Droge bodems in Duitsland, hitterecords in het noordpoolgebied en ontdooiende permafrostbodems in Siberië. De gevolgen van klimaatverandering zijn wereldwijd zichtbaar. Om de concentratie van kooldioxide (CO ₂ ) in de atmosfeer, tal van onderzoeksgroepen onderzoeken hoe CO ₂ kan worden gebruikt als grondstof voor de productie van chemicaliën.

"Ontwikkelen van processen voor het gebruik van CO ₂ een cruciaal onderdeel zal zijn van een toekomstige klimaatvriendelijke en hulpbronnenefficiënte circulaire economie, " gelooft Dr. Arne Roth, die de Innovation Field Catalysts leidt bij het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB.

Van educt naar product in drie stappen:Adsorptie, elektrochemie, biotechnologie

Gecombineerde elektrochemisch-biotechnologische processen zorgen voor een nieuwe manier om CO . te gebruiken ₂ als grondstof voor de productie van brandstoffen en chemicaliën. Het Fraunhofer Instituut voor grensvlaktechniek en biotechnologie IGB, samen met partners uit wetenschap en industrie, heeft deze aanpak gevolgd in het door de EU gefinancierde project CELBICON en op proefschaal een voorbeeldige procesketen gedemonstreerd. Het voordeel van deze aanpak:"Door gebruik te maken van de natuurlijke synthetische mogelijkheden van bacteriën - naast CO ₂ adsorptie en elektrochemische conversie - we kunnen complexere moleculen produceren en, dus, producten met toegevoegde waarde die het nieuwe proces economisch, " zegt Dr. Lénárd-István Csepei, die het project coördineerde bij Fraunhofer IGB.

Adsorptie in CO ₂ verzamelaar

Om atmosferisch CO . te gebruiken ₂ als grondstof, het moet eerst uit de lucht worden geadsorbeerd. Voor dit doeleinde, de projectpartner Climeworks zette een demonstratiefabriek op op het terrein van de IGB BioCat-vestiging in Straubing. In de CO ₂ verzamelaars van de plant, CO ₂ wordt geadsorbeerd aan selectief filtermateriaal dat in direct contact staat met lucht die door een ventilator door het systeem wordt geblazen. De technologie van het Zwitserse bedrijf wordt al gebruikt in verschillende industriële proeffaciliteiten. Maar hoe kan CO ₂ worden omgezet in een verkoopbaar product?

Productie van mierenzuur uit CO ₂

CO ₂ kunnen worden omgezet in eenvoudige verbindingen, zoals mierenzuur, methanol of ethanol, via elektrochemische reacties in zogenaamde elektrolysecellen aangedreven door elektriciteit. De gevormde producten zijn zogenaamde C1- of C2-verbindingen, die slechts één of twee koolstofatomen bevatten. "Echter, de elektrochemische omzetting van CO ₂ alleen ecologisch zinvol, als hiervoor hernieuwbare energie wordt gebruikt, " legt Csepei uit.

Fraunhofer-onderzoekers van de BioCat-vestiging in Straubing hebben honderden verschillende katalysatoren gescreend om ervoor te zorgen dat de elektrochemische omzetting van CO ₂ efficiënt wordt uitgevoerd en dat mierenzuur in de hoogst mogelijke concentratie wordt gevormd. "Met bepaalde katalysatoren die tin en een op fosfaat gebaseerde bufferelektrolyt voor de elektrolysecel bevatten, we hebben de beste resultaten behaald en mierenzuur in hogere concentraties kunnen produceren, " legt elektrochemisch expert Dr. Luciana Vieira uit. "De elektrolyt mag niet giftig zijn en enzymen niet remmen om de daaropvolgende biotechnologische conversiestap te laten werken, ’ zegt de wetenschapper.

Biotechnologie gebruiken om kleurstof met toegevoegde waarde te creëren

Echter, de eenvoudige C1- en C2-verbindingen kunnen met deze methode nauwelijks op een economische manier worden geproduceerd. De reden:de beschikbaarheid van hernieuwbare energiebronnen in Duitsland is onderhevig aan sterke schommelingen, voornamelijk als gevolg van lokale klimatologische omstandigheden. Daarom, alleen een deellastbedrijf van maximaal 2000-3000 uur per jaar is mogelijk. "Elektrochemische productie wordt pas economisch voordelig als de primaire producten verder kunnen worden omgezet in producten van hogere waarde, " legt Csepei uit.

Dus, de C1-verbindingen, zoals methanol of mierenzuur, geproduceerd in de tweede elektrochemische processtap dient als de enige koolstof- en energiebron voor methylotrofe bacteriën die in de derde processtap worden toegepast, de microbiële fermentatie. De Fraunhofer-onderzoekers selecteerden Methylobacterium extorquens voor het CELBICON-proces. Dit organisme is in staat om uit methanol of mierenzuur een complexe rode kleurstof te vormen. "De kleurstof met toegevoegde waarde wordt gevormd via het microbiële terpeenmetabolisme, " legt Dr. Jonathan Fabarius uit, die de leiding had over het fermentatiewerk bij IGB. Andere bacteriën hebben energierijke suikers nodig als substraat, in plaats van hier gebruikt mierenzuur of methanol.

Fermentatie werd opgezet als een fed-batch-proces op een schaal van 10 liter. "We hebben kunnen aantonen dat 14 procent van het mierenzuur dat in het fermentatieproces wordt gebruikt, wordt omgezet in terpenoïde kleurstof, " benadrukt Fabarius. Nadat de Straubing-onderzoekers de kleurstof konden extraheren en zuiveren, ze werken momenteel aan het verduidelijken van de exacte chemische structuur. Fabarius kijkt vooruit:"Ons doel is om door middel van metabolic engineering en enzyme engineering de toegepaste bacteriën verder te optimaliseren om de productopbrengst en daarmee de efficiëntie van het totale proces te verhogen".

Procesdemonstratie

Na validatie van het volledige proces eerst op laboratoriumschaal, Fraunhofer IGB is erin geslaagd een geautomatiseerde demonstratie-eenheid voor elektrolyse te bouwen en te bouwen.

De kern van deze unit is een elektrochemische cel met een elektrodeoppervlak van 100 cm ² . "We kunnen de demonstrator gebruiken om belangrijke parameters te controleren, zoals temperatuur en pH-waarde van de elektrolyten die worden gebruikt in langdurige stabiliteitstests. Voor dit doeleinde, de fabriek is uitgerust met een automatisch data-acquisitiesysteem, " legt Dr.-Ing. Carsten Pietzka uit, die in de IGB-vestiging in Stuttgart onderzoek doet naar de elektrosynthese van basischemicaliën. Het geïntegreerde systeem bestaande uit CO ₂ adsorber en elektrolyse-demonstratie-eenheid werd gevalideerd in continu bedrijf.

De demonstrator is ook ontworpen voor de integratie van elektrodenstapels. "Hierdoor kunnen we de productiesnelheid van mierenzuur verhogen en de demonstrator gebruiken voor de verdere ontwikkeling van de elektrolysecel naar industriële schaal, ' zegt Pietzka.

Waardevolle fijnchemicaliën - klimaatneutraal en decentraal geproduceerd

"Met onze nieuwe gecombineerde technologie, CO ₂ kan elektrochemisch worden omgezet in C1-tussenproducten, en deze kunnen vervolgens worden gefermenteerd tot verbindingen met toegevoegde waarde, " vat projectmanager Csepei samen. Met verdere optimalisatie van de toegepaste micro-organismen en de fermentatiestap, het is ook mogelijk om basischemicaliën te produceren zoals melkzuur, isopreen of het biopolymeer polyhydroxyboterzuur - op een volledig koolstofneutrale manier.

sinds CO ₂ — net als hernieuwbare energie — wordt voornamelijk decentraal opgewekt, het gecombineerde proces is met name geschikt voor de productie van chemicaliën op kleinere schaal. Op deze manier, zelfs de gedecentraliseerde productie van kleinere hoeveelheden kan economisch levensvatbaar worden met een product van dienovereenkomstig hoge kwaliteit en waarde.