Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

Oldgamle CO₂-ædende mikroorganismer kan fange CO₂ direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)

Af Mads Ujarak Sieborg¹ og Michael Vedel Wegener Kofoed^1,2
1 Institut for Bio- og Kemiteknologi, Aarhus Universitet
² Novo Nordisk Foundation CO₂ forskningscenter, Aarhus Universitet

Menneskeskabte CO₂-udledninger slår endnu engang rekordniveauer. Størstedelen af disse udledninger stammer fra fortyndede røggas punktkilder (se faktaboks) fra de mange skorstene, der tårner sig op i landskabet. Denne CO₂ forventer man, i nær fremtid, skal blive en essentiel byggesten for kulstofbaserede molekyler, som kan erstatte det fossile kulstof, der bruges overalt omkring os til for eksempel brændstoffer og materialer. Nuværende metoder til kulstoffangst baseres på kemisk fangst af CO₂. Bred anvendelse af nuværende teknologier er dog udfordret af det høje energiforbrug i form af varme, som kræves for at frigive og koncentrere indfanget CO₂. Og først her, når CO₂’en er koncentreret, kan den sendes til videre raffinering til brugbare grønne molekyler i endnu en energikrævende proces.
Forskere fra Aarhus Universitet har nu udviklet og demonstreret et nyt teknologikoncept navngivet Bio-Integreret Carbon Capture and Utilization (BICCU), hvor man, i stedet for varme, anvender autotrofe mikroorganismer til energieffektivt at frigive CO₂’en fra sorbenterne, og direkte omdanne det til grønne molekyler som eddikesyre og metan ved hjælp af grøn brint.

CO₂ er fremtidens byggesten – hvis vi effektivt kan fange og omdanne den
Adgang til energi har altid spillet en vigtig rolle i menneskets udvikling, og opfindelsen af dampmaskinen under den industrielle revolution i det 18. århundrede markerede en betydelig teknologisk fremgang. Den teknologiske fremgang har dog haft sin pris i form af en enorm afhængighed af fossile brændstoffer som den primære energikilde, og de globale energi- og industrirelaterede CO₂-udledninger nåede som følge heraf rekordhøje niveauer i 2023 på 37,4 Gt_CO2, hvilket har medført, at atmosfærens CO₂-koncentration er steget fra 280 ppm (0,028 procent) før den industrielle revolution, til 421 ppm (0,042 procent) i 2023. Et globalt fokus på udfasning af fossile brændstoffer er nu etableret, men der er stadig sektorer, hvor elektrificering er udfordret. For at imødegå denne grønne omstilling, bliver kulstoffangst og udnyttelse (CCU) af CO₂ punktkilder en central strategi til at danne nye grønne molekyler.
Størstedelen af CCU-teknologier er baseret på rene opkoncentrerede CO₂-kilder. Den mest modne teknologi til CO₂-fangst er kemiske skrubbere, hvor kemiske stoffer (sorbenter) reagerer med CO₂’en og binder den i væsken. Den klassiske sorbent til CO₂-fangst er med aminer, hvis nukleofile nitrogenatom kan facilitere forskellige CO₂-fangstmekanismer såsom basekatalyseret hydrering med tertiære aminer (reaktion 1).

(reaktion 1)

Affiniteten mellem sorbenten og CO₂ er høj. Faktisk så høj, at der skal tilføjes ~3 GJ t^-1_CO2 for at frigøre CO₂’en fra sorbenten, hvilket udgør ~90 procent af energiforbruget i konventionel CO₂-fangst (figur 1). Den frigjorte CO₂ kan herfra omdannes og anvendes som byggesten til grønne kulstofbaserede molekyler. Men CO₂ er et termodynamisk stabilt molekyle med kulstofatomet i sin mest oxiderede form, så hvordan får vi det omdannet?

Mikroorganismer har gennem milliarder af år forfinet deres evne til at anvende CO₂
Visse autotrofe mikrober har gennem milliarder af år specialiseret sig i at syntetisere unikke enzymer, der kan omdanne det termodynamisk stabile CO₂-molekyle som en del af deres energimetabolisme (anaerob respiration). Dette svarer til brugen af ilt i vores egen menneskelige respiration. I modsætning til mennesker, så kan mange mikroorganismer bruge andre stoffer end ilt som oxidanter (elektronacceptorer) (NO₃^–, Fe³⁺, SO₄^2-_, CO₂) som del af deres respiration. Autotrofe mikrober som metanogener og acetogener, bruger CO₂ i deres respiration (reaktion 2 og 3), mens ilt er giftigt for dem. Disse organismer findes naturligt i iltfattige miljøer såsom i marine sedimenter, rismarker og tarmsystemer, hvor der er mangel på andre elektronacceptorer end CO₂.
Disse mikrober anvendes allerede aktivt i biogasbranchen, hvor de medvirker til nedbrydningen af organiske stoffer under dannelse af eddikesyre (2) og metan (3). Disse processer udgør i anlæggene en integreret del af biogasproduktionen og produktionen af biometan – et grønt alternativ til fossil naturgas:

(reaktion 2)

(reaktion 3)

Udover deres rolle i biogasproduktion kan processerne også anvendes til omdannelse af CO₂ via tilført brint (H₂). Brinten kan her produceres ved spaltning af vand med elektrolyse drevet af grøn energi (reaktion 4), såkaldt Power-to-X. Mikroorganismerne kan således anvendes til produktion af kemisk energi i grønne molekyler fra grøn strøm. Sådanne processer kan dog også spille en rolle i fangst og omdannelse af CO₂ (CCU):

(reaktion 4)

De mikrobielle processer til omdannelse er ældgamle (3,5 milliarder år), mens ilt først kom til for 2,4 milliarder år siden. Siden da har de levet i anoxiske miljøer, hvor ilt ikke er til stede. For mange af organismerne er ilt derfor giftigt. Biometanisering, som er brugen af autotrofe metanogene mikrober til omdannelse af CO₂, er en teknologi, der derfor udelukkende er blevet anvendt til at fange CO₂ fra biogas, da det ikke indeholder O₂. Herudover indeholder biogas en høj CO₂-koncentration (~45 procent) og metan CH₄ (~55 procent), hvilket gør den til et ideelt udgangspunkt for produktionen af metan via tilført brint. CO₂ fra biogas udgør dog kun en minimal andel (<1 procent) af de tilgængelige CO₂-kilder, mens hoveddelen af de menneskeskabte CO₂-udledninger kommer fra røggasser (tabel 1).
I modsætning til biogas, så kan røggas ikke anvendes direkte til produktion af metan eller eddikesyre på grund af dens lave indhold af CO₂ og høje indhold af N₂, O₂ og forskellige urenheder. Der er derfor behov for oprensning af CO₂, hvis vi skal udnytte CO₂ fra røggasser til produktion af brændstoffer og kemikalier.

Bio-integreret kulstoffangst og -udnyttelse (BICCU): En ny biologisk tilgang til CO₂-fangst og omdannelse
Kemisk absorption, den nuværende mest modne CO₂-fangstteknologi blev udviklet for næsten 100 år siden. Det er dog enormt energi-intensivt at få sorbenterne til at slippe CO₂’en efter fangst med termisk energi (figur 1), hvilket er en stor begrænsning i forhold til dens udbredelse. Forskere på Aarhus Universitet har derfor haft forstørrelsesglasset fremme for at undersøge, om man kan integrere brugen af mikroorganismer med CO₂-fangst for på den måde at udnytte styrkerne ved at kombinere kemi og bioteknologi, og de har her opdaget, at mikroorganismer kan bruges til at frigøre og omdanne CO₂ direkte fra sorbenterne. Ved at undersøge interaktionerne mellem CO₂-fangstsorbenter og autotrofe mikroorganismer har de opdaget, at der kan etableres et synergistisk forhold mellem sorbenternes evne til at fange og binde CO₂ og mikrobernes evne til at frigive CO₂ fra sorbenterne og omdanne det til grønne biobaserede produkter.
Ved kontinuerligt at fjerne den lille mængde opløst CO₂ forskydes ligevægten fra HCO₃^– mod CO₂, og processen foregår derfor med koncentrationsgradienten og kræver langt mindre energi end nuværende konventionelle termiske løsninger (~3.6 GJ t^-1_CO2 reduktion). Teknologikonceptet er blevet navngivet Bio-Integrated Carbon Capture and Utilization (BICCU), da den integrerer biologiske processer og CO₂-fangst, og således erstatter den termiske CO₂ desorptionsenhed med en bioreaktor. Ved at kombinere frigørelse og omdannelse reduceres både energien til CO₂-fangst og omdannelse, samt behov og omkostninger til ekstra enheder man normalt anvender til fangst og omdannelse af CO₂, herunder oplagring og transport af CO₂’en (figur 3).
Opdagelsen af dette synergistiske forhold mellem kemiske sorbenters evne til at fange og binde CO₂, og autotrofe mikroorganismer til at frigive og omdanne CO₂, har dog ikke været ligetil. Sorbentudviklingen til kulstoffangst startede allerede i 1930’erne, men med et fokus på for eksempel at udvikle kemiske sorbenter, der er termostabile med en minimal flygtighed og reduceret behov for desorptionsvarme. Disse egenskaber har begrænset betydning i BICCU, hvis biomedierede CO₂-desorption foregår ved lavere temperaturer af 30-60°C. Derimod fandt forskerne, at mange af de konventionelle sorbenter har naturlige antimikrobielle egenskaber, som begrænser brugen af dem i bioreaktorer til BICCU. Derfor arbejder mikrobiologer, procesingeniører og kemikere på Aarhus Universitet nu tæt sammen om forskning og udvikling i grænsefladen mellem kemi og biologi for at udvikle systemer, der kan fange og omdanne CO₂ fra skorstene til grønne produkter. Med den fortsatte udvikling håber forskerne på at udvikle ny bioteknologi, der kan understøtte udnyttelsen og værdiskabelsen af CO₂ selv fra svært tilgængelige kilder som røggas.

E-mail:
Mads Ujarak Sieborg: Mus@bce.au.dk
Michael Vedel Wegener Kofoed: Mvk@bce.au.dk

Referencer
M.U. Sieborg, A.K.H. Nielsen, L.D.M. Ottosen, K. Daasbjerg, M.V.W. Kofoed, Bio-integrated carbon capture and utilization: at the interface between capture chemistry and archaeal CO2 reduction, Nat. Commun. 15 (2024) 7492. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51700-3.
M.U. Sieborg, J.M.S. Oliveria, L.D.M. Ottosen, M.V.W. Kofoed, Flue-to-fuel: Bio-integrated carbon capture and utilization of dilute carbon dioxide gas streams to renewable methane, Energy Convers. Manag. 302 (2024) 118090. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118090.
A.K.H. Nielsen, L.D.M. Ottosen, M.V.W. Kofoed, Development of membrane bioreactor for conversion of flue Gas-CO2 to C1 and C2 biomolecules, Chem. Eng. J. 499 (2024) 155780. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155780.
J.M.S. Oliveira, L.D.M. Ottosen, M.V.W. Kofoed, Continuous biomethanation of flue gas-CO2 using bio-integrated carbon capture and utilization, Bioresour. Technol. 399 (2024) 130506. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130506.

BOKS:
CO₂-kilder
Over 99 procent af de industrielle CO₂ punktkilder som for eksempel røggasser består kun af 7-33 procent CO₂ (tabel 1) i en fortyndet sammensætning af kvælstof (N₂), ilt (O₂), vanddamp (H₂O), svovloxider (SO_x) og kvælstofilter (NO_x). Disse stoffer har negativ indflydelse på omdannelse og kvaliteten af det endelige produkt og CO₂’en skal derfor fanges og opkoncentreres.