Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung (Carbon Capture and Utilization, CCU) sind von entscheidender Bedeutung, um den Klimawandel zu bekämpfen und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen. MES hat sich als vielversprechender Ansatz zur CO2-Reduzierung bei Biokraftstoffen und Plattformchemikalien herausgestellt. Die industrielle Einführung von MES wurde jedoch durch minderwertige Produkte wie Acetat oder Methan und einen hohen Strombedarf behindert.
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Umweltwissenschaften und ÖkotechnologieForscher der Universität Girona führten eine Studie durch, die sich auf elektrisch effiziente MES-Zellen mit niedrigem ohmschen Widerstand (15,7 mΩ m2) konzentrierte. Durch einen Fed-Batch-Modus mit abwechselnd hoher CO2- und Wasserstoff (H2)-Verfügbarkeit förderten sie erfolgreich die Produktion von Essigsäure und Ethanol.
Die Kettenverlängerung führte zur selektiven (78 % auf Kohlenstoffbasis) Produktion von Buttersäure, einer wertvollen Chemikalie, die in der Pharmazeutik, Landwirtschaft, Parfümerie und der chemischen Industrie verwendet wird. Bei einem angelegten Strom von 1,0 oder 1,5 mA cm-2 erreichte die Studie eine beeindruckende durchschnittliche Produktionsrate von 14,5 gm-2 d-1 Buttersäure. Der Schlüsselakteur im Kettenverlängerungsprozess wurde als Megasphaera sp. identifiziert.
Durch Inokulation einer zweiten Zelle mit der angereicherten Gemeinschaft wurde die Buttersäureproduktionsrate reproduziert, allerdings mit einer Reduzierung um 82 % in der Lag-Phase. Buttersäure wurde erfolgreich zu Butanol aufgewertet, einem wertvollen Biokraftstoff, der mit der bestehenden Benzininfrastruktur kompatibel ist und als Vorläufer in der pharmazeutischen und chemischen Industrie für die Acrylat- und Methacrylatproduktion verwendet wird. Die Produktion von lösungsmittelhaltigem Butanol wurde bei einem pH-Wert unter 4,8 durch Unterbrechung der CO2-Zufuhr und Aufrechterhaltung spezifischer pH- und Wasserstoffpartialdruckbedingungen ausgelöst.
Das MES-Zellendesign erwies sich mit durchschnittlichen Zellspannungen von 2,6–2,8 V und einem elektrischen Energiebedarf von 34,6 kWhel kg−1 produzierter Buttersäure als äußerst effizient. Trotz einiger Einschränkungen aufgrund des O2- und H2-Übergangs durch die Membran identifizierte die Studie optimale Betriebsbedingungen für eine energieeffiziente Buttersäureproduktion aus CO2.
Zusammenfassend zeigt diese Studie das Potenzial der bioelektrochemischen Umwandlung von CO2 in Buttersäure und der anschließenden Aufwertung zu Butanol in mikrobiellen Elektrolysezellen. Das Verfahren verspricht eine nachhaltige und wirtschaftlich sinnvolle Produktion wertvoller Chemikalien aus CO2. Weitere Forschung und Entwicklung sind von entscheidender Bedeutung, um das Verfahren für großtechnische Anwendungen zu optimieren. Mit weiteren Fortschritten kann diese Technologie die chemische Produktion revolutionieren und gleichzeitig die Auswirkungen des Klimawandels abmildern.
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Meritxell Romans-Casas et al., Selektive Buttersäureproduktion aus CO2 und deren Aufwertung zu Butanol in mikrobiellen Elektrosynthesezellen, Umweltwissenschaften und Ökotechnologie (2023). DOI: 10.1016/j.ese.2023.100303
Zur Verfügung gestellt von der Medizinischen Universität Chongqing