Hiilen kierto on keskeinen tutkimusaihe biotaloudessa, mutta se koskettaa my\u00f6s materiaalitekniikkaa ja -tuotantoa. Maa- ja mets\u00e4talouteen liittyy monia viel\u00e4 heikosti hy\u00f6dynnettyj\u00e4 materiaaleja ja jakeita, joista voidaan erottaa arvokkaita yhdisteit\u00e4 ja raaka-aineita. T\u00e4ss\u00e4 kirjoituksessa luovutaan ennakkoluuloista ja pohditaan nautakarjan hy\u00f6dynt\u00e4mist\u00e4 nanosellun tuottajana.<\/p>\n
Kasvikuiduista saadaan nanoselluloosaa<\/h2>\n
Mik\u00e4 puusta tekee hyv\u00e4n raaka-aineen pitk\u00e4ik\u00e4isiin tuotteisiin? Vastaus l\u00f6ytyy puulle ja muille kasveille rakenteen antavasta selluloosasta. Selluloosa on lukuisien sokerimolekyylien muodostama pitk\u00e4nomainen ketju, joka muodostaa hyvin j\u00e4rjest\u00e4ytyneit\u00e4 ohuen ohuita s\u00e4ikeit\u00e4, nanoselluloosaa*. Nanoselluloosa puolestaan muodostaa paksumpia kimppuja, joista varsinaiset kasvikuidut muodostuvat. Kasvikuidun rakennetta voisi verrata k\u00f6yden rakenteeseen. Jos alat purkaa katkaistun k\u00f6yden p\u00e4\u00e4t\u00e4, huomaat, ett\u00e4 sen s\u00e4ikeet muodostuvat ohuemmista, toisiinsa kietoutuneista s\u00e4ikeist\u00e4, jotka puolestaan ovat ohuempien s\u00e4ikeiden kierteisi\u00e4 nippuja.<\/p>\n
Nanoselluloosassa on hyvin kovia ja lujia kiteisi\u00e4 kohtia sek\u00e4 taipuisampia v\u00e4hemm\u00e4n j\u00e4rjest\u00e4ytyneit\u00e4 kohtia, mik\u00e4 tekee niist\u00e4 hyvin lujia, mutta my\u00f6s sitkeit\u00e4, mink\u00e4 ansiosta nanoselluloosa kest\u00e4\u00e4 taipumista ja muuta rasitusta naksahtamatta poikki. Nanoselluloosan kiteiset kohdat ovat lujuudeltaan suurin piirtein luotiliiveiss\u00e4 k\u00e4ytett\u00e4v\u00e4n Kevlarin luokkaa.<\/p>\n
T\u00e4t\u00e4 ei ehk\u00e4 ajattele kulkiessaan puupinon tai risukasan ohitse tai nakatessaan halkoja takkaan. Mutta juuri n\u00e4iden kuitujen ja kasvisolukon rakenteen ansiosta kasvibiomassa, kuten puu, on arvokasta ja pitk\u00e4ik\u00e4ist\u00e4 materiaalia ja sen sis\u00e4lt\u00e4m\u00e4 nanomateriaali kiinnostavaa raaka-ainetta mm. fossiilisia muoveja korvaavissa materiaaleissa.<\/p>\n
Nanosellun erottaminen kuiduista on ty\u00f6l\u00e4st\u00e4<\/strong><\/h2>\n
Kasvien kuidut ovat nanokomposiittimateriaaleja, joissa nanoselluloosa on pakattu ja liimattu napakasti yhteen. Jotta p\u00e4\u00e4st\u00e4\u00e4n k\u00e4siksi puhtaaseen nanoselluloosaan, on kuidut irrotettava komposiitista vaurioitumattomina. Sellukuidun purkamista nanofibrillitasolle hankaloittavat kuidun liima-aineet, jotka pit\u00e4\u00e4 poistaa, jotta nanosellu saadaan vapautettua. Nanoselluloosafibrillien irrottaminen toisistaan on ty\u00f6l\u00e4st\u00e4, koska nanomittakaavan ja hierarkkisen rakenteen takia toisiinsa liimautuneiden nanofibrillien v\u00e4linen pinta-ala on massiivinen. Pintojen toisistaan irrottaminen vaatiikin melkoisen paljon kemiallista ja mekaanista ty\u00f6t\u00e4. Nanoselluloosan valmistustapoja biomassasta on monia, ja niille on tyypillist\u00e4 tasapainottelu taloudellisuuden ja lopputuotteen laadun v\u00e4lill\u00e4. Jos kuituja k\u00e4sitell\u00e4\u00e4n liian rajuilla menetelmill\u00e4, ei j\u00e4\u00e4 j\u00e4ljelle hyv\u00e4\u00e4 nanosellua, ja jos k\u00e4sittely taas ei ole tarpeeksi kovaa, on lopputulos vain osittain nanomittakaavan materiaalia, eik\u00e4 sill\u00e4 ole nanoselluloosan huippuominaisuuksia.<\/p>\n
Nanosellua maidon sivutuotteena<\/strong><\/h2>\n
Nanoselluloosan irrottaminen puun tai muun kasvin kuidusta vaatii siis mekaanista ja kemiallista ty\u00f6t\u00e4 eli aika paljon energiaa. T\u00e4ss\u00e4 kohtaa k\u00e4\u00e4nnyimme luonnon puoleen ja pohdimme miss\u00e4 olisi luontaisesti olosuhteet, jotka tuottavat sek\u00e4 hienontavaa, ett\u00e4 liima-aineita liuottavaa k\u00e4sittely\u00e4. Harvemmat el\u00e4imet pystyv\u00e4t hy\u00f6dynt\u00e4m\u00e4\u00e4n selluloosaa tehokkaasti ravinnoksi, mutta sen osittainen hajottaminen ruuansulatuksessa onnistuu m\u00e4rehtij\u00f6ilt\u00e4, joilta l\u00f6ytyy sellun hajottamiseen erikoistuneita mikrobeja. Lis\u00e4ksi lehm\u00e4st\u00e4 poistuva kuitumassa on k\u00e4ynyt l\u00e4pi m\u00e4rehtimisen vaiheet, joissa erilaiset entsyymit ovat irrottaneet kuiduista liima-aineita, ja kuitumassa on kulkeutunut eri mahoista toiseen ja k\u00e4ynyt hampaiden jauhettavana. Lehm\u00e4tk\u00e4\u00e4n eiv\u00e4t sulata ravinnokseen kuiduista kuin noin 60 %, eli varsin suuri osa niist\u00e4 menee l\u00e4pi ja nyt kysymys kuuluikin: \u201dMiss\u00e4 muodossa, kenties nanoselluloosana\u201d? \u00a0Uteliaisuus ajoikin meid\u00e4t ker\u00e4\u00e4m\u00e4\u00e4n lehmien tuottamaa biomassaa Mustialan luomunavetasta sek\u00e4 \u00c4ij\u00e4l\u00e4n tilalta ja tutkimaan sen sis\u00e4lt\u00e4m\u00e4\u00e4 kasvimassaa. Toki lehm\u00e4n lannalle on olemassa jo hyvi\u00e4 k\u00e4ytt\u00f6kohteita sen sis\u00e4lt\u00e4mien ravinteiden hy\u00f6dynt\u00e4miseksi, mutta kuitujen mahdollisuuksia ei ole viel\u00e4 hy\u00f6dynnetty t\u00e4ysin.<\/p>\n
Lehm\u00e4n lannasta erotettu kuivajae seulottiin jakeisiin, joista hienoimmille tehtiin kemiallisia jatkok\u00e4sittelyj\u00e4 selluloosananofibrillien talteen ottamiseksi. Pieni\u00e4 ravintokasvien kappaleita sis\u00e4lt\u00e4v\u00e4\u00e4 biomassaa pestiin em\u00e4ksell\u00e4, jolloin liima-aineet poistuivat ja lopuksi se viel\u00e4 valkaistiin. T\u00e4m\u00e4n k\u00e4sittelyn j\u00e4lkeen lehm\u00e4n lannasta oli j\u00e4ljell\u00e4 selluloosananofibrilleille tyypillist\u00e4 vaaleaa geeli\u00e4 (kts. kuva). \u00a0Jatkotutkimuksia ja hy\u00f6dynt\u00e4miskokeiluita viel\u00e4 suunnitellaan, mutta vaikuttaa hyvin vahvasti silt\u00e4, ett\u00e4 hypoteesimme lehm\u00e4st\u00e4 nanosellun tuottajana piti paikkaansa!<\/p>\nKuva 1: Hygienisoitu kuivajae. Kuva 2: Kuivajae liima-aineen poiston j\u00e4lkeen. Kuva 3: Kuivajae liima-aineen poiston ja valkaisun j\u00e4lkeen.<\/figcaption><\/figure>\n\n
Kirjoittajat toimivat H\u00e4meen ammattikorkeakoulussa tutkijoina. Ty\u00f6 toteutettiin OKM:n rahoittamassa Carbon 4.0 -hankkeessa ja sen k\u00e4yt\u00e4nn\u00f6n toteutukseen osallistuivat kirjoittajien lis\u00e4ksi my\u00f6s harjoittelija Janina Savela (HAMK Tech).<\/p>\n
*<\/sup>Selluloosananofibrillit ovat nanoselluloosaa, jollaiseksi m\u00e4\u00e4ritell\u00e4\u00e4n selluloosakuitu tai hiukkanen, jonka paksuus mitataan nanometreiss\u00e4, eli metrin miljardisosissa. Nanoselluloosa k\u00e4sitt\u00e4\u00e4 my\u00f6s muunkin muotoisia selluloosahiukkasia, mutta t\u00e4ss\u00e4 kirjoituksessa k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n yksinkertaisuuden vuoksi t\u00e4t\u00e4 sanaa tarkoittamaan ohutta ja taipuisaa, hiukan spagettimaista s\u00e4iett\u00e4.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
![\"\"](\"https:\/\/blog.hamk.fi\/hamk-beat\/wp-content\/uploads\/sites\/102\/2022\/10\/kuivajae-3.jpg\")