Precursor de un catalizador a base de cobre sintetizado en la sucursal Straubing del instituto. Crédito:Fraunhofer IGB
¿Cómo podemos lograr los objetivos climáticos acordados internacionalmente? El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB produce el gas de efecto invernadero CO 2 utilizable como fuente de carbono para la industria química. Con una síntesis de catalizador patentada, selección del catalizador óptimo en procesos (electro) químico-biotecnológicos combinados y de alto rendimiento, varios conceptos están disponibles para CO 2 industrias emisoras. El etileno químico de plataforma ya se ha producido con éxito a partir de CO 2 en un demostrador electroquímico con un área de electrodo de 130 centímetros cuadrados.
Se necesita una acción rápida para limitar el aumento del calentamiento global a muy por debajo de 2 ° C, según lo acordado en la Convención Marco de París sobre el Cambio Climático. Para el sector industrial, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB ha desarrollado varias soluciones tecnológicas nuevas para utilizar el gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO 2 ), que se genera durante los procesos de combustión, como materia prima para la producción de productos químicos, combustibles o sistemas de almacenamiento de energía química. "Esto reduce el CO neto 2 emisiones y también conserva los recursos fósiles, "explica Gerd Unkelbach, quien es responsable del área de negocio de Química Sostenible en Fraunhofer IGB.
Los catalizadores son actores clave en la conversión química y electroquímica del CO 2 . Acelera reacciones, pero no se consumen ellos mismos. En los coches por ejemplo, el catalizador, "generalmente en forma de metales preciosos como el platino, rodio o paladio, convierte sustancias tóxicas en los gases de escape.
Fraunhofer IGB no solo optimiza los convertidores catalíticos. "También estamos desarrollando nuevos procesos y diseñamos plantas adecuadas para convertir CO 2 electroquímicamente —con electricidad procedente de energías renovables— o químicamente; o los combinamos con procesos biotecnológicos, "dice Unkelbach.
Síntesis de catalizadores optimizada para la producción de metanol regenerativo
En este sistema polivalente con cuatro tubos reactores paralelos, los investigadores pueden probar catalizadores en diferentes condiciones de reacción con alto rendimiento. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
El cobre metálico juega un papel importante como catalizador en la síntesis de metanol regenerativo a partir de CO 2 e hidrógeno producido electrolíticamente. El metanol es una materia prima química versátil que también se está volviendo cada vez más importante para el sector energético. tanto como aditivo de combustible para motores de combustión como como portador de energía en pilas de combustible. Según un estudio de DECHEMA, hasta 1,5 toneladas de CO 2 las emisiones por tonelada de metanol podrían evitarse si el metanol no se sintetizara a partir de materias primas fósiles, pero de CO 2 u otras materias primas regenerativas (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Estudio de tecnología:energía y materias primas bajas en carbono para la industria química europea, DECHEMA, 2017).
Los catalizadores para la síntesis de metanol se producen a partir de soluciones que contienen cobre, hoy en día se utilizan complejos procesos de precipitación en varias etapas intermedias. "Para ahorrar energía, tiempo y recursos durante la síntesis de catalizadores a escala industrial, hemos optimizado el proceso para un funcionamiento continuo, "explica el Dr. Lénárd Csepei, quien ha desempeñado un papel importante en el trabajo en la sucursal de BioCat en Straubing y presentó una solicitud de patente para el proceso.
Otro método pendiente de patente para la síntesis de catalizadores se basa en la disolución de compuestos metálicos en los denominados disolventes eutécticos profundos. Con estos métodos, Se pueden producir catalizadores de diferentes composiciones elementales y optimizar su eficiencia, no solo para la producción de metanol, pero también para otros procesos de síntesis química y electroquímica.
Buscando el mejor catalizador, con alto rendimiento
En todos los procesos de síntesis, el rendimiento del catalizador es de importancia clave, lo que determina si el producto deseado se puede producir de forma económica. "Uno de los factores más importantes es el mayor rendimiento posible del producto deseado. No queremos que se produzcan subproductos, "explica Csepei. Para determinar qué catalizador es el más adecuado para la implementación en cuestión, los investigadores de Fraunhofer seleccionan los posibles candidatos en varios sistemas de reactores.
Demostrador para la producción electroquímica de etileno en un solo paso a partir de CO2 y agua. Crédito:Fraunhofer IGB
"En nuestro sistema polivalente con cuatro tubos de reactor paralelos, podemos probar catalizadores en diferentes condiciones de reacción, como diferentes mezclas de gases de síntesis, presiones y temperaturas:en alto rendimiento, ", dice Csepei. Las reacciones se controlan analíticamente en tiempo real para que los productos resultantes puedan cuantificarse directamente. Los investigadores han diseñado y construido un sistema de reactor para probar catalizadores a presión atmosférica." Estamos utilizando este equipo para investigar las cascadas de reacción posteriores, es decir, una conversión adicional utilizando métodos biotecnológicos, "dice Csepei.
De catalizador a demostrador
Basado en los catalizadores optimizados y como un ejemplo para CO 2 conversión, en el proyecto del faro de Fraunhofer "Electricidad como materia prima", IGB ha construido un prototipo totalmente automatizado para la producción electroquímica de etileno, uno de los materiales de partida más importantes de la industria química. El elemento central es una celda electroquímica especialmente desarrollada por IGB. En esta celda los electrones para la reducción de CO 2 se transfieren a un electrolito acuoso y se ponen en contacto con el catalizador y el dióxido de carbono gaseoso en un electrodo de difusión de gas poroso.
"Con este sistema, producimos etileno a partir de CO 2 y agua en un solo paso sobre una superficie de electrodo de 130 cm 2 y con nuestros propios catalizadores, "explica el Dr. Carsten Pietzka, que está investigando en Stuttgart. "Hasta ahora solo se han logrado resultados comparables para este proceso de electrosíntesis a escala de laboratorio, con superficies de electrodos de unos pocos centímetros cuadrados y catalizadores que solo se pueden producir a pequeña escala, "dice el científico. El diseño del demostrador se puede transferir a otros procesos de electrosíntesis y permite el cribado de catalizadores y materiales de electrodos en la siguiente escala más grande.
"A partir de 2020, la nueva plataforma de electrólisis Fraunhofer en Leuna también nos permitirá escalar síntesis electroquímica a escala industrial, "añade Ulrike Junghans, que realiza investigaciones en el Centro Fraunhofer de Procesos Químico-Biotecnológicos CBP, la filial Leuna del IGB. En el proyecto "SynLink", gestionada por ella y financiada por el Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania, esta plataforma demostrará que la energía renovable se puede utilizar para producir gas de síntesis a partir de H2O y CO 2 —Con ambas moléculas adsorbidas del aire. Luego, el gas de síntesis se convierte quimiocatalíticamente en metanol y combustibles.
Celda electroquímica para reducción de CO2. Crédito:Fraunhofer IGB
Productos químicos de alta calidad mediante la combinación de química y biotecnología
Productos químicos producidos a partir de CO 2 sólo puede competir con los productos petroquímicos si se producen en grandes cantidades y si se dispone de suficiente electricidad a bajo coste. Por lo general, este no es el caso de los CO descentralizado 2 -plantas emisoras como plantas de biogás o cervecerías.
Para garantizar que el valor agregado del metanol regenerativo también se convierta en un negocio rentable a menor escala, Los investigadores de Fraunhofer han seguido un nuevo enfoque y han combinado la síntesis química en un proceso recientemente patentado con la posterior fermentación biotecnológica para producir productos químicos de mayor valor. "Utilizando un nuevo proceso de reacción, CO 2 se transforma en metanol como producto intermedio, que se bombea directamente a un fermentador a ciertos intervalos sin procesamiento adicional, "explica Csepei. Los microorganismos crecen con metanol como única fuente de carbono y producen ácido láctico, isopreno, ácido polihidroxibutírico y terpenos de cadena larga:productos valiosos que solo pueden obtenerse con procesos catalíticos químicos convencionales utilizando complejos, síntesis de múltiples etapas.
El objetivo de los investigadores es seguir desarrollando estos prometedores sistemas y procesos catalíticos para la utilización de CO 2 hacia la madurez comercial, en estrecha colaboración con socios de la industria, y así hacer una contribución sustancial a la protección del clima.
