Sols secs en Allemagne, records de chaleur dans l'Arctique et le dégel des sols de pergélisol en Sibérie. Les conséquences du changement climatique sont visibles partout dans le monde. Pour réduire la concentration de dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l'atmosphère, de nombreux groupes de recherche étudient comment le CO 2 peut être utilisé comme matière première pour la production de produits chimiques.

"Développer des processus pour l'utilisation du CO 2 sera un élément crucial d'une future économie circulaire respectueuse du climat et économe en ressources, " croit le Dr Arne Roth, qui dirige les catalyseurs du domaine de l'innovation à l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB.

De l'éduit au produit en trois étapes :Adsorption, électrochimie, biotechnologie

Des procédés électrochimiques-biotechnologiques combinés offrent une nouvelle façon d'utiliser le CO 2 comme matière première pour la production de carburants et de produits chimiques. L'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB, avec des partenaires scientifiques et industriels, a poursuivi cette approche dans le projet financé par l'UE CELBICON et a démontré une chaîne de processus exemplaire à l'échelle pilote. L'avantage de cette approche :« En utilisant les capacités synthétiques naturelles des bactéries, en plus du CO 2 adsorption et conversion électrochimique - nous pouvons produire des molécules plus complexes et, Donc, des produits à valeur ajoutée qui rendent le nouveau procédé économique, " dit le Dr Lénárd-István Csepei, qui a coordonné le projet chez Fraunhofer IGB.

Adsorption en CO 2 collectionneur

Pour utiliser le CO atmosphérique 2 comme matière première, il doit d'abord être adsorbé de l'air. Dans ce but, le partenaire du projet Climeworks a installé une usine de démonstration dans les locaux de la succursale IGB BioCat à Straubing. Dans le CO 2 collectionneurs de la plante, CO 2 est adsorbé sur un matériau filtrant sélectif qui est en contact direct avec l'air soufflé dans le système par un ventilateur. La technologie de l'entreprise suisse est déjà utilisée dans diverses installations pilotes industrielles. Mais comment le CO 2 être converti en un produit commercialisable?

Production d'acide formique à partir de CO 2

CO 2 peuvent être convertis en composés simples, comme l'acide formique, méthanol ou éthanol, via des réactions électrochimiques dans des cellules dites d'électrolyse alimentées en électricité. Les produits formés sont des composés dits C1 ou C2, qui ne contiennent qu'un ou deux atomes de carbone. "Toutefois, la conversion électrochimique du CO 2 n'a de sens qu'écologiquement, si des énergies renouvelables sont utilisées à cette fin, " explique Csepei.

Les chercheurs de Fraunhofer de la branche BioCat de Straubing ont passé au crible des centaines de catalyseurs différents pour s'assurer que la conversion électrochimique du CO 2 est effectuée efficacement et que l'acide formique est formé à la concentration la plus élevée possible. "Avec des catalyseurs particuliers contenant de l'étain et un électrolyte tampon à base de phosphate pour la cellule d'électrolyse, nous avons pu obtenir les meilleurs résultats et produire de l'acide formique à des concentrations plus élevées, " explique l'expert en électrochimie Dr. Luciana Vieira. " L'électrolyte ne doit ni être toxique ni inhiber les enzymes pour que l'étape de conversion biotechnologique suivante fonctionne, ", dit le scientifique.

Utiliser la biotechnologie pour créer un colorant à valeur ajoutée

Cependant, les simples composés C1 et C2 peuvent difficilement être produits de manière économique par cette méthode. La raison :La disponibilité des énergies renouvelables en Allemagne est soumise à de fortes fluctuations, principalement dues aux conditions climatiques locales. Par conséquent, seul un fonctionnement à charge partielle de 2000 à 3000 heures maximum par an est possible. « La production électrochimique ne deviendra économiquement avantageuse que si les produits primaires peuvent être davantage convertis en produits de plus grande valeur, " explique Csepei.

Ainsi, les composés C1, comme le méthanol ou l'acide formique, produit dans la seconde, l'étape de procédé électrochimique sert de source unique de carbone et d'énergie pour les bactéries méthylotrophes appliquées dans la troisième étape de procédé, la fermentation microbienne. Les chercheurs de Fraunhofer ont sélectionné Methylobacterium extorquens pour le procédé CELBICON. Cet organisme est capable de former un colorant rouge complexe à partir de méthanol ou d'acide formique. "Le colorant à valeur ajoutée est formé via le métabolisme microbien des terpènes, " explique le Dr Jonathan Fabarius, qui était en charge des travaux de fermentation à l'IGB. D'autres bactéries ont besoin de sucre riche en énergie comme substrat, au lieu de l'acide formique ou du méthanol utilisés ici.

La fermentation a été établie comme un processus fed-batch sur une échelle de 10 litres. "Nous avons pu démontrer que 14% de l'acide formique utilisé dans le processus de fermentation est converti en colorant terpénoïde, " souligne Fabarius. Après que les chercheurs de Straubing aient pu extraire et purifier le colorant, ils travaillent actuellement à clarifier sa structure chimique exacte. Fabarius regarde vers l'avenir :« Notre objectif est d'optimiser davantage les bactéries appliquées au moyen de l'ingénierie métabolique et de l'ingénierie enzymatique pour augmenter le rendement du produit et donc l'efficacité du processus global ».

Démonstration de processus

Après validation du procédé complet d'abord à l'échelle du laboratoire, Fraunhofer IGB a réussi à construire et à construire une unité de démonstration d'électrolyseur automatisé.

Le cœur de cette unité est une cellule électrochimique avec une surface d'électrode de 100 cm ² . "On peut utiliser le démonstrateur pour contrôler des paramètres importants, telles que la température et le pH des électrolytes utilisés dans les tests de stabilité à long terme. Dans ce but, l'usine est équipée d'un système d'acquisition automatique de données, " explique le Dr.-Ing. Carsten Pietzka, qui fait des recherches sur l'électrosynthèse de produits chimiques de base à la succursale IGB de Stuttgart. Le système intégré composé de CO 2 l'unité de démonstration de l'adsorbeur et de l'électrolyseur a été validée en fonctionnement continu.

Le démonstrateur est conçu également pour l'intégration d'empilements d'électrodes. « Cela nous permet d'augmenter la cadence de production d'acide formique et d'utiliser le démonstrateur pour la poursuite du développement de la cellule d'électrolyse à l'échelle industrielle, " dit Pietzka.

Produits chimiques fins précieux – produits de manière climatiquement neutre et décentralisée

"Avec notre nouvelle technologie combinée, CO 2 peuvent être convertis électrochimiquement en intermédiaires C1, et ceux-ci peuvent ensuite être fermentés en composés à valeur ajoutée, " résume le chef de projet Csepei. Avec une optimisation supplémentaire des micro-organismes appliqués et de l'étape de fermentation, il est également possible de produire des produits chimiques de base tels que l'acide lactique, l'isoprène ou le biopolymère acide polyhydroxybutyrique - de manière totalement neutre en carbone.

Depuis CO 2 —tout comme les énergies renouvelables—est principalement générée de manière décentralisée, le procédé combiné est particulièrement adapté à la production de produits chimiques à plus petite échelle. De cette façon, même la production décentralisée de plus petites quantités peut devenir économiquement viable avec un produit d'une qualité et d'une valeur correspondantes.