Puusta uutta

Monipuolisesta raaka-aineesta kehitetään taipuisia aurinkokennoja, keinoihoa ja hajoavia muoveja.

Maailman väestön kasvaessa ja keskimääräisen varallisuuden lisääntyessä on kiinnitettävä aiempaa enemmän huomiota siihen, mistä raaka-aineista ja millä tavoin materiaalit sekä tuotteet valmistetaan tulevaisuudessa. Uusiutumattomien luonnonvarojen, kuten raakaöljyn, käyttöä on vähennettävä ja paljon resursseja kuluttavia prosesseja, kuten puuvillan sekä alumiinin tuotanto, on korvattava vähemmän resursseja vaativilla prosesseilla. Suomessa yhtenä ratkaisuna nähdään metsään perustuva biotalous. Puu, ja muu kasvibiomassa, on uusiutuvaa, kierrätettävää ja biohajoavaa, joten viime aikoina on alettu kiinnittää huomiota puun hyödyntämiseen aiempaa monipuolisemmin ja tehokkaammin.

Yksi esimerkki ajattelutavan muutoksesta on Aalto-yliopiston Biotuotteiden ja biotekniikan laitoksen (Bio2) perustaminen vuonna 2017. Uusi laitos perustettiin yhdistämällä Puunjalostustekniikan laitos ja biokemian, mikrobiologian sekä biotekniikan alojen tutkimusryhmät, mikä toi tutkijat yhteen kehittämään uusia keinoja hyödyntää puuta. Bio2:n tavoitteena on luoda yhteistyössä yritys- ja yliopistokumppanien kanssa ratkaisuja, jotka mahdollistavat yhteiskunnan siirtymisen kestävään biotalouteen uusiutuvia luonnonvaroja hyödyntäen.

Monipuolinen raaka-aine

Puu koostuu kolmesta pääkomponentista: selluloosasta, hemiselluloosista ja ligniinistä. Selluloosaa puun kuivamassasta on noin puolet. Se on lineaarinen, D-glukoosista muodostuva polysakkaridi ja yleisin luonnossa esiintyvä polymeeri. Selluloosan ansiosta puu on kestävää. Hemiselluloosat puolestaan ovat useista polysakkarideista, kuten ksylaanista ja glukomannaanista, koostuva ryhmä heteropolymeerejä, jotka ovat selluloosaa lyhyempiä ja haaroittuneita. Niiden määrä suhteessa toisiinsa sekä kokonaismäärä riippuvat puulajista. Hemiselluloosat hydrolysoituvat helposti happojen, emästen ja entsyymien vaikutuksesta. Ligniiniksi kutsutaan joukkoa fenolisia, haaroittuneita polymeerejä, jotka muodostavat vahvoja sidoksia selluloosan ja hemiselluloosien kanssa. Ligniiniä puussa on puulajista riippuen yhdestä viidesosasta yhteen kolmasosaan puun kuivamassasta ja se onkin selluloosan jälkeen toiseksi yleisin luonnossa esiintyvä polymeeri. Puun rakenteessa hemiselluloosat ja ligniini sijaitsevat selluloosan muodostamien fibrillien välissä toimien kuitujen sidosaineena tehden puun soluseinästä joustavamman.

Puun hyödyntäminen raaka-aineena perustuu selluloosan, hemiselluloosien ja ligniinin erottamiseen toisistaan. Tämä tapahtuu perinteisesti sellutehtaalla. Ensiksi puu kuoritaan sekä hakataan lastuiksi. Sen jälkeen lastut keitetään joko alkalisissa tai happamissa olosuhteissa. Keiton tarkoituksena on hajottaa ligniiniä ja hemiselluloosia sekä erottaa ne selluloosasta. Keitossa muodostuu sellua, joka koostuu pääosin selluloosasta ja josta valmistetaan kuivaamalla paperia tai kartonkia. Puusta erotetusta, ligniiniä ja hemiselluloosia sisältävästä liuoksesta eli mustalipeästä tuotetaan tyypillisesti energiaa polttamalla se sellutehtaalla. Perinteisten prosessien, paperinvalmistuksen ja energiantuotannon, ohella nämä monipuoliset luonnon polymeerit soveltuvat lähtöaineeksi hyvin monenlaisten tuotteiden valmistukseen.

Vaihtoehtoja viskoosille

Selluloosasta voidaan esimerkiksi valmistaa tekstiilikuituja. Sinänsä tekstiilikuitujen valmistaminen puusta ei ole uusi idea, sillä “tekosilkkiä” valmistettiin selluloosasta jo 1880-luvulla. Nykyisin näitä kuituja kutsutaan selluloosamuuntokuiduiksi, ja markkinoita hallitsevat tällä hetkellä viskoosi- ja lyocell-kuidut (Tencel®). Kummankaan edellämainitun selluloosamuuntokuidun tuotanto ei kuitenkaan ole ongelmatonta. Viskoosiselluloosan tuotannossa käytetään erittäin myrkyllistä kemikaalia, rikkihiililtä (CS2), mikä aiheuttaa terveysriskin laitoksen työntekijöille sekä haittaa ympäristölle. Tencel®-kuitujen valmistus puolestaan perustuu NMMO-nimiseen amiinioksidiliuottimeen, jonka kemiallinen ja terminen epästabiilius aiheuttaa riskin vaaralliseen reaktion karkaamiseen. Maailman väestön kasvaessa myös tekstiilikuitujen kysyntä tulee kuitenkin kasvamaan tulevaisuudessa. Samaan aikaan esimerkiksi puuvillan tuotantoa ei voida lisätä, koska sen viljely kuluttaa runsaasti vettä, saastuttaa maaperää ja vie maa-alaa ruoan tuotannolta.

Yksi ratkaisu ongelmaan on valmistaa tekstiiliikuituja turvallisesti ja ympäristöystävällisesti selluloosasta Bio2:n professorin Herbert Sixtan ja Helsingin yliopiston professorin Ilkka Kilpeläisen tutkimusryhmien yhteistyössä kehittämällä Ioncell-F-teknologialla. Prosessissa selluloosa liuotetaan niin kutsuttuun ioniseen nesteeseen eli nestemäisessä muodossa olevaan suolaan (esimerkiksi 1,5-diatsabisyklo[4.3.0]non-5-eniumasetaatti). Liuotuksen jälkeen selluloosa kehrätään kuiduiksi. Ioncell-F-prosessissa ei käytetä haitallisia kemikaaleja, ja kuituja voidaan valmistaa sellun lisäksi esimerkiksi keräyspaperista sekä -kartongista ja tekstiilijätteestä. Lisäksi Ioncell-F-kuitujen kuituominaisuuksien on raportoitu olevan yhtä hyvät tai jopa paremmat kuin nykyisin selluloosasta valmistetuilla tekstiilikuiduilla.

Nanosellusta on moneksi

Selluloosaa voidaan hyödyntää raaka-aineena kuitujen lisäksi myös esimerkiksi hajottamalla se nanomittakaavan rakenteiksi, nanoselluloosaksi. Selluloosananomateriaalit jaetaan niiden valmistusmenetelmän, koon, muodon ja muiden ominaisuuksien perusteella kolmeen luokkaan: selluloosananofibrilleihin, selluloosananokiteisiin sekä luonnossa esiintyvään bakteerien valmistamaan nanoselluloosaan. Luonnossa selluloosa esiintyy kasvisolujen seinämissä, jotka koostuvat selluloosapolymeerien muodostamista kimpuista, fibrilleistä. Selluloosafibrillit puolestaan muodostuvat järjestäytyneistä, kiteisistä osista ja niiden välissä olevista vähemmän järjestäytyneistä, amorfisista osista.

Selluloosananofibrillejä voidaan valmistaa erottamalla selluloosafibrillit mekaanisesti jauhamalla sekä erilaisten mekaanisten, kemiallisten ja entsymaattisten esikäsittelyjen avulla esimerkiksi sellusta. Selluloosananokiteitä puolestaan valmistetaan hydrolysoimalla selluloosafibrillien amorfiset osat hapon avulla, jolloin jäljelle jääviä pieniä kiteisiä ja hyvin järjestäytyneitä, muodoltaan sauvamaisia partikkeleita kutsutaan selluloosananokiteiksi. Veteen sekoitettuna nanoselluloosa muodostaa geelin, josta voidaan valmistaa edelleen muun muassa filmejä sekä kalvoja. Lisäksi selluloosananofibrillit ja -kiteet ovat kiinnostava vaihtoehto komposiittirakenteita vahvistavaksi materiaaliksi. Vaikka kyseessä onkin nanomittakaavan materiaali, tällä hetkellä vallitsevan tiedon mukaan nanoselluloosan valmistus ja käyttö on turvallista.

Nanoselluloosan uniikkien mekaanisten, optisten, kemiallisten ja reologisten ominaisuuksien vuoksi sitä tutkitaan nykyään erittäin paljon hyödynnettäväksi monenlaisissa sovelluksissa biolääketieteestä elintarviketekniikkaan ja elektroniikasta jätevedenpuhdistukseen. Esimerkiksi professori Jouni Paltakarin ryhmässä tutkitaan taipuisia aurinkokennoja printtaamalla valoon reagoiva pintakerros nanoselluloosakalvon päälle. Itse nanoselluloosa on inerttiä, mutta sen pintaa voidaan muokata lisäämällä siihen haluttua funktionaalisuutta. Professori Orlando Rojaksen ja professori Päivi Laaksosen ryhmät tutkivat nanoselluloosan käyttöä lääketieteellisissä sovelluksissa liittämällä nanoselluloosan pintaan bioaktiivisia molekyylejä. Myrkyttömyytensä ja korkean stabiilisuutensa vuoksi nanoselluloosasta voidaan tulevaisuudessa valmistaa esimerkiksi keinotekoisia verisuonia ja keinoihoa tai sitä voidaan käyttää lääketieteen analytiikassa tai erilaisten sairauksien hoitoon luovuttamaan lääkemolekyylejä paikallisesti siellä missä niitä tarvitaan.

Ligniiniliimaa ja syöpähoitoja

Monimuotoisena luonnon polymeerinä myös ligniini soveltuu raaka-aineeksi erilaisten tuotteiden valmistukseen. Viime aikoina kiinnostus ligniiniä kohtaan onkin kasvanut merkittävästi, ja nykyään ligniiniä tuotetaan jo teollisessa mittakaavassa. Ligniiniä voidaan käyttää sellaisenaan esimerkiksi teiden rakennuksessa sideaineena sekä dispergointiaineena vaikkapa sementin valmistuksessa. Lisäksi aromaattisena yhdisteenä sitä voidaan käyttää korvaamaan petrokemian tuotteita, kuten fenoleja hartseissa ja liimoissa. Ligniinistä voidaan valmistaa myös muita aromaattisia yhdisteitä, kuten vanilliinia, sekä nestemäisiä polttoaineita ja sitä voidaan hyödyntää raaka-aineena biohajoavien muovien tuotannossa.

Professori Monica Österbergin tutkimusryhmässä on kehitetty menetelmä, jolla voidaan valmistaa ligniininanopartikkeleita esimerkiksi käytettäväksi stabilointi- tai sidosaineina. Professori Mauri Kostiainen tutkii Helsingin yliopiston professori Helder Santoksen kanssa ligniininanopartikkelien käyttämistä syöpälääkkeiden kuljettamiseen syöpäsoluille. On mahdollista, että ligniiniä käytetään tulevaisuudessa myös esimerkiksi tekstiiliteollisuudessa luonnollisina väriaineina tai kevyiden ja kestävien hiilikuitukomposiittien valmistuksessa vaikkapa auto- tai lentoteollisuudessa.

Uusia ratkaisuja yhteistyöstä

Uusia tuotteita kehitetään myös CHEMARTS:ssa, joka on pitkän aikavälin yhteistyöhanke Aalto-yliopiston Kemiantekniikan korkeakoulun (CHEM) sekä Taiteiden ja suunnittelun korkeakoulun (ARTS) välillä. CHEMARTS tuo biomateriaalien sekä muotoilun opiskelijat yhteen ideoimaan ja luomaan uutta biomaateriaaleista Tapani Vuorisen ja Pirjo Kääriäisen johdolla. Ajatuksena on, että opiskelijoille ei tarjota valmiita ongelmia ratkaistavaksi, vaan liikkeelle lähdetään työskentelyn kautta, eli opiskelijat pääsevät työstämään omia ideoitaan sekä hyödyntämään vahvuuksiaan yhteistyössä muiden opiskelijoiden kanssa. Viime vuoden CHEMARTS-kesäkoulussa opiskelijat suunnittelivat ja valmistivat esimerkiksi aurinkorasvaa kuusen kuoriuutteesta, biohajoavia lautasia cocktailpaloille pajun kuoresta sekä mehiläisvahasta ja tilanjakajia puuteollisuuden jätemateriaaleista. CHEMARTS on mukana myös useissa tutkimusprojekteissa, joiden tavoitteena on löytää uusia käyttökohteita selluloosapohjaisille materiaaleille.

Ihmiset ovat aina hyödyntäneet puuta ja kasveja monin eri tavoin, eikä puun sekä muiden lignoselluloosapohjaisten materiaalien käyttö tule vähentymään tulevaisuudessakaan. Päinvastoin, tulevaisuudessa talous tulee pohjautumaan aiempaa enemmän uusiutuviin raaka-aineisiin, kuten puuhun, ja niistä valmistettuihin tuotteisiin.

Teksti: Saija Väisänen ja Tapani Vuorinen

Artikkeli on julkaistu Naturan numerossa 3/2018