{"id":78189,"date":"2020-09-03T06:53:04","date_gmt":"2020-09-03T04:53:04","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.chemie.de%2Fnews%2F1167653%2Ffarbstoffe-aus-atmosphaerischem-co.html%3FWT.mc_id%3Dca0065"},"modified":"2021-09-09T21:16:24","modified_gmt":"2021-09-09T19:16:24","slug":"farbstoffe-aus-atmosphaerischem-co2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/farbstoffe-aus-atmosphaerischem-co2\/","title":{"rendered":"Farbstoffe aus atmosph\u00e4rischem CO2<\/sub>"},"content":{"rendered":"

Die Zeit beim Klimaschutz dr\u00e4ngt. Einen L\u00f6sungsansatz bietet die Nutzbarmachung des Treibhausgases CO2<\/sub> als Rohstoff f\u00fcr Chemikalien. Hierf\u00fcr hat das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in dem von der EU gef\u00f6rderten Projekt CELBICON einen neuen Weg verfolgt. Durch eine Kombination von elektrochemischer und biotechnologischer Umwandlung gelang es den Forschern, aus dem aus Luft adsorbierten Treibhausgas einen wertsch\u00f6pfenden terpenoiden Farbstoff herzustellen.<\/strong><\/p>\n

\"\u00a9
\u00a9 Fraunhofer IGB
Der im CELBICON-Projekt am Fraunhofer IGB entwickelte Elektrolyseur synthetisiert Ameisens\u00e4ure aus atmosph\u00e4rischem CO2<\/sub>.<\/figcaption><\/figure>\n

Trockene B\u00f6den in Deutschland, Hitzerekorde in der Arktis und tauende Permafrostb\u00f6den in Sibirien. Die Folgen des Klimawandels sind weltweit sp\u00fcrbar. Um die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) in der Atmosph\u00e4re zu reduzieren, untersuchen zahlreiche Forschergruppen, wie sich das Treibhausgas CO2<\/sub> als Rohstoff f\u00fcr Chemikalien nutzen l\u00e4sst.<\/p>\n

\u00bbDie Entwicklung von Verfahren zur Verwertung von CO2<\/sub> wird ein entscheidender Baustein einer zuk\u00fcnftigen klima- und ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft sein\u00ab, ist sich Dr. Arne Roth sicher, der das Innovationsfeld Katalysatoren am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB leitet.<\/p>\n

In drei Stufen zum Produkt: Adsorption, Elektrochemie, Biotechnologie<\/h3>\n

Die Entwicklung kombinierter elektrochemisch-biotechnologischer Verfahren stellt einen neuen Weg dar, um CO2<\/sub> als Rohstoff f\u00fcr Kraftstoffe und Chemikalien nutzbar zu machen. Diesen hat das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in dem von der EU gef\u00f6rderten Projekt CELBICON verfolgt und eine beispielhafte Prozesskette im Pilotma\u00dfstab demonstriert. Der Vorteil dieses Ansatzes: \u00bbIndem wir \u2013 neben CO2<\/sub>-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung \u2013 auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, k\u00f6nnen wir komplexere Molek\u00fcle herstellen und damit wertsch\u00f6pfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen\u00ab, so Dr. L\u00e9n\u00e1rd-Istv\u00e1n Csepei, der das Projekt am Fraunhofer IGB koordiniert hat.<\/p>\n

Adsorption in CO2<\/sub>-Kollektor<\/h3>\n

Um atmosph\u00e4risches CO2<\/sub> verwerten zu k\u00f6nnen, muss es in einem ersten Schritt aus der Luft adsorbiert werden. Hierzu installierte der Projektpartner Climeworks auf dem Gel\u00e4nde des IGB-Institutsteils BioCat in Straubing eine Demonstrationsanlage. Kern der Anlage sind CO2<\/sub>-Kollektoren. In diese wird \u00fcber ein Gebl\u00e4se Luft eingesaugt. Im Inneren des Kollektors befindet sich ein selektives Filtermaterial, an welches CO2<\/sub> gebunden wird. Die Technologie des Schweizer Unternehmens wird an verschiedenen Pilotstandorten bereits im industriellen Ma\u00dfstab eingesetzt. Doch wie wird aus CO2<\/sub> ein marktreifes Produkt?<\/p>\n

Herstellung von Ameisens\u00e4ure aus CO2<\/sub><\/h3>\n

In sogenannten Elektrolysezellen, die mit Strom betrieben werden, l\u00e4sst sich CO2<\/sub> \u00fcber elektrochemische Reaktionen zu einfachen Verbindungen, beispielsweise Ameisens\u00e4ure, Methanol oder auch Ethanol umsetzen. Diese sind sogenannte C1<\/sub>– bzw. C2<\/sub>-Verbindungen, die lediglich ein oder zwei Kohlenstoffatome enthalten. \u00bbAllerdings ist die elektrochemische Umwandlung von CO2<\/sub> erst dann \u00f6kologisch sinnvoll, wenn hierf\u00fcr erneuerbare Energien genutzt werden\u00ab, erkl\u00e4rt Csepei.<\/p>\n

Damit die elektrochemische Konversion von CO2<\/sub> effizient abl\u00e4uft und die Ameisens\u00e4ure in m\u00f6glichst hoher Konzentration gebildet wird, nahmen die Fraunhofer-Forscher am Straubinger Institutsteil BioCat ein Screening hunderter verschiedener Katalysatoren vor. \u00bbMit speziellen zinnhaltigen Katalysatoren und einem phosphatbasierten Pufferelektrolyten f\u00fcr die Elektrolysezelle konnten wir die besten Ergebnisse erzielen und Ameisens\u00e4ure in h\u00f6herer Konzentration herstellen\u00ab, erl\u00e4utert Elektrochemie-Expertin Dr. Luciana Vieira. \u00bbDenn der Elektrolyt darf weder toxisch sein noch Enzyme hemmen, damit der darauffolgende biotechnologische Umwandlungsschritt funktioniert\u00ab, so die Wissenschaftlerin.<\/p>\n

Mit Biotechnologie zu wertsch\u00f6pfendem Farbstoff<\/h3>\n
\"\u00a9
\u00a9 Fraunhofer IGB
In der auf die Elektrolyse folgenden Fermentation wird Ameisens\u00e4ure zu einem wertsch\u00f6pfenden terpenoiden Farbstoff umgesetzt.<\/figcaption><\/figure>\n

Die einfachen C1<\/sub>– und C2<\/sub>-Verbindungen lassen sich auf diese Weise allerdings kaum wirtschaftlich herstellen. Der Grund: Die Verf\u00fcgbarkeit von regenerativen Energien in Deutschland unterliegt \u2013 vor allem klimatisch bedingt \u2013 starken Schwankungen. Deswegen ist lediglich einen Teillastbetrieb von h\u00f6chstens 2000-3000 Stunden pro Jahr m\u00f6glich. \u00bbWirtschaftlich wird die elektrochemische Produktion erst dann, wenn es gelingt, die Verbindungen weiter in h\u00f6herwertige Produkte umzusetzen\u00ab, erkl\u00e4rt Csepei.<\/p>\n

So dienen die im zweiten, elektrochemischen Prozessschritt hergestellten C1<\/sub>-Verbindungen wie Methanol oder Ameisens\u00e4ure im dritten Schritt methylotrophen Bakterien als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle. F\u00fcr den CELBICON-Prozess w\u00e4hlten die Fraunhofer-Forscher das Bakterium Methylobacterium extorquens aus. Dieser Organismus ist in der Lage, aus den einfachen C1<\/sub>-Verbindungen einen komplexen roten Farbstoff zu bilden. \u00bbDer wertsch\u00f6pfende Farbstoff wird \u00fcber den mikrobiellen Terpenstoffwechsel gebildet\u00ab, erkl\u00e4rt Dr. Jonathan Fabarius, der die Arbeiten zur Fermentation am IGB leitete. Andere Bakterien ben\u00f6tigen hier energiereichere Zuckermolek\u00fcle anstatt Ameisens\u00e4ure oder Methanol.<\/p>\n

Die Fermentation wurde als Fed-Batch-Prozess im 10-Liter-Ma\u00dfstab etabliert. \u00bbWir konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisens\u00e4ure zu 14 Prozent in den terpenoiden Farbstoff \u00fcberf\u00fchrt wird\u00ab, verdeutlicht Fabarius. Nachdem die Straubinger Forscher den Farbstoff extrahieren und aufreinigen konnten, sind sie derzeit dabei, seine genaue Struktur aufzukl\u00e4ren. Fabarius blickt nach vorn: \u00bbUnser Ziel ist es, die f\u00fcr die Produktbildung ben\u00f6tigten Stoffwechselwege und Enzyme mittels Metabolic Engineering und Enzym-Engineering weiter zu optimieren, um so die Produktausbeute und damit auch die Effizienz des Gesamtprozesses zu erh\u00f6hen\u00ab.<\/p>\n

Evaluierung in Demonstrationsanlage<\/h3>\n

Nachdem die einzelnen Prozessschritte zun\u00e4chst im Laborma\u00dfstab in einer durchg\u00e4ngigen Prozesskette integriert wurden, gelang zum Abschluss des Projekts der Aufbau einer automatisierten Elektrolyseur-Demonstrationsanlage, deren Kern eine elektrochemische Zelle mit 100 cm2<\/sup> Elektrodenfl\u00e4che darstellt. \u00bbMit der Demonstratoranlage k\u00f6nnen wir wichtige Parameter wie Temperatur und pH-Wert der verwendeten Elektrolyte in Dauerversuchen regeln. Dazu ist die Anlage mit einer automatischen Datenaufnahme versehen\u00ab, erkl\u00e4rt Dr.-Ing. Carsten Pietzka, der am IGB-Standort Stuttgart an der Elektrosynthese von Basischemikalien forscht. Mit dem Demonstrator konnte das integrierte System aus CO2<\/sub>-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert werden.<\/p>\n

Zudem ist der Demonstrator so ausgelegt, dass auch sogenannte Stacks, das hei\u00dft Elektrodenstapel, integriert werden k\u00f6nnen. \u00bbDadurch k\u00f6nnen wir die Produktionsrate von Ameisens\u00e4ure erh\u00f6hen und den Demonstrator f\u00fcr die weitere Entwicklung der Elektrolysezelle hin zu einem industriellen Ma\u00dfstab nutzen\u00ab, sagt Pietzka.<\/p>\n

Hochpreisige Chemikalien \u2013 klimaneutral und dezentral erzeugt<\/h3>\n

\u00bbMit unserer neuen Technologie l\u00e4sst sich CO2<\/sub> elektrochemisch in C1<\/sub>-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertsch\u00f6pfenden Verbindungen umwandeln\u00ab, fasst Projektleiter Csepei zusammen. Mit einer weiteren Optimierung der Organismen und des Fermentationsschritts ist es zudem m\u00f6glich, auch Basischemikalien wie Milchs\u00e4ure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybutters\u00e4ure herzustellen \u2013 und zwar komplett klimaneutral.<\/p>\n

Da CO2<\/sub> \u2013 genau wie erneuerbare Energie \u2013 vor allem dezentral anf\u00e4llt, ist das kombinierte Verfahren besonders f\u00fcr die Herstellung von Chemikalien im kleineren Ma\u00dfstab geeignet. So kann mit einem entsprechend hochwertigen Produkt auch die dezentrale Produktion kleinerer Mengen wirtschaftlich werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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