"Kui rääkida suures plaanis ringmajandusest, siis on väga oluline jääke ära kasutada," ütleb Khan. Paberitööstuses tekib neid ligniini näol hulganisti. Kui praegu põletatakse ligniin energiatootmisel ära, siis tulevikus loodavad ringmajandusele mõtlevad teadlased valmistada sellest midagi uut ja väärtuslikku.

Khan uuribki oma õpingute käigus, kuidas ligniin puidutööstuse jääkidest kätte saada ja seejärel elektrokeemiliselt väärindada. Tema lähenemise eripärana käivad eraldamine ja väärindamine korraga ühes protsessis. "Tavaliselt peaks ligniini eelnevalt ühest lahustist eraldama ja seejärel panema teise lahustisse, et seda elektrokeemiliselt väärindada. Meie meetod säästab kõigist neist lisasammudest," osutab doktorant oma lähenemise energiasäästlikkusele.

Inetu pardipoeg ligniin

Mistahes biomass ehk puit või rohttaimed koosnevad peamiselt kolmest komponendist: tselluloosist, hemitselluloosist ja ligniinist. Sharib Khani juhendaja ja EMÜ biomajandustehnoloogiate professori Timo Kikase sõnul on ligniini eesmärk looduses taime kaitsta. "See toimib biomassi sees omamoodi liimina, mis hoiab tselluloosi ja hemitselluloosi koos," lisab ta.

Kui tselluloos ja hemitselluloos on tööstuses kõrges hinnas, siis ligniini on professori sõnul materjalina aastakümneid alahinnatud. "Isegi kui ligniini õpiti eraldama juba ammu, oli toona põhieesmärk sellest vabaneda. Kedagi ei huvitanud, mis kujule see töötlemise lõpuks jõudis," selgitab ta. Nii kasutatigi varem puidu töötlemisel sedavõrd kangeid kemikaale, et ligniinist jäi järele kasutuskõlbmatu mass. "Siis ei jäänudki muud üle, kui see ära põletada," osutab Kikas.

Tegelikult on ligniin oma koostiselt aga tselluloosist ja hemitselluloosist huvitavam. Viimased on olemuselt suhkrud, mida võib saada mujaltki. Samas koosneb ligniin suuresti aromaatsetest tsüklitest, mida on Kikase sõnul väga raske leida või ise sünteesida. "Keemiku vaatevinklist on ligniin palju väärtuslikum kui tselluloos või hemitselluloos," märgib ta.

Khani sõnul seisneb ligniini kui materjali põhimure selles, et seda ei osata kõrgema lisandväärtusega valdkondades veel hästi rakendada. "Näiteks meditsiinis, ravimitööstuses või isegi plastina on seda väga keeruline kasutada. Seepärast mõtlesimegi välja uue lähenemise," selgitab ta.

Kui varem eraldati puidu koostisosi üksteisest tugevate kemikaalidega, siis Khani lahenduses pannakse tootmisjääk ioonse vedeliku ehk vedela soola sisse. "Kasutame ioonset vedelikku, mis eraldab puidust parima ligniini. Sellist ligniini saame kasutada juba plasti tootmiseks või isegi ravimitööstuses," osutab doktorant.

Kui tavaline toidusool sulab ära umbes 800 °C juures, siis oma laboris valmistavad Khan ja Kikas sooli, mille sulamistemperatuur on palju madalam. Mitmed neist on vedelad juba toatemperatuuril. Kikase sõnul on sooladel teinegi hea omadus: need koosnevad alati kahest osast ehk katioonist ja anioonist. "Erinevate anioonide ja katioonide kombinatsioone on põhimõtteliselt lõputult. Niisiis saame kujundada just meile sobiva ioonse vedeliku," põhjendab ta.

Siinkohal tulevad uurijatele appi arvutimudelid, mis ennustavad, millised omadused igal ioonsel vedelikul olema saavad: kui vedel see üldse tuleb ja millist osa ligniinist sihib. "Näiteks soolaga, mille kallal praegu töötame, sihtisime üht kindlat sidet ligniini ülesehituses," toob Kikas välja. Analüüsides sellisest soolast läbi käinud ligniini, ei näe uurijad sihikule võetud sidemeid enam üldse. "Järelikult oleme edukalt valmistanud ioonse vedeliku, mis teeb täpselt seda, mida tahame," tõdeb professor.

Vaigust nanokapsliteni

Praegu leidub Sharib Khani ja Timo Kikase laboris kümmekond erineva ioonse vedeliku näidet. "Meil on ka koostööleppeid väljaspool Eestit, peamiselt Saksamaal ja Ühendkuningriigis. Nemad aitavad meid uute kombinatsioonide loomisel," märgib Khan.

Samuti on laboris näha proove uue protsessi käigus valminud saadustest: näiteks ligniinipõhist kleepivat vaiku. "See on väga hea näide. Kui hakkate näiteks maja ehitama, saate kasutada seda vaiku liimina," sõnab doktorant. Erinevalt levinud fossiilkütustel põhinevast vaigust koosneb see 90–95 protsendi ulatuses ligniinist, ent lõhnab ja kleebib samamoodi. Kikase sõnul sobiks puidust tulnud ligniin puitmaterjalide liimimiseks veel eriti hästi.

"Ligniini võib muidugi kasutada plastis ja vaigus, aga meie eesmärk on saada sellest kätte kõrgeim lisandväärtus. Eesmärk on jõuda ligniiniga ravimitööstuse tasemeni," osutab aga Khan. Eesmärk pole enam kaugel, sest doktorandi sõnul on neil juba õnnestunud lammutada ligniin molekulitasandil lahti kergemateks juppideks ehk monomeerideks ja veidi raskemateks, oligomeerideks. "Peame neid nüüd lihtsalt analüüsima ja nende omadusi kirjeldama. See ongi meil järgmiseks plaanis," avab ta.

Ravimitööstuses saavad ligniinisaadused käia Khani sõnul kaht võimalikku rada: "Läheme kas kosmeetikasse või sihime mingit kindlat haigust, näiteks vähki." Kikase sõnul kasutatakse ligniinisaadusi kosmeetikas puudrile tooniandjana juba praegu. Suurem siht on tema sõnul siiski luua ravimite manustamiseks nanokapslid. "Ligniin ei ole iseenesest ravim, aga ravimi saab panna selle sisse, et ligniin kannaks ravimi sinna, kuhu vaja," seletab ta. 

Teisalt on ligniinil ka lihtsamaid kasutusviise. Kuna tegu on termoplastiga, saab sellest valmistada 3D-printimisel kasutatavat kiudu. Kikase sõnul teeb EMÜ labor sellise kiu valmistamiseks koostööd Riia Tehnikaülikooliga. "Vaatame ligniini sellegi nurga alt, sest teadlastena on meil kohustus mitte üksnes uusi kummalisi materjale luua, vaid neile ka kasutust leida," sõnab professor.

Võimalikult mitu kärbest ühe hoobiga

Sharib Khani töö juures on ringmajanduslikke tahke mitu. Esiteks teeb see jääkidest midagi väärtuslikku, teiseks aga vähendab väärindamisprotsessis töösammude arvu. "Ühtlasi saame oma ioonset vedelikku mitu korda kasutada," toob doktorant välja kolmandagi aspekti. 

Uurijad murravad lisaks pead, kuidas kujundada vedel sool juba eos nii, et selle sisse pandud jäägist eralduks korraga mitu erinevat ligniinisaadust. Timo Kikase sõnul on see võrreldav nafta rafineerimisega: "See on samuti segu erineva suuruse ja kujuga molekulidest, mis tuleb üksteisest eraldada." Nii saaks ideaalses vedelikus eraldada väiksemad ja suuremad molekulijupid erinevateks eesmärkideks eraldi.

Taolist lähenemist on Khani sõnul proovinud maailmas kasutada teisedki. Siiski on EMÜ labor ainus, kus ligniin eraldatakse ja väärindatakse erinevateks saadusteks vedela soola ja elektrokeemilise protsessi teel. "Võib niisiis öelda, et iga osa eraldi keegi juba teeb, aga samas kombinatsioonis ei tee seda keegi," muigab Kikas.

Khani hinnangul on Eesti puidu- ja tselluloositööstuse jääkide poolest tohutu ressursiga maa. "Kui leiaksime sellele jäägile kasutust, oleks see ka majanduslikult suurepärane," märgib ta. Kikase sõnul saadab Eesti üleüldse ligniini kui toormaterjali väga palju piiri taha. "See tähendab sisuliselt, et lisandväärtus liigub kuhugi mujale. Meie vaatevinklist oleks muidugi palju parem see siia jätta," ütleb ta.