L'elettrolizzatore sviluppato nel progetto CELBICON presso Fraunhofer IGB sintetizza l'acido formico dalla CO2 atmosferica. Credito:Fraunhofer IGB
Suoli secchi in Germania, record di calore nell'Artico e disgelo del permafrost in Siberia. Le conseguenze del cambiamento climatico sono visibili in tutto il mondo. Per ridurre la concentrazione di anidride carbonica (CO 2 ) nell'atmosfera, numerosi gruppi di ricerca stanno studiando come la CO 2 può essere utilizzato come materia prima per la produzione di prodotti chimici.
"Sviluppo di processi per l'utilizzo della CO 2 sarà una componente cruciale di una futura economia circolare rispettosa del clima ed efficiente sotto il profilo delle risorse, " crede il dottor Arne Roth, che guida i catalizzatori del campo dell'innovazione presso l'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB.
Dall'edotto al prodotto in tre fasi:Adsorbimento, elettrochimica, biotecnologia
Processi combinati elettrochimico-biotecnologici forniscono un nuovo modo di utilizzare la CO 2 come materia prima per la produzione di combustibili e prodotti chimici. L'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB, insieme a partner della scienza e dell'industria, ha perseguito questo approccio nel progetto CELBICON, finanziato dall'UE, e ha dimostrato una catena di processi esemplare su scala pilota. Il vantaggio di questo approccio:"Utilizzando le capacità sintetiche naturali dei batteri, oltre alla CO 2 adsorbimento e conversione elettrochimica:possiamo produrre molecole più complesse e, così, prodotti a valore aggiunto che rendono economico il nuovo processo, " dice il dottor Lénárd-István Csepei, che ha coordinato il progetto al Fraunhofer IGB.
Adsorbimento in CO 2 collettore
Per utilizzare la CO . atmosferica 2 come materia prima, deve essere prima adsorbito dall'aria. Per questo scopo, il partner del progetto Climeworks ha allestito un impianto dimostrativo nei locali della filiale IGB BioCat a Straubing. Nel CO 2 collezionisti della pianta, CO 2 viene adsorbito al materiale filtrante selettivo che è a diretto contatto con l'aria soffiata attraverso il sistema da un ventilatore. La tecnologia dell'azienda svizzera è già utilizzata in diversi impianti pilota industriali. Ma come può la CO 2 essere convertito in un prodotto commerciabile?
Produzione di acido formico da CO 2
CO 2 possono essere convertiti in composti semplici, come l'acido formico, metanolo o etanolo, tramite reazioni elettrochimiche nelle cosiddette celle di elettrolisi alimentate dall'elettricità. I prodotti formati sono i cosiddetti composti C1 o C2, che contengono solo uno o due atomi di carbonio. "Però, la conversione elettrochimica della CO 2 ha senso solo ecologicamente, se le energie rinnovabili vengono utilizzate per questo scopo, " spiega Csepei.
I ricercatori Fraunhofer della filiale BioCat di Straubing hanno esaminato centinaia di catalizzatori diversi per garantire che la conversione elettrochimica di CO 2 viene svolto in modo efficiente e che l'acido formico si forma nella massima concentrazione possibile. "Con particolari catalizzatori contenenti stagno e un elettrolita tampone a base di fosfato per la cella di elettrolisi, siamo stati in grado di ottenere i migliori risultati e produrre acido formico in concentrazioni più elevate, " spiega l'esperta elettrochimica Dott.ssa Luciana Vieira. "L'elettrolita non deve essere né tossico né inibire gli enzimi affinché la successiva fase di conversione biotecnologica funzioni, "dice lo scienziato.
Utilizzo della biotecnologia per creare coloranti a valore aggiunto
Però, i semplici composti C1 e C2 difficilmente possono essere prodotti in modo economico con questo metodo. Il motivo:la disponibilità di energie rinnovabili in Germania è soggetta a forti fluttuazioni, principalmente a causa delle condizioni climatiche locali. Perciò, è possibile solo un funzionamento a carico parziale di massimo 2000-3000 ore all'anno. "La produzione elettrochimica diventerà economicamente vantaggiosa solo se i prodotti primari potranno essere ulteriormente convertiti in prodotti di maggior valore, " spiega Csepei.
Così, i composti C1, come metanolo o acido formico, prodotto nel secondo, la fase del processo elettrochimico funge da unica fonte di carbonio ed energia per i batteri metilotrofi applicati nella terza fase del processo, la fermentazione microbica. I ricercatori di Fraunhofer hanno selezionato Methylobacterium extorquens per il processo CELBICON. Questo organismo è in grado di formare un colorante rosso complesso dal metanolo o dall'acido formico. "Il colorante a valore aggiunto si forma attraverso il metabolismo microbico dei terpeni, " spiega il dottor Jonathan Fabarius, che era responsabile del lavoro di fermentazione presso IGB. Altri batteri richiedono zucchero ricco di energia come substrato, invece di acido formico o metanolo qui utilizzato.
La fermentazione è stata stabilita come un processo fed-batch su una scala di 10 litri. "Siamo stati in grado di dimostrare che il 14% dell'acido formico utilizzato nel processo di fermentazione viene convertito in colorante terpenoide, " sottolinea Fabarius. Dopo che i ricercatori di Straubing riuscirono ad estrarre e purificare il colorante, stanno attualmente lavorando per chiarire la sua esatta struttura chimica. Fabarius guarda avanti:"Il nostro obiettivo è ottimizzare ulteriormente i batteri applicati mediante l'ingegneria metabolica e l'ingegneria enzimatica per aumentare la resa del prodotto e quindi l'efficienza dell'intero processo".
Dimostrazione del processo
Dopo la convalida del processo completo in primo luogo su scala di laboratorio, Fraunhofer IGB è riuscito a costruire e costruire un'unità dimostrativa di elettrolizzatore automatizzato.
Il nucleo di questa unità è una cella elettrochimica con un'area dell'elettrodo di 100 cm 2 . "Possiamo utilizzare il dimostratore per controllare parametri importanti, come la temperatura e il valore del pH degli elettroliti utilizzati nei test di stabilità a lungo termine. Per questo scopo, l'impianto è dotato di un sistema di acquisizione automatica dei dati, " spiega il Dr.-Ing. Carsten Pietzka, che sta ricercando l'elettrosintesi dei prodotti chimici di base presso la filiale IGB di Stoccarda. Il sistema integrato composto da CO 2 l'unità dimostrativa dell'adsorbitore e dell'elettrolizzatore è stata convalidata in funzionamento continuo.
Il dimostratore è progettato anche per l'integrazione di pile di elettrodi. "Questo ci consente di aumentare il tasso di produzione di acido formico e utilizzare il dimostratore per l'ulteriore sviluppo della cella di elettrolisi su scala industriale, "dice Pietzka.
Prodotti della chimica fine di valore, prodotti in modo neutrale dal punto di vista climatico e decentrata
"Con la nostra nuova tecnologia combinata, CO 2 possono essere convertiti elettrochimicamente in intermedi C1, e questi possono poi essere fermentati in composti a valore aggiunto, " riassume il project manager Csepei. Con un'ulteriore ottimizzazione dei microrganismi applicati e della fase di fermentazione, è anche possibile produrre prodotti chimici di base come acido lattico, isoprene o l'acido poliidrossibutirrico biopolimero, in modo completamente neutro dal punto di vista del carbonio.
Dal momento che CO 2 —proprio come le energie rinnovabili—è principalmente generata in modo decentralizzato, il processo combinato è particolarmente adatto per la produzione di prodotti chimici su scala ridotta. In questo modo, anche la produzione decentralizzata di quantità minori può diventare economicamente sostenibile con un prodotto di qualità e valore corrispondentemente elevati.
