Tintes de la atmósfera CO₂

Suelos secos en Alemania, registros de calor en el Ártico y descongelamiento de los suelos de permafrost en Siberia. Las consecuencias del cambio climático son visibles en todo el mundo. Para reducir la concentración de dióxido de carbono (_CO2) en la atmósfera, numerosos grupos de investigación están investigando cómo se puede utilizar el _CO2 como materia prima para la producción de productos químicos.

"El desarrollo de procesos para la utilización del _CO2 será un componente crucial de una futura economía circular respetuosa con el clima y eficiente en el uso de los recursos", cree el Dr. Arne Roth, que dirige los catalizadores del campo de la innovación en el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB.

De la educación al producto en tres pasos: Adsorción, electroquímica, biotecnología

Los procesos electroquímicos y biotecnológicos combinados proporcionan una nueva forma de utilizar el _CO2 como materia prima para la producción de combustibles y productos químicos. El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB, junto con socios de la ciencia y la industria, ha seguido este enfoque en el proyecto CELBICON, financiado por la UE, y ha demostrado una cadena de procesos ejemplar a escala piloto. La ventaja de este enfoque: "Utilizando las capacidades sintéticas naturales de las bacterias - además de la adsorción de _CO2 y la conversión electroquímica - podemos producir moléculas más complejas y, por lo tanto, productos de valor añadido que hacen que el nuevo proceso sea económico", dice el Dr. Lénárd-István Csepei, que coordinó el proyecto en el Fraunhofer IGB.

Adsorción en el colector de _CO2

Para poder utilizar el _CO2 atmosférico como materia prima, primero debe ser adsorbido del aire. Con este fin, el socio del proyecto Climeworks estableció una planta de demostración en las instalaciones de la sucursal de IGB BioCat en Straubing. En los colectores de _CO2 de la planta, el _CO2 se adsorbe a un material filtrante selectivo que está en contacto directo con el aire soplado a través del sistema por un ventilador. La tecnología de la empresa suiza ya se está utilizando en varias instalaciones industriales piloto. Pero, ¿cómo se puede convertir el _CO2 en un producto comercializable?

La producción de ácido fórmico a partir del _CO2

_{El CO2} puede ser convertido en compuestos simples, como el ácido fórmico, el metanol o el etanol, a través de reacciones electroquímicas en las llamadas células de electrólisis alimentadas por electricidad. Los productos formados son los llamados compuestos C1 o C2, que contienen sólo uno o dos átomos de carbono. "Sin embargo, la conversión electroquímica del _CO2 sólo tiene sentido ecológicamente, si se utilizan energías renovables para este fin", explica Csepei.

Los investigadores de Fraunhofer en la rama de BioCat basada en Straubing han examinado cientos de catalizadores diferentes para asegurar que la conversión electroquímica del _CO2 se lleve a cabo de manera eficiente y que el ácido fórmico se forme en la mayor concentración posible. "Con catalizadores particulares que contienen estaño y un electrolito tampón basado en fosfato para la célula de electrólisis, pudimos lograr los mejores resultados y producir ácido fórmico en mayores concentraciones", explica la experta en electroquímica Dra. Luciana Vieira. "El electrolito no debe ser tóxico ni inhibir las enzimas para que el paso de conversión biotecnológica posterior funcione", dice la científica.

Usar la biotecnología para crear un tinte de valor añadido

Sin embargo, los simples compuestos C1 y C2 difícilmente pueden ser producidos de manera económica a través de este método. La razón: La disponibilidad de las energías renovables en Alemania está sujeta a fuertes fluctuaciones, principalmente debido a las condiciones climáticas locales. Por lo tanto, sólo es posible un funcionamiento de carga parcial de un máximo de 2000-3000 horas por año. "La producción electroquímica sólo será económicamente ventajosa si los productos primarios pueden ser convertidos en productos de mayor valor", explica Csepei.

Así, los compuestos C1, como el metanol o el ácido fórmico, producidos en la segunda etapa del proceso electroquímico sirven como la única fuente de carbono y energía para las bacterias metilotróficas aplicadas en la tercera etapa del proceso, la fermentación microbiana. Los investigadores de Fraunhofer seleccionaron Methylobacterium extorquens para el proceso CELBICON. Este organismo es capaz de formar un complejo colorante rojo a partir del metanol o del ácido fórmico. "El colorante de valor añadido se forma a través del metabolismo microbiano terpénico", explica el Dr. Jonathan Fabarius, que estuvo a cargo del trabajo de fermentación en el IGB. Otras bacterias requieren azúcar rico en energía como sustrato, en lugar del ácido fórmico o metanol utilizado aquí.

La fermentación se estableció como un proceso de alimentación por lotes a escala de 10 litros. "Pudimos demostrar que el 14 por ciento del ácido fórmico utilizado en el proceso de fermentación se convierte en colorante terpenoide", subraya Fabarius. Después de que los investigadores de Straubing pudieran extraer y purificar el colorante, están trabajando actualmente en la clarificación de su estructura química exacta. Fabarius mira hacia adelante: "Nuestro objetivo es seguir optimizando las bacterias aplicadas por medio de la ingeniería metabólica y la ingeniería de enzimas para aumentar el rendimiento del producto y, por tanto, la eficiencia del proceso en su conjunto".

Demostración del proceso

Después de la validación del proceso completo, primero a escala de laboratorio, el Fraunhofer IGB logró construir y construir una unidad automatizada de demostración de electrolizadores. El núcleo de esta unidad es una célula electroquímica con un área de electrodos de 100 cm2. "Podemos utilizar el demostrador para controlar parámetros importantes, como la temperatura y el valor de pH de los electrolitos utilizados en las pruebas de estabilidad a largo plazo. Para ello, la planta está equipada con un sistema automático de adquisición de datos", explica el Dr.-Ing. Carsten Pietzka, que está investigando la electrosíntesis de productos químicos básicos en la sucursal del IGB en Stuttgart. El sistema integrado que consiste en un adsorbedor de _CO2 y una unidad de demostración de electrolizador fue validado en funcionamiento continuo.

El demostrador está diseñado también para la integración de las pilas de electrodos. "Esto nos permite aumentar la tasa de producción de ácido fórmico y utilizar el demostrador para el posterior desarrollo de la célula de electrólisis a escala industrial", dice Pietzka.

Valiosas sustancias químicas finas - producidas de forma climáticamente neutra y descentralizada

"Con nuestra nueva tecnología combinada, el _CO2 puede ser convertido electroquímicamente en intermedios C1, y estos pueden ser fermentados en compuestos de valor añadido", resume el director del proyecto Csepei. Con una mayor optimización de los microorganismos aplicados y el paso de fermentación, también es posible producir productos químicos básicos como el ácido láctico, el isopreno o el biopolímero ácido polihidroxibutírico, de una manera completamente neutra en cuanto al carbono.

Dado que _{el CO2}, al igual que la energía renovable, se genera principalmente de forma descentralizada, el proceso combinado es particularmente adecuado para la producción de productos químicos a menor escala. De esta manera, incluso la producción descentralizada de cantidades más pequeñas puede llegar a ser económicamente viable con un producto de alta calidad y valor correspondiente.