Otpadna sirutka pretvara se u materijal za hvatanje CO₂
Kružno izdvajanje atmosferskog CO₂ bez primjene topline pomoću sorbenata na bazi amiloida dobivenih iz prehrambenog otpada
Istraživači Švicarskog federalnog instituta za tehnologiju (ETH Zürich) razvili su ponovno upotrebljive proteinske kuglice od mliječne sirutke i otpadne vode nastale tijekom proizvodnje tofua koje mogu izdvajati ugljikov dioksid iz okolnog zraka bez zagrijavanja ili primjene vakuuma.
Izravno izdvajanje ugljikova dioksida iz zraka (Direct Air Capture – DAC) suočava se s problemom otpada koji često prolazi nezapaženo, a nije riječ o samom CO₂, već o sorbentu. Većina komercijalnih sustava koristi sintetske amine ili posebno razvijene filtarske materijale koji zahtijevaju zagrijavanje, vakuum ili kombinaciju oboje kako bi otpustili prethodno vezani ugljikov dioksid. Upravo je velika potrošnja energije u toj fazi glavni razlog zbog kojeg tehnologija DAC još uvijek teško postiže ekonomsku isplativost.
Istraživački tim Švicarskog federalnog instituta za tehnologiju (ETH Zürich), predvođen znanstvenikom za materijale prof. dr. Raffaeleom Mezzengom, u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) objavio je istraživanje koje nudi drukčije rješenje, dobro poznato svima koji rade s nusproizvodima prehrambene industrije – sorbent izrađen od sirutke.
Od otpadnog nusproizvoda do vrijedne sirovine
Proizvodnja sira i tofua stvara velike količine tekućih nusproizvoda bogatih proteinima, čija je obrada skupa, pa se u mnogim pogonima jednostavno ispuštaju kao otpadne vode.
Istraživači ETH Zürich izdvajaju proteine iz tih nusproizvoda i pretvaraju ih u amiloidne fibrile – duge vlaknaste proteinske strukture. One se zatim impregniraju kalijevim hidroksidom (KOH) i oblikuju u porozne kuglice promjera približno od pola do jednog centimetra.
Kada se izlože okolnom zraku, kalijev hidroksid unutar kuglica kemijski reagira s ugljikovim dioksidom stvarajući karbonatnu sol te pritom uklanja CO₂ iz atmosfere, slično kao što spužva upija vodu.
„Dobiveni materijal ponaša se poput spužve koja zahvaljujući kalijevu hidroksidu može apsorbirati velike količine ugljikova dioksida“, objašnjava prof. dr. Raffaele Mezzenga.
Rezultati laboratorijskih ispitivanja posebno su zanimljivi. Poslijedoktorand Zhou Dong, ujedno vodeći autor rada, navodi da je materijal iz običnog okolnog zraka uspio vezati 97 miligrama CO₂ po gramu sorbenta, što je, prema tvrdnjama istraživača, od 10 do 50 posto više od učinkovitosti konvencionalnih DAC sorbenata.
Ako bi se tehnologija primijenila u većem opsegu, jedan kilogram ovih kuglica mogao bi tijekom jednog ciklusa teorijski vezati oko 100 grama ugljikova dioksida.
Hvatanje ugljikova dioksida bez zagrijavanja i vakuuma
Za sektor gospodarenja otpadom i klimatskih tehnologija još je važnije ono što slijedi nakon vezanja ugljikova dioksida.
Umjesto zagrijavanja sorbenta radi oslobađanja zarobljenog CO₂ – energetski najzahtjevnijeg koraka koji uvelike određuje troškove tehnologije DAC – kuglice razvijene na ETH Zürichu regeneriraju se na sobnoj temperaturi naizmjeničnim raspršivanjem blage kiseline i lužine tijekom približno deset minuta.
I kiselina i lužina mogu se ponovno upotrijebiti, a laboratorijska ispitivanja pokazala su da su kuglice uspješno prošle 30 ciklusa vezanja i otpuštanja ugljikova dioksida bez značajnijeg gubitka učinkovitosti.
Dong ističe da se današnji sintetski sorbenti „brzo razgrađuju“, dok, kako kaže, „naše proteinske kuglice ostaju stabilne tijekom dugog razdoblja“.
Mezzenga pritom naglašava da će se i ove kuglice s vremenom istrošiti, procjenjuje se nakon nekoliko tisuća ciklusa, no smatra da njihova potpuno organska struktura i prehrambeno podrijetlo predstavljaju veliku prednost jer nakon uporabe ne stvaraju problematičan otpad kakav ostavljaju sintetski sorbenti.
„Naša je tehnologija jeftinija i održivija jer zahtijeva vrlo malo energije te se temelji na široko dostupnom nusproizvodu“, kaže Mezzenga. „To bi moglo predstavljati prekretnicu u budućem uklanjanju ugljikova dioksida iz atmosfere.“
Logistika sirovina i povećanje opsega primjene
Za stručnjake u području gospodarenja otpadom najzanimljiviji dio ove priče nije sama kemija, nego logistika.
U slučaju proizvodnje tofua sirovina nije okara, odnosno čvrsti ostatak soje koji nastaje pri proizvodnji sojinog mlijeka ili tofua, već sojina sirutka – tekući proteinski nusproizvod koji nastaje tijekom proizvodnje tofua.
„Po svojoj ulozi slična je mliječnoj sirutki jer predstavlja tekući proteinski nusproizvod, ali se razlikuje po sastavu i načinu obrade“, objašnjava Mezzenga te dodaje da sojina sirutka obično sadrži svega 0,5 do 1 posto proteina prema masi.
Upravo je ta niska koncentracija važna jer je za proizvodnju jednog kilograma gotovih kuglica trenutačno potrebno između 100 i 200 litara sojine sirutke, ovisno o sadržaju proteina. Barem zasad, ova se tehnologija ponajprije može promatrati kao način iskorištavanja već postojećeg, razrijeđenog toka otpadne tekućine, a ne kao razlog za posebno prikupljanje ili koncentriranje sirutke radi hvatanja ugljikova dioksida.
- Nova metoda izravnog izdvajanja ugljikova dioksida iz zraka: prehrambeni otpad nastao tijekom proizvodnje sira i tofua prerađuje se u male proteinske kuglice koje mogu izdvajati CO₂ iz zraka. © Mezzenga Lab / ETH Zürich
Mezzenga smatra da bi se proizvodnja kuglica mogla organizirati neposredno uz mljekare ili pogone za proizvodnju tofua, odnosno u posebnim postrojenjima za obradu nusproizvoda. Istodobno naglašava da nije riječ o jednostavnom postupku koji se može lako ugraditi u postojeći proizvodni proces. Potrebno je uspostaviti dodatne tehnološke korake – izdvajanje proteina, stvaranje amiloidnih fibrila, impregnaciju kalijevim hidroksidom i oblikovanje kuglica.
„Ako se proizvodnja odvija na istoj lokaciji, ulazna sirovina može biti svježi tekući nusproizvod, ali za transport bi praktičnije bilo koristiti koncentrirani i prethodno obrađeni proteinski koncentrat“, kaže Mezzenga.
Prema njegovim riječima, prvo pilot-postrojenje najvjerojatnije bi bilo mala modularna jedinica smještena uz tvornicu tofua, mljekaru ili pokusni DAC sustav, razvijena u suradnji s industrijskim partnerom. Ako se osigura financiranje i pronađu partneri, takav bi se projekt mogao realizirati u razdoblju od 12 do 24 mjeseca.
Je li riječ o doista kružnom rješenju?
Najviše opreza potrebno je kada se govori o završetku životnog ciklusa materijala, a Mezzenga pritom ne ne iznosi pretjerano optimistične tvrdnje.
Na pitanje mogu li se istrošene kuglice jednog dana koristiti kao gnojivo ili sirovina za proizvodnju biogoriva odgovara vrlo izravno: „Primjena u obliku gnojiva ili sirovine za biogoriva zasad je samo pretpostavka.“
Da bi to postalo moguće, trebalo bi detaljno ispitati kuglice nakon velikog broja ciklusa uporabe – njihov kemijski sastav, sadržaj zaostale lužine i soli, biorazgradivost, potencijalnu toksičnost te ponašanje tijekom kompostiranja ili anaerobne razgradnje. Osim toga, trebalo bi procijeniti i njihovu stvarnu učinkovitost kao dodatka tlu.
„Kuglice bi nakon uporabe trebalo prikupiti iz DAC sustava, neutralizirati ili provjeriti njihovu kvalitetu prije kompostiranja, anaerobne razgradnje ili primjene na tlu“, kaže Mezzenga. Drugim riječima, nije riječ o materijalu koji bi se jednostavno mogao ostaviti u okolišu.
To predstavlja bitno drukčiju situaciju od same tehnologije reverzibilnog vezanja ugljikova dioksida, koja je u laboratoriju već uspješno potvrđena tijekom 30 uzastopnih ciklusa.
Priča o pretvaranju prehrambenog otpada u učinkovit materijal za hvatanje ugljikova dioksida već ima čvrstu znanstvenu potvrdu. Međutim, mogućnost da se taj isti materijal nakon završetka uporabe ponovno vrati u kružno gospodarstvo i postane novi koristan resurs tek je predmet budućih istraživanja. Upravo će odgovor na to pitanje pokazati zatvara li ova tehnologija doista kružni tok materijala ili samo premješta problem otpada u neki drugi dio sustava.
Zašto vrijedi pratiti razvoj ove tehnologije?
Analiza životnog ciklusa uključena u rad objavljen u časopisu PNAS pokazala je da ovaj postupak tijekom cijelog životnog vijeka stvara manje opterećenje za okoliš od usporedivih tehnologija izravnog izdvajanja ugljikova dioksida iz zraka.
Istraživači zasad nisu izračunali konačan trošak izdvajanja jedne tone CO₂, no Mezzenga očekuje da će biti znatno niži od troškova postojećih DAC tehnologija zahvaljujući vrlo maloj potrošnji energije i niskoj cijeni sirovine.
Dosadašnja ispitivanja provedena su isključivo u kontroliranim laboratorijskim uvjetima, u vrlo malom mjerilu, pri čemu je ukupno izdvojeno oko 50 grama ugljikova dioksida. Stoga najveći izazov ostaje prijenos tehnologije na industrijsku razinu, čime se trenutačno bavi Zhou Dong.
Za industrije koje danas plaćaju obradu ili zbrinjavanje proteinski bogatih otpadnih voda ova tehnologija nudi nešto vrlo konkretno – laboratorijski potvrđen dokaz da se takvi nusproizvodi mogu pretvoriti u učinkovit sorbent za izdvajanje ugljikova dioksida iz zraka, a ne samo u još jednu obećavajuću ideju.
Stjepan Felber | Ekovjesnik