Development of rapid biodegradability assays for paper and board products

Opinnäytetyö tehtiin Delfort Specialty Papersin tuotekehitysosaston toimeksiannosta. Työn tavoitteeksi asetettiin päivittäiseen käyttöön sopivan, nopean biohajoavuustestin kehittäminen. Testiä tarvitaan, koska standardinmukaiset biohajoavuustestit ovat noin puolen vuoden mittaisia ja Delfortilla haluttiin pystyä valikoimaan ennalta lupaavimmat näytteet standarditesteihin lähetettäväksi. Testiä tullaan käyttämään Delfortin tuotekehitysyhteisössä useissa yrityksen toimipisteissä ympäri maailman, joten työn kieleksi valittiin englanti. Tehtävänantoon vastattiin kehittämällä kaksi testiä. Delfortin Tervakosken tehtaalla toimiva R&D-tiimi toivoi “boksia” – laboratoriokompostoria, jossa biohajoamista voidaan testata samankaltaisissa olosuhteissa kuin standarditesteissä. Toiveisiin vastattiin kehittämällä kompostointitesti, joka pyrkii asettamaan testatut näytteet biohajoavuuden sujuvuuden mukaiseen järjestykseen kuukauden kestävän testauksen myötä. Lisäksi kehitettiin sellulaasientsyymitesti, joka pyrkii tekemään saman kahdessa tunnissa. Opinnäytetyössä tutustuttiin kattavasti kompostointia sekä biohajoavuutta käsittelevään kirjallisuuteen ja tutkimustietoon. Hankitun tiedon perusteella laboratoriokompostoriin pyrittiin kehittämään lignoselluloosalle tehokas kompostisubstraatti. Työn myötä jouduttiin toteamaan myös käytännön vaatimukset – sienirihmastojen tai erikoisten kiinalaisten kiviainesten hankkiminen osoittautui käytännön kannalta kestämättömäksi. Korona-aika hankaloitti projektin läpivientiä merkittävästi. Käytännön tutkimusta kehitetyillä menetelmillä oli tarkoitus tehdä Delfort Tervakosken laboratoriossa, mutta tehtaan johdon asettamien koronarajoitusten vuoksi suunnitelma peruuntui. Kehitettyjä menetelmiä ei ehditty testata lainkaan ennen opinnäytetyön julkaisua. Ilmeisiä jatkotutkimuksen kohteita jäi runsaasti: laboratoriokompostorin haihduttaman kosteusmäärän mittaaminen ja kastelukäytännön ohjeistaminen mittausten perusteella, kompostorin näytetaskujen tarkoituksenmukaisuuden toteaminen käytännössä, entsyymitestissä käytettävän entsyymiliuosmäärän optimointi kokeilemalla sekä entsyymitestin nopean näytteistyksen kannattavuuden arviointi olivat ennalta suunniteltuja testauskohteita, jotka jäivät koronarajoitusten vuoksi tekemättä. Samasta syystä opinnäytetyön raportti muuttui luonteeltaan kirjallisuuskatsauksen omaiseksi; teoriaa käsitellään runsaasti, koska omaa tutkimusta ei saatu mukaan.This thesis work was commissioned by the Research and Development team at Delfort Specialty Papers' Tervakoski factory. The aim was to develop a rapid biodegradability test suited for daily laboratory use. Such a test is necessary because standardised biodegradability tests take up to six months to run and the team wanted to be able to benchmark for the most promising product candidates to apply certifications for. The work is presented in English, because the test is to be deployed in several of the company's locations around the world. The commission was met with two testing methods. The R&D team requested a “box” – a laboratory composter that duplicates the conditions of standard tests. Hence, two composting units were built and a method for the use of these was developed. The composter test benchmarks six samples for readiness to biodegrade in one month's time. In addition, a test method utilising cellulase enzymes was developed, aiming to do the same in two hours. Literature and research papers on composting and biodegradability were broadly studied in the research phase of the work. The learnings were applied in developing a compost substrate that performs well at lignocellulose degradation. During the work, practicalities also came into play – procuring fungal rhizome cultures and exotic mineral conglomerates proved unpractical, so compromises had to be made. The prevailing Corona pandemic hindered the work significantly. The new methods were going to be tested by the author at the laboratory at Delfort Tervakoski, but unfortunately factory management ended up declaring coronavirus-related preventative measures that barred outside personnel from the factory premises. Thus, the methods developed saw no real-world testing before the publishing of this thesis. Many needs for further research remain: measuring the evaporation of moisture from the laboratory composter to draw up a watering regimen, evaluation of the workability of sample envelopes, optimisation of the volume of enzyme solution in the enzyme test and evaluation of the usefulness of rapid sampling in the enzyme test were all planned, but ended up cancelled due to Corona preventative measures. This report ended up concentrating on the theoretical basis of the subject because of lack of bespoke experimental data