Výsledkom spracovania bioodpadu je kompost, ktorý oživuje pôdu. Existujú však aj iné prístupy, ako zhodnotiť biologicky rozložiteľný kuchynský odpad. ALENA OPÁLKOVÁ ŠIŠKOVÁ z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV a LENKA LORENCOVÁ z Chemického ústavu SAV prišli v spolupráci s vedcami zo Slovenskej technickej univerzity v Bratislave s riešením, ako z neho vyrobiť biouhlíkatý materiál, ktoré je súčasťou elektrochemických senzorov.
Váš spoločný výskum preukázal, že ak sa kuchynský bioodpad spracuje na karbonizovanú biomasu biochar, je možné využiť ho pri výrobe senzorov, ktoré majú potenciál slúžiť aj na včasnú detekciu civilizačných chorôb. Ako v tomto prípade funguje spracovanie kuchynského odpadu?
A. O. Š: Ide o špecifický kuchynský odpad, akým sú šupky zo zemiakov alebo koreňovej zeleniny. Práve tieto časti obsahujú veľa celulózy, ktorá je klasický prekurzor pri výrobe biouhlia. Proces spracovania prebieha tak, že tieto zvyšky je potrebné začať hneď sušiť, aby sa zamedzilo vzniku plesní, ďalej postupným teplotným nárastom stabilizovať, čo zabezpečí, aby celulóza pri karbonizovaní vo vyšších teplotách nezhorela. Takýmto spôsobom namiesto popola získame materiál s vysokým obsahom uhlíka.
Pri akej teplote dochádza k zmene kuchynského odpadu na biochar?
A. O. Š.: Stabilizácia sa uskutočňuje pri teplote od 100 do 250 stupňov Celzia, karbonizácia prebieha od 400 do 900 stupňov Celzia. Nejdeme však do najvyšších teplôt, snažíme sa šetriť energie. Postupným experimentovaním sme zistili, že 800 stupňov Celzia stačí na to, aby sme získali uhlík, ktorý je využiteľný na aplikácie rôzneho charakteru. Okrem senzorov je ho možné využiť aj pri filtrácii vody, remediácii pôd, môže tiež slúžiť ako hnojivo alebo proti erózii pôdy v poľnohospodárstve.
Od začiatku ste pracovali s hypotézou, že bioodpad je možné využiť pri výrobe elektrochemických senzorov, alebo šlo o náhodné zistenie, vedľajší produkt iného výskumu?
A. O. Š.: Nápad vznikol pri káve, na ktorej sme sa stretli raz ráno s terajším riaditeľom Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV Martinom Noskom. Hovorili sme o tom, že by bolo dobré spraviť spoločný výskum, keďže v tom čase som ešte pracovala na Ústave polymérov SAV. Vznikol nápad skúsiť to s kuchynským odpadom. Napadlo mi, že by sa dal karbonizovať. Za cieľ sme si teda stanovili vyrobiť uhlík, ktorý by ponúkal využitie pre rôzne aplikácie. Neskôr som sa stretla s Lenkou Lorencovou, ktorá spomenula, že pracuje s elektrochemickými senzormi na báze uhlíka. Cez Lenku sme k spolupráci prizvali ešte Pavla Gemeinera, ktorý je vedúci oddelenia polygrafie a aplikovanej fotochémie na Ústave prírodných a syntetických polymérov na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave a ktorý so svojím tímom rieši elektródy. Výsledkom spolupráce je senzor porovnateľný s komerčným senzorom.
Kde všade sa môže ukrývať potenciál pre aplikáciu vašich senzorov?
L. L.: Elektrochemické senzory sa využívajú v širokej škále oblastí výskumu a priemyslu. Vďaka vlastnostiam biocharu, medzi ktoré patrí vysoká porozita a absorpčná schopnosť, rovnako ako prítomnosť funkčných skupín s rôznym povrchovým nábojom, si vieme biouhlíkatý povrch ďalej upravovať, čo je jeho veľká výhoda. Na jeho povrch vieme nanášať rôzne enzýmy, nanočastice, polyméry či iné hybridné materiály v snahe zlepšiť jeho vlastnosti. Aj vďaka tomu sa nášmu senzoru na báze biouhlíkatého materiálu perspektívne otvára okno pre jeho široké aplikácie.
Prvé výsledky sme porovnali napríklad na ukážkovom analyte – dopamíne, ktorý sa skúma tiež v súvislosti s ochoreniami, ako je Parkinsonova alebo Alzheimerova choroba, pri ktorých sa menia jeho hladiny v tele. Naše výsledky pri použití senzora na báze biouhlíkatého materiálu bez akejkoľvek ďalšej úpravy, aktivácie či modifikácie boli porovnateľné s výsledkami komerčne dostupnej tlačenej uhlíkovej elektródy.
Využitie je nielen v medicínskej oblasti, ale aj pri detekcii rôznych farmaceuticky zaujímavých molekúl v potravinárstve či pri monitorovaní životného prostredia v súvislosti s toxickými látkami či ťažkými kovmi. Napríklad kolegovia na univerzite využili biouhlíkatý materiál pri čistení odpadových vôd. Je tam tiež potenciál využitia v aplikáciách na uchovávanie energie, ako sú batérie, solárne články, superkondenzátory. Perspektíva je skutočne široká.
stabilizovaný pri 250 °C,
karbonizovaný pri 800 °C a mletý
karbonizovaný odpad.
senzor.
Na tento výskum vám bol udelený slovenský patent. Na čo presne sa vzťahuje?
L. L.: Ide ometódu, akou sa tento senzor pripravuje. Doteraz síce boli publikované práce v súčasnej literatúre týkajúce sa biouhlíkatého materiálu, no bolo to v súvislosti s použitím jednoduchej metódy kvapkania, kde sa disperzia s týmto materiálom nakvapká na povrch senzora, nechá sa voľne uschnúť a následne sa senzor použije na detekciu analytov. Naša inovatívnosť spočíva nielen vo vstupnom materiáli, ale aj v prístupe použitia techniky sieťotlače na prípravu spomínanej vrstvy. Technika sieťotlače nám oproti metóde kvapkania prináša možnosť prípravy elektród s presne definovanou štruktúrou a rozmerom s rozlíšením na úrovni 100 µm, nanášanie presne definovanej hrúbky vrstiev a rozsahu od 0,5 do 100 µm.
„Na rozdiel od komerčných senzorov táto technológia nevyužíva uhlík z fosílnych zdrojov.“
Inovatívne kroky vo výrobe senzorov isto prinášajú aj iné výhody. Aké napríklad?
A. O. Š.: Ak sa jedného dňa dopracujeme ku komercializácii patentu, výroba uhlíka zodpadu predstavuje lokálne riešenie, z ekonomického hľadiska ide tiež o lacnejšie riešenie oproti komerčne dostupným senzorom. Už sa viac nebudeme musieť spoliehať na žiadne ropovody, pretože na rozdiel od komerčných senzorov táto technológia nevyužíva uhlík z fosílnych zdrojov. Ďalšou výhodou je aj využívanie sieťotlače, čo predstavuje komerčne dostupnú technológiu, vďaka ktorej sa vyrába aj potlač na textílie. Ďalším pozitívom je, že pri príprave uhlíka sa už nepoužívajú žiadne chemické aktivátory, nevyžaduje sa chemické ani fyzikálne ošetrenie, potrebná je len teplota a čas kvôli stabilizácii.
L. L.: Tlačové disperzie,ktoré sa používajú na výrobu bežne dostupných komerčných tlačených uhlíkových elektród, obsahujú sadze a grafit. Výroba nášho senzora by teda bola skutočne ekologickejšia aj ekonomicky menej náročná.
„Z odpadu jednej mrkvy možno vyrobiť biochar, ktorý poslúži na výrobu desiatok až stoviek kusov senzorov.“
Približne koľko bioodpadu si vyžaduje výroba biocharu pre jeden senzor?
A. O. Š.: Hmotnosť vstupného materiálu a biocharu sa líši, ide asi o 70-percentný pokles hmotnosti, ktorú tvorí voda a rôzne iné prvky v stopových množstvách. Aj napriek tomu je z odpadu jednej mrkvy možné vyrobiť biochar, ktorý poslúži na výrobu desiatok až stoviek kusov senzorov. V tomto prípade ide skutočne o miligramy.
Na projekte spolupracovali vedci a vedkyne z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV, Chemického ústavu SAV a Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave. Ako hodnotíte túto spoluprácu?
A. O. Š.: Vrelo by som ju každému odporúčala. Ako materiálová vedkyňa dokážem vyvinúť istý materiál, no nemám prístup k ďalším špeciálnym technológiám. Potrebujem teda niekoho, kto tento materiál otestuje, kto z neho následne vyrobí medziprodukt alebo ho dostane medzi ľudí. Treba byť otvorený, zdieľať informácie aj materiály a od začiatku byť schopný povedať na rovinu, o čo presne ide. Myslím si, že aj vďaka tomu v tomto našom spoločnom výskume šlo všetko tak rýchlo.
L. L.: Som vždy veľmi vďačná, keď akcia a reakcia funguje, len tak sa vedia veci významne pohnúť vpred. Vedci a vedkyne by sa nemali báť a mali by ísť do spolupráce. A keď stretnú super „parťákov“, o to viac. Konkrétne v tomto prípade každý priniesol svoj know-how a aj preto je z toho vo výsledku taký pekný príbeh.
Ing. ALENA OPÁLKOVÁ ŠIŠKOVÁ, PhD.
Vedecká tajomníčka v Ústave materiálov a mechaniky strojov SAV zároveň pôsobí aj v Ústave polymérov SAV na oddelení syntézy a charakterizácie polymérov. Vo svojej vedeckovýskumnej práci sa venuje vývoju materiálov pre aplikácie v obalovom priemysle a medicíne. Spolupracuje aj na prepájaní vedy, technológií a umenia pod názvom NANO-Art a je predsedníčkou All4Science, o. z., zameraného na popularizáciu vedy.
RNDr. LENKA LORENCOVÁ, PhD.
Pracuje ako vedecká pracovníčka v Chemickom ústave SAV. Jej vedeckovýskumným zameraním je využitie progresívnych nanomateriálov známych ako MXény. V roku 2023 sa umiestnila na 2. mieste v programe L’Oréal – UNESCO Pre ženy vo vede na Slovensku v kategórii Fyzikálne a formálne vedy. Hlavným cieľom súťaže je oceniť výskumníčky, ktoré robia svet lepším. Tento rok sa stala Slovenkou roka v kategórii Veda a výskum.
Stanislava Longauerová
Foto: Martin Bystriansky
Časopis akadémia 6/2024