Το αντικείμενο του έργου CoCCUS είναι η ανάπτυξη καινοτόμου τεχνολογίας δέσμευσης CO2 από καυσαέρια ενεργοβόρων βιομηχανιών, οι οποίες έχουν εγγενείς εκπομπές CO2 ως αποτέλεσμα των διεργασιών τους. Η δέσμευση επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης υδατικού διαλύματος ανθρακικού καλίου (K2CO3) και νέων ενζύμων καρβονικής ανυδράσης (CA), με στόχο την αξιοποίηση του καθαρού CO2 για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.
Στο πλαίσιο του προγράμματος, αναπτύχθηκε μία πιλοτική μονάδα δέσμευσης CO2 με χημική απορρόφηση, χρησιμοποιώντας διάλυμα ανθρακικού καλίου (K2CO3) 20-30 wt.%. Η μονάδα αποτελείται από δύο κύριες στήλες packed bed, απορρόφησης και αναγέννησης, καθεμία εξοπλισμένη με αισθητήρες θερμοκρασίας και ηλεκτρόδια στάθμης υγρού για την αποφυγή πλημμύρας. Στη στήλη απορρόφησης, μείγμα αερίου CO2/N2 (~20% CO2) αλληλεπιδρά με το διάλυμα K2CO3, το οποίο ρέει κατά αντιρροή. Το διαχωρισμένο CO2 συλλέγεται στη στήλη αναγέννησης μέσω θερμικών διεργασιών και το καθαρό CO2 αναλύεται πριν την αξιοποίησή του. Ο διαλύτης ανακυκλώνεται για μελλοντική χρήση.

Εικόνα 1. Πιλοτική μονάδας δέσμευσης CO2, ΕΚΕΤΑ/ΙΔΕΠ Πτολεμαΐδα
Στην πιλοτική μονάδα πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές δοκιμές για τη δέσμευση CO2, χρησιμοποιώντας υδατικό διάλυμα ανθρακικού καλίου (K2CO3) με και χωρίς παρουσία ενζύμου καρβονικής ανυδράσης (CA) ως καταλύτη.
Στις δοκιμές με «καθαρό» K2CO3 (συγκέντρωση 20 wt.%), η απορρόφηση του CO2 ήταν σχετικά χαμηλή, σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία[1], φτάνοντας στο 15%. Η χαμηλή αυτή απόδοση οφείλεται στον περιορισμένο ρυθμό αντίδρασης του K2CO3 με το CO2. Παρά την περιορισμένη απορρόφηση, η καθαρότητα του παραγόμενου CO2 ήταν κοντά στο 80%.

Στη δεύτερη σειρά δοκιμών, χρησιμοποιώντας K2CO3 ως διαλύτημε προσθήκη του ενζύμου CA (0.5 g/L), παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση στην απορρόφηση του CO2 και στην αναγέννηση του διαλύτη. Συγκεκριμένα, tο ποσοστό απορρόφησης του CO2 αυξήθηκε σχεδόν τριπλάσιο σε σχέση με το «καθαρό» K2CO3. Η καθαρότητα του παραγόμενου CO2 βελτιώθηκε επίσης, φτάνοντας στο 87%.

Αποτελέσματα υπολογιστικών προσομοιώσεων
Με τη χρήση υπολογιστικών εργαλείων, προσδιορίστηκαν οι κατάλληλες παράμετροι ώστε να επιτευχθεί 90% απορρόφηση CO2 και 99% καθαρότητα CO2 στην έξοδο της στήλης αναγέννησης στην πιλοτική μονάδα. Συγκεκριμένα επιλέχθηκαν θερμοκρασίες διαλύτη και απαερίου 40-46 oC, συγκέντρωση ενζύμου 1 g/L και συγκέντρωση διαλύτη 20% κ.β., ατμοσφαιρική πίεση για τη στήλη απορρόφηση και πίεση της στήλης αναγέννησης ίση με 0.5 bar. Οι ενεργειακές καταναλώσεις του αναβραστήρα, για την επίτευξη 90% απορρόφησης και 99% καθαρότητας CO2, στην πιλοτική μονάδα, κυμαίνονταν από 8-9.8 MJ/kg CO2.
Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν οι διαστάσεις της στήλης απορρόφησης και αναγέννησης ώστε να γίνει προσαρμογή τους σε τρεις βιομηχανίες (τσιμέντου, μαγνησίας και ασβέστου). Σε αυτή την περίπτωση, με τη χρήση ρευμάτων απορριπτόμενης θερμότητας από τις βιομηχανίες, οι ενεργειακές καταναλώσεις του αναβραστήρα υπολογίστηκαν μεταξύ 3-5.1 MJ/kg CO2, ενώ το κόστος της τεχνολογίας δέσμευσης κυμαινόταν από 31-48 €/ton CO2 αναλόγως τη βιομηχανία που εκπέμπει τα απαέρια.
Χρήση ενζύμου ως καταλύτης για τη δέσμευση CO2
Στο έργο CoCCUS, η χρήση του ενζύμου της καρβονικής ανυδράσης (CA) έδειξε ότι βελτιστοποίησε την αποδοτικότητα της δέσμευσης CO2, επιταχύνοντας τη μετατροπή του CO2 σε διττανθρακικά ιόντα (HCO3–) και πρωτόνια (H+), αυξάνοντας τον ρυθμό απορρόφησης στο διάλυμα ανθρακικού καλίου (K2CO3). Το ένζυμο που χρησιμοποιήθηκε είναι το CA92, γνωστό για την εξαιρετική του θερμική σταθερότητα και την αντοχή σε αλκαλικά περιβάλλοντα, καθιστώντας το ιδανικό για βιομηχανικές εφαρμογές, αφού διατηρεί πάνω από 90% της ενεργότητάς του μετά από 6 ώρες έκθεσης σε 80 °C και πάνω από 75% στους 90 °C.
Οι δοκιμές σε ρεαλιστικές συνθήκες εμπεριείχαν τη χρήση του CA92 σε διάλυμα K2CO3 20% (w/v) με pH 11.5, όπου το ένζυμο διατήρησε τη δομική του ακεραιότητα και καταλυτική δραστικότητα για μεγάλο χρονικό διάστημα, ακόμα και μετά από 30 ημέρες επώασης. Το CA92 διατήρησε 90% της αρχικής του συγκέντρωσης και συνέχισε να επιτυγχάνει αποτελεσματική δέσμευση CO2, καθιστώντας το ένα από τα πιο θερμοσταθερά και ανθεκτικά ένζυμα καρβονικής ανυδράσης για βιομηχανική χρήση. Για το συγκεκριμένο ένζυμο, κατατέθηκε αίτημα για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
Δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά – συνέδρια με κριτές
Στα πλαίσια υλοποίησης του έργου και ακολουθώντας τις συμβατικές υποχρεώσεις της πρότασης τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν σε επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια με κριτές.
- Karali D., Peloriadi K., Margaritis N. Grammelis P., “CO2 Absorption Using potassium carbonate as solvent”, ASEC2022 3rd International Electronic Conference on Applied Sciences, online, 01-15 December 2022.
- Kontodimos I., Papadelis C.E., Margaritis N., Grammelis P., “Valorization of medical plants residues through anaerobic digestion”, 10th International Conference on Sustainable Solid Waste Management, Chania, Greece, 21-24 June 2023.
- Karali D., Kalaitzi A., Grammelis P., Stenos V., “Production of Edible Proteins from Captured CO2”, 47th International Technical Conference on Clean Energy, 23-27 July 2023, Florida, USA.
- Καλαϊτζή Α., Καραλή Δ., Κούτσιανος Α., Μαργαρίτης Ν., Γραμμέλης Π., “Ανάπτυξη τεχνολογίας δέσμευσης CO2 από καυσαέρια ενεργοβόρων βιομηχανιών”, ημερίδα της Περιφερειακής Αριστείας ExcelWMac: “Παρουσίαση ερευνητικών αποτελεσμάτων του έργου «Ανάπτυξη Νέων Καινοτόμων Ενεργειακών Τεχνολογιών Χαμηλού Ανθρακικού Αποτυπώματος για την Ενίσχυση της Αριστείας στην Περιφέρεια Δυτικής Μακεδονίας”, 7 Ιουνίου 2023, Κοζάνη, Ελλάδα.
- Konstantinos Rigkos, Georgios Filis, Pavlos Saridis, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas. “Discovery of a novel ultra thermostable Carbonic Anhydrase for enzymatic CO₂ sequestration using high throughput metagenomic analysis”. Poster presented at the 16th International Symposium on Biocatalysis & Biotransformations (BIOTRANS 2023), France, June 2023. – Αναρτημένη Εργασία
- Konstantinos Rigkos, Georgios Filis, Pavlos Saridis, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas. “Discovery of a novel ultra thermostable Carbonic Anhydrase for enzymatic CO₂ sequestration using high throughput metagenomic analysis”, 1st Biomedicine, Bioinformatics & Biotechnology Forum: Fostering Collaboration in Industry & Academia conference (Bio3), Greece, September 2023. – Αναρτημένη εργασία
(Awarded with Honorable Mention) - Ioanna Gerogianni, Konstantinos Rigkos, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas, Evangelia D. Chrysina*, “Structural studies of a novel ultra-thermostable Carbonic Anhydrase”, 11th International Conference of the Hellenic Crystallographic Association (HeCrA), Greece, October 2023 – Αναρτημένη εργασία
- Konstantinos Rigkos, Georgios Filis, Pavlos Saridis, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas. “CA-KR1: A Novel Ultra-Thermostable and Alkalistable Carbonic Anhydrase for Efficient CO₂ Sequestration discovered through High-Throughput Metagenomic Analysis”, ICB Workshop on Chemical Biology: Drug and Biomarker Discovery, Greece, November 2023 – Αναρτημένη εργασία
- Konstantinos Rigkos, Georgios Filis, Pavlos Saridis, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas. “A Novel Ultrastable Carbonic Anhydrase for Efficient CO₂ Sequestration discovered through Large-Scale Metagenomic Analysis”, Εuropean Society of Applied Biocatalysis Digital Congress. Online, November 2023. – Αναρτημένη εργασία/Παρουσίαση
- Konstantinos Rigkos, Georgios Filis, Pavlos Saridis, Dimitra Zarafeta, Georgios Skretas. “A Novel Ultrastable Carbonic Anhydrase for Efficient CO₂ Sequestration discovered through Large-Scale Metagenomic Analysis”. 73rd National Conference of the Hellenic Society of Biochemistry and Molecular Biology (HSBMB), Greece, December 2023. – Αναρτημένη εργασία
- Atsonios K., Papaioannou C., Plakia A., Grammelis P., “CO2 capture technologies using renewable electricity: Process analysis and comparison”, 37th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Rodes, Greece, 30 June – 4 July 2024 – abstract submitted
- Karali D., Peloriadi K., Margaritis N., Grammelis P., “CO2 Absorption Using Potassium Carbonate as Solvent”, Eng. Proc. (2023), 31, 39.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι έχει κατατεθεί και η παρακάτω πατέντα:
Skretas G., Zarafeta D., Filis G., Rigkos K., “Heat- and halo-stable carbonic anhydrase for CO2 sequestration”