återstående mängd som kan förbrännas för värmeproduktion. Förbättrad slamavvattning kan antas.  På så sätt varje ton COD som används för PHA-produktion orsakar en minskning i värmeproduktion som är mindre än vad som annars vore fallet.

Två scenarier presenteras. För att producera PHA behöver först en del av organiska råvaran omvandlas till flyktiga fettsyror (VFA, ”volatile fatty acids”) genom acidogen fermentering. Om alla tillgängliga organiska rester används för att producera VFA (Scenario 1), uppskattades att ungefär 2 000 respektive 400 ton PHA per år skulle kunna produceras vid Skoghalls och Rottneros bruk. De producerade mängderna skulle öka med ungefär 50 % (3 000 respektive 600 ton PHA/år), ifall överskottsbioslammet från brukens processvattenrening kunde utnyttjas för att producera PHA istället för att endast vara en råvara för VFA (Scenario 2).  

Baserat på erfarenheter från liknande fall kan det förväntas att en liten produktion av polymerer förankrar egna erfarenheter av materialen och deras produktion samtidigt som en krok agnas för att fånga framtida vidare utveckling. Den framtida ekonomin för pappers- och massabruk förväntas kräva en bredare affärsmodell med fiber såväl som andra biobaserade produkter och tjänster. PHA kan även produceras från själva vedråvaran utifrån hemicellulosa och cellulosa. Att starta en nisch-tillverkning av PHA kan vara ett sätt att möjliggöra upptäckter som mycket väl kan motivera att vissa fraktioner av bruken huvudråvaror används för nya material såsom PHA.