Muovien raaka-aineeksi soveltuvat polyhydroksyalkanoaatit (PHA) ovat bakteerien varastorasvoja, jotka ovat yleisimmin lyhytketjuisista (3-5 hiiltä), tai myös keskipitkistä (6-14 hiiltä) yksiköistä esterisidoksella muodostuneita polymeerejä. PHA:n fysikaaliset, kemialliset ja mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat paljon riippuen monomeerien koostumuksesta ja lisäksi ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisilla lisäaineilla. PHA:ta voidaan käyttää muoviseoksissa ja pinnoitemateriaaleissa. PHA:n tuotto-olosuhteiden ja PHA:sta tehtävien muovien kehitystyöhön panostetaan parhaillaan paljon maailmanlaajuisesti.
Tällä hetkellä PHA:ta tuotetaan yleisimmin Gram-negatiivisten tai Gram-positiivisten bakteerien puhdasviljelmillä fosforin tai typen rajoittaessa kasvua. Sopivia raaka-aineita PHA:n tuottoon ovat mm. rasvat ja öljyt, hiilivedyt, orgaaniset hapot, alkoholit, sekä erilaiset sokerit ja niiden polymeerit, kuten tärkkelys, selluloosa ja hemiselluloosa. Koska kaupallinen PHA:n tuotto perustuu vielä hyvin paljon elintarvikepohjaisiin raaka-aineisiin, on tarve pyrkiä jätehiilen käyttöön muovien raaka-aineena. PHA:t voidaan myös kierrättää prosessiin takaisin hiililähteeksi, koska ne ovat biohajoavia.
Erityisesti jätevesipuhdistamoiden aktiivilietteelle on kehitetty neljävaiheinen PHA:n pilot-mittakaavan tuottoprosessi käyttäen mikrobisekaviljelmiä. Aluksi orgaaninen biomassa hydrolysoidaan haihtuviksi orgaanisiksi rasvahapoiksi (VFA), yleisimmin muurahais-, etikka-, propioni-, voi- ja valeriinihapoiksi. Vastaavasti bioetanolin ja biokaasun tuotossa biomassa hydrolysoidaan alussa. Seuraavassa bioreaktorissa rikastetaan biomassaa, jolla on potentiaalia kerätä PHA:ta solunsisäiseksi varastorasvaksi. Biomassa siirretään kolmanteen bioreaktoriin, jossa VFA:n hiili kerätään biomassaan PHA:na. Prosessin viimeisessä vaiheessa PHA kerätään talteen biomassasta yleisimmin uuttamalla.
On arvioitu, että teollisten tuotantoprosessien kehittyessä PHA:n hinta tulee kilpailukykyiseksi perinteisille muovituotteille. Vuonna 2014 PHA:n markkinahinnaksi on arvoitu 4-5 euroa/kg, josta 40-50 % on raaka-ainekustannuksia. Jos PHA:n tuotannossa pystytään käyttämään jätemateriaalia ja sekaviljelmiä, jotka ovat valikoituneet optimaalisiksi kyseisiin olosuhteisiin vastaavasti kuin biokaasun tuotossa, saadaan varmasti säästöä myös kustannuksista, jotka liittyvät puhdasviljelmien kasvatukseen steriloiduilla ravinteilla steriloidussa bioreaktorissa. Vuonna 2016 PHA:ta tuotettiin vielä vähän, kuitenkin yli 80 000 tonnia ja tuotantoa ollaan lisäämässä.
BIOSYKLI-yhteishankkeessa Päijät-Hämeessä on tavoitteena kehittää pilot-mittakaavan bioreaktorit jätevesilietteen hiilen hyödyntämiseksi PHA:n raaka-aineena. Heti hankkeen alkaessa todettiin, että biokaasun tuoton jälkeisessä lietteessä epäorgaanisten aineiden rikastuminen rajoittaa biologista tuottoprosessia ja tuoton loppuessa hiiltä on vielä jäljellä lähes puolet biomassasta (Kouzi ym., 2020). Sama ilmiö voidaan havaita PHA:n tuotossa aktiivilietteestä, sillä parhaimmat saannot ovat luokkaa 0,4 g PHA:ta/g haihtuvia kiintoaineita (Morgan-Sagastume ym 2015). Näin ollen korkean orgaanisen aineen aktiivilietteille ja biokaasun tuoton jälkeiselle alhaisemman orgaanisen aineen lietteelle tarvitaan mikrobikoostumukseltaan erilaiset bioreaktorit kaikkiin PHA:n tuoton vaiheisiin.
Erityisesti biokaasun tuoton jälkeiselle lietteelle tarvittaisiin uusia käyttökohteita, sillä sitä ei voi enää käyttää lannoitteena mahdollisten haitta-aineiden takia. Vastaavia 10-40 % orgaanisen aineen jätemateriaaleja on paljon, ne eivät ole taloudellisesti kannattavia polttaa, eikä niitä saa läjittää kaatopaikalle liian korkean hiilipitoisuuden takia. Mahdollisuudella kerätä nämä hiilifraktiot talteen muovin raaka-aineeksi olisi paljon hyödyllisiä vaikutuksia. Muoveista saataisiin hiilinieluja ja samalla pystyttäisiin siirtymään muovituotteissa fossiilisen hiilen käytöstä nykyisten hiilivarojen kierrätykseen, jotka molemmat lievittäisivät ilmastonmuutokseen liittyviä ongelmia. Biohajoavat muoviraaka-aineet pienentäisivät muoveihin liittyviä ympäristöongelmia. Lisäksi kiertotalouden tuotevalikoima monipuolistuisi, ja kannattavuus ilmeisimmin paranisi, sillä muovien tämänhetkisen yli 360 miljoonan tonnin vuotuisen tuoton siirtäminen bioperäisiin raaka-aineisiin tulee luomaan paljon uutta liiketoimintaa.
Kouzi AI, Puranen M, Kontro MH. 2020. Evaluation of the factors limiting biogas production in full-scale processes and increasing the biogas production efficiency. Environmental Science and Pollution Research 27, 28155-28168.
Morgan-Sagastume F, Hjort M, Cirne D, Gérardin F, Lacroix S, Gaval G, Karabegovic L, Alexandersson T, Johansson P, Karlsson A, Bengtsson S, Arcos-Hernández MV, Magnusson P, Werker A. 2015. Integrated production of polyhydroxyalkanotates (PHAs) with municipal wastewater and sludge treatment at pilot scale. Bioresource Technology 181, 78-89.
Kirjoittaja Merja Kontro (TkT) työskentelee ympäristöbiotekniikan yliopistolehtorina Helsingin yliopiston Ekosysteemit ja ympäristö tutkimusohjelmassa. Hänen erikoisalaansa on turvallinen veden- ja jätteenkäsittely, pilaantuneen ympäristön kunnostaminen, sekä niihin liittyvien tuotteiden kehittäminen.
