Elias aloitti luennon kysymällä, mitä eroa on mikrobeilla, bakteereilla ja viruksilla. Hän kertoi, että hänestä on ollut kiehtovaa tutkia koko työuransa ajan kaikkialla olevia pieneliöitä, jotka pienuutensa vuoksi eivät ole paljaalla silmällä nähtävissä mutta joiden toiminnan vaikutukset tulevat selvästi esille. Pienuudestaan huolimatta mikrobit osallistuvat maailman pyörittämiseen, sillä luonnon ainekierrossa ja ravintoketjuissa ne ovat ratkaisevassa roolissa. Mikrobeilla on suuri rooli myös ihmisen elimistön toiminnan kannalta. Vain pienen pieni osa mikrobeista on vaarallisia, monet niistä on mahdollista ottaa hyötykäyttöön.

Mikrobien tehokkaan osoittamisen ja hygienian edistämisen rinnalla Elias onkin aina halunnut viedä eteenpäin sitä, että mikrobien avulla saataisiin tuotettua arvokkaita hyödykkeitä, kuten biokemikaaleja elintarvike- ja lääkeaineteollisuuteen, kierrätysteollisuuteen ja maatalouden orgaanisiksi lannoitteiksi, energiakaasuiksi ja -jakeiksi, polymeereiksi sekä erilaisia palveluja, kuten ympäristön puhdistamista, ravinnon tai rehun tuottamista. Lisäksi tulevaisuudessa on merkittävään asemaan nousemassa entsyymien ja hienokemikaalien tuotanto. Nämä lukuisat tuotantolinjat voidaan pystyttää kriisiaikoina korvaamaan ja täydentämään muuta tuotantoa.

Kokonaisvaltaisessa kiertotalouden mukaisessa ajattelussa voidaan sivuvirrat muuttaa kokonaisuudessaan hyötykemikaaleiksi, energiakaasuiksi ja orgaanisiksi maanparannusaineiksi. Tämä lisää merkittävällä tavalla teollisuuden raaka-aineitten kirjoa ja saatavuutta, sekä parantaa huoltovarmuutta koko kansantaloudessa. Esimerkiksi Englannissa valjastettiin viskitislaamot jo ensimmäisen maailmansodan aikana valmistamaan poikkeustilan kannalta välttämättömiä teollisuuskemikaaleja mikrobien avulla Winston Churchillin toimesta.

Elias kertoi, että erilaiset käymisprosessit ovat jo kauan olleet ihmisten keinona elintarvikkeiden valmistamiseen. Elintarviketeollisuudessa on monenlaisia mikrobiologisia prosesseja, esimerkiksi jugurtin, piimän, homejuustojen ja hapankasvisten valmistamisessa.

Mikrobien avulla on pystytty tekemään monia lääkkeitä. Esimerkiksi antibioottien löytymisestä Elias kertoi mielenkiintoisen tarinan alkaen vuodesta 1929, kun Alexander Fleming tutki Lontoossa stafylokokki-bakteereja ja ns. Petri-maljalle oli lennähtänyt homeitiö. Fleming huomasi, että kyseinen home tuottaa ainetta, joka tuhoaa bakteereita. Tämä johti penisilliinin löytämiseen. Vuonna 1942 kaksi brittitutkijaa matkusti Amerikkaan tehtävänään löytää rahoitus penisilliinituotantoon. Penisilliiniä alettiin teollisesti valmistamaan ja arviolta kahden miljoonan sotilaan henki säästyi, kun heille ei tullut rintamalla haavatulehdusta. Tämän jälkeen tutkittiin ja löydettiin muitakin antibiootteja.

Luonnon taloudesta voidaan ottaa oppia ihmisten talouteen

Elias opiskeli 1980-luvulla kolmessa yliopistossa Englannissa, joista yksi oli University College London. Siellä hän pääsi kuulemaan niiden konkareiden luentoja (kuten professorit Lilly ja Dunnill), jotka olivat olleet tekemässä ensimmäisiä antibioottitutkimuksia. Opinnäytetyönään nykyisessä Westminster University -yliopistossa Elias suoritti maailman ensimmäisen streptomykeettien antibioottigeenin (klavuliinihappo) siirtämisen kolibakteeriin 1985. Streptomykeetit tuottavat 95% eri antibiooteista.

Monien luonnosta poimimiensa esimerkkien avulla Elias avasi opiskelijoille sitä, kuinka luonnon taloudesta voidaan ottaa oppia ihmisten talouteen. Hän kertoi, kuinka märehtijöillä on pötsissä laaja valikoima mikrobeja, jotka pystyvät tekemään esimerkiksi heinästä tuotteita, joita märehtijä kykenee käyttämään. Elias käytti esimerkkinä amerikkalaista biisonia, joka syö preerialla kuivaa heinää. Sille kehittyy tonnin painoinen ruho, jossa on paljon lihasta. Tämä on mahdollista siitä syystä, että pötsin mikrobit ovat kunnossa. Märehtiminen on tehokasta hajottamista ja biisoni saa heinästä tarvitsemansa aineet kasvuunsa ja elintoimintoihinsa. Voidaankin ottaa märehtijöistä esimerkkiä, kuinka ruoan makromolekyylejä voidaan pilkkoa ensin entsyymeillä ja sitten mikrobit pystyvät käyttämään niitä raaka-aineina erilaisiin tuotteisiin ja tuottamaan niitä nopeammin.

Luonnon esimerkit ja mikrobiologia tarjoavat paljon mahdollisuuksia korkean teknologian kehittämiselle ja teknologian viemiseen käytäntöön. Lähtökohtana ovat silmälle näkymättömät mikrobit ja niiden entsyymit. Näiden hyödyntämiseksi tarvitaan konetekninen laitteisto, jolla saadaan ilmiöt haltuun. Bioreaktori voi olla esimerkiksi ns. stirred tank (sekoitustankki), allas tai air-lift -tyyppinen reaktori. Elias painotti sitä, että on yhteensovitettava biologia ja teknologia. Mikrobien aineenvaihdunta on nopeaa; kun niillä on otolliset olosuhteet, niin niiden reaktiot tapahtuvat äkisti.

Bioreaktorissa on oltava hyvät olosuhteet mikrobien kasvulle ja tuotannolliselle toiminnalle: lämpötila, pH, hapetus-pelkistystasapaino, energianlähde sekä hiilen, typen, fosforin ja rikin lähteet. Lisäksi täytyy olla saatavilla muut mineraalit, sekä hivenaineet ja vitamiinit. Lämpötilarajat ja -optimit riippuvat mikrobityypistä.

Finnoflagin konsepteissa prosessit perustuvat syötteen luontaisiin mikrobeihin ja teollisten mikrobikantojen lisäämiseen. Näin muodostuu sekaviljelmä, monimuotoinen ekosysteemi, joka synnyttää korkealla tuottavuudella haluttuja tuotteita. Elias avasi opiskelijoille sitä, miten mikrobit toimivat yhdessä ja muodostavat erilaisten vuorovaikutusten verkoston, jossa niiden aktiivisuudet pyrkivät sellaiseen tasapainotilaan, joka hyödyttää kokonaisuutta ja tällöin muodostuu maksimaalisesti tuotetta tieteellisessä ja teknisessä ohjauksessa. Mikrobiyhteisöt ovatkin monipuolisia ja niistä löytyy tekijöitä eri tilanteisiin.

Mikrobien biokatalyyttistä potentiaalia mahdollista hyödyntää teollisuudessa

Elias kertoi, että tuottaessaan omalla aineenvaihdunnallaan tuotteita entsyymien avulla, mikrobit tarvitsevat vain murto-osan siitä katalyyttisestä reaktioenergiasta, joka tarvitaan vastaavien aineiden tuottamiseksi kemiallisella synteesillä. Bioprosessitekniikan avulla on mahdollista tuottaa mitä moninaisin valikoima kemiallisia tuotteita, jopa laajempi kuin kemiallisin prosessein on mahdollista. Mikrobien biokatalyyttistä potentiaalia on mahdollista hyödyntää teollisuudessa monin tavoin, esimerkiksi biokaasun ja biologisen vedyn tuotannossa (biohydrogen).

Esimerkiksi EU:n Itämeren alueen ohjelmasta rahoitetussa ja Savonian vetämässä ABOWE-pilotointihankkeessa suunniteltiin ja rakennettiin uudenlainen biojalostamopilottilaitos, jota testattiin Suomessa, Puolassa ja Ruotsissa. Finnoflag Oy avainteknologiatoimittajana toi mikrobiologisen ja bioteknisen osaamisen hankkeeseen, jossa oli mukana partnereita myös Saksasta, Virosta ja Liettuasta. ABOWE:a rahoitti myös mm. työ- ja elinkeinoministeriö.

Savon Sellun aallotuskartonkitehtaalla Kuopiossa (nykyisin Mondi) tehtyjen ABOWE-koeajojen tulosten perusteella olisi paljon potentiaalia vedyn ja muiden arvokkaiden tuotteiden tuotantoon tulevasta jätevedestä ja jätevedenpuhdistamolla syntyvästä lietteestä.

ABOWE:n Ruotsin kokeissa puolestaan mm. havaittiin, että kun biojalostamopilottilaitoksessa prosessoitu jäte syötettiin seuraavaksi biokaasutukseen, niin tämä syöte antoi parhaan biokaasusaannon verrattuna jätteisiin, joita ei ollut prosessoitu biojalostamopilottilaitoksessa.

Biojalostamisen tuotteita ovat Finnoflagin vetämissä pilotointiprojekteissa olleet esimerkiksi:

– Laktaatti maitosokerista eli laktoosista,

– Energiakaasut, kuten vety,

– Biopolttoaineet, kuten etanoli, butanoli,

– Ns. Platform-kemikaalit, kuten raaka-aineet muovin, synteettisen kumin, kosmetiikan ja tekstiilien valmistamiseen,

– Lääketeollisuuden aineet, kuten eksipientit eli kantaja-aineet, esimerkiksi mannitoli,

– Orgaaniset maanparannusaineet,

– Pilaantuneiden maiden ja vesien puhdistaminen.

Mannitoli on xylitol-purukumin yleinen lisäaine ja sitä käytetään yhä enenevissä määrin myös lääkkeiden ns. eksipienttinä eli kantoaineena. Esimerkiksi kansainvälinen lääketeollisuuden jätti Merck on ennakoinut mannitolin tärkeäksi tulevaisuuden kantaja-aineeksi. Toisaalta Biobased on nouseva trendi maailmassa hyvin monilla aloilla.

Biojalostamoprosessin mittakaavaa on kasvatettava vähitellen; laboratoriosta ei voida suoraan edetä täysimittaiseen tuotantoon, vaan skaalaukseen liittyy monia näkökohtia, jotka on otettava huomioon. Sopiva eteneminen on Eliaksen kokemuksen perusteella esimerkiksi, että seuraava mittakaava on 10-kertainen verrattuna edeltävään tasoon.

Nykyaikaista Teollisuus 4.0 -ajatusta soveltamalla biotekninen osaaminen voisi olla Suomessa, josta käsin voisi säätää etänä bioteknisiä tuotantolaitoksia, jotka voisivat sijaita eri puolilla maailmaa.

Suomessa on paljon selluloosapitoista jätettä. Esimerkiksi Tampereen Hiedanrannassa kuitulietettä on järven pohjassa vähintään 1,5 miljoonaa kuutiota, jota on dumpattu alueella aiemmin toimineella puunjalostustehtaalla suuria määriä 1960-luvulle asti. Nollakuitua käytettiin biojalostuksen raaka-aineena laajoissa ja pitkäkestoisissa tutkimuksissa, joita rahoittivat Tampereen kaupunki ja maa- ja metsätalousministeriö. Biojalostuskoeajojen päätuotteina olivat laktaatti ja mannitoli. Nollakuidussa ei ole mikromuoveja, joten biojalostuksen jälkeinen materiaali kävisi hyvin lannoitteeksi. Kuten mm. ABOWE-kokeissakin oli huomattu, sen laatu paranee kasvien ravinnonsaannin kannalta. Sen typpipitoisuutta voidaan myös nostaa typensitojabakteerin toimesta. Finnoflag on saanut typen sitomisesta hyviä kasvihuonekoetuloksia Helsingin yliopiston Viikin kampuksella. Yhden typensitojabakteerikannan lisääminen kiinankaalin kasvattamiseen johti kahdessa kuukaudessa 50 % suurempaan kasvuun.

Nollakuidulla olisikin paljon rahallista arvoa. Hiedanrannan tutkimuksissa Elias sai laskelmista karkean arvion, että kutakin tamperelaista kohti Finnoflag Oy:n esittämä biojalostaminen olisi ollut 500 euroa edullisempi tapa hoitaa nollakuidun poistaminen kuin arvokkaan raaka-aineen suora polttaminen.

Kestävää teollisuutta voitaisiin kuitenkin rakentaa luonnontalouden pohjalle. Finnoflag Oy:llä onkin maailmanlaajuisesti rekisteröity Industry Like Nature® -tavaramerkki, eli vapaasti käännettynä: Teollisuutta luonnon tapaan. Mikrobeilla ja niiden tuntemisella on tässä aivan keskeinen rooli.

Kirjoittaja:

Ari Jääskeläinen

Tuotantotalouden lehtori (DI, YTK)

Savonia-ammattikorkeakoulu