Anu Hopia käynnisti molekyyligastronomisen tutkimuksen Suomessa

Molekyyligastronomiassa tutkitaan monipuolisesti ruokailukokemusta. Alalla työskentelee kemistien ja fyysikoiden lisäksi useiden eri alojen ammattilaisia kuten psykologeja, arkkitehtejä ja matemaatikoita. Tutkimukset ovat paljastaneet, että käytämme syödessämme haju- ja makuaistin lisäksi myös näkö-, kuulo- ja tuntoaistia. Moniaistisuus kiinnostaa professori Anu Hopiaa, joka toi molekyyligastronomian tutkimuksen Suomeen.  

Tutkimus on johdattanut Anu Hopian yhteistyöhön eri alojen ammattilaisten kuten kokkien, muusikoiden, arkkitehtien ja etnologien kanssa. Kuva: Sisko Loikkanen

Mullistava lukukokemus

 

Vuonna 1989 Turun yliopiston elintarvikekehityksen professori Anu Hopia hankki itselleen Harold McGeen kirjan ”On Food and Cooking – The Science and Lore of Kitchen”.

Lukukokemus sysäsi Hopian aivan uudelle tielle, molekyyligastronomian tutkijaksi ja pioneeriksi Suomessa.
”Kirja antoi opiskelualalleni elintarvikekemialle aivan uuden sisällön ja suunnan. Teoksessa kulttuuri sidottiin luonnontieteelliseen näkökulmaan, ja lähdin alalle ihastuneen uteliaana”, Hopia muistelee.

Amerikkalaisen McGeen teosta on luonnehdittu ruoanlaiton ja keittiökemian klassikoksi, johon johtavat keittiömestarit kautta maailman tukeutuvat. McGee itse ei ole kuitenkaan maineikas keittiömestari vaan kirjallisuustieteilijä, joka ensin opiskeli tähtitiedettä kuuluisassa Caltechissa mutta siirtyi kirjallisuustieteeseen ja väitteli tohtoriksi John Keatsin runoista Yalen yliopistossa. Hän on sittemmin julkaissut useita teoksia ruoanlaitosta ja luennoinut säännöllisesti Harvardin yliopistossa. McGee pitää myös kursseja Ranskalaisessa kulinaarisessa instituutissa New Yorkissa.

Molekyyligastronomia ymmärretään usein ruoanvalmistuksen kemian ja fysiikan tutkimiseksi mutta tutkimuskohde on paljon laajempi.

”Kyse on kemian ja fysiikan lisäksi ruoasta nauttimisen tieteellisestä tutkimuksesta. Ruokailukokemus nostettiin tasavertaiseksi tutkimuskohteeksi muiden elintarviketieteiden rinnalle, kun molekyyligastronomiasta tuli uusi tutkimussuunta 1980-luvun lopulla”.

Alan termistö on vaihtelevaa. Kun Suomessa puhutaan molekyyligastronomiasta, englanninkielisissä yhteyksissä kyse on gastronomian tieteestä, science of gastronomy tai gastrofysiikasta. Myös Tanskassa tutkijat käyttävät termiä gastrofysiikka.

Hopia korostaa että molekyyligastronomia on nimenomaan tieteellistä tutkimusta eikä tällä termillä tarkoiteta ollenkaan maineikkaiden ravintoloiden molekyylikokkausta.
”Molekyyligastronomia on monesti koettu ruoanlaiton yhdeksi genreksi, jota se ei kuitenkaan ole, eli kyse ei ole molekyylikokkauksesta”, Hopia painottaa.

”Keittiömestarit alkoivat kyllä soveltaa tutkijoiden kehittämiä teknologioita ja ideoita ja ottivat ne käyttöön keittiössä mutta haluavat irtisanoutua termistä molekyyligastronomia”.

Tutkijoiden innovoimista, ravintoloiden omaksumista tekniikoista Hopia mainitsee matalalämpökypsennyksen.

”Se tarkoittaa hidasta kuumennusta termostoidussa hauteessa asteen tarkkuudella säädellyssä lämpötilassa, esimerkiksi 54, 58 tai 62 Celsius-asteen lämpötilassa. Menetelmä on yleisesti käytössä ravintoloissa, ja monilla ruokaharrastajillakin on laitteisto nykyisin kotonaan”.

Koska molekyyligastronomian tutkimuskohde on laaja, on selvää että tutkimusalalla häärii monien eri alojen ammattilaisia, kemistejä, fyysikkoja, matemaatikkoja ja psykologeja.

”Oikeastaan vasta tutkimuskysymys määrittää, millä tutkimusvälineillä tai minkä teoreettisen viitekehyksen läpi tutkimusta tehdään. Olen itsekin yhteistyössä paitsi keittiömestareiden myös muusikoiden, matemaatikoiden, arkkitehtien ja etnologien kanssa”, Hopia kertoo.

Jotta uusia annoksia pystytään kehittämään ja muokkaamaan raaka-aineita entistä monipuolisemmin, tarvitaan tietoa kemiallisista ja fysikaalisista muutoksista ruoanvalmistuksen aikana.
”On kuitenkin hyvä tiedostaa, että kemiallisesti ja fysikaalisesti täydellinen annos ei välttämättä ole ruokailijan mielestä se mieluisin kokemus”, Hopia huomauttaa.

Ympäristö ja seura vaikuttavat ruokailukokemukseen

 

Tunnelmallisessa iltaravintolassa takkatulen ääressä ruokailukokemus on erilainen kuin meluisassa lounaspaikassa. Ympäristön estetiikka ja visuaalisuus, ruoan värikirjo ja astioiden materiaali vaikuttavat. Ei ole lainkaan yhdentekevää, syömmekö posliinilautaselta vai pahvinpalaselta. Sekin merkitsee, nautimmeko ruokaa yksin vai hyvässä seurassa.

”Olenkin usein sanonut, että huono ruoka hyvässä seurassa voi olla mieluisampi kokemus kuin hyvä ruoka huonossa seurassa”.

Myös omat tunnetilat ratkaisevat.
”Sekin vaikuttaa, tunnetko syyllisyyttä syödessäsi kakkupalan”, Hopia pohtii.

Oma persoona, yksilölliset erot, jopa sosiaalipsykologiset ulottuvuudet, aiemmin koetut tilanteet ja omat odotukset vaikuttavat ruokailutilanteessa.
”Silläkin on merkitystä, oletko persoonana yllätyksiä etsivä vai kaihdatko uutta ja odottamatonta”.

Syödessämme eri aistit toimivat yhteistyössä

 

Anu Hopiaa kiinnostaa tutkimuskohteena moniaistisuus, kuinka eri aistimme toimivat ruokailutilanteessa yhdessä ja yhteistyössä.
Perinteisestihän ruokailuun liitetään lähinnä haju- ja makuaistimus, mutta tutkimuksissa on havaittu, että muutkin aistit ovat tärkeitä emmekä sulje niitä pois syödessämme. Moniaistiseen maistamiskokemukseen vaikuttavat merkittävästi näkö- ja hajuaistimus mutta myös kuulo- ja tuntoaistimus.

Brittiläinen kokeellisen psykologian professori Charles Spence Oxfordin yliopistosta on tutkinut moniaistisuutta ja musiikin vaikutusta. Tutkimukset vahvistavat, ettei ole yhdentekevää, mitä taustalla kuulemme kun syömme. Musiikki vaikuttaa siihen, kuinka aistimme ruoan ja juoman.
”Musiikkiin liittyvä tunnetila siirtyy ruokakokemukseen. Melun taas on havaittu vaimentavan makuaistimusta”.

Musiikilla lienee jopa huikeasti suurempi merkitys kuin on osattu aavistaakaan.

”Sveitsissä musiikin on todettu ei-tieteellisessä kokeessa vaikuttavan jopa juustojen kypsymiseen, ja meiltäkin on juuri vertaisarvioinnissa tutkimus, jonka tulokset viittaavat samaan”, Hopia paljastaa.
Kyse ei ole kuitenkaan juuston mikrobien kuulemisesta vaan ääniaaltojen vaikutuksesta fysikaalisina otuksina. Turun yliopistossa on käynnissä tutkimus, jossa työskennellään ääniaaltojen parissa.

”Tutkimme, kuinka ääniaallot vaikuttavat fermentoiviin eli käymisen aiheuttaviin mikrobeihin”, Hopia kertoo.

Molekyyligastronomian uudehko tärkeä tutkimuskohde on Hopian mukaan myös ruoan vaikutus hyvinvointiin.

Entäpä millaisia kemian tutkimusaiheita molekyyligastronomiassa ratkotaan?

Hopia ottaa esimerkiksi ruoan värit, joiden tiedetään vaikuttavan vahvasti ruokailukokemukseen. Molekyyleissä on kromoforeiksi kutsuttuja ryhmiä, jotka yhdessä valon kanssa toimiessaan saavat aikaan värit.

”Molekyylien ja valon vuorovaikutus on se perusta, jolta lähdemme tutkimaan värien kokonaisuutta, kuinka värit vaikuttavat toisiinsa ja kuinka vierekkäiset värit vaikuttavat siihen kuinka näemme ja koemme ne ruoassa”.

Turun yliopistossa on pian valmistumassa mielenkiintoinen väitöskirja värin merkityksestä ruokailukokemukseen.

Anu Hopia on ahkera luennoitsija ja kirjoittaja. Kuvassa hän kertoo ruoanvalmistuksen ihmeellisistä ilmiöistä innostuneelle kuulijakunnalle Tiedekeskus Heurekassa. Kuva: Sisko Loikkanen

Kalenteriin mahtuu kansainvälistä yhteistyötä ja ruokaklubin kokoontumisia

 

Vuosien mittaan Hopia on professorityönsä ohessa luennoinut ahkerasti ruoan kemiasta ja molekyyligastronomiasta myös suurelle yleisölle. Yhteistyöstä kokkien kanssa on putkahtanut kirjoja, ja kursseja ja tapahtumia on järjestetty.

Espanjassa sijaitseva Basque Culinary Centre ja norjalainen kemiasta väitellyt tohtori Erik Fooladi ovat olleet Hopian monivuotisia yhteistyökumppaneita. Erik Fooladin kanssa hän julkaisi kirjan Hyppysellinen tiedettä.

Hopian käynnistämä luonnontieteellis-gastronominen ruokaklubi keittiömestari Tatu Lehtovaaran kanssa on perinne, jolla on kymmenvuotinen historia takana ja toivottavasti useita vuosia edessä.

”Pohdimme klubilla ruoan ja ruoanvalmistuksen ilmiöitä kokeita tehden. Asetelma ei ole se, että toinen osapuoli opettaa ja toinen oppii, vaan vuoropuhelu on vastavuoroista. Olen oppinut keittiömestareilta tosi paljon käytännön kokemuksen tuomaa tietoa ja havaintoja”.

Klubi kokoontuu kerran kuussa useimmiten Helsingin Roihuvuoressa. Tutkimuksen kohteet vaihtelevat mielenkiinnon mukaan aina riisipuuron valmistuksesta pihvinpaistoon. Klubin aluksi Hopia pitää perehdyttävän johdatuksen aiheeseen, samalla kokki kokkailee keittiössä testattavat maistiaiset. Aistinvaraisten arviointien jälkeen seuraa tulosten käsittely, vertailu ja keskustelu. Viimeisin ruokaklubi järjestettiin koronaepidemian vuoksi virtuaalisesti. Klubi jatkuu syksyllä.

Kesäkeittiön kemiaa tapahtumassa oli Anun kanssa mukana luonnontieteellis-gastronomisen ruokaklubin keittiömestari, tietokirjailija ja ruokatuotannon opettaja Tatu Lehtovaara. Kuva: Juho Leikas

Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Kemistit rakentavat pikkuruisia nanokoneita liittämällä molekyylejä toisiinsa heikoilla sidoksilla

Haastateltavana professori Kari Rissanen Jyväskylän yliopistosta

Heikkojen sidosten avittamana molekyyleistä syntyy isohkoja, jopa nanometrien mittaisia pikkukoneita. Niissä voi olla koneiden tapaan liikkuvia osia, ja muotoon ja toimintaan on saatettu etsiä piirteitä arkipäivän tutuista laitteista kuten autoista. Nanokemian kehitystä ovat kiihdyttäneet Nobelillakin palkitut oivallukset ja tutkimuslöydöt.

Professori Kari Rissasen tutkimusryhmässä toteutettu nanokapseli.

Kemistit pystyvät nykyisin kokoamaan molekyyleistä mitä ihmeellisimpiä nanokoneita, jotka saattavat muistuttaa muodoltaan tai toiminnaltaan jopa autoa, hissiä tai asemien välillä seilaavaa sukkulaa. Nanokoneita tutkiva kemian haara on supramolekyylikemia.

”Supramolekyylikemia on avartanut perinteistä orgaanisen kemian tutkimusta. Käyttämällä hyväksi erilaisia heikkoja vuorovaikutuksia molekyylien välillä saamme ne tekemään monenlaisia toimintoja”, professori Kari Rissanen Jyväskylän yliopistosta kertoo.

Supramolekyylikemia on melko uudehko ala, jonka pioneerit Jean-Marie Lehn, Donald Cram ja Charles Pedersen palkittiin kemian Nobelilla vuonna 1987. Heistä ranskalainen Lehn otti käyttöön supramolekyylikemia-termin.

Alalle myönnettiin jo toinenkin kemian Nobel vuonna 2016, kun Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart ja Bernard Feringa palkittiin molekyylikoneiden kehittämisestä.

Perinteisesti kemistit ovat hyödyntäneet orgaanisessa kemiassa vahvoja eli kovalenttisia sidoksia, mutta supramolekyylikemisti käyttää hyväkseen myös vetysidoksia ja muita molekyylien välisiä heikkoja vuorovaikutuksia. Näiden heikkojen sidosten avulla molekyylejä voidaan koota suuremmiksi rakenteiksi, joissa molekyylit toimivat kollektiivina yhdessä.

”Voimme tehdä nanokokoisia molekyylirakenteita, joissa on satoja tai jopa tuhansia atomeja”, Rissanen kertoo.

”Rakenne voi olla kooltaan vaikkapa 5 x 5 x 5 nanometriä. Vertailun vuoksi aspiriinimolekyyli on huikeasti pienempi, kooltaan vain 0,15 x 0,5 x 0,6 nanometriä eli vain noin 1/25000 nanomolekyylistä”.

Kari Rissanen on käynnistänyt supramolekyylikemian tutkimuksen Suomessa, Jyväskylän yliopistossa.

Supramolekyylikemiassa on tietotaitoa karttunut jo niin paljon, että kemistit pystyvät hyvin toteuttamaan haluamiaan rakenteita.

”Kun käytämme hyväksi molekyylien itsejärjestäytymistä, voimme valmistaa suuria ja monimutkaisia rakenteita todella helposti vain sekoittamalla sopivia yhdisteitä keskenään ja luonto hoitaa loput”.
Joskus pelkkä sekoittaminen ei riitä, vaan kemisti joutuu puurtamaan pidempään ja tekemään jopa kymmenen reaktiovaihetta saadakseen aikaan monimutkaisen rakenteen. Hyvästä suunnittelusta huolimatta tulos saattaa kuitenkin yllättää kokeneenkin kemistin.
”Tämä johtuu siitä, että heikkoja vuorovaikutuksia on lähes mahdotonta hallita täydellisesti. Ne tekevät vain sen, mikä niille on luontaista ja helpointa, ja yleensä tuloksena syntyy termodynaamisesti pysyvin rakenne”.
Haastavinta kemistille on suunnitella ja tehdä rakenne, joka suorittaa haluttua tehtävää. Molekyylit voivat toimia vaikkapa on-off -kytkiminä tai avautua ja sulkeutua ulkoisen käskyn kuten valosäteilyn ohjaamana.
Kiinnostava tutkimuskohde Kari Rissasen mielestä ovat molekyylimuistit, joissa molekyyliin tai hyvin pieneen molekyylijoukkoon voidaan säilöä tietoa siten, että molekyylissä on arvoja 0 ja 1 vastaavat tilat. Sopivia rakenteita osataan jo valmistaa mutta niiden toiminnassa on yhä puutteita.
”Muistimolekyylien pysyvyys ja lukeminen ovat ongelmallisia. Vaikka käytettävä energiamäärä on hyvin pieni, yhden molekyylin lukeminen vaatii niin paljon energiaa että muistimolekyyli tuhoutuu luettaessa, eli käy kuten Mission Impossible –elokuvassa”.

Yksittäisen elävän syöpäsolun eli niin sanotun HeLa-solun sisältämä pyrofosfaatti on värjäytynyt oranssiksi pyrofosfaattisensorin vaikutuksesta. (Kuva Varpu Marjomäki ja Kari Rissanen)

Vuonna 2014 professori Kari Rissasen tutkimusryhmässä Jyväskylän yliopistossa kehitettiin maailman herkin pyrofosfaattianionin tunnistusreseptori.
Reseptori on molekyyli, joka kykenee tarkasti tunnistamaan tietyn ionin tai molekyylin. Tunnistamiseen se käyttää tarkkaa kolmiulotteista rakennettaan ja heikkoja vuorovaikutuksia. Jos kohde on ioni, reseptori kiinnittyy vain siihen mutta ei muihin läsnäoleviin ioneihin. Reseptorin toivotaan myös raportoivan tunnistuksesta eli ilmaisevan että tunnistus on tapahtunut.
”Pyrofosfaattianionin tunnistusreseptori tunnistaa syöpäsoluissa pyrofosfaatin, jonka pitoisuus on koholla. Reseptori pystyy toimimaan niin pieninä pitoisuuksina, että sitä voidaan käyttää elävissä soluissa pyrofosfaatin kuvantamiseen”, Rissanen selventää.
Professori Rissasen ryhmässä tutkitaan reseptoreja sekä kationeille, anioneille että ionipareille. Ryhmässä kehitetään myös ligandeja itsejärjestyviin molekyylirakenteisiin.
”Tavoitteemme on ligandimolekyyli, joka vuorovaikuttaa toisen molekyylin, atomin tai metallikationin kanssa niin, että niistä kollektiivina muodostuu haluttu rakenne”.
Vuonna 2017 ryhmä onnistui valmistamaan suuren nanokapselin, jonka halkaisija on 4,5 nanometriä.
”Se koostuu kuudesta samanlaisesta ligandista, jotka liittyvät toisiinsa kahdentoista metalli-ionin välityksellä. Tuloksena on heksameerinen eli kuusikomponenttinen kapseli”.

Ligandi, jota käytettiin nanokapselin valmistamiseen.

Rissasen ryhmässä tutkitaan myös kultananohiukkasten rakennetta yhteistyöprojektissa italialaisen Padovan yliopiston kanssa.
”Kultananohiukkasetkin saattaisivat kelvata lääkeaineen kuljettimeksi tai solun sisäisiksi kuvantamisaineiksi pyrofosfaatin tavoin”.
Nanomolekyylien rakenteita tutkitaan röntgensäteiden avulla, röntgensädediffraktiomenetelmällä.
”Se on edelleen tehokkain ja paras menetelmä, kun tutkitaan supra- ja nanomolekyylien rakenteita atomien tarkkuudella. Menetelmä on pysynyt samana jo 25 vuotta, mutta tänä aikana tietokoneet ja mittalaitteet ovat kehittyneet valtavasti. Kun kaksikymmentä vuotta sitten pienehkön supramolekyylin tutkiminen vei viikon tai jopa kuukausia, niin nykylaitteilla saamme tuloksen alle kahdessa päivässä”.
”Röntgensädetutkimus on kuin salapoliisityötä. Alussa emme ole varmoja, saammeko rakenteen selville, mutta nykyisin useimmiten onnistumme ja voimme lopputuloksena piirtää siitä näyttäviä kuvia”
Alla on esimerkkejä näistä näyttävistä kuvista.

Yksinkertaisen molekyylikoneen, katenaanin kiderakenne, joka kehitettiin Kari Rissasen ja edesmenneen saksalaisen professorin Fritz Vögtlen tutkimusyhteistyön tuloksena vuonna 1993.

Nanokokoinen molekyylihäkki syntyi molekyylien itsejärjestymistä käyttäen Kari Rissasen tutkimusryhmässä vuonna 2015.

Jutun toimitus Sisko Loikkanen, kuvat ja video Kari Rissanen

Tutkijat katselevat ilmakehän molekyylitapahtumia kuin suurennuslasilla mutta lisää tutkimusta ja mittausdataa kaivataan yhä

Haastateltavana ovat professori Markku Kulmala ja professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta

Ilmakehän kemia on tällä hetkellä melkoista tarkkuustiedettä. Vaikka ilman sisältämien molekyylien tekemisistä tiedetäänkin paljon, yhä lisää dataa ja pitkiä mittaussarjoja kaivataan, jotta ilmastonmuutosta ja ihmisen vaikutusta voidaan arvioida tarkemmin. Helsingin yliopiston Hyytiälän SMEAR II –mittausasemalla on tehty pitkään monitieteistä tutkimusta, jossa on selvitetty ilman fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä, biogeenisiä yhdisteitä ja pienhiukkasia.   

Professori Markku Kulmalalla on erinomaisen hyvä näppituntuma ilmakehän kemiaan. Hän johtaa Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskusta INARia. Kuva Sisko Loikkanen

Juupajoen Hyytiälä lienee ilmaston vaikutusten osalta yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa.

 

Juupajoella sijaitseva Hyytiälä on tarjonnut oivallisen ympäristön monitieteiselle tutkijajoukolle, joka on ratkonut metsien, maaperän ja kasvillisuuden vaikutusta ilmastoon. Hyytiälä lienee tässä suhteessa yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa. Professori Markku Kulmala pystyy suoralta kädeltä kertomaan, kuinka molekyyleistä kehittyy siellä aerosolihiukkasia ja pilvipisaroiden tiivistymisytimiä.

”Hyytiälässä tähän ketjuun osallistuu rikkihappoa, ammoniakkia ja dimetyyliamiinia. Ensin niistä syntyy molekyyliryppäitä, ja kun mukaan tulee hapettuneita hiilivetyjä, ne kasvattavat hiukkaskoon niin suureksi että pystyvät toimimaan pilvipisaroiden tiivistymisytimenä”.

Kulmalan mukaan ilmastonmuutoksen kokonaisvaltaiseen hahmottamiseen kaivataan lisää dataa ja mittauksia globaalisti ja myös erilaisissa ympäristöissä kuten kaupungeissa. Lisäksi tarvitaan pitkiä tutkimus- ja mittaussarjoja satelliiteista, maanpinnalta käsin ja laboratorio-olosuhteissa.

Professori Markku Kulmala kertoo Hyytiälän tilanteesta ja tutkimuksen haasteista.

Ilman molekyylit tutkitaan kemian analytiikan menetelmin

Analyyttisen kemian professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta tutkii ryhmineen orgaanisten ja biogeenisten haihtuvien yhdisteiden analysointia ilmanäytteistä. Kuva Linda Tammisto/Helsingin yliopisto
Professori Marja-Liisa Riekkola on yhteistyössä kahden sveitsiläisen yrityksen kanssa ja käyttää miniatyrisoituja, injektioneulaa muistuttavia SPME Arrow- ja ITEX- näytteenottimia, joiden sisältämään materiaaliin ilman yhdisteet adsorboituvat.

Adsorboiva materiaali voi olla hyvinkin selektiivinen niin että sen pintaan kiinnittyvät vain tietynlaiset yhdisteet. Yhdisteet analysoidaan kaasukromatografi-massaspektrometrillä.

Tutkimusryhmä käyttää myös näytteenottimilla varustettua kopteria, jota on lennätetty Hyytiälän ilmatilassa.

Professori Marja-Liisa Riekkola kertoo ilmanäytteiden sisältämien orgaanisten molekyylien analysoinnista.

Ilmanäyte voidaan hakea myös näytteenottimilla varustetulla kopterilla. Kuva Marja-Liisa Riekkola/Helsingin yliopisto
Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Tuottelias tutkija Tapio Salmi palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla

Akatemiaprofessori Tapio Salmi Åbo Akademista tutkii katalyysin ihmeellistä ilmiömaailmaa – tavoitteena ovat uudet katalyytit biomassojen hyötykäyttöön     

Akatemiaprofessori Tapio Salmella on aihetta hymyyn. Hänet palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla ja vastikään myös Åbo Akademin kanslerin tunnustuspalkinnolla.

Kemiallisen reaktiotekniikan professori, akatemiaprofessori Tapio Salmi vastaanotti A.I. Virtanen -palkinnon tiistaina 10.12. Säätytalossa. Salmen tutkimusryhmässä Åbo Akademissa etsitään menetelmiä, jotka mahdollistavat biomassan hyödyntämisen prosessien raaka-aineena raakaöljyn sijasta. Keskeinen tutkimusaihe on puun sisältämän hemiselluloosan jalostaminen kemiallisiksi tuotteiksi.

Salmi on tuottelias tutkija, joka on syventänyt tietoa kemiallisten reaktioiden kinetiikasta ja katalyysistä ja ollut mukana laatimassa jopa noin 560 tieteellistä artikkelia.

Podcast 1: Tapio Salmi kommentoi A.I. Virtanen -palkintoaan.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan

Tapio Salmi on valtavan innostunut setvimään kemiallisten reaktioiden yksityiskohtia, ja kun hän tällä hetkellä työskentelee jo toista kautta Suomen Akatemian nimeämänä akatemiaprofessorina, hän voi keskittyä täysipainoisesti tutkimukseen ja väitöstutkijoidensa ohjaamiseen. Nykyinen akatemiatoimi jatkuu vuoden 2023 loppuun. Tähän mennessä Salmi on ohjannut jo 62 väitöskirjaa.

Salmen professuurin ala kemiallinen reaktiotekniikka käsittää laajan kokonaisuuden kemian tekniikkaa, kemialliset reaktorit, kemiallisen kinetiikan ja katalyysin.

Viime vuosina Salmi on ratkonut kemiallisten reaktioiden mekanismeja ja nopeutta kiinteän katalyytin pinnalla.

”Akatemiaprofessuurini pääteemana on tutkia reaktioiden mekanismia molekyylitasolla. Päämääränä on hankkia sellaista tietoa, jota voidaan hyödyntää kun kehitetään uusia, parempia katalyyttejä ja optimoidaan reaktio-olosuhteita”, Salmi kertoo.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan ja tuotteita aletaan yhä enemmän valmistaa uusiutuvista luonnonvaroista.

”Öljynjalostukseen kehitetyt katalyytit eivät kelpaa sellaisenaan, vaan niitä täytyy muuntaa sopiviksi uusiin prosesseihin ja kehittää myös aivan uusia katalyyttejä”.

Kemiallisen reaktion mekanismin selvittäminen on Salmen mukaan varsin haasteellista. Tutkijan on päästävä perille siitä, kuinka reaktio etenee askel askeleelta katalyytin pinnalla. Ennen lopputuotteen syntymistä reaktio ehtii käydä läpi monia välivaiheita. Ratkaisu etsitään tutkimalla reaktion kulkua ja katalyytin pinnan tapahtumia. Työhön tarvitaan herkkiä, tehokkaita tutkimuslaitteita ja mittausmenetelmiä. Myös kvanttikemiaa hyödynnetään malleineen.

Podcast 2: Tapio Salmi kertoo, kuinka hemiselluloosasta jalostetaan erilaisia tuotteita, kuinka reaktion mekanismia tutkitaan ja kuinka kultananohiukkasetkin kelpaavat katalyytiksi.

Mikroaallot ja ultraääni saavat aikaan reaktioita laboratoriolaitteissa

Uudenlaiset reaktorit tekevät tuloaan kemian tutkimukseen ja vähitellen myös teolliseen tuotantoon. Tapio Salmen tutkimusryhmässä on tutkittu reaktioita, joita on tuotettu mikroaaltojen ja ultraäänen avulla.

Kuuma aihe kemian prosessitekniikan tutkimuksessa on Salmen mukaan prosessien intensivointi, jolla tarkoitetaan prosessilaitteiden pienentämistä ja tehostamista.

Uudehkojen mikroreaktoreiden avulla laitekokoa voidaan pienentää huomattavasti. Niissä reaktiot tapahtuvat kymmenien mikrometrien kokoluokkaa olevissa kanavissa, joiden pinta on päällystetty ohuella katalyyttikerroksella. Mikroreaktoreiden yleistymistä on Salmen mukaan hidastanut kallis hinta, jonka uskotaan kuitenkin laskevan uusien valmistustekniikoiden ansiosta. Keski-Euroopassa mikroreaktoreita käytetään jo teollisuuslaitoksissa.

Podcast 3: Mikroaallot ja ultraäänikin tuottavat kemiallisen reaktion. Mikroreaktoreiden ansiosta laitekoko pienenee. Tapio Salmi kertoo näistä menetelmistä ja paljastaa uuden yllättävän tutkimuslöydön.

Podcast 4: Tapio Salmi kertoo laboratorion mikroaaltoreaktorista

Tapio Salmi esittelee takanaan olevaa laitteistoa

Kuvan mikroaaltoja hyödyntävän reaktorin mikroaaltolähde on hankittu Ranskasta. Laboratorion oma henkilökunta on suunnitellut ja koonnut laitteiston.

Tapio Salmi on kumppaneineen kirjoittanut kemian reaktoritekniikasta 648-sivuisen Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology –kirjan.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen

Vesi puhtaaksi pintakemian avulla – hankala kiteytyminen kuriin vedenpuhdistuksessa

Haastateltavana vanhempi tutkija Salla Puupponen Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksesta

Tekniikan tohtori Salla Puupponen on työskennellyt Kemiran tutkimuskeskuksessa parisen vuotta ja ollut tänä aikana mukana useissa tutkimusprojekteissa, joissa on tarvittu osaamista muun muassa pintailmiöiden ja kiteytymisen kemiassa.     

Salla Puupponen arvostaa työnsä vaihtelevuutta ja haastavuutta.

Tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit

 

Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskukseen Salla Puupponen tuli vanhemmaksi tutkijaksi väiteltyään sitä ennen Aalto-yliopistossa. Juuri tällä hetkellä hänellä on työn alla projekteja pääosin öljy- ja kaivosteollisuuden sovelluksiin.

”Kyse on siitä, kuinka esimerkiksi öljyntuotantoa voidaan tehostaa ympäristöystävällisesti. Käynnissä on myös paperi- ja selluteollisuuden vedenkäsittelyprojekteja”, Puupponen kertoo.

Salla Puupposen tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit, jotka ovat nanometrien kokoluokkaa olevia hiukkasia tai kolloideja.

”Niiden pinta-ala on suuri mutta tilavuus pieni”, Puupponen selventää.

Kun hienojakoisen aineen pinta-ala on suuri, haluttuun tehovaikutukseen päästään jo hyvin pienellä ainemäärällä. Likahiukkaset napataan vedestä hallitsemalla pikkuriikkisten hiukkasten pintailmiöitä.

”Likahiukkasten pintakemia vaikuttaa siihen millaisia vesikemikaaleja käytetään, ja kemikaalien pinta-alaa ja pintakemiaa voidaan muokata vedenkäsittelykemikaalien avulla”, Puupponen kertoo.

Sallan taustalla on kuvanveistäjä Matti Hauptin teos Atomipoika vuodelta 1972. Teos on Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksen aulassa.

Kiteytymisen teoriaa ei tunneta tarkasti

 

Puupposen lempiaiheisiin kuuluu kaikille kemisteille tuttu ilmiö, kiteytyminen, jonka parissa hän on myös työskennellyt. Yllättäen Puupponen paljastaa, ettei kiteytymisen teoriaa vieläkään ymmärretä kovin hyvin.

Kiteytymiselle on tyypillistä sattumanvaraisuus, ja usein kiteet alkavat muodostua vasta jonkin ympäristössä tapahtuvan muutoksen myötä. Esimerkiksi Puupponen ottaa tutun virvoitusjuomapullon, jonka sisältö alkaa kiteytyä siinä vaiheessa, kun pullo nostetaan lämpimään ja avataan, jolloin hiilidioksidi pääsee vapautumaan ulos.

Koska haitallisia saostumia syntyy useissa prosesseissa, Kemiran hankkeissa on usein kyse siitä, että kiteytyminen pyritään estämään. Prosessiteollisuudessa saattaa esimerkiksi lämmönsiirtimien pinnalle syntyä saostumia, jotka heikentävät lämmönsiirtoa.

DI-kemistiksi kouluttautunut Puupponen väitteli tohtoriksi Aalto-yliopistossa konetekniikan alalla. Väitöstyössä hän tutki faasimuutosmateriaalia erytritolia, jonka ominaisuuksia hän muunsi sopiviksi pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin.

Kiteytymisen teoriaa ymmärretään vielä aika huonosti, Salla Puupponen paljastaa yllättäen.

Seuraavissa podcasteissa Salla Puupponen kertoo työstään pintakemian ja kiteytymisen parissa.

Salla Puupponen kertoo vedenpuhdistuksen pintakemiasta ja tarvittavista kemikaaleista, koagulanteista ja flokkulanteista.

Salla Puupponen kertoo kiteytymisilmiöstä ja sen aiheuttamista ongelmista.

Salla Puupponen kertoo väitöstyöstään, jossa hän tutki faasimuutosmateriaaleja lämmönsiirtosovellukseen. Tutkittava aine oli sokerialkoholi erytritoli.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen

Neste Oy:n tuotteista yhä kasvava osa valmistetaan uusiutuvista raaka-aineista

Neste Oy on tällä hetkellä maailman suurin uusiutuvan dieselin valmistaja, ja yhtiön uusiutuvan lentopolttoaineen liiketoiminta on lähtenyt äskettäin käyntiin. Yritys etsii aktiivisesti uusia, uusiutuvia raaka-aineita. Kiinnostava hanke on jätemuovin nesteytys, jossa jätemuovista pyritään tekemään raakaöljyä korvaavaa raaka-ainetta kemikaalien ja uusien muovien valmistukseen.     

Matti Lehmus työskentelee Neste Oy:n Renewables Platform -liiketoiminta-alueen johtajana.

Jo yli kaksi kolmannesta Nesteen tuloksesta tulee uusiutuvista polttoaineista

Neste Oy on tällä hetkellä yksi maailman suurimmista rasvajätteiden hyödyntäjistä. Uusiutuva diesel valmistettiin viime vuonna 83 prosenttisesti erilaisista kasvi- ja eläinperäisistä rasvajätteistä tai tähteistä, ja vain alle viidennes raaka-aineesta oli sertifioitua palmuöljyä.
Nesteen lentopolttoaine syntyy sataprosenttisesti uusiutuvista raaka-aineista.

”Tällä hetkellä jo yli kaksi kolmannesta tuloksestamme tulee uusiutuvista polttoaineista”, Nesteen Renewables Platform – liiketoiminta-alueen johtaja Matti Lehmus valistaa.

Yrityksessä tutkitaan myös aivan uusia, uusiutuvia raaka-aineita.

”Yli neljä viidesosaa tutkimuspanostuksestamme meneekin uusien raaka-ainelähteiden avaamiseen. Tutkimme myös leväöljyjä ja erilaisia metsätähteitä”, Matti Lehmus kertoo.

Tavoitteena kierrätettävä muovi

Yrityksen kasvualoja ovat biopohjaiset kemikaalit ja muovit. Nesteen ja muovivalmistaja LyondellBasellin yhteistyönä on valmistettu ensimmäistä kertaa biopohjaista polypropyleeniä ja biopohjaista LDPE-polyeteeniä kaupallisessa mittakaavassa.

Mielenkiintoinen hanke on jätemuovin nesteytys, jossa jätemuovi pyritään prosessoimaan kemiallisesti siten, että siitä saadaan uutta raaka-ainetta uusien kemikaalien ja muovien valmistukseen. Ihannetapauksessa tämä johtaisi jopa siihen, että muovi voitaisiin kierrättää yhä uudelleen ja uudelleen, uusiksi muoveiksi.

”Perusajatuksena on panna hiili kiertämään, olipa kyse uusiutuvasta tai fossiilisesta hiilestä. Polttamisen sijasta muovista voitaisiin valmistaa arvotuotteita, kun se näin kierrätetään kemiallisesti”, Petri Lehmus kaavailee.

Raaka-ainettakin on tarjolla, koska Euroopassa syntyy vuosittain muovijätettä 50 miljoonaa tonnia, ja siitä kierrätykseen menee nykyisin vain kolmannes.

Seuraavissa podcasteissa Matti Lehmus ja Petri Lehmus kertovat Neste Oy:n toiminnasta ja tutkimuksesta uusiutuvien ja kierrätettävien raaka-aineiden parissa.

Haastateltavana Matti Lehmus, Neste Oy:n Renewable Platform –liiketoiminta-alueen johtaja.

Haastateltavana Petri Lehmus, Neste Oy:n tutkimus- ja kehitysjohtaja

Petri Lehmus on Neste Oy:n tutkimus- ja kehitysjohtaja

Jutun toimitus Sisko Loikkanen, valokuvat Neste Oy