Lignoselluloosasta saa pintaherkkiä materiaaleja, joiden reaktioita ympäristön kanssa säädellään vedellä.
– Samalla tavalla kasvitkin toimivat, FinnCERES-hanketta VTT:n puolelta vetävä tutkimusprofessori Tekla Tammelin sanoo.
FinnCERES on Suomen Akatemian rahoittama lippulaivahanke, joka kehittää biotalouden uusia materiaaleja VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteistyönä.
– Lähtökohta on perustutkimuksessa, mutta ajatuksena on viedä sen tulokset nopeasti hyödynnettäviksi sovelluksissa. Tämän ekosysteemin kautta meillä on suora reitti kommunikoida teollisuuteen.
VTT ja Aalto ovat tehneet paljon tutkimusyhteistyötä projektitasolla. Lippulaivahankkeeseen liittyy kokonaisen ekosysteemin rakentaminen. Se ei olisi mahdollista ilman Otaniemen kansallista biotalousinfraa.
– Suomessa ei ole ennen ollut tämän tyyppisiä lippulaivaohjelmia. Tähän linkataan tieteen tekemisen lisäksi yritykset ja muita rahoitusmahdollisuuksia. Myös kansainvälistyminen on tärkeä kulma, jotta Suomen kansantaloudelle tärkeä lippulaivahanke olisi onnistunut, Tammelin määrittelee.
Hän aloitti VTT:n biomateriaalirakenteiden tutkimusprofessorina ja samalla FinnCERESin vetäjänä viime joulukuun alussa. Aallon puolelta vetovastuussa on Kemian tekniikan korkeakoulun professori Orlando Rojas.
Kasvien toiminnallisuutta materiaaleihin
Kasvimateriaalien eli lignoselluloosan komponentit ovat selluloosa, ligniini ja hemiselluloosa. Pääkomponentti selluloosa on hygroskooppista ja hydrofiilista, eli toisin sanoen selluloosa imee vettä ja pitääkin siitä. Siksi lignoselluloosan vesivuorovaikutus on keskeisessä roolissa FinnCERESin tutkimushankkeissa. Usein haittana pidetty ominaisuus voidaan kääntää hyödyksi.
– Paperi menettää lujuusominaisuutensa, kun sen laittaa veteen. Siksi suuri osa alan tutkimusta on keskittynyt pyrkimään eroon veden vaikutuksesta. Kuitenkin vesi on puussa suorastaan rakenteellinen elementti, ja pitää pystyssä muita kuin puuvartisia kasveja, Aallon biopohjaisten materiaalien professori Eero Kontturi sanoo.
Veden sitoutumista lignoselluloosan pintaan tutkitaan molekyyli- ja nanotasolla. VTT:n erikoistutkija Suvi Arolan mukaan tulokset skaalautuvat isompaankin mittakaavaan.
– Nanotasolla veden vaikutukset ovat suurempia, joten niitä on helpompi tutkia. Samat ilmiöt ovat voimassa paperi- ja tekstiilikuiduissa tai missä tahansa sellua hyödyntävässä materiaalissa.
Yleensä nanotason rakenteita pyritään selvittämään massiivisilla instrumenteilla; aina vain tehokkaammilla mikroskoopeilla ja herkemmillä röntgenlaitteilla.
– Meillä on käänteinen lähestymistapa. Kun sellumolekyyli peitetään vesikerroksella ja katsotaan, paljonko vesimolekyylejä se pystyy ottamaan vastaan, pystytään tekemään perustavanlaatuisia johtopäätöksiä sellun rakenteesta ja ulottuvuuksista, Kontturi kertoo.
Samalla tutkitaan esimerkiksi, käyttäytyykö vesi selluloosan pinnalla yksittäisinä molekyyleinä vai yhtenäisenä vesikalvona. Jo kosteasta ilmasta lignoselluloosaan saadaan pinta, jossa iso osa kokonaisrakenteesta on vettä. Tutkijat tavoittelevat uusiin biomateriaaleihin kasvien toiminnallisuutta.
– Oikeastaan kaikki kasvin soluseinän toiminnallisuus perustuu vuorovaikutukseen veden kanssa. Ymmärtämällä sitä paremmin pystymme rakentamaan materiaaleja, joissa hyödynnetään veden voimakasta roolia, Tammelin sanoo.
Sellutehtaiden sivuvirroille jalostusarvoa
Yksi FinnCERESin teemoista on uusien teknologioiden kehittäminen prosessiteollisuuden käyttöön. Puusta tehdään paperia poistamalla siitä ligniini, joka antaa puulle ruskean värin ja liimaa kuidut yhteen. Siinä käytettävä valtavirtateknologia sulfaattikeitto on osattu jo 150 vuotta. Nykyaikaiset sellutehtaat ovat biojalostamoja, joissa ligniini poltetaan energiaksi ja joissa hyödynnetään prosessin sivuvirtoja.
– Sivuvirtoina tulevia molekyylejä voidaan edelleen jalostaa. Esimerkiksi ligniinin voisi pilkkoa kemikaaleiksi, joista voisi saada enemmän arvoa tai jotka olisivat ympäristötehokkaampia, Kontturi kuvailee.
Tammelin arvelee FinnCERESillä olevan annettavaa sellutehtaiden prosesseihin, joihin voidaan kehittää uusia menetelmiä kuidun komponenttien erotteluun.
– Voimme monipuolistaa lignoselluloosan rakennekomponenttien käyttöä, jos ne saadaan puhtaammin ja tehokkaammin eroteltua.
Valkaistu sellu on tärkein raaka-aine, josta pystytään tekemään nanoselluloosaa. Nanoselluloosasta taas saa myös läpinäkyviä materiaaleja ja toisiin materiaaleihin yhdistettynä komposiitteja. Sellulla voidaan korvata muoveja.
– Nanoselluloosalla on ominaisuudet, joita tarvitaan esimerkiksi vedenpuhdistuksessa, eli paljon aktiivista pintaa ja imukykyä. Mikromuovien poisto vedestä on yksi esimerkki sovelluskohteista, Arola sanoo.
Lippulaivahankkeella on kunnianhimoiset tavoitteet.
– Tavoitteena on löytää lignoselluloosasta materiaalisia ominaisuuksia, joita ei vielä lainkaan hyödynnetä eikä edes tunneta, Tammelin kiteyttää.
Vuosittain uusia tutkimusavauksia
FinnCERES sai keväällä 2018 Suomen Akatemialta 9,5 miljoonan euron rahoituksen ensimmäiseksi neljäksi vuodeksi, jonka jälkeen päätetään toisesta nelivuotiskaudesta. Tutkimusohjelmaa päivitetään hankkeen edetessä.
– Joka vuosi avataan haku uusille tutkimusavauksille, eli tutkimus uudistuu koko ajan.
Tällä hetkellä on käynnissä 13 tutkimusprojektia, joissa työskentelee FinnCERES-rahoituksella yhteensä noin 80 tutkijaa. Tutkimushankkeiden lisäksi FinnCERES-yhteisöön kuuluvat liiketoiminnan kehittämisryhmät, joihin yritykset voivat tulla mukaan.
– Rakennamme lippulaivan päälle ekosysteemiä, jossa voi olla muitakin tutkimusohjelmia kuin Akatemian rahoittamia, Tammelin sanoo.
FinnCERESin ohella Suomen Akatemia on valinnut viisi muuta lippulaivahanketta. VTT ja Aalto-yliopisto ovat mukana myös Suomen Tekoälykeskuksessa ja Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivassa. Muut kolme ovat langattomien verkkoteknologioiden kehittämisen lippulaiva 6Genesis, Digitaalisen yksilöllistetyn syöpälääketieteen osaamiskeskus ja Eriarvoistumisen, interventioiden ja hyvinvointiyhteiskunnan tutkimuksen lippulaiva
