Tulosta Tulosta Lähetä linkki Bookmark and Share

VTT soveltaa bioteknologiaa uusiin käyttökohteisiin

Solujen aineenvaihduntaa hyödyntämällä voidaan tuottaa bioetanolia ja muita arvokkaita kemikaaleja kuten biomuoveja.

Maatalousjätteestä hiivan avulla biopolttoainetta

VTT on kehittänyt menetelmiä, joilla maatalousjätteestä voidaan hiivan avulla valmistaa tehokkaasti biopolttoainetta. Solujen aineenvaihduntaa hyödyntämällä voidaan tuottaa paitsi bioetanolia myös lukuisia muita arvokkaita kemikaaleja, kuten biomuoveja sekä esim. ksylitolia, väriaineita ja lääkkeitä. Laajassa tutkimusohjelmassa on kehitetty myös entsyymien sovellusmahdollisuuksia teollisuudessa. Entsyymitekniikoiden avulla voidaan luoda esimerkiksi puukuiduille uusia käyttöominaisuuksia, mm. muuttaa sen sähkönjohtavuutta sekä veden imu- ja hylkimiskykyä.

Luonnonvarojen hyödyntäminen bioteknisin keinoin on kuulunut VTT:n kuusivuotisen Teollisen biotekniikan tutkimusohjelman tavoitteisiin. Päättymässä oleva tutkimusohjelma on yksi Suomen Akatemian huippuyksiköistä. Tutkimustyö on keskittynyt uusiutuvien luonnonvarojen hyödyntämiseen.

Kemikaaleja uusiutuvista luonnonvaroista

VTT on Teollinen biotekniikka -tutkimusohjelmassa tutkinut erityisesti hiivan fysiologian perusilmiöitä, joiden ymmärtäminen on oleellista, jotta hiivaa voidaan käyttää tehokkaana kemikaalien tuotto-organismina. Metabolian eli aineenvaihdunnan muokkaaminen vaatii syvällistä ymmärrystä mikrobin molekyylibiologiasta ja aineenvaihdunnasta. Kokonaisvaltaisen käsityksen saamiseksi tarvitaan myös genomi- eli perimätietoon perustuvia molekyylibiologian ja tietotekniikan uusimpia menetelmiä.

Leivinhiivan solutason tuntemusta voidaan hyödyntää bioetanolin tuotannossa. Akuutti tarve hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen sekä ongelmat raakaöljyn saatavuudessa ovat lisänneet kiinnostusta kehittää menetelmiä, joiden avulla hyödyllisiä yhdisteitä, kuten bioetanolia, voidaan tuottaa uusiutuvista raaka-aineista. Biotekniikan ja erityisesti geenitekniikan avulla voidaan kehittää tehokkaita menetelmiä, joilla maatalousjäte, teollisuuden sivuvirrat tai metsäjäte voidaan jalostaa arvokkaiksi tuotteiksi. Bioetanolin tuotto autojen polttoaineeksi on erinomainen esimerkki siitä, miten biotekniikan avulla voidaan edistää kestävää kehitystä.

Kasviperäisten jätteiden sisältämät sokerit voidaan muuttaa mikrobien aineenvaihdunnan avulla uusiksi, halutuiksi yhdisteiksi. Metabolian muokkauksella eli mikrobien aineenvaihduntareittien hallitulla ohjauksella pyritään siihen, että mikrobi tuottaa annetuista sokereista tehokkaasti juuri haluttua tuotetta mahdollisimman puhtaana ja paljon. Jotta tuotteen saanto raaka-aineesta olisi mahdollisimman suuri, hiivan tulee pystyä käyttämään kaikki biomassan sokerit - glukoosin (heksoosisokeri) lisäksi myös pentoosisokerit, kuten ksyloosi ja arabinoosi, ja valmistamaan niistä haluttua yhdistettä.

Leivinhiiva on yksi yleisimmin bioprosesseissa käytetyistä tuottomikrobeista, ja sillä valmistetaan glukoosista tällä hetkellä lähes kaikki liikenteen polttoaineena käytettävä bioetanoli. Se ei kuitenkaan pysty luonnostaan käyttämään pentoosisokereita. Metabolian muokkausta tarvitaan, jotta hiiva voi käyttää tehokkaasti myös ksyloosin ja arabinoosin.

Laajat sovellusmahdollisuudet

Solujen aineenvaihduntaa hyödyntämällä voidaan tuottaa bioetanolin lisäksi myös lukuisia muita arvokkaita kemikaaleja, kuten ksylitolia, väriaineita ja lääkkeitä, sekä kemian teollisuuden lähtöaineita ja biomuoveja. Metabolian muokkaus mahdollistaa tehokkaan bioteknisen tuoton sekä biomassan käytön raaka-aineena öljyn sijasta.

USA:n kemianteollisuus arvioi, että 25 % orgaanisista kemikaaleista tuotetaan uusiutuvista raaka-aineista vuonna 2020, kun tällä hetkellä noin 5 % orgaanisista kemikaaleista tuotetaan uusiutuvista raaka-aineista. Eurooppalaisissa visioissa arvio vuodelle 2025 on 30 %.

Uusia, kiinnostavia hapettavia entsyymejä

Teollisuustoiminnassa tärkeät, hapetusreaktioita tekevät entsyymit, ovat olleet toinen keskeinen teema VTT Teollinen biotekniikka -tutkimusohjelmassa. Tutkijat ovat keskittyneet uusien hapettavien entsyymien seulontaan ja karakterisointiin eli ominaisuuksien selvittämiseen mm. reaktiomekanismien ja rakenteen sekä toiminnan väliseen vuorovaikutukseen. Entsyymejä on myös muokattu tehokkaammiksi suunnatun evoluution keinoin. Työn tavoitteena on uusiutuvien luonnonvarojen, kuten lignoselluloosan, tehokas hyödyntäminen sekä ympäristöystävällisten entsymaattisten hapetustekniikoiden kehittäminen.

Tutkimusohjelmassa on löydetty, ylituotettu ja karakterisoitu runsaasti uusia kiinnostavia hapettavia entsyymejä mm. lakkaaseja, tyrosinaaseja, lipoksygenaaseja, haloperoksidaaseja ja sulfhydryylioksidaaseja. Erityisen kiinnostavia entsyymejä ovat kuparioksidaasit, lakkaasit ja tyrosinaasit. Niillä on paljon mahdollisia sovelluksia, esimerkiksi paperi- ja selluteollisuudessa, kemian-, tekstiili- sekä elintarviketeollisuudessa.

VTT on mm. kehittänyt menetelmän, jossa lakkaasin avulla voidaan muuttaa kuidun ominaisuuksia: esimerkiksi sen sähkönjohtavuutta tai kykyä imeä vettä tai hylkiä sitä. Entsymaattinen tekniikka on kuidun ominaisuuksia säästävä ja hellävarainen.

Entsyymit pienikokoisen polttokennon virran lähteenä

VTT ja Teknillinen korkeakoulu ovat kehittäneet biopolttokennon, jossa lakkaasi-entsyymiä käytetään siirtämään elektroneja kennon katodilla. Minikokoista, kertakäyttöistä polttokennoa voidaan käyttää esimerkiksi elintarvikepakkauksen laadun paljastavassa indikaattorissa. Biopolttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka muuntavat polttoaineisiin sitoutunutta kemiallista energiaa sähköksi käyttämällä entsyymejä elektronien siirrossa. Biopolttokennoissa reaktiot tapahtuvat miedoissa olosuhteissa ja polttoaineina voidaan käyttää erilaisia helposti saatavia ja uusiutuvia yhdisteitä, esimerkiksi sokereita ja alkoholeja.

Lisätietoja

Merja Penttilä
Tutkimusprofessori
020 722 4504


Kristiina Kruus
Ryhmäpäällikkö
020 722 5143


Olli Ernvall
Viestintäjohtaja
020 722 6747