Teksti: Jenni Syvänne, Muovipoli Oy
Tampereen yliopistossa alkoi viime vuonna Suomen Akatemian rahoittama WoodBUG-projekti. Projektissa on tavoitteena kehittää prosessi, jolla voidaan tuottaa biomuovia sekä rasvahappoestereitä lignoselluloosahydrolysaatista. Projekti toteutetaan Tampereen yliopiston ja Chalmersin teknillisen korkeakoulun yhteistyönä. Juttua varten haastateltiin Suvi Santalaa Tampereen yliopistosta. Santala toimii yliopistonlehtorina ja vastaa projektin Suomessa toteutettavasta osuudesta.
Projektissa raaka-aineena käytetään puubiomassasta saatavaa lignoselluloosahydrolysaattia, jonka hyödyntäminen biotekniikan prosesseissa on toistaiseksi ollut haastavaa, koska tuottajamikrobit kestävät sen toksisia yhdisteitä huonosti. Lisäksi lignoselluloosahydrolysaatin sisältämää ligniiniä eivät esimerkiksi hiivat kykene hyödyntämään lainkaan. WoodBUG-projektissa ajatuksena on tehostaa puubiomassan kokonaisvaltaista hyödyntämistä.
Bakteerien ja hiivan avulla on tavoitteena valmistaa tehokkaasti biomuovin lähtöaineita. Tässä tapauksessa valmistettava lähtöaine tulee olemaan laktaatti, josta voidaan valmistaa polylaktidia (PLA). Kehitettävällä prosessilla saadaan ratkaistua samalla kertaa useampi ongelma. Laktaattia voidaan valmistaa kemiallisesti ja tähän löytyy valmiita, kaupallisia menetelmiä. Miksi sitten laktaattia kannattaa valmistaa kemiallisen menetelmän sijaan biologisesti? Kemiallisessa valmistuksessa on haastavaa saada tuotettua puhdasta ja juuri halutun tyyppistä laktaattia. Biologisessa valmistuksessa sen sijaan mikrobit voidaan ohjelmoida geneettisesti erittäin tarkasti tuottamaan juuri sen tyyppistä laktaattia kuin halutaan.
Laktaattia tuotetaan nykyisin paljon biologisesti maitohappobakteerien avulla, mutta tässä ongelmana on esimerkiksi se, että maitohappobakteerit eivät kestä matalia pH-arvoja ja niiden stressinkesto on suhteellisen heikko. Tämän vuoksi projektissa päädyttiin valitsemaan tuottajaksi hiiva, joka ei tosin tuota luonnostaan laktaattia. Jotta hiiva saadaan tuottamaan laktaattia, täytyy hiivaa muokata geneettisesti. Hiivan etuna maitohappobakteereihin verrattuna on se, että koko prosessi voidaan tehdä matalassa pH:ssa, joka tekee laktaatin puhdistamisesta huomattavasti helpompaa. Jos käytetään mikrobikantaa, joka ei kestä matalia pH-arvoja, tulee prosessiin lisätä neutraloivina agentteina kalsiumkarbonaattia tai kalsiumhydroksidia suuria määriä. Tästä aikaansaatavan kalsiumlaktaatin puhdistaminen on paljon haastavampaa. Kun näitä neutraloivia agentteja ei tarvita, saadaan prosessin kustannuksia matalammaksi.
Käytettyjen raaka-aineiden osalta on tärkeää, että ne ovat kestäviä, ympäristöystävällisiä sekä edullisia. Projektissa käytettävässä lignoselluloosahydrolysaatissa olevien myrkyllisten yhdisteiden vuoksi materiaali tarvitsee tyypillisesti runsaasti erilaisia esikäsittelyjä, jotka nostavat prosessoinnin kustannuksia. Laktaatin tuottaa varsinaisesti hiiva, mutta prosessiin lisätään spesifi bakteerikanta, jonka tehtävänä on syödä hydrolysaatista hiivalle myrkyllisiä yhdisteitä. Näin prosessin kannattavuutta saadaan parannettua ja nopeutettua, kun hydrolysaatista saadaan hiivalle paremmin sopivaa.
Bakteereilla on prosessissa toinenkin tehtävä, jossa ne tuottavat korkean myyntiarvon rasvahappoestereitä. Ajatuksena taustalla on, että lignoselluloosahydrolysaatista pystytään hyödyntämään kaikki hiili ja tämä myös tukee taloudellisesti laktaatin tuottamista. Laktaatti itsessään ei ole kovin korkean myyntiarvon raaka-aine, mutta tuottamalla samassa prosessissa sivujakeena korkean myyntiarvon rasvahappoestereitä, saadaan prosessin kannattavuutta parannettua. Prosessissa tuotettavia rasvahappoestereitä voidaan käyttää esimerkiksi lääkeyhdisteissä, kosmetiikassa tai erilaisina voiteluaineina.
Lopuksi, kun hiiva on tuottanut laktaatin, hiivakannalle tapahtuu ohjelmoitu solukuolema. Prosessin alussa käytetyt bakteerit pystyvät vielä lopuksi hyödyntämään hiivojen solukuoleman jälkeen jäljelle jääneen hiivabiomassan. Tästä saadaan tehtyä vielä lisää korkean myyntiarvon rasvahappoestereitä.
Kaiken kaikkiaan tavoitteena on, että saadaan hyödynnettyä mahdollisimman tarkasti paitsi raaka-aineena käytettävä puubiomassa, myös kaikki prosessissa syntyvä hiivabiomassa. Lopputuloksena pitäisi olla hyvin resurssitehokas prosessi, jonka lopputuotteena on biomuovien valmistuksen raaka-ainetta, laktaattia, sekä korkean myyntiarvon rasvahappoestereitä.
Projektissa Tampereen yliopisto keskittyy sopivan bakteerikannan kehittämiseen ja Chalmersin teknillisessä korkeakoulussa Ruotsissa rakennetaan tarvittavaa hiivakantaa. Pilottikokeet laktaatin ja rasvahappoestereiden tuottamiseksi tulevat sijoittumaan kaksivuotisen projektin aivan loppuvaiheille. Varsinaiseen biomuovin valmistukseen yhteistyökumppani löytyy Intiasta. Toiveena on, että projektilla saadaan luotua hyvät työkalut jatkokehitystä varten.
Lisätietoja projektista:
Suvi Santala, yliopistonlehtori
Tampereen yliopisto
suvi.santala@tuni.fi
