Hiilen kierto on keskeinen tutkimusaihe biotaloudessa, mutta se koskettaa myös materiaalitekniikkaa ja -tuotantoa. Maa- ja metsätalouteen liittyy monia vielä heikosti hyödynnettyjä materiaaleja ja jakeita, joista voidaan erottaa arvokkaita yhdisteitä ja raaka-aineita. Tässä kirjoituksessa luovutaan ennakkoluuloista ja pohditaan nautakarjan hyödyntämistä nanosellun tuottajana.
Kasvikuiduista saadaan nanoselluloosaa
Mikä puusta tekee hyvän raaka-aineen pitkäikäisiin tuotteisiin? Vastaus löytyy puulle ja muille kasveille rakenteen antavasta selluloosasta. Selluloosa on lukuisien sokerimolekyylien muodostama pitkänomainen ketju, joka muodostaa hyvin järjestäytyneitä ohuen ohuita säikeitä, nanoselluloosaa*. Nanoselluloosa puolestaan muodostaa paksumpia kimppuja, joista varsinaiset kasvikuidut muodostuvat. Kasvikuidun rakennetta voisi verrata köyden rakenteeseen. Jos alat purkaa katkaistun köyden päätä, huomaat, että sen säikeet muodostuvat ohuemmista, toisiinsa kietoutuneista säikeistä, jotka puolestaan ovat ohuempien säikeiden kierteisiä nippuja.
Nanoselluloosassa on hyvin kovia ja lujia kiteisiä kohtia sekä taipuisampia vähemmän järjestäytyneitä kohtia, mikä tekee niistä hyvin lujia, mutta myös sitkeitä, minkä ansiosta nanoselluloosa kestää taipumista ja muuta rasitusta naksahtamatta poikki. Nanoselluloosan kiteiset kohdat ovat lujuudeltaan suurin piirtein luotiliiveissä käytettävän Kevlarin luokkaa.
Tätä ei ehkä ajattele kulkiessaan puupinon tai risukasan ohitse tai nakatessaan halkoja takkaan. Mutta juuri näiden kuitujen ja kasvisolukon rakenteen ansiosta kasvibiomassa, kuten puu, on arvokasta ja pitkäikäistä materiaalia ja sen sisältämä nanomateriaali kiinnostavaa raaka-ainetta mm. fossiilisia muoveja korvaavissa materiaaleissa.
Nanosellun erottaminen kuiduista on työlästä
Kasvien kuidut ovat nanokomposiittimateriaaleja, joissa nanoselluloosa on pakattu ja liimattu napakasti yhteen. Jotta päästään käsiksi puhtaaseen nanoselluloosaan, on kuidut irrotettava komposiitista vaurioitumattomina. Sellukuidun purkamista nanofibrillitasolle hankaloittavat kuidun liima-aineet, jotka pitää poistaa, jotta nanosellu saadaan vapautettua. Nanoselluloosafibrillien irrottaminen toisistaan on työlästä, koska nanomittakaavan ja hierarkkisen rakenteen takia toisiinsa liimautuneiden nanofibrillien välinen pinta-ala on massiivinen. Pintojen toisistaan irrottaminen vaatiikin melkoisen paljon kemiallista ja mekaanista työtä. Nanoselluloosan valmistustapoja biomassasta on monia, ja niille on tyypillistä tasapainottelu taloudellisuuden ja lopputuotteen laadun välillä. Jos kuituja käsitellään liian rajuilla menetelmillä, ei jää jäljelle hyvää nanosellua, ja jos käsittely taas ei ole tarpeeksi kovaa, on lopputulos vain osittain nanomittakaavan materiaalia, eikä sillä ole nanoselluloosan huippuominaisuuksia.
Nanosellua maidon sivutuotteena
Nanoselluloosan irrottaminen puun tai muun kasvin kuidusta vaatii siis mekaanista ja kemiallista työtä eli aika paljon energiaa. Tässä kohtaa käännyimme luonnon puoleen ja pohdimme missä olisi luontaisesti olosuhteet, jotka tuottavat sekä hienontavaa, että liima-aineita liuottavaa käsittelyä. Harvemmat eläimet pystyvät hyödyntämään selluloosaa tehokkaasti ravinnoksi, mutta sen osittainen hajottaminen ruuansulatuksessa onnistuu märehtijöiltä, joilta löytyy sellun hajottamiseen erikoistuneita mikrobeja. Lisäksi lehmästä poistuva kuitumassa on käynyt läpi märehtimisen vaiheet, joissa erilaiset entsyymit ovat irrottaneet kuiduista liima-aineita, ja kuitumassa on kulkeutunut eri mahoista toiseen ja käynyt hampaiden jauhettavana. Lehmätkään eivät sulata ravinnokseen kuiduista kuin noin 60 %, eli varsin suuri osa niistä menee läpi ja nyt kysymys kuuluikin: ”Missä muodossa, kenties nanoselluloosana”? Uteliaisuus ajoikin meidät keräämään lehmien tuottamaa biomassaa Mustialan luomunavetasta sekä Äijälän tilalta ja tutkimaan sen sisältämää kasvimassaa. Toki lehmän lannalle on olemassa jo hyviä käyttökohteita sen sisältämien ravinteiden hyödyntämiseksi, mutta kuitujen mahdollisuuksia ei ole vielä hyödynnetty täysin.
Lehmän lannasta erotettu kuivajae seulottiin jakeisiin, joista hienoimmille tehtiin kemiallisia jatkokäsittelyjä selluloosananofibrillien talteen ottamiseksi. Pieniä ravintokasvien kappaleita sisältävää biomassaa pestiin emäksellä, jolloin liima-aineet poistuivat ja lopuksi se vielä valkaistiin. Tämän käsittelyn jälkeen lehmän lannasta oli jäljellä selluloosananofibrilleille tyypillistä vaaleaa geeliä (kts. kuva). Jatkotutkimuksia ja hyödyntämiskokeiluita vielä suunnitellaan, mutta vaikuttaa hyvin vahvasti siltä, että hypoteesimme lehmästä nanosellun tuottajana piti paikkaansa!
Kirjoittajat:
Päivi Laaksonen, tutkijayliopettaja, HAMK Tech
Ilpo Pölönen, tutkijayliopettaja, HAMK Bio
Roosa Helander, projekti-insinööri, HAMK Tech
Kirjoittajat toimivat Hämeen ammattikorkeakoulussa tutkijoina. Työ toteutettiin OKM:n rahoittamassa Carbon 4.0 -hankkeessa ja sen käytännön toteutukseen osallistuivat kirjoittajien lisäksi myös harjoittelija Janina Savela (HAMK Tech).
*Selluloosananofibrillit ovat nanoselluloosaa, jollaiseksi määritellään selluloosakuitu tai hiukkanen, jonka paksuus mitataan nanometreissä, eli metrin miljardisosissa. Nanoselluloosa käsittää myös muunkin muotoisia selluloosahiukkasia, mutta tässä kirjoituksessa käytetään yksinkertaisuuden vuoksi tätä sanaa tarkoittamaan ohutta ja taipuisaa, hiukan spagettimaista säiettä.
