Ekoluksusta luonnonväriaineista

Maailmassa valmistetaan vuosittain yli kaksi miljoonaa tonnia väriaineita, joista suurin osa saadaan petrokemiallisesti eli raakaöljyn jakeista syntetisoimalla. Synteettisten väriaineiden tuotannossa syntyy runsaasti kasvihuonekaasuja ja ympäristölle haitallisia kemikaaleja. Lisäksi väriaineita päätyy mm. tehottomien värjäysprosessien seurauksena paljon ympäristöön, missä ne saattavat aiheuttaa pitkäaikaista haittaa.

Ympäristötietoisuuden lisääntyessä saastuttavia menetelmiä pyritään aktiivisesti karsimaan, mikä avaa mahdollisuuksia uusille ekologisille prosesseille. HAMK Tech -tutkimusyksikössä onkin aloitettu luontoperäisten väriaineiden tutkimus, jolla pyritään luomaan ekologisempaa väriaineteollisuutta.

HAMK Tech osallistuu kesäkuussa 2019 alkaneeseen strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittamaan BioColour-hankkeeseen, jossa tutkitaan biopohjaisia ja kotimaisia vaihtoehtoja petrokemiallisesti syntetisoiduille väriaineille. Hankkeen tavoitteena on kartoittaa erilaisia luontoperäisiä väriaineita ja niiden lähteitä, väriaineiden tuotantoa sekä sovellutuksia ja lopulta koostaa yleiseen käyttöön tuleva avoin tietokanta luonnonväriaineiden tuotannosta ja toiminnasta eri sovellutuksissa. Hankkeessa ovat mukana HAMKin lisäksi myös Helsingin yliopisto, Itä-Suomen yliopisto, Aalto-yliopisto, North Carolina State University, University of Campinas, Luonnonvarakeskus sekä Teknologian tutkimuskeskus VTT.

HAMK Techin rooli BioColour-hankkeessa on tutkia luonnonväriaineiden soveltuvuutta puun ja metallin pinnoitteissa sekä pakkausmateriaaleissa. Jotta saadaan realistinen käsitys luontoperäisten väriaineiden soveltuvuudesta eri käyttökohteisiin, tullaan niiden ominaisuuksia ja pitkäaikaiskestävyyttä kartoittamaan standardisoiduilla menetelmillä. Verrokkeina voidaan käyttää synteettisiä väriaineita, mutta toisaalta tutkimuksella tavoitellaan myös täysin uudenlaisia tuotteita, joille ei ehkä vielä ole olemassa vertailukohtaa.

Ihastuttava indigo

Indigotiini, eli tuttavallisemmin indigo, on sininen väriaine, jota saadaan luontaisesti muun muassa värimorsingosta (Isatis Tinctoria L.). Synteettisesti valmistettua indigoa käytetään yleisesti tekstiilien, erityisesti farkkujen väriaineena. Puhtaana indigo on sinistä, mutta värimorsingossa esiintyvien indigotiinin esiasteiden ja indirubiinin yhdistelmillä voidaan saada aikaan myös vihreän, keltaisen ja violetin sävyjä. Väriaineiden esiintyminen seoksina on hyvin tyypillistä luonnonväreille, mikä asettaa haasteita teolliseen valmistukseen. Toisaalta hallittuna värien vaihtelu voi myös mahdollistaa useiden eri värisävyjen synnyttämisen samaa lähdettä hyödyntäen. Luonnonindigoa Suomessa valmistaa Natural Indigo Finland Oy, joka viljelee värimorsinkoa Pohjois-Pohjanmaalla Nivalassa.

Indigoa tuottava värimorsinko on kaksivuotinen peltokasvi, joka kasvattaa ensimmäisenä kesänään matalan lehtiruusukkeen ja toisena kesänään noin metrin pituisen varren, jonka päähän muodostuu hieman rypsin kukintoa muistuttava kukinto. Itse indigoa saadaan jo ensimmäisenä vuonna morsingon lehdistä. Lehdet poimitaan kokonaisina ja väriaineen esiaste uutetaan lehdistä kuumalla vedellä. Kellertävät esiasteet muutetaan siniseksi indigoksi säätämällä uuttoliuoksen pH:ta ja antamalla yhdisteen hapettua ilman vaikutuksesta. Indigon valmistusta värimorsingosta on tutkittu muun muassa Luonnonvarakeskuksessa.

Aloitamme indigon sovellutusten kartoittamisen valmistamalla indigopigmentillä värjättyjä muovifilamentteja, joista voidaan valmistaa erilaisia testikappaleita. Tarkoituksenamme on löytää väri-, kestävyys- ja muovattavuusominaisuuksiltaan sopiva indigon ja muovin suhde sekä vertailla keskenään luonnonindigolla ja synteettisellä indigolla värjättyjen näytteiden ominaisuuksia. Ominaisuuksiltaan tyydyttäviä koe-eriä voidaan käyttää mm. kalvojen ja 3D-tulostettujen kappaleiden valmistukseen.

Ligniiniä ja mikrobeja

Pellolla kasvavan värimorsingon lisäksi muun muassa pajunkuoriuutteesta, ligniinistä, hiivoista ja homeista voidaan erottaa väriaineita. Ligniini on puun liima-ainetta, jolle on ominaista voimakkaat ruskean ja keltaisen sävyt, joista tyypillisesti pyritään eroon esimerkiksi paperituotteissa. Värjäävyytensä takia ligniini erotetaan huolella selluprosessissa ja se onkin yksi selluteollisuuden suurista sivuvirroista ja houkutteleva tutkimuskohde runsaan saatavuutensa vuoksi. Nykyään suurin osa ligniinistä joudutaan polttamaan energiaksi, mutta uusia sovellutuksia tutkitaan jatkuvasti. Myös puiden kuoret sisältävät paljon värillisiä yhdisteitä ja niitä tutkitaankin yhteistyössä Aalto-yliopiston kanssa. (Lohtander, Arola & Laaksonen, 2019)

Luonnonväriaineita voidaan tuottaa myös mikrobien avulla synteettisen biologian keinoin, jossa mikrobin geeniperimää muokkaamalla se saadaan tuottamaan solutehtaana haluttuja yhdisteitä. Väriaineiden ja muiden arvokemikaalien tuottamista hiivojen ja homeiden avulla tutkii BioColour -konsortiossa VTT. Synteettinen biologia on kasvava ala, jolla uusia kaupallisia sovelluksia syntyy jatkuvasti. Esimerkiksi ranskalainen yritys Pili on parhaillaan skaalamassa väriaineen tuottoa bakteerien avulla teolliseen mittakaavaan. Väribakteerien kasvattaminen bioreaktorissa olisi teoriassa jopa kustannustehokkaampi vaihtoehto verrattuna petrokemialliseen synteesiin. Menetelmä on tällä hetkellä vasta kokeiluasteella, mutta kaupallista tuotantoa on suunnitteilla vuoden 2020 loppuun mennessä. (Pili Inc., 2019)

Tavoitteena luonnollinen väripaletti

BioColour-hankkeen tavoitteena on koota tietopaketti, johon pystytään sisällyttämään eri sovelluskohteita varten tietoa eri väriaineista ja jopa kokonaisia väripaletteja. Palettien avulla esimerkiksi yritysten olisi helpompaa lähteä rakentamaan kokonaisia luonnonväriaineilla värjättyjä tuoteperheitä. Luonnonväriaineilla värjättyjen kuluttajatuotteiden hinta saattaa olla synteettisillä väriaineilla värjättyjä tuotteita korkeampi, mutta niiden korkea ekologisuus tuo niille lisäarvoa ja ohjaa kohti vastuullisempia kulutustottumuksia. Luonnonväriaineista ovatkin olleet eniten kiinnostuneita voimakkaasti ekologisuuteen ja luksukseen itsensä brändänneet toimijat. Esimerkiksi monilla pienillä tekstiilialan yrityksillä on valikoimissaan luonnonväriaineilla värjättyjä tuotteita. Vaikka Suomessa ei vielä olekaan laajaa liiketoimintaa tällä alueella, on mahdollista, että BioColourin ja muiden vastaavien hankkeiden myötä luonnonväriaineet siirtyvät hiljalleen lähemmäs tavallisen kuluttajan arkipäivää.