Przeprogramowane bakterie przekształcają CO2 w cenne produkty
Stale rosnące obawy związane z ekologią oraz nawoływanie do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych przekładają się na wzrost skupienia badaczy na wykorzystaniu CO2 jako surowca. Celem jest stworzenie przyjaznych dla środowiska środków chemicznych oraz materiałów dzięki wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii i mikrobiologicznych biokatalizatorów. „Zintegrowane podejście polegające na wychwytywaniu CO2 i przetwarzaniu go w cenne produkty ma wpływ na najważniejsze gałęzie przemysłu – pozwala bowiem na zastąpienie części produktów i materiałów, tradycyjnie opartych na paliwach kopalnych, zrównoważonymi alternatywami”, zauważa Nicolò Vasile, członek zespołu koordynującego finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt ENGICOIN. „Kluczowym czynnikiem, który pozwoli na pomyślne wdrożenie tego podejścia jest rozproszona produkcja, która umożliwia połączenie zakładów generujących emisje CO2 z systemami wykorzystującymi ciepło odpadowe i tanie odnawialne źródła energii elektrycznej”. Pomaga to w stworzeniu obiegów zamkniętych w gospodarce, w ramach których produkt końcowy jednego procesu staje się surowcem dla kolejnego.
Alchemia mikrobiologiczna prowadzi do zrównoważonych produktów
Prace zrealizowane w ramach projektu ENGICOIN stanowią doskonały przykład tej zasady. Zespół z powodzeniem przetworzył bowiem CO2 w różne tworzywa sztuczne i substancje chemiczne za pomocą zmodyfikowanych mikroorganizmów. „Projekt ENGICOIN przygotowuje podwaliny pod budowę fabryk mikrobiologicznych wykorzystujących katalizatory biologiczne w celu przetwarzania różnych surowców opartych na CO2 przy użyciu elastycznych, zintegrowanych i odpornych schematów procesowych”. „W ramach prac nasz zespół wypracował trzy nowatorskie zintegrowane fabryki mikrobiologiczne, które wykorzystują źródła CO2 i odnawialny wodór z elektrolizy w ramach przemysłowej platformy fermentacji beztlenowej przetwarzającej frakcję organiczną stałych odpadów komunalnych”, dodaje Vasile. Te oparte na drobnoustrojach fabryki wytwarzają kwas mlekowy, polihydroksyalkaniany (PHA), octan i aceton. Pierwsza z instalacji wykorzystuje bakterię Synechocystis, która posiada zdolność fotosyntezy. Ten mikroorganizm, który pobiera CO2 z otoczenia wykorzystując w tym celu światło słoneczne, został zmodyfikowany do produkcji kwasu mlekowego z gazów powstających w wyniku spalania biogazu i czystych strumieni CO2 powstających w procesie uszlachetniania biogazu do biometanu. Druga instalacja, oparta na bakterii tlenowej Cupriavidus necator, czerpie energię z reakcji chemicznych. Przekształca CO2 i wodór w biodegradowalne i biokompatybilne tworzywa termoplastyczne (PHA) z gazów spalinowych ze spalania biogazu i czystych strumieni CO2 z uszlachetniania biogazu do biometanu. Trzecia instalacja wykorzystuje bakterię beztlenową Acetobacterium woodii, która przekształca CO2 i wodór w octan i aceton.
Wyzwania związane ze skalowaniem technologii
Zespół projektu ENGICOIN z powodzeniem uruchomił i przetestował platformę pilotażową obejmującą bioreaktor i elektrolizer we Włoszech, co pozwoliło na osiągnięcie piątego poziomu gotowości technologicznej (TRL 5). Głównym celem przeprowadzonych testów było zademonstrowanie możliwości wykorzystania bioprocesów używających gazu odpadowego (CO2) oraz ciągłej pracy bioreaktora i elektrolizera w długotrwałych procesach. Naukowcy zaprezentowali możliwość hodowli zmodyfikowanych mikroorganizmów Synechocystis i Cupriavidus necator na potrzeby wytwarzania kwasu mlekowego i PHA w warunkach przemysłowych. Proces ten obejmował wykorzystanie skalowalnych układów reaktorów i dostarczanie kulturom bakterii CO2. Zespół projektowy stawił czoła wyzwaniom związanym z wdrażaniem na skalę przemysłową proponowanych koncepcji i technologii, koncentrując się na opłacalności rozwiązań dzięki umożliwieniu pracy elektrolizera w nocy oraz ciągłej produkcji w ramach instalacji. „Projekt ENGICOIN miał na celu znaczne zmniejszenie emisji CO2 w perspektywie średnio- i długoterminowej poprzez wykorzystanie tego gazu do wytwarzania cennych produktów, takich jak polimery (w tym polilaktyny i PHA), których produkcja odpowiada obecnie za 4 % zużycia ropy naftowej na świecie”, wyjaśnia Vasile. „Znalezienie innych produktów charakteryzujących się porównywalnym potencjałem w zakresie ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, które nie są biopaliwami, stanowi duże wyzwanie. Co więcej, produkty, których przetwarzanie wymaga wykorzystania wodoru, nie są jeszcze gotowe do wprowadzenia na rynek”. Zespół projektu ENGICOIN zademonstrował możliwość wykorzystania CO2 jako surowca do zrównoważonej produkcji substancji chemicznych i wykluczenia źródeł kopalnych. Wykorzystując energię odnawialną i koncentrując się na sekwestracji CO2 i oczyszczaniu spalin, projekt ENGICOIN udowadnia, jak ważne jest odpowiedzialne planowanie przyszłych procesów biotechnologicznych, dzięki którym będzie możliwa realizacja założeń gospodarki o obiegu zamkniętym.
Słowa kluczowe
ENGICOIN, fabryki mikrobiologiczne, wodór, PHA, substancje chemiczne, tworzywa sztuczne, kwas mlekowy, odpadowy CO2