Uusia biomateriaaleja kehitetään vauhdilla, jossa tiedetoimittajillakin on haasteita pysyä mukana. Nanoselluloosakalvoilla pystytään nappaamaan mikromuovihippuja, ja koivunkuoresta erotetulla suberiinilla voidaan pinnoittaa kuitupakkauksia. Sienirihmastopohjaiset komposiitit soveltuvat eristemateriaaliksi.

Sienestä maailma parempi! Helsingin yliopistolla alihyödynnetyt biomassat on valjastettu tieteen käyttöön.

– Puupohjaiset hybridimateriaalit auttavat rakentamaan kestävämpiä asuttuja ympäristöjä, kiteyttää apulaisprofessori Tuula Jyske metsätieteiden osastolta. Hänen Wood, Science and Wellbeing -tutkimusryhmänsä etsii biopohjaisia ratkaisuja fossiiliperäisten materiaalien tilalle.

Fungsulation-tutkimushankkeessa kehitetään uusia eristemateriaaleja kosteikkokasveista, osmankäämistä ja pajusta. Biomateriaaleja tuotetaan sienirihmaston eli myseelin avulla.

Tutkimus on globaalisti ajankohtainen: rakennettu ympäristö aiheuttaa liki 40 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Uusien ympäristöystävällisten materiaalien löytäminen on tärkeää.

Jyskeen mukaan uusiutuvien eristemateriaalien markkinaosuus EU:ssa on alle kaksi prosenttia. Biohajoavilla myseelieristeillä ja akustiikkalevyillä on suotuisia ilmastovaikutuksia rakennuksen koko elinkaaren aikana, sillä ne varastoivat myös hiiltä.

– Jos katsomme tuotteiden elinkaarta, haluamme, että materiaalit voivat palata luontoon jättämättä jälkeä, toteaa väitöskirjatutkija Peter Petros.

Biomassat ja myseelit sopivat yhteen

Raaka-aineeksi sienelle kelpaavat alihyödynnetyt sivuvirrat. Petroksen määritelmän mukaan jätemateriaalista voidaan saada vihreää kultaa.

– Sienet pystyvät muuttamaan jätteitä ja matalan arvon raaka-aineita ruoakseen. Ne voivat syödä tekstiili-, hedelmä- ja vihannesjätettä sekä maatalouden sivuvirtoja. Luonnossa sienet syövät pääasiassa kuollutta puuainesta.

Petrosin työ keskittyy biokomposiitteihin, joissa rihmasto sitoo sivuvirtojen luonnolliset kuidut yhtenäiseksi kevyeksi materiaaliksi. Myseelikomposiitti olisi hyvä vaihtoehto vaahtomuovista tehdyille eristemateriaaleille.

– Tieteellisesti uutta on se, että sienet kasvavat sivuvirroissa ja kosteikkoviljelystä saatavissa raaka-aineissa. Tutkimme, mitkä biomassat ja myseelit sopivat yhteen ja mitä fysikaalisia ominaisuuksia niillä on.
Jyskeen mukaan eurooppalaisia yrityksiä on jo eristemarkkinoilla ja myseelieristeitä on hyödynnetty myös pakkausmateriaalina.

Fungsulation-tutkimus liittyy LUONTEVA-hankkeeseen, jossa kehitetään luontopohjaisia, energiatehokkaita ja hiiliviisaita rakentamisen ratkaisuja yhteistyössä Helsingin ja Tampereen yliopistojen sekä Luonnonvarakeskus Luken kanssa.

– Selvitämme, miten vähähiilisesti tuotettuja Pirkanmaan kasvibiomassoja ja sivuvirtoja voitaisiin käyttää sienipohjaisten eristemateriaalien alustana. Kosteikkokasvien lisäksi soveltuvia voisivat olla olki ja kauran akanat sekä puutuoteteollisuuden sivutuotteet, kuten sahanpuru, kertoo tutkimusavustaja Milla Koponen.

Myseelistä olutta ja selluloosasta vaatteita

Sienirihmastosta voi valmistaa muutakin kuin eristeitä. Kaupallisia riskejä välttävät panimot eivät ole kuitenkaan innostuneet myseelioluesta. Petrosin mukaan myseelistä voitaisiin joka tapauksessa valmistaa tölkin pidike, jos olut jää toteutumatta.

– Raaka-aine taipuu levitteeksikin leivän päälle, tosin matka uuselintarvikkeeksi on pitkä ja kallis prosessi, toteaa laboratoriomestari Jutta Varis.

Puupohjaiset materiaalit soveltuvat myös vaatteiksi. Suomessa selluloosaa on hyödynnetty tekstiilikuiduissa: Aalto-yliopistolla ja Helsingin yliopistolla on Ioncell-konsepti, Metsä Groupilla Kuura ja Spinnovalla omansa.

Tutkijakin elää tutkittavan kohteensa mukaisesti: Jyske kuivatteli kesällä auringon alla bakteeriselluloosaa, joka näyttää ja tuntuu nahalta.

Menoerästä tulonlähteeksi

Jyskeen mukaan biopohjaisesta myseelistä ei ole vielä saatu arvoketjua Suomessa.

– Toimimme pienin askelin arvoketjun rakentamiseksi. Sivuvirrat olivat ennen menoerä, nyt tavoitteena on tulonlähde. Olemme kiinnostuneita kaikesta jätteestä, joka on järkevästi kerättävissä.

LUONTEVA-hankkeessa yrityshaastattelut ja verkostointityöpajat ovat meneillään. Alueen toimijoilta kerätään tietoa uusien arvoketjujen ja liiketoiminnan kehittämisen tueksi. Tuloksia jalkautetaan seminaareissa ja osallistavissa tilaisuuksissa seuraavien vuosien aikana. Jatkossa kansalaisetkin otetaan mukaan pohtimaan rakennettuja ympäristöjä.

Aiheesta järjestettiin myös kiertävä tiede-taidenäyttely ASUMIA, jossa esiteltiin rakennetun ympäristön materiaalien ja elävien organismien välisiä vuorovaikutuksia.

EU-lainsäädäntö tukee vihreää kehitystä

Vanhempi tutkija, tekniikan tohtori Ilona Leppänen työskentelee Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä.

– Isona motivaationa on olla mukana ratkaisemassa globaaleja ongelmia. Tutkimustyössä motivoi sekin, että VTT:llä voimme tarjota yrityksille kehittämispalvelua. Esimerkiksi EU:n Inn-Pressme-yhteistyöprojektissa ja sen jälkeen tuemme pienyrityksiä ja startupeja kehittämään biopohjaisia ​​ratkaisuja. Alussa sektoreina ovat pakkaus, energia, kuljetus ja kulutustavarat.

Testiympäristöissä on luotu biopohjaisia laatikoita, autonosia, kosmetiikka- ja elintarvikepakkauksia, urheilutarvikkeita, kengänpohjia ja pakkausmateriaaleja.

Leppänen on myös tutkinut ja kehittänyt nanoselluloosasta valmistettuja kalvoja, jotka pystyvät ottamaan kiinni mikro- ja nanomuoveja.

– EU:lla on uusia säädöksiä, kuten mikromuovikielto kosmetiikassa. Jatkossa mahdollista on, ettei yritysten prosessivesissäkään saa olla mikromuoveja. Mikromuovin määrää reguloidaan koko ajan tarkemmin, mikä edesauttaa yrityksiä kiinnostumaan ympäristölle turvallisemmista vaihtoehdoista.

Nanomateriaali pystyy sitomaan vedestä mikromuovihippusia. Jos pyykinpesukoneessa tai teollisuuden prosessivesissä olisi filtteri, mikromuovi jäisi siihen kiinni ennen päätymistä vedenkiertoon. Puhdasta vettä tarvitaan myös lääketieteessä tai elintarvikealalla.

Mikromuovi-ideoilla Leppänen voitti biotalouteen keskittyvän ForestBioPitch-kilpailun.

– Voitto luo näkyvyyttä ja tuo tutkimusta tietoisuuteen. Pitsaus-kilpailujen ansiosta asia tulee kaikille nähtäville akateemisten yhteisöjen ohella. Globaali ongelma koskettaa monia, muitakin kuin tutkimuspiirejä. Se edesauttaa, kun yritetään kehittää ratkaisuja isoihin haasteisiin.

Innovaatio tihkuu koivunkuoresta

Kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikössä Oulun yliopistossa on kehitetty muun muassa uusia lignoselluloosan nanomateriaaleja ja niiden sovelluksia. Lignoselluloosaa saadaan puusta, mutta myös erilaisista maatalouden sivutuotteista, kuten korsimateriaaleista. Susbinco-hankkeessa tutkittiin, miten biopohjaisilla aineilla korvattaisiin fossiilisia raaka-aineita.

– Maalien, liimojen ja pakkausten materiaaliseoksissa käytetään yleensä synteettisiä, öljypohjaisia polymeerejä, joita voidaan kuitenkin korvata biopohjaisilla, kuten selluloosa- ja ligniinimateriaaleilla, toteaa professori Henrikki Liimatainen.

Pakkausteollisuus on iso muovinkäyttäjä. Kuitupakkausten pintarakenteessa on usein muovisia kalvokerroksia eli barrier-päällysteitä.

Kun muovimateriaaleista halutaan eroon, biopohjaisilla materiaaleilla voidaan tehdä barrier-kerroksia, jotka estävät nesteiden ja kaasujen kulkeutumista kuitupakkauksissa. Ongelmana on, että niin biomateriaalit kuin kuitupakkaukset ovat lähtökohtaisesti hydrofiilisiä eli ne sitovat vettä. Siksi päällysteeseen tarvitaan myös hydrofobista ainetta.

Susbinco-hankkeessa keskityttiin suberiiniin, joka on koivunkuoresta eristetty polyesteri, monen orgaanisen yhdisteen seos. Sellua tehdessä puut kuoritaan ja kuori jää ylimääräiseksi.

– Kuori menee usein polttoon, mutta sitä voisi jalostaa, uuttaa suberiinia ja tehdä päällysteitä eri käyttökohteisiin. Kuoren monet yhdisteet ovat luontaisesti hydrofobista, ne säätelevät puussa muun muassa kosteutta.

Luke on patentoinut menetelmän, jolla suberiinia tuotetaan. Sen barrier-ominaisuuksia on testattu päällystyksen pilottikokeilussa VTT:llä. Barrier-kerroksen joukossa on nanoselluloosaa, joka vahvistaa päällystekerrosta, ettei se hajoa muotoiltaessa kartonkia elintarvikepakkaukseksi.

Meneillään on Cocobin-jatkohanke, jossa pohditaan, onko suberiinia saatavilla riittävästi ja onko sen tuottaminen taloudellisesti järkevää. Lisäksi selvitetään, miten pakkaus kierrätetään ja mitkä ovat kokonaisympäristövaikutukset.

Tutkijoilla on myös vastuu viestiä suurelle yleisölle

Liimataisen mukaan uusien tuotteiden kaupallistaminen on edelleen vaikeaa.

– Tehokasta yhteistyötä tarvitaan. Barrier-kehityksessä on mukana seitsemän tutkimuslaitosta ja kahdeksan kansainvälisesti toimivaa yritystä, jotka ovat vieneet innovaatiota eteenpäin.

Lainsäädäntö kiristyy koko ajan ja vie asioita vihreämpään suuntaan, mikä edesauttaa biotuotteiden markkinoille tuloa. Kustannukset ovat kuitenkin keskeinen asia. Kun raaka-aine on uusi ja sen prosessointia kehitetään edelleen, se ei ole yhtä kilpailukykyinen kuin esimerkiksi monet muovimateriaalit.

Yritykset tiedostavat jo ympäristövastuunsa paremmin. Lisäksi tarvitaan kysyntää puhtaasti biopohjaisille tuotteille. Tutkijatkaan eivät voi jäädä ulkopuolelle.

– Väistämättömässä kehityskulussa on pakko olla mukana ja tutkimuksista tiedottaminen on osa tutkijan työtä. Meidän tutkijoiden pitäisi osata kertoa yleistajuisesti tutkimusaiheista ja mihin kokonaisuuteen ne liittyvät. Aina ei ymmärretä, että suuri yleisökin on kiinnostunut.

Sellaista, mitä ei edes ole

Liimatainen korostaa, että tutkimusyksikössä kehitetään paljon täysin uudentyyppisiä materiaaleja ja rakenteita – sellaista, jota ei ole olemassa. Yksi alue on vihreä elektroniikka: ainutlaatuista on, että elektroniikkaa kehitetään nanoselluloosamateriaaleista.

– Olemme erikoistuneet tulevaisuuden tietoverkkoihin, 5G-/6G-sovelluksiin yhdessä professori Heli Jantusen johtaman mikroelektroniikan tutkimusryhmän kanssa. Kehitämme kokonaan uusia biomateriaaleja, joilla voidaan modifioida 5G-/6G-verkkojen signaaleja. Ne toimivat korkeammalla taajuusalueella, jotta voidaan siirtää tehokkaammin informaatiota.

Korkeissa taajuuksissa on kuitenkin paljon signaalihäviöitä ja muita ongelmia.

– Tarvitaan materiaaleja ja rakenteita, jotka läpäisevät, suuntaavat, suodattavat ja vahvistavat signaalia. Nanoselluloosalla on ainutlaatuisia sähköisiä ominaisuuksia näihin tarkoituksiin. Olemme tässä tutkimuksessa globaalisti uuden äärellä ja se on herättänyt paljon mielenkiintoa.