Torra jordar i Tyskland, värmerekord i Arktis och upptinande permafrostjordar i Sibirien. Konsekvenserna av klimatförändringarna är synliga över hela världen. För att minska koncentrationen av koldioxid (CO ₂ ) i atmosfären, många forskargrupper undersöker hur CO ₂ kan användas som råvara för tillverkning av kemikalier.

"Utveckla processer för utnyttjande av CO ₂ kommer att vara en avgörande komponent i en framtida klimatvänlig och resurseffektiv cirkulär ekonomi, " tror doktor Arne Roth, som leder Innovation Field Catalysts vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB.

Från edukt till produkt i tre steg:Adsorption, elektrokemi, bioteknik

Kombinerade elektrokemiska-bioteknologiska processer ger ett nytt sätt att använda CO ₂ som råvara för att producera bränslen och kemikalier. Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, tillsammans med partners från vetenskap och industri, har följt detta tillvägagångssätt i det EU-finansierade projektet CELBICON och demonstrerat en exemplarisk processkedja i pilotskala. Fördelen med detta tillvägagångssätt:"Genom att använda bakteriers naturliga syntetiska kapacitet - förutom CO ₂ adsorption och elektrokemisk omvandling – vi kan producera mer komplexa molekyler och, Således, mervärdesprodukter som gör den nya processen ekonomisk, " säger Dr Lénárd-István Csepei, som koordinerade projektet på Fraunhofer IGB.

Adsorption i CO ₂ samlare

För att använda atmosfärisk CO ₂ som råvara, det måste adsorberas från luften först. För det här syftet, projektpartnern Climeworks satte upp en demonstrationsanläggning i lokalerna för IGB BioCats filial i Straubing. I CO ₂ samlare av växten, CO ₂ adsorberas till selektivt filtermaterial som är i direkt kontakt med luft som blåses genom systemet av en ventilator. Det schweiziska företagets teknik används redan i olika industriella pilotanläggningar. Men hur kan CO ₂ konverteras till en säljbar produkt?

Framställning av myrsyra från CO ₂

CO ₂ kan omvandlas till enkla föreningar, som myrsyra, metanol eller etanol, via elektrokemiska reaktioner i så kallade elektrolysceller som drivs med el. De bildade produkterna är så kallade C1- eller C2-föreningar, som bara innehåller en eller två kolatomer. "Dock, den elektrokemiska omvandlingen av CO ₂ är bara logiskt ekologiskt, om förnybar energi används för detta ändamål, " förklarar Csepei.

Fraunhofer-forskare vid den Straubing-baserade BioCat-grenen har screenat hundratals olika katalysatorer för att säkerställa att den elektrokemiska omvandlingen av CO ₂ utförs effektivt och att myrsyra bildas i högsta möjliga koncentration. "Med speciella katalysatorer som innehåller tenn och en fosfatbaserad buffertelektrolyt för elektrolyscellen, vi kunde uppnå de bästa resultaten och producera myrsyra i högre koncentrationer, " förklarar den elektrokemiska experten Dr. Luciana Vieira. "Elektrolyten får varken vara giftig eller hämma enzymer för att det efterföljande bioteknologiska omvandlingssteget ska fungera, säger forskaren.

Använda bioteknik för att skapa mervärdesfärgämne

Dock, de enkla C1- och C2-föreningarna kan knappast framställas på ett ekonomiskt sätt genom denna metod. Anledningen:Tillgången till förnybar energi i Tyskland är föremål för kraftiga fluktuationer – främst på grund av lokala klimatförhållanden. Därför, endast en dellastdrift på maximalt 2000-3000 timmar per år är möjlig. "Elektrokemisk produktion kommer bara att bli ekonomiskt fördelaktig om primärprodukterna kan omvandlas ytterligare till produkter av högre värde, " förklarar Csepei.

Således, C1-föreningarna, såsom metanol eller myrsyra, produceras i den andra, elektrokemiskt processsteg fungerar som den enda kol- och energikällan för metylotrofa bakterier som används i det tredje processsteget, den mikrobiella fermenteringen. Fraunhofer-forskarna valde Methylobacterium extorquens för CELBICON-processen. Denna organism kan bilda ett komplext rött färgämne från metanol eller myrsyra. "Det förädlade färgämnet bildas via den mikrobiella terpenmetabolismen, " förklarar Dr Jonathan Fabarius, som ansvarade för jäsningsarbetet på IGB. Andra bakterier kräver energirikt socker som substrat, istället för myrsyra eller metanol som används här.

Fermentering etablerades som en fed-batch-process i en 10-liters skala. "Vi kunde visa att 14 procent av myrsyran som används i fermenteringsprocessen omvandlas till terpenoidfärgämne, " betonar Fabarius. Efter att Straubing-forskarna kunde extrahera och rena färgämnet, de arbetar för närvarande med att klargöra dess exakta kemiska struktur. Fabarius ser framåt:"Vårt mål är att ytterligare optimera de applicerade bakterierna med hjälp av metabolisk ingenjörskonst och enzymteknik för att öka produktutbytet och därmed effektiviteten i den övergripande processen".

Processdemonstration

Efter validering av hela processen först i laboratorieskala, Fraunhofer IGB lyckades konstruera och bygga en automatisk demonstrationsenhet för elektrolysörer.

Kärnan i denna enhet är en elektrokemisk cell med en elektrodarea på 100 cm ² . "Vi kan använda demonstratorn för att kontrollera viktiga parametrar, såsom temperatur och pH-värde för elektrolyterna som används i långtidsstabilitetstester. För det här syftet, anläggningen är utrustad med ett automatiskt datainsamlingssystem, " förklarar Dr.-Ing. Carsten Pietzka, som forskar om elektrosyntes av baskemikalier vid IGB-filialen i Stuttgart. Det integrerade systemet som består av CO ₂ demonstrationsenheten för adsorber och elektrolysör validerades i kontinuerlig drift.

Demonstratorn är också designad för integrering av elektrodstaplar. "Detta tillåter oss att öka produktionshastigheten för myrsyra och använda demonstratorn för vidareutveckling av elektrolyscellen till industriell skala, säger Pietzka.

Värdefulla finkemikalier – klimatneutralt och decentralt framställda

"Med vår nya kombinerade teknik, CO ₂ kan elektrokemiskt omvandlas till C1-mellanprodukter, och dessa kan sedan fermenteras till förädlade föreningar, " sammanfattar projektledaren Csepei. Med ytterligare optimering av de applicerade mikroorganismerna och fermenteringssteget, det är också möjligt att producera baskemikalier som mjölksyra, isopren eller biopolymeren polyhydroxismörsyra — på ett helt kolneutralt sätt.

Sedan CO ₂ – precis som förnybar energi – genereras huvudsakligen på ett decentraliserat sätt, den kombinerade processen är särskilt lämplig för produktion av kemikalier i mindre skala. På det här sättet, även decentraliserad produktion av mindre kvantiteter kan bli ekonomiskt lönsam med en produkt av motsvarande hög kvalitet och värde.