NETL-Team wandelt CO2 in Acetat um: Projekt kann Treibhausgase reduzieren und gleichzeitig nützliche kommerzielle Rohstoffe liefern

Jul 07, 2023

27. August – PITTSBURGH – Da weltweit weiterhin Sorgen um Treibhausgase und globale Erwärmung bestehen, hat ein dreiköpfiges Forscherteam am National Energy Technology Laboratory eine Möglichkeit gefunden, Kohlendioxid in ein nützliches kommerzielles Produkt – Acetat – umzuwandeln, und arbeitet daran um ihre Entdeckung kommerziell auszuweiten.

Djuna Gulliver, leitende Bundesermittlerin; Sam Flett, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Oak Ridge Institute for Science and Education; und der Forschungsingenieur Dan Ross vom Lidos Research Support Team von NETL erläuterten ihre Arbeit und führten sie durch ihr Labor in Pittsburgh.

Acetat ist eine halbsynthetische Flüssigkeit mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten: Es kann zu Fasern für Stoffe gesponnen oder zu Formen für Brillengestelle oder Schmuck geformt oder für Reinigungsmittel oder beispielsweise Nagellackentferner (Aceton) verwendet werden.

Ihre Entdeckung, CO2-Gas in flüssiges Acetat umzuwandeln, sei ein glücklicher Zufall gewesen, sagten die drei Wissenschaftler. Dabei kommen Mikroorganismen zum Einsatz, die als Biokatalysatoren fungieren.

Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst eine dauerhafte chemische Veränderung zu erfahren. Ein Biokatalysator ist eine natürliche Substanz, die Enzyme aus biologischen Quellen nutzt, um den gleichen Zweck für biochemische Reaktionen zu erfüllen. NETL hat ein Patent für die Technologie angemeldet.

Ross hatte an einem anderen Projekt zur Umwandlung von Kohle in Methan mithilfe der Mikrobiologie gearbeitet und hatte Zugang zu Methanbrunnen im Kohleflöz. Die Idee, CO2 mithilfe von Strom in Mehrwertprodukte umzuwandeln, ist nichts Neues. Daher beschlossen sie, diese Methanproben im Labor anzureichern und in Acetat umzuwandeln.

„Wir gingen davon aus, dass es eine gute Quelle für diese Mikroorganismen sein würde, und wir verfügten über eine einzigartige Fähigkeit, diese Proben zu erhalten, da wir viel in diesen Systemen arbeiten“, sagte Gulliver.

Natürlich ist nicht jedes kleine Tier dafür geeignet. Sie begannen mit einer äußerst vielfältigen Gemeinschaft und bereicherten sie durch eine Reihe von Experimenten zu einer Gemeinschaft mit der höchsten Häufigkeit von vier bis fünf Mikroorganismen, die die Umwandlung von Kohlendioxid in Acetat katalysierten.

Und sie müssten nicht ständig zum Brunnen zurückkehren, um weitere Organismen zu ernten, sagten sie. Sie vermehren sich ausgehend von der Originalprobe weiter – ein Laie könnte es grob mit Sauerteig vergleichen.

Die nächste Phase ihres Projekts bestehe darin, herauszufinden, wie sie mehr produzieren können. Derzeit können sie in Reagenzgläsern etwa 8 Gramm pro Liter Lösung produzieren – ein Gramm entspricht etwa 0,28 Unzen oder 1,9 Teelöffeln. Sie wollen den Titer – der Titer ist ein Maß für die Konzentration – auf 40 Gramm pro Liter erhöhen und von der Produktion in Litern auf Gallonen umsteigen. „Unser Ziel ist es immer, diese Konzentration zu steigern.“

„Ich denke, die Vergrößerung wird im Hinblick auf die Materialkosten ein größeres Problem sein, um sicherzustellen, dass wir die Logistik dafür haben“, sagte Gulliver. Theoretisch sollten sie in der Lage sein, die Mikroorganismen zu einer Biomasse zu züchten, die groß genug ist, um erhebliche Umwandlungsmengen zu ermöglichen.

Sie sagten, sie hätten bereits 2017/18 mit der Arbeit an diesem Projekt begonnen, aber COVID habe sie unterbrochen, sodass sie Ende 2020 und bis ins Jahr 2021 hinein mit der Ausweitung des Testprozesses begonnen hätten, sagte Ross. „In den letzten Jahren haben wir optimiert, und jetzt, wo wir es etwas eingegrenzt haben, wollen wir mehr auf der Bioreaktorseite arbeiten – also so konstruieren, dass es unsere Produkte maximiert.“

Ein Bioreaktor ist keine monströse Maschine, die Dinge mit allen möglichen Geräuschen und beängstigenden Effekten produziert. Ihre Bioreaktoren sind 1-Liter-Röhrchen. Sie geben die Vermehrungsflüssigkeit mit der Kultur in das Röhrchen, begasen es mit CO2 und lassen es arbeiten, um das Acetat zu produzieren.

Wenn sie jetzt den gewünschten Titer erreichen, müssen sie anhalten und das Material entfernen. Dies wird als Batch-Reaktor bezeichnet.

Deshalb arbeiten sie an der Entwicklung eines Durchflussreaktors, bei dem ein Flüssigkeitsstrom einströmt und auf den Biokatalysator trifft und bei dessen Arbeit Acetat aus einem anderen Auslass austritt. Dies bedeutet, dass sie die Verweilzeit – die Verweildauer im Reaktor – erhöhen, die Konzentration verdoppeln oder verdreifachen und ständig Produkt herausziehen könnten, anstatt den Prozess ständig zu stoppen.

Woher bekommen sie das CO2, wenn sie größer werden? Nicht direkt, sagte Gulliver, sondern wahrscheinlich aus den Abgasen einer Industrieanlage.

Wenn sie expandieren und einen kommerziellen Partner finden, könne man erkunden, was der Markt mit dem Acetat machen könnte, sagten sie. Verkaufen Sie es vielleicht als reines Acetat, vielleicht als Zusatzstoff für etwas wie Biokraftstoffe. „Wir glauben, dass dies ein gutes Ziel für das erste Produkt sein könnte, das dann später umgewandelt wird“, sagte Ross.

Aber bis dahin seien noch einige Jahre, sagten sie.

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