Puiden kemikaalien koostumus on hyvin monimutkainen. Se vaikeuttaa niiden erottamista ja jatkohyödyntämistä.
- Teksti, video ja podcast Marianne Mustonen
- Kuvat Raija Törrönen ja Varpu Heiskanen
—Puun uuteaineiden käyttö ei sinällään ole mitään uutta, esimerkiksi tervaa valmistettiin jo 1600-luvulla, kertoo professori Janne Jänis kemian laitokselta.
— Monille tuttuja tuotteita ovat esimerkiksi kuusenkerkkäsiirappi, Abilar-pihkavoide tai vaikkapa mäntypohjainen jäätelö. Sellutehtaiden sivutuotteena saadaan mäntyöljyä, josta valmistetaan uusiutuvaa dieseliä tai muita teknokemian tuotteita.
—Ligniinin osuus puusta on 20–35 prosenttia, selluloosan 40–50 prosenttia ja hemiselluloosan 20–40 prosenttia. Loppu on uuteaineita, metalleja ja muita epäorgaanisia yhdisteitä.
—Uuteaineiden määrä on erilainen sydänpuussa ja pintapuussa, kannoissa, juurissa sekä sisä- ja ulkokuoressa. Eniten uuteaineita on lehdissä ja neulasissa, mikä kiinnostaa tutkijoita tällä hetkellä.
Uuteaineita saadaan tuotettua puusta esimerkiksi liuotinuuton, vesihöyrytislauksen, hydrolyysin ja hitaan tai nopean pyrolyysin avulla.
—Yksi hankala yhdisteryhmä ovat terpeenit, joiden erottamiseen on vaikeaa löytää menetelmiä. Esimerkiksi männyn neulasissa on jopa yli sata erilaista haihtuvaa yhdistettä, Jänis toteaa.
Raaka-aineen saatavuus voi myös asettaa omat haasteensa. Esimerkiksi kuusenkerkkiä on saatavilla vain tiettyyn aikaan vuodesta
—Kuusenkerkissä on paljon antioksidantteja, A ja C-vitamiinia, sekä terpeenejä. Kerkissä runsaana esiintyvä kiinihappo on kiinnostava, koska sitä voidaan käyttää luonnollisena lähtöaineena esimerkiksi influenssalääke oseltamiviirin valmistuksessa.
Erityisesti koivun kuoret ovat suosikkini. Niissä on runsaasti mielenkiintoisia yhdisteitä, jotka ovat täysin alihyödynnettyjä.
Janne Jänis
Professori, kemian laitos
Professori Janne Jänis.
Koivusta saadaan luonnon polymeeria, suberiinia, sekä harvinaisia, arvokkaita kemikaaleja, joilla on teollista potentiaalia. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi kosmetiikassa, ravintotuotteissa ja biopolymeerien raaka-aineina. Suberiinia ja betuliinia saadaan koivun kuoresta, erityisesti ulkokuoressa niitä on 40–50 prosenttia.
—Koivusta saadaan myös rasvahappoja, esimerkiksi atselaiinihappoa, josta voidaan valmistaa polyuretaania. Paperi-, kangas- ja puualaa kiinnostavat vettähylkivät ominaisuudet. Koivun kuoren rasvahapot ovat tähän tarkoitukseen potentiaalisia, mutta ongelmana on niiden lyhyt kestävyys. Nykyiset tuotteet ovat myös halpoja.
—Koivun kuoren yhdisteitä voidaan käyttää jopa farmaseuttisissa sovelluksissa sairauksien, kuten leukemian, melanooman ja neuroblastooman hoidossa.
Prosessin aikana voidaan kerätä useita tislefraktiota.
Tavoitteena usean nesteen samanaikainen teollinen tuotanto
Kemikaaleja saadaan tuotettua puusta erilaisilla menetelmillä, joita kehitetään parhaillaan teolliseen käyttöön.
SIB Labs -infrastruktuuriyksikön johtaja, yliopistotutkija Laura Tomppo kehittää puun lämpökemiallista muuntamista.
—Biomassan käsittelyn menetelmiä ovat muun muassa hidas pyrolyysi ja hydroterminen nesteytys.
Näillä menetelmillä käsitellään biomassaa hapettomassa tilassa, ja hajoamistuotteet kerätään talteen. Hemiselluloosan hajoamislämpötila on noin 200 celsiusastetta, ligniinin 200–500 astetta, selluloosan 240–350 astetta ja uuteaineiden 150–500 astetta. Hitaassa pyrolyysissa lämpötila nousee viidestä kymmeneen celsiusastetta minuutissa, 400–500 celsiusasteen välille.
SIB Labs -infrastruktuuriyksikön johtaja, yliopistotutkija Laura Tomppo.
—Biomassan hajoamistuotteita jäähdytetään eri lämpötiloissa, esimerkiksi 130, 70 tai viidessä celsiusasteessa, ja näin saadaan kerättyä tislefraktioita, Tomppo kertoo.
—Tutkimuspuolella yksi prosessi voi kestää viikon, mutta kaupalliset prosessit ovat yleensä paljon nopeampia.
Prosessin aikana voidaan kerätä useita tislefraktiota. Lopusta biomassasta tulee biohiiltä.
Laura Tomppo
SIB Labs -infrastruktuuriyksikön johtaja, yliopistotutkija
Katso videolta, miten hidas pyrolyysi toimii!
—Teollisuudessa kerätään tyypillisesti vain yhtä nestettä, ja yksi tavoitteemme onkin selvittää, voidaanko prosessinaikaisella tisleiden erottelulla helpottaa jatkoprosessointia, Tomppo sanoo.
Myös hydrotermisessä nesteytyksessä otetaan talteen hajoamistuotteita. Reaktorissa on alkuvaiheessa esimerkiksi vettä, jonka joukossa on biomassaa. Lämpötilaa nostetaan 250–350 celsiusasteeseen ja pidetään korkealla 30–150 minuutin ajan. Lopputuloksesta noin 70 prosenttia on nesteitä, ja loput kiinteää ainetta ja kaasuja.
—Näistä prosesseista saatavia tuotteita on testattu muun muassa puun suojauksessa, komposiiteissa, torjunta-aineissa ja pinnoitteissa useissa eri hankkeissa. Parhaillaan tutkimus- ja kehitystyötä tehdään Sustainable Binders and Coatings (SUSBINCO) -yhteishankkeessa, Tomppo kertoo.
—Tutkijoita ja monia yrityksiä kiinnostaa myös biohiili, sillä on paljon erilaisia sovellusmahdollisuuksia.
Kuuntele aiheesta myös Akateeminen vartti -podcast!
Ideana on saada teollisuuden sivuvirtoja hyötykäyttöön, ja edistää samalla vihreää siirtymää.
Hitaassa pyrolyysissa käytettävä biomassa voi olla esimerkiksi haketta, sahanpurua tai hamppua.
—Kuituhamppu on korkea ja nopeakasvuinen kasvi. Suomessa se voidaan korjata keväällä, jolloin kuitu on valmiiksi irronnut ja biomassa kuivaa, Tomppo kertoo.
—Hamppua voidaan käyttää esimerkiksi luonnonkuitukomposiitin valmistuksessa. Luonnonkuitujen yksi ongelma on veden imeytyminen, ja siksi kuituun on tutkimuksissa lisätty suojaksi erilaisia biomassan tisleitä.
Kuitua ja polymeeria voidaan myös yhdistää vaikkapa autojen sisustuksissa hyödynnettäväksi materiaaliksi.
Prosessista jää jäljelle myös kuitupäistärettä, joka sopii esimerkiksi eläinten kuivikkeeksi.
—Se on kuitenkin matalan jalostusarvon tuote, jolle olisi hyvä löytää arvokkaampaa hyötykäyttöä.
Kuudesta kilosta biomassaa saadaan pari kiloa hiiltä, jota voidaan käyttää vaikkapa maanparannusaineena.
—Ideana on saada teollisuuden sivuvirtoja hyötykäyttöön, ja edistää samalla vihreää siirtymää. Biomassasta tehtyjen kasvualustanappien avulla voidaan pyrkiä myös eroon turpeen käytöstä, Tomppo sanoo.
