Metsien sivuvirroista tisleitä patogeenien torjuntaan

Perinteisten puu- ja metsätaloustuotteiden sekä metsistä kerättävien luonnontuotteiden lisäksi metsät tarjoavat uudenlaisia mahdollisuuksia sivutuotteiden hyödyntämiseen kiertotalouden näkökulmasta. Biomassaperäisten aromiaineiden ja hyötykemikaalien käytettävyysarviointi ja testaus -kehityshankkeessa (BioMahti) selvitettiin biotalouden sivuvirroista saatavien pyrolyysinesteiden soveltuvuutta muun muassa elintarvikepatogeenien kasvun estämiseen.

Pyrolyysi on termokemiallinen prosessi, jossa orgaanista materiaalia käsitellään hapettomassa tilassa. Prosessi voidaan karkeasti jaotella hitaaseen ja nopeaan pyrolyysiin, joissa lämpötilaa nostetaan eri nopeuksilla ja syklisesti eri lämpötiloihin prosessin edetessä. Lopputuotteena syntyy kiinteää biohiiltä sekä erilaisia nestemäisiä tai öljymäisiä tisleitä.

Biohiiltä voidaan käyttää esimerkiksi hiilensidontaan maaperään. Karkeasti ottaen prosessissa tapahtuu veden haihduttaminen, sekä hemiselluloosan, selluloosan ja viimeiseksi ligniinien hajottaminen, mutta prosessia säätämällä lopputuoteisiin ja niiden kemialliseen koostumukseen voidaan merkittävästi vaikuttaa.

Hidaspyrolyysin kolme vaihetta ovat kuivaus, torrefiointi ja pyrolysointi. Torrefioinnilla eli paahtamisella tarkoitetaan mietoa pyrolyysiä, eli se tapahtuu alhaisemmassa lämpötilassa kuin varsinainen pyrolyysi. Jokainen vaihe sisältää tisleiden kondensoitumiseen käytettävät jäähdytysvaiheet.

Pyrolyysivaiheet tapahtuvat osin limittäin ja tuottavat muun muassa karboksyylihappoja, alkoholeja, aldehydejä, ketoneita, fenolisia yhdisteitä ja sokereita. Nestejakeiden koostumus vaihtelee riippuen lähtömateriaalista, eli puulajista tai muusta orgaanisesta materiaalista sekä käytetyistä aika- ja lämpötilayhdistelmistä. Tämä avaa mahdollisuuksia kohdentaa prosessin parametreja siten, että saadaan haluttuja yhdisteitä ja tarvittaessa konsentroituja tisleitä.

Patogeenien kasvunesto vaihtelee

Puuperäisten tisleiden on aikaisemmissa tutkimuksissa todettu olevan antimikrobisia patogeenisia mikrobeja vastaan jopa hyvin pienillä, alle prosentin pitoisuuksilla. Yksinkertaisimmillaan patogeenien kasvua rajoittavat tisleiden sisältämät orgaaniset hapot kuten etikka- ja propionihapot. Nämä yhdisteet eivät yksinään selitä pyrolyysitisleiden kasvunestovaikutusta mikrobeja kohtaan.

BioMahti-hankkeessa selvitettiin männyn sahajauhosta saatujen nestejakeiden antimikrobista vaikutusta elintarvikepatogeenisten salmonellan (Salmonella enterica subs. enterica), listerian (Listeria monocytogenes) ja pilaajahiiva candidan (Candida albicans) kasvunestossa. Menetelminä käytettiin agardiffuusiotestiä ja Bioscreen C -kuoppalevymenetelmää.

Tutkimuksessa havaittiin selkeitä eroja nestejakeiden välillä. Kuivausvaiheiden nestejakeet eivät olleet antimikrobisia niiden suuren vesipitoisuuden vuoksi. Sen sijaan torrefiointi- ja pyrolyysivaiheiden jakeet estivät vaihtelevasti elintarvikepatogeenien kasvua. Kondensaatiolämpötilalla oli myös merkitystä tisleiden antimikrobisuuteen.

Yleisemmin voidaankin todeta, että pyrolyysinesteiden antimikrobinen aktiivisuus vaihtelee sen mukaan, mikä on termisen nesteen tuottoon käytetty biomassa, mitkä ovat prosessin parametrit sekä mitä mikrobia vastaan nestettä testataan, käytettyä testausmenetelmää ja -ympäristöä unohtamatta.

Sivutuotteista arvokomponenteiksi

Metsistä saatavien raaka-aineiden lisäksi jalostuspotentiaalia on muissakin orgaanisissa sivutuotteissa, kuten marjanviljelyssä, puutarhatuotteissa tai vaikkapa kalanjalostuksessa syntyvissä biomassoissa. Sivutuotteiden tehokkaampi hyödyntäminen tuo eittämättä uusia vaihtoehtoja maatalous- ja elintarvikesovelluksiin. Arvokomponenttien talteen ottamista kannattaakin pohtia, ennen kuin ne päätyvät energiaksi poltettaviksi tai pahimmillaan täysin hyödyntämättä. Erityisesti elintarvikesovelluksissa pyrolyysinesteiden kemiallisen karakterisoinnin ja antimikrobisten vaikutusten tutkimisen lisäksi käyttöturvallisuus vaikkapa savuaromeina tulee huolellisesti selvittää ja hyväksyttää.

Lähde:

Riekkinen K ym. 2022. Antimicrobial activity of slow pyrolysis distillates from pine wood biomass against three pathogens. Forests.