Biotalouden tulevaisuuden tekijät osa 1: Biomuoveja mikrobien ruoasta

Blogi - Julkaistu 9.11.2020

Tohtoriopiskelija Anna Ylinen tekee väitöskirjaansa VTT:llä, Aalto yliopiston ja VTT:n Centre for Young Synbio Scientist (CYSS) -tutkimusyhteisössä, aiheenaan mikrobipohjaiset biomuovit. Niitä voidaan käyttää kuten perinteisiä muoveja, mutta ne ovat täysin biohajoavia. Ylisen tavoite on muokata hiivoja tuottamaan näitä biopolymeereja raaka-aineenaan paperiteollisuuden sivuvirrat. Biomuovien kehittäminen on tärkeä askel kohti kestävää kiertotaloutta ja se tukee konkreettisesti useita YK:n kestävän kehityksen tavoitteista.

Nykyaikainen yhteiskunta on täysin riippuvainen fossiilisista raaka-aineista valmistetuista muoveista. Erilaisia muovipolymeereja on sadoittain, niiden ominaisuudet vaihtelevat suuresti ja käyttötarkoituksia on tuhansittain. Muovit ovat nykyelämän elinehto, pienimmistä biolääketieteen ja elektroniikan sovelluksista aina maailmanlaajuisiin ruokaketjuihin ja suuriin teollisuuden tarpeisiin asti.

Monissa tapauksissa fossiiliset muovit sopivat tarkoitukseensa hyvin, ne kierrätetään tehokkaasti ja niiden ympäristökuorma on hyvin pieni. Mutta huolimatta hyvistä pyrkimyksistä merkittävä osa muoveista päätyy meriin ja muihin ekosysteemeihin. Ne olisi pikimmiten korvattava materiaaleilla, jotka hajoavat luonnossa jättämättä vahingollisia jäämiä. Ja ne pitäisi valmistaa uusiutuvista materiaaleista aina kun se on mahdollista. Biopohjaisuuden ja biohajoavuuden pitäisi siis kulkea käsi kädessä. Tutkijoille tämä tarjoaa paradoksaalisen haasteen: kuinka kehittää materiaaleja, jotka ovat yhtä aikaa vedenkestäviä ja vedessä täysin hajoavia?

Mikrobit muovitehtaina

Vastaus löytyy luonnosta, kuten usein myös synteettisen biologian saralla. Tohtoriopiskelija Anna Ylisen tutkimus tähtää leivinhiivan manipulointiin niin, että se tuottaa vettä kestäviä, mutta biohajoavia PHA-polymeereja (polyhydroxyalkanoates). Nämä polymeerit ovat erinomaisia, sillä ne ovat itse asiassa mikrobien ruokaa. Ne varastoituvat pieninä rakeina solun sisään ikään kuin vararavinnoksi mikrobin pahan päivän varalle. Ne myös suojaavat mikrobia erilaisilta rasituksilta, kuten UV-säteilyltä ja äärimmäisiltä lämpötiloilta.

Erilaisilla PHA-polymeereilla on erilaisia fyysisiä ja kemiallisia ominaisuuksia, mikä mahdollistaa monien fossiilisten muovien korvaamisen niillä. Ylisen tutkimus tähtää myös polymeerien ominaisuuksien muunteluun vaihtamalla niiden rakenneosia ja rakenneosien järjestystä polymeeriketjussa. Tavoitteena on esimerkiksi tehdä biohajoavista polymeereista vahvempia, venyvämpiä tai läpinäkyvämpiä kuin ne muuten olisivat.

Hajottajamikrobeja esiintyy luonnossa laajalti, muun muassa maaperässä, merissä ja järvissä. Niinpä PHA-polymeerista valmistettu tuote kestäisi kyllä hanavettä, mutta hajoaisi (päätyisi mikrobien ruoaksi) meressä.

Solujen muokkaus haastaa perinteisen kemian

Mikrobit ovat jo vuosikymmenten ajan auttaneet meitä tuottamaan biohajoavia biomuoveja. PLA-muovin (polylaktidi) raaka-ainetta, maitohappoa, tehdään käyttämällä muun muassa maissitärkkelyksen ja sokeriruo’on sisältämiä sokereita mikrobien avulla. Tällä hetkellä polylaktidien polymerisaatio tehdään kemiallisessa prosessissa, joka vaatii energiaa ja metallikatalyytteja. Tulevaisuudessa hiivasolut voivat hoitaa tämän kaiken täysin biologisessa prosessissa.

Mikro-organismeja on hyödynnetty polymerisaatiossa teollisesti jo jonkin aikaa, mutta kaupalliset tuotantomäärät ovat olleet vaatimattomia maaöljypohjaisiin muoveihin verrattuna. Lisäksi tuotanto on rajoittunut pääosin luonnon omien PHA-muovien valmistukseen. Synteettisen biologian menetelmät auttavat ratkaisemaan monia PHA-muovien tuottoon liittyviä haasteita. Solujen raaka-aineena voidaan tulevaisuudessa hyödyntää monipuolisemmin erilaisia teollisia jätteitä viljeltyjen sokerien sijaan ja materiaalin ominaisuuksia voidaan muokata niin, että ne sopivat moniin eri käyttötarkoituksiin. Tutkimuksella pyritään myös tehostamaan tuotantoprosesseja, jotta materiaalin hinta saataisiin riittävän edulliseksi myös laajempaan kuluttajakäyttöön.

Raaka-ainetta jätevirroista

Yksi mikrobien erinomainen ominaisuus verrattuna tämänhetkisiin kemiallisiin prosesseihin, että ne ovat luonnostaan kykeneviä hyödyntämään jätteitä tai teollisia sivuvirtoja, joissa on jäljellä useita eri yhdisteitä. Perinteisissä kemian prosesseissa jätevirrat on yleensä eroteltava ja käsiteltävä tarkkaan ennen kuin niitä voidaan hyödyntää. Tulevaisuudessa voimme mahdollisesti käyttää mikrobeja korvaamaan energiaintensiivisiä ja kalliita teollisia jätteen erottelun prosesseja. Hiivat ovat myös luonnostaan kotonaan happamissa olosuhteissa, minkä takia ne sopivat erinomaisesti esimerkiksi teollisten happamien sivuvirtojen käsittelyyn.

Anna Ylisen tavoitteena on muokata hiivasoluja, jotta ne voisivat käyttää hemiselluloosaa raaka-aineenaan. Tämä sokeri on paperiteollisuudessa merkittävä sivuvirta, ja sitä syntyy pelkästään Suomessa 1,75 miljoonaa tonnia vuosittain. Se hajoaa käsittelyn aikana muun muassa orgaanisiksi hapoiksi, kuten maitohapoksi, jota hiivasolut voivat käyttää PHA-tuotantoon.

YK:n jäsenmaiden yhteiset kestävän kehityksen tavoitteet, joihin Suomikin on sitoutunut, linjaavat muun muassa, että meidän on edistettävä kestävää teollisuutta ja innovaatioita sekä varmistettava kulutus- ja tuotantotapojen kestävyys. Biomuovien kehittäminen on hyvin konkreettinen askel näiden tavoitteiden saavuttamiseksi. Myös merien ja niiden tarjoamien luonnonvarojen suojelu ja kestävä käyttö on kirjattu YK:n tavoitteisiin. Meriekosysteemeihin päätyvä muovi on valtavan mittaluokan globaali ympäristöongelma, johon meidän on löydettävä ratkaisu kiireellisellä aikataululla. Mikrobipohjaiset biomuovit saattavat hyvinkin olla olennainen osa sitä ratkaisua.

Tekstiä päivitetty 10.11.2020. Anna Ylinen ei tee väitöskirjaansa Aalto yliopistossa, vaan VTT:llä.