Biologisch angepasste Membran entzieht Kohlerauch Treibhausgas

Forscher der Sandia National Laboratories (SNL) und der University of New Mexico (UNM) in Albuquerque haben eine der Natur nachempfundene, biologisch inspirierte Membran zur weitgehenden Extraktion von Kohlendioxid aus Kraftwerksrauch entwickelt. Die kürzlich in nature communications punlizierte, patentierte Arbeit hat einer SNL-Medienmitteilung zufolge das Interesse von Energieunternehmen geweckt, die den Ausstoß von Kohlendioxid deutlich reduzieren und andere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung erforschen möchten.

Pro Tonne fallen nur 32 Euro Kosten an, sagt UNM-Professor Jeff Brinker. Dafür könne die Membran, in großem Stil eingesetzt, die CO2-Belastung der Atmosphäre langfristig verringern und so den Klimawandel bremsen. Das Team um Brinker nennt den Filter “Memzyme”, weil es sich um eine Membran handelt, die mit einem Enzym angereichert ist. Es handelt sich um Alpha-Carboanhydrase, das CO2 in Kohlensäure verwandeln und auch den umgekehrten Prozess katalysieren kann. Die Membran besteht aus Bündeln von feinsten Röhrchen, die gerade mal 100 Nanometer lang sind. Die Innenfläche ist im oberen Bereich wasseranziehend. Hier ist das Enzym angesiedelt. Der untere Bereich ist wasserabweisend. Das Enzym saugt das CO2 an, während andere Elemente nicht eindringen können.

Aus nature communications: “Ultradünne enzymatische Flüssigmembran zur CO2-Abtrennung und -Abscheidung” – Abstract: “Die begrenzten Durchflüsse und Selektivitäten der heutigen Kohlendioxidmembranen und die hohen Kosten, die mit der konventionellen, absorptionsbasierten CO2-Sequestrierung verbunden sind, erfordern alternative Ansätze zur CO2-Abtrennung. Hier beschreiben wir eine enzymatisch aktive, ultradünne, biomimetische Membran, die eine CO2-Abtrennung unter Umgebungsdruck und -temperatur ermöglicht. Die Membran besteht aus einem ~18 nm dicken, dicht gepackten Geflecht von hydrophilen Poren mit 8 nm Durchmesser, die das Wasser durch Kapillarkondensation stabilisieren und das Metalloenzym Carbonic Anhydrase (CA) präzise aufnehmen. CA katalysiert die schnelle Umwandlung von CO2 und Wasser in Kohlensäure. Durch Minimierung der Diffusionsbeschränkungen, Stabilisierung und Konzentration von CA innerhalb des Nanoporenarrays auf eine Konzentration, die 10x höher ist als in Lösung erreichbar, trennt unsere enzymatische Flüssigmembran CO2 bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck mit einer Rate von 2600 GPU mit CO2/N2– und CO2/H2-Selektivitäten von bis zu 788 bzw. 1500, dem bisher höchsten kombinierten Fluss und Selektivität für den Betrieb unter Umgebungsbedingungen.”

Die nature-Autoren (Yaqin Fu, Ying-Bing Jiang, Darren Dunphy, Haifeng Xiong, Eric Coker, Stan Chou, Hongxia Zhang, Juan M. Vanegas, Jonas G. Croissant, Joseph L. Cecchi, Susan B. Rempe und C. Jeffrey Brinker) weiter: “Die begrenzten Durchflüsse und Selektivitäten der heutigen Kohlendioxidmembranen und die hohen Kosten, die mit der konventionellen, absorptionsbasierten CO2-Sequestrierung verbunden sind, erfordern alternative Ansätze zur CO2-Abtrennung. Hier beschreiben wir eine enzymatisch aktive, ultradünne, biomimetische Membran, die eine CO2-Abtrennung unter Umgebungsdruck und -temperatur ermöglicht. Die Membran besteht aus einem ~18 nm dicken, dicht gepackten Geflecht von hydrophilen Poren mit 8 nm Durchmesser, die das Wasser durch Kapillarkondensation stabilisieren und das Metalloenzym Carbonic Anhydrase (CA) präzise aufnehmen. CA katalysiert die schnelle Umwandlung von CO2 und Wasser in Kohlensäure. Durch Minimierung der Diffusionsbeschränkungen, Stabilisierung und Konzentration von CA innerhalb des Nanoporenarrays auf eine Konzentration, die 10x höher ist als in Lösung erreichbar, trennt unsere enzymatische Flüssigmembran CO2 bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck mit einer Rate von 2600 GPU mit CO2/N2– und CO2/H2-Selektivitäten von bis zu 788 bzw. 1500, dem bisher höchsten kombinierten Fluss und Selektivität für den Betrieb unter Umgebungsbedingungen.”

Enzymatische Flüssigmembran und Mechanismus der Kohlendioxidabscheidung und -abtrennung:
Die Membran wird durch die Bildung von zylindrischen Mesoporen mit einem Durchmesser von 8 Nanometern hergestellt. Durch Atomschichtabscheidung und Sauerstoffplasmabehandlung sind die Silica-Mesoporen bis auf einen 18-Nanometer tiefen Bereich an der Porenoberfläche hydrophob ausgeführt. Durch Kapillarkondensation füllen Kohlensäureanhydrase-Enzyme und Wasser spontan die hydrophilen Mesoporen zu einer Reihe von stabilisierten Enzymen mit einer effektiven Konzentration von mehr als dem Zehnfachen der in Lösung erreichbaren. Diese katalysieren die Abscheidung und Auflösung von Kohlendioxid an der stromaufwärtigen Oberfläche und die Regeneration von Kohlendioxid an der stromabwärtigen Oberfläche. Die hohe Enzymkonzentration und der kurze Diffusionsweg maximieren die Abscheideleistung und den Fluss. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Sandia)

Enzym saugt CO2 an

Die Menzyme schafft es, 90 Prozent des CO2 abzutrennen – ein Vorteil um 70 Prozent, verglichen mit anderen Methoden, mit denen heute hantiert wird. Es sind vor allem Spezialflüssigkeiten, durch die das Rauchgas strömt. Diese halten das CO2 zurück. In einem aufwendigen Prozess muss anschließend das Klimagas von der Flüssigkeit getrennt werden. Dabei geht so viel Energie verloren, dass es noch keine kommerzielle Anwendung des Verfahrens gibt.

Schon 2015 erhielten Brinker, die Sandia National Laboratories und die University of New Mexico den Gold Award 2015 in Green Technology für die Entwicklung des CO2-Memzyms. Es wurde von der Zeitschrift R&D als eines der 100 technologisch bedeutendsten neuen Projekte des Jahres in der Kategorie Mechanik/Materialien ausgewählt. Mit dem CO2-Memzym werde eines der Ziele des US-Energieministeriums erfüllt, die Gefahren des Klimawandels zu verringern.

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