p Solos secos na Alemanha, registros de calor no Ártico e descongelamento de solos permafrost na Sibéria. As consequências das mudanças climáticas são visíveis em todo o mundo. Para reduzir a concentração de dióxido de carbono (CO ₂ ) na atmosfera, numerosos grupos de pesquisa estão investigando como o CO ₂ pode ser usado como matéria-prima para a produção de produtos químicos. p “Desenvolvendo processos para a utilização de CO ₂ será um componente crucial de uma futura economia circular favorável ao clima e eficiente em termos de recursos, "acredita o Dr. Arne Roth, que lidera os Catalisadores de Campo de Inovação do Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB.

p Da educação ao produto em três etapas:Adsorção, eletroquímica, biotecnologia

p Os processos eletroquímicos-biotecnológicos combinados fornecem uma nova maneira de usar o CO ₂ como matéria-prima para a produção de combustíveis e produtos químicos. Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB, junto com parceiros da ciência e da indústria, seguiu esta abordagem no projeto CELBICON, financiado pela UE, e demonstrou uma cadeia de processos exemplar à escala piloto. A vantagem dessa abordagem:"Usando os recursos sintéticos naturais das bactérias - além do CO ₂ adsorção e conversão eletroquímica - podemos produzir moléculas mais complexas e, portanto, produtos de valor agregado que tornam o novo processo econômico, "diz o Dr. Lénárd-István Csepei, que coordenou o projeto no Fraunhofer IGB.

p Adsorção em CO ₂ colecionador

p Para usar o CO atmosférico ₂ como matéria-prima, deve ser adsorvido do ar primeiro. Para este propósito, o parceiro do projeto Climeworks montou uma planta de demonstração nas instalações da filial da IGB BioCat em Straubing. No CO ₂ coletores da planta, CO ₂ é adsorvido por material de filtro seletivo que está em contato direto com o ar soprado pelo sistema por um ventilador. A tecnologia da empresa suíça já está sendo utilizada em várias instalações piloto industriais. Mas como pode CO ₂ ser convertido em um produto comercializável?

p Produção de ácido fórmico a partir de CO ₂

p CO ₂ podem ser convertidos em compostos simples, como ácido fórmico, metanol ou etanol, via reações eletroquímicas nas chamadas células de eletrólise alimentadas por eletricidade. Os produtos formados são os chamados compostos C1 ou C2, que contêm apenas um ou dois átomos de carbono. "Contudo, a conversão eletroquímica de CO ₂ só faz sentido ecologicamente, se as energias renováveis ​​são usadas para este fim, "explica Csepei.

p Pesquisadores Fraunhofer da filial de BioCat baseada em Straubing examinaram centenas de catalisadores diferentes para garantir que a conversão eletroquímica de CO ₂ é realizado de forma eficiente e que o ácido fórmico é formado na maior concentração possível. "Com catalisadores específicos contendo estanho e um eletrólito tampão à base de fosfato para a célula de eletrólise, fomos capazes de alcançar os melhores resultados e produzir ácido fórmico em concentrações mais altas, "explica a especialista em eletroquímica Dra. Luciana Vieira." O eletrólito não deve ser tóxico nem inibir enzimas para que a etapa de conversão biotecnológica subsequente funcione. "diz o cientista.

p Usando biotecnologia para criar corante de valor agregado

p Contudo, os compostos C1 e C2 simples dificilmente podem ser produzidos de forma econômica por meio deste método. O motivo:a disponibilidade de energias renováveis ​​na Alemanha está sujeita a fortes flutuações - principalmente devido às condições climáticas locais. Portanto, apenas uma operação de carga parcial de no máximo 2.000 a 3.000 horas por ano é possível. “A produção eletroquímica só se tornará economicamente vantajosa se os produtos primários puderem ser posteriormente convertidos em produtos de maior valor, "explica Csepei.

p Assim, os compostos C1, como metanol ou ácido fórmico, produzido no segundo, etapa do processo eletroquímico serve como a única fonte de carbono e energia para bactérias metilotróficas aplicadas na terceira etapa do processo, a fermentação microbiana. Os pesquisadores do Fraunhofer selecionaram o Methylobacterium extorquens para o processo CELBICON. Este organismo é capaz de formar um corante vermelho complexo a partir do metanol ou do ácido fórmico. "O corante de valor agregado é formado por meio do metabolismo do terpeno microbiano, "explica o Dr. Jonathan Fabarius, que estava encarregado do trabalho de fermentação no IGB. Outras bactérias requerem açúcar rico em energia como substrato, em vez de ácido fórmico ou metanol utilizado aqui.

p A fermentação foi estabelecida como um processo descontínuo alimentado em uma escala de 10 litros. "Conseguimos demonstrar que 14 por cento do ácido fórmico usado no processo de fermentação é convertido em corante terpenóide, "enfatiza Fabarius. Depois que os pesquisadores de Straubing conseguiram extrair e purificar o corante, eles estão trabalhando atualmente para esclarecer sua estrutura química exata. Fabarius olha para o futuro:"Nosso objetivo é otimizar ainda mais as bactérias aplicadas por meio da engenharia metabólica e da engenharia enzimática para aumentar o rendimento do produto e, portanto, a eficiência do processo geral".

p Demonstração de processo

p Após a validação do processo completo primeiramente em escala de laboratório, O Fraunhofer IGB conseguiu construir e construir uma unidade de demonstração de eletrolisador automatizado.

p O núcleo desta unidade é uma célula eletroquímica com uma área de eletrodo de 100 cm ² . "Podemos usar o demonstrador para controlar parâmetros importantes, como temperatura e valor de pH dos eletrólitos usados ​​em testes de estabilidade de longo prazo. Para este propósito, a planta está equipada com um sistema automático de aquisição de dados, "explica o Dr.-Ing. Carsten Pietzka, que está pesquisando a eletrossíntese de produtos químicos básicos na filial do IGB em Stuttgart. O sistema integrado que consiste em CO ₂ A unidade de demonstração do adsorvedor e eletrolisador foi validada em operação contínua.

p O demonstrador é projetado também para a integração de pilhas de eletrodos. "Isso nos permite aumentar a taxa de produção de ácido fórmico e usar o demonstrador para o desenvolvimento da célula de eletrólise em escala industrial, "diz Pietzka.

p Produtos químicos finos valiosos - produzidos de forma neutra para o clima e descentralizada

p "Com nossa nova tecnologia combinada, CO ₂ pode ser eletroquimicamente convertido em intermediários C1, e estes podem então ser fermentados em compostos de valor agregado, "resume o gerente de projeto Csepei. Com uma maior otimização dos microrganismos aplicados e da etapa de fermentação, também é possível produzir produtos químicos básicos, como ácido láctico, isopreno ou o biopolímero ácido poli-hidroxibutírico - de uma forma completamente neutra em carbono.

p Desde CO ₂ —Assim como a energia renovável — é gerada principalmente de forma descentralizada, o processo combinado é particularmente adequado para a produção de produtos químicos em menor escala. Desta maneira, mesmo a produção descentralizada de quantidades menores pode se tornar economicamente viável com um produto de alta qualidade e valor correspondentemente.