Teadlased teevad pingsat tööd, et leida nutikaid rakendusi väheväärtuslikule puidule, sest põhimõtteliselt tunneb inimkond juba tehnoloogiaid, kuidas puidupõhiselt toota paljusid kemikaale, mille tooraineks siiani on olnud nafta.
Nüüd on teadlaste ülesanne neid algselt vaid n-ö katseklaasis või laboritingimustes toimivaid tehnoloogiaid välja töötada ja arendada sääraselt, et neid saaks kasutusele võtta ka tööstuslikult.
Tänapäeval, mil puidus nähakse lahendust vaata et suurele osale maailmas valitsevatest toormeprobleemidest, mis seotud fossiilsete materjalide või taastumatute loodusvaradega, muutub puit kui taastuv loodusvara ja selle oskuslik kasutamine eluküsimuseks, et elu meie planeedil saaks üldse edasi kesta. Ja seetõttu muutub selles arengus üha olulisemaks ka erinevate ülikoolide teadlaste roll ning nende omavaheline koostöö.
Puidust saab asendust naftapõhistele kemikaalidele
Nii võtsid Tartu Ülikooli (TÜ) ja Eesti Maaülikooli (EMÜ) teadlased Eesti Teadusagentuuri rahastatava ressursside väärindamise programmi (ResTa) raames ette puidujäätmete gasifitseerimise ja gaasfermentatsiooni meetodite rakendamise ning puidu sünteesgaaside baasil nn kolmanda põlvkonna biokemikaalide tootmise võimalikkuse uurimise.
Sai keeruline lause, aga püüame selle sisu allpool lahti seletada. Seejuures on abiks ühe sellise teadusliku uurimistöö juht, TÜ tehnoloogiainstituudi gaasfermentatsiooni tehnoloogiate kaasprofessor PhD Kaspar Valgepea. Olgu kohe märgitud, et tegelikult on tema töö ja tegevus laiem, väljudes siinkohal jutuks oleva konkreetse ResTa programmi toel tehtava teadustöö raamidest. Nimelt on TÜ tehnoloogiainstituudis asutatud eraldi gaasfermentatsiooni tehnoloogiate teadusgrupp (ERA õppetool GasFermTEC), mille tööd Kaspar Valgepea juhib ja mille eesmärk on välja arendada uus gaasfermentatsiooni tehnoloogiate uurimissuund TÜ-s ja Estonian Centre for Biosustainability (ECB) keskuses.
Valgepea märgib, et kuigi kõnealuse projekti raames ei tehtud uurimustööd koos konkreetsete ettevõtetega, siis teadlaste motivatsioon ja suurem siht on seatud ikkagi tööstuses rakenduslikku väljundit leidva tulemuse saavutamisele.
Ta räägib, et kuna Eesti metsa- ja puidutööstuses tekkib igal aastal suurtes kogustes jäätmeid, siis kujutab see endast vaieldamatult kasutamata ressurssi, millele nüüd teadlased püüavad põletamisest mõistlikumaid kasutusalasid leida.
Üks selliseid on gaasfermentatsiooni tehnoloogia, mille eripära näiteks puidurafineerimisega (tselluloosi tootmisega) võrreldes seisneb selles, et ei toimu piltlikult öeldes puidu algosadeks lahutamist.
„Põhiline, millega puidujäätmetega, aga ka põllumajandusjäätmetega aastakümneid on tegeldud, on see, kuidas saada sealt kätte tselluloos, hemitselluloos ja ligniin. Ja siis neid eraldi käidelda. Me sellist puidu komponentideks lagundamist ei vaja,” kirjeldab Kaspar Valgepea kahe tehnoloogia põhimõttelist erinevust. „Meie protsessis muudetakse kogu puidumass gaasiks ning seejärel söödetakse see gaas mikroobidele. See, milliseid tooteid saadud gaasist täpselt toota saab, sõltub nüüd juba sellest, milliseid mikroobe protsessis kasutada ja millistes tingimustes see protsess läbi viia.”
Gaasi tootmine on termokeemiline protsess ehk puidu põletamine minimaalse hapnikuga, mille tulemusel saadakse nn puugaas. Antud juhul nimetatakse sellisel moel saadud gaasi sünteesgaasiks ning see koosneb peamiselt vingugaasist (CO), süsihappegaasist (CO2) ja vesinikust (H). Oluline on, et saadakse rohkem CO-d ja vähem CO2-e, sest vingugaas on mikroobide jaoks energeetiliselt väärtuslikum.
Oluline osa protsessis on mikroobidel
Edasi muutub protsess juba bioloogiliseks, kus mikroobid tarbivad sünteesgaasi, see läbib nende rakke ja protsess lõppeb mingi kemikaali tootmisega. Selliseid tootmisrakke nimetatakse ka rakuvabrikuks. Kui vajalik kemikaal on rakukultuuris eraldatud, saab järelejäänud biomassi kasutada näiteks loomasöödana. Nii peaks protsess olema Valgepea hinnangul harmoonias ka rohemajanduse põhimõtetega, sest käideldakse ju jäätmeid ning see protsess ei jäta järgi omakorda jäätmeid.
Sellisel moel oleks mõeldav ja otstarbekas toota nn masskemikaale, näiteks etanooli, atsetooni või isopropanooli, mis omakorda on väga paljude keemiatoodete, näiteks plastide, tooraineks ning mida seejuures kulub suurtes kogustes.
„Meie gaasfermentatsiooni laboratooriumi igapäevane teadustegevus seisneb selle bioloogilise gaasfermentatsiooni protsessi uurimises, suunamises ja optimeerimises. Samas on oluline fookus ka rakkude uurimisel ja nende geneetilisel modifitseerimisel,” tutvustab Kaspar Valgepea oma töö köögipoolt. „Geneetiline muundamine on vajalik selleks, et panna rakke tootma kemikaale, mida nad looduslikes tingimustes ei suudaks teha või panna neid seda efektiivsemalt tegema.
Gaasfermentatsiooni tehnoloogiat saab Valgepea sõnul kasutada ka teistest allikatest pärit gaasidega. Nii on GasFermTEC-is katseid tehtud terasetööstuse heitgaasidega, et toota bioplastikut, aga kasutada saaks ka näiteks gaasi, mis on saadud olmejäätmete gasifitseerimisel vmt. Mikroobidele nimelt pole oluline gaasi päritolu, vaid see, mida ja kui palju seal nende jaoks n-ö söödavat leidub.
Siiski tasub tähele panna, et sellisel moel, kus sisendgaas sisaldab ühemolekulist süsinikku, ei ole kuigi ratsionaalne toota kõrge süsiniku arvuga kemikaale. Selliste keerukate ühendite tootmise puhul on mõistlik lähteainena kasutada näiteks puidusuhkruid, kus süsinik on esindatud viie ja kuue molekuliga.
Konkreetseid tulemusi võib käega katsuda
Kui eelnev jutt võis tunduda üsna ulmelistes valdkondades hõljuvat, siis tegelikult ollakse uurimiste ja arendustöödega juba päris reaalses elus sees. GasFermTEC-i partner, USA rohetehnoloogiafirma LanzaTech muutis juba 2018. aastal gaasfermentatsiooni protsessi praktiliselt rakendatavaks ning äriliselt tulusaks. Nüüdseks on LanzaTech järgemööda projekteerinud ja ehitanud maailma eri paigus tehaseid, mis seda tehnoloogait kasutavad. Just nüüd peaks käivituma esimene selletaoline tehas ka Euroopas.
Kui esimesed tehased Aasias tootsid bioetanooli, siis Belgiasse Genti lähedale rajatud tootmiskompleks püüab spetsialiseeruda juba keerulisemate kemikaalide, nagu isopropanool, atsetoon, 2,3-butaandiol jt, tootmisele. Need on lähteained näiteks kummide, plastide ja tekstiilide valmistamiseks.
Puidugaasist saab tõhusat täiendust taastuvenergeetikale
„Nõnda jäätmeid ära kasutades võiks tulevikus toota bioetanooli ning sellest omakorda sünteesida kallemaid kemikaale ja kütuseid,” on Kaspar Valgepea lootusrikas. „On juba tehaseid, kus bioetanooli väärindatakse lennukikütuseks, mis on sertifitseeritud ja ekvivalentne petrooleumipõhise kütusega ning toodetud siis põhimõtteliselt taastuvast toorainest.”
Ta kinnitab, et biomassi gaasfermentatsiooni tehnoloogial on see hea omadus, et seda kasutades saab ühes ja samas tehases ühte ja sama sisendit ehk siis gaasi kasutades toota väga laia ampluaaga kemikaale.
Sama kehtib ka suhkrutel põhinevate protsesside kohta. Samas, kui panna püsti üks keemiatehas, on seal toodetavate kemikaalide spekter väga piiratud.
„Vastavalt sellele, mida turg nõuab või kuidas teadussaavutused edenevad, saab gasfermentatsiooni tehnoloogiale, sellele n-ö riistvarale juurde installeerida just selliseid mikroobe, mida parasjagu vaja,” kirjeldab Valgepea. „Kusjuures mõistlik oleks teha nii, et gaasi tootmine ja selle edasine väärindamine kemikaalideks toimuks ühes tehases. Ehk siis tooraine veetakse ühte kohta kokku, mitte ei veeta gaasi mööda ilma ringi.”
Kui puidu gasifitseerimise teemaga Eesti konteksti tulla, siis Kaspar Valgepea on kindel, et ainuüksi siinsetes puidutöötlusfirmades tekkivast jäätmekogusest piisaks ühe gaasfermentatsiooni tehase käigushoidmiseks, iseasi, kuidas need jäätmed õnnestub just sinna suunata.
On ju teada, et ka saepurule ja muudele puidujääkidele on üsna tihe konkurents. Kes kasutab neid otse kütteks, kes toodab pelletit või briketti ja iseenesest on ka nn väheväärtuslikul puidul oma turg olemas.
Aitab lahendada jäätmemajanduse mured
„Üks selline keskmine tehas vajaks umbes 200 000 tonni biojäätmeid, Eestis aga tekkib aastas hinnanguliselt miljon tonni kuiva puidujäädet,” räägib Valgepea.
Lisaks tekkib Eestis ka üksjagu põhku, millele alati kõige otstarbekamat kasutust ei leita. Samuti näiteks põlevkivi töötlemise käigus retortgaas. Samuti üldse igasugu muid jäätmeid, mis iseenesest gaasfermentatsiooni protsessi sobivad. Sest sobib põhimõtteliselt ükskõik milline orgaaniline aine, ka olmejäätmed näiteks.
Samas saavad teadlased aru, et ega niisama ei vedele Eestimaa pinnal ükski oksaraag. Igasugusele puidule on olemas pretendent ning lõppeks paneb asjad paika ikkagi turul kujunev olukord.
Nii või naa – gaasfermentatsiooni tuleviku mõttes atraktiivne omadus seisneb ikkagi selles, et toormaterjali, olgu selleks siis mingid jäätmed või mingisugune muu biomass, ei pea n-ö lammutama eraldi komponentideks, et nendest siis üksipulgi midagi tootma hakata.
Ühest küljest robustne, teisalt jälle paindlik süsteem aitaks tegelikult lahendada nii mõnegi meie ees seisva probleemi, seda ka rohepöörde valguses.
Näiteks aitaks parandada olmejäätmete ringlussevõttu, mis praegu püsib meil aastaid vaid 30% kandis. Euroliit aga nõuab märksa suuremat osakaalu (aastaks 2025 – 55%).
„Me oleme püüdnud ettevõtjaid, kohalikku tööstust nende teadmiste ja tehnoloogiatega omavahel kokku viia. Eks saame näha, kas sellest midagi ka praktikasse jõuab,” ütleb Kaspar Valgepea. „Ja meie teadlased jätkavad pilootprojektidega, et uurida tehnoloogiate sobilikkust kohalikesse oludesse. Näiteks süsteem, mis töötab hästi Kanadas, ei pruugi üks-ühele üle võetuna töötada sama edukalt Eestis. Seda tuleb kohandada ja sellega me muu hulgas ka tegelemegi.”
