Die Entwicklung von Verfahren zur Verwertung des Treibhausgases CO2 wird ein entscheidender Baustein einer zukünftigen klima- und ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft sein. Im Ende des Jahres 2019 abgeschlossenen EU-Projekt »CELBICON« hat das Fraunhofer IGB gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie eine mögliche Prozesskette entwickelt und validiert.
Dieses Ziel wird im Projekt Celbicon durch die Kombination aus Absorption von CO2 aus der Luft, elektrochemischer CO2-Umsetzung zu C1-Intermediaten und einer abschließenden Fermentation der Intermediate zu höherwertigen Chemikalien erreicht. Vor Beginn des CELBICON-Projekts haben die Teilsysteme als Einzelkomponenten verschiedene Technologiereifegrade erreicht. Während des Projektes wurden die Technologien weiterentwickelt und in eine dezentralisierte, kosteneffiziente und robuste Technologieplattform integriert (Technologiereifegrad 5).
Um den steigenden CO2-Emissionen und dem Klimawandel entgegenzuwirken [1], ist die Entwicklung neuartiger Verfahren zur Nutzung des Treibhausgases CO2 als Kohlenstoffquelle eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Dabei erlaubt die Integration erneuerbarer Energien in den Betrieb strategisch wichtiger CO2-neutraler Prozesse die Herstellung regenerativer Plattformchemikalien. Da regenerative Energie und CO2 zumeist dezentral erzeugt werden, ist die Entwicklung dezentral zu betreibender Herstellungsprozesse für Chemikalien von besonderem Interesse.
Das EU-Projekt »Kostengünstige CO2-Konversion in Chemikalien durch Kombination von Abscheidungs-, elektrochemischen und biochemischen Konversionstechnologien – CELBICON« zielt auf die Entwicklung neuer CO2-to-Chemicals-Technologien, bei denen die Teilprozesse CO2-Abscheidung (Capture), elektrochemische CO2-Konversion in Zwischenprodukte und Fermentation dieser Zwischenprodukte zu Chemikalien höherer Wertschöpfung miteinander verknüpft werden. Zu Beginn des Projekts existierte jedes Teilsystem als eigenständige Technologie mit einem bestimmten technologischen Reifegrad. Im Rahmen des Projekts CELBICON werden diese Technologien weiterentwickelt und in eine auf Technologiereifegrad 5 (engl. technology readiness level 5, kurz TRL5) betriebene Technologieplattform integriert. Hauptkriterien für die Entwicklungen sind: (a) modulares und dezentrales System, (b) hohe Material- und Energieeffizienz, (c) niedrige Investitions- und Betriebskosten und (d) hohe Robustheit für Prozessvariabilität.
Die angestrebte Prozesskette konnte zunächst im Labormaßstab erfolgreich demonstriert werden.
Der erste Schritt in der Prozesskette ist die CO2-Adsorption aus der Luft. Diese gelang mittels einer vom Projektpartner Climeworks (Schweiz) entwickelten Pilotanlage.
Das so gewonnene CO2 wird anschließend elektrochemisch zu einem wasserlöslichen C1-Zwischenprodukt, der Ameisensäure, umgesetzt. Das Fraunhofer IGB entwickelte für diesen Schritt sowohl zinnhaltige Katalysatoren als auch einen phosphatbasierten Pufferelektrolyten. Da an der Anode reaktive Hydroxylradikale entstehen, kann der Anodenstrom parallel für die oxidative Abwasserbehandlung eingesetzt und damit aufgewertet werden.
Die C1-Zwischenprodukte werden in einem integrierten Fermentationsprozess in höherwertige Chemikalien wie Milchsäure, Isopren und langkettige Terpene umgewandelt. Zur Verbesserung der Prozessleistung werden die eingesetzten Mikroorganismen durch maßgeschneidertes Metabolic Engineering im Hinblick auf eine effizientere Produktbildung optimiert.
Im letzten Projektjahr wurden die Module der CELBICON-Anlage gebaut und in eine automatisierte Demonstrationsanlage integriert, in der die Umsetzung des aus der Luft gewonnenen CO2 zu Ameisensäure in einer elektrochemischen Zelle der Partner Gaskatel (Deutschland) und Hysytech (Italien) unter relevanten operationellen Bedingungen getestet wurde. Nach Inbetriebnahme der Demonstratoranlage erfolgt abschließend die Prozessvalidierung und -optimierung.
Im Projektverlauf konnte demonstriert werden, dass elektrochemisch aus CO2 hergestellte Ameisensäure mikrobiell zu einem Produkt aus dem Terpenoid-Stoffwechsel umgesetzt werden kann. Hier gelang die Entwicklung eines Fed-Batch-Prozesses im 10-Liter-Maßstab, der zusammen mit einer Prozessoptimierung gute Biomasseausbeuten ergibt. Die Produktaufreinigung wurde erfolgreich etabliert und es wurde gezeigt, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 Prozent in einen wertschöpfenden terpenoiden Farbstoff überführt werden kann.
[1] UNEP. (2017) The emissions gap report 2017. United Nations Environment Programme (UNEP), Nairobi.
CELBICON – Kosteneffiziente Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Chemikalien
– Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture and ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies
März 2016 – November 2019
Die Forschungsarbeiten, die zu Ergebnissen in diesem Projekt führen, werden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 679050 im Zuge des Rahmenprogramms für Forschung und Innovation Horizont 2020 der Europäischen Union gefördert.
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB