Savonia-amk:n konetekniikan koulutusohjelman opintojaksolla Tuotantoyrityksen ympäristönhallinta vieraili 5.-6.4.2022 dosentti Elias Hakalehto (Itä-Suomen yliopisto, Helsingin yliopisto ja Finnoflag Oy). Täysipainoisessa ja havainnollisessa biojalostamisen esittelyssään hän kertoi teollisuuden transformaatiomahdollisuuksista kohti ilmastoystävällistä ja huoltovarmuutta lisäävää tuotantoa. Tämä on viides vuosikymmen, kun Elias Hakalehto on luennoimassa Savonia-amk:lla tai sitä edeltäneellä Kuopion teknillisellä oppilaitoksella. Hänen opetuksessaan tulivat erinomaisella tavalla esiin myös uuden tehokkaan ja samalla ympäristöystävällisen teollisuuden kehittämisen kansainväliset suuntaukset.
Elias kertoi opiskelijoille käytännöllisellä tavalla, mitä mikrobit ovat, ja miten niiden vaikutus tuntuu joka puolella näkyvällä tavalla, vaikka ne itse ovatkin silmälle näkymättömiä. Hän avasi opiskelijoille luonnon keskeisiä toimintaperiaatteita, kuten ravinnon tuottamista yhteyttämisen kautta, tärkeimpiä ravinteita, aineenvaihduntaa ja entsyymien tehtäviä siinä, ravintoketjuja sekä eloperäisen aineksen hajottamista. Opiskelijat saivat tietoa mikrobien (bakteerit, homeet, sienet, hiivat, jne.) roolista luonnon suuressa kiertokulussa, jossa aineet kiertävät ja energia virtaa.
Mikrobien toiminnan ymmärtäminen on erittäin tarpeellista, jotta niitä voidaan käyttää laajasti esimerkiksi arvokkaiden tuotteiden tuottamiseen jätteistä ja sivuvirroista. Tämä auttaa korvaamaan ja täydentämään fossiilisia raaka-aineita kemian teollisuudessa uusilla ympäristöystävällisillä lähteillä ja prosesseilla. Toisaalta Elias korosti konetekniikan osaamisen tärkeyttä, esimerkiksi suunniteltaessa ja valmistettaessa bioreaktoreita ja muita bio- ja jätemassojen käsittelylaitteistoja ym.
Mikrobeihin ja niiden entsyymeihin perustuvat tuotantoprosessit sekä näitä varten tarvittavat laitteistot (hardware) tulee suunnitella saumattomassa yhteistyössä, jotta laitteisto tukee optimaalisella tavalla biojalostusta. Mikrobit toimivat aineenvaihdunnassaan erittäin nopeasti, kun vain olosuhteet ovat niiden kannalta suotuisat. Tämä on todistettu yli viisi vuotta Tampereella kestäneiden biojalostamopilotointien yhteydessä. Siellä Näsijärven pohjasta nostettavaa nk. nollakuitua on menestyksellisesti hyödynnetty arvokkaana raaka-aineena. Enimmillään 10 metrin paksuinen sedimenttikerros sisältää vähintään 1,5 M kuutiota selluloosapitoista kuitua, joka on kertynyt teollisuuden sivuvirtoina ympäristöön sadan vuoden aikana. Hiedanrannan testiprojekteissa ovat mukana olleet lukuisat suomalaiset ja ruotsalaiset yliopistot ja yritykset, ja testien tuloksista tarkemmin jäljempänä.
Bioprosessien nopea ohjaus, optimointi ja säätö ovat avainasemassa. Mikrobien aineenvaihdunta tapahtuu niiden pintakerroksen kautta, ja kun mikrobeja on tavattoman paljon, niin niillä on yhdessä valtavan paljon reaktiivista pinta-alaa. Esimerkiksi yhdessä jugurttilusikallisessa on saman verran mikrobeja kuin maapallolla on väestöä. Mikrobien avulla tapahtuvalla biojalostuksella on siten korkea tuottavuus, jolloin paljon tuotteita muodostuu lyhyessä ajassa. Tämä puolestaan mahdollistaa pienemmän laitoskoon, ja siten edullisemmat investoinnit. Tuotanto tapahtuu hyödyntäen täysin luonnon omia keinoja, joten se on erittäin kestävää.
Biojalostamisen tuotteita ovat mm.
• energiakaasut (kuten vety ja metaani),
• biopolttoaineet (kuten etanoli ja butanoli),
• ”Platform chemicals” (kuten valeriaanahappo, ja 2,3-butaanidioli), joilla voi korvata öljyä esimerkiksi muovin ja synteettisen kumin valmistuksessa,
• ravinteet ja elintarvikkeiden turvalliset lisäaineet,
• orgaaniset lannoitteet ja maanparannusaineet, joilla saadaan takaisin ravinnontuotantoon eroosion tai liiallisen kemikaalisaation takia pilaantuneita maatalousmaita,
• kosmeettiset terveysturvalliset tuotteet,
• lääketeollisuuden komponentit ja nk. eksipienttien raaka-aineet (tablettien yms. kantaja-aineet),
• puhdas ilma, vesi ja maaperä.
Elias kertoi myös ABOWE-hankkeesta, jossa Savonia-amk ja Finnoflag Oy sekä kuusi partneria kuudesta Itämeren alueen maasta tekivät yhteistyötä. EU:n Itämeren alueen ohjelman, Työ- ja elinkeinoministeriön sekä Pohjois-Savon liiton rahoittamassa hankkeessa suunniteltiin ja rakennettiin uudenlainen biojalostamo-pilottilaitos, jota testattiin Savon Sellulla sekä Puolassa ja Ruotsissa. Savonia-amk toimi Lead Partnerina hankkeessa, ja teknologiatoimittajana toiminut Finnoflag Oy toi mikrobiologian ja bioteknologian osaamisen laitteiston suunnitteluun, rakentamiseen ja testaamiseen. Hankkeeseen osallistui toista sataa suomalaista eri alojen ammattikoulu-, amk- ja yliopisto-opiskelijaa, opettajaa, tutkimus- ja kehityshenkilöä sekä yritysten edustajaa. Vastaavasti mukana oli asiantuntijoita myös Saksasta, Puolasta, Ruotsista, Liettuasta ja Virosta.
Lisätietoa ABOWE:sta:
www.abowe.eu
Elias kertoi myös muiden projektien, kuten Tampereen Hiedanranta -projektin kautta biojalostamisesta käytännössä. Siellä syötteenä on käytetty järven pohjasta nostettua pitkään toimineen metsäteollisuuden dumppaamaa ns. nollakuitua. Tästä Finnoflag Oy on saanut mikrobien ja niiden entsyymien avulla tuotettua ennätystuottavuudella laktaattia ja mannitolia, joilla molemmilla on merkittävä arvo ja keskeinen asema mm. maailman elintarvike-, lääkeaine- ja kemianteollisuudessa. Näiden myrkyttömien, food-grade kemikaalien maailmanmarkkinat kasvavat noin 10% vuosittain. Kuten Tampereen Hiedanrannan teollisissa pilotoinneissa on todistettu jo viiden vuoden aikana, voidaan näin toimien päästä yhä uudestaan maailmanennätystason tuottoon ja tuottavuuteen uuden sukupolven biojalostamoissa. Tampereen projektissa ne voivat vaikuttaa hankkeen taloudelliseen tuottavuuteen oleellisesti. Samalla on mahdollista merkittävällä tavalla valmistaa esimerkiksi biovetyä ja luomulannoitteita täydentämään nykyistä vajetta energian- ja ravinnontuotannossa.
Hankkeiden toteuttamiseen ovat Tampereella osallistuneet Tampereen kaupungin lisäksi mm. maa- ja metsätalousministeriö sekä Ely-keskusten Blue bioeconomy -projekti, Ramboll Finland Oyj, Pöyry (nyk. Afry), sekä useat yliopistot ja kehitysyhtiöt. Hiedanrannassa saatuja ennätyksellisiä tuloksia esitellään mm. toukokuussa Wienissä EGU:n (European Geosciences Union) General Assemblyn yhteydessä, johon kuuluu maailmanlaajuisesti 19000 jäsentä.
Elias on luennoinut mikrobiologisen bioteknologian ja biojalostusteknologian mahdollisuuksista kuudella mantereella, mm. Kaliforniassa Suomen, Ruotsin ja Norjan kauppakamarien yhteisessä Green Connections -tapahtumassa marraskuussa 2021. Hän kertoi myös jatko-opinnoistaan 1980-luvulla kolmessa englantilaisessa yliopistossa, mukaan lukien University College of London, missä teollisen biotekniikan, antibioottien teollisen tuotannon pioneerit, F.R.S. (Fellow of Royal Society) Prof. Malcolm D. Lilly ja Peter Dunnill opettivat vajaat 40 vuotta sitten teollisen bioteknologian (biochemical engineering).
Sittemmin on Hakalehdon ja R&D yhtiönsä Finnoflag Oy:n toimesta kehitetty uutta prosessitekniikkaa, jossa hyödynnetään mikrobiyhteisöjen resursseja arvokemikaalien, energiakaasujen ja orgaanisten lannoitteiden tuotannossa. Näillä menetelmillä voidaan toteuttaa taloudellisesti ja kestävällä tavalla mm. petrokemian teollisuuden ja polymeerien valmistuksen, ravinnontuotannon ja lääkeaineteollisuuden täydentäminen uusilla aineilla sekä materiaaleilla.
Monet konetekniikan opiskelijoista jäivät luentojen jälkeen keskustelemaan dosentti, mikrobiologi Elias Hakalehdon kanssa. Poikkitieteellisen yhteistyön tarjoamat tulevaisuuden valtavat mahdollisuudet antoivat yhteisiä ilon ja oivalluksen aiheita. Biojalostus on kiistattomasti yksi lupaavimmista teollisen kehittämisen aloista maailmanlaajuisesti. Mikrobiologian, bioprosessien ja konetekniikan yhdistetty osaaminen tarjoavat tälle kehittämiselle välttämättömän osaamispohjan.
Yksi kuulijoista oli konetekniikan ensimmäisen vuosikurssin opiskelija Mikael Tuovinen, joka kommentoi luennon olleen todella hyvän ja valaisevan, jo pelkästään mikrobien ja niiden mahdollisuuksien ymmärtämisen kannalta. Erityisesti häntä kiinnosti Zero Waste -ajattelu, ettei materiaalien prosessoinnista tulisi lainkaan jätettä, kun mikrobien avulla voitaisiin paremmin hyödyntää jätteet ja teolliset sivuvirrat. Mikaelin mielestä tulisikin keskittyä enemmän mikrobeihin ja niiden potentiaalin hyödyntämiseen teollisuudessa. Hän ei ollut aiemmin hahmottanut, millaisia mahdollisuuksia mikrobeihin ja niiden toimintaan liittyy. Tämä yllätti häntä!
Kirjoittaja:
Ari Jääskeläinen
Tuotantotalouden lehtori (DI, YTK)
Savonia-ammattikorkeakoulu