Mit Abfällen aus Käse und Tofu: So wollen Forscher CO₂ aus der Luft filtern

Was bei Käse und Tofu übrig bleibt, ist bisher oft Abfall der Lebensmittelindustrie. Nun könnten diese Reste eine zweite Rolle bekommen: als Material, das CO₂ aus der Luft filtert. In einer neuen Studie beschreiben Forscher der ETH Zürich kleine poröse Kügelchen aus Molke und proteinhaltigen Resten der Tofuproduktion, die Kohlendioxid aufnehmen wie ein Schwamm.

Die direkte Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre gilt als wichtiger Baustein gegen die Erderwärmung, ist bislang aber energieintensiv und teuer. Die neuen Proteinkügelchen sollen CO₂ erst binden und anschließend bei Raumtemperatur kontrolliert abgeben, damit es gespeichert oder weiterverarbeitet werden kann. Noch ist das keine fertige Industrieanlage.

Wie Abfälle aus Käse und Tofu CO₂ aus der Luft filtern

Die Forscher gewinnen Proteine aus Abfallströmen der Milch- und Tofuproduktion. Daraus entstehen lange, fadenförmige Strukturen, sogenannte Amyloidfibrillen. Diese werden zu kleinen porösen Kügelchen verarbeitet, die anschließend mit Kaliumhydroxid versehen werden. Dieser Stoff reagiert mit Kohlendioxid und bindet es chemisch.

„Das resultierende Material ist wie ein Schwamm, der über das Kaliumhydroxid sehr viel CO₂ aufnehmen kann“, sagt Prof. Dr. Raffaele Mezzenga von der ETH Zürich. Das liegt auch daran, dass die Kügelchen viele kleine Hohlräume besitzen. Strömt Umgebungsluft daran vorbei, bleibt ein Teil des Kohlendioxids hängen. Es entsteht Hydrogencarbonat, ein Salz der Kohlensäure.

Die Laborwerte fallen ungewöhnlich hoch aus

Die Studie liefert dazu konkrete Werte. Unter normaler Umgebungsluft nahmen die Kügelchen bis zu 2,20 Millimol CO₂ pro Gramm Material auf. Das entspricht rund 97 Milligramm CO₂ pro Gramm. Unter simulierter Luft ohne Sauerstoff kamen die Forscher auf 2,51 Millimol pro Gramm.

Zhou Dong, Erstautor der Studie, ordnet die Menge als hoch ein. Nach seinen Angaben liegt sie um 10 bis 50 Prozent über der Kapazität herkömmlicher Verfahren. Ein Kilogramm der Proteinkügelchen könnte pro Zyklus theoretisch rund 100 Gramm Kohlendioxid binden und wieder isolieren.

Warum die CO₂-Freigabe so viel Energie sparen könnte

Beim CO₂-Filtern reicht das Aufnehmen allein nicht aus. Das Kohlendioxid muss später wieder aus dem Material herausgelöst werden. Nur dann lässt es sich speichern oder weiterverarbeiten. Viele bestehende Systeme nutzen dafür Wärme und Unterdruck. Das macht Direct Air Capture bislang teuer.

Die Kügelchen aus Lebensmittelabfällen brauchen laut Studie keine Wärmezufuhr. Stattdessen werden sie bei Raumtemperatur abwechselnd mit einem milden Säure- und Laugensprühnebel behandelt. Nach etwa zehn bis zwölf Minuten löst sich das CO₂ wieder. Dieser Schritt kann den Energiebedarf senken, weil keine klassische Hitzeregeneration nötig ist.

Die Stabilität zählt ebenfalls. Manche synthetischen CO₂-Fänger bauen schneller ab. Dabei können unerwünschte Nebenprodukte entstehen. „Die synthetischen Materialien, die heute bereits zum Auffangen von CO₂ genutzt werden, zersetzen sich rasch“, sagt Dong. Die Protein-Kügelchen blieben im Versuch über 30 Zyklen stabil. Größere Einbußen bei der Leistung traten laut Studie nicht auf.

CO₂-Kügelchen sollen nicht als Abfall enden

Nach vielen Nutzungszyklen müssten die Proteinkügelchen laut Mezzenga wohl ersetzt werden. Zum Abfall würden sie dann nicht automatisch. Weil sie vollständig aus organischem Material bestehen und gut abbaubar sein sollen, kämen sie als Dünger oder als Rohstoff für Biotreibstoff infrage.

Die Forscher haben auch die Umweltbilanz des Verfahrens berechnet. In einer Lebenszyklusanalyse, einer Effizienzbewertung und einer technoökonomischen Betrachtung schnitten die Proteinkügelchen bei Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz besser ab als herkömmliche Ansätze. Einen konkreten Preis pro eingefangene Tonne CO₂ nennt die Studie noch nicht.

„Unsere Technologie ist günstiger und nachhaltiger, weil sie wenig Energie benötigt und auf einem breit verfügbaren Abfallprodukt beruht“, sagt Mezzenga. Ob das Verfahren auch in größeren Anlagen funktioniert, müssen weitere Tests zeigen. Dabei zählen die Faktoren Dauerbetrieb, Luftfeuchtigkeit, Materialverschleiß und die technische Umsetzung.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher der ETH Zürich haben aus Resten der Käse- und Tofuproduktion kleine Proteinkügelchen entwickelt, die CO₂ aus der Luft filtern können.
• In der Studie nahmen die Kügelchen bis zu 97 Milligramm CO₂ pro Gramm Material auf und gaben es ohne Hitze nach etwa zehn bis zwölf Minuten wieder frei.
• Der Ansatz könnte Direct Air Capture energiesparender und günstiger machen, stammt aber bisher aus Laborversuchen und muss sich erst in größeren Anlagen bewähren.

Übrigens: Auch andere Forscher arbeiten daran, CO₂ günstiger aus der Luft zu filtern. Eine Wiener Anlage nutzt dafür Abwärme, die in vielen Betrieben sonst verloren geht. Das Verfahren braucht deutlich weniger Energie und könnte die CO₂-Abscheidung im großen Maßstab realistischer machen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Raffaele Mezzenga / ETH Zürich