Puu taipuu moneksi – vaatteita, nanomuovien kaappausta ja aurinkoenergiaa

Uutinen 10.6.2020 klo 16.56
Tulevaisuuden monipuolisin raaka-aine? © Teemu Helonheimo

Maaliskuun alussa 2020 järjestettiin biotalouspäivä Otaniemessä. FinnCERES-osaamiskeskuksen järjestämässä tapahtumassa puhujilla oli yhteisenä teemana puun sisältämien yhdisteiden hyödyntäminen monessa tarkoituksessa. Puun selluloosalla, hemiselluloosalla ja ligniinillä on mahdollista korvata fossiilisia petrokemiallisia raaka-aineita, mutta myös jalometalleja. Tutkimusta asian saralta on paljon, mutta lisää kaivataan, jotta biopohjaisten tuotteiden kirjo kasvaisi ja ominaisuudet paranisivat.

Biotuotteiden jalostusaste korkeammalle – tulevaisuuden utopiana biokiertotalous

FinnCERES-osaamiskeskuksen yhtenä toimijana on VTT, jonka varatoimitusjohtaja Jussi Manninen kertoi Suomen biotalouden mahdollisuuksista ja tulevaisuudesta, sekä myös ongelmista, jos kiertotaloutta ei oteta normaalin toiminnan perustaksi. Hän mainitsee metsälle olevan useita käyttötarkoituksia ja, että on tärkeää valita oikein.

Metsää kun voidaan käyttää ainakin hiilinieluna, uusiutuvan raaka-aineen lähteenä ja virkistäytymiseen. Raaka-aineena käytetyn puuaineksen sisältämän hiilen sitominen syntyneisiin tuotteisiin tulisi olla mahdollisimman pitkäaikaista, jotta hiilen kierto ilmakehään hidastuisi. Mitä ikinä puusta siis valmistetaankaan, tulisi sen olla kestävää, hiiltä pitkäksi aikaa sitovaa ja jalostusarvolta korkeaa. Biomateriaaleilla on jopa ominaisuuksia, joita ei epäorgaanisilla materiaaleilla ole. Kaikki materiaalit, myös biopohjaiset, tulisi saada kiertämään, jotta niitä olisi riittävästi myös tulevaisuudessa.

Maailman väestö kasvaa nopeasti, kuinka saamme raaka-aineet ja ruoan riittämään kymmenelle miljardille ihmiselle muutaman vuosikymmenen kuluttua? Biologian parempi hyödyntäminen näihin prosesseihin olisi järkevää. Tutkimusprofessori Tekla Tammelin VTT:ltä ja professori Orlando Rojas kertoivat solutason tehtaista, jotka ovat mahdollisia raaka-aineiden tuottajia tulevaisuudessa, jos tutkimukseen ja innovaatioon panostetaan. Näin voitaisiin myös valmistaa mm. proteiineja, jos uusiutuvaa energiaa on saatavilla tarpeeksi ja edullisesti. Bakteerit voitaisiin valjastaa tuottamaan selluloosaa missä vain – vaikka avaruudessa!

Suomella on mahdollisuudet nousta biotalousalan huipulle ja haalia parhaat asiantuntijat maailmasta, jos sille linjalle pyritään. Tutkimustulokset tulisi saada suuren mittakaavan käyttöön mahdollisimman nopeasti toimimalla yhteistyössä bioalan yritysten kanssa. Kuulostaa paremmalta, kuin nykyinen business as usual -vaihtoehto, jossa tuotanto kohdistuu lähinnä lyhytkestoisiin selluloosapohjaisiin tuotteisiin, kuten erilaisiin paperi- ja kartonkituotteisiin.

Tutkimukset selvittivät yllättäviä käyttökohteita

Kati Miettunen Aalto-yliopistolta kertoi aurinkopaneelien ja energian varastointia koskevan tutkimuksen löydöksistä. Uusiutuvien energioiden hyödyntämiseen vaaditaan arvokkaita raaka-aineita, muun muassa jalometalleja. Materiaaleja vastaavilla tai paremmilla ominaisuuksilla on mahdollista tuottaa vähäarvoisista orgaanisista raaka-aineista. Esimerkkinä orgaanisesta materiaalista tuotettu aktiivihiili omaa moninkertaisen reaktiopinta-alan fossiiliseen vastineensa verrattuna. Tämä mahdollistaa suuremman energianvarastointikapasiteetin superkondensaattoreita ja ohuempia katodeja väriherkistettyihin aurinkokennoihin (DSC), jotka ehkä tulevaisuudessa syrjäyttävät nykyiset piipohjaiset aurinkokennot.

Ilona Leppänen VTT:ltä kertoi mikro- ja nanomuovipartikkelien haitoista ja kulkeutumisesta ravintoketjussa niihin sitoutuneine haitta-aineineen. Nanoselluloosafibriileillä (CNF) on suuri potentiaali jäteveden puhdistamisessa muovipartikkeleista niiden hygroskooppisuuden ja nano-kokoluokan huokosten takia. Aineen adsorptiokyky muovipartikkeleille on erinomainen muun muassa sen amfifiilisen (sekä hydrofobinen että hydrofiilinen) luonteensa, manipuloitavan pintakemiansa ja kolloidirakenteensa ansiosta. Testeissä on todettu sen olevan huomattavasti parempi tässä käyttötarkoituksessa kuin polystyreeninen vastine. Nanoselluloosaa voisi käyttää jätevedenpuhdistamoiden yhteydessä muovipartikkelien poistoon ennen puhdistetun jäteveden johtamista vesistöön.

Ville Rissanen VTT:ltä luennoi nanoselluloosan käyttökohteista ja erityisesti yhteyttämismikrobien kasvualustana. Suurin osa materiaaleista tulee uusiutumattomista lähteistä, biotalous voisi auttaa siirtymässä kiertotalouteen. Mikroleviä ja nanoselluloosaa yhdistämällä voidaan rakentaa kasveja imitoivia solutehtaita, joissa on mahdollista valmistaa melkein mitä vain orgaanista yhdistettä tai vetyä auringonvalon, hiilidioksidin ja veden avulla. Ideana on pitää mikrolevät paikoillaan eri kerroksissa nanoselluloosan avulla ”lehdessä”, jonka eri kerroksissa voi olla erilaisten materiaalien valmistusta.

Herbert Sixta Aalto-yliopistolta kertoi biotuotantolaitoksien välttämättömyyden puolentoista asteen tavoitteen saavuttamiseksi. Tällä hetkellä biotehtaat tuottavat sellua, jonka saanti on maksimissaan 43 %. Jos muutkin jakeet käytettäisiin hyödyksi uuden teknologian avulla, olisi saanti yli 75 %. Uutena teknologiana esitetään puun fraktioimiseen orgaanisten liuottimien, muun muassa GVL:n (gamma-valerolaktoni), avulla. Tätä orgaanista liuotinta voidaan valmistaa sokereista ja sitä voidaan kierrättää prosessissa. Veteen sekoitettuna se on stabiili yhdiste ja sitä voidaan käyttää erottamaan puusta ligniiniä, xyloosia, furaaneja ja muita orgaanisia yhdisteitä. Lisätutkimuksia vaaditaan, sillä tämän menetelmän potentiaali on korkea.

Hannes Orelma VTT:ltä kertoi, kuinka jätevedenpuhdistamoilla on hankaluuksia puhdistaa hormonien jäänteet. Ehkäisypillerien hormonit ja karjataloudessa USA:ssa käytetyt hormonivalmisteet eivät hajoa luonnossa helposti, vaan päätyvät vesistöjen eliöihin. Tutkimuksessa selvitettiin selluloosapohjaisten materiaalien tehokkuutta hormonien poistamiseen jätevedestä. Huokoinen selluloosasta valmistettu kuitulanka soveltuu tarkoitukseen sen erittäin suuren pinta-alansa vuoksi.

Ali Harlin VTT:ltä sukelsi puheessaan selluloosapohjaiseen muoviin ja siihen, mitä muovi oikeastaan on. Muoviksi luokitellaan mikä vain synteettinen tai modifioitu polymeeri, joka ei esiinny luonnossa. Toisin sanoen tämän luokittelun perusteella myös biopohjaiset polymeerit ovat muoveja siinä missä perinteiset raakaöljystä jalostetut vastineet. Biomuoveilla on perinteisestä muovista poiketen mainioita ominaisuuksia mukaan lukien biohajoavuus, jota voidaan säätää materiaalivalinnoilla.

Biotalouden Start Up -ideat

Juha Salmela, Spinnova Oy:n teknologiajohtaja, kertoi selluloosan käytöstä kestävän kehityksen tekstiileihin. Perinteisen tekstiiliteollisuuden ongelmina ovat suuret ympäristövaikutukset jo alkaen puuvillan kasvatuksesta, joka vaatii runsasta kastelua. Tekstiilikäyttöön selluloosa taas saadaan joko puusta tai prosessitähteistä (mm. viljan ja riisin käsittely) ja se muokataan mekaanisesti sopivaksi ilman liuotusta. Tavoitteena on saavuttaa puuvillan ominaisuudet ja käyttömahdollisuudet, jotta selluloosakuidulla voitaisiin suoraan korvata puuvillaa sen nykyisissä käyttökohteissa. Tulevaisuuden tekstiiliteollisuuden tuotteiden tulisi olla kestäviä, kustannustehokkaita valmistaa ja suosituin vaihtoehto brändeille. Yritys on jo valmistanut tuotteita ja aikoo pilotoida teollisen mittakaavan tuotantoa piakkoin.

Teraloop Oy:n edustaja kertoi vauhtipyörien olevan hyvä vaihtoehto energian varastoimiseen ja huomautti akkuteknologioiden heikkouksista, muun muassa hinnasta, vaadittavista materiaaleista ja lataus-purku -syklien määrästä. Pyörimisenergian säilöminen magneettikentässä tyhjiössä pyörivässä vauhtipyörässä on varteenotettava vaihtoehto akuille. Itse vauhtipyörä valmistetaan hiilikuidusta, jota on mahdollista valmistaa ligniinistä tai biopohjaisista öljyistä.

Biomateriaalien vallankumous

World Bio Markets -tapahtuman toimitusjohtaja ja perustaja Alex Williamson esitteli tapahtuman näytteilleasettajayritysten innovaatioita ja biopohjaisia tuotteita. Puheessaan hän mainitsi, kuinka markkinoille tulee jatkuvasti uusia biopohjaisia ratkaisuja ja, että valistuneisuus perinteisten valmistusmenetelmien ja tuotteiden ympäristövaikutuksista on johtanut kulutustuotteiden satavuotisen kehityksen käännepisteeseen ja saanut yritykset kiinnostumaan biopohjaisista vastineista. Viherpesun sijaan yritykset kysyvätkin nyt apua alan asiantuntijoilta, jotta he voisivat vastata asiakkaiden vaatimuksiin. Esimerkkeinä biopohjaisista tuotteista on sokerituotannon sivuvirroista valmistettu mikrofibriiliselluloosa (jolle on lupaavia käyttötarkoituksia), maissitärkkelyksestä valmistettu kovetekomponentti pinnoitteille, sokerista valmistettu vaahto pakkauskäyttöön ja yleispuhdistusaine fermentoiduista sokereista ja kasviöljyistä.

Teksti: tutkija Teemu Helonheimo, Suomen ympäristökeskus SYKE