Teksti Anni Turpeinen, kuvat Heidi Strengell
Ligniini on ollut metsäteollisuudelle sellunkeiton suurin sivuvirta. Kun VTT:n tutkija Anna Kalliola keksi kokeilla ligniinille happi-alkalikäsittelyä, kehittyi LigniOx-prosessi, ja nyt koelaitos nousee Äänekoskelle. Keksinnön myötä betonia voidaan notkistaa ja valmistaa ympäristöystävällisemmin. Mitä oivallus merkitsee tutkijalle ja millaiset ovat hänen arvonsa?
VTT:n tutkimuslaboratoriossa Espoossa oli aivan tavallinen työpäivä syyskuussa 2013. Tutkija Anna Kalliola oli syventynyt väitöstutkimukseensa, joka keskittyi biojalostuksen merkittävimpään sivuvirtaan, ligniiniin.
”Aluksi tutkimme sellukuidun jäännösligniinin happidelignifiointia ja sen ilmiömallintamista. Tästä poiki uusi ajatus. Päätimme lisätä mustalipeästä eristettyyn tekniseen ligniiniin anionista varausta alkali-happihapetuksella”, Kalliola kertoo.
”Löydös oli mielenkiintoinen, mutta emme me silloin arvanneet, että se olisi mikään ihmeellinen juttu.”
Nyt keksinnöllä on lukuisia mahdollisia käyttökohteita sekä huomattavaa kaupallista ja ekologista potentiaalia.
”Hapetettu ligniini toimii kuten polyelektrolyytti. Sitä voitaisiin kokeilla sovelluksiin, joihin yleensä käytetään anionisia polymeerejä eli esimerkiksi sementin dispergointiaineena.”
Dispergointiaineet kiinnittyvät löyhästi partikkelien pintaan ja pitävät ne erillään toisistaan. Tällöin esimerkiksi pigmenttilietteestä saadaan tasainen, stabiili ja helposti käsiteltävä.
”Olemme osoittaneet, että hapetettu ligniini notkistaa betonia.”
Käytännönläheinen insinööri
Anna Kalliola ei ole aivan tyypillinen tutkijaluonne, joka kaivautuu tutkimusten pohjamutiin.
Pikemminkin hän haluaa jo alkuvaiheessa ymmärtää, miten asiat ja tutkimusaiheet liittyvät isompaan kokonaisuuteen. Häntä kiinnostaa, löytyisikö keksinnöille hyödyntäjää.
Yksinkertaiset ja käytännönläheiset ratkaisut ovat hänestä parhaita.
”Olen insinööriluonne. En innostu uusista jutuista liian helposti.”
”En innostu uusista jutuista liian helposti – paitsi, jos kuulen kunnon perustelut. Olen joskus myös suurpiirteinen, mikä ei ole tutkijoille kovin tyypillistä.”
Hän ottaa esimerkiksi ruoanlaiton.
”En jaksa noudattaa reseptejä. Leivonnassa reseptin seuraaminen on erityisen tärkeää. Siksi leivon harvoin”, Kalliola nauraa.
Mielenkiintoinen työ sattumien summana
Jotkut tutkijat oivaltavat oman alansa jo lapsena. Anna Kalliola ei ollut sellainen. Hän oli lahjakas oppilas ja piti koulunkäynnistä, mutta unelma-ammattia ei ollut.
Luonnontieteellistä ajattelutapaa hän oppi kotona. Biologia ja kemia kiinnostivat koko kouluajan.
Lukion jälkeen Anna valitsi insinööritieteet ja suuntasi sinne, minne todistuksella pääsi suoraan sisään.
”Serkkuni opiskelivat tuolloin Otaniemessä ja suosittelivat paikkaa. Siispä muutin kotiseudulta Keski-Suomesta Espooseen ja aloitin TKK:lla puunjalostustekniikan opiskelut vuonna 1993.”
”Sanoisin rohkaisuksi monelle lukiolaiselle, että mielenkiintoiseen työhön voi myös ajautua.”
Pääaineena hän luki puunjalostuksen kemiaa ja sivuaineina bioprosessitekniikkaa sekä lisäksi Helsingin yliopistossa biokemiaa.
Opintojen välissä hän suoritti varusmiespalveluksen Ilmavoimien Viestikoulussa Tikkakoskella.
”Sanoisin rohkaisuksi monelle lukiolaiselle, että mielenkiintoiseen työhön voi myös ajautua. Usein aihe vie mennessään, kun siihen perehtyy tarkemmin. Itsekin tiesin olevani oikealla alalla vasta pääaineopintoja tehdessäni.”
Diplomi-insinöörinä UPM:lle
Diplomi-insinööriksi Kalliola valmistui vuonna 2000, jonka jälkeen hän työskenteli UPM:llä tutkimuksessa ja tuotekehityksessä kuitumassojen ja paperin valmistusprosessien kehityshankkeissa.
VTT:lle hän siirtyi vuonna 2005 prosessikemian mallinnuksen pariin, josta ligniinikemisti, dosentti Tarja Tamminen nappasi hänet mukaan ligniiniin liittyviin tutkimuksiin. Kalliola teki tohtorinopinnot työn ohessa VTT:llä ja väitteli tekniikan tohtoriksi Aalto-yliopistossa vuonna 2015.
”Tutkimukseni käsitteli teknisten ligniinien alkali-happihapetusta ja hapetettujen ligniinien käyttöä erilaisissa materiaalisovelluksissa. Aihepiirissä oli ja on edelleen nostetta.”
Väitöstyössä ”LigniOx-tutkimusryhmän” VTT:llä muodostivat tutkimuksen ohjaaja Tarja Tamminen, betonikemisti Tapio Vehmas ja Kalliolan silloinen esihenkilö polymeerikemian tohtori Tiina Liitiä.
Ligniinin näkymättömät, tärkeät reaktiot
Ligniinin hapetusreaktiot eivät näytä ulospäin miltään. Jauhemaista ruskeaa ligniiniä liuotetaan alkaliin. Liuos pumpataan reaktoriin, jonka sisälle ei pääse kurkkimaan.
”Lisäämme 215 litran reaktoriin parinkymmentä kiloa ligniiniä alkaliin liuotettuna. Reaktoriin syötetään happea. Tarkkailemme hapen kulumista sekä muita parametreja. Reaktiot tapahtuvat suhteellisen nopeasti. Niiden seurauksena ligniinin anionin varaus kasvaa ja se muuttuu vesiliukoiseksi. Tuotoksena saadaan siis ruskeaa lientä, josta vain analyyseilla ja sovellustestillä voidaan nähdä, mitä ligniinirakenteille on tapahtunut”, Kalliola selostaa.
Mustalipeästä eristetty ligniini haisee paremmalle hapetuksen jälkeen, koska myös rikkiyhdisteet ovat hapettuneet.
LigniOx-koelaitos Äänekoskelle
LigniOx-prosessin esiaste syntyi väitöskirjatyön tuloksena. VTT kehitti prosessia ensin omarahoitteisesti ja myöhemmin löysi partnerit 4,5-vuotiseen yhteisrahoitteeseen EU-hankkeeseen, joka päättyi vuonna 2022.
Kehitystyötä on jatkettu Metsä Fibren ja prosessiteknologiayritys Andritzin kanssa.
Metsä Fibre on tehnyt investointipäätöksen LigniOx-koelaitoksen rakentamisesta Äänekosken biotuotetehtaan yhteyteen. Laitoksen teknologiatoimittajana toimii Andritz.
LigniOxin kehitys on tutkimuksille tyypilliseen tapaan lähtenyt liikkeelle koeputkesta ja pienen mittakaavan kokeista.
VTT:llä reaktoreiden kokoa on kasvatettu 1,5 litrasta nyt pariin sataan litraan. Lisäksi ligniinin hapetuksesta ja jälkikäsittelystä on kehitetty prosessikonsepti, joka on integroitavissa sellutehtaaseen.
Äänekosken koelaitoksen tuotantokapasiteetti on kaksi tonnia uutta ligniinituotetta päivässä.
”Jos kaikki menee hyvin, koelaitosvaiheen jälkeen on mahdollista edetä kaupalliseen mittakaavaan”, Anna Kalliola toteaa.
”On kaikkien etu, että sellutehtaat pyrkivät löytämään jokaiselle sivuvirralle hyödyllisen ja arvokkaan käytön.”
Ligniini kiinnostaa monia toimijoita ympäri maailmaa
Ligniini toimii puussa eräänlaisena liimana sitomalla puukuidut yhteen. Ligniini myös vahvistaa kuidun soluseiniä, antaa puulle sen kestävyyden ja tekee puusta vähemmän läpäisevän vedelle. Lisäksi se auttaa suojaamaan puuta taudinaiheuttajilta, kuten sieniltä ja bakteereilta.
”Selluteollisuudessa ligniini pitää poistaa, jotta puusta saadaan selluloosaa paperin ja kartongin tuotantoon. Prosessi on merkittävä, sillä puuaines sisältää ligniiniä 25–30 prosenttia.”
Sellun kemiallisessa keitossa ligniini vapautuu keittoliuokseen. Syntyy mustalipeää, josta metsäteollisuus tuottaa tehtaissa tarvittavaa lämpöä ja sähköä.
”Mustalipeän ligniini on tärkeä polttoaine ja tekee tehtaista energiaomavaraisia.”
Sivuvirrat tehokäyttöön
Sellutehtaissa ligniiniä vapautuu enemmän kuin mitä energiaomavaraisuus tarvitsee. Ylimäärä myydään sähkönä ulos tehtaasta.
Osa mustalipeän ligniinistä voitaisiin ottaa talteen ja käyttää öljypohjaisten materiaalien korvaajana.
Ligniiniä syntyy sivuvirtana sellutehtaiden lisäksi muistakin biojalostamoista, jotka jalostavat kasveista tai puusta biotuotteita.
”LigniOx-prosessi toimii mustalipeästä talteen otetun ligniinin lisäksi myös esimerkiksi puuperäisiä sokereita tuottavan laitoksen sivuvirtaligniinille. Jos teknisessä ligniinissä on fenolisia hydroksyyliryhmiä, hapetus toimii”, Kalliola kertoo.
Erinomainen markkinapotentiaali
LigniOx-prosessilla tuotetun ligniininon osoitettu toimivan betonin notkistajana synteettisten verrokkien tavoin. Betonin suurin ympäristökuormitus syntyy sementin valmistamisesta. Myös prosessien apuaineiden korvaaminen kestävämmillä vaihtoehdoilla on ympäristön kannalta merkittävää.
Maailmassa betonin valmistukseen käytetään notkistinapuaineita useita miljoonia tonneja joka vuosi.
”Yhä useampi valveutunut yritys haluaa korvata synteettiset apuaineet biopohjaisilla. Tuotteella on erinomainen maailmanmarkkinapotentiaali.”
”Toivon, että me ihmiset ymmärtäisimme lopettaa maapallon lämmittämisen.”
Työ ilmaston ja ympäristön hyväksi tuntuu Kalliolasta merkitykselliseltä. Hän kokee ammatillisten unelmiensa täyttyneen LigniOx-prosessin kehittämisen parissa.
”Toivon, että me ihmiset ymmärtäisimme lopettaa maapallon lämmittämisen. Tähän tarvitaan kaikkien panosta, uusia teknologioita ja ympäristöystävällisiä tuotteita sekä kierrätystä. Oleellista on myös kulutuksen supistaminen.”
LigniOxin kaupallinen potentiaali ei pääty betoniin.
”Olemme osoittaneet, että hapetettu ligniini toimii kipsin, maaleissa ja päällysteissä käytettyjen pigmenttien, kuten kalkin, titaanidioksidin ja erikoishiilimustan dispersanttina sekä mineraaliflotaatiossa mineraalien erotusta tehostavana apuaineena. Näitäkin aiheita viemme eteenpäin.”
Ligniiniin ei kyllästy
Kalliola vetää VTT:llä LigniOx-tutkimusta ja on mukana muissakin hankkeissa, joissa tavoitteena on korvata öljypohjaisia materiaaleja tai kemikaaleja ligniinillä ja havupuun kuoresta uutetuilla polyfenoleilla.
”Tutkimustyössä antoisinta on se, kun ymmärtää, mitä kokeiden tulokset kertovat ja löytää oleelliset riippuvuudet. Silloin pääsee tutkimuksessa eteenpäin. Se on innostava hetki, en kyllästy siihen koskaan.”
Kalliola kertoo, että suuren keksinnön tekeminen tuntuu hyvältä. Samaan aikaan hän tietää, kuinka pitkä matka on keksinnöstä tuotteen kaupallistamiseen.
”Haluan tukea LigniOx-kehitystä teollisen mittakaavan tuotantoon asti.”
”Tarvitsemme kipeästi ympäristön kannalta kestäviä ratkaisuja ja tuotteita. Mielenkiintoinen työ ligniinin parissa ei tule loppumaan kesken. Haluaisin löytää ligniinille sovelluskohteita, joissa ligniinin ruskea väri olisi etu pikemmin kuin haaste.”
Työn vastapainoksi Kalliola retkeilee meren rannalla, tutustuu lähitienoon luontokohteisiin ja mökkeilee Päijänteellä.
Marjastaminen, sienestäminen ja pojan kanssa kalastaminen ovat oivia keinoja nollata päätä silloin, kun työasiat tahtovat varastaa ajatuksia vapaa-aikana.
”Olen myös wannabe-salsadancer, ja harrastan miesystäväni kanssa parisalsaa. Nautin lattaritanssitunneista, mutta pääsen osallistumaan niille aivan liian harvoin.”
Anna Kalliola
- Johtava tutkija, VTT, tekniikan tohtori (metsätuotteiden kemia).
- Perhe: Tytär, joka opiskelee kemiantekniikkaa. Poika on lukiolainen. Perheeseen kuuluu myös sekarotuinen koira Meeri. Asuinpaikka espoo.
- MIKÄ ALKUAINE OLISIT JA MIKSI? Happi, koska se on oleellinen elämän kannalta ja myös tärkeä elementti tutkimuksessani.
- KETÄ KEMIAN ALAN IHMISTÄ IHAILET JA MIKSI? Ihailen ammattitaitoisia ihmisiä alasta riippumatta. Pidän siitä, miten ihmiset innostuvat työstään ja aikaansaannoksistaan ja osaavat kertoa siitä.
