Limitare il riscaldamento globale a lungo termine al di sotto di 1,5 °C richiederà molto più che la semplice riduzione delle emissioni di gas serra. Secondo gli scenari climatici delineati nell’ultimo Rapporto di valutazione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC), il mondo avrà bisogno anche di tecnologie in grado di rimuovere e stoccare centinaia di miliardi di tonnellate di anidride carbonica (CO₂ ) già presenti nell’atmosfera.
Un approccio che sta ricevendo sempre maggiore attenzione è la cattura diretta dell’aria (DAC), un processo che rimuove la CO₂ direttamente dall’aria. Aziende e gruppi di ricerca hanno dedicato anni allo sviluppo di sistemi DAC e Climeworks, spin-off dell’ETH di Zurigo fondata nel 2009, è stata tra le prime a commercializzare questa tecnologia. Nonostante questi progressi, la cattura del carbonio dall’atmosfera rimane costosa e richiede grandi quantità di energia.
Microsfere proteiche ricavate dagli scarti dell’industria alimentare
I ricercatori del Politecnico di Zurigo (ETH) hanno sviluppato un nuovo materiale per la cattura del carbonio, ricavato da una fonte inaspettata: gli scarti della lavorazione di latticini e tofu.
In uno studio pubblicato su PNAS , un team guidato dallo scienziato dei materiali Raffaele Mezzenga, professore presso il Dipartimento di Scienze della Salute e Tecnologia dell’ETH di Zurigo, descrive un metodo che utilizza il siero di latte e i sottoprodotti della produzione di tofu per assorbire CO₂ .
Durante la produzione di latticini e tofu si generano grandi quantità di liquido ricco di proteine. Solo una parte viene riutilizzata nell’industria alimentare, mentre gran parte del resto viene scartata. I ricercatori hanno estratto le proteine da questo flusso di scarto e le hanno assemblate in lunghe strutture filamentose note come fibrille amiloidi.
Queste fibrille sono state poi combinate con idrossido di potassio e trasformate in perle porose di dimensioni comprese tra mezzo centimetro e un centimetro di diametro.
“Il materiale risultante è come una spugna in grado di assorbire grandi quantità di CO2 tramite l’idrossido di potassio“, spiega Mezzenga.
Le prestazioni della cattura del carbonio superano quelle dei metodi esistenti.
A contatto con l’aria, l’idrossido di potassio contenuto nelle microsfere reagisce con la CO₂ producendo bicarbonato, un sale dell’acido carbonico. Questa reazione rimuove efficacemente l’anidride carbonica dall’atmosfera.
“Nei nostri test con aria ambiente, siamo riusciti a estrarre 97 milligrammi di CO2 da un grammo di materiale”, spiega Zhou Dong, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Mezzenga e autore principale dello studio.
Secondo Dong, tale prestazione è eccezionalmente elevata, superando la capacità delle tecnologie DAC convenzionali dal 10 al 50%. Stima che un chilogrammo di microsfere proteiche potrebbe teoricamente catturare e isolare circa 100 grammi di CO₂ durante un singolo ciclo operativo.
Rimozione del carbonio a basso consumo energetico
I tradizionali sistemi di cattura diretta dell’aria si basano in genere sul calore e sulla pressione negativa per rilasciare la CO₂ catturata dai materiali che la contengono. L’anidride carbonica recuperata può quindi essere immagazzinata o convertita in altri prodotti, impedendone così il rilascio nell’atmosfera a lungo termine.
Poiché questo processo consuma quantità significative di energia, gli impianti DAC sono generalmente più pratici in luoghi con abbondanti risorse di energia rinnovabile.
Il team dell’ETH di Zurigo ha sviluppato un approccio diverso. Per rilasciare la CO₂ catturata , i ricercatori spruzzano alternativamente le microsfere proteiche con un acido debole e una base debole per circa 10 minuti a temperatura ambiente. Questo processo rompe i legami chimici che trattengono la CO₂ , permettendone la raccolta.
Le perline riutilizzabili sostengono l’economia circolare
Le perle contenenti acido, base e proteine possono essere tutte riutilizzate.
“I materiali sintetici utilizzati oggi per catturare la CO2 si decompongono rapidamente”, afferma Dong. “Al contrario, le nostre microsfere proteiche rimangono stabili a lungo.”
Le prove di laboratorio hanno dimostrato che il materiale ha mantenuto le sue prestazioni per 30 cicli di cattura e rilascio del carbonio, senza una significativa perdita di efficienza.
Nel tempo, la capacità di adsorbimento finirebbe per diminuire. Mezzenga stima che potrebbe essere necessaria la sostituzione dopo diverse migliaia di cicli. Tuttavia, poiché le microsfere sono interamente organiche, potrebbero essere riutilizzate come fertilizzante agricolo o convertite in biocarburante.
La loro natura biodegradabile potrebbe consentire alla tecnologia di inserirsi in un modello più ampio di economia circolare, riducendo gli sprechi e continuando a fornire valore anche dopo che le microsfere non sono più utilizzate per la cattura del carbonio.
“I materiali che utilizziamo per questo processo non sono tossici e sono adatti al contatto con gli alimenti”, sottolinea Mezzenga.
Il team ha inoltre condotto un’analisi del ciclo di vita e ha scoperto che il nuovo approccio genera un inquinamento ambientale inferiore, nell’arco dell’intero ciclo di vita, rispetto alle tecnologie DAC esistenti.
La tecnologia è scalabile?
Sebbene i risultati siano promettenti, saranno necessari ulteriori test per determinare se la tecnologia possa operare efficacemente su scala industriale mantenendo la sua elevata capacità di cattura del carbonio.
Per il presente studio, i ricercatori hanno lavorato in un ambiente di laboratorio controllato utilizzando solo pochi grammi di materiale e hanno catturato circa 50 grammi di CO₂ .
Mezzenga rimane ottimista sul futuro di questa tecnologia. Ha dedicato quasi vent’anni allo studio delle fibrille amiloidi e le ha già utilizzate per sviluppare alternative biodegradabili alla plastica e tecnologie di purificazione dell’acqua.
“Siamo fiduciosi che la tecnologia sia scalabile”, afferma.
Secondo Mezzenga, il sistema a spruzzo utilizzato per rilasciare CO2 è compatibile con le tecniche industriali già ampiamente utilizzate. Dong continuerà a studiare le prestazioni del processo su scala maggiore.
I ricercatori non hanno ancora calcolato il costo esatto per catturare una tonnellata di CO₂ utilizzando il nuovo materiale. Ciononostante, Mezzenga prevede che sarà sostanzialmente meno costoso rispetto ai sistemi convenzionali di cattura diretta dell’aria.
“La nostra tecnologia è più economica e sostenibile perché richiede poca energia e si basa su un prodotto di scarto ampiamente disponibile”, afferma. “Questo potrebbe rappresentare una svolta per il futuro della rimozione della CO2 dall’atmosfera .”
Significato
Le attuali tecnologie di cattura diretta di CO₂ dall’aria basate sulle ammine spesso presentano una bassa capacità di assorbimento di CO₂ in aria ambiente, richiedono una rigenerazione termica ad alta intensità energetica e sono soggette a degradazione chimica che può generare sottoprodotti pericolosi. In questo studio, sviluppiamo un adsorbente di nuova generazione basato su fibrille amiloidi derivate da scarti alimentari, in cui una strategia di desorbimento tramite nebulizzazione consente il rilascio della CO₂ catturata utilizzando solo uno spray acido delicato, eliminando così le fasi convenzionali di rigenerazione termica e preservando notevolmente la stabilità dell’adsorbente. Questi adsorbenti a base proteica riciclano le proteine degli scarti alimentari trasformandole in robuste microsfere amiloidi con elevata capacità di assorbimento di CO₂ direttamente dall’aria ambiente, dimostrando un percorso circolare, a basso consumo energetico ed eccezionalmente stabile per la cattura di CO₂ atmosferica, che va oltre i tradizionali sistemi dipendenti dal calore.Astratto
Lo spreco alimentare contribuisce in modo sostanziale alle emissioni globali di CO₂ , ma offre anche opportunità sottoutilizzate per la mitigazione dei cambiamenti climatici all’interno e all’esterno del sistema alimentare. Le tecnologie di cattura diretta dell’aria possono contribuire a compensare queste emissioni, ma la maggior parte degli adsorbenti attualmente disponibili sono sintetici, ad alta intensità energetica e poco in linea con i principi dell’economia circolare, mentre le alternative di origine biologica presentano in genere una bassa capacità di assorbimento di CO₂ e una scarsa stabilità. In questo studio, ricicliamo le proteine recuperate dai flussi di scarti lattiero-caseari e di tofu trasformandole in microsfere funzionali di fibrille amiloidi per la cattura di CO₂ ambientale . La progettazione a livello atomico e lo stampaggio con stampo consentono ai residui di lisina e glutammina all’interno delle fibrille, insieme ai gruppi idrossilici introdotti da un lieve trattamento con KOH, di formare abbondanti siti attivi per la cattura di CO₂ , raggiungendo fino a 2,20 mmol/g. −1 in aria ambiente e 2,51 mmol g −1 in aria simulata (priva di ossigeno). Le microsfere vengono rigenerate in 10-12 minuti mediante nebulizzazione alternata di acido-alcali diluito senza alcun apporto termico e rimangono stabili per oltre 30 cicli. La valutazione del ciclo di vita, la classificazione dell’efficienza del prodotto e l’analisi tecnico-economica rivelano una sostenibilità e un’efficienza dei costi superiori rispetto agli assorbenti convenzionali, convalidando un approccio di economia circolare che ricicla i rifiuti alimentari trasformandoli in assorbenti di CO2 , che, se necessario, possono essere reintrodotti nel sistema alimentare.
Materiale fornito dal Politecnico di Zurigo (ETH) . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Zhou Dong, Ming Dai, Felix Donat, Dominik Richert, Bin Dai, Paweł P. Ziemiański, Jiangtao Zhou, Milad Radiom, Mohammad Peydayesh, Yanwen Li, Xiuhuai Li, Hui Wu, Christoph R. Müller, Wenshuai Chen, Raffaele Mezzenga. Circular and athermal atmospheric CO 2 capture by food waste-derived amyloid sorbents. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (24) DOI: 10.1073/pnas.2535689123
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