Kirjoittaja oli kehittämässä ksylitolin valmistusmenetelmiä. Nykyään hän toimii JRS-Pharma Oy:n toimitusjohtajana.

Ksylitoli. (Klikkaa kuvaa. Klikkaa ja pyöritä erilliseen selaimeen avautuvaa molekyylimallia.)

Ksylitoli on sanan varsinaisessa merkityksessä luonnon tuote. Sitä esiintyy muun muassa marjoissa ja hedelmissä, esimerkiksi banaani sisältää noin kaksi prosenttia ksylitolia. Näin ollen molekyylinä ksylitoli ei ole suomalainen keksintö. Suomalaisia keksintöjä ovat sen sijaan ksylitolin terveyttä edistävien ominaisuuksien havaitseminen ja taloudellisesti kannattavan valmistusmenetelmän kehittäminen. Näistä terveysominaisuuksista tunnetuin on hammasten reikiintymisen ehkäisy, mutta myös lasten korvatulehduksia estävä vaikutus on esiintynyt lehtien palstoilla.

Koska ksylitolia esiintyy luonnossa, voisi ajatella, että sitä kannattaisi eristää jostain raaka-aineesta samoin kuin sakkaroosia (pöytäsokeria), jota uutetaan sokerijuurikkaasta tai sokeriruo’osta. Ksylitolin pitoisuus näissä luonnon antimissa on kuitenkin niin pieni, että eristäminen uuttamalla tai muilla menetelmillä tulee liian kalliiksi. Ja ajatellaanpa vaikka sitä banaanivuorta, jossa kaikki muu hyvä aines joutuisi täysin hukkaan.

Tähän ”raaka-ainepulaan” on kuitenkin olemassa ratkaisu, joka sekin perustuu luonnosta löytyvään materiaaliin. Useimmat lehtipuut – koivu erityisesti –, kauran kuoret, maissin lapakot ja monet muut kuitumaiset kasvit sisältävät selluloosan ja ligniinin lisäksi runsaasti hemiselluloosaa, erityisesti ksylaania. Se on hemiselluloosalaji, joka rakentuu pääasiallisesti ksyloosimolekyyleistä. Ksyloosi on viisi hiiliatomia sisältävä sokeri. Ksyloosi voidaan taas muuttaa hydraamalla (pelkistysreaktio) ksylitoliksi, joka puolestaan luokitellaan viisihiiliatomiseksi sokerialkoholiksi.

Ksyloosi.

Suomen Sokeri keksi hyödyntää tätä raaka-ainepohjaa. Ksylitolin valmistus alkoi Kotkan tehtaalla vuonna 1974. Ensimmäinen tuotantoprosessi lähti liikkeelle koivuhakkeesta. Koivuhaketta hydrolysoitiin laimealla rikkihapolla selluloosan keittoa muistuttavissa olosuhteissa. Tällöin rikkihapon vaikutuksesta koivun sisältämät hemiselluloosat saatiin pilkottua vesiliukoisiksi sokereiksi. Tämä vesiliuos otettiin talteen ja jäljelle jäänyt selluloosa- ja ligniinimassa hyödynnettiin muihin tarkoituksiin. Hieman kehittyneemmässä prosessissa on koivuhakkeen käsittely korvattu suoraan lehtipuuta käyttävän selluloosateollisuuden ”jäteliemellä”, joka siis jo sisältää lähes vastaavan sokerikoostumuksen. Näin voidaan koko puun raaka-aine käyttää täydellisemmin hyödyksi.

Toinen merkittävä ksylitolin valmistusprosessin kannattavuuteen vaikuttava tekijä oli Suomen Sokerin kehittelemä kromatografinen erotus. Siinä hyvin pieniä, halkaisijaltaan alle yhden millimetrin kokoisia ioninvaihtohartseja, joita tavanomaisemmin oli käytetty vain laboratoriomitta-kaavassa analyyttisissä menetelmissä, ladattiin noin kymmenen metriä korkeisiin kolonneihin useita kuutiometrejä. Vaihtelemalla hieman hartsin ominaisuuksia ja ionimuotoa saatiin aikaan erilaisia puhdistusprosesseja.

Kolonnin yläpäähän ruiskutettiin annos puhdistettavaa liuosta, jota sitten alettiin eluoida (huuhdella) vedellä. Syöttöliuoksen erilaiset komponentit ”takertuivat” hartsiin löyhemmin tai tiukemmin rakenteesta riippuen. Heikoimmin sitoutuneet molekyylit poistuivat kolonnin alaosasta ensin ja voimakkaimmin sitoutuneet viimeksi. Näin saatiin liuoksen komponentit erotelluiksi haluttuihin jakeisiin. Aluksi panostoimista prosessia on kehitetty edelleen niin, että se nykyisin toimii jatkuvan prosessin periaatteella.

Mutta palataanpa sitten aikaisemmin mainittuun sokeriseokseen, joka saatiin lehtipuun hemiselluloosajakeesta. Neutraloinnin ja suodatuksen jälkeen se johdettiin ensimmäiseen kromatografiseen erotusvaiheeseen, jossa liuoksen sisältämät ionimuotoiset komponentit ja ligniinijäämät saatiin poistettua liuoksesta ja sokereita sisältävä jae oli valmiina suhteellisen puhtaana jatkokäsittelyyn.

Haihduttamalla tapahtuneen konsentroinnin jälkeen tämä sokerijae johdettiin vielä ioninvaihtoon ja sen jälkeen hydraukseen, jossa korotetussa paineessa Raney-nikkeliä katalyyttinä käyttäen ksyloosi ja muut sokerit (mm. glukoosi, galaktoosi, arabinoosi jne.) pelkistettiin vetyatmosfäärissä ksylitoliksi ja vastaaviksi sokerialkoholeiksi (sorbitoli, galaktitoli ja arabinitoli). Seuraava vaihe oli ksylitolin rikastaminen tässä sokerialkoholiseoksessa. Tämä tapahtui jälleen kromatografisella erotuksella, jossa sokerialkoholikomponentit saatiin jakautumaan eri jakeisiin.

Tämän jälkeen olikin jäljellä ksylitolin muuttaminen liuosfaasista kiinteään muotoon. Tämä tapahtui kiteyttämällä: ksylitoliliuos haihdutettiin konsentroiduksi siirapiksi, joka johdettiin kiteyttimeen. Siinä massaa jäähdytettiin niin, että ksylitolin vesiliukoisuusraja ylittyi, mikä johti ensin ksylitolin kidealkioiden syntymiseen ja sen jälkeen ksylitolimolekyylien siirtymiseen näiden alkioiden pinnalle. Lämpötilaa edelleen laskemalla saavutettiin riittävä kidekoko, joka mahdollisti kiteiden ja nestefaasin erottamisen toisistaan ja kiteiden pinnan puhdistamisen.

Tämä tapahtui sokerilingoilla. Niissä massa syötettiin sylinterimäisten korien seinämille, joissa oli reikiä ja verkko kiteiden pidättämiseksi. Kori saatettiin voimakkaaseen pyörivään liikkeeseen, niin että keskipakoisvoima pakotti liuoksen virtaamaan kiteiden välistä ja lingon seinämän reikien läpi. Kun suurin osa tästä kiteiden välisestä liuoksesta oli poistunut, suunnattiin kidekerrokseen vielä lyhyt vesisuihku, jolla kiteiden pinnat saatiin pestyä täysin puhtaiksi.

Linkouksen jälkeen kidemassa johdettiin kuivausvaiheeseen, jossa kuumalla ilmavirralla haihdutettiin kiteiden pinnalla oleva vesi pois. Tämän jälkeen kiteinen ksylitoli olikin valmista pakattavaksi ja toimitettavaksi asiakkaille – vaikkapa purukumin valmistukseen.

Ksylitolin valmistusprosessi oli alun alkaen ja on edelleenkin parannuksista huolimatta erittäin monivaiheinen operaatio. Tätä prosessia on tietoisesti kehitetty vuosien varrella etsimällä uusia raaka-aineita, tehostamalla kromatografisen erotuksen tehokkuutta, ottamalla käyttöön energiatehokkaampia haihdutusprosesseja, siirtymällä osittain ksylitolin suuren kiteytysnopeuden mahdollistamaan haihdutuskiteytykseen jne.

Suuria toiveita tulevaisuuden kannalta on asetettu ksylitolin bioprosesseihin. Ehkä tulevaisuudessa on mahdollista entsymaattisesti valmistaa ksylitolia tai ainakin ksyloosia glukoosista. Glukoosia on saatavilla rajoittamattomia määriä erilaisista lähteistä (sokerista, tärkkelyksestä jne.). Kun tämä reitti avautuu, suoraviivaistuu ksylitolin valmistusprosessi oleellisesti ja sen valmistuskustannukset alenevat merkittävästi, jolloin sen käyttö tulee lisääntymään terveysvaikutteisissa tuotteissa entisestäänkin.