Des catalyseurs hybrides associent la lumière et les enzymes pour une production chimique durable
Les supraparticules combinent la photocatalyse et la biocatalyse en un seul système de réaction
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Comment rendre les réactions chimiques plus efficaces sur le plan énergétique, plus sûres et plus durables - tout en les rendant utilisables pour des applications industrielles ? Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer des microtechniques et des microsystèmes IMM ont développé, en collaboration avec deux autres instituts Fraunhofer et avec le soutien de spécialistes en analyse de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg et de l'Université libre de Berlin, une solution à cette question. L'association a donné naissance à de nouvelles particules catalytiques hybrides qui combinent la photocatalyse induite par la lumière et la biocatalyse efficace dans un seul système de réaction.
Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Advanced Functional Materials, ce qui prouve la qualité scientifique et la valeur technologique des travaux. L'article intitulé "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" met en lumière la manière dont la conception ciblée de matériaux nanostructurés permet de surmonter les incompatibilités entre la photocatalyse et la biocatalyse basée sur les enzymes.
Les réactions en cascade combinées de photocatalyse et de biocatalyse sont considérées comme une technologie clé pour des processus chimiques efficaces en termes de ressources et d'énergie. Cependant, dans la pratique, leur mise en œuvre échoue souvent en raison de la compatibilité limitée des systèmes catalytiques impliqués. Les travaux qui viennent d'être publiés s'attaquent précisément à ce défi et présentent une approche permettant de réunir de manière ciblée les deux fonctions catalytiques.
L'équipe de recherche du Fraunhofer ISC a développé à cet effet des catalyseurs hybrides à base de supraparticules, dans lesquels les deux fonctions sont combinées de manière ciblée, mais séparées dans l'espace. Les supraparticules sont composées de deux types de composants nanoparticulaires : du nitrure de carbone (C3N4) comme composant photocatalytique, combiné à des particules de dioxyde de silicium sur lesquelles l'enzyme peroxydase de raifort (HRP) a été immobilisée et qui constituent le composant biocatalytique. Les particules sont produites par un processus de séchage par atomisation évolutif et peuvent être adaptées de manière flexible à différentes applications.
L'un des points forts des travaux menés au Fraunhofer IMM a été la conception technique du processus et la compréhension détaillée des réactions couplées. Les chercheurs ont systématiquement étudié les conditions dans lesquelles les étapes partielles photocatalytiques et enzymatiques peuvent interagir de manière stable. Sur cette base, une fenêtre dite de compatibilité a été définie, dans laquelle les deux catalyseurs conservent leur fonction respective. Il s'est avéré que l'organisation spatiale ciblée des composants du catalyseur est décisive pour éviter les interactions indésirables et contrôler efficacement la cascade de réactions. Ces connaissances sont particulièrement importantes pour le transfert dans des processus continus, car elles permettent une conduite de processus reproductible et robuste.
Sous l'effet de la lumière visible, le photocatalyseur produit du peroxyde d'hydrogène directement dans le système de réaction - exactement la substance dont l'enzyme a besoin pour l'étape de réaction suivante. De cette manière, il est possible de coupler des processus chimiques sans avoir à préparer des produits intermédiaires à grands frais ou à stocker des substances dangereuses. Cela augmente la sécurité, diminue l'utilisation d'énergie et de matériaux et simplifie considérablement la conduite du processus.
L'un des points forts de ces travaux réside dans leur proximité avec les applications industrielles. Au Fraunhofer IMM, les catalyseurs hybrides ont été testés avec succès dans des processus à flux continu. Dans un photoréacteur capillaire spécialement conçu, ils ont montré une stabilité et une productivité élevées non seulement à l'échelle du laboratoire, mais aussi dans des conditions proches de la pratique. Une étape importante a ainsi été franchie vers des processus de production évolutifs.
Les résultats ouvrent de nouvelles perspectives
Les catalyseurs hybrides supraparticulaires développés combinent la grande réactivité de la photocatalyse induite par la lumière avec la sélectivité des enzymes naturelles. Il en résulte une approche performante qui ouvre de nouvelles perspectives pour des processus de production chimique durables, comme par exemple
- la synthèse efficace de produits chimiques fins et de produits pharmaceutiques,
- l'utilisation de la lumière visible comme source d'énergie renouvelable pour la synthèse chimique,
- l'intensification des processus par des systèmes catalytiques couplés,
- et les approches durables en chimie des fluides.
Des avantages évidents pour les clients industriels
Les catalyseurs hybrides nouvellement développés répondent de manière ciblée aux exigences des utilisateurs industriels et offrent des avantages évidents, notamment aux entreprises des secteurs pharmaceutique, des produits chimiques spéciaux, de la biotechnologie et des techniques environnementales.
Ils permettent un fonctionnement robuste aussi bien en mode batch qu'en mode continu et autorisent ainsi un débit pertinent pour l'industrie. L'utilisation de la chimie en flux améliore la gestion thermique, réduit l'encombrement et augmente la sécurité de fonctionnement. La production in situ et la conversion immédiate du peroxyde d'hydrogène augmentent encore la sécurité du processus, tandis que les réactions en cascade couplées rendent superflus les traitements intermédiaires coûteux, réduisant ainsi les quantités de déchets et les coûts des matériaux. Parallèlement, des conditions de réaction douces et efficaces sur le plan énergétique - activées par la lumière visible et les milieux réactionnels aqueux - permettent une conduite du processus respectueuse des ressources et conforme aux réglementations. L'architecture modulaire des supraparticules s'adapte de manière flexible à différentes applications, par exemple dans la pharmacie, la chimie fine ou l'agrochimie, et soutient des solutions de processus sur mesure. De plus, l'immobilisation des enzymes augmente leur stabilité et leur durée de vie et simplifie la séparation en aval. Grâce à leur compatibilité avec les plateformes courantes de capillaires et de microréacteurs, les catalyseurs hybrides s'intègrent sans grandes modifications dans les systèmes d'écoulement existants et peuvent ainsi être rapidement transférés dans des processus industriels.
"Notre objectif est de concevoir dès le départ de nouveaux concepts catalytiques de manière à ce qu'ils puissent être transférés à des processus industriels et y créer une valeur ajoutée mesurable", explique le Dr Thomas Rehm, chef de groupe au Fraunhofer IMM. "La combinaison de la photocatalyse et de la biocatalyse ouvre de nouvelles possibilités technologiques à cet égard".
Des compétences Fraunhofer réunies en association
Les travaux ont été réalisés en étroite collaboration entre plusieurs instituts Fraunhofer et montrent de manière exemplaire comment le regroupement de différentes compétences au sein de la société Fraunhofer permet de trouver des solutions proches de l'application.
- Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silicates ISC
- Institut Fraunhofer pour la microtechnique et les microsystèmes IMM
- Institut Fraunhofer de biologie moléculaire et d'écologie appliquée IME
et soutenu par des analyses spécialisées de
- Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg
- Université libre de Berlin.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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