Keskuslaboratorio (KCL)

31. March 2009

Kirjoittaja: Jan-Erik V. Levlin
Companies: Åbo Akademi, Helsingin yliopisto, KCL, Kemira, Metsäliitto, Snia Viscosa, Tampella, TKK, UPM-Kymmene, VTT
People: A.I. Virtanen, Agneta Fuhrmann, Anssi Kärnä, Boris Nizovsky, Hannes Sihtola, Hannu Paulapuro, Jorma Sundquist, Kaj Forss, Kirsti Jokinen, Kristiina Poppius-Levlin, Marjatta Ranua, Mikael Lucander, Ralf Lundell, Risto Ritala, Tapio Makkonen, Waldemar Jensen

Keskuslaboratorio (KCL)

Oy Keskuslaboratorio - Centrallaboratorium Ab (KCl), Helsinki/Espoo

Jan-Erik Levlin, 31.03.2009

 

Yleistä

Oy Keskuslaboratorio - Centrallaboratorium Ab, KCL, on Suomen kemiallisen metsäteollisuuden yhteisesti omistama tutkimusyhtiö, joka nykyään sijaitsee Espoon Otaniemessä. KCL perustettiin 1916 suoraan osakeyhtiöksi ja aloitti toimintansa Helsingin Yliopiston Kemian laitoksen yhteydessä. Sen ensimmäinen tutkija oli A.I.Virtanen, joka myöhemmin sai Nobel-palkinnon Valiolla suorittamistaan biokemiallisista tutkimuksistaan.

Jo vuonna 1919 KCL siirrettiin Turkuun, jossa se toimi viisi vuotta vuokratiloissa. Ajatuksena lienee silloin ollut läheisemmän yhteistyön aikaansaaminen Åbo Akademin kanssa. Tämä asia ei kuitenkaan kehittynyt ajatellulla tavalla ja jo 1925 KCL siirtyi takaisin Helsinkiin ollakseen lähempänä teollisuuden muita organisaatioita. Yhtiölle valmistui silloin uusi rakennus osoitteessa Hesperiankatu 4 ja täällä se toimi aina 1962 saakka jolloin se siirrettiin nykyisiin tiloihin Espoon Otaniemeen alueelle, johon samoihin aikoihin rakennettiin TKK:n ja VTT:n toimitilat.

KCL on siis alusta lähtien ollut teollisuuden omistama tutkimusyhtiö. Omistajien joukossa oli aluksi muitakin kuin massaa ja/tai paperia valmistavia yhtiöitä, mm tekstiiliteollisuus oli vahvasti edustettuna. Koska kemiallinen metsäteollisuus kehittyi muita teollisuuden aloja nopeammin se sai kuitenkin pian dominoivan aseman omistajien joukossa ja KCL:n toiminta suuntautui enenevässä määrin tämän teollisuuden palvelemiseksi. Vuonna 1942 valtio perusti VTT:n ja seuraavan vuonna metsäteollisuuyritykset lunastivat KCL:n osakkeet kokonaan itselleen. Samalla muun kuin massa- ja paperin valmistukseen liittyvä teknologian tutkimus siirtyi VTT:lle.

Vuonna 1962 KCL siirtyi Otaniemeen TKK:n ja VTT:n naapuriin. Samalla käynnistyi tasainen ja voimakas kasvu. Muuttohetkellä henkilöstön vahvuus oli 197 henkilöä. Suurimmillaan se oli 1990-luvun lopulla jolloin vahvuus oli n. 360 henkilöä.

KCL:n osakkeenomistajat ovat aina olleet käytännöllisesti kaikki Suomen massa- ja/tai paperia valmistavat yhtiöt. Niinpä osakkaaiden lukumäärä oli pitkään tasolla 25-26 kunnes teollisuuden suuri rakennemuutos 1985-1996 johti siihen että niiden lukumäärä supistui 4:ään. Kaikki osakkaat ovat myös osallistuneet yhteisen tutkimuksen rahoittamiseen määrällä, joka on verrannollinen yhtiön osuuteen Suomen yhteenlaskettuun massan ja paperin tuotannon arvoon.

Vahvan omistuspohjan lisäksi KCL:n erityispiirre muihin alamme tutkimuslaitokiin verrattuna on ollut vahva panostus pilot-luokan laitteisiin. Niinpä KCL:n koetehtaalle Otaniemeen on vuosien varrella kehittynyt ainutlaatuinen integraatti, joka kaattaa koko paperinvalmistusketjun mekaanisen massan valmistuksesta aina päällystettyyn, superkalanteroituun ja 4-väripainettuun lopputuotteseen saakka. Laitteiden mittakaava on sellainen että voidaan käsitellä muutaman sadan kilon kokoisia erriä koepistettä kohti.

Vuonna 2009 VTT osti KCL:n kaikki tutkimus- ja laboratoriotoiminnot, jotka integroitiin VTT:n vastaavien toimintojen kanssa. Juridisesti yhdistyminen toteutui vuoden 2010. Yhtiönä KCL jäi kuitenkin henkiin ja jatkoi toimintansa omistamalla ja halinnoimalla kiinteistön sekä pyörittämällä koetehtaan n. 30 hengen voimin. VTT vuokrasi KCL:n päärakennuksen käyttöönsä, aluksi kolmeksi vuodeksi.

Tärkeimpien koetehtaan laitteiden hankinta-ajankohdat ovat olleet:

  • 1966 Ensimmäinen päällystyskone
  • 1967 Ensimmäinen superkalanteri
  • 1968 Paperikone
  • 1975 TMP/CTMP laitos
  • 1985 Toinen päällystyskone
  • 1985 Arkkioffsetkone
  • 1987 Flexopainokone
  • 1988 Heatset offsetpainokone
  • 1989 Paperikoneen uusinta
  • 1991 Uusi TMP-laitos
  • 1995 Päällystyskone 2 uusinta
  • 1999 Multical superkalanteri
  • 2008 Ink-jet painokone

 

KCL:n teknis-tieteelliset saavutukset

KCL:n teknis-tieteelliset saavutukset voidaan jakaa kahteen ryhmään:

  1. Tulokset ja tuotteet, jotka ovat selvästi osoitettavissa KCL:n tutkijoiden aikaansaannoiksiksi ja jotka yleensä ovat selviä tuotteita.
  2. Tutkimushankkeet, joissa KCL on ollut selvästi edistämässä sinänsä tunnetun teknologian siirtämistä ja soveltamista Suomen teollisuuteen.
     

1. KCLn tutkijoiden työn tuloksina syntyneita tuotteita, prosesseja tai menetelmiä.

KCLn tutkijoiden kehittämiä tuotteita ovat ainakin kolmentyyppisiä:

  • Uusia tuotteita tai tuotteiden valmistusmenetelmiä.
  • Uusia prosesseja.
  • Uusia prosessinmittaus- ja analysointimenetelmiä.

Useimmat ovat uusia tuotteita tai prosessinmittausmenetelmiä.

Uusia tuotteita ovat esim

  • Si-jäteliemen hyödyntämiseen perustuva PEKILO
  • Sa-jäteliemen hyödyntämiseen perustuvat KARATEX ja LIGNOBOND

Kaikkien näiden tuotteiden kehittämisen takana oli Kaj Forss tutkimusryhmineen, silloinen R-osasto, Kemian tuotteiden kehittämisosasto. Ligniinin rakennetta ja analytiikkaa koskeva tutkimus- ja kehitystyötyö oli käynnistetty jo 1956 silloisen uuuden toimitusjohtajan, Waldemar Jensenin toimesta.

PEKILO-proteiinin lähtömateriaali oli sulfiitti-jäteliemi, jossa kasvatettiin Paecilomyces varioti niminen mikrobi. Projektin vetäjänä oli aluksi Ralf Lundell, myöhemmin Kirsti Jokinen. Tutkimustyön alkaessa maassamme oli vielä 18 si-sellutehdasta. Sulfiitti-jäteliemeen perustuvien tuotteiden kehitys ja valmistus loppui kuitenkin si-sellun valmistuksen loppumisen myötä. Oltiin silloin päästy niin pitkälle että Jämsänkosken si-sellutehtaan yhteydessä oli 1975 rakennettu tehdasmittainen PEKILON valmistusyksikkö, jonka kapasiteetti oli 10.000 tonnia vuodessa. Yksikkö lopetettiin 1982, kun sulfiittisellun tuotanto loppui. Samoin kävi Mäntän tehtaan yhteyteen 1982 käynnistetty Pekilo-tehtaan, se pysäytettiin 1991. PEKILO-prosessin oikeudet oli 1973 siirretty Oy Tampella Ab:lle.

KARATEX-liima ja LIGNOBOND-menetelmä perustuvat suurimolekyylisen sulfaattiligniinin hyödyntämiseen, ja näiden kehityksestä vastasi Agneta Fuhrmann. Molemmat tuotteet kehitettiin teolliseen tuotantoon saakka. KARATEX-liimaa käytettiin vaneri- ja lastulevyjen valmistukseen. Sen merkittävä etu on, ettei siitä valmistetuista tuotteista vapaudu formaldehydia. Sen oikeudet myytiin 1980 Metsäliiton Teollisuus Oy:lle, jonka Äänekosken sa-tehtaan yhteyteen oli rakennettu ultrasuodatukseen perustuva sulfaattiligniinin tuotantolaitos.

Nämä keksinnöt saivat julkista huomiota ja palkintoja osakseen. Pekilo ja KARATEX saivat vuonna 1975 presidentti Kekkosen myöntämä Viisasten kivi-palkinnon ja KARATEX sai 1981 Chicagossa IR 100 palkinnon ”One of the 100 most significant new technical products of the year”. Tämän palkinnon muistolevy on kauan ollut esilla KCL:n hallituksen kokoushuoneessa.

Vuonna 1985 kehitetyn LIGNOBOND-menetelmän avulla saadaan sa-jäteliemesta erotettu liigniini muodostamaan vahvoja vedenkestäviä sidoksia kuitujen välillä. Tällä tavalla voidaan valmistaa vedenkestävää voimapaperia ja pakkausmateriaaleja sekä kuitulevyjä. Tämänkin menetelmän oikeudet myytiin vuonna 1989 Metsäliiton paperiteollisuusyhtiölle, joka oli siihen mennessä fuusoituinut Serlachiuksen kanssa Metsä-Serla Oy:ksi. Tuotteiden edelleenkehitys kuitenkin päättyi v 1990 kun KCL:n Kemiallisten tuotteiden kehittämisosasto lakkautettiin. Samoihin aikoihin lopetettiin myös ligniinin valmistus Äänekosken tehtaalla.

Näiden tuotteiden kehitys oli linjassa 2000-luvun Biorefinery-huuman kanssa; ehkäpä olivat vain hieman ennenaikaisia…

Uusia prosesseja ovat esim

  • SINI-prosessi liukosellun valmistamiseksi.
  • MILOX-keitto orgaanisilla liuottimilla.
  • Fennotriox, jätevesien puhdistus hapetuksen ja Fe(II)-suolan avulla.
  • Xylanaasi-entsyymi sellun valkaisussa.

SINI-prosessi on Hannes Sihtolan ja Boris Nizovskyn kehittämä viskoosimassan valmistusmenetelmän parannus, jonka etuina ovat kemikaalisäästöt sekä alkalin että rikkihiilen osalta. Menetelmä patentoitiin ja se herätti laajaa kansainvälistä huomiota viskoositeollisuuden piirissä. Italialainen Snia Viscosa-yhtiö osti lisenssin ja ryhtyi valmistamaan polynoosikuitua Pavian tehtaallaan. Viskoosimassatuotannon laaja alasajo Euroopassa 1970-luvulla johti kuitenkin tämänkin tehtaan lopettamiseen.

MILOX on rikitön ja klooriton peroksihappojen (muurahaishapon) käyttöön perustuva sellunvalmistusmenetelmä, joka kehitettiin Paper Science Centerin piirissä Jorma Sundquistin ja Kristiina Poppius-Levlinin toimesta 1980-luvulla. Kehitystyö jatkui 1990-luvun alkupuolella yhteistyössä Kemira Oy:n kanssa. Tämän yhtiön tiloihin Ouluun rakennettiin koetehdas tuotantomittasen tehtaan suunnittelussa tarvittavien mitoitusarvojen saamista varten. Tutkimus- ja kehitystyö sinänsä onnistui hyvin, mutta KCL:n omistajayhtiöiden puuttuvan kiinnostuksen vuoksi menetelmän oikeudet luovutettiin oululaiselle Chempolis-yhtiölle. Tämä onkin hyvin sitkeästi jatkanut kehitystyötä ja on vihdoin vuoden 2008 alussa onnistunut tekemään lisenssisopimuksen UPM-Kymmenen kanssa menetelmän hyödyntämiseksi ruohokasvipohjaiseen massanvalmistukseen Kiinassa. Menetelmä soveltuneekin erityisen hyvin juuri ruohokasveille, koska ruohokasvien suuret silikaattimäärät liukenevat keittoliemeen eivätkä siten aiheuta prosessihäiriöitä.

Fennotriox on Martti Savolaisen kehittämä biokemiallinen menetelmä, jossa hapetuksen ja Fe(II)-suolan avulla voidaan puhdistaa valkaisun jätevesiä. Tässäkin tapauksessa Kemira on ostanut menetelmän teolliset oikeudet ja markkinoi sitä juuri Fennotrioxin nimellä. Sen käyttö selluteollisuudessa on vähäistä, mutta se lienee käytössä mm erilaisissa värjäämöissä Aasiassa

Xylanaasi-entsyymin käyttöä sellun valkaisussa kehitettiin vuodesta 1983 lähtien Jorma Sundqvistin ja Marjatta Ranuan toimesta yhteistyössä VTT:n tutkijoiden kanssa. Menetelmän avulla voidaan vähentää kloorikemikaalien kulutusta. Menetelmä on käytössä monissa sellutehtaissa ympäri maailmaa. Vuonna 1990 xylanaasi-keksintö sai Ympäristöministeriö vuoden pääpalkinnon.

Uusia prosessin mittaus- ja/tai analyysimenetelmiä ovat esim

  • Kuidunpituusmittausmenetelmä, jota Kajaani Oy on kaupallistanut Kajaani FS-laitteiden nimellä.
  • KCL-ECO tuotteiden elinkaarianalyyseja varten. Tähän liittyy myös KCL ECO Data tietokanta.
  • KCL-WEDGE.
  • DOTS.
  • GURU.

KCL:n Paperiosaston yhteydessä toimi 1970-1980-luvuilla Tapio Makkosen johdolla ns Mittausryhmä, joka kehitti ja sovelsi paperiteollisuuteen erilaisia uusia fysikaalisia prosessimittausmenetelmiä. Eräs heidän työnsä tulos on kuidunpituusmittari, jossa kapillaariputken läpi virtaavasta hyvin laimeasta kuituseoksesta mitataan optisesti yksittäisten kuitujen pituuksia ja siten koko seoksen kuidunpituusjakauma. Toimiva prototyyppi ja sen oikeudet myytiin silloiselle Kajaani Elektroniikka Oy:lle, joka on kehittänyt siitä kaupallisen laitteen nimellä Kajaani FS-100, FS-200 jne. Se on levinnyt hyvin laajalle selluteollisuuden t&k-laboratorioihin ympäri maailmaa.

Elinkaarianalyyseja (LCA) varten kehitettiin Anssi Kärnän johdolla 1990-luvulla KCL ECO nimistä laskentaohjelma. Sitä päivitetään jatkuvasti ja lisenssejä on myyty yli 100 kpl ympäri maailmaa. Sitä käytetään esim investointien ja kehityshankkeiden kokonaisympäristöystavällisyyttä arvioitaessa. Ohjelman käytön tueksi on kehitetty myös KCL EcoData nimistä tietokantaa.

Hannu Paulapuron aloitteesta ja Risto Ritalan työn tuloksena syntyi KCLn prosessimittausryhmän toimesta KCL-WEDGE niminen järjestelmä prosessitietojen keruuta, tallennusta ja anaysointia varten. Tästä ja siitä lähtöisin olevat tuotteet DOTS ja GURU ovat KCL:n kehitelmistä tuottaneet selvästi eniten taloudellista hyötyä ja liiketoimintaa. Niiden hyödyntämistä varten perustettiin Mittausryhmästä tytäryhtiö KCL Development Oy, jossa oli parhaimmillaan yli 10 työntekijää. Erilaisten vaiheiden jälkeen yhtiö myytiin lopulta Savcorille vuonna 2005 (kts luku KCL:n sisäisestä orgnisaatiosta).

Kaikki WEDGE-perheen tuotteet keskittyvät prosessien hallintaan prosessianalyysin ja virhediagnostiikan avulla. Vuonna 2008 WEDGE oli jo asennettu 43 paperikoneeseen Suomessa ja ulkomailla.

Nyt 2000-luvun puolella on Mikael Lucanderin toimesta tehty hiomakiven pinnan kehitystyötä. Optimoimalla hiomakiven pinnan muotoilua voidaan hionnan energiankulutusta vähentää.

 

2. Tutkimusalueita, joissa KCLn panos on selvästi edistänyt massa- ja paperiteollisuutemme tietämystä

KCLn perustehtäviä on tietenkin aina ollut uuden tiedon kehittäminen sekä olemassa olevan tiedon jalostaminen ja vieminen omistajayhtiöiden käyttöön. Niinpä alueita, joilla KCL:n panos tiedon kehittämisessä on ollut merkittävä voidaan tunnistaa lukuisasti. Kattavan luettelon tekeminen näistä on kuitenkin vaikeata, ellei mahdotonta. Seuraavassa vain eräitä esimerkkejä.

Massan valmistus

Mekaaninen massa

  • V. Alfthanin hioketutkimukset
  • Hiertotekniikan kehittäminen .
  • Painehionnan edelleenkehittäminen.

Sellun valmistus ja valkaisu

  • Happikemikaalit valkaisussa.
  • Kloorikaasun korvaaminen kloridioksidilla .
  • Antrakinonin käyttö sellun valmistuksessa.
  • Autokaustisointi.
  • Hekseeniuronihapon poistaminen sellusta.
  • Entsyymien käyttö valkaisussa.
  • Prosessien sulkeminen.

Ympäristötutkimus

Paperin valmistus

Massojen jauhatus, luonnehtiminen ja valinta

  • Massojen jauhatus ja luonnehtiminen.
  • Massojen valinta käyttötarkoituksen mukaan, “Oikea kuitu oikeaan paikkaan”.

Täyteaineet

  • Talkki painopapereissa.
  • Täyteainepitosuuden nosto.

Paperin päällystys ja pintakäsittely

  • Teräpäällystyksen kehittäminen ja ymmärtäminen.
  • Päällystys suurissa nopeuksissa.
  • Filmipäällystys.
  • Superkalanterointi.

Painatus

  • Heat-set offset painatus ja siihen liittyvien ongelmien hallinta

Paperifysiikka