Grøn produktion af kemikalier til industrien

Industrien bruger store mængder råolie til at producere basisstoffer til narkotika, kosmetik, plastik, eller mad. Imidlertid, disse processer bruger meget energi og producerer affald. Biologiske processer med enzymer er langt mere bæredygtige. Proteinmolekylerne kan katalysere forskellige kemiske reaktioner, uden at der kræves hjælpematerialer eller opløsningsmidler. Men de er dyre og derfor, har hidtil været økonomisk uinteressante. Forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu udviklet et nyt biomateriale, der letter brugen af ​​enzymer betydeligt. Resultaterne præsenteres i journalen Angewandte Chemie .

Katalysatorer sikrer hurtig reaktion af basisstoffer til det ønskede slutprodukt med lavt energiforbrug. Derfor, de er af stor betydning for den kemiske industri. I omkring 90 procent af alle kemiske processer, katalysatorer påføres. Forskere fra KIT har nu udviklet et miljøvenligt alternativt biomateriale, hvis anvendelse er forbundet med reduceret energiforbrug. "På lang sigt, sådanne biokatalytiske materialer skal anvendes til automatisk produktion af værditilvækst basisforbindelser uden komplekse syntese- og rensningstrin og med en minimumsmængde af affald, " siger professor Christof Niemeyer fra KIT's Institute for Biological Interfaces.

Til dette formål, videnskabsmænd modificerede naturlige enzymer, så de selv samler sig i en stabil biokatalysator. Svarende til en to-komponent klæbemiddel, enzymerne danner et gelagtigt materiale. Dette materiale påføres plastspåner med rilleformede fordybninger. Tørring fører til koncentration og dannelse af hydrogel. Derefter, denne chip er dækket af en plastfolie, og basiske stoffer kan pumpes gennem rillerne og omdannes til de endelige produkter, som biokatalysatorerne ønsker. Biokatalysatorgelen forbliver. Ingen opløsningsmidler eller høje temperaturer og tryk er nødvendige, hvilket gør processen yderst bæredygtig og miljøvenlig.

Da der findes et stort reaktionsvolumen på det mindste rum, omdannelseshastigheder i sådanne miniaturiseret strømningsreaktorer eller små reaktionsbeholdere er meget høje. Deres anvendelse i biokatalytiske processer, imidlertid, er stadig i sin vorden, da der hidtil har været behov for bærematerialer for at fiksere enzymerne i reaktoren. Disse bærere har brug for reaktorplads, som så ikke længere er tilgængelig for biokatalysatoren. Det nye biomateriale, derimod, klæber til bæreren, og reaktoren kan fyldes med en maksimal mængde biokatalysator. I øvrigt, det kan genbruges fuldstændigt, er bionedbrydeligt, meget stabil, og når ekstremt høje udbytter i reaktioner, for hvilke der kræves dyre hjælpematerialer.

Sammenlignet med kemiske materialer, biokatalysatorer er særligt fordelagtige, når såkaldte enantiomerer fremstilles ved en proces. Det er forbindelser, der er spejlbilleder af hinanden. Som regel, kun en af ​​forbindelserne er nødvendig for reaktionen, den anden kan endda have uønskede virkninger. Ved hjælp af biokatalysatorer, specifik produktion af en af ​​begge forbindelser er mulig, hvorimod kemiske processer ofte kræver dyre hjælpematerialer til dette formål eller adskillelse af den uønskede forbindelse.

Arbejdet blev udført inden for rammerne af Helmholtz-programmet "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). "Vores forsknings- og udviklingsarbejde var kun muligt med udstyrets og infrastrukturen i dette program, " siger Christof Niemeyer. Inden for rammerne af dette program, forskere fra KIT samarbejder på tværs af discipliner om at studere og bruge biologiske systemer til senere anvendelse i industrielle og medicinske bioingeniørsektorer. Høj tværfaglighed kræver bred metodisk ekspertise, der dækker materialeproduktion og karakterisering samt databaserede simuleringsmetoder. Denne knowhow er tilgængelig hos KIT.