Catalizadores híbridos que combinan luz y enzimas para una producción química sostenible

¿Cómo conseguir que las reacciones químicas sean más eficientes desde el punto de vista energético, más seguras y más sostenibles, y que al mismo tiempo puedan utilizarse para aplicaciones industriales? Investigadores del Instituto Fraunhofer de Microingeniería y Microsistemas IMM, junto con otros dos Institutos Fraunhofer y con el apoyo de especialistas en análisis de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg y la Universidad Libre de Berlín, han desarrollado una solución precisamente para esta cuestión. La colaboración dio lugar a unas novedosas partículas catalizadoras híbridas que combinan la fotocatálisis impulsada por la luz y la biocatálisis eficiente en un único sistema de reacción.

Los resultados acaban de publicarse en la revista Advanced Functional Materials y demuestran la calidad científica y el valor tecnológico del trabajo. El artículo titulado "Supraparticles consisting of graphitic carbon nitride nanoparticles and silica nanoparticle-supported horseradish peroxidase as tailorable hybrid catalysts for photo-biocatalytic cascade reactions in batch and continuous flow mode" arroja luz sobre cómo pueden superarse las incompatibilidades entre la fotocatálisis y la biocatálisis basada en enzimas mediante el diseño específico de materiales nanoestructurados.

La combinación de reacciones en cascada fotocatalíticas y biocatalíticas se considera una tecnología clave para los procesos químicos eficientes desde el punto de vista energético y de los recursos. En la práctica, sin embargo, su realización fracasa a menudo debido a la limitada compatibilidad de los sistemas catalizadores implicados. El trabajo que ahora se publica aborda precisamente este reto y muestra un enfoque para combinar ambas funciones catalíticas de forma selectiva.

El equipo de investigación del Fraunhofer ISC ha desarrollado catalizadores híbridos basados en suprapartículas en las que ambas funciones se combinan de forma específica pero separadas espacialmente entre sí. Las suprapartículas se componen de dos tipos de bloques de construcción nanoparticulados: nitruro de carbono (C3N4) como bloque de construcción del fotocatalizador, combinado con partículas de dióxido de silicio en las que se ha inmovilizado la enzima peroxidasa de rábano picante (HRP) y que representan el bloque de construcción del biocatalizador. Las partículas se producen mediante un proceso escalable de secado por pulverización y pueden adaptarse con flexibilidad a distintas aplicaciones.

Uno de los puntos centrales del trabajo del Fraunhofer IMM fue el diseño de la ingeniería de procesos y la comprensión detallada de las reacciones acopladas. Los investigadores estudiaron sistemáticamente las condiciones en las que los subprocesos fotocatalíticos y enzimáticos pueden interactuar de forma estable. Sobre esta base, se definió una denominada ventana de compatibilidad en la que ambos catalizadores conservan sus funciones respectivas. Esto demostró que la organización espacial específica de los componentes del catalizador es crucial para evitar interacciones indeseables y controlar eficazmente la cascada de reacciones. Estos resultados son especialmente importantes para la transferencia a procesos continuos, ya que permiten un control reproducible y sólido del proceso.

Cuando se irradia con luz visible, el fotocatalizador genera peróxido de hidrógeno directamente en el sistema de reacción, precisamente la sustancia que la enzima necesita para el siguiente paso de la reacción. De este modo, los procesos químicos pueden acoplarse sin necesidad de complejas preparaciones de productos intermedios ni almacenamiento de sustancias peligrosas. Esto aumenta la seguridad, reduce el uso de energía y materiales y simplifica considerablemente el control del proceso.

Uno de los puntos fuertes del trabajo reside en su proximidad a las aplicaciones industriales. En el Fraunhofer IMM, los catalizadores híbridos se probaron con éxito en procesos de flujo continuo. En un fotorreactor capilar especialmente desarrollado, demostraron una gran estabilidad y productividad no sólo a escala de laboratorio, sino también en condiciones prácticas. Esto representa un paso importante hacia procesos de producción escalables.

Los resultados abren nuevas perspectivas

Los catalizadores híbridos supraparticulados desarrollados combinan la alta reactividad de la fotocatálisis por luz con la selectividad de las enzimas naturales. El resultado es un potente enfoque que abre nuevas perspectivas para los procesos de producción química sostenible, como por ejemplo

• la síntesis eficaz de productos químicos finos y farmacéuticos,
• la utilización de la luz visible como fuente de energía renovable para la síntesis química,
• la intensificación de procesos mediante sistemas catalíticos acoplados,
• y enfoques sostenibles en química de flujo.

Ventajas evidentes para los clientes industriales

Los catalizadores híbridos de nuevo desarrollo se han diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de los usuarios industriales y ofrecen claras ventajas a las empresas de los sectores farmacéutico, químico especializado, biotecnológico y de tecnología medioambiental, en particular.

Permiten un funcionamiento robusto tanto en modo discontinuo como de flujo continuo y, por tanto, un rendimiento relevante desde el punto de vista industrial. El uso de la química de flujo mejora la gestión térmica, reduce las necesidades de espacio y aumenta la fiabilidad operativa. La generación in situ y la conversión directa del peróxido de hidrógeno aumentan aún más la seguridad del proceso, mientras que las reacciones en cascada acopladas eliminan la necesidad de complejos procesos intermedios y reducen así los volúmenes de residuos y los costes de material. Al mismo tiempo, las condiciones de reacción suaves y energéticamente eficientes -activadas por luz visible y medios de reacción acuosos- permiten un control del proceso que ahorra recursos y cumple la normativa. La arquitectura modular de las suprapartículas puede adaptarse con flexibilidad a distintas aplicaciones, por ejemplo en la industria farmacéutica, de productos finos o agroquímica, y permite soluciones de proceso personalizadas. La inmovilización de las enzimas también aumenta su estabilidad y vida útil y simplifica la separación posterior. Gracias a su compatibilidad con las plataformas capilares y microrreactores habituales, los catalizadores híbridos pueden integrarse en los sistemas de flujo continuo existentes sin necesidad de grandes transformaciones y, por tanto, transferirse rápidamente a los procesos industriales.

"Nuestro objetivo es diseñar nuevos conceptos catalíticos desde el principio, de forma que puedan transferirse a los procesos industriales y crear en ellos un valor añadido mensurable", afirma el Dr. Thomas Rehm, jefe de grupo del Fraunhofer IMM. "La combinación de fotocatálisis y biocatálisis abre nuevas posibilidades tecnológicas para ello".

Experiencia Fraunhofer en red

El trabajo fue el resultado de una estrecha colaboración entre varios Institutos Fraunhofer y es un ejemplo de cómo la puesta en común de diferentes competencias dentro de la Fraunhofer-Gesellschaft conduce a soluciones orientadas a la aplicación.

• Instituto Fraunhofer para la Investigación de Silicatos ISC
• Instituto Fraunhofer de Microtecnología y Microsistemas IMM
• Instituto Fraunhofer de Biología Molecular y Ecología Aplicada IME

y con el apoyo de análisis especializados de

• Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg
• Universidad Libre de Berlín.