Saimme kuulla VTT:n tutkija Jenni Rahikaisen (MMT) mainion ja havainnollisen esitelmän ”Selluloosatutkimuksen tuoreimmat suuntaukset Suomessa ja Japanissa” viime vuoden viimeisessä tiedeillassa 12.12.2016.
Käsitteitä
Selluloosatutkimuksesta puhuttaessa on hyvä avata muutamia käsitteitä. Selluloosakuidun rakenne ja mittasuhteet käyvät esiin oheisista kuvista. Kuvassa 1 on valomikroskooppikuva pitkistä havupuukuiduista ja kuvassa 2 on tarkempi kuvaus yksittäisen kuidun rakenteesta. Puukuidun seinämä on mikrofibrillikimppujen muodostama kerrostunut rakenne, jossa mikrofibrillit pakkautuvat kimpuiksi. Kemiallisessa mielessä selluloosa on glukoosisokerista muodostunut polymeeri, jonka pystyy myös pilkkomaan sokeriyksiköiksi mm. luonnosta saatavilla entsyymeillä.
Nanoselluloosa on selluloosasta hajotettua materiaalia, jossa selluloosa on puukuidusta pilkottu mikrofibrillitasolle. Vedessä nanoselluloosa muodostaa geelimäisen rakenteen.
Selluloosan muokkaukseen ja hajotukseen soveltuvia tekniikoita ovat mm. ioninestetekniikka ja entsymaattinen käsittely.
Miksi Suomessa ja maailmalla ollaan kiinnostuneita selluloosan hyödyntämisestä?
Suomalainen metsä voi olla tulevaisuuden öljylähde – tarvitsemiemme materiaalien, tekstiilien, kemikaalien sekä polttoaineiden keskeinen raaka-aine. Puukuitujen selluloosa mielletään perinteisesti erilaisten paperien ja pakkauksien raaka-aineeksi, vaikka selluloosa soveltuu myös lukuisiin muihin käyttötarkoituksiin. Selluloosa on biohajoava sekä uusiutuva materiaali, minkä vuoksi sen tehokkaampi hyödyntäminen erilaisten materiaalien ja kemikaalien lähtöraaka-aineena houkuttelee. Suomen viennistä n. 20 % on metsäteollisuuden tuotteita ja siitä suurin osa on ns. matalamman jalostustason tuotteita kuten sellumassaa, jota kuljetetaan muualle jatkojalostusta varten. Suomen metsäteollisuuden tulevaisuuden työpaikkojen ja metsäbiomassan jalostusarvon vuoksi maamme tulisi tähdätä lisäämään korkeamman jalostusarvon tuotteiden tuotantoa Suomessa.
Selluloosaa käsittelemällä ja muokkaamalla saadaan aikaan materiaaleja, joilla voi korvata vaikkapa muovin pakkausmateriaalina, tehdä korkean jalostusasteen tuotteita esimerkiksi elintarvike-, tekstiili, lääke- ja kosmetiikkasovelluksiin. Uudentyyppiset selluloosan muokkaus- ja prosessointimenetelmät, kuten nanoselluloosan valmistus tai kemiallisesti muokatut selluloosatyypit, mahdollistavat uusien hyödyllisten ominaisuuksien tuomisen osaksi tätä uusiutuvaa raaka-ainetta ja laajentavat näin sen käyttöpotentiaalia perinteisistä paperi- ja kuitutuotteista laajemmalle.
Esimerkiksi puukuitujen tekstiilikäytön edistämisen ympärillä on nykyisin runsaasti tutkimusta Suomessa. Mainittakoon Helsingin yliopistossa ja Aalto-yliopistossa kehitetty selluloosan liuotusmenetelmää ioninestetekniikalla hyödyntävä prosessi (Ioncell-F), jolla selluloosa saadaan liuotettua ja kehrättyä tekstiilikäyttöön soveltuvaksi langaksi.
Jos selluloosakuitu ei syystä tai toisesta kelpaa enää korkeamman jalostusarvon tuotteeksi, sen sisältämät molekyylit voidaan hyödyntää polttoaine- tai energiatuotannossa. Miksi siis polttaa neitseellistä puuta sellaisenaan muualla kuin kesämökillä. Sahajauhostakin voi tehdä polttoaineeseen sopivaa etanolia, kuten ST1 suunnittelee tekevänsä Kajaanissa. Polttoaineen etanolia ei ole pakko tehdä Etelä-Amerikasta tuodusta maissista.
Miksi juuri Japani?
Japani on Suomen ohella maa, jossa selluloosatutkimukseen on panostettu jo pitkään ja Japanissa toimii yrityksiä, jotka hyödyntävät selluloosatutkimuksen uusimpia suuntauksia. Japanissa ollaan erityisen pitkällä tutkimusmenetelmissä ja siellä on käytössä erikoislaitteita, joita on vain muutamissa paikoissa maailmassa. Laitteista mainittakoon atomivoimamikroskooppi (AFM), erityisesti high-speed atomic force microscopy (HS-AFM), jolla voi tutkia nanotason ilmiöitä. Esimerkiksi selluloosaa hajottavien entsyymien toiminnasta on pystytty HS-AFM menetelmän avulla kuvaamaan videoita.
Illan esiintyjämme Jenni Rahikainen vieraili puoli vuotta Japanissa, Tokion yliopistossa tutkimassa selluloosaa hajottavien entsyymien toimintaa HS-AFM-mikroskopian avulla. Selluloosaa hajottavia entsyymejä pystytään hyödyntämään prosesseissa, joilla tuotetaan vaikkapa polttoaineeksi sopivaa etanolia selluloosasta. VTT:llä on ollut pitkään yhteistyötä Tokion yliopiston Forest Chemistry Laboratoryn kanssa, missä selluloosaa hajottavien ja muokkaavien entsyymien tutkimus on korkeatasoista. VTT:llä on tällä hetkellä TEKESin rahoittama FiDiPro-professuuri, jonka myötä huippututkija Kiyohiko Igarashi viettää osan vuodesta seuraten ja ohjaten suomalaista tukimusta.
Tokion yliopistossa on myös kehitetty mielenkiintoinen nanoselluloosan valmistusmenetelmä professori Akira Isogain johdolla. Vuonna 2016 Akira Isogaille myönnettiin tekniikan kunniatohtorin arvonimi suomalaisesta Aalto-yliopistosta. Profes- sori Isogain menetelmä perustuu selluloosan kemialliseen muokkaukseen ja sen avulla selluloosan mikrofibrillit saadaan erottumaan toisistaan tehokkaasti, jolloin ne ovat hyödynnettävissä esimerkiksi vaativiin materiaalisovelluksiin.
Haluatko tietää enemmän?
MTT Jenni Rahikainen ja Marja Penttilä