Klimaneutrale Chemikalienproduktion Farbe aus der Luft gewinnen

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Biover- fahrenstechnik (IGB)

Wertvolle Chemikalien sozusagen aus der Luft entstehen lassen – das ist die Idee von Fraunhofer-Forschern. Sie kombinieren elektrochemische und biotechnologische Ansätze, um aus der Luft gesammeltes CO₂ in höherwertige Produkte zu verwandeln, etwa in Farbstoffe. Der Prozess soll klimaneutral sein und hat erste Tests in einer Demonstrationsanlage bereits bestanden.

Stuttgart – Trockene Böden in Deutschland, Hitzerekorde in der Arktis und tauende Permafrostböden in Sibirien. Die Folgen des Klimawandels sind weltweit spürbar. Um die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO₂) in der Atmosphäre zu reduzieren, untersuchen zahlreiche Forschergruppen, wie sich das Treibhausgas CO₂ als Rohstoff für Chemikalien nutzen lässt.

„Die Entwicklung von Verfahren zur Verwertung von CO₂ wird ein entscheidender Baustein einer zukünftigen klima- und ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft sein“, ist sich Dr. Arne Roth sicher, der das Innovationsfeld Katalysatoren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB leitet. Mit Partnern aus der Industrie hat das Team des IGB ein Verfahren entwickelt, um aus atmosphärischem Kohlenstoff Basischemikalien zu gewinnen. Die drei Hauptschritte dabei sind Adsorption des CO₂ aus der Luft, Umwandlung mittels Elektrochemie und Feinschliff per Biotechnologie

CO₂ aus der Luft sammeln

Um atmosphärisches CO₂ verwerten zu können, muss es in einem ersten Schritt aus der Luft adsorbiert werden. Hierzu installierte der Projektpartner Climeworks eine Demonstrationsanlage. Kern der Anlage sind CO₂-Kollektoren, die über ein Gebläse Luft einsaugen. Im Inneren des Kollektors befindet sich ein selektives Filtermaterial, an welches CO₂ gebunden wird. Die Technologie des Schweizer Unternehmens wird an verschiedenen Pilotstandorten bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Doch wie wird aus dem gesammelten CO₂ ein marktreifes Produkt?

Elektrochemische Konversion mit Ökostrom

In Elektrolysezellen lässt sich CO₂ über elektrochemische Reaktionen zu einfachen Verbindungen, beispielsweise Ameisensäure, Methanol oder auch Ethanol umsetzen. Diese sind so genannte C₁- bzw. C₂-Verbindungen, die lediglich ein oder zwei Kohlenstoffatome enthalten. „Allerdings ist die elektrochemische Umwandlung von CO₂ erst dann ökologisch sinnvoll, wenn hierfür Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird“, erklärt Csepei.

Damit die elektrochemische Konversion von CO₂ effizient abläuft und die Ameisensäure in möglichst hoher Konzentration gebildet wird, nahmen die Fraunhofer-Forscher ein Screening hunderter verschiedener Katalysatoren vor. „Mit speziellen zinnhaltigen Katalysatoren und einem phosphatbasierten Pufferelektrolyten für die Elektrolysezelle konnten wir die besten Ergebnisse erzielen und Ameisensäure in höherer Konzentration herstellen“, sagt die Elektrochemie-Expertin Dr. Luciana Vieira vom IGB. „Denn der Elektrolyt darf weder toxisch sein noch Enzyme hemmen, damit der darauffolgende biotechnologische Umwandlungsschritt funktioniert.“

Nachhaltige Grundchemikalien

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Dank Mikroben zum Farbstoff

Die einfachen C₁- und C₂-Verbindungen lassen sich auf diese Weise allerdings kaum wirtschaftlich herstellen. Der Grund: Regenerative Energien sind in Deutschland– vor allem klimatisch bedingt – nicht immer konstant verfügbar. Deswegen ist lediglich einen Teillastbetrieb von höchstens 2000 bis 3000 Stunden pro Jahr möglich.

So dienen die im zweiten, elektrochemischen Prozessschritt hergestellten C₁-Verbindungen wie Methanol oder Ameisensäure im dritten Schritt methylotrophen Bakterien als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle. Für den Prozess wählten die Fraunhofer-Forscher das Bakterium Methylobacterium extorquens aus. Dieser Organismus ist in der Lage, aus den einfachen C₁-Verbindungen einen komplexen roten Farbstoff zu bilden (s. Abbildung oben). Andere Bakterien benötigen hier energiereichere Zuckermoleküle anstatt Ameisensäure oder Methanol.

Demonstrationsanlage läuft

Nachdem die einzelnen Prozessschritte zunächst im Labormaßstab in einer durchgängigen Prozesskette integriert wurden, gelang zum Abschluss des Projekts der Aufbau einer automatisierten Elektrolyseur-Demonstrationsanlage, deren Kern eine elektrochemische Zelle mit 100 cm² Elektrodenfläche darstellt. „Mit der Demonstratoranlage können wir wichtige Parameter wie Temperatur und pH-Wert der verwendeten Elektrolyte in Dauerversuchen regeln. Dazu ist die Anlage mit einer automatischen Datenaufnahme versehen“, sagt Carsten Pietzka, der am IGB-Standort Stuttgart an der Elektrosynthese von Basischemikalien forscht. Mit dem Demonstrator konnte das integrierte System aus CO₂-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert werden.

Zudem ist der Demonstrator so ausgelegt, dass sich auch so genannte Stacks, das heißt Elektrodenstapel, integrieren lassen. „Dadurch können wir die Produktionsrate von Ameisensäure erhöhen und den Demonstrator für die weitere Entwicklung der Elektrolysezelle hin zu einem industriellen Maßstab nutzen“, sagt Pietzka.

Hochwertige Chemikalien klimaneutral herstellen

Mit dem neuentwickelten Verfahren können die Forscher also CO₂ elektrochemisch in C₁-Zwischenprodukte umwandeln und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen weiterverarbeiten. So sollen sich Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure durch Anpassungen des Prozesses herstellen lassen – und zwar komplett klimaneutral.

Da CO₂ – genau wie erneuerbare Energie – vor allem dezentral anfällt, ist das kombinierte Verfahren besonders für die Herstellung von Chemikalien im kleineren Maßstab geeignet. Wenn das Produkt aber entsprechend hochwertig ist, kann auch die dezentrale Produktion kleinerer Mengen wirtschaftlich werden.

Weitere Informationen: Zum Projekt Celbicon

* J. Müller, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), 70569 Stuttgart

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