Matka biopohjaisista jätteistä kohti uusia tuotteita: Kaupallisten PHA- ja PHB-materiaalien prosessointi ja testaus

Fossiilisten muovien korvaaminen on monimutkainen haaste, johon ei ole olemassa yhtä ainoaa taikakeinoa. Yhden merkittävän osaratkaisun tarjoavat kuitenkin PHA-biopolymeerit, joilla voidaan korvata perinteisiä muoveja joissakin käyttötarkoituksissa. Tuotannon raaka-aineeksi ei tarvita ruokakasveja, vaan valmistukseen voidaan hyödyntää mm. metsäteollisuuden jätevesien ja maatalouden sivuvirtojen orgaanisia hiiliyhdisteitä, kuten lignoselluloosaa ja ligniiniä. Vaikka jäteperäisyys asettaa omat tiukat vaatimuksensa materiaalin puhtaudelle ja sääntelylle rajaten esimerkiksi herkimpiä lääketeollisuuden tai elintarvikepakkausten sovelluksia, näistä uusiutuvista fraktioista jalostettu PHA mahdollistaa aidosti biohajoavien biomuovituotteiden valmistuksen kohteisiin, joissa ympäristöystävällinen hajoaminen ovat etu.

Tutkimuksesta kohti tuotteita

LAB-ammattikorkeakoulussa on käynnissä Euroopan aluekehitysrahaston osarahoittama Kasvibiomassan hiili uusiutuviksi materiaaleiksi (HUUMA) -hanke. Hankkeessa metsäteollisuuden jätevesistä, maatalouden jätteistä sekä muista orgaanisista jätefraktioista valmistetaan biohajoavaa ja kompostoituvaa PHA-muoviraaka-ainetta jatkojalostusta varten. Kyseessä on ryhmähanke, jossa mukana ovat päähallinnoijana toimiva Helsingin yliopisto, LAB-ammattikorkeakoulu sekä Muovipoli Oy. Työnjako on selkeä: Helsingin yliopisto vastaa varsinaisen PHA-raaka-aineen valmistuksesta, kehittämisestä ja tutkimuksesta, minkä jälkeen LAB-ammattikorkeakoulu ja Muovipoli Oy pilotoivat yhdessä materiaalin jatkoprosessointia, jotta lopputuloksena saadaan korkean jalostusasteen valmiita muovituotteita. (LAB.)

Hanke käynnistettiin vuoden 2025 alussa ja eteneminen on hyvässä vauhdissa. Ennen kuin laboratoriossa kehitettyä omaa raaka-ainetta päästään ajamaan isommilla koneilla, testataan prosessointia ja haetaan sopivia prosessiparametreja tekemällä kaupallisille PHA- ja PHB-materiaaleille prosessointikokeita LAB-ammattikorkeakoulun ekstruusiolaitteistolla. Prosessointiparametrien lisäksi kaupallisten PHA/PHB-materiaalien avulla haetaan myös sopivimmat prosessoinnin lisä- ja apuaineet ja suoritetaan erilaisia analyysejä ja mekaanisia testauksia, jotta tarvittavat tiedot ja reseptit ovat olemassa kun Helsingin yliopiston valmistamaa PHA-raaka-ainetta päästään prosessoimaan.

Mitä PHA-/ PHB-materiaali on?

PHA:t ovat ryhmä biohajoavia kymmenien eri bakteerien varastorasvoina tuottamia polyestereitä. Polymeerin ominaisuudet vaihtelevat niitä tuottavan bakteerilajin, bakteerille ravintona käytetyn materiaalin ja kasvatusolosuhteiden mukaan. (Chodak 2008.) Kemiallisesti PHA:t eroavat toisistaan hydroksyyliryhmän sijainnin, alkyylisivuketjun pituuden ja substituenttien perusteella. Käytetyimpiä ovat PHB (polyhydroksibutyraatti) ja PHBV (polyhydroksibutyraatti-co-valeraatti) (Niaounakis 2013.) PHB on rakenteeltaan yksinkertaisin PHA-muovi. Sillä on samoja hyviä ominaisuuksia kuin polypropeenilla, mutta ilman lisäaineistusta se on haurasta, heikosti muovautuvaa ja altis nopealle lämpöhajoamiselle (Chodak 2008). Molemmissa on butyraattirunko, mutta PHBV:n rakenteessa on myös valeraattimonomeereja, mikä parantaa muovin joustavuutta ja sitkeyttä sekä alentavat prosessointilämpötilaa. Sen valmistusprosessi on kuitenkin vaativampi ja siksi kalliimpi. (Niaounakis 2013)

Kaupallisten materiaalien prosessointi

Kaupallisia PHA- ja PHB-materiaaleja (12 eri materiaalia) prosessointiin Brabender Plastograph ekstruuderilla säätämällä blokkien lämpötilaa (4 blokkia) sekä muuttamalla materiaalin syöttönopeutta. Käytetyt lämpötilat vaihtelivat 140–180°C:n välillä ja testatut syöttönopeudet olivat 20, 50 ja 80 rpm.

Materiaaleissa oli eroja ekstruusiokäyttäytymisen osalta. Osa testatuista materiaaleista oli hyvin hauraita ja osa vuorostaan kumimaisia ja venyviä. Hajontaa oli todella paljon, mihin luonnollisesti vaikuttaa kaupallisten materiaalinen monomeerit sekä myös materiaalin sisältämät lisä- ja apunaineet ja se mille prosessointitekniikalle materiaalit ovat ensisijaisesti tarkoitettu.

Teknisten tietojen perusteella tarkkaa tietoa monomeerisuhteista ja lisäaineista ei saatu. Lisäaineista ja materiaalin kemiallisesta taustasta on haettu lisätietoa analysoimalla materiaaleja mm. DSC:llä, FTIR:llä, XRF:llä ja tuhkausmenetelmällä. Viitteitä monomeerisuhteista ja käytetyistä lisäaineista on saatu, mutta sen enempää tarkkaa kvalitatiivista kuin kvantitatiivistakaan tietoa ei kyseisillä menetelmillä ole mahdollista saada, siihen tarvitaan eri menetelmät ja laitteet.

Suurimmalle osalle testimateriaaleista ajoparametrien määritys onnistui ja tuloksena saatiin kohtalaisten tasalaatuista soiroa, josta mekaanisiin testauksiin tarvittavat koesauvat saatiin valmistettua. Osalle materiaaleista ei ekstruusiossa löytynyt sopivia parametreja ja ekstruusiosta saatu soiro oli niin haurasta, että siitä ei saatu vetosauvoihin soveltuvaa näytettä. Tästä esimerkkinä materiaali PHAx 9502 MFT10, josta ei saatu haurauden vuoksi valmistettua vetokappaletta mekaanisiin testauksiin. Valmistajan tietojen mukaan tälle materiaalille pääasiallinen prosessointimenetelmä on ruiskuvalu, mikä sinänsä voi vaikuttaa siihen ettei materiaali ole kaikkein optimaalisin ekstruusioon.

Kuva 1. Ekstruusioajo 1.1 (Kuva: Ville Puhakka, muokannut Gatja Tiusanen)

Ekstruusioajossa 1.1 materiaalina oli PHAx 9502 MFT10 ja syöttönopeus 20RPM. Alussa ajotulos oli varsin tasainen, mutta syöttönopeuden ollessa materiaalille liian alhainen, soiro lähti kiertämään spiraaliksi. Suuremmilla syöttönopeuksilla soiro pysyi suorana.

Kuva 2. Ekstruusioajo 9.2 (Kuva: Kusti Ruokamo, muokannut Gatja Tiusanen)

Ekstruusioajossa 9.2 materiaalina oli BP350-15 (PHBH) ja syöttönopeus 50RPM. Testattu murtolujuus oli 24MPa. Materiaali on kiiltävää ja kiteytyvää, hyvin erilaista kuin ajossa 1.1. testattu materiaali.

Ekstruusionäytteiden mekaaninen testaus ja lisäaineistus

Testimateriaalinen mekaanisen testauksen suorittivat Muovipoli Oy:n asiantuntijat. Kaupallisista PHA- ja PHB-materiaaleista, joista ekstruusiossa saatiin ajettua näytemateriaalia, jyrsittiin pieni, standardia ISO 20753 mukaileva vetosauva. Osalle materiaaleista valmistettiin ruiskuvalamalla myös standardin ISO 527-2 mukaiset A1-tyypin testikappaleet. Vetokokeet suoritettiin ISO 527-1 mukaan.

Tuloksissa havaittiin merkittäviä eroja tutkittujen materiaalien välillä. Vetomoduuli vaihteli välillä 27-3900 MPa, vetolujuus 2-34 MPa ja murtovenymä 6->500 %. Mekaaniset testit osoittivat PHA-materiaaleille tyypillisiä ominaisuuksia, joiden parantamiseen pyritään lisäainekokeiden avulla. Tavoitteena on löytää sellaisia prosessointiominaisuuksia parantavia lisä- ja apuaineita, jotka soveltuisivat myös laboratoriossa valmistetulle PHA-materiaalille ja mahdollistavat Helsingin yliopistossa valmistetun PHA-materiaalin saattamisen paremmin prosessoitavaan muotoon ja sitä kautta hyödynnettäväksi uusien tuotteiden kehittämisessä.

Lähteet

Chodak, I. 2008. Chapter 22 – Polyhydroxyalkanoates: Origin, Properties and Applications. Teoksessa Belgacem, M.N. & Gandini, A. (toim.). Monomers. Polymers and Composites from Renewable Resources. Amsterdam: Elsevier. 451-477. Viitattu 24.2.2026. Saatavissa https://doi.org/10.1016/B978-0-08-045316-3.00022-3

LAB. Kasvibiomassan hiili uusiutuviksi materiaaleiksi (HUUMA). Viitattu 9.9.2026. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/kasvibiomassan-hiili-uusiutuviksi-materiaaleiksi-huuma

Niaounakis, M. 2013. Biopolymers Reuse, Recycling, and Disposal. Norwich, New York: William Andrew Publishing. 11-16. Viitattu 24.2.2026. Saatavissa https://doi.org/10.1016/C2012-0-02583-5

Kirjoittajat

Gatja Tiusanen työskentelee tki-asiantuntijana LAB-ammattikorkeakoulussa ja toimii projektipäällikkönä Kasvibiomassan hiili uusiutuviksi materiaaleiksi (HUUMA) -hankkeessa.

Ville Puhakka työskentelee tki-asiantuntijana LAB-ammattikorkeakoulussa ja toimii asiantuntijana Kasvibiomassan hiili uusiutuviksi materiaaleiksi (HUUMA) -hankkeessa.

Artikkelikuva: https://unsplash.com/photos/a-forest-filled-with-lots-of-tall-trees-ICHQpyw4v3U (Unsplash Licence)