Tej- és tofuhulladékból készült gyöngyökkel vonják ki a szén-dioxidot a levegőből

A svájci ETH Zurich kutatói a globális felmelegedés és az élelmiszer-pazarlás kettős problémájára találtak egy innovatív, körforgásos megoldást. A tej- és tofuipar fehérjében gazdag, eddig nagyrészt kidobásra ítélt melléktermékeiből olyan speciális, porózus gyöngyöket fejlesztettek ki, amelyek szobahőmérsékleten képesek kivonni a légköri szén-dioxidot (CO2). A PNAS tudományos folyóiratban publikált eljárás a hagyományos, magas energiaigényű technológiáknál jóval hatékonyabb, ráadásul a használt gyöngyök a ciklus végén trágyaként vagy bioüzemanyagként is hasznosíthatók.

A klímaváltozás és az élelmiszer-hulladék rejtett kapcsolata

A legújabb IPCC (Éghajlatváltozási Kormányközi Testület) értékelés egyértelművé teszi, hogy a globális felmelegedés 1,5 Celsius-fok alatt tartásához már nem elegendő pusztán a kibocsátások csökkentése; több százmilliárd tonna, már a légkörben lévő szén-dioxid aktív eltávolítására is szükség van. Eközben az emberi eredetű üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátása 2023-ban elérte az 53,0 gigatonna (Gt) CO2-egyenértéket. Ebből az élelmiszertermelés közel egyharmadot tesz ki. A 2017-es adatok alapján az élelmiszer-veszteség és –hulladék önmagában közel 9,3 Gt CO2-egyenértékű kibocsátást jelentett.

A tejipar évente mintegy 145 millió tonna savót termel, amelynek csupán 54%-át hasznosítják. Ezzel párhuzamosan a tofu előállítása során 14 millió tonna szójatörköly (okara) és óriási mennyiségű szennyvíz keletkezik. Ezek a hulladékáramok szárazanyag-tartalmukat tekintve 10–30 tömegszázalékban fehérjét tartalmaznak, amelynek veszendőbe menése kilogrammonként 15–750 kg CO2-egyenértékű rejtett környezeti terhelést okoz az upstream folyamatok (pl. állattartás) miatt.

A hagyományos CO2-kivonási technológiák korlátai

A levegőből történő közvetlen szén-dioxid-kivonás (Direct Air Capture – DAC) kulcsfontosságú a klímaharcban. A meglévő eljárások – mint például a fém-szerves térhálókra (MOF) és az amin-alapú vegyületekre épülő technológiák – azonban rendkívül költségesek és energiaigényesek. A legnagyobb problémát a regeneráció, vagyis a megkötött szén-dioxid leválasztása jelenti: ehhez a rendszerek többségénél 80–120 Celsius-fokra kell hevíteni az abszorbens anyagot. Ez amellett, hogy jelentősen megnöveli a költségeket, az anyagok kémiai bomlásához és veszélyes melléktermékek (például amin-degradáció) kialakulásához is vezet az átlagosan 420 ppm (milliomodrész) CO2-koncentrációjú környezeti levegőben.

Svájci innováció: Hulladékból nanostrukturált karboncsapda

Az ETH Zurich anyagkutatója, Raffaele Mezzenga és kollégái – köztük a kutatást vezető Zhou Dong – teljesen új megközelítést alkalmaztak. Szintetikus, toxikus anyagok tervezése helyett a tejtermékek (joghurt, sajt) és a tofu gyártása során keletkező tejsavófehérje-izolátumot (WPI) és szójafehérje-izolátumot (SPI) használták fel. A kivont fehérjéket savas (pH 2) közegben történő hőkezeléssel (90 °C) hosszú, fonalszerű struktúrákká, úgynevezett amiloid fibrillumokká (AF) alakították.

A precíz, atomi szintű elemzés feltárta, hogy a fibrillumokban található szomszédos glutamin (Gln-13) és lizin (Lys-14) aminosav-párok, valamint az önálló Lys-8 aminosavak sajátos kötőzsebeket hoznak létre. Ezeket a fehérjeszálakat kálium-hidroxiddal (KOH) kombinálták, majd fagyasztva szárítással 0,5–1 centiméter átmérőjű, porózus gyöngyökké formálták. A lúgos kezelés során bevitt hidroxilcsoportok és az aminosavak bőséges aktív kötőhelyet biztosítanak: a levegő áramlása során a kálium-hidroxid reagál a szén-dioxiddal, és hidrogén-karbonát (bikarbonát) formájában stabil sószerkezetbe zárja azt.

Mennyiségi adatok és kimagasló abszorpciós teljesítmény

A valós környezeti levegővel végzett tesztek során a fehérjealapú gyöngyök kapacitása elérte a 2,20 mmol/g értéket, ami azt jelenti, hogy 1 gramm anyag 97 milligramm szén-dioxidot kötött meg. Szimulált (oxigénmentes) levegőben ez a teljesítmény még magasabb, 2,51 mmol/g volt. Ez az érték 10–50 százalékkal haladja meg a legtöbb hagyományos DAC-abszorbens hatékonyságát. A kutatócsoport számításai alapján mindössze 1 kilogramm gyöngy egyetlen működési ciklus alatt elméletileg 100 gramm szén-dioxidot képes eltávolítani a levegőből.

Atermális regeneráció: Áttörés az energiahatékonyságban

A technológia legforradalmibb újítása, hogy a CO2 leválasztása és a gyöngyök regenerálása teljesen hőmentesen (atermálisan) történik. A kutatók a Föld legnagyobb szén-dioxid-nyelőjének számító óceánok dinamikus pH-egyensúlyából merítettek ihletet. Az energiaintenzív hevítés helyett a gyöngyöket szobahőmérsékleten, mindössze 10–12 percig váltakozva híg, enyhe savas és lúgos párával (köddel) permetezik be.

Ez a finom kémiai eljárás mindenféle termikus behatás nélkül bontja fel a szén-dioxidot fogvatartó kémiai kötéseket. A felhasznált sav és lúg a következő ciklusban maradéktalanul újrahasznosítható. A tesztek egyértelműen bizonyították, hogy az anyag 30 teljes megkötési és leválasztási ciklus után sem mutatott számottevő teljesítménycsökkenést. Mezzenga becslései szerint a gyöngyök csak több ezer ciklust követően szorulnának tényleges cserére.

Teljes körforgás: Életciklus és ipari jövőkép

A svájci kutatók által fejlesztett rendszer működése valóban körforgásos: a folyamat inputja az élelmiszeripar felesleges hulladéka, az outputja pedig a kivont szén-dioxid. Mivel a gyöngyök 100 százalékban szerves, élelmiszer-minőségű alapanyagokból készülnek, elhasználódásuk után sem válnak problémás hulladékká. Életciklusuk végén közvetlenül a mezőgazdasági talajba juttathatók, ahol tápanyagként (műtrágyaként) támogatják a növények növekedését, de bioüzemanyagként is feldolgozhatók. Az eljárás ezen felül zárt terekben is kiválóan teljesít: a kísérletek során sikerrel alkalmazták pörkölt kávét tartalmazó élelmiszer-csomagolásokban is a képződő CO2 megkötésére.

Bár a bemutatott kísérlet során a laboratóriumban egyelőre csak néhány gramm anyagot teszteltek (amely így is mintegy 50 gramm CO2-t kötött meg a ciklusok során), az ipari skálázás technológiai alapjai adottak. A savas-lúgos permetezési eljárást a nehéziparban már jelenleg is széles körben alkalmazzák, így a szükséges infrastruktúrát nem kell a nulláról kifejleszteni. Az élelmiszeripari hulladékok mint olcsó, széles körben hozzáférhető alapanyagok bevonása és a hevítési fázis teljes elhagyása együttesen radikálisan csökkentheti a szén-dioxid-kivonás tonnánkénti költségét, teljesen új távlatokat nyitva ezzel a légköri tisztítás fenntarthatóbb jövője felé.

 Hivatalos források és hivatkozások:  

1. Scientists turn dairy and tofu waste into beads that capture carbon dioxide from the air – The Times of India (2026. június 16.)

2. Circular and athermal atmospheric CO2 capture by food waste-derived amyloid sorbents – Proceedings of the National Academy of Sciences / PNAS (2026. június 8.)

3. Fotó: Polina Tankilevitch