Farvestoffer fra atmosfærisk kuldioxid

Tør jord i Tyskland, varmeregistre i Arktis og optøende permafrostjord i Sibirien. Konsekvenserne af klimaændringer er synlige over hele kloden. For at reducere koncentrationen af ​​kuldioxid (CO ₂ ) i atmosfæren, adskillige forskergrupper undersøger, hvordan CO ₂ kan bruges som råvare til produktion af kemikalier.

"Udvikling af processer til udnyttelse af CO ₂ vil være en afgørende komponent i en fremtidig klimavenlig og ressourceeffektiv cirkulær økonomi, "mener Dr. Arne Roth, der leder Innovation Field Catalysts ved Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB.

Fra educt til produkt i tre trin:Adsorption, elektrokemi, bioteknologi

Kombinerede elektrokemisk-bioteknologiske processer giver en ny måde at bruge CO på ₂ som råvare til fremstilling af brændstoffer og kemikalier. Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, sammen med partnere fra videnskab og industri, har fulgt denne tilgang i det EU-finansierede projekt CELBICON og demonstreret en eksemplarisk proceskæde i pilotskala. Fordelen ved denne tilgang:"Ved at bruge bakteriens naturlige syntetiske evner - ud over CO ₂ adsorption og elektrokemisk omdannelse - vi kan producere mere komplekse molekyler og, dermed, værditilvækstprodukter, der gør den nye proces økonomisk, "siger Dr. Lénárd-István Csepei, der koordinerede projektet hos Fraunhofer IGB.

Adsorption i CO ₂ samler

For at bruge atmosfærisk CO ₂ som råvare, det skal først adsorberes fra luften. Til dette formål, projektpartneren Climeworks oprettede et demonstrationsanlæg i lokalerne i IGB BioCat -filialen i Straubing. I CO ₂ samlere af anlægget, CO ₂ adsorberes til selektivt filtermateriale, der er i direkte kontakt med luft, der blæses gennem systemet af en ventilator. Det schweiziske selskabs teknologi bruges allerede i forskellige industrielle pilotfaciliteter. Men hvordan kan CO ₂ konverteres til et salgbart produkt?

Produktion af myresyre fra CO ₂

CO ₂ kan omdannes til simple forbindelser, såsom myresyre, methanol eller ethanol, via elektrokemiske reaktioner i såkaldte elektrolyseceller drevet af elektricitet. De dannede produkter er såkaldte C1- eller C2-forbindelser, som kun indeholder et eller to carbonatomer. "Imidlertid, den elektrokemiske omdannelse af CO ₂ giver kun mening økologisk, hvis vedvarende energi bruges til dette formål, "forklarer Csepei.

Fraunhofer-forskere ved den Straubing-baserede BioCat-filial har screenet hundredvis af forskellige katalysatorer for at sikre, at den elektrokemiske omdannelse af CO ₂ udføres effektivt, og at myresyre dannes i den højest mulige koncentration. "Med særlige katalysatorer indeholdende tin og en phosphatbaseret bufferelektrolyt til elektrolysecellen, vi var i stand til at opnå de bedste resultater og producere myresyre i højere koncentrationer, "forklarer elektrokemisk ekspert Dr. Luciana Vieira." Elektrolytten må hverken være toksisk eller hæmme enzymer for at det efterfølgende bioteknologiske omdannelsestrin skal fungere, «siger videnskabsmanden.

Brug af bioteknologi til at skabe værditilvækstfarvestof

Imidlertid, de simple C1- og C2 -forbindelser kan næppe fremstilles økonomisk på denne måde. Årsagen:Tilgængeligheden af ​​vedvarende energi i Tyskland er udsat for stærke udsving - hovedsageligt på grund af lokale klimaforhold. Derfor, kun en delbelastning på maksimalt 2000-3000 timer om året er mulig. "Elektrokemisk produktion vil kun blive økonomisk fordelagtig, hvis de primære produkter yderligere kan omdannes til produkter af højere værdi, "forklarer Csepei.

Dermed, C1 -forbindelserne, såsom methanol eller myresyre, produceret i det andet, elektrokemisk procestrin fungerer som den eneste kulstof- og energikilde for methylotrofiske bakterier anvendt i det tredje procestrin, den mikrobielle gæring. Fraunhofer -forskerne valgte Methylobacterium extorquens til CELBICON -processen. Denne organisme er i stand til at danne et komplekst rødt farvestof fra methanol eller myresyre. "Værditilsætningsstoffet dannes via det mikrobielle terpenmetabolisme, "forklarer Dr. Jonathan Fabarius, der stod for gæringsarbejdet hos IGB. Andre bakterier kræver energirigt sukker som substrat, i stedet for myresyre eller methanol, der anvendes her.

Fermentering blev etableret som en fed-batch-proces i en 10-liters skala. "Vi var i stand til at demonstrere, at 14 procent af myresyren, der blev brugt i gæringsprocessen, omdannes til terpenoidfarvestof, "understreger Fabarius. Efter at Straubing -forskerne var i stand til at ekstrahere og rense farvestoffet, de arbejder i øjeblikket på at præcisere dens nøjagtige kemiske struktur. Fabarius ser fremad:"Vores mål er at yderligere optimere de anvendte bakterier ved hjælp af metabolisk teknik og enzymteknik for at øge produktudbyttet og derfor effektiviteten af ​​den samlede proces".

Proces demonstration

Efter validering af hele processen først i laboratorieskala, Fraunhofer IGB lykkedes at konstruere og bygge en automatiseret demonstrationsenhed for elektrolysatorer.

Kernen i denne enhed er en elektrokemisk celle med et elektrodeområde på 100 cm ² . "Vi kan bruge demonstratoren til at styre vigtige parametre, såsom temperatur og pH-værdi for de elektrolytter, der anvendes i langsigtede stabilitetstests. Til dette formål, anlægget er udstyret med et automatisk dataindsamlingssystem, "forklarer Dr.-Ing. Carsten Pietzka, der forsker i elektrosyntesen af ​​grundlæggende kemikalier ved IGB -filialen i Stuttgart. Det integrerede system bestående af CO ₂ adsorber- og elektrolysator demonstrationsenhed blev valideret under kontinuerlig drift.

Demonstratoren er også designet til integration af elektrode stakke. "Dette giver os mulighed for at øge produktionen af ​​myresyre og bruge demonstratoren til videreudvikling af elektrolysecellen til en industriel skala, «siger Pietzka.

Værdifulde fine kemikalier-klimaneutralt og decentralt produceret

"Med vores nye kombinerede teknologi, CO ₂ kan elektrokemisk omdannes til C1 -mellemprodukter, og disse kan derefter fermenteres til værditilvækstforbindelser, "opsummerer projektleder Csepei. Med yderligere optimering af de anvendte mikroorganismer og gæringstrinnet, det er også muligt at producere basiske kemikalier såsom mælkesyre, isopren eller biopolymeren polyhydroxybuttsyre-på en helt kulstofneutral måde.

Siden CO ₂ - præcis som vedvarende energi - genereres hovedsageligt decentralt, den kombinerede proces er særligt velegnet til produktion af kemikalier i mindre skala. På denne måde, selv den decentrale produktion af mindre mængder kan blive økonomisk levedygtig med et produkt af tilsvarende høj kvalitet og værdi.