Kestävä polttoaineiden ja kemikaalien tuotanto vaatii uusien resurssien käyttöönottoa fossiilisten raaka-aineiden sijaan. Kasvien biomassa tarjoaa uusiutuvan energian ja raaka-aineiden lähteen, jonka solutehtaiksi suunnitellut bakteerit voivat muuntaa esimerkiksi voitelu- ja polttoaineiksi. Bakteereille kelpaavat ravinnoksi myös jätemateriaalit, jolloin tuotteiden valmistus ei kilpaile ruoan tuotannon kanssa. Milla Salmela tutkii väitöskirjassaan ligniinin ja lignoselluloosan muuntamista arvotuotteiksi bakteerien avulla.

Ligniini on biopolymeeri, joka voi muodostaa jopa noin kolmasosan kasvien kuivapainosta. Yhdessä selluloosan ja hemiselluloosan kanssa se muodostaa lignoselluloosaksi kutsutun kokonaisuuden, joka on runsain maan päällä esiintyvä uusiutuvan hiilen lähde.

– Kestävän kehityksen kannalta myös näitä uusiutuvia hiilen lähteitä tulee kuluttaa harkitusti. Esimerkiksi ligniiniä muodostuu jäte- ja ylijäämävirtana maatalouden ja metsäteollisuuden prosesseissa, jotka käsittelevät lignoselluloosaa. Tällä hetkellä näitä ylijäämävirtoja käsitellään pääsääntöisesti polttamalla, mutta ligniiniä voitaisiin hyödyntää raaka-aineena myös arvokkaammissa käyttökohteissa, kuten biotuotteiden valmistuksessa, Milla Salmela kertoo.

Lignoselluloosan monimutkainen rakenne asettaa haasteita sen biologiselle käsittelylle, sillä yksikään tunnettu mikrobi ei kykene yksinään hyödyntämään lignoselluloosan kaikkia osia. Lisäksi teollisissa prosesseissa muodostuva ligniini, eli tekninen ligniini, eroaa rakenteeltaan luonnollisesta ligniinistä. Se on tyypillisesti koostumukseltaan monimutkainen seos erinäisiä yhdisteitä, jotka ovat monille mikrobeille haitallisia.

Salmela ratkoo työssään näitä haasteita uuden solutehtaan avulla, joka hyödyntää teknisen ligniinin yhdisteitä ravinnoksi. Samalla se tuottaa niin kutsuttuja ”drop in” -biopolttoaineita ja kemikaaleja, jotka sopivat sellaisenaan korvaamaan vastaavia öljypohjaisia tuotteita. Ohjelmoimalla bakteerin aineenvaihduntaa solutehdas saadaan tuottamaan täysin uusia tuotteita, joita se ei luonnostaan tuottaisi.

– Tutkimuksessani arvioin Acinetobacter Baylyi ADP1 -nimisen bakteerin kykyä käyttää teknistä ligniiniä raaka-aineena. Bakteeri muuntaa tekniseen ligniiniin liittyviä yhdisteitä luontaisesti vahaestereiksi ja sen aineenvaihduntaa muokkaamalla tuotteiden kirjoa voidaan laajentaa kattamaan keskipitkiä ja pitkiä suoraketjuisia hiilivetyjä. Nämä ovat oivallisia korvikkeita esimerkiksi poltto- ja voiteluaineille sellaisenaan tai niitä voidaan jatkojalostaa kemiallisin reaktioin, Salmela selventää.

Raaka-aineen monipuoliseen hyödyntämiseen haettiin mallia luonnosta, missä mikrobit tyypillisesti elävät yhteisöissä ja voivat jakaa aineenvaihduntatuotteita keskenään. Rationaalisesti suunnitelluilla useamman mikrobilajin kasvatuksilla raaka-aine saadaan monipuolisesti hyödynnettyä halutuiksi lopputuotteiksi.

– Esimerkiksi selluloosa muuntuu yhden bakteerilajin avulla sopivaksi ravinnoksi ligniiniyhdisteitä käyttävälle toiselle bakteerille. Tämä mahdollistaa sekä selluloosan että ligniiniyhdisteiden käytön kohdennetuiksi tuotteiksi, Salmela kertoo.

Tampereella jo yli kahdeksan vuotta asunut Salmela on kotoisin Jyväskylästä. Väitöskirjatyö toteutettiin Tampereen yliopiston synteettisen biologian tutkimusryhmässä. 

Diplomi-insinööri Milla Salmelan biotekniikan alaan kuuluva väitöskirja Development of Bacterial Platforms for Upgrading of Technical Lignins tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 2.10.2020 klo 12.00 alkaen. Vastaväittäjänä toimii professori Marko Virta Helsingin yliopistosta. Kustoksena toimii Tenure track -professori Ville Santala Tampereen yliopistosta.

Yleisön on mahdollista seurata väitöstä etäyhteyden kautta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1674-7