Ekstremofiilien potentiaali teollisessa PHA-yhdisteiden tuotannossa

Abstract

Polyhydroksialkanoaatit eli PHA:t ovat monipuolinen joukko kestäviä biomuoveja, joita voidaan syntetisoida erilaisilla mikro-organismeilla. Biomuovit ovat muoveja, jotka ovat joko biopohjaisia eli ne on tuotettu uusiutuvista raaka-aineista, biohajoavia eli ne hajoavat ympäristössä täysin mikro-organismien toimesta tai molempia näistä. Biomuoveja tutkitaan tällä hetkellä perinteisten öljypohjaisten muovien korvaajiksi. PHA-tuotanto on kuitenkin vielä vähäistä, koska niiden tuottaminen ei ole yhtä kannattavaa kuin petrokemiallisten muovien. Niiden kannattavuutta laskevat korkeat tuotantokustannukset ja materiaalin epävakaat ominaisuudet. Ratkaisua näihin ongelmiin etsitään seuraavan sukupolven teollisen bioteknologian (NGIB) menetelmistä, jotka perustuvat nopeasti kasvaviin ja kontaminaatiota kestäviin ekstremofiilisiin mikro-organismikantoihin.

Tässä työssä tutkitaan, kuinka ekstremofiilisten mikro-organismien käyttö PHA-tuotannossa voisi tehdä siitä taloudellisesti kannattavampaa. Lisäksi tarkastellaan PHA:ta materiaalina ja sitä, mihin käyttötarkoituksiin se soveltuisi parhaiten. Tuotantoa sekä sen optimointia tarkastellaan myös kiertotalouden näkökulmasta. Työssä keskitytään halofiilisiin eli korkeissa suolapitoisuuksissa eläviin ja termofiilisiin eli korkeissa lämpötiloissa eläviin mikro-organismikantoihin, koska ne ovat ekstremofiileista potentiaalisimpia PHA-tuotantoon. Lisäksi työssä tutkitaan näiden kykyä ottaa käyttöön erilaisia teollisuuden sivuvirtoja PHA-synteesiin. Työ on tehty kirjallisuuskatsauksena käyttäen eri tutkimusartikkeleita aiheiseen liittyen.

Ekstremofiiliset isäntäsolut tarjoavat tuotantoon uusia tekniikoita, joiden avulla tuotantokustannuksia saadaan laskettua. Halofiilit ja termofiilit voivat tuottaa PHA:ta avoimissa fermentointiastioissa, koska niiden kasvatusliuokset eivät ole herkkiä kontaminaatioille. Halofiilisten isäntäsolujen käyttö tarjoaa myös mahdollisuuden käyttää merivettä tuotantoprosessissa. Termofiilien käyttöönoton etuna on tuotantoprosessin lämmityskustannusten lasku. Sekä halofiilit että termofiilit pystyvät käyttämään myös erilaisia sivuvirtoja hiilenlähteenä. PHA-tuotantoon voidaan käyttää sivuvirtoja, joille ei ole olemassa vielä relevantteja käyttökohteita, kuten juustoteollisuuden herajäte ja jäteglyseroli. Halofiilit pystyvät käyttämään hyvin laajasti erilaisia sivuvirtoja. Termofiilit sen sijaan osoittavat suurta potentiaalia jäteglyserolin käyttöön hiilenlähteenä PHA-tuotannossa.

Työn tuloksiksi saatiin, että ekstremofiilisten kantojen käyttöönotto on selkeä seuraava askel PHA-tuotannon kehittämisessä. Ekstremofiilien avulla saadaan vähennettyä PHA-tuotannon kustannuksia. Kustannuksia vähentäviä tekijöitä ovat esimerkiksi fermentaatiovaiheen pienempi energiankulutus, edulliset substraatit ja meriveden hyödyntäminen. Lisäksi käyttämällä tuotannossa substraatteina sivuvirtoja, saataisiin PHA-tuotanto toteuttamaan kiertotalousmallia. PHA:n biohajoavuus tekee siitä helposti kierrätettävän materiaalin. Jotta tuotannosta saataisiin vielä kannattavampaa, täytyy seuraavaksi keskittyä oikeanlaisten ekstremofiilisten mikrobikantojen löytämiseen ja niiden aineenvaihduntareittien paranteluun geenimanipulaatiolla. Myös uusien laitteistojen kehittäminen on tärkeää tuotannon mahdollistamiseksi tulevaisuudessa.