Anna-Stiina Jääskeläinen
Puunjalostuksen tutkimuksen uudet tuulet
11.12.2008
Metsäteollisuuden tutkimuksen painopistealueet ovat muuttuneet viime vuosina merkittävästi. Aiemmin tutkimus keskittyi laajasti sellun- ja paperinvalmistusprosessien tehostamiseen sekä prosessissa esiintyvien ilmiöiden selvittämiseen. Nykyisin pääosa tutkimuksesta keskittyy puun laajamittaiseen ja monimuotoiseen hyödyntämiseen. Kun aiemmin puusta on valmistettu lähes yksinomaan sellua ja paperia, niin on nähtävissä että seuraavan 10-20 vuoden kuluttua toki näitäkin vielä valmistetaan, mutta tehtaissa tuotetaan myös merkittäviä määriä polttoaineita, kemikaaleja, sekä nanoselluloosaa vaikkapa elintarvikkeiden, kosmetiikan ja komposiittimateriaalien raaka-aineeksi.
Kiinnostavaa näissä ”uusissa” puuperäisissä tuotteissa on oikeastaan se, että puun soveltuminen näiden tuotteiden raaka-aineeksi on tunnettu jo useiden vuosikymmenien ajan. Puuetanolin valmistaminen hydrolyysin kautta on tunnettu jo 1900-luvun alusta lähtien. Puuaineksesta noin 70-80 prosenttia koostuu hiilihydraateista (selluloosasta ja hemiselluloosista), jotka pystytään suhteellisen helposti pilkkomaan monomeerisiksi sokereiksi. Ja sokerin käyttäminen hiivan avulla etanoliksi on laajasti tunnettu prosessi. Prosessin kehittäminen tehokkaammaksi ja taloudellisesti kannattavaksi vaatii kuitenkin edelleen monien ongelmien ratkaisun. Puuetanolin valmistamisessa energiaa kuluu erityisesti etanolin konsentrointiin, sillä kuten tunnettua, hiivalla voidaan tuottaa liuoksia, joiden etanolipitoisuus on parhaimmillaankin vain noin 20 prosenttia, ja korkeamman konsentraation saavuttamiseksi tuote on tislattava. Myös spesifisten hiivojen kehittäminen, joilla pystytään käyttämään kaikki puun hiilihydraatit etanoliksi, vaatii biotekniikan osaamista, joka on hallittu vasta viime vuosina.
Toinen tapa valmistaa puusta polttoainetta on hyödyntää nk. Fischer-Tropsch-kaasutusta. Tätä prosessia on käytetty Saksassa jo 1920-luvulla, tosin silloin raaka-aineena hyödynnettiin kivihiiltä. Periaatteeltaan samanlaisella kaasutusmenetelmällä voidaan orgaaninen materiaali muuntaa synteesikaasuksi. Tuotettu synteesikaasu voidaan muuntaa useiksi erityyppisiksi nestemäisiksi kemikaaleiksi tai polttoaineiksi, kuten metanoliksi, etanoliksi, dimetyylieetteriksi (eli biodieseliksi) tai synteettiseksi dieseliksi. Viime vuosikymmenelle asti FT-prosessia on pidetty taloudellisesti liian kalliina vaihtoehtona polttoainevalmistukseen, mutta mm. öljyn hinnan nousu ja paineet löytää biomateriaalipohjaisia polttoaineen valmistustapoja ovat herättäneet kiinnostuksen tätä prosessia kohtaan uudelleen.
Myös nanoselluloosa on osoittautunut potentiaaliseksi uudeksi puupohjaiseksi materiaaliksi. Puun solut muodostuvat näistä nanoselluloosasäikeistä, joita on yhdessä puukuutiometrissä noin 1012 kilometriä. Vaikka näitä säikeitä on osattu erottaa puusta jo 1980-luvulla, on vasta viime vuosina ymmärretty niiden merkitys ja käytettävyys monissa sovelluksissa. Nanoselluloosa on erittäin luja biomateriaali jolla on suuri ominaispinta-ala, jotka tekevät siitä erittäin kiinnostavan bioperäisen raaka-aineen käytettäväksi vaikkapa elintarvikkeissa, kosmetiikassa ja biokomposiiteissa perinteisen paperinvalmistusprosessin ohella.
Puukomponenteista voidaan eristää ja jalostaa myös monia terveyttä edistäviä komponentteja. Ksylitoli ja stanoliesteri (benecol) ovat olleet markkinoilla jo pidempään, mutta vasta joitakin vuosia sitten on havaittu, että esimerkiksi kuusen sisäoksissa on huomattavia määriä polyfenoleja. Tällaisilla polyfenoleilla on paljon erilaisia biokemiallisia ja fysiologisia vaikutuksia, ja esimerkiksi HMR-lignaania pystytään eristämään kuusesta, ja siitä valmistettuja ravintolisäkapseleita on saatavilla kaupallisesti. On oletettavaa, että myös muita vastaavantyyppisiä terveyttä edistäviä komponentteja löydetään puusta. Esimerkiksi puun kuoren sisältämiä komponentteja ei tunneta vielä kunnolla kotimaisista puulajeista, saatika sitten ulkomaisista puulajeista.
Ligniini muodostaa noin 20-30 prosenttia puuaineksesta. Nykyisin markkinoilla on vain muutamia ligniiniperäisiä tuotteita, joista suurimmat markkinat ovat dispergointiaineena käytetyllä lignosulfonaatilla. Ligniini on rakenteeltaan verkottunut polymeeri jonka rakenne ja ominaisuudet ovat puulajista riippuvaisia. Myös ligniinin hyödyntämismahdollisuuksia kartoitetaan tällä hetkellä monissa tutkimusryhmissä. Laboratoriomittakaavassa ligniinistäkin on pystytty valmistamaan muun muassa kemikaaleja, polttoaineita ja hiilikuituja, mutta toistaiseksi valtaosa ligniinistä poltetaan energiaksi.
Edellä mainitut uudet puuperäiset tuotteet ovat osa siitä potentiaalista, joka tullaan hyödyntämään tulevaisuudessa. Puun hyödyntäminen erilaisten polymeerien, kemikaalien ja muiden tuotteiden valmistamiseksi on vasta alkutekijöissään, ja joidenkin vuosien kuluttua voidaan arvioida mitkä sovellukset todella lähtevät vetämään. Tutkimuskenttä on viimeisten viiden vuoden aikana laajentunut merkittävästi, alalle on muodostunut uusia tutkimusryhmiä, ja yhteistyö eri alojen ja eri maiden välillä on lisääntynyt huimasti. Puunjalostuksen tutkimuksessa puhaltavat uudet tuulet. Osaaminen pohjautuu pääasiassa perinteiseen puu-, sellu- ja paperitutkimukseen, mutta painotus on kaukana taannoisista tutkimuslinjauksista.
Anna-Stiina Jääskeläinen
Blogisti on akatemiatutkija Teknillisessä korkeakoulussa puunjalostustekniikan osastolla.
Kuva: Nina Dodd