Savonian ensimmäisen vuoden konetekniikan opiskelijat saivat huhtikuussa Tuotantoyrityksen ympäristönhallinta -opintojaksolla vierailuluennoitsijaksi dosentti, toimitusjohtaja Elias Hakalehdon (Itä-Suomen yliopisto, Helsingin Yliopisto, Finnoflag Oy). Kyseessä oli opintojakson päätöskerta, ja samalla yhteenvetoa monista opintojaksolla käsitellyistä asioista. Mikrobit ja niiden hyödyntäminen teollisuudessa oli aivan uusi asia kuulijoille, ja vierailuluento oli ainutlaatuinen tilaisuus kuulla monia mielenkiintoisia tietoja, näkemyksiä ja myös historiallisia kokemuksia aiheesta.

Dosentti Elias Hakalehto on tehnyt yhteistyötä Savonia-ammattikorkeakoulun ja sen edeltäjien kanssa viidellä eri vuosikymmenellä.

Elias kertoi havainnollisesti, kuinka mikrobeja on kaikkialla: ilma on niitä täynnä, samoin esimerkiksi pöytien pinnat ja lattiat. Mikrobit ovat silmälle näkymättömiä – niiden koko on yhden mikrometrin luokkaa – mutta niiden suorittama hajotustoiminta on hyvin oleellista kaiken elämän kannalta eivätkä aineet kiertäisi emmekä selviäisi ilman niitä. Mikrobikantoja tulee tutkia ja käyttää erilaisiin sovelluskohteisiin. Nykyään puhutaan paljon ns. ekosysteemipalveluista ja esimerkiksi Meksikonlahden ”Deep Water Horizon” -öljynporauslauttaonnettomuudessa nähtiin, millainen valtava puhdistava voima meren omat mikrobit ovat.

Elias opiskeli 1980-luvulla Helsingin Yliopistossa sekä myös joitakin kursseja Teknillisessä Korkeakoulussa (nyk. Aalto-yliopisto) mikrobiologiaa ja biotekniikkaa. Lisäksi hän opiskeli Lontoossa kolmessa eri yliopistossa, mm. University College London’issa, jossa oli löydetty vitamiinit 1930-luvulla sekä kehitetty antibioottien tuotantoa, pääaineenaan “Biochemical Engineering”. Siellä Hakalehto tutustui mm. biotekniikan pilottilaitteistoihin ja sai opastusta alan ehdottomilta huippuosaajilta.

Jäte ei ole jäte, vaan raaka-aine, kun sen käyttää resurssiviisaasti

Elias kertoi luennossaan opiskelijoille, kuinka erilaisten teollisuudessa ja muussa ihmisen toiminnassa muodostuvien sivuvirtojen hyödyntäminen on ekotehokasta ja taloudellisesti kannattavaa. Hän korosti innovaatioiden merkitystä uusien resurssien luomiseksi ja toi esiin, kuinka luonnosta voidaan ottaa mallia ihmisen teknis-taloudellisiin tuotantoprosesseihin.

Elias mainitsi esimerkkejä maailmalta, kuten bioetanolin tuotannon kasveista Kiinassa, USA:ssa ja Brasiliassa sekä biovedyn tuotannon mm. Kiinassa. Näitä mahdollisuuksia kannattaa miettiä Suomessakin, jossa bioenergian tuotanto on valtaosaltaan puuperäisen energianlähteen polttamista. Täälläkin voitaisiin hyödyntää biojalostuksen monia mahdollisuuksia, kuten biovedyn tuottamista entsyymien avulla. Tämä antaisi uusia ansaintamahdollisuuksia esimerkiksi selluloosan, kasvien yleisimmän polymeerin, hyödyntämiselle.

Mitä on biojalostus?

Biojalostuksessa käytetään raaka-aineina jätteitä ja biomassoja ja hyödynnetään tuotantoprosessissa mikrobeja ja niiden entsyymejä. Maapallon valtaisien biomassavarojen puolesta tähän on edellytykset olemassa, ja näin pystyttäisiin tuottamaan kaikki se, mikä nyt tehdään fossiilisista luonnonvaroista. Sivuvirroistakin on mahdollista tehdä harmittomia ja miellyttäviä tuotteita. ”Biobased”-tuotteille onkin nykyisin kasvava kysyntä maailmassa.

Biojalostuksessa hyödynnetään biokatalyysiä, jonka mikrobit ja niiden entsyymit saavat aikaan ja jonka ansiosta tuotantoprosessin reaktiot toteutuvat nopeasti, alhaisella ulkoisella energiapanoksella. Mikrobien pienuus ja runsas lukumäärä merkitsee sitä, että niillä on valtavan paljon reaktiivista pintaa. Biokatalyysi saadaan käyttöön, kun mikrobeille järjestetään oikeat olosuhteet ja ravinteet. Biokatalyysiä tarvitaan myös kaikkialla luonnossa ja esimerkiksi ihmisen soluissa. Esimerkkinä Elias kertoi biisoneista, jotka lähes pelkkää kuivaa heinää syömällä pystyvät kasvamaan tonnin painoisiksi lihasmöykyiksi. Salaisuutena on niiden pötsin mikrobisto, joka toteuttaa biokatalyysiä. Lisäksi märehtiminen tehostaa ruonsulatusta, joten biisonit saavat ravinnostaan kaiken irti. Toisena esimerkkinä Elias kertoi Suomessa sota-aikana tapahtuneesta lehmien ruokkimisesta sanomalehtipaperilla. Lehmät selvisivät, koska niiden pötsissä toimi biokatalyysi tähänkin ravinnonlähteeseen. Myös ihmisen paksusuolessa toimii mikrobien yhteistyö; probiootit ja maitohappobakteerit tehostavat voihappobakteerien toimintaa, ja niiden tuottama voihappo suojaa syövältä.

Oleellista Eliaksen mukaan onkin löytää mikrobiyhteisöt, jotka toimivat tehokkaasti kulloisessakin kohteessa. Mikrobien yhteisö pilkkoo raaka-ainetta ja tuottaa esimerkiksi biokaasua. Toimijoita on hyvin suuri määrä, ja prosessi on erittäin tehokas. Syöttämällä biojalostusprosessiin hiilidioksidia mikrobien toiminta tehostuu entisestään ja hiilidioksidi saadaan mikrobien aineenvaihdunnan ansiosta sitoutumaan prosessin tuotteisiin. Tämä tarjoaa mahdollisuuden järjestää biojalostuslaitoksesta hiilinielu, jonne voidaan syöttää yhdeksi tuotantopanokseksi vaikkapa voimalaitokselta tai teollisuudesta talteenotettua hiilidioksidia.

Mitä tuotteita biojalostuksella voidaan tuottaa?

Biojalostuksella on mahdollista tuottaa ns. platform-kemikaaleja, kuten sukkiinihappoa, butaanidiolia tai valeriaanahappoa. Näistä pystytään jatkojalostamaan monenlaisia tuotteita, kuten muovia, kumia, kosmetiikkaa, tekstiilejä.

Esimerkiksi mannitoli ja laktaatti eli maitohappo ovat olleet biojalostamisen tuotteita Tampereen Hiedanrannassa, jossa on järven pohjassa entisiltä teollisuusajoilta nollakuitua arviolta 1,5 miljoonaa kuutiota. Nollakuitua on aikanaan pidetty liian lyhyenä ajatellen sellun ja paperin tai kartongin valmistusta ja sen vuoksi se on ajettu järven pohjaan. Vastaavia kohteita arvioidaan maailmassa olevan noin 3000. Hiedanrannassa tehdyissä tutkimuksissa noin 100 vuotta järven pohjassa olleet bakteerit toimivat yhteen Finnoflag Oy:n lisäämien, niinikään luonnon omien mikrobien kanssa, tuottaen mannitolia ja maitohappoa eli laktaattia. Maitohapon tuotto kasvoi tutkimuksissa koko ajan. Muita tuotteita olivat etanoli, asetaatti, butyraatti.

Finnoflag Oy on käyttänyt mannitolin tuotantokokeissa apuna lehmän mahalantaa (rapalanta), joka on mikrobimassaa. Sieltä saatiin biokatalyytti mannitolin ennätyskorkeaan tuottavuuteen fruktoosista, joka on edullinen raaka-aine. Mannitoli liukenee nopeasti eikä se allergisoi, joten se on esimerkiksi hyvä kantaja-aine lääkkeille. Sitä pidetäänkin erittäin tärkeänä tulevaisuuden aineena lääketeollisuudelle.

Dosentti Elias Hakalehto kertoi konetekniikan opiskelijoille Tampereen Hiedanrannan alueesta ja sen mahdollisuuksista biojalostuksen näyteikkunaksi täydessä mittakaavassa.

Butaanidiolin laboratoriotuotannossa puolestaan Finnoflag Oy saavutti 2000-luvun alkuvuosina tuottavuuden 8 g / litra / tunti, kun samaan aikaan Kiinassa oli tuotu maailmanennätyksenä esille puolta alhaisempi tuottavuus. Tämäkin platform-kemikaali on erittäin kiinnostava maailmalla sen monien käyttökohteiden vuoksi.

Biojalostukseen tarvitaan konetekniikan osaamista

Biojalostuksessa tarvitaan erilaisia laitteistoja ja prosessitekniikkaa tuotantoprosessin toteuttamiseksi. Tässä tarvitaan esimerkiksi konetekniikan, sähkö- ja automaatiotekniikan, tietotekniikan sekä mikrobiologian, biotekniikan, kemian ja prosessitekniikan osaamista.

Biojalostusprosessissa mitataan mikrobien aineenvaihdunnassaan tuottamia kaasuja, kuten hiilidioksidia, happea, vetyä, ammoniakkia ja rikkivetyä ja mittausten perusteella voidaan tehdä tarvittavat säädöt. Finnoflag Oy on tutkimuksissaan ja pilotoinneissaan hyödyntänyt kehittämäänsä PMEU:ta (kannettava mikrobien rikastuslaite), jolla saadaan nopeutettua ja herkistettyä mikrobien havaitsemista. Myös tuotteenmuodostusta mitataan prosessin seurantaa ja säätöä varten.

Konetekniikan opiskelijat saivat kuulla siitä, miten konetekniikan osaaminen voi linkittyä biojalostukseen, kuten konkreettisesti on nähty mm. ABOWE-hankkeessa.

Tähän asti biojalostus on pohjautunut lähinnä inhimilliseen kokemukseen. Jatkossa tekoälyä hyödyntävä oppimissysteemi voisi olla mahdollisuus parantaa entisestään prosessin tuottavuutta eli tuottoa aikayksikössä. Biojalostus voitaisiinkin haarukoida sopivaan aiheeseen, kuten mannitolin tuotantoon ja käyttää tekoälyä ko. prosessin optimointiin. Kehittämiseen tarvitaan aina silti ihmistä, tekoäly ei voi täysin sitä korvata, vaan se voisi toimia assistenttina tarjoamassa prosessidataa inhimillisen päätöksenteon avuksi.

Biojalostus tulisi viedä täyteen teolliseen mittakaavaan

Biojalostus kannattaa Eliaksen mukaan järjestää vaiheittaisena prosessina, jotta tuotannon jalostusarvo nousee mahdollisimman korkeaksi. Ensin tuotetaan sivuvirroista ja biomassoista arvokkaita nestemäisiä kemikaaleja ja energiakaasuja, kuten vetyä. Jäljelle jäävä massa voitaisiin käyttää seuraavaksi biokaasun tuottamiseen. ABOWE-hankkeessa Ruotsissa tehtiin koeajoja sekä biojalostuksen että biokaasutuotannon pilot-laitteistoilla. Biokaasukokeissa saatiin parempi metaanin tuotto biojalostuksen jälkeisestä massasta, kuin raaka-aineiden biokaasutuksesta sellaisenaan. Syynä oli se, että biojalostuksessa raaka-ainesivuvirroista muodostuu orgaanisia happoja ja arvokkaiden aineiden talteenoton jälkeen jäävästä massasta pääsevät biokaasun tuotannon mikrobit suoremmin ja tehokkaammin tuottamaan metaania.

Maanparannusaineet ovat yksi biojalostuksen mahdollinen lopputuote ja lannoitteiden tuotanto onkin elintärkeää huoltovarmuuden kannalta. Toisaalta UNESCO varoittaa, että 90% maapallon pintamaasta huononee pois viljelyskäytöstä vuoteen 2050 mennessä, jos mitään parannuksia ei tehdä, aiheuttaen pulaa ravinnosta ja uhaten näin luonnon monimuotoisuutta ja ihmiselämää. Tämä voi johtaa Eliaksen mukaan muuttoliikkeisiin ja sotiin.

Finnoflag Oy on tutkinut typen sitomista bakteerien avulla maaperään ja kasvillisuuteen ja löytänyt assosiatiivisen typen sitomismekanismin, perinteisen symbioottisen sidontakäsityksen rinnalle. Typpeä sitovan mikrobikannan lisäys maanparannusaineeseen toi eräässä Finnoflag Oy:n kokeessa 50 % paremman tuoton salaatin kasvattamisessa kahdessa kuukaudessa verrattuna perinteiseen menetelmään.

Finnoflag Oy on pääpartnerina EU:n CircinWater-ohjelmasta rahoitetussa BioResque-hankkeessa (Resource Recovery and Production by Industry Like Nature® Biorefinery, 12/2023-5/2025). Tässä hankkeessa Finnoflag Oy pilotoi metsäteollisuuden sivuvirtojen biojalostamista erityisesti maanparannusaineeksi. Olisi mahdollista hoitaa samaan aikaan kahta asiaa: metsäteollisuuden aiheuttamia ympäristöongelmakohteita ja maailman pintamaan parantamista.

Biojalostus on Eliaksen näkemyksen mukaan kovaa vauhtia yleistymässä. Esimerkiksi biokaasun ja bioetanolin tuotanto ovat jo tätä, mutta kuten luennon esimerkit osoittavat, biojalostusta voidaan kehittää näitä laajemmiksi ja monipuolisemmiksi kokonaisuuksiksi. Monia pilotointeja on jo tehty, nyt pitäisi saada biojalostus skaalattua massiiviseen kokoluokkaan, jotta voitaisiin ottaa biojalostuksen moninaiset hyödyt käyttöön täydessä mittakaavassa. Finnoflag Oy on tuottanut ratkaisuja biojalostukseen ja teknologioiden käyttöönotto tulee säätää tehdaskohtaisesti. Metsäteollisuuden on perinteisesti tähdännyt sellun sekä paperin ja kartongin valmistamiseen, joten muutosvastarintaa herkästi esiintyy uusia mahdollisuuksia kohtaan. Kuitenkin tekniset ja tieteelliset ongelmat ovat ratkottavissa. Kuten Hiedanrannan tapaus osoittaa, niin biojalostaminen tarjoaisi mittavat mahdollisuudet hyödyntää luonnon resursseja ja samalla puhdistaa luontoa ihmisen käyttöön.

Elias on toimittanut ja kirjoittanut useita kirjoja hänen ja Finnoflag Oy:n sekä yhteistyökumppaneiden tutkimustyön pohjalta. Uusin kirja, jonka kustantaja on saksalainen, maailman toiseksi suurin tiedekustantaja Springer Verlag, julkaistiin toukokuun alussa ja kirjan aiheena ovat mikrobiologiset sekaviljelmät ja niiden hyödyntäminen monissa sovelluskohteissa, kuten biojalostuksessa.

Lisätietoa ABOWE-hankkeesta:

https://www.savonia.fi/en/rdi-projects/abowe/about-abowe-project/

Kirjoittaja:

Ari Jääskeläinen

Tuotantotalouden lehtori (DI, YTK)

Savonia-ammattikorkeakoulu

ari.jaaskelainen@savonia.fi