Teksti Tuomas Lehtonen
Susanna Forssell selvitti väitöksessään, miten epoksidoitua kraft-ligniiniä ja karboksyloituja selluloosananokiteitä voisi valmistaa kannattavasti tehdasmittakaavassa. Molemmat materiaalit ovat hyvin lupaavia biotalouden raaka-aineita.
Forssell käytti tutkimuksessaan KTH:n (Tuhkolmassa toimiva Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu) kehittämää innovaatiovalmiustasomallia, jolla arvioidaan innovaation tasapainoista kehitystä eri osa-alueilla. Tutkimuksesta saadut tulokset olivat lupaavia.
Tulevaisuudessa massavalmistettua epoksidoitua kraft-lingiiniä voidaan käyttää esimerkiksi pinnoitteena ja karboksyloituja selluloosananokiteitä polymeerien sekä nanokomposiittien vahventimina.
Mikä on väitöskirjasi merkittävin tulos?
Epoksidoidun kraft-ligniinille ja karboksyloiduille selluloosananokiteille sekä niiden valmistusprosesseille on aiemmin demonstroitu uudet laboratoriomittakaavan valmistusmenetelmät Aalto-yliopistossa. Omassa tutkimuksessani suunnittelin tuotteille tehdasmittakaavan prosessit ja suoritin niiden teknistaloudellisen arvioinnin.
Epoksidoidulla kraft-ligniinillä on palo- ja vedenkestäviä ominaisuuksia. Siksi se soveltuu pinnoitteeksi tai formaldehydivapaaksi vaihtoehdoksi fenoli-formaldehydihartseille.
Selluloosananokiteillä on puolestaan poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten niiden mekaaninen lujuus, helposti muokattavat pintaominaisuudet ja optinen läpinäkyvyys. Näiden ominaisuuksien vuoksi niitä on ehdotettu hyödynnettäväksi esimerkiksi pakkausmateriaaleissa sekä polymeerien ja nanokomposiittien vahventimina.
Käytin työssäni KTH:n kehittämää innovaatiovalmiustasomallia. Sen avulla voidaan arvioida, eteneekö innovaation kehitys tasapainoisesti kuudella eri valmiustasolla eli innovaation osa-alueella, kuten teknologiakehityksessä, liiketoimintamallin kehityksessä sekä tiimi- ja IPR-valmiustasojen kehityksessä.
Tulosten perusteella molempien tuotteiden kehitys on varsin tasapainoista. Karboksyloitujen selluloosananokiteiden kehitys on edennyt pisimmälle teknologiavalmiustason (TRL) osalta, kun taas epoksidoidun kraft-ligniinin kehitys on pisimmällä tiimi- ja IPR-valmiustasojen osalta.
Jotta molempien tuotteiden skaalaaminen tehdasmittakaavaan onnistuu, molempien tuotteiden kaikkia kuutta valmiustasoa on kehitettävä. Skaalaus vaatii siis rahallista panostusta. Molempia tuotteita on kuitenkin tulevaisuudessa mahdollista valmistaa taloudellisesti kannattavasti.
Väitöskirjani tulokset ovat esimerkkejä siitä, että tällaisia uusia biopohjaisia tuotteita voidaan skaalata teolliseen mittakaavaan ja rakentaa niiden pohjalta kannattavaa liiketoimintaa.
”Teknistaloudelliset selvitykset ovat erityisen tärkeitä silloin, kun raaka-aine on biopohjaista ja tuotteet bulkkituotteita.”
Miten tuloksiasi voi soveltaa?
Saamani tulokset havainnollistavat, millaisia biopohjaisia tuotteita Suomessa voidaan kehittää. Metsäteollisuus on Suomessa merkittävä ala ja maassamme on paljon osaamista tällä alueella.
Toivon, että tulokset voisivat toimia inspiraationa muille tutkijoille, jotka kehittävät uusia ratkaisuja. On muistettava, että monet näistä sovelluksista voivat sopia myös kuluttajatuotteiksi. Se asettaa myös hinnoittelulle ja tuotannon volyymeille selvät raamit.
Teknistaloudelliset selvitykset ovatkin erityisen tärkeitä silloin, kun raaka-aine on biopohjaista ja tuotteet niin sanottuja bulkkituotteita, joiden hinta ei välttämättä ole kovin korkea.
Uusien prosessien skaalaus teolliseen mittakaavaan vaatii useita askeleita, joten jatkotutkimustarpeita on runsaasti. Epoksidoidun kraft-ligniinin ja karboksyloitujen selluloosananokiteiden skaalauksen seuraavat vaiheet liittyvät pilottimittakaavan kokeisiin laitteilla, jotka muistuttavat teollisen mittakaavan prosessilaitteita.
Selluloosananokiteiden osalta osa vaiheista on jo testattu pilottimittakaavan laitteilla, mutta laajemmat kokeet ovat tarpeen. Tuotantovalmiuden kasvattaminen suurempaan mittakaavaan edellyttää myös asiakkaiden testieriä, tuotteen konseptitodistusta (POC) ja hyväksyntämenettelyjä. Lisäksi esimerkiksi jäteveden käsittely ja ympäristöjalanjälki tulisi arvioida tarkasti.
Kaupallisesta näkökulmasta jatkotutkimusta tarvittaisiin erityisesti raaka-ainetoimittajien, asiakkaiden, viranomaisten ja muiden sidosryhmien kanssa tehtävän yhteistyön syventämiseksi ja liiketoimintamallin kehittämisessä parhaiten heidän tarpeitaan vastaavaksi.
Mitä väitöksen tekeminen merkitsi sinulle?
Olen todella onnellinen, että sain päätökseen vuosien väitöskirjatutkimuksen. Aihe oli erittäin mielenkiintoinen. Sain myös mahdollisuuden tehdä tutkimusta Aalto-yliopiston tehdassuunnittelun tutkimusryhmässä, jossa on vahvaa asiantuntemusta tältä alalta. Sen myötä avautui myös mahdollisuus tehdä antoisaa yhteistyötä muiden tutkijoiden kanssa.
Opin väitöskirjatyön aikana paljon substanssiosaamista sekä pitkäjänteisyyttä ja ongelmanratkaisutaitoja, joista on hyötyä urallani myös jatkossa.
Mitä teet urallasi seuraavaksi?
Urani seuraava askel on vielä avoin. Tutkin parhaillaan eri vaihtoehtoja ja odotan mielenkiinnolla, mihin suuntaan urani etenee.
Mikä toimii parhaiten työsi vastavoimana – miten tyhjennät pääsi tutkimuksesta?
Parhaiten tutkimuksen vastapainona toimii perheen ja ystävien kanssa vietetty aika, joka saa irtautumaan arjesta ja keskittymään täysin muuhun kuin tutkimukseen. Myös luonnossa liikkuminen tarjoaa hyvää tasapainoa ja auttaa palautumaan.
DI Susanna Forssellin kemian tekniikan alaan kuuluva väitöskirja Scaling up the production of value-added biobased products to industrial scale tarkastettiin Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa, Kemian tekniikan ja metallurgian laitoksella, Espoossa 27.6.2025. Vastaväittäjänä toimi professori Luiz Pereira Ramos, Federal University of Paranásta, Brasiliasta ja kustoksena professori Pekka Oinas, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulusta.
