Ligniinin avulla eroon fossiilisista materiaaleista

Muovia on kaikkialla. Merissä kelluu valtavia muovijätelauttoja. Jopa valtamerien syvimmästä kohdasta, lähes 11 kilometriä syvästä Mariaanien haudasta on löytynyt muovipussi ja muuta muoviroskaa.

Muovijäte on yksi suurimmista meriä, järviä ja ravintoketjuja uhkaavista saasteongelmista. Roskista yli kolmannes on mikromuovia eli alle viisimillisiä kappaleita. Monien arvioiden mukaan merissä on vuonna 2050 enemmän muovia kuin kalaa. Voimmeko millään tavalla vaikuttaa tähän kehityskulkuun – voiko muovien raaka-aineena käytettäviä fossiilisia raaka-aineita korvata biohajoavilla materiaaleilla?

”Ligniini on yksi erinomaisista vaihtoehdoista fossiilisten materiaalien korvaajaksi. Sitä syntyy sellunkeiton sivutuotteena. Selluloosasta on puhuttu paljon, mutta ligniini on jäänyt vähemmälle huomiolle”, vastaa professori Monika Österberg.

Arvo kymmenkertaiseksi jatkojalostuksella

Aalto-yliopiston biotuotekemian professori haluaa muuttaa maailmaa. Ilmaston lämpeneminen, fossiilisten raaka-aineiden ehtyminen, väestönkasvu ja lisääntyvät jäteongelmat kasvattavat tarvetta uusiutuville, luonnossa hajoaville materiaaleille ja tuotteille.

Resurssien riittävyyden ja tehokkaamman käytön kannalta kiertotalouden edistäminen on erittäin tärkeää. Puukuitujen sidosainetta ligniiniä on etupäässä poltettu energiaksi korkean lämpöarvonsa vuoksi. Sen mahdollisuudet markkinoilla ovat kuitenkin paljon monipuolisemmat. Kiinnostus pidemmälle jalostettuihin tuotteisiin onkin kasvanut nopeasti. Jatkojalostetun ligniinin arvo voi kymmenkertaistua polttoon verrattuna.

Mihin kaikkeen ligniini sitten soveltuu? Se voi esimerkiksi

• korvata vanerissa, kova- ja lastulevyissä sekä laminaateissa käytettäviä formaldehydi-fenolihartsiliimoja osittain tai kokonaan 
• olla raaka-aineena biokemikaaleille ja toiminnallisille pinnoitteille, jotka parantavat esimerkiksi tuotteiden säänkestoa
• olla tulevaisuudessa hiilikuidun raaka-aineena esimerkiksi autoissa ja lentokoneissa sekä myös materiaalina biomuovien ja nestemäisten polttoaineiden valmistuksessa.

Ligniinin käyttömahdollisuuksien uskotaan olevan lähes rajattomat. Miksi siitä valmistettuja tuotteita on kuitenkin vielä hyvin vähän markkinoilla?

Haastava tutkimuskohde

”Ligniinin mahdollisuuksia on tutkittu jo vuosikymmeniä. Ligniini on monimutkainen luonnon polymeeri, ja sen rakenne on haastava. Siksi sen hyödyntäminen ja jalostaminen tuotteiksi on vaikeaa”, Österberg sanoo.

Toukokuussa 2018 päättyi kaksivuotinen Business Finlandin rahoittama COLIAD-projekti (COLIAD, Colloidal Lignin adhesives and coatings). Projektissa Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat etsivät yritysten tuella ratkaisuja ligniinin soveltuvuuteen korkean jalostusasteen biotuotteiksi, joita voisi valmistaa isoja tuotantomääriä.

Tutkijat onnistuivat kehittämään yksinkertaisella valmistustavalla rakenteeltaan ja koostumukseltaan monimutkaisesta ligniinistä pintaominaisuuksiltaan ja kooltaan tasaisia, pallomaisia ligniinipartikkeleita (colloidal lignin particles, CLP). Nämä noin parin sadan nanometrin kokoiset ligniinipallot voidaan helposti sekoittaa veteen tai muihin väliaineisiin, ja niiden pintakemia on helppo muokata eri sovelluksiin sopivaksi. Ligniinipallojen valmistuksen yksinkertaisuus sopii hyvin laajamittaiseen tuotantoon.

Projektin tavoitteena oli myös muokata ligniinipalloja laadukkaisiin, kestäviin ja taloudellisiin puuliima- ja pinnoitesovelluksiin sopiviksi. Tulokset olivatkin lupaavia. Liimojen fenoli voitiin osittain korvata ligniinipalloilla, ja ne osoittivat myös potentiaalia pinnoitteiden UV-suojana.

Kilpailukykyisten tuotteiden markkinoille saamiseksi tarvitaan kuitenkin vielä lisää tutkimusta sekä tuotteille räätälöityjä kaupallistamissuunnitelmia.

Ligniinipalloilla enemmän hyödyntämismahdollisuuksia 

COLIAD-projektin myötä on opittu paljon ligniinipallojen valmistuksesta ja muokkauksesta. Ligniinin hyödyntäminen kolloidisessa muodossa eli pieninä alle mikrometrin kokoisina partikkeleina (palloina) on vielä uutta, eikä parhaita sovelluksia ole epäilemättä vielä edes löydetty. 

”Näiden pallojen mahdollistamia uusia sovelluskohteita on esimerkiksi lääkeainekuljetuksessa, vedenpuhdistuksessa ja biokatalyyttien kantajamateriaalina, jonka tutkimuksesta julkaisimme taannoin artikkelin Nature Communications –julkaisussa. Nyt alkuun saatettu työ edesauttaa ligniinipallojen tutkimista ja tuotteiden kaupallistamista tulevaisuudessa. Se, että näiden pallojen valmistus onnistuu jo useiden kilogrammojen erissä, mahdollistaa niiden testaamisen eri sovelluksiin. Tästä voi olla suomalaisille yrityksille kilpailuetua globaaleilla markkinoilla ja mahdollisuus luoda uutta bisnestä ja työpaikkoja.”

Vesien saastuminen muovijätteistä herättää suurta huolta. Ongelmaa voidaan hillitä lisäämällä uusiutuvien raaka-aineiden – kuten ligniinin – käyttöä pakkauksissa ja tekstiileissä sekä tehostamalla näiden materiaalien kierrätystä. Ligniinipallot avaavat vieläkin enemmän mahdollisuuksia ligniinin hyödyntämiselle. Siksi maailman muuttamisesta haaveileva professori on ottanut ne tutkimuskohteekseen.

Lue myös: Läpimurto ligniinitutkimuksessa: pallomaiset partikkelit moninkertaistivat entsyymien tehokkuuden