EP3221458A2 - Method and apparatus for converting carbon dioxide - Google Patents

Method and apparatus for converting carbon dioxide

Info

Publication number
EP3221458A2
EP3221458A2 EP15817753.5A EP15817753A EP3221458A2 EP 3221458 A2 EP3221458 A2 EP 3221458A2 EP 15817753 A EP15817753 A EP 15817753A EP 3221458 A2 EP3221458 A2 EP 3221458A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrocarbon
electrode
reduction
enzyme
directly heated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP15817753.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lars KRÜGER
Christoph Herz
Martin Schönhoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
METHANOLOGY AG
Original Assignee
Gensoric GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gensoric GmbH filed Critical Gensoric GmbH
Publication of EP3221458A2 publication Critical patent/EP3221458A2/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/24Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carbonyl group
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S21/00Solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S20/00
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00Heat sources or energy sources
    • F24D2200/02Photovoltaic energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00Heat sources or energy sources
    • F24D2200/04Gas or oil fired boiler
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/133Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of a hydrocarbon by reducing C0 2 , in which C0 2 is reduced by means of a directly heated electrode to a hydrocarbon.
  • the invention also provides a device for carrying out a corresponding method, a corresponding power plant and a system comprising this power plant and a vehicle with an internal combustion engine.
  • the methods and devices can be used, for example, as a micro-energy system for decentralized energy supply.
  • our system will preferably be compatible with existing heating systems and use educts that are largely available at low cost: ambient air, water, and surplus renewable energy.
  • the invention therefore relates in particular to a process for preparing a hydrocarbon by reducing C0 2 , comprising steps in which C0 2 is reduced to a hydrocarbon by means of a directly heated electrode.
  • the reduction can be enzymatic.
  • the reduction can be carried out in several steps, wherein the reduction in at least one, preferably all, steps is catalyzed by an enzyme which is associated with a directly heated electrode.
  • Enzyme immobilizations help to better position the enzymes on electrode surfaces for better electron uptake, thus enabling improved activities and product formation rates.
  • immobilization also stabilizes the enzymes.
  • the macromolecules are always subject to conformational changes, which contribute to a certain extent to their catalytic activity.
  • external influences eg temperature or radiation
  • Immobilization helps to bind the enzymes locally so that inactive conformational states are no longer taken and prevent aggregation.
  • an enzyme in alginate can be immobilized on a carbon tissue and used on a working electrode to reduce C0 2 to formic acid (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C0 2 Reduction, 2013. Institute of Physical Chemistry). Alginate immobilization stabilizes the enzymes, but their positioning relative to the electrode is undirected.
  • the enzymes could be attached during production corresponding amino acids that bind directly to substrates of the heated electrodes.
  • steps of enzymes can be catalysed, which are each associated with an electrode which is heated directly to a temperature which is optimal for the respective reaction.
  • the temperature of the respective electrode is optimized with regard to the substance conversion of the respective enzyme, but it is also possible to choose a lower temperature, if otherwise a sufficient stability is not guaranteed by one or more of the enzymes.
  • the temperature of an electrode, with the formate dehydrogenase from Candida spp. is to be set to 35-40 ° C, in particular about 37-38 ° C.
  • the temperature of this electrode is optimized in terms of total substance conversion, but it is also possible to choose a lower temperature, unless otherwise sufficient stability of one or more of the enzymes is not guaranteed.
  • the reduction can be carried out in several steps, wherein the reduction in at least one, preferably all, steps is catalyzed in each case by an enzyme which thereby oxidizes a cofactor which is regenerated on a directly heated electrode, wherein the cofactor is selected from a group comprising NADH, NADPH, and FADH.
  • the reduction can be catalyzed by formate dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase and / or alcohol dehydrogenase.
  • isolated enzymes are commercially available, they can be further optimized (Fielber S., Optimization of NAD-dependent formate dehydrogenase from Candida boidinii for use in biocatalysis, 2001).
  • formate dehydrogenase e.g. an enzyme from Candida spp., in particular Candida biodinii (for example from Sigma-Adrich), which shows a temperature maximum of 35-40 ° C and works with NADH as cofactor.
  • An enzymatic regeneration of the cofactor NADH on a directly heated electrode is optionally possible.
  • C0 2 can be converted by a carbonic anhydrase to bicarbonate, wherein the carbonic anhydrase is optionally associated with a directly heated electrode.
  • the reduction may be nonenzymatic on a heated electrode, the electrode preferably comprising a material selected from the group consisting of platinum, copper, titanium, ruthenium, and combinations thereof.
  • a direct electrical heating of the working electrode can be made possible in the prior art by a so-called symmetrical arrangement or special filter circuits.
  • a variant of the directly heated working electrode has a third contact for the connection to the electrochemical measuring device exactly in the middle between the two contacts for the supply of the heating current. By this arrangement disturbing influences of the heating current are suppressed to the measurement signals.
  • the disadvantage here is mainly the complex structure with three contacts per working electrode, the thermal disturbance by the heat dissipating third contact and the complicated miniaturization.
  • a symmetrical contacting takes place by means of a bridge circuit which enables direct heating (Wachholz et al., 2007, Electroanalysis 19, 535-540, in particular Fig. 3, Dissertation Wachholz 2009).
  • the working electrode can be designed so that the temperature distribution at the surface of the working electrode is uniform (DE 10 2004 017 750).
  • DE 10 2006 006 347 discloses advantageous directly electrically heatable electrodes.
  • the directly heated electrode can be shaped as a spiral or helix or net or surface, in particular as disclosed in DE 10 2014 114 047.
  • Suitable directly heated electrodes can be obtained, for example, from Gensoric GmbH (Rostock, DE).
  • the directly heated electrode consists of an electrode material which is selected from the group comprising carbon, in particular glassy carbon or graphite, a noble metal, in particular gold or platinum, an optically transparent conductive material, in particular indium-doped tin oxide, copper, stainless steel and nickel.
  • the invention also relates to a device in which a method according to one of the preceding claims expires or can run, characterized in that it consists of two electrodes and a membrane for the separation of the anodic and cathodic reaction or comprises these.
  • reaction vessels can be connected in parallel and produce the total reaction product.
  • the device may be constructed and used as a disposable or recyclable reactor.
  • the invention also provides a device for producing a hydrocarbon by fixing C0 2 , comprising a) a directly heated electrode, with which preferably at least one enzyme is associated, which can catalyze a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon, or with preferably, at least one cofactor which is capable of interacting with an enzyme capable of catalyzing a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon and b) a device for introducing gaseous C0 2 which is capable of producing C0 2 in to introduce a reaction space in which it can come into contact with the directly heated electrode.
  • This device generally comprises a further electrode and a membrane for separating the anodic and cathodic reactions.
  • a device according to the invention may comprise 1-10,000 reaction spaces according to the invention with directly heated electrodes, preferably 100-5,000 or 500-2,000 or 800-1,200 Reaction vessels. A large number of reaction vessels can therefore be connected in parallel and produce the total of the reaction product.
  • the device can be constructed as a one-way reactor or as a recyclable reactor and used.
  • the gaseous CO 2 can be used or purified from ambient air or used in concentrated form, for example from a gas bottle.
  • the invention also provides a power plant for the provision of energy in the form of electricity and / or a hydrocarbon, comprising i) an energy source, preferably a regenerative energy source based for example on photovoltaic, hydropower or wind power, preferably photovoltaic, ii) the device according to the invention, wherein for the production of one
  • Hydrocarbon necessary energy from the energy source i) comes from, iii) a hydrocarbon storage, and iv) optionally, a hydrocarbon fuel cell for the production of electricity, or v) optionally a device for the combustion of hydrocarbon for
  • the invention also provides a system comprising a power plant according to the invention and a vehicle selected from the group comprising cars, buses and motorcycles, the vehicle being equipped with an engine which is suitable, preferably optimized, for the combustion of a hydrocarbon, preferably methanol , is.
  • a hydrocarbon preferably methanol
  • the hydrocarbon is selected from the group comprising methanol and methane and formic acid and formaldehyde, preferably methanol.
  • MES micro-energy System
  • the project result is a micro-energy System (MES), which helps to save the surplus energy of the RES and to ensure the supply of energy mainly for heating on a small scale.
  • MES micro-energy System
  • this application is especially suited for domestic applications as it runs in mild environmental conditions (no high pressure, no high temperatures). Due to the selectivity of the basic new electro-enzymatic approach, there is no need for the electrolytic production of H 2 . In fact, all starting materials can be used directly from the environment (ambient air, tap water).
  • the key process is the electro-biocatalytic conversion of C0 2 and electricity through a cascade of enzymatic reactions to methanol.
  • the resulting methanol is used as fuel for the heating system. No external storage or infrastructure is needed.
  • our system becomes an attractive alternative to centralized gas or energy supply.
  • the target annual cost structure for the system and consumables should be comparable to the cost of annual gas consumption (reference 10 Ct / KwH natural gas in Germany in about 5-10 years).
  • our solution enables the efficient storage of energy produced by renewable sources (such as solar).
  • the key reaction cascade is carried out in a specially designed reactor. Because of our planned economic model, the main goal in this project is the development and realization of a disposable electro-enzymatic reactor in a cost-effective way (assembly, enzyme placement, wiring). It can, however a recyclable reactor can be used in which, for example, after the efficiency has lessened after purification, new enzymes are associated with the electrodes.
  • the reactor will comprise directly heated electrodes on which the enzymes are immobilized in a way that allows electrons to be transferred from the electrical energy source to the electrobiocatalytic reaction. This is achieved by using large area electrodes in the beaker or by modifying the inside of the tube reactors.
  • the key technologies are preferably integrated into a standalone system that can be integrated into existing domestic heating infrastructure.
  • the reaction medium is separated from the product methanol e.g. separated by using a pervaporation method.
  • the reaction medium is pumped in a loop while the methanol is produced and stored within the device.
  • the reference electrode used was a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl) with 3 M KCl and, as counterelectrode, a 2 mm graphite rod. All reactions were performed at room temperature in 20 mL of an aqueous buffered electrolyte solution (0.05 M TRIS, pH 7.7) in a 100 mL reactor. For the bioelectrocatalytic synthesis of formic acid, the reactor was continuously gassed with C0 2 . Control experiments were carried out in argon-saturated electrolyte solutions without C0 2 . The functionality of the enzyme-alginate electrode was first checked by cyclic voltammetry and the reduction peak of C0 2 was determined at about -0.8 V.
  • Table 2 Bioelectratic synthesis of formic acid from CO 2 at different temperatures on heated electrodes.
  • the advantage of using heated electrodes lies in the fact that temperatures can be set directly on the electrode surface for optimum reaction conditions and it is not necessary to temper the entire electrolyte solution of a reactor, which improves the energy balance of electrocatalytic processes of any kind.
  • the temperature in the reactor was continuously monitored during bioelectrocatalytic syntheses. The temperature remained constant at 22 ° C. On the one hand, this could be due to the continuous mixing of the electrolyte due to the continuous gassing of the electrolyte and the transport of heat to the environment being promoted. On the other hand, some of the heat from the heated electrodes could also have been conducted directly to the immobilized enzymes, which were thereby increasingly excited to conformational changes.
  • the rate of synthesis of formic acid was optimized by directly heating the enzyme microelectrodes.
  • the highest synthesis rates of 0.02-0.03 mg / h (based on a constant rate of synthesis according to Chronoamperogramm after the first 3 hours of the reaction) took place at 35 ° C and 40 ° C.
  • the rate of synthesis of formic acid decreased both when the electrode temperature decreased to 22 ° C and when it increased to 45 ° C.
  • both substrate uptake and product delivery to the enzyme microelectrode, as well as changes in conformational states of the immobilized enzyme necessary for the catalytic reaction mechanism proceeded optimally between 35 ° C and 40 ° C, a sixfold increase in conversion over room temperature (22 ° C).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for producing a hydrocarbon by the reduction of CO2, wherein CO2 is reduced to a hydrocarbon using a directly heated electrode. The invention also relates to an apparatus for carrying out a corresponding method, a corresponding power plant and a system comprising such a power plant and a vehicle with an internal combustion engine. The system and apparatuses can be used, for example, as a micro-energy system for local power supply.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung gasförmiger Kohlenstoffverbindungen  Process and apparatus for converting gaseous carbon compounds
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffes durch Reduktion von C02, bei dem man C02 mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens, ein entsprechendes Kraftwerk und ein dieses Kraftwerk und ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfassendes System. Die Verfahren und Vorrichtungen können z.B. als Mikro-Energie-System für dezentralisierte Energieversorgung eingesetzt werden. The invention relates to a process for the preparation of a hydrocarbon by reducing C0 2 , in which C0 2 is reduced by means of a directly heated electrode to a hydrocarbon. The invention also provides a device for carrying out a corresponding method, a corresponding power plant and a system comprising this power plant and a vehicle with an internal combustion engine. The methods and devices can be used, for example, as a micro-energy system for decentralized energy supply.
Unsere Vision - Unabhängigkeit, Dezentralisierung und kommerzielle Rentabilität Our Vision - Independence, Decentralization and Commercial Profitability
In den nächsten 5 bis 7 Jahren kann, durch unsere Lösung, jeder Haushalt zu einer C02-freien Wirtschaft beitragen und energetische Unabhängigkeit von externen Gas- oder Energie- Lieferungen zur Heizung von Wohnungen oder Gebäuden erreichen. Dies wird durch die Verwendung alternativer Brennstoffe und energieeffizienter Energiespeichersysteme erreicht werden, die auf Nutzung von Ansätzen der Umwandlung von C02 zu Chemikalien beruhen. Over the next 5 to 7 years, our solution will allow every household to contribute to a C0 2 -free economy and achieve energy independence from external gas or energy supplies for heating homes or buildings. This will be achieved through the use of alternative fuels and energy efficient energy storage systems based on the use of C0 2 conversion to chemical conversion approaches.
Für dieses Ziel ist jedoch eine strukturelle Änderung existierender Infrastruktur nicht nötig. Tatsächlich wird unsere System bevorzugt kompatibel mit existierenden Heizungssystemen sein und Edukte verwenden, welche in großem Maße zu geringen Kosten verfügbar sind: Umgebungsluft, Wasser, und überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen. However, a structural change of existing infrastructure is not necessary for this goal. In fact, our system will preferably be compatible with existing heating systems and use educts that are largely available at low cost: ambient air, water, and surplus renewable energy.
Erstrebtes Ergebnis des Projekts - ein Mikro-Energie-System für dezentralisierte, häusliche Verwendung Desired result of the project - a micro-energy system for decentralized, domestic use
Dieses Ziel wird insbesondere durch den Gegenstand der Ansprüche erreicht. This object is achieved in particular by the subject matter of the claims.
Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Reduktion von C02, Schritte umfassend, bei denen man C02 mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. Die Reduktion kann enzymatisch erfolgen. The invention therefore relates in particular to a process for preparing a hydrocarbon by reducing C0 2 , comprising steps in which C0 2 is reduced to a hydrocarbon by means of a directly heated electrode. The reduction can be enzymatic.
Die Reduktion kann in mehreren Schritten durchgeführt werden, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten durch ein Enzym katalysiert wird, welches mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist. The reduction can be carried out in several steps, wherein the reduction in at least one, preferably all, steps is catalyzed by an enzyme which is associated with a directly heated electrode.
Enzym-Immobilisierungen nützen zum einen der besseren Positionierung der Enzyme an Elektrodenoberflächen zur besseren Elektronenaufnahme und ermöglichen damit verbesserte Aktivitäten und Produktbildungsraten. Andererseits werden durch die Immobilisierung die Enzyme auch stabilisiert. Die Makromoleküle unterliegen stets Konformationsänderungen, die zu einem gewissen Teil zu deren katalytischer Aktivität beitragen. Äußere Einflüsse (z. B. Temperatur oder Strahlung) können jedoch auch irreversible Konformationszustände hervorrufen, es kann zur Aggregation der Enzyme kommen, wobei die Funktion des Biokatalysators außer Kraft gesetzt wird. Immobilisierungen helfen, die Enzyme lokal so zu binden, dass keine inaktiven Konformationszustände mehr eingenommen werden und verhindern Aggregation. Enzyme immobilizations, on the one hand, help to better position the enzymes on electrode surfaces for better electron uptake, thus enabling improved activities and product formation rates. On the other hand, immobilization also stabilizes the enzymes. The macromolecules are always subject to conformational changes, which contribute to a certain extent to their catalytic activity. However, external influences (eg temperature or radiation) can also cause irreversible states of conformation, it can lead to the aggregation of the enzymes, whereby the function of the biocatalyst is disabled. Immobilization helps to bind the enzymes locally so that inactive conformational states are no longer taken and prevent aggregation.
Zum Beispiel kann ein Enzym in Alginat auf einem Kohlenstoffgewebe immobilisiert und an einer Arbeitselektrode zur Reduktion von C02 zu Ameisensäure eingesetzt werden (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C02 Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry). Eine Alginat-Immobilisierung stabilisiert die Enzyme, allerdings erfolgt deren Positionierung in Bezug auf die Elektrode dabei ungerichtet. For example, an enzyme in alginate can be immobilized on a carbon tissue and used on a working electrode to reduce C0 2 to formic acid (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C0 2 Reduction, 2013. Institute of Physical Chemistry). Alginate immobilization stabilizes the enzymes, but their positioning relative to the electrode is undirected.
Alternativen zur Alginat-Immobilisierung für eine bessere Positionierung der Enzyme auf Elektroden sind beispielsweise Immobilisierungen auf Carbon Nanotubes über funktionelle Enzym-Gruppen, auf Gold-Oberflächen über kovalente Schwefelbrücken oder auf Ni- Materialien über Histidin-Reste am Enzym. Hierfür könnten den Enzymen während der Produktion entsprechende Aminosäuren angeheftet werden, die direkt auf Trägermaterialien der geheizten Elektroden binden. Alternatives to alginate immobilization for better positioning of the enzymes on electrodes include immobilization on carbon nanotubes via functional enzyme groups, on gold surfaces via covalent sulfur bridges, or on Ni materials via histidine residues on the enzyme. For this purpose, the enzymes could be attached during production corresponding amino acids that bind directly to substrates of the heated electrodes.
Es können mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche jeweils mit einer Elektrode assoziiert sind, die auf eine für die jeweilige Reaktion optimale Temperatur direkt geheizt ist. Bevorzugt ist die Temperatur der jeweiligen Elektrode im Hinblick auf den Substanzumsatz des jeweiligen Enzyms optimiert, es ist jedoch auch möglich, eine geringere Temperatur zu wählen, sofern ansonsten eine ausreichende Stabilität von einem oder mehreren der Enzyme nicht gewährleistet ist. Sofern für einen guten Gesamtumsatz nicht alle Reaktionen einer gegenüber der Umgebungstemperatur oder Reaktortemperatur erhöhten Temperatur bedürfen, ist es auch möglich, dass ein oder mehrere der Enzyme nicht mit einer geheizten Elektrode assoziiert sind. Zum Beispiel kann die Temperatur einer Elektrode, mit der Formiat-Dehydrogenase aus Candida spp. assoziiert ist, auf 35-40°C, insbesondere ca. 37-38°C eingestellt sein. Several, preferably all, steps of enzymes can be catalysed, which are each associated with an electrode which is heated directly to a temperature which is optimal for the respective reaction. Preferably, the temperature of the respective electrode is optimized with regard to the substance conversion of the respective enzyme, but it is also possible to choose a lower temperature, if otherwise a sufficient stability is not guaranteed by one or more of the enzymes. Unless all reactions require a higher temperature than the ambient temperature or reactor temperature for good overall conversion, it is also possible that one or more of the enzymes are not associated with a heated electrode. For example, the temperature of an electrode, with the formate dehydrogenase from Candida spp. is to be set to 35-40 ° C, in particular about 37-38 ° C.
Es können auch mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche mit der gleichen direkt geheizten Elektrode assoziiert sind. Bevorzugt ist die Temperatur dieser Elektrode im Hinblick auf den Gesamt-Substanzumsatz optimiert, es ist jedoch auch möglich, eine geringere Temperatur zu wählen, sofern ansonsten eine ausreichende Stabilität von einem oder mehreren der Enzyme nicht gewährleistet ist. Also, several, preferably all, steps of enzymes associated with the same directly heated electrode can be catalyzed. Preferably, the temperature of this electrode is optimized in terms of total substance conversion, but it is also possible to choose a lower temperature, unless otherwise sufficient stability of one or more of the enzymes is not guaranteed.
Die Reduktion kann in mehreren Schritten durchgeführt werden, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten jeweils durch ein Enzym katalysiert wird, welches dabei einen Cofaktor oxidiert, der an einer direkt geheizten Elektrode regeneriert wird, wobei der Cofaktor ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend NADH, NADPH, und FADH. The reduction can be carried out in several steps, wherein the reduction in at least one, preferably all, steps is catalyzed in each case by an enzyme which thereby oxidizes a cofactor which is regenerated on a directly heated electrode, wherein the cofactor is selected from a group comprising NADH, NADPH, and FADH.
Die Reduktion kann durch Formiatdehydrogenase, Aldehyddehydrogenase und/oder Alkoholdehydrogenase katalysiert werden. The reduction can be catalyzed by formate dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase and / or alcohol dehydrogenase.
Geeiegnete Enzyme sind kommerziell erhältlich, sie können jedoch auch weiter optimiert werden (F elber S., Optimierung der NAD-abhängigen Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii für den Einsatz in der Biokatalyse. 2001). Als Formiatdehydrogenase kann z.B. ein Enzym aus Candida spp., insbesondere Candida biodinii (z.B. von Sigma-Adrich) gewählt werden, welches ein Temperaturpotimum von 35-40°C zeigt und mit NADH als Cofaktor arbeitet. Eine enyzymatische Regeneration des Cofaktors NADH an einer direkt geheizten Elektrode ist optional möglich. Although isolated enzymes are commercially available, they can be further optimized (Fielber S., Optimization of NAD-dependent formate dehydrogenase from Candida boidinii for use in biocatalysis, 2001). As formate dehydrogenase, e.g. an enzyme from Candida spp., in particular Candida biodinii (for example from Sigma-Adrich), which shows a temperature maximum of 35-40 ° C and works with NADH as cofactor. An enzymatic regeneration of the cofactor NADH on a directly heated electrode is optionally possible.
Mit Hinblick auf eine weiterführende bioelektrokatalytische Methanolsynthese aus Ameisensäure können z.B. eine Aldehyd-Dehydrogenase aus Pseudomonas sp. und eine Alkohol-Dehydrogenase aus Saccharomyces sp. Verwendet werden, die sich mit der Formiatdehydrogenase aus Candida spp. gut kombinieren lassen, insbesondere, weil also diese Enzyme NADH abhängig sind. Für die Regeneration des Cofaktors könnte z.B. eine Diaphorase aus Pyrococcus sp. eingesetzt werden. With regard to a further bio-electrocatalytic synthesis of methanol from formic acid, for example, an aldehyde dehydrogenase from Pseudomonas sp. and an alcohol dehydrogenase from Saccharomyces sp. Those used with the formate dehydrogenase from Candida spp. combine well, especially because so these Enzymes are NADH dependent. For example, a diaphorase from Pyrococcus sp. be used.
Dabei kann C02 durch eine Carboanhydrase zu Bicarbonat umgewandelt werden, wobei die Carboanhydrase optional mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist. In this case, C0 2 can be converted by a carbonic anhydrase to bicarbonate, wherein the carbonic anhydrase is optionally associated with a directly heated electrode.
Die Reduktion kann alternativ auch nicht-enzymatisch an einer geheizten Elektrode ablaufen, wobei die Elektrode bevorzugt ein Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Titan, Ruthenium und Kombinationen davon. Alternatively, the reduction may be nonenzymatic on a heated electrode, the electrode preferably comprising a material selected from the group consisting of platinum, copper, titanium, ruthenium, and combinations thereof.
Unterschiedliche direkt beheizbare Elektroden, bei denen das Heizelement aus der Elektrode besteht, also die Temperaturerhöhung nur von der Elektrode ausgeht und nicht von dem Elektrolyten auf die Elektrode übertragen wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Different directly heatable electrodes, in which the heating element consists of the electrode, ie the temperature increase only starts from the electrode and is not transferred from the electrolyte to the electrode, are known from the prior art.
Eine direkte elektrische Heizung der Arbeitselektrode kann nach dem Stand der Technik durch eine sogenannte symmetrische Anordnung oder spezielle Filterschaltungen ermöglicht werden. Eine Variante der direkt beheizten Arbeitselektrode besitzt genau in der Mitte zwischen den beiden Kontakten für die Zuleitung des Heizstroms einen dritten Kontakt für die Verbindung mit dem elektrochemischen Messgerät. Durch diese Anordnung werden störende Einflüsse des Heizstromes auf die Messsignale unterbunden. Nachteilig ist hier vor allem der komplexe Aufbau mit drei Kontakten je Arbeitselektrode, die thermische Störung durch den Wärme ableitenden dritten Kontakt und die erschwerte Miniaturisierung. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Variante erfolgt daher eine symmetrische Kontaktierung durch eine Brückenschaltung, welche eine direkte Beheizung ermöglicht (Wachholz et al., 2007, Electroanalysis 19, 535-540, insbesondere Fig. 3; Dissertation Wachholz 2009). Dabei kann die Arbeitselektrode so ausgestaltet sein, dass die Temperaturverteilung an der Oberfläche der Arbeitselektrode gleichmäßig ist (DE 10 2004 017 750). In DE 10 2006 006 347 sind vorteilhafte direkt elektrisch beheizbare Elektroden offenbart. A direct electrical heating of the working electrode can be made possible in the prior art by a so-called symmetrical arrangement or special filter circuits. A variant of the directly heated working electrode has a third contact for the connection to the electrochemical measuring device exactly in the middle between the two contacts for the supply of the heating current. By this arrangement disturbing influences of the heating current are suppressed to the measurement signals. The disadvantage here is mainly the complex structure with three contacts per working electrode, the thermal disturbance by the heat dissipating third contact and the complicated miniaturization. In a preferred variant according to the invention, therefore, a symmetrical contacting takes place by means of a bridge circuit which enables direct heating (Wachholz et al., 2007, Electroanalysis 19, 535-540, in particular Fig. 3, Dissertation Wachholz 2009). In this case, the working electrode can be designed so that the temperature distribution at the surface of the working electrode is uniform (DE 10 2004 017 750). DE 10 2006 006 347 discloses advantageous directly electrically heatable electrodes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die direkt geheizte Elektrode als Spirale oder Helix oder Netz oder Fläche geformt sein, insbesondere wie in DE 10 2014 114 047 offenbart.  In the method according to the invention, the directly heated electrode can be shaped as a spiral or helix or net or surface, in particular as disclosed in DE 10 2014 114 047.
Geeignete direkt geheizte Elektroden können z.B. von Gensoric GmbH bezogen werden (Rostock, DE). Die direkt geheizte Elektrode besteht aus einem Elektrodenmaterial, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, insbesondere Glaskohle oder Graphit, einem Edelmetall, insbesondere Gold oder Platin, einem optisch transparenten leitfähigen Material, insbesondere indiumdotiertem Zinnoxid, Kupfer, Edelstahl und Nickel. Suitable directly heated electrodes can be obtained, for example, from Gensoric GmbH (Rostock, DE). The directly heated electrode consists of an electrode material which is selected from the group comprising carbon, in particular glassy carbon or graphite, a noble metal, in particular gold or platinum, an optically transparent conductive material, in particular indium-doped tin oxide, copper, stainless steel and nickel.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, in der ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche abläuft oder ablaufen kann, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Elektroden sowie einer Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion besteht bzw. diese umfasst. The invention also relates to a device in which a method according to one of the preceding claims expires or can run, characterized in that it consists of two electrodes and a membrane for the separation of the anodic and cathodic reaction or comprises these.
Eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen kann parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen. A variety of reaction vessels can be connected in parallel and produce the total reaction product.
Die Vorrichtung kann als Einweg - oder recycelbarer Reaktor aufgebaut sein und genutzt werden. The device may be constructed and used as a disposable or recyclable reactor.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Fixierung von C02, umfassend a) eine direkt geheizte Elektrode, mit der bevorzugt mindestens ein Enzym assoziiert ist, welches einen Schritt der Reduktion von C02 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, oder mit der bevorzugt mindestens ein Cofaktor assoziiert ist, der mit einem Enzym zusammenwirken kann, welches einen Schritt der Reduktion von C02 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, und b) eine Vorrichtung zum Einleiten von gasförmigem C02, welche dafür geeignet ist, das C02 in einen Reaktionsraum einzubringen, in dem es mit der direkt geheizten Elektrode in Kontakt treten kann. The invention also provides a device for producing a hydrocarbon by fixing C0 2 , comprising a) a directly heated electrode, with which preferably at least one enzyme is associated, which can catalyze a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon, or with preferably, at least one cofactor which is capable of interacting with an enzyme capable of catalyzing a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon and b) a device for introducing gaseous C0 2 which is capable of producing C0 2 in to introduce a reaction space in which it can come into contact with the directly heated electrode.
Diese Vorrichtung umfasst im Allgemeinen eine weitere Elektrode sowie eine Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion. This device generally comprises a further electrode and a membrane for separating the anodic and cathodic reactions.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann 1-10 000 erfindungsgemäße Reaktionsräume mit direkt geheizten Elektroden umfassen, bevorzugt 100-5 000 oder 500- 2 000 oder 800-1 200 Reaktionsgefäße. Eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen kann also parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen. A device according to the invention may comprise 1-10,000 reaction spaces according to the invention with directly heated electrodes, preferably 100-5,000 or 500-2,000 or 800-1,200 Reaction vessels. A large number of reaction vessels can therefore be connected in parallel and produce the total of the reaction product.
Die Vorrichtung kann als Einwegreaktor oder als recycelbarer Reaktor aufgebaut sein und genutzt werden. The device can be constructed as a one-way reactor or as a recyclable reactor and used.
Das gasförmige C02 kann aus Umgebungsluft verwendet oder aufgereinigt werden oder in konzentrierter Form, z.B. aus einer Gasflasche, eingesetzt werden. The gaseous CO 2 can be used or purified from ambient air or used in concentrated form, for example from a gas bottle.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Kraftwerk zur Bereitstellung von Energie in Form von Strom und/oder einem Kohlenwasserstoff, umfassend i) eine Energiequelle, bevorzugt eine regenerative Energiequelle basierend etwa auf Photovoltaik, Wasserkraft oder Windkraft, bevorzugt Photovoltaik, ii) die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die für die Herstellung von einem The invention also provides a power plant for the provision of energy in the form of electricity and / or a hydrocarbon, comprising i) an energy source, preferably a regenerative energy source based for example on photovoltaic, hydropower or wind power, preferably photovoltaic, ii) the device according to the invention, wherein for the production of one
Kohlenwasserstoff notwendige Energie aus der Energiequelle i) stammt, iii) einen Kohlenwasserstoff-Speicher, und iv) optional, eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffzelle zur Produktion von Strom, oder v) optional eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff zur  Hydrocarbon necessary energy from the energy source i) comes from, iii) a hydrocarbon storage, and iv) optionally, a hydrocarbon fuel cell for the production of electricity, or v) optionally a device for the combustion of hydrocarbon for
Herstellung von Warmwasser bzw. Wärmeenergie für das Heizen von Gebäuden oder Wohnungen.  Production of hot water or heat energy for heating buildings or apartments.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein System aus einem erfindungsgemäßen Kraftwerk und einem Fahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Auto, Bus und Motorrad, wobei das Fahrzeug mit einem Motor ausgestattet ist, der für die Verbrennung von einem Kohlenwasserstoff, bevorzugt, Methanol, geeignet, bevorzugt optimiert, ist. The invention also provides a system comprising a power plant according to the invention and a vehicle selected from the group comprising cars, buses and motorcycles, the vehicle being equipped with an engine which is suitable, preferably optimized, for the combustion of a hydrocarbon, preferably methanol , is.
Erfindungsgemäß ist der Kohlenwasserstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methanol und Methan und Ameisensäure und Formaldehyd, bevorzugt Methanol. Nicht nur für die Eigentümer von Eigenheimen, die unabhängiger von der zentralisierten Energieversorgung sein wollen und ihr existierendes erneuerbares Energie-System (renewable energy System, RES) in einer Umgebung mit ungewissen Preisen und Anreizen rentabler machen wollen, ist das Projektergebnis ein Mikro-Energie-System (MES), welches dabei hilft, die überschüssige Energie des RES zu speichern und die Versorgung mit Energie hauptsächlich zum Heizen in kleinem Maßstab sicherzustellen. Im Gegensatz zu anderen C02- Nutzungen und Energie zu X Speicher-Strategien ist diese Anwendung besonders für häusliche Anwendungen geeignet, da sie bei milden Umgebungsbedingungen läuft (kein hoher Druck, keine hohen Temperaturen). Durch die Selektivität des grundlegenden neuen elektro- enzymatischen Ansatzes besteht kein Bedarf für die elektrolytische Herstellung von H2. Tatsächlich können alle Edukte direkt aus der Umwelt verwendet werden (Umgebungsluft, Leitungswasser). According to the invention, the hydrocarbon is selected from the group comprising methanol and methane and formic acid and formaldehyde, preferably methanol. Not only for the owners of homes, who want to be more independent of the centralized energy supply and make their existing renewable energy system (RES) more cost-effective in an environment with uncertain prices and incentives, the project result is a micro-energy System (MES), which helps to save the surplus energy of the RES and to ensure the supply of energy mainly for heating on a small scale. Unlike other C0 2 uses and energy-to-X memory strategies, this application is especially suited for domestic applications as it runs in mild environmental conditions (no high pressure, no high temperatures). Due to the selectivity of the basic new electro-enzymatic approach, there is no need for the electrolytic production of H 2 . In fact, all starting materials can be used directly from the environment (ambient air, tap water).
In dem Projekt ist die elektro-biokatalytische Konversion von C02 und Elektrizität durch eine Kaskade enzymatischer Reaktionen zu Methanol der Schlüsselprozess. Das erhaltene Methanol wird als Brennstoff für das Heizungssystem verwendet. Keine externe Speicherung oder Infrastruktur ist nötig. In the project, the key process is the electro-biocatalytic conversion of C0 2 and electricity through a cascade of enzymatic reactions to methanol. The resulting methanol is used as fuel for the heating system. No external storage or infrastructure is needed.
Kommerzielle Rentabilität Commercial profitability
Für den Endverbraucher wird unser System eine attraktive Alternative zu zentralisierer Gasoder Energieversorgung. Die angestrebte jährlichen Kostenstruktur für das System und Verbrauchsmaterialien sollten vergleichbar mit den Kosten für jährlichen Gasverbrauch sein (Referenz 10 Ct / KwH Erdgas in Deutschland in ca. 5-10 Jahren). Zusätzlich ermöglicht unsere Lösung die effiziente Speicherung von Energie, die durch erneuerbare Quellen (wie solar) hergestellt wurden. For the end user, our system becomes an attractive alternative to centralized gas or energy supply. The target annual cost structure for the system and consumables should be comparable to the cost of annual gas consumption (reference 10 Ct / KwH natural gas in Germany in about 5-10 years). In addition, our solution enables the efficient storage of energy produced by renewable sources (such as solar).
Für den Vertreiber, also strategische Partner bietet der Bedarf an wiederkehrenden Käufen von Verbrauchsmaterial (Enzymreaktor) neben dem Einzelverkauf des MES ein attraktives Verkaufspotential, welches 1 Milliarde€ p.a. in Deutschland übersteigt. For distributors, ie strategic partners, the need for recurring purchases of consumables (enzyme reactor) offers an attractive sales potential in addition to the retail sale of the MES, which amounts to € 1 billion p.a. in Germany.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet„ein"„ein oder mehrere", sofern dies nicht ausdrücklich anders spezifiziert ist. Fig. 1 Ausmaß des Projekts. Energy: Energie, Enzymes: Enzyme, Enzyme reactor: Enzym- Reaktor, Separation unit: Trennugseinheit, storage: Speicher. In the context of the invention, "a" means "one or more", unless otherwise specified. Fig. 1 Extent of the project. Energy: Energy, Enzymes: Enzymes, Enzyme reactor: Enzyme reactor, Separation unit: Separation unit, storage: Storage.
Fig. 2 Geplantes Ergebnis der Projektaktivität: Verbesserung der Enzymproduktivität und Stabilität Fig. 2 Planned result of project activity: improvement of enzyme productivity and stability
Fig. 3 Kerntechnologie - Elektro-Enzymatischer Reaktor, in dem C02, H2 aus H20 und Elektrizität in hochwertige Brennstoffe wie CH3OH (Methanol) umgewandelt wird. Fig. 3 Core Technology - Electro-enzymatic reactor in which C0 2 , H 2 is converted from H 2 O and electricity into high quality fuels such as CH 3 OH (methanol).
Beispiele Examples
Proiektbeschreibung Proiektbeschreibung
1. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie I - Elektro-enzymatische Reaktionen 1. Development activities in key technology I - electro-enzymatic reactions
Unsere Schlüssel-Reaktion wird die elektrochemische Bildung eines organischen Cl -Moleküls wie Methanol (CH3OH) in einer enzymatischen Kaskade über mehrere Schritte, ausgeführt an leitenden und direkt geheizten Elektroden. Our key reaction involves the electrochemical formation of an organic Cl molecule such as methanol (CH 3 OH) in an enzymatic cascade over several steps, performed on conducting and directly heated electrodes.
Schema 1: Schlüssel-Reaktion (kaskadierende elektro-biokatalytische Reduktion) Scheme 1: Key reaction (cascading electro-biocatalytic reduction)
Dieser Ansatz ist z.B. wegen der folgenden Merkmale neu: This approach is e.g. because of the following features:
Milde Bedingungen - kein hoher Druck oder hohe Temperaturen nötig Mild conditions - no high pressure or high temperatures needed
Hohe Selektivität durch enzymatische Umwandlung;  High selectivity through enzymatic conversion;
Keine Reinigung / Konzentration von Strömungen von Umgebungsluft mit hohem Volumen; No cleaning / concentration of high volume ambient air flows;
Keine Elektrolyse bei H20-Umwandlung, um H2 direkt aus Wasser zu bilden (wobei 02 entsteht); Höhere Reaktionsgeschwindigkeit, höhere Umsätze ohne signifikante oder ohne Degradierung von Enzymen durch Verwendung von direkt geheizten Elektroden im Vergleich zu ungeheizten Elektroden; und/oder No electrolysis on H 2 O conversion to form H 2 directly from water (giving 0 2 ); Higher reaction rate, higher conversions without significant or no degradation of enzymes by using directly heated electrodes compared to unheated electrodes; and or
Direkte Kontrolle des Umsatzes und der Enzymaktivität durch integrierte elektrochemische Umsatz- und Temperatur-Messungen ist möglich.  Direct control of turnover and enzyme activity through integrated electrochemical conversion and temperature measurements is possible.
Diese Merkmale unterscheiden unseren Ansatz von weiteren C02- Nutzungstechniken und machen ihn besonders passend für Anwendungen in kleinem Maßstab. These features distinguish our approach from other C0 2 usage techniques, making it particularly suitable for small scale applications.
Schlüsselaktivitäten in dem Projekt zielen auf die Verbesserung der Enzym-Erträge und Stabilität ab, d.h. Verlängerung der Lebensdauer. Der aktuelle Status und geplante Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Key activities in the project are aimed at improving enzyme yields and stability, i. Extension of the service life. The current status and scheduled results are shown in FIG.
Die geplanten Aktivitäten, um diese Ziele zu erreichen, sind The planned activities to achieve these goals are
Verbesserte Enzymstabilität und Aktivität (um Faktoren von je 100 und 30) Improved enzyme stability and activity (by factors of 100 and 30)
Verringerte Herstellungskosten des Enzyms (Ziel:<10€/g)  Reduced production costs of the enzyme (target: <10 € / g)
Ähnliche Verfahren waren in bisherigen Projekten von 3 Jahren Dauer erfolgreich. Similar procedures have been successful in previous projects of 3 years duration.
Es gibt Beispiele von wissenschaftlich erprobten Entwicklungen, bei denen Enzyme durch Verwendung von geheizten Elektroden oder geheizten Reaktionsmedien verbessert wurden. Diese Enzyme sind normalerweise von thermophilen Organismen abgeleitet und katalysieren die Teilreaktion innerhalb des NADH-Cyclus [McPherson, I.J.und Vincent, K.A.; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014]. There are examples of scientifically proven developments in which enzymes have been improved by using heated electrodes or heated reaction media. These enzymes are normally derived from thermophilic organisms and catalyze the partial reaction within the NADH cycle [McPherson, I.J. and Vincent, K.A .; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014].
2. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie II - Elektro-enzymatischer Reaktor 2. Development activities in key technology II - electro-enzymatic reactor
Die Schlüssel-Reaktions-Kaskade wird in einem speziell entworfenen Reaktor ausgeführt. Wegen unseres geplanten Wirtschaftsmodells ist das Hauptziel in diesem Projekt die Entwicklung und Realisierung eines Einweg- Elektro-enzymatischen Reaktors auf kosteneffiziente Art (Zusammenbau, Platzierung der Enzyme, Verdrahtung). Es kann jedoch auch ein recycelbarer Reaktor eingesetzt werden, bei dem z.B. nach Nachlassen der Effizienz nach einer Reinigung neue Enzyme mit den Elektroden assoziiert werden. The key reaction cascade is carried out in a specially designed reactor. Because of our planned economic model, the main goal in this project is the development and realization of a disposable electro-enzymatic reactor in a cost-effective way (assembly, enzyme placement, wiring). It can, however a recyclable reactor can be used in which, for example, after the efficiency has lessened after purification, new enzymes are associated with the electrodes.
Der Reaktor wird direkt geheizte Elektroden umfassen, auf denen die Enzyme auf eine Art immobilisiert sind, dass Elektronen von der Elektrischen Energiequelle zu der elektro- biokatalytischen Reaktion transferiert werden können. Dies wird durch Verwendung von Elektroden mit großer Fläche im Becherglas oder durch Modifizierung der Innenseite der Röhren-Reaktoren erreicht. The reactor will comprise directly heated electrodes on which the enzymes are immobilized in a way that allows electrons to be transferred from the electrical energy source to the electrobiocatalytic reaction. This is achieved by using large area electrodes in the beaker or by modifying the inside of the tube reactors.
3. Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie HI - Systemintegration 3. Development activities in key technology HI - system integration
Entsprechend dem Gesamtziel des Projekts werden die Schlüsseltechnologien bevorzugt in ein alleinstehendes System integriert, welches in existierende häusliche Heizungs-Infrastruktur integriert werden kann. According to the overall objective of the project, the key technologies are preferably integrated into a standalone system that can be integrated into existing domestic heating infrastructure.
Die grundlegende Funktion der Systems: eine optimierte Enzym-Kaskade ist dazu in der Lage, x Gramm Produkt innerhalb von y Stunden unter Verwendung von z Milligramm Katalysator zu produzieren. Es ist unser Ziel, 5 kg Methanol pro Tag zur Verwendung in existierender Infrastruktur, so wie Heizungssystemen, zu produzieren. Wegen der Komplexität der Maßstabsvergrößerung biokatalytischer Reaktionen werden wir uns auf eine diskrete Strategie zur Maßstabsvergrößerung fokussieren:„einfach" die Anzahl an parallel laufenden (Einweg) elektro-biokatalytischen Reaktoren erhöhen. Gemäß aktueller Entwürfe sind 1000 parallele Reaktoren dazu in der Lage, die angestrebte Menge von Energie / Brennstoff pro Tag herzustellen. The basic function of the system: an optimized enzyme cascade is able to produce x grams of product within y hours using z milligrams of catalyst. It is our goal to produce 5 kg of methanol per day for use in existing infrastructure, such as heating systems. Because of the complexity of scale-up of biocatalytic reactions, we will focus on a discrete scale-up strategy: "simply" increase the number of parallel (disposable) electro-biocatalytic reactors. "According to current designs, 1000 parallel reactors are capable of achieving the desired amount to produce energy / fuel per day.
Das Reaktions-Medium wird von dem Produkt Methanol z.B. durch Nutzung einer Pervaporations-Verfahrens abgetrennt. Das Reaktionsmedium wird in einem Kreislauf gepumpt, während das Methanol innerhalb der Vorrichtung produziert und gelagert wird. The reaction medium is separated from the product methanol e.g. separated by using a pervaporation method. The reaction medium is pumped in a loop while the methanol is produced and stored within the device.
4. Vergleichsversuche Bioelektrokatalyse mit nicht beheizter Elektrode 4. Comparative Experiments Bioelectrocatalysis with unheated electrode
Bevor eine Optimierung der Bioelektrokatalyse am HF Thermalab® (Gensoric, Rostock, DE) durchgeführt wurde, wurden Vorversuche zur Reduktion von C02 zu Ameisensäure mit einer nicht beheizbaren Enzym- Alginat-Elektrode durchgeführt. Zur Herstellung dieser Elektrode wurden 75 mg aufgearbeitetes Präparat einer Formiat-Dehydrogenase aus Candida spp. (Candida boidinii) genutzt (Sigma Aldrich). Das Enzym wurde in Alginat auf einem Kohlenstoffgewebe immobilisiert und als Arbeitselektrode zur Reduktion von C02 zu Ameisensäure eingesetzt (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for C02 Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry). Als Referenzelektrode wurde eine Silber- Silberchlorid- Elektrode (Ag/AgCl) mit 3 M KCl und als Gegenelektrode ein 2 mm Graphitstab genutzt. Alle Reaktionen wurden bei Raumtemperatur in 20 mL einer wässrig gepufferten Elektrolytlösung (0.05 M TRIS, pH 7,7) in einem 100-mL-Reaktor durchgeführt. Für die bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure wurde der Reaktor kontinuierlich mit C02 begast. Kontrollexperimente wurden in Argon-gesättigten Elektrolytlösungen ohne C02 durchgeführt. Die Funktionalität der Enzym-Alginat-Elektrode wurde zunächst über Cyclovoltammetrie überprüft und der Reduktionspeak von C02 wurde bei ca. -0.8 V ermittelt. Before an optimization of bioelectrocatalysis was carried out on HF Thermalab® (Gensoric, Rostock, DE), preliminary tests were carried out for the reduction of C0 2 to formic acid with a non-heatable enzyme alginate electrode. For the production of this electrode 75 mg of processed preparation of formate dehydrogenase from Candida spp. (Candida boidinii) (Sigma Aldrich). The enzyme was immobilized in alginate on a carbon cloth and used as a working electrode for the reduction of C0 2 to formic acid (Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for CO 2 Reduction, 2013. Institute of Physical Chemistry). The reference electrode used was a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl) with 3 M KCl and, as counterelectrode, a 2 mm graphite rod. All reactions were performed at room temperature in 20 mL of an aqueous buffered electrolyte solution (0.05 M TRIS, pH 7.7) in a 100 mL reactor. For the bioelectrocatalytic synthesis of formic acid, the reactor was continuously gassed with C0 2 . Control experiments were carried out in argon-saturated electrolyte solutions without C0 2 . The functionality of the enzyme-alginate electrode was first checked by cyclic voltammetry and the reduction peak of C0 2 was determined at about -0.8 V.
Daraufhin wurde die Synthese von Ameisensäure mittels Chronoamperometrie durchgeführt (Tabelle 1). Subsequently, the synthesis of formic acid was carried out by means of chronoamperometry (Table 1).
Tabelle 1: Bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure aus C02 mittels Table 1: Bioelectrocatalytic synthesis of formic acid from CO 2 by means of
Chronoamperometrie.  Chronoamperometry.
In einem ersten Vorversuch konnten mit einer Spannung von -I V und bei Raumtemperatur insgesamt 0,15 mg Ameisensäure bioelektrokatalytisch aus C02 gewonnen werden. Die Quantifizierung erfolgte durch einen enzymatischen Assay der Probe und über HPLC. In einem zweiten Vorversuch wurde eine Spannung von -0,8 V angelegt. Dabei wurde eine ähnliche Ausbeute mit 0,14 mg Ameisensäure aus C02 erzielt. In a first preliminary experiment, a total of 0.15 mg formic acid could be obtained bioelectrocatalytically from C0 2 at a voltage of -IV and at room temperature. The quantification was carried out by an enzymatic assay of the sample and by HPLC. In a second preliminary test, a voltage of -0.8 V was applied. A similar yield was obtained with 0.14 mg of formic acid from C0 2 .
5. Optimierung Bioelektrokatalyse an geheizten Elektroden 5. Optimization of bioelectrocatalysis on heated electrodes
Im weiteren Verlauf der Versuchsreihen sollte die bioelektrokatalytische Reduktion von C02 an geheizten Elektroden optimiert werden. Dabei sollte durch gezieltes Heizen der Elektroden der Effekt der Temperatur auf die katalytischen Eigenschaften der immobilisierten Enzyme analysiert und damit optimale Parameter für die enzymkatalysierte Reaktion gefunden werden. Für die Versuche wurde das System HF Thermalab™ von Gensoric herangezogen. In the further course of the experiments, the bioelectrocatalytic reduction of C0 2 on heated electrodes was to be optimized. In this case, the effect of the temperature on the catalytic properties of the immobilized enzymes should be controlled by heating the electrodes analyzed and thus optimal parameters for the enzyme-catalyzed reaction can be found. For the experiments the system HF Thermalab ™ from Gensoric was used.
Es wurde 1 mg Enzym (Formiat-Dehydrogenase aus Candida sp.) mittels Alginat-Suspension auf eine geheizte Mikroelektrode immobilisiert. Mit dieser wurden eine Reihe chronoamperometrischer Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen (22°C 30°C, 35°C, 40°C, 45° C) durchgeführt. Als Referenz- und Gegenelektrode wurden die Elektroden aus den Vergleichsversuchen genutzt. Noch vor den Experimenten erfolgte jeweils die Zugabe von 1 mg regeneriertem Cofaktor NADH und ein Test der Enzym-Mikroelektrode auf bioelektrokatalytische Aktivität mit C02 bei Raumtemperatur. Dieser Test lag in jedem Fall zwischen -320 μΑ und -330 μΑ eines bei -0,8 V durchgeführten 2-3 -minütigen Chronoamperogramms. Während der Versuche wurde die Temperatur des Elektrolyten im Reaktor gemessen. Als Negativkontrolle erfolgte ein Experiment mit Alginat ohne Enzym auf der Mikroelektrode. 1 mg of enzyme (formate dehydrogenase from Candida sp.) Was immobilized on a heated microelectrode using alginate suspension. With this a series of chronoamperometric measurements at different temperatures (22 ° C 30 ° C, 35 ° C, 40 ° C, 45 ° C) were performed. As reference and counter electrode, the electrodes from the comparative experiments were used. Each experiment was preceded by the addition of 1 mg of regenerated cofactor NADH and a test of the enzyme microelectrode for bioelectrocatalytic activity with C0 2 at room temperature. In each case, this test was between -320 μΑ and -330 μΑ of a 2-3 minute chronoamperogram performed at -0.8 V. During the experiments, the temperature of the electrolyte in the reactor was measured. The negative control was an experiment with alginate without enzyme on the microelectrode.
In den Vergleichsversuchen wurde mit Spannungen von -1 ,0 V und -0,8 V gearbeitet. Da ein Unterschied in den Ausbeuten von weniger als 10 % vorlag und der Energieeintrag in den Reaktor zur Vermeidung von Überpotentialen möglichst niedrig gehalten werden sollte, wurde mit einer Spannung von -0,8 V (vs. Ag/AgCl, 3 M eingearbeitet. In the comparative experiments, voltages of -1, 0 V and -0.8 V were used. Since there was a difference in the yields of less than 10% and the energy input into the reactor to avoid overpotentials should be kept as low as possible, was incorporated with a voltage of -0.8 V (vs. Ag / AgCl, 3 M).
Bei allen chronoamperometrischen Messungen konnte ein erhöhter Stromfluss zu Beginn der Messungen beobachtet werden, der sich nach ca. 3 h jeweils auf ein konstantes Niveau absenkte. Der Stromfluss der Reaktion bei einer Elektrodentemperatur von 40 °C war im Vergleich zu anderen Versuchen sowohl zu Beginn als auch im weiteren Reaktionsverlauf am höchsten, was Rückschlüsse auf vergleichsweise hohe Reduktionsraten zuließ. Dagegen wies das Chronoamperogramm bei 22 °C die niedrigsten Stromflüsse an einer Enzym-Elektrode auf. Der Kontrollverlauf ohne Enzym zeigte mit ca. -30 μΑ kaum einen Stromfluss, der im Verlauf der Reaktion noch weiter gegen 0 μΑ abnahm. Während der chronoamperometrischen Messungen wurden dem Reaktor jeweils nach 3 h und nach 9 h Proben entnommen, die über HPLC auf synthetisierte Ameisensäure untersucht wurden (Tabelle 2). Bei allen Experimenten mit geheizter Enzym-Mikroelektrode wurde aus dem kontinuierlich mit C02 begasten Reaktor heraus bereits nach 3 h Ameisensäure detektiert, wobei sich die Menge nach 9 h in etwa verdoppelte. Dabei wurde bei einer Elektrodentemperatur von 40 °C die größte Menge an Ameisensäure gemessen, während bei Versuchen mit anderen Elektrodentemperaturen (22 °C, 30 °C, 35 °C, 45 °C) weniger Ameisensäure anfiel. Mit Ausnahme des Versuchs bei 45 °C, nahm die Ausbeute an Produkt proportional mit der Temperierung der Elektrode zu. Während der Versuche wurde kontinuierlich die Temperatur der Elektrolytlösung im Reaktor überprüft. Selbst bei der höchsten angelegten Heizleistung auf 45 °C Elektrodentemperatur, blieb die Elektrolytlösung im Reaktor konstant bei 22 °C (Tabelle 2). In all chronoamperometric measurements, an increased current flow was observed at the beginning of the measurements, which decreased to a constant level after approx. 3 h. The current flow of the reaction at an electrode temperature of 40 ° C was highest compared to other experiments both at the beginning and in the further course of the reaction, which allowed conclusions on comparatively high reduction rates. In contrast, the chronoamperogram at 22 ° C had the lowest current flows on an enzyme electrode. The control course without enzyme barely showed a current flow of about -30 μΑ, which decreased even further towards 0 μΑ in the course of the reaction. During the chronoamperometric measurements, samples were taken from the reactor after 3 h and after 9 h, respectively, which were analyzed by HPLC for synthesized formic acid (Table 2). In all experiments with heated enzyme microelectrode, formic acid was already detected after 3 hours from the reactor gassed continuously with CO 2 , with the amount approximately doubling after 9 hours. The highest amount of formic acid was measured at an electrode temperature of 40 ° C, while less formic acid was obtained in experiments with other electrode temperatures (22 ° C, 30 ° C, 35 ° C, 45 ° C). With the exception of the experiment at 45 ° C, the yield of product increased in proportion to the temperature of the electrode. While The experiments continuously monitored the temperature of the electrolyte solution in the reactor. Even at the highest applied heat output at 45 ° C electrode temperature, the electrolyte solution in the reactor remained constant at 22 ° C (Table 2).
Tabelle 2: Bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure aus C02 bei unterschiedlichen Temperaturen an geheizten Elektroden. Table 2: Bioelectratic synthesis of formic acid from CO 2 at different temperatures on heated electrodes.
*n. d.: nicht detektiert  * N. d .: not detected
Diskussion discussion
In Vergleichsversuchen konnte die Synthese von 0,15 mg Ameisensäure aus C02 mittels Chronoamperometrie (-1 V; vs. Ag/AgCl, 3 M C1-) innerhalb von 9 h bei Raumtemperatur in einem 100-mL-Reaktor gezeigt werden. Dabei ermöglichten die selektiven katalytischen Eigenschaften der Elektroenzyme das Anlegen einer niedrigen Spannung (-0,8 V; vs. Ag/AgCl, 3 M C1-) für die fast gleiche Syntheseleistung (0,14 mg Ameisensäure in 9 h). In Folgeexperimenten gelang unter ähnlichen Bedingungen die Synthese von 0,05 mg Ameisensäure. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Vergleichsversuchen und dem ersten Folgeexperiment bei Raumtemperatur lag in der Menge der eingesetzten Enzyme sowie der Beschaffenheit des Elektrodenmaterials. Während im Vergleichsversuch insgesamt 75 mg Enzym als Bioelektrokatalysator auf Kohlenstoffgewebe immobilisiert wurden, so wurde in Folgeexperimenten mit einer beheizbaren Mikroelektrode von Gensoric gearbeitet, bei der aufgrund der deutlich geringeren Elektrodenoberfläche nur 1 mg Enzym immobilisiert wurden. Demnach fiel die Ausbeute mit der beheizbaren Mikroelektrode bezogen auf den Einsatz des Katalysators mit 0,05 mg Ameisensäure pro mg Enzym im Vergleich zum Vergleichsversuch mit ca. 0,002 mg Ameisensäure pro mg Enzym deutlich höher aus. In comparative experiments, the synthesis of 0.15 mg of formic acid from C0 2 was demonstrated by chronoamperometry (-1 V, vs. Ag / AgCl, 3 M C1-) within 9 h at room temperature in a 100 mL reactor. The selective catalytic properties of the electroenzymes enabled the application of a low voltage (-0.8 V, vs. Ag / AgCl, 3 M C1-) for almost identical synthesis performance (0.14 mg formic acid in 9 h). In subsequent experiments, the synthesis of 0.05 mg of formic acid was achieved under similar conditions. A significant difference between comparative experiments and the first subsequent experiment at room temperature was the amount of enzymes used and the nature of the electrode material. While in the comparative experiment a total of 75 mg of enzyme was immobilized as a bioelectrocatalyst on carbon fabric, subsequent experiments were carried out with a heatable microelectrode from Gensoric, in which only 1 mg of enzyme was immobilized due to the significantly lower electrode surface. Accordingly, the yield with the heatable microelectrode with respect to the use of the catalyst with 0.05 mg of formic acid per mg of enzyme was significantly higher in comparison to the comparative experiment with about 0.002 mg of formic acid per mg of enzyme.
Der Vorteil im Einsatz geheizter Elektroden liegt darin, dass Temperaturen für optimale Reaktionsbedingungen direkt auf der Elektrodenoberfläche eingestellt werden können und es nicht nötig ist, die gesamte Elektrolytlösung eines Reaktors zu temperieren, was die Energiebilanz von elektrokatalytischen Prozessen jeglicher Art verbessert. Die Temperatur im Reaktor wurde während der bioelektrokatalytischen Synthesen kontinuierlich überprüft. Dabei blieb die Temperatur konstant bei 22 °C. Dies könnte einerseits daran liegen, dass durch die kontinuierliche Begasung des Elektrolyten eine kontinuierliche Durchmischung stattfand und der Wärmetransport an die Umgebung gefördert wurde. Andererseits könnte ein Teil der Wärme von den geheizten Elektroden auch direkt auf die immobilisierten Enzyme geleitet worden sein, welche dadurch verstärkt zu Konformationsänderungen angeregt wurden. The advantage of using heated electrodes lies in the fact that temperatures can be set directly on the electrode surface for optimum reaction conditions and it is not necessary to temper the entire electrolyte solution of a reactor, which improves the energy balance of electrocatalytic processes of any kind. The temperature in the reactor was continuously monitored during bioelectrocatalytic syntheses. The temperature remained constant at 22 ° C. On the one hand, this could be due to the continuous mixing of the electrolyte due to the continuous gassing of the electrolyte and the transport of heat to the environment being promoted. On the other hand, some of the heat from the heated electrodes could also have been conducted directly to the immobilized enzymes, which were thereby increasingly excited to conformational changes.
In weiteren Experimenten wurde die Syntheserate von Ameisensäure durch direktes Heizen der Enzym-Mikroelektroden optimiert. Die höchsten Syntheseraten mit 0,02-0,03 mg/h (bezogen auf eine konstante Syntheserate laut Chronoamperogramm nach den ersten 3 Stunden der Reaktion) fanden bei 35 °C und 40 °C statt. Im Vergleich dazu sank die Syntheserate von Ameisensäure sowohl bei Abnahme der Elektrodentemperatur bis 22 °C als auch bei einer Zunahme auf 45 °C. Wahrscheinlich liefen sowohl Substrataufnahme und Produktabgabe an der Enzym-Mikroelektrode als auch Änderungen von Konformationszuständen des immobilisierten Enzyms, die für das Ablaufen des katalytischen Reaktionsmechanismus notwendig waren, optimal zwischen 35 °C und 40 °C ab, was eine Versechsfachung des Umsatzes gegenüber Raumtemperatur (22°C) zur Folge hatte. Interessanterweise sind in der Literatur sind Reaktionsoptima desselben Enzyms in Lösung bei Temperaturen um 60 °C angegeben (Tishkov V et al, Catalytic mechanism and application of formate dehydrogenase. Biochemistry (Moscow), 2004, 69(11): 1252-1267). In further experiments, the rate of synthesis of formic acid was optimized by directly heating the enzyme microelectrodes. The highest synthesis rates of 0.02-0.03 mg / h (based on a constant rate of synthesis according to Chronoamperogramm after the first 3 hours of the reaction) took place at 35 ° C and 40 ° C. In comparison, the rate of synthesis of formic acid decreased both when the electrode temperature decreased to 22 ° C and when it increased to 45 ° C. Probably, both substrate uptake and product delivery to the enzyme microelectrode, as well as changes in conformational states of the immobilized enzyme necessary for the catalytic reaction mechanism proceeded optimally between 35 ° C and 40 ° C, a sixfold increase in conversion over room temperature (22 ° C). Interestingly, in the literature, reaction optima of the same enzyme are indicated in solution at temperatures around 60 ° C (Tishkov V et al, Catalytic Mechanism and Application of Formated Dehydrogenase, Biochemistry (Moscow), 2004, 69 (11): 1252-1267).
Insgesamt wurden zu Beginn eines jeden Experiments jeweils die stärksten Stromflüsse gemessen, was darauf hindeutete, dass sich ein Großteil der Elektrodenreaktion in den ersten Stunden vollzieht. Dies konnte durch Messungen der Ameisensäurekonzentration bestätigt werden. Nach 3 h wurde demnach bereits etwa die Hälfte der Ameisensäure synthetisiert, die im jeweiligen Experiment nach weiteren 6 h vorlag. Die Abnahme der Reaktionsraten kann mit der ansteigenden Produktkonzentration in den Bioelektrokatalysatoren erklärt werden. Demnach sind Diffusionseffekte für eine Anfangs beschleunigte Reaktion verantwortlich. Wahrscheinlich ist zudem die Regeneration von NADH ein limitierender Faktor für die bioelektrische Katalyse. Da zu Beginn noch genügend Cofaktor für CC Reduktionen vorlag, liefen die Reaktionen jeweils am schnellsten ab. Im weiteren Verlauf wurde der Cofaktor nicht mehr in für enzymatische Reaktionen verwertbare Isomere reduziert, was zur Verlangsamung der Reaktionen führte. Eine effektive Regeneration des Cofaktors z.B. ebenfalls enzymatisch, kann daher die Reaktionseffizienz verbessern. Overall, the strongest current flows were measured at the beginning of each experiment, indicating that most of the electrode reaction occurred in the first few hours. This was confirmed by measurements of the formic acid concentration. After 3 h, therefore, already about half of the formic acid was synthesized, which was present in the respective experiment after another 6 h. The decrease in reaction rates can be explained by the increasing product concentration in the bioelectrocatalysts. Thus, diffusion effects are responsible for an initial accelerated reaction. In addition, the regeneration of NADH is probably a limiting factor for bioelectric catalysis. Since there was still sufficient cofactor for CC reductions at the beginning, the reactions were the fastest. In the further course, the cofactor was no longer reduced to isomers that could be used for enzymatic reactions, which led to slower reactions. An effective regeneration of the cofactor, for example also enzymatically, can therefore improve the reaction efficiency.
Da die Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen mit immer derselben Enzym- Mikroelektrode durchgeführt wurden, ist davon auszugehen, dass die bioelektrokatalytische Synthese von Ameisensäure auch über die 9 h hinaus weiter konstant zunimmt, da in den Tests vor jedem Experiment eine Degeneration des immobilisierten Materials über einen Zeitraum von einer Woche nicht zu beobachten war.  Since the experiments were carried out at different temperatures with the same enzyme microelectrode, it can be assumed that the bioelectrocatalytic synthesis of formic acid continues to increase constantly over the 9 h, since in the tests before each experiment a degeneration of the immobilized material over a period of time of one week was not observed.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Reduktion von C02, Schritte umfassend, bei denen man C02 mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. 1. A process for producing a hydrocarbon by the reduction of C0 2, comprising steps in which is reduced C0 2 by means of a directly heated electrode to a hydrocarbon.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion enzymatisch erfolgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the reduction is enzymatic.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten durch ein Enzym katalysiert wird, welches mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reduction is carried out in several steps, wherein the reduction in at least one, preferably all, steps is catalyzed by an enzyme which is associated with a directly heated electrode.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche jeweils mit einer Elektrode assoziiert sind, die auf eine für die jeweilige Reaktion optimale Temperatur direkt geheizt ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that several, preferably all steps of enzymes are catalyzed, which are each associated with an electrode which is heated directly to an optimum temperature for the respective reaction.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche mit der gleichen direkt geheizten Elektrode assoziiert sind. 5. The method according to claim 3, characterized in that several, preferably all steps of enzymes are catalyzed, which are associated with the same directly heated electrode.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten jeweils durch ein Enzym katalysiert wird, welches dabei einen Cofaktor oxidiert, der an einer direkt geheizten Elektrode regeneriert wird, wobei der Cofaktor ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend NADH, NADPH, und FADH. 6. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the reduction is carried out in several steps, wherein the reduction is catalyzed in at least one, preferably all, steps in each case by an enzyme which thereby oxidizes a cofactor which on a regenerated directly heated electrode, wherein the cofactor is selected from a group comprising NADH, NADPH, and FADH.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion durch Formiatdehydrogenase, Aldehyddehydrogenase und/oder Alkoholdehydrogenase katalysiert wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reduction is catalyzed by formate dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase and / or alcohol dehydrogenase.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass C02 durch eine Carboanhydrase zu Bicarbonat umgewandelt wird, wobei die Carboanhydrase optional mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that C0 2 is converted by a carbonic anhydrase to bicarbonate, wherein the carbonic anhydrase is optionally associated with a directly heated electrode.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion nicht- enzymatisch an einer geheizten Elektrode abläuft, wobei das die Elektrode bevorzugt ein Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Titan, Ruthenium und Kombinationen davon. 9. The method according to claim 1, characterized in that the reduction proceeds non-enzymatically on a heated electrode, wherein the electrode preferably comprises a material which is selected from the group comprising platinum, copper, titanium, ruthenium and combinations thereof.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt geheizte Elektrode als Spirale oder Helix oder Netz oder Fläche geformt ist. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the directly heated electrode is formed as a spiral or helix or mesh or surface.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt geheizte Elektrode aus einem Elektrodenmaterial besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, insbesondere Glaskohle oder Graphit, einem Edelmetall, insbesondere Gold oder Platin, einem optisch transparenten leitfähigen Material, insbesondere indiumdotiertem Zinnoxid, Kupfer, Edelstahl und Nickel. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the directly heated electrode consists of an electrode material which is selected from the group comprising carbon, in particular glassy carbon or graphite, a noble metal, in particular gold or platinum, an optically transparent conductive material, in particular indium-doped tin oxide, copper, stainless steel and nickel.
12. Vorrichtung, in der ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche abläuft oder welche dafür geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Elektroden sowie eine Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion umfasst. 12. Device in which a method according to one of the preceding claims expires or which is suitable, characterized in that it comprises two electrodes and a membrane for separating the anodic and cathodic reaction.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen kann. 13. The apparatus according to claim 12, characterized in that a plurality of reaction vessels are connected in parallel and in total can produce the reaction product.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Einweg - oder recycelbarer Reaktor aufgebaut ist. 14. The device according to claim 12, characterized in that it is constructed as a disposable or recyclable reactor.
15. Vorrichtung zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Fixierung von C02, umfassend c) eine direkt geheizte Elektrode, mit der bevorzugt mindestens ein Enzym assoziiert ist, welches einen Schritt der Reduktion von C02 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, oder mit der bevorzugt mindestens ein Cofaktor assoziiert ist, der mit einem Enzym zusammenwirken kann, welches einen Schritt der Reduktion von C02 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, und d) eine Vorrichtung zum Einleiten von gasförmigem C02, welche dafür geeignet ist, das C02 in einen Reaktionsraum einzubringen, in dem es mit der direkt geheizten Elektrode in Kontakt treten kann, wobei die Vorrichtung optional eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14 ist. 15. A device for producing a hydrocarbon by fixing C0 2 , comprising c) a directly heated electrode, with which preferably at least one enzyme is associated, which comprises a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon or at least one cofactor is associated, which may interact with an enzyme which can catalyze a step of reducing C0 2 to a hydrocarbon, and d) a device for introducing gaseous C0 2 which is suitable therefor to introduce the C0 2 in a reaction space in which it can come into contact with the directly heated electrode, wherein the device is optionally a device according to any one of claims 12-14.
16. Kraftwerk zur Bereitstellung von Energie in Form von Strom und/oder einem Kohlenwasserstoff, umfassend 16. Power plant for providing energy in the form of electricity and / or a hydrocarbon, comprising
i) eine Energiequelle, bevorzugt eine regenerative Energiequelle basierend etwa auf Photovoltaik,  i) an energy source, preferably a regenerative energy source based, for example, on photovoltaics,
ii) die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, wobei die für die Herstellung von einem Kohlenwasserstoff notwendige Energie aus der Energiequelle i) stammt,  ii) the device according to any one of claims 12-15, wherein the energy necessary for the production of a hydrocarbon originates from the energy source i),
iii) einen Kohlenwasserstoff-Speicher, und  iii) a hydrocarbon reservoir, and
iv) optional, eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffzelle zur Produktion von Strom, oder v) optional eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff zur  iv) optionally, a hydrocarbon fuel cell for the production of electricity, or v) optionally a device for the combustion of hydrocarbons for
Herstellung von Warmwasser bzw. Wärmeenergie für das Heizen von Gebäuden oder Wohungen.  Production of hot water or heat energy for heating buildings or homes.
17. System aus einem Kraftwerk nach Anspruch 16 und einem Fahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Auto, Bus und Motorrad, wobei das Fahrzeug mit einem Motor ausgestattet ist, der für die Verbrennung von einem Kohlenwasserstoff, bevorzugt, Methanol, geeignet, bevorzugt optimiert, ist. 17. System of a power plant according to claim 16 and a vehicle selected from the group comprising car, bus and motorcycle, wherein the vehicle is equipped with an engine which is suitable for the combustion of a hydrocarbon, preferably, methanol, preferably, preferably optimized ,
18. Verfahren, Vorrichtung, Kraftwerk oder System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Methanol und Methan und Ameisensäure und Formaldehyd. 18. A method, apparatus, power plant or system according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrocarbon is selected from the group comprising methanol and methane and formic acid and formaldehyde.
EP15817753.5A 2014-11-17 2015-11-17 Method and apparatus for converting carbon dioxide Pending EP3221458A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014016894.8A DE102014016894A1 (en) 2014-11-17 2014-11-17 Process and apparatus for converting gaseous carbon compounds
PCT/DE2015/100492 WO2016078649A2 (en) 2014-11-17 2015-11-17 Method and apparatus for converting carbon compounds

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3221458A2 true EP3221458A2 (en) 2017-09-27

Family

ID=55066260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15817753.5A Pending EP3221458A2 (en) 2014-11-17 2015-11-17 Method and apparatus for converting carbon dioxide

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20170327959A1 (en)
EP (1) EP3221458A2 (en)
JP (1) JP2017536845A (en)
CN (1) CN107429264A (en)
DE (1) DE102014016894A1 (en)
WO (1) WO2016078649A2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3352371B1 (en) * 2017-01-19 2020-09-30 Methanology AG Power supply system for a self-sufficient building
US20180265899A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Carbon dioxide fixation device and fuel production system
JP6822986B2 (en) * 2017-03-16 2021-01-27 株式会社東芝 Carbon fixation device and fuel production system
WO2021230045A1 (en) * 2020-05-14 2021-11-18 日東電工株式会社 Carbon-dioxide capture and treatment system and carbon-dioxide negative emission plant
CN112354496A (en) * 2020-11-27 2021-02-12 天津大学 Building emission reduction reactor based on photoelectrocatalysis system
EP4170333A1 (en) 2021-10-22 2023-04-26 Methanology AG Electronic microtiter plate
CN114369843B (en) * 2022-01-25 2023-02-03 太原师范学院 CO (carbon monoxide) 2 Catalytic reduction device and application thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090014336A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-15 Olah George A Electrolysis of carbon dioxide in aqueous media to carbon monoxide and hydrogen for production of methanol
US20130126336A1 (en) * 2010-07-16 2013-05-23 Sony Corporation Carbon dioxide immobilization unit
EP2647596A2 (en) * 2008-12-18 2013-10-09 Silicon Fire AG Method and apparatus for providing an energy source using carbon dioxide as a carbon source, and electric power

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE791653A (en) * 1971-12-28 1973-05-21 Texaco Development Corp ELECTROLYTIC PROCESS FOR THE PREPARATION OF ACID
US4620906A (en) * 1985-01-31 1986-11-04 Texaco Inc. Means and method for reducing carbon dioxide to provide formic acid
WO2002097106A1 (en) * 2001-05-30 2002-12-05 Bioneer Corporation Electrochemical preparation of acetic acid
WO2010068994A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 The University Of Queensland Process for the production of chemicals
WO2010088524A2 (en) * 2009-01-29 2010-08-05 Princeton University Conversion of carbon dioxide to organic products

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090014336A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-15 Olah George A Electrolysis of carbon dioxide in aqueous media to carbon monoxide and hydrogen for production of methanol
EP2647596A2 (en) * 2008-12-18 2013-10-09 Silicon Fire AG Method and apparatus for providing an energy source using carbon dioxide as a carbon source, and electric power
US20130126336A1 (en) * 2010-07-16 2013-05-23 Sony Corporation Carbon dioxide immobilization unit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J N COLLIE: "On the decomposition of carbon dioxide, when submitted to electric discharge at low pressures", PROCEEDINGS OF THE CHEMICAL SOCIETY, vol. 17, no. 240, 29 June 1901 (1901-06-29), pages 168 - 169, XP055584513, DOI: 10.1039/PL9011700161 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016078649A2 (en) 2016-05-26
WO2016078649A3 (en) 2016-07-21
US20170327959A1 (en) 2017-11-16
WO2016078649A8 (en) 2016-09-29
JP2017536845A (en) 2017-12-14
CN107429264A (en) 2017-12-01
DE102014016894A1 (en) 2016-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3221458A2 (en) Method and apparatus for converting carbon dioxide
Zhang et al. A review of microbial electrosynthesis applied to carbon dioxide capture and conversion: The basic principles, electrode materials, and bioproducts
Du et al. Hybrid water electrolysis: Replacing oxygen evolution reaction for energy-efficient hydrogen production and beyond
Kim et al. Influence of dilute feed and pH on electrochemical reduction of CO2 to CO on Ag in a continuous flow electrolyzer
US20180023199A1 (en) Electrocatalytic hydrogen evolution and biomass upgrading
Logan et al. Microbial electrolysis cells for high yield hydrogen gas production from organic matter
CN103290425B (en) Produce hydrogen microorganism electrolysis cell and biological-cathode acclimation method thereof
CN103668311B (en) For electro-catalysis reduction CO2to the catalysis electrode of formic acid, application and electro-catalysis reduction carbon dioxide to the method for formic acid
CN112410799B (en) Method for producing hydrogen
Wang et al. Enhancing microbial electrosynthesis of acetate and butyrate from CO2 reduction involving engineered Clostridium ljungdahlii with a nickel-phosphide-modified electrode
CN109136973B (en) Non-noble metal doped molybdenum carbide hydrogen evolution electrode and preparation method and application thereof
Anwer et al. Redox mediators as cathode catalyst to boost the microbial electro-synthesis of biofuel product from carbon dioxide
CN115029292B (en) Electrolytic high-efficiency hydrogen-producing biological cathode and domestication method thereof
Dixit et al. CO2 capture and electro-conversion into valuable organic products: A batch and continuous study
Garcia et al. Sustainable electrochemical production of tartaric acid
Zhang et al. Decoupling hydrogen production from water oxidation by integrating a triphase interfacial bioelectrochemical cascade reaction
Kumar et al. Advanced biological and non-biological technologies for carbon sequestration, wastewater treatment, and concurrent valuable recovery: A review
Jack et al. High rate CO2 valorization to organics via CO mediated silica nanoparticle enhanced fermentation
Zhu et al. Electrocatalytic membranes for tunable syngas production and high-efficiency delivery to biocompatible electrolytes
Farkhondehfal et al. Electrocatalytic Reduction of Oxalic Acid Using Different Nanostructures of Titanium Oxide
CN114622239B (en) PdCu-Ni (OH) 2 Catalyst, preparation method and application thereof in electrocatalytic urea synthesis
Cardeña et al. Regulation of the dark fermentation products by electro-fermentation in reactors without membrane
Enzmann et al. Empower C1: combination of electrochemistry and biology to convert C1 compounds
CN112126951A (en) Preparation method of oxygen evolution reaction electrocatalyst
Brachi et al. Advanced electroanalysis for electrosynthesis

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20170529

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20190507

19U Interruption of proceedings before grant

Effective date: 20190711

19W Proceedings resumed before grant after interruption of proceedings

Effective date: 20200602

R17C First examination report despatched (corrected)

Effective date: 20200608

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: METHANOLOGY AG

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS