Ilmastonmuutos, luontokato ja kestävyysajattelu ajavat biomateriaalien tutkimusta ja kehitystä VTT:llä. Luonnosta lähtöisin olevien PHA-polymeerien, proteiinipohjaisten biomateriaalien, ja jopa sienirihmastojen avulla pyritään löytämään vaihtoehtoja perinteisille, luontoa kuormittavimmille valmistusmenetelmille sekä fossiilipohjaisille materiaaleille. Nyt näitä materiaaleja kehitetään entistä nopeammin ja varmemmin tekoälyn avulla.
Lue tiivistelmä
- Biosynteettiset materiaalit, kuten PHA-polymeerit ja proteiinipohjaiset materiaalit, hyödynnetään biotekniikan edistyksellä, mahdollistamalla laajamittaiset kiertotalouden mukaiset tuotteet.
- Tekoäly jouduttaa biopohjaisten materiaalien kehitystä optimoimalla polymeerien ominaisuuksia ja tuotantokustannuksia, vaikka teolliseen käyttöön liittyy vielä merkittäviä haasteita.
- Haasteita biosynteettisten materiaalien laajemmalle käyttöönotolle ovat muun muassa investoinnit teolliseen tuotantoon ja korkeammat tuotantokustannukset verrattuna synteettisiin materiaaleihin.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Ympäristökriisin kiihtyessä tarve kestävien, uusiutuvista lähteistä valmistettavien ja mikromuovivapaiden materiaalien kehittämiselle on noussut kriittisen tärkeäksi. Biopohjaiset materiaalit, luonnosta peräisin olevat tai biologisten prosessien kautta tuotetut materiaalit, tarjoavat lupaavan vaihtoehdon perinteisille muoveille ja synteettisille yhdisteille.
”Me VTT:llä työskentelemme muun muassa sellaisten biopolymeerien parissa, jotka voidaan kasvattaa tai tuottaa mikrobien avulla bioreaktorissa. Nämä niin sanotut biosynteettiset materiaalit tuotetaan bioreaktoreissa fermentoimalla hyödyntäen mikrobien luontaista biokemiaa. Koska tätä prosessia kyetään hallitsemaan enenevissä määrin molekyyli ja prosessitasolla, voidaan mikrobeja näin valjastaa räätälöityjen materiaalikomponenttien teolliseen valmistukseen”, kertoo VTT:n erikoistutkija Géza Szilvay.
Biosynteettiset materiaalit eivät tarjoa yksittäistä ratkaisua, vaan pikemminkin nopeasti laajenevan paletin materiaalityyppejä, jotka vaihtelevat ominaisuuksiltaan, alkuperältään ja käyttökohteiltaan. Niitä yhdistää yksi yhteinen tekijä: pyrkimys ekologisempaan, kiertotalouden periaatteita noudattavaan maailmaan, sekä tulevaisuudessa myös uusiin, räätälöityihin materiaalin toiminnallisuuksiin.
Biosynteettisten materiaalien kehitystä ja käyttöönottoa jouduttavat teknologiset harppaukset biotekniikan alalla. Näitä harppauksia ovat muun muassa laskennallisten menetelmien kehittyminen ja laskentatehon kasvaminen, sekvensointi, syntetisointi ja kyvykkyys muokata DNA:ta paremmin kuin koskaan aikaisemmin sekä kehittynyt seulonnan ja fermentointiprosessien automatisointi.
Tämä tarjoaakin entistä parempaa ymmärrystä siitä, mitä mikrobien sisällä tapahtuu ja mahdollistaa niiden muokkaamista halutulla tavalla. Myös prosessin kehitys ja skaalaus laboratoriotasolta teolliseen mittakaavaan on entistä nopeampaa.
Sienirihmastoista PHA-polymeereihin ja proteiinipohjaisiin materiaaleihin
VTT on päättänyt keskittyä PHA-polymeereistä, proteiineista, sekä sienirihmastoista kehitettäviin materiaaleihin. Palettia täydentävät entsyymit, joilla voidaan räätälöidä ja tuottaa biopohjaisia polymeerejä.
”Näemme kasvupotentiaalia juuri näissä valituissa materiaalityypeissä etenkin kahdesta syystä. Ensinnä, niitä voidaan bioteknisesti valmistaa teollisista sivuvirroista, jopa CO2-päästöistä. Toiseksi näiden molekyylien kemiallinen ja rakenteellinen valikoima on niin suuri, ettei edes luonnon evoluutio ole ehtinyt kokeilla kaikkia mahdollisuuksia”, Szilvay jatkaa.
Haaste tutkijoille on löytää suuresta määrästä mahdollisuuksia ne teknologisesti olennaisimmat toiminnallisuudet.
”Luonnosta löytyy lukemattomia hämmästyttävän korkean suorituskyvyn omaavia materiaaleja ja polymeerejä, mutta ne eivät välttämättä sellaisenaan sovi teollisiin tuotantoprosesseihin. Siksi kehitämme työkaluja löytämään juuri ne tiettyyn sovellukseen ja prosessiin sopivimmat polymeerit”, kertoo Szilvay.
Sienirihmasto on maan alla kasvava kuitumainen verkosto, joka voidaan kasvattaa hallituissa olosuhteissa esimerkiksi maatalouden sivuvirroista. Kuivattuna ja puristettuna rihmastosta muodostuu kevyt, vahva ja täysin biohajoava materiaali. Sienirihmaston sovellukset vaihtelevat rakennusmateriaaleista muotoilutuotteisiin ja nahkajäljitelmiin.
PHA-polymeerit ovat taas mikrobien tuottamia polyestereitä, joiden ominaisuudet ovat synteettisten muovien kaltaisia. Ne ovat kuitenkin täysin biohajoavia, kierrätettäviä, eivätkä tuota pysyviä mikromuoveja. Ne ovat myös bioyhteensopivia ja täten soveltuvat hyvin esimerkiksi lääketieteellisiin sovelluksiin. PHA:n tuotanto perustuu fermentointiprosesseihin, joissa bakteerit muuntavat orgaanisia aineita tai CO2:a polymeereiksi.
Bioteknisesti tuotetuista proteiineista puolestaan voidaan valmistaa kuituja, päällysteitä tai komposiittimateriaaleja. Sovelluskohteita on biolääketieteessä, tekstiileissä, sekä ihon- ja hiustenhoitotuotteissa. Esimerkiksi biosynteettistä hämähäkin silkkiproteiinia käytetään ihonhoitotuotteissa sekä kuituna tekstiileissä. Biosynteettisten proteiinimateriaalien etuna on niiden luontainen bioyhteensopivuus sekä mahdollisuus sisällyttää biofunktionalisuutta. Lisäksi proteiinin rakennetta muokkaamalla voidaan hienosäätää materiaaliominaisuuksia ja tuoda uusia toiminnallisuuksia käyttökohteen mukaan.
Tekoäly jouduttaa kehitystä
Biopohjaisten materiaalien kehitys on perinteisesti vaatinut runsaasti laboratoriotyötä, kokeiluja ja aikaa vievää testausta. Nyt tekoäly sekä laskennalliset menetelmät jouduttavat prosesseja, tuoden mukanaan uusia työkaluja, jotka nopeuttavat biosynteettisten materiaalien suunnittelua, ja siten löytää uusia käyttösovelluksia.
”Yksi tekoälyn merkittävimmistä rooleista on polymeerien materiaaliominaisuuksien ennustamisessa hyödyntämällä esimerkiksi laskennallisia malleja ja kokeellista dataa. Tekoäly toimii biomateriaalien kehityksen kiihdyttäjänä. Toisaalta lisääntyvän robotiikan myötä sitä voidaan hyödyntää enenevissä määrin myös bioprosessien parantamiseen ja siten tuotantokustannusten alentamiseen”, Szilvay sanoo.
”Toivomme, että jatkossa voimme tekoälyn avulla kehittää suoraan toivotunlaisia ratkaisuja, ilman aikaa vievää kokeiluvaihetta”, Szilvay sanoo.
Vaikka biosynteettisten materiaalien potentiaali on valtava, ennen niiden laajempaa käyttöönottoa on ratkaistava useita kysymyksiä. Keskeisimpiä haasteita ovat teolliseen tuotantoon tarvittavat investoinnit sekä tällä hetkellä vielä synteettisiä materiaaleja korkeammat tuotantokustannukset.
Biosynteettiset materiaalit ovat murrosteknologioita, joita tarvitaan kiertotalouden potentiaalin täysmääräiseksi hyödyntämiseksi: sen sijaan, että luonnonvaroja käytetään yksisuuntaisesti, niistä pyritään rakentamaan suljettuja, kiertotalouden mukaisia järjestelmiä, joissa materiaalit palaavat takaisin luonnon kiertoon tai uuteen käyttöön. VTT haluaa uudistaa niiden avulla teollisuutta ja avata uusia polkuja kestävämpään tuotantoon.
Kuvat: Manuel Arias Barrantes
