Hybrydowa elektrosynteza chemikaliów o wartości dodanej
Hybrid ELectrosynthesis of Value-Added chemicals
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: Zaawansowane materiały funkcjonalne katalizatory bioreaktor konwersja gazów cieplarnianych biopolimery Inżynieria genetyczna
Słowa kluczowe (angielski): Advanced Functional materials Catalysts Bioreactor Greenhouse gas conversion Biopolymers Genetic Engineering
Członkowie konsorcjum: ICFO – The Institute of Photonic Sciences, Spain Politechnika Łódzka (Lodz University of Technology) ICFO (The Institute of Photonic Sciences, Spain) USP (University of São Paulo, Brazil)
Okres realizacji projektu: 2.10.2023 - 1.10.2026
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: ERA-NET
Kierownik projektu: Vignesh Kumaravel
Wartość dofinansowania: 2 782 576,00 PLN
Wartość projektu: 2 782 576,00 PLN
Nowoczesne społeczeństwo i przemysł są napędzane cząsteczkami węglowymi. Stanowią one podstawę produkcji materiałów kluczowych dla różnych sektorów, np. budownictwa, motoryzacji, elektroniki; farmaceutyki; włókienniczy; opakowania do żywności; oraz paliwa do transportu i ogrzewania. Obecnie większość tych molekuł uzyskuje się z paliw kopalnych przy użyciu wielkoobjętościowych, energochłonnych i wysokoemisyjnych procesów termochemicznych. Poleganie na paliwach kopalnych (które są rzadkie, ograniczone i wysoce zlokalizowane) wraz z powiązanymi emisjami gazów cieplarnianych stanowią główne wyzwanie dla ograniczenia globalnego ocieplenia i palące wąskie gardło na drodze do zrównoważonych gospodarek o obiegu zamkniętym. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania alternatywnych podejść do syntezy tych chemikaliów w sposób opłacalny dla środowiska i ekonomicznie, przy użyciu obfitych zasobów i materiałów niekrytycznych. Tworzywa sztuczne są jednym z wyróżniających się przykładów naszej zależności od paliw kopalnych, co wiąże się również z poważnymi problemami środowiskowymi związanymi z końcem okresu eksploatacji. HELVA (Hybrid ELEctrosynthesis of Value-Added Chemicals) ma na celu opracowanie zrównoważonych, nie petrochemicznych tworzyw sztucznych, które ulegają biodegradacji przy użyciu CO2 – najbardziej rozpowszechnionego gazu cieplarnianego. Naszą strategią jest wdrożenie podejścia tandemowego, w którym wychwycony CO2 byłby przekształcany w octan za pomocą elektroredukcji CO2, a następnie przekształcany w powstały octan w poliwodorohialkaniany (PHA), prekursor biodegradowalnych tworzyw sztucznych, przy użyciu bioreaktorów (ryc. 1) . Obecnie koszt produkcji PHA ogranicza jego zastosowanie jako zamiennika wszechobecnych petrochemicznych tworzyw sztucznych. HELVA proponuje opracowanie zintegrowanej technologii, która może być zasilana odnawialną energią elektryczną, oferując ścieżkę do tańszej, opłacalnej technoekonomicznie PHA. Będziemy dążyć do tych celów poprzez postępy w elektrolizie CO2, ulepszanie mikrobiologiczne i ich integrację. Selektywna elektroredukcja CO2 przy prądach odpowiednich dla przemysłu została ograniczona do niektórych cząsteczek C1 i C2 (tlenek węgla, mrówczan, etylen), ale jak dotąd nie udało się uzyskać bardziej złożonych cząsteczek, takich jak polimery, poliestry, kwasy tłuszczowe i cukry; stąd nasze proponowane podejście tandemowe. Elektrosynteza octanu (proponowany przez nas surowiec pośredni) jest nadal ograniczona pod względem selektywności i gęstości prądu. W szczególności selektywność w produktach płynnych jest ważna, gdy są bezpośrednio stosowane jako surowiec do późniejszej modernizacji mikrobiologicznej, ponieważ obecność produktów ubocznych, takich jak mrówczan, metanol i etanol, może osłabić bio-ulepszające się systemy drobnoustrojów. W tym celu będziemy dążyć do innowacji w projektowaniu materiałów nanostrukturalnych katalizatorów i reaktorów. (1) Opracujemy nowe katalizatory, które osiągną wystarczającą selektywność i wydajność w stosunku do octanu. Równolegle HELVA będzie pracować nad opracowaniem genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów, które przekształcają octan w PHA. (2) Projektowanie reaktorów opartych na mikrobach, które przekształcają octan w PHA z szybkością i czystością, które otworzyłyby drogę do rentowności technoekonomicznej. W tym celu zbadamy mechanizmy reakcji, warunki reakcji i dostosujemy genetycznie bakterie, takie jak szczepy Escherichia coli, aby zmaksymalizować produktywność PHA. (3) Integracja systemu: zademonstrujemy pierwszą integrację elektroredukcji CO2 z octanem i wynikającą z tego biodynamiczną modernizację octanu do PHA. Projekt rozpoczyna się na poziomie TRL 2 i przewiduje się, że zakończy się na poziomie TRL równym 4. W ten sposób HELVA zajmuje się ograniczeniami elektroredukcji CO2 (niska selektywność wobec złożonych chemikaliów) i bioreaktorów (ograniczona produktywność). Ogólnie rzecz biorąc, projekt HELVA dąży do rozwoju nauki i technologii elektrochemicznego i biologicznego wykorzystania CO2 w kierunku dobrze zdefiniowanych celów, które zbliżyłyby technologię do rentowności technoekonomicznej.
Rationale: the manufacturing of chemicals and carbon-based materials still relies on fossil fuels and energy/carbon-intensive processes. HELVA proposes an alternative approach using CO2 as the carbon source to realize complex carbon-based non-petrochemical plastics powered by renewable electricity. Objectives: HELVA pursues the e-synthesis of polyhydrohyalkanoates (PHAs) from captured CO2 using a tandem system approach that couples CO2 electrolysis and microbial bio-upgrade. We will pursue these goals through advances in catalyst, system, and reactor design, as well as microbe engineering to promote PHA metabolic pathways. Our final objective is the synthesis of PHA at concentrations above 50 g/L. Potential applications: The realization of sustainable biodegradable plastics. Impact and potential benefits: The proposed technology would offer a path for the sustainable biological manufacturing of non-petrochemical renewable plastics, mitigating global emissions and warming.
Powrót