El electrolizador desarrollado en el proyecto CELBICON en Fraunhofer IGB sintetiza ácido fórmico a partir de CO2 atmosférico. Crédito:Fraunhofer IGB
Suelos secos en Alemania, los registros de calor en el Ártico y el deshielo de los suelos del permafrost en Siberia. Las consecuencias del cambio climático son visibles en todo el mundo. Para reducir la concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera, Numerosos grupos de investigación están investigando cómo el CO 2 se puede utilizar como materia prima para la producción de productos químicos.
"Desarrollo de procesos para la utilización de CO 2 será un componente crucial de una futura economía circular respetuosa con el clima y eficiente en el uso de los recursos, "cree el Dr. Arne Roth, quien lidera los Catalizadores de Campo de Innovación en el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB.
Del educto al producto en tres pasos:adsorción, electroquímica, biotecnología
Los procesos electroquímicos-biotecnológicos combinados proporcionan una nueva forma de utilizar el CO 2 como materia prima para la producción de combustibles y productos químicos. El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB, junto con socios de la ciencia y la industria, ha seguido este enfoque en el proyecto financiado con fondos europeos CELBICON y ha demostrado una cadena de procesos ejemplar a escala piloto. La ventaja de este enfoque:"Al utilizar las capacidades sintéticas naturales de las bacterias, además del CO 2 adsorción y conversión electroquímica:podemos producir moléculas más complejas y, por lo tanto, productos de valor agregado que hacen que el nuevo proceso sea económico, "dice el Dr. Lénárd-István Csepei, quien coordinó el proyecto en Fraunhofer IGB.
Adsorción en CO 2 coleccionista
Para utilizar CO atmosférico 2 como materia prima, primero debe adsorberse del aire. Para este propósito, el socio del proyecto Climeworks instaló una planta de demostración en las instalaciones de la sucursal de IGB BioCat en Straubing. En el CO 2 recolectores de la planta, CO 2 se adsorbe en un material de filtro selectivo que está en contacto directo con el aire soplado a través del sistema mediante un ventilador. La tecnología de la empresa suiza ya se está utilizando en varias instalaciones piloto industriales. Pero, ¿cómo puede el CO 2 convertirse en un producto comercializable?
Producción de ácido fórmico a partir de CO 2
CO 2 se puede convertir en compuestos simples, como el ácido fórmico, metanol o etanol, a través de reacciones electroquímicas en las llamadas celdas de electrólisis alimentadas por electricidad. Los productos formados son los llamados compuestos C1 o C2, que contienen solo uno o dos átomos de carbono. "Sin embargo, la conversión electroquímica de CO 2 solo tiene sentido ecológicamente, si se utilizan energías renovables para este fin, "explica Csepei.
Los investigadores de Fraunhofer en la sucursal de BioCat con sede en Straubing han examinado cientos de catalizadores diferentes para garantizar que la conversión electroquímica de CO 2 se lleva a cabo de manera eficiente y que el ácido fórmico se forma en la concentración más alta posible. "Con catalizadores particulares que contienen estaño y un electrolito tampón a base de fosfato para la celda de electrólisis, pudimos lograr los mejores resultados y producir ácido fórmico en concentraciones más altas, "explica la experta en electroquímica Dra. Luciana Vieira." El electrolito no debe ser tóxico ni inhibir las enzimas para que funcione el siguiente paso de conversión biotecnológica, "dice el científico.
Uso de la biotecnología para crear un tinte de valor agregado
Sin embargo, los compuestos simples C1 y C2 difícilmente pueden producirse de forma económica mediante este método. La razón:la disponibilidad de energías renovables en Alemania está sujeta a fuertes fluctuaciones, principalmente debido a las condiciones climáticas locales. Por lo tanto, sólo es posible una operación de carga parcial de un máximo de 2000-3000 horas por año. "La producción electroquímica solo será económicamente ventajosa si los productos primarios se pueden convertir en productos de mayor valor, "explica Csepei.
Por lo tanto, los compuestos C1, como metanol o ácido fórmico, producido en el segundo, El paso del proceso electroquímico sirve como única fuente de carbono y energía para las bacterias metilotróficas aplicadas en el tercer paso del proceso. la fermentación microbiana. Los investigadores de Fraunhofer seleccionaron Methylobacterium extorquens para el proceso CELBICON. Este organismo es capaz de formar un tinte rojo complejo a partir de metanol o ácido fórmico. "El tinte de valor agregado se forma a través del metabolismo microbiano de terpenos, "explica el Dr. Jonathan Fabarius, quien estuvo a cargo del trabajo de fermentación en IGB. Otras bacterias requieren azúcar rico en energía como sustrato, en lugar de ácido fórmico o metanol utilizado aquí.
La fermentación se estableció como un proceso de alimentación por lotes a una escala de 10 litros. "Pudimos demostrar que el 14 por ciento del ácido fórmico utilizado en el proceso de fermentación se convierte en tinte terpenoide, "enfatiza Fabarius. Después de que los investigadores de Straubing pudieron extraer y purificar el tinte, actualmente están trabajando para aclarar su estructura química exacta. Fabarius mira hacia el futuro:"Nuestro objetivo es optimizar aún más las bacterias aplicadas mediante ingeniería metabólica e ingeniería enzimática para aumentar el rendimiento del producto y, por lo tanto, la eficiencia del proceso en general".
Demostración de procesos
Después de la validación del proceso completo, en primer lugar a escala de laboratorio, Fraunhofer IGB logró construir y construir una unidad de demostración automatizada de electrolizadores.
El núcleo de esta unidad es una celda electroquímica con un área de electrodo de 100 cm 2 . "Podemos utilizar el demostrador para controlar parámetros importantes, tales como la temperatura y el valor de pH de los electrolitos utilizados en las pruebas de estabilidad a largo plazo. Para este propósito, la planta está equipada con un sistema automático de adquisición de datos, "explica el Dr.-Ing. Carsten Pietzka, que está investigando la electrosíntesis de productos químicos básicos en la sucursal del IGB en Stuttgart. El sistema integrado que consta de CO 2 Se validó la unidad de demostración de adsorbedores y electrolizadores en funcionamiento continuo.
El demostrador está diseñado también para la integración de pilas de electrodos. "Esto nos permite aumentar la tasa de producción de ácido fórmico y utilizar el demostrador para un mayor desarrollo de la celda de electrólisis a escala industrial". "dice Pietzka.
Productos químicos finos valiosos:producidos de forma descentralizada y climáticamente neutra
"Con nuestra nueva tecnología combinada, CO 2 se puede convertir electroquímicamente en intermedios C1, y estos luego pueden fermentarse en compuestos de valor agregado, "resume el director del proyecto Csepei. Con una mayor optimización de los microorganismos aplicados y el paso de fermentación, también es posible producir productos químicos básicos como el ácido láctico, isopreno o el biopolímero ácido polihidroxibutírico, de una manera completamente neutra en carbono.
Dado que CO 2 —Al igual que la energía renovable— se genera principalmente de forma descentralizada, el proceso combinado es especialmente adecuado para la producción de productos químicos a menor escala. De este modo, incluso la producción descentralizada de cantidades más pequeñas puede volverse económicamente viable con un producto de calidad y valor correspondientemente altos.
