Nowa technologia pozwala na wytwarzanie produktów chemicznych z powietrza
Rozwiązanie zaproponowane w finansowanym przez Unię Europejską projekcie CELBICON polega na wychwytywaniu CO2 z atmosfery i przetwarzaniu go przy pomocy sekwencji procesów elektrochemicznych i biochemicznych w złożone, wartościowe chemikalia. Mają one niezwykle niski lub nawet ujemny ślad węglowy, a energia potrzebna do ich przetworzenia może pochodzić ze zrównoważonych źródeł. Takie rozwiązanie pomoże Unii Europejskiej osiągnąć docelowy poziom redukcji gazów cieplarnianych o 20 % do 2020 roku oraz pomóc w jego dalszej redukcji do 80-95 % do roku 2050 w porównaniu z rokiem 1990. Partnerzy projektu opracowali technologie pozwalające na osiągnięcie niespotykanej dotąd wydajności i efektywności w linii technologicznej wysokiego i niskiego ciśnienia. „Na pierwszej z nich produkuje się biotworzywo z polihydroksyalkanianów (PHA) oraz sprężony metan (CH4) poprzez pośrednie, elektrochemiczne wytwarzanie sprężonego gazu syntezowego, po którym następują określone etapy fermentacji. Druga linia technologiczna była przeznaczona do produkcji wartościowych chemikaliów poprzez fermentację redukujących dwutlenek węgla i rozpuszczalnych w wodzie produktów pośrednich C1 (cząsteczka z jednym atomem węgla)”, mówi koordynatorka projektu Debora Fino. Obie linie technologiczne zostały objęte szeroko zakrojonym programem badawczo-rozwojowym, który pozwolił na rozwinięcie trzech instalacji badawczych do poziomu, na którym mogą zostać wprowadzone na rynek. „Testy objęły bezpośrednie wychwytywanie CO2 z powietrza, energooszczędną metodę kompresji i rozpuszczania CO2 w wodzie w celu uzyskania stężonych roztworów CO2 pod wysokim ciśnieniem, a także biochemiczną produkcję CH4 z CO2 i wodoru”, wyjaśnia Fino.
Innowacyjne podejście
Pierwsza technologia wychwytywania CO2 opracowana przez członków konsorcjum została już całkowicie włączona do procesu wychwytywania i wykorzystania węgla. Podejście to wykorzystuje dwa przyszłościowe procesy elektrochemiczne napędzane energią elektryczną, mające na celu przekształcenie CO2 obecnego w atmosferze w użyteczne substancje chemiczne. Drugi funkcjonalny i zautomatyzowany prototyp sprężania i rozpuszczania CO2 pozwolił na zmniejszenie zapotrzebowania na energię o około 40 % w porównaniu z procesem standardowym (polegającym najpierw na sprężaniu, a następnie rozpuszczaniu gazu przy wysokim ciśnieniu). Proponowana koncepcja zakłada wykorzystanie gęstego strumienia wody w sprężarce, aby jednocześnie schładzać sprężony gaz. Pozwala to na uzyskanie warunków izotermicznych oraz natychmiastowe rozpuszczanie CO2 w wodzie, ponieważ ciśnienie wzrasta ze względu na dużą powierzchnię styku CO2 z kropelkami wody i włóknami. „W efekcie otrzymujemy proces, który zmniejsza ogólne zużycie energii ze względu na warunki izotermiczne i jednoczesną redukcję ilości CO2 w fazie gazowej, która ma zostać sprężona”, mówi Fino.
Większa sprawność, niższe koszty
W trzecim procesie biochemicznym zachodzi z kolei konwersja CO2 do CH4 w obecności wodoru i tlenku węgla generowanego w elektrolizerze w specjalnie zaprojektowanym, zintegrowanym, ciśnieniowym systemie bioreaktora. Bioreaktor jest zaprojektowany i wykonany pod kątem pracy przy ciśnieniu manometrycznym otoczenia wynoszącym 50 barów. Ponadto opracowano nowe strategie badań przesiewowych na potrzeby tworzenia bioprocesów przetwarzania gazu oraz przebadano wiele szczepów bakterii metanogenicznych pod kątem ich zdolności do konwersji CO2 w CH4. Praca pod wysokim ciśnieniem w połączeniu z obecnością bakterii umożliwiła przełamanie barier kinetycznych i osiągnięcie niespotykanego dotąd poziomu sprawności konwersji CO2 do CH4. Projekt CELBICON przyczyni się zatem do powstania całkowicie nowatorskich procesów wykorzystujących reaktory elektrochemiczne i bioreaktory, które łączą w jednej jednostce procesowej więcej funkcji w celu osiągnięcia większej wydajności konwersji przy niższych kosztach inwestycyjnych i operacyjnych. „Wykorzystanie CO2 w biologicznych procesach przetwarzania gazu jest innowacyjną dziedziną, która oferuje znaczne korzyści dotyczące środowiska, gospodarki i społeczeństwa”, podsumowuje Fino.
Słowa kluczowe
CELBICON, CO2, CH4, elektrochemiczny, biochemiczny, bioreaktor, bakterie, polihydroksyalkaniany, metan, metanogeniczny