Использование углекислого газа: Три этапа к получению красителя из атмосферного CO2

На защиту климата остается мало времени. Одно из решений - использовать парниковый газ CO₂ в качестве сырья для химических веществ.

Институт межфазной инженерии и биотехнологической инженерии имени Фраунгофера IGB применяет новый подход с партнерами. С помощью комбинации электрохимической и биотехнологической конверсии исследователям удалось получить добавляющий ценность терпеноидный краситель из парниковых газов, адсорбированных из воздуха.

В процессе ферментации после электролиза муравьиная кислота превращается в ценный терпеноидный краситель

Сухие почвы в немецком Штудгарте, рекорды тепла в Арктике и таяние вечной мерзлоты в Сибири - последствия изменения климата ощущаются во всем мире.

Чтобы снизить концентрацию двуокиси углерода (CO₂) в атмосфере, многочисленные исследовательские группы изучают, как парниковый газ CO₂ можно использовать в качестве сырья для химических веществ.

Доктор Арне Рот возглавляет направление инновационных катализаторов в Институте межфазной инженерии и биотехнологии имени Фраунгофера IGB.

Он уверен, что разработка процессов рекуперации углекислого газа станет важным компонентом будущей экономики замкнутого цикла, благоприятной для климата и ресурсов.

Разработка комбинированных электрохимических и биотехнологических процессов представляет собой новый способ использования CO₂ в качестве сырья для топлива и химикатов.

Институт Фраунгофера IGB продолжил это с партнерами из науки и промышленности в проекте Celbicon, финансируемом ЕС, и продемонстрировал образцовую технологическую цепочку в пилотном масштабе.

Преимущество этого подхода: используя способность бактерий к синтезу от природы - в дополнение к адсорбции CO₂ и электрохимическому преобразованию - исследователи могут производить более сложные молекулы и, таким образом, продукты с добавленной стоимостью, что делает новый процесс экономичным.

Адсорбция в коллекторе СО2

Чтобы утилизировать атмосферный углекислый газ, он должен быть адсорбирован из воздуха на первом этапе. С этой целью партнер проекта Climeworks установил демонстрационную систему на территории отделения IGB Biocat в Штраубинге.

Ядром системы являются коллекторы CO₂. Сюда засасывается воздух через вентилятор. Внутри коллектора находится избирательный фильтрующий материал, с которым связан углекислый газ. Технологии швейцарской компании уже используются в промышленных масштабах на различных пилотных объектах. Но как CO₂ стать товаром, который продается на рынке?

Производство муравьиной кислоты из CO2

В так называемых электролизерах, которые работают от электричества, CO₂ может быть преобразован в простые соединения, такие как муравьиная кислота, метанол или даже этанол, посредством электрохимических реакций. Это так называемые соединения C1 или C2, которые содержат только один или два атома углерода.

• «Однако электрохимическое преобразование CO₂ имеет экологический смысл только в том случае, если для этого используются возобновляемые источники энергии», - поясняет доктор Ленард-Иштван Чепей, координировавший проект Fraunhofer IGB.

Чтобы гарантировать, что электрохимическое преобразование СО2 происходит эффективно и что муравьиная кислота образуется в максимально возможной концентрации, исследователи Fraunhofer из отделения Института Straubing Biocat проверили сотни различных катализаторов.

Благодаря специальным оловосодержащим катализаторам и буферному электролиту на основе фосфата для электролизера они смогли достичь наилучших результатов и произвести муравьиную кислоту в более высоких концентрациях. Эксперт по электрохимии доктор Лучиана Виейра объясняет, что электролит не должен быть токсичным или ингибировать ферменты, чтобы последующий этап биотехнологического преобразования работал нормально.

Краситель для повышения ценности биотехнологии

Простые соединения C1 и C2 вряд ли могут быть произведены таким способом с экономической точки зрения. Причина: доступность возобновляемых источников энергии в Германии сильно колеблется - в основном из-за климатических факторов. Поэтому возможна только работа с частичной нагрузкой максимум 2000-3000 часов в год.

• «Электрохимическое производство будет экономичным только в том случае, если можно будет преобразовать соединения в продукты более высокого качества», - объясняет Чепей.

Соединения C1, такие как метанол или муравьиная кислота, полученные на втором этапе электрохимического процесса, на третьем этапе служат метилотрофным бактериям в качестве единственного источника углерода и энергии. Исследователи Fraunhofer выбрали бактерию Methylobacterium extorquens для процесса Celbicon. Этот организм способен образовывать сложный красный краситель из простых соединений C1.

«Добавляющий ценность цвет формируется микробным метаболизмом терпенов», - объясняет доктор Джонатан Фабариус, руководивший работой по ферментации в IGB. Другим бактериям требуется больше энергетических молекул сахара вместо муравьиной кислоты или метанола.

Электролизер, разработанный в рамках проекта Celbicon в Fraunhofer IGB, синтезирует муравьиную кислоту из атмосферного CO₂

Ферментация была организована как периодический процесс с подпиткой в масштабе 10 литров.

Ученым удалось показать, что 14% муравьиной кислоты, используемой при ферментации, превращается в терпеноидный краситель.

После того, как исследователи Штраубинга смогли извлечь и очистить краситель, в настоящее время они находятся в процессе выяснения его точной структуры.

Целью является дальнейшая оптимизация метаболических путей и ферментов, необходимых для образования продукта, посредством метаболической инженерии и ферментативной инженерии, чтобы увеличить выход продукта и, следовательно, эффективность всего процесса.

Оценка на демонстрационном объекте

После того, как отдельные этапы процесса были впервые интегрированы в непрерывную технологическую цепочку в лабораторном масштабе, проект был завершен созданием автоматизированной демонстрационной системы электролизера, ядром которой является электрохимическая ячейка с площадью электродов 100 см2.

С помощью демонстрационной системы исследователи могут контролировать важные параметры, такие как температура и значение pH электролитов, используемых в испытаниях на выносливость. Для этого в системе предусмотрена автоматическая запись данных. С помощью демонстратора интегрированная система адсорбера CO2 и электролизера может быть проверена в непрерывном режиме работы.

Кроме того, демонстратор спроектирован так, что так называемые пакеты, то есть пакеты электродов, также могут быть объединены. В результате производительность муравьиной кислоты может быть увеличена, а демонстратор может быть использован для дальнейшего развития электролизной ячейки в промышленном масштабе.

Дорогие химические вещества - климатически нейтральные и децентрализованные

С помощью новой технологии CO₂ можно электрохимически преобразовать в промежуточные соединения C1, а затем их можно преобразовать в соединения с добавленной стоимостью с помощью комбинированной ферментации.

Поскольку CO₂, как и возобновляемые источники энергии, в основном вырабатывается на месте, комбинированный процесс особенно подходит для производства химикатов в меньших масштабах. При наличии соответственно высококачественного продукта децентрализованное производство меньших объемов также может стать экономичным.