Przekształcanie CO2 w kwasy organiczne: wychwytywanie wartości dla gospodarki o obiegu zamkniętym
Cały czas trwa walka ze zmianami klimatu, a zrównoważona biotechnologia może oferować innowacyjne rozwiązania. Projekt VIVALDI(odnośnik otworzy się w nowym oknie) finansowany ze środków UE dokonał niezwykłego przełomu w tym sektorze, z powodzeniem przekształcając emisje dwutlenku węgla z branży biotechnologicznej w cenne kwasy organiczne. Konsorcjum 16 partnerów opracowało zintegrowane rozwiązanie, które wychwytuje CO2 z rzeczywistych emisji przemysłowych i przekształca go w cztery kwasy organiczne o wysokich wartościach: mlekowy, bursztynowy, itakonowy i 3-hydroksypropionowy. Te substancje chemiczne można zawrócić do procesu produkcyjnego biorafinerii lub wykorzystać jako podstawowy budulec biomateriałów wykorzystywanych w branżach takich jak farmacja, żywność i pasza dla zwierząt, co stanowi istotny krok w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym. Jak mówi koordynator projektu VIVALDI, Albert Guisasola: „Holistyczne podejście projektu VIVALDI zapewnia wydajną i zrównoważoną ścieżkę, przekształcając to, co kiedyś było produktem odpadowym (CO2), w kwasy organiczne o wartości dodanej”.
Od wychwytywania CO2 do fermentacji
Sukces projektu opiera się na jego kompleksowym podejściu, które łączy wiele metodologii w jednolity proces i sprawdza je na rzeczywistych emisjach z czterech branż biotechnologicznych. Wszystko rozpoczyna się od systemu wychwytywania CO2 wykorzystującego metylodietanolaminę (MDEA)(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wzbogaconego o enzymy anhydrazy węglanowej w celu poprawy szybkości absorpcji. „Udało się zredukować zużycie energii i koszty wychwytywania CO2 nawet o 25%, a proces zwalidowano przy użyciu rzeczywistego strumienia CO2 z firmy produkującej olej talowy, który początkowo zawierał mniej niż 13% dwutlenku węgla” — potwierdza Guisasola. Wychwycony CO2 jest następnie poddawany elektrochemicznej redukcji do kwasu mrówkowego lub metanolu, które służą jako budulec do kolejnego etapu. Wówczas genetycznie zmodyfikowane szczepy drożdży Komagataella phaffii przekształcają te związki w docelowe kwasy organiczne w procesie fermentacji. Aby jeszcze bardziej zwiększyć zrównoważony charakter tej techniki, składniki odżywcze potrzebne do fermentacji odzyskiwano ze ścieków przemysłowych przy użyciu systemów bioelektrochemicznych. Każdy etap poddano ocenie w skali laboratoryjnej lub pilotażowej. Przykładowo elektroredukcję CO2 do kwasu mrówkowego testowano przez dłuższy czas dla różnych materiałów katodowych, takich jak cyna czy bizmut. Zespół projektu VIVALDI zademonstrował potencjał rozwiązania w produkcji na skalę przemysłową, osiągając wysokie wskaźniki wydajności: nawet 100 gramów na litr kwasu bursztynowego, 80 gramów na litr kwasu itakonowego i znaczną poprawę uzysku kwasu 3-hydroksypropionowego w obecności kwasu mrówkowego.
Testowanie innowacji opartych na biotechnologii
Partnerzy przemysłowi zweryfikowali wyprodukowane metodami biotechnologicznymi kwasy organiczne, które są kluczowymi składnikami materiałów do produkcji farmaceutyków, żywności, tworzyw sztucznych i pasz dla zwierząt. Firma produkująca biotworzywa Novamont(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z powodzeniem wykorzystała wyprodukowany metodami biotechnologicznymi kwas bursztynowy do stworzenia nowych biopolimerów nadających się do formowania wtryskowego i spieniania. Nowe materiały dorównują właściwościami mechanicznymi konwencjonalnym tworzywom sztucznym, oferując jednocześnie lepsze możliwości recyklingu i spieniania. Kwas mlekowy otrzymany metodami biologicznymi został przetestowany jako stymulator wzrostu dla zwierząt gospodarskich. Spełniał wszystkie normy bezpieczeństwa i wykazywał skuteczne właściwości przeciwdrobnoustrojowe w paszach dla zwierząt. Jednak w porównaniu z kwasem mlekowym otrzymywanym tradycyjnie ma niższe stężenie składnika aktywnego oraz postać sodową, która może wpływać na wyniki i wymaga dostosowania formulacji. Pomimo tych warunków jego zastosowanie komercyjne jest obiecujące, pod warunkiem rozwiązania kwestii praktycznych i ekonomicznych. Projekt VIVALDI przeszedł od wstępnych etapów badań do poziomu 5–6 gotowości technologicznej, a niektóre komponenty są gotowe do przedprzemysłowych badań pilotażowych. Kolejnym krokiem będzie znalezienie partnerów branżowych, którzy przeprowadzą ostateczne testy i wprowadzą rozwiązanie na rynek w całej Europie.
