TalTechi keemia ja biotehnoloogia instituudi vanemteadur Yevgen Karpichev ning tema juhitud jätkusuutliku keemia ja tehnoloogia uurimisrühma nooremteadur Mahendra Kothottil Mohan annavad ülevaate sellest, kui oluliseks on ligniin muutumas ja milline on selle tööstuslik potentsiaal.

Ligniin on keeruka struktuuriga aromaatne biopolümeer, mida toodetakse igal aastal tohututes kogustes – umbes 75 miljonit tonni – peamiselt tselluloosi- ja paberitööstuse kõrvalproduktina, kuid ka muudest biomassiallikatest. Ajalooliselt on seda kasutatud enamasti kui odavat kütust, millest põletamise teel energiat toota. Nüüd aga töötavad teadlased ligniini modifitseerimiseks välja keemilisi meetodeid, et luua paremate omaduste ja kõrgema majandusliku väärtusega materjale.

Ligniin on ainulaadne biopolümeer, mis sisaldab aromaatseid molekule. „Sellel on suur tulevik. Meie uuringud keskenduvad küsimusele, kuidas kasutada ligniini mitmesugusteks rakendusteks – bioplastideks, ravimiteks, kütusteks ja muudeks kõrgväärtuslikeks toodeteks,“ selgitas Karpichev.

Mohan lisas, et eesmärk on uurida, kuidas võiksid ligniinil põhinevad alternatiivid asendada kalleid ja taastumatuid fossiilseid kemikaale, mis muudaks jätkusuutlikud materjalid taskukohasemaks. „Näitasime oma hiljutistes uuringutes, kuidas saab lisada ligniini bioplastidesse, et vähendada nii tootmiskulusid kui ka keskkonnamõju.“

Ligniinist bioplastide ja 3D-printimiseni

Huvi ligniini vastu suurendab ennekõike ringmajandusel põhineva bioökonoomia kasvav tähtsus. Biomassipõhiste toorainete kasutamine aitab loomulikul teel kaasa süsinikuneutraalsusele ja vähendab sõltuvust fossiilsetest ressurssidest. „Biopõhiste materjalide kasutamine aitab automaatselt vähendada majanduse süsinikujalajälge. Taimed seovad kasvades süsihappegaasi, seega on ligniin loomulikult taastuv ressurss,“ arutles Karpichev.

Ligniinipõhised materjalid võivad vähendada oluliselt tootmiskulusid. „Näiteks on turult juba saada piimhappel põhinevad bioplastid, kuid need on suhteliselt kallid ning toodetud tärklisest, millele konkureerib ka toidutööstus. Kui lisada odavat ja külluslikku ligniini, saame muuta bioplastid taskukohasemaks,“ tõi Mohan välja.

Vaatamata ligniini eelistele on fossiilsetel materjalidel põhinevaid tooteid siiski keeruline ligniini baasil valmistatutega asendada, sest viimased on sageli kallimad ja mehaaniliste omaduste poolest nõrgemad. „Meie eesmärk on parandada ligniinipõhiste plastide tugevust, et need suudaksid konkureerida traditsiooniliste materjalidega. Samas aitab ligniin vähendada kulusid ja suurendada keskkonnasõbralikkust.“

Ligniini unikaalsed omadused, nagu kuumusetaluvus ja mehaaniline vastupidavus, muudavad selle väärtuslikuks ka väljaspool bioplastide valdkonda. „Meie uuringud, milles oleme testinud 3D-printimisel suure ligniinisisaldusega komposiite, on näidanud häid tulemusi, eriti soojusresistentsuse osas. Kuid enne majandamisfaasi on vaja veel arendada ja testida,“ rõhutas Karpichev.

Ligniini tehnoloogilised võimalused

Karpichevi sõnul on üks põhieesmärke depolümerisatsioon – ligniini lagundamine väiksemateks molekulideks, mida saab kasutada kütustes, ravimis või erikeemias. „Teeme koostööd biokeemikutega, kes uurivad ensüümidel põhinevat lagundamist, et muuta protsess jätkusuutlikumaks ja tõhusamaks.“

See lähenemine ei piirdu ainult ligniini väärindamisega – uuritakse ka vastupidist, jätkusuutlike materjalide tootmises uusi võimalusi avada lubavat protsessi: ligniinilaadsete ainete loomist biojäätmetest.

Viimase kahekümne aastaga on ligniini uurimine märkimisväärselt arenenud. „Kakskümmend aastat tagasi keskenduti ligniini baasil tehtud uuringutes peamiselt põhiomadustele, näiteks sulamispunktile. Nüüd loome turule parema funktsionaalsusega materjale,“ rääkis Karpichev.

Paljulubavad rakendused hõlmavad bioplaste, mis vähendaksid sõltuvust naftapõhistest plastidest; meditsiinikasutust, näiteks haavakatteid ja ravimite kohaletoimetamissüsteeme; kosmeetikat, sealhulgas hüdrogeele ja biopõhiseid nahahooldustooteid; jätkusuutlikke lennukikütuseid fossiilkütuste alternatiivina ning kõrge jõudluse ning paremate soojusomadustega 3D-materjale.

Ligniini kitsaskohad: varieeruvus, skaleeritavus ja värvus

Hoolimata suurtest võimalustest on ligniini tööstuslik kasutamine seotud mitmete väljakutsetega. Erinevalt tavalistest polümeeridest ei ole ligniinil ühtlast keemilist struktuuri – asjaolu, mis muudab standardiseeritud toodete arendamise keeruliseks. Lisaks piirab ligniini tumepruun värvus selle kasutamist mõnes tööstusharus, näiteks kosmeetikas ja pakendamises.

Teiseks suureks probleemiks on suurtööstuslik tootmine. Selleks, et ligniinipõhised tooted suudaksid konkureerida fossiilsetel allikatel põhinevatega, peaks tootmine olema kulutõhus ja energiasäästlik.

Tulevikku vaadates on teadlased siiski optimistlikud. „Järgmine suur samm on kontrollitud depolümerisatsioon – tuleb leida tõhusad meetodid, kuidas lagundada ligniin väikesteks väärtuslikeks molekulideks, mida saaks kasutada kütustes ja ravimites. Samuti uurime biokeemilisi meetodeid, mis võimaldaksid ligniini struktuuri molekulaarsel tasandil täpselt kohandada,“ ütles Karpichev.

Mohan usub, et kuigi ligniinipõhiste toodete uurimine edeneb, võib minna veel 5–10 aastat, enne kui jõutakse suuremate läbimurreteni, mis muudavad ligniini-innovatsiooni fossiilpõhiste alternatiividega konkurentsivõimeliseks. „Kui areng jätkub, võib ligniin hakata määratlema jätkusuutlike materjalide väljatöötamist ja meie vabanemist taastumatutest ressurssidest.“

Ligniini väärindamine ei ole ainult teaduslik väljakutse, vaid ka oluline samm rohelisema ja jätkusuutlikuma tuleviku poole. Kui teadlased täiustavad ligniinipõhiste materjalide keemiat ja tehnoloogiat, saavad tööstused kasutada uuenduslikke lahendusi, mis vähendavad keskkonnamõju ja toetavad üleminekut ringmajandusele.