Design av framtidssäkra biobaserade förpackningar för ökad cirkularitet

Projektet pågick mellan maj 2022 och februari 2025.

Projektets fokus var att utveckla kunskap och metoder kopplat till barriärkemi och formning av fiberbaserade förpackningar, med målsättningen att nå en 100 % biobaserad lösning som uppfyllde marknadens krav på ökad cirkularitet, resurseffektivitet, attraktiv design och formbarhet. Projektkonsortiet representerades av aktörer från förpackningens värdekedja; svenska och europeiska varumärkesägare, råvaruleverantörer, kemileverantörer, tillverkare och teknologiutvecklare av cellulosabaserade förpackningar för våt- och torrformning.

Syftet med projektet var att etablera ett forskningssamarbete kring cellulosabaserade formbara förpackningar. Målsättningen med samarbetet var att genom fördjupad kunskap om materialens egenskaper, i kombination med ny barriärkemi, skapa cirkulära riktlinjer som kan användas för att kunna välja den mest passande förpackningslösningen för ändamålet utan att ge avkall på funktion och hållbarhet.

Deltagare

Yangi AB, Chanel, Duni, Holmen, FutureLab & Partners, KTH, LTH och Solenis.

Budget

Projektets budget var 7,8 M SEK.

Därför var detta viktigt

Cellulosabaserade förpackningar har potential att ersätta 40 procent av alla hårda plastförpackningar, vilket motsvarar 1,8 miljoner ton material. Detta område är därför av högsta relevans för svensk skogsindustri och omställningen till en biobaserad samhällsekonomi. EU-kommissionens direktiv mot engångsplast påverkar även pappersindustrin. Detta leder till ett stort behov av ny funktionell kemi för cellulosabaserade förpackningar.

Förväntat resultat

Projektet förväntades att genom forskningsaktiviteterna ge djupgående förståelse för hur olika processer påverkar mekaniska egenskaper, hos både jungfruliga och återvunna cellulosafibrer. Projektet skulle också utveckla ny kemi för våt- och torrformingstekniker med målet att uppnå 100 procent biobaserade förpackningslösningar. Detta skulle utveckla två konkurrenskraftiga förpackningskoncept som säkerställer lågt klimatavtryck och optimerad cirkularitet utan att ge avkall på produktegenskaperna.

Projektets bidrag till en biobaserad samhällsekonomi

Projektet adresserar flera centrala samhälleliga utmaningar relaterade till miljön, resurseffektivitet och industriell omställning. Ett av de mest brådskande behoven är att minska beroendet av fossilbaserade plaster, en prioritering som ytterligare betonas av EU:s direktiv för engångsplaster (SUPD). Detta direktiv ålägger att plastprodukter ska ersättas med biobaserade råvaror när det är möjligt, samtidigt som strikta förbud mot vissa engångsplastprodukter införs. Detta har skapat en efterfrågan på innovativa förpackningslösningar som uppfyller nya regler och samtidigt möter marknadens behov när det gäller funktionalitet och estetik. Cellulosa-baserad förpackning har identifierats som en lovande lösning, med potential att ersätta upp till 40% av all styv plastförpackning, motsvarande 1,8 miljoner ton material. Detta är av stor strategisk betydelse för industrin och övergången till en biobaserad ekonomi.

SUPD:s begränsningar av polymerinnehåll är dock strängare än väntat, vilket skapar stora utmaningar för pappersindustrin och driver behovet av att ompröva den kemiska sammansättningen av cellulosebaserade förpackningar. Projektet bidrar direkt i övergången till en biobaserad ekonomi genom att utveckla nya teknologier för 3D-formade cellulosebaserade förpackningar. Detta utgör ett nytt och lovande affärsområde inom skogsindustrin och kan bana väg för framtida europeisk industriell tillverkning. För att möjliggöra denna övergång krävs avancerade karaktäriseringsmetoder och beräkningsmodellering, för att optimera material och processer. Projektet fokuserar på snabb uppskalning och effektiv kvalitetskontroll, vilket är avgörande för att utveckla konkurrenskraftiga och hållbara alternativ till plastbaserade förpackningar.

Konkreta resultat

Tekniska problem och innovationer

Cirkulära designriktlinjer: En strukturerad ram utvecklades för att vägleda designen av cellulosa-baserad förpackning, som integrerade branschens feedback. Denna lösning bidrar till cirkularitet i förpackningsutvecklingen.
Intressentdrivna designförbättringar: Insikter från nyckelaktörer inom branschen, som Duni och Chanel, integrerades i designprocessen för att förbättra förpackningslösningarna, vilket säkerställde bättre marknadsanpassning och överensstämmelse med branschstandarder.

LCA av torrformning kontra våtformning: En djupgående livscykelanalys (LCA) genomfördes för att identifiera miljöpåverkan mellan torrformning och våtformningsprocesser, vilket erbjöd insikter för mer hållbara tillverkningsbeslut.

Återvinningsstudie av torrformade förpackningar: En studie genomfördes för att fastställa optimala trösklar för våtstyrkeadditiv, vilket optimerade fiberåtervinningen.
Materialval och fiberoptimering: Olika materialgrader, med fokus på Holmens kartong utvärderades för deras mekaniska egenskaper, återvinningsbarhet och lämplighet för både torrformning och våtformningsprocesser.

Processoptimering för formningsteknologier: Processparametrar för både torr och våt- formningsteknik optimerades. Projektet fastställde de bästa fräsningshastigheterna för olika fiber- typer, vilket förbättrade fiberbindning och materialstyrka.

Yt- och strukturanalys: OptiTopo-tekniken användes för att utvärdera ytråhet, vilket visade att oorganiska beläggningar (till exempel CaCO₃/lera) ökade strävhet och vithet.
Mekaniska prestandainsikter: Torrformade material visade högre z-styrka och böjmotstånd för barrvedsmassa, medan våtformade produkter uppvisade starkare fiberband och överlägsna mekaniska egenskaper.
Förbättrad olje- och vattentålighet: Innovationer inom kemiska formuleringar har förbättrat olje- och vattenmotståndet hos formade artiklar, utan att kompromissa med deras strukturella integritet.

Nya innovationer: Vaxbaserade barriärformuleringar: Nya vaxbaserade formuleringar har utvecklats för att förbättra barriäregenskaper i cellulosabaserade förpackningsmaterial.
Simuleringsverktyg för fibernätverk (FibNet): Ett nytt verktyg har skapats för att simulera de mekaniska egenskaperna hos fibernätverk och förutsäga deras beteende under olika behandlingar, vilket främjar förståelsen av cellulosamaterialets beteende.Kontinuitetsmekanikmodell: En ny modell har utvecklats för att hantera den anisotropa naturen hos papper och fibernätverk under formning, vilket ger viktiga insikter om materialdensifiering och fiberorientering.

Resultatens effekter och potential

Projektet har framgångsrikt avslutats och har medfört flera viktiga förändringar i värdekedjan, inklusive framsteg inom teknologiska lösningar, samarbete, råmaterial och förändringar i kundbeteenden.

Teknologiska lösningar: Projektet introducerade viktiga tekniska framsteg, särskilt inom utvecklingen av cellulosa-baserade formbara förpackningslösningar. Den framgångsrika implementeringen av torrformningsteknik, tillsammans med optimerad materialval och barriärbeläggningar, möjliggjorde att väsentligt minska den miljömässiga påverkan av förpackningar. Genom att ersätta traditionell plast med biobaserade alternativ, har projektet bidragit till en förändring i förpackningsproduktionen, vilket visar att hållbara förpackningar kan fungera på industriell skala, särskilt inom sektorer som livsmedel och kosmetika.

Samarbete: Projektet främjade starka partnerskap mellan industrin, inklusive varumärkesägare och förpackningsproducenter, samt forskningsinstitutioner. Dessa samarbeten var avgörande för att validera och skala upp teknologin för tillämpningar i verkliga livet. Industrins intressenter bekräftade den växande marknadsefterfrågan på hållbara förpackningslösningar, och deras medverkan har lagt grunden för fortsatt samarbete i kommersialiseringen av cellulosa-baserade alternativ. Vidare hjälpte projektets partnerskap till att hantera potentiella hinder, såsom godkännanden för kontakt med livsmedel, vilket underlättade smidigare övergångar till en bredare industriell implementering.

Nya värdekedjor: När projektet avslutas har det effektivt etablerat nya värdekedjor centrerade kring cirkulära förpackningslösningar. Dessa värdekedjor inkluderar intressenter från råvaruleverantörer till tillverkare, varumärkesägare och konsumenter, som alla arbetar tillsammans mot ett mer hållbart förpackningsekosystem. Integrationen av cirkulära designprinciper har främjat utvecklingen av komplementära tjänster, såsom livscykelanalyser och hållbarhetskonsultation, som kommer att fortsätta vara avgörande för den pågående mottagandet av hållbara förpackningslösningar. Sammanfattningsvis har projektet framgångsrikt katalyserat betydande förändringar i värdekedjan, vilket skapat nya möjligheter för hållbar teknik, samarbete och biobaserade material. Projektet markerar ett stort steg i utvecklingen av hållbara förpackningslösningar, vilket bidrar till nya affärsverksamheter och etableringen av ett mer hållbart förpackningsekosystem för framtiden.

Samhälleliga förutsättningar

De samhälleliga förhållandena kring innovationen och dess värdekedja har formats av politiska, regulatoriska och marknadsdynamiska faktorer. Dessa förhållanden påverkar den bredare användningen av hållbara innovationer, såsom cellulosa-baserade förpackningsalternativ och bioekonomi i stort. Men även om det finns starka drivkrafter mot hållbarhet, kvarstår flera samhälleliga hinder som utmanar tillväxten av bioekonomisektorer, inklusive förpackningsindustrin.

1. Politiska och regulatoriska förhållanden: Regeringar globalt blir alltmer engagerade i att främja hållbarhetsagendor genom striktare miljöregler, särskilt inom förpacknings- och avfallshanteringssektorerna. EU:s handlingsplan för cirkulär ekonomi och nationella politik i många regioner, driver på för en minskning av plastavfall och övergången till mer hållbara förpackningslösningar. Detta skapar en gynnsam politisk miljö för innovationer som cellulosa-baserade förpackningar.

Det finns fortfarande utmaningar kopplade till godkännande av kontakt med livsmedel och reglering av biobaserade material. Dessa regulativa hinder bromsar antagandet av biobaserade förpackningslösningar, eftersom det finns långa godkännandeprocesser för att säkerställa säkerhet och efterlevnad av livsmedelssäkerhetsstandarder. Bristen på standardiserade regleringar över olika marknader kan skapa förvirring och komplexitet, särskilt när man skalar upp innovationerna över flera regioner. Fragmenteringen av regelverk angående miljöpåverkan och prestanda hos alternativa material förblir en betydande utmaning för den globala marknadsacceptansen av bioekonomiinnovationer.

2. Marknadsförhållanden: Marknadsförhållandena blir allt mer gynnsamma för hållbara innovationer. Det finns en växande efterfrågan på miljövänliga alternativ till traditionell plastförpackning, drivet av miljömedvetenhet och konsumentpreferenser för hållbara produkter. Stora varumärkesägare och förpackningsproducenter står under press att anpassa sig till hållbarhetsmål, vilket skapar en marknadsmöjlighet för cellulosa-baserade lösningar. Men det finns fortfarande vissa marknadsbarriärer relaterade till kostnadskonkurrens. Även om cellulosa-baserade alternativ visar betydande miljöfördelar kan produktionskostnaderna vara högre än traditionell plastförpackning, särskilt i de tidiga kommersialiseringsstadierna. Denna prissättning kan hindra en bred marknadsantagande, särskilt för lågprisprodukter. Skalan av produktionen är avgörande, och det kräver fortsatt investering i infrastruktur och teknologier för att göra dessa material kostnadskonkurrerande med konventionella alternativ.

3. Samhälleliga hinder för bioekonomin: Trots den positiva dynamiken finns det samhälleliga hinder som kan hindra tillväxten av bioekonomin, särskilt i kontexten av hållbar förpackning. Konsumentvanor kvarstår som en betydande utmaning. Även om medvetenheten om hållbarhetsfrågor ökar, är många konsumenter fortfarande vana vid bekvämligheten med traditionell plastförpackning, och det finns en motvilja att ändra etablerade konsumtionsbeteenden, särskilt om nya produkter uppfattas som dyrare eller mindre bekväma. Infrastruktur och begränsningar i leveranskedjan utgör också utmaningar för bioekonomin. Antagandet av hållbara förpackningslösningar kräver betydande förändringar i befintliga produktionslinjer, återvinningssystem och infrastrukturer för avfallshantering.

Dessa förändringar innebär betydande investeringar i förväg, och i vissa regioner är den nödvändiga infrastrukturen för att återvinna cellulosabaserad förpackning inte fullt utvecklad. Dessutom är den politik gällande biobaserade material och modeller för cirkulär ekonomi inte helt samordnad i alla länder eller regioner. Olikartade policyramar, otillräckliga subventioner eller incitament, och bristen på tydliga vägar för att skala upp lösningar inom bioekonomi, gör att företag tvekar att investera i ny teknik. Därtill finns en utmaning i certifieringssystem för hållbarhet gällande biobaserade produkter, vilket kan komplicera kommersialiseringen, då företag och konsumenter letar efter pålitliga hållbarhetsmärkningar. Sammanfattningsvis är de samhälleliga förutsättningarna för innovationen och dess värdekedja alltmer gynnsamma, något som drivs framåt av ökat politiskt, regulatoriskt och marknadsmässigt stöd för hållbarhet.

Utmaningar kvarstår dock, särskilt kring regulatoriska hinder, kostnadskonkurrens, konsumentbeteende och den infrastruktur som behövs för att stödja en omfattande användning av biobaserade förpackningslösningar. För att övervinna dessa hinder är fortsatt samarbete mellan intressenter, investeringar i teknologiska framsteg och konsekvent politiskt stöd avgörande för framgången för bioekonomin.

Extern synlighet

Projektet har presenterats vid BioInnovations programkonferens 2023 och 2024. Resultaten från projektet har presenterats vid den internationella konferensen om pappersfysik (IPPC) 2024, Wuppertal, Tyskland, och den 19:e europeiska konferensen om materialens mekanik, Madrid, Spanien.

Nästa steg

Nästa steg för att föra resultaten av detta projekt till marknaden och ytterligare främja innovationen, kommer att fokusera på skalning, kommersialisering och fortsatt utveckling i linje med marknadens behov. Ett förslag för projektet ”Doktornätverk för att möjliggöra skalad produktion av hållbara naturliga fiberkomponenter (ENDURE)” har skickats in till EU-ansökan HORIZON-MSCA-2024-DN-01-01.