GAMES – Gasdiffusionselektroden für gekoppelte
mikrobielle Elektrosynthesen aus CO₂

Elektrochemie und Biotechnologie

Der steigende Anteil der erneuerbaren Energien im Gesamtenergiemix verlangt die Speicherung temporär oder lokal überschüssiger elektrischer Energie. Neben der Batterietechnologie bietet sich auch die elektro-chemische Synthese als Technologie zur Speicherung und direkten Nutzung an. Bei elektrochemischen Synthesen wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und ermöglicht so deren sichere und handhabbare Speicherung sowie die Verwendung für die Synthese von Chemikalien.

Bei der Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff für die elektrochemische Synthese ist das Spektrum an möglichen Produkten jedoch sehr begrenzt. Zumeist können hier mit hoher Selektivität und Elektroneneffizienz nur C1-Verbindungen wie etwa Methanol produziert werden. Die reine Biosynthese aus CO₂ wiederum ist auf eine externe Energiequelle wie etwa Wasserstoff angewiesen. Um eine wertschöpfende Synthese ausgehend von CO₂ zu ermöglichen, untersucht das Team von „GAMES“ die Entwicklung beispielgebender Verfahren für die gekoppelte elektrochemisch-mikrobielle Synthese. Dabei wird jeweils in einem ersten Schritt an einer Gasdiffusionselektrode CO₂ zu Formiat reduziert. Dieses Formiat wird anschließend biotechnologisch zu industriell relevanten Wertstoffen umgewandelt.

Erweiterung des Prozessfensters

In dem Projekt „GAMES“ arbeiteten fünf Partnerinnen und Partner gemeinsam an der industriellen Umsetzung von CO₂. Über das Intermediat Formiat sollen Wertstoffe wie Methan, das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB), Iso-Propanol und Ectoin entstehen. Auf Basis vorhandener Vorarbeiten werden dabei elektrochemische, mikrobiologische, biotechnologische und verfahrenstechnische Aspekte kombiniert, um so neue Syntheserouten für technisch-relevante Chemikalien zu entwickeln. Dabei zielen die Forschungsarbeiten auf die Erweiterung des Prozessfensters der mikrobiellen Elektrosynthesen und die Entwicklung von biokompatiblen drop-in Elektrolysen. Ebenso sollen der Bau und die Evaluierung eines breit anwendbaren Elektrolysereaktors sowie der Praxiseinsatz der Systeme erprobt werden.

Durch die Erweiterung der Prozessfenster in Richtung höherer Temperaturen und/oder höherer Salzgehalte können beispielsweise im Idealfall sowohl elektro- chemische Zielgrößen als auch bioverfahrenstechnische Aspekte adressiert werden. Aus den höheren Salz- gehalten resultieren höhere Leitfähigkeiten, die sich positiv auf die Energieeffizienz der Prozesse auswirken werden. Aus höheren Temperaturen resultieren im Allgemeinen höhere elektrochemische Umsatzraten. Aus bioverfahrenstechnischer Sicht ist zu erwarten, dass dadurch geringere Herausforderungen hinsichtlich der Kontaminationsfreiheit resultieren.

Vielfältige Verfahren und Produkte

Durch Zusammenarbeit der KMU Gaskatel GmbH und der ifn Forschungs- und Technologiezentrum GmbH mit den drei anwendungsorientierten Forschungsstellen DECHEMA-Forschungsinstitut, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ) und der Technischen Hochschule Mittelhessen werden im Laufe des Projektes „GAMES“ innovative Lösungen für die Umwandlung von CO₂ in biobasierte Produkte der chemischen Industrie entwickelt. Zu den angestrebten Projektergebnissen zählen dabei insbesondere:

• die Entwicklung eines universellen Teststandes,
• neue Gasdiffusionselektroden zur Umsetzung von CO₂ zu Formiat in biologischen Medien,
• neue Verfahren und Reaktoren zur Produktion von biobasierten Chemikalien,
• Verwendung von CO₂ und elektrischer Energie als günstige Substrate für Fermentationen,
• neue Wertschöpfungen für Biogasanlagenbetreiber sowie
• die kontinuierliche Erweiterung des Prozessfensters der mikrobiellen Elektrosynthese für die Produktion von    Biopolymeren und Basischemikalien.

GAMES-Projektblatt zum Download