I catalizzatori ibridi combinano luce ed enzimi per una produzione chimica sostenibile

I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista Advanced Functional Materials e dimostrano la qualità scientifica e il valore tecnologico del lavoro. L'articolo intitolato "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" fa luce su come le incompatibilità tra fotocatalisi e biocatalisi basata su enzimi possano essere superate attraverso la progettazione mirata di materiali nanostrutturati.

Le reazioni combinate a cascata foto- e biocatalitiche sono considerate una tecnologia chiave per processi chimici efficienti dal punto di vista energetico e delle risorse. In pratica, però, la loro realizzazione spesso fallisce a causa della limitata compatibilità dei sistemi catalitici coinvolti. Il lavoro ora pubblicato affronta proprio questa sfida e mostra un approccio per combinare entrambe le funzioni catalitiche in modo mirato.

Il team di ricerca del Fraunhofer ISC ha sviluppato catalizzatori ibridi basati su sovraparticelle in cui entrambe le funzioni sono specificamente combinate ma spazialmente separate l'una dall'altra. Le supraparticelle sono composte da due tipi di blocchi di costruzione nanoparticellari: nitruro di carbonio (C3N4) come blocco di costruzione del fotocatalizzatore, combinato con particelle di biossido di silicio su cui è stato immobilizzato l'enzima perossidasi di rafano (HRP), che rappresenta il blocco di costruzione del biocatalizzatore. Le particelle sono prodotte con un processo scalabile di essiccazione a spruzzo e possono essere adattate in modo flessibile a diverse applicazioni.

Il lavoro del Fraunhofer IMM si è concentrato sulla progettazione del processo e sulla comprensione dettagliata delle reazioni accoppiate. I ricercatori hanno studiato sistematicamente le condizioni in cui le fasi secondarie fotocatalitiche ed enzimatiche possono interagire in modo stabile. Su questa base, è stata definita la cosiddetta finestra di compatibilità in cui entrambi i catalizzatori mantengono le rispettive funzioni. Ciò ha dimostrato che l'organizzazione spaziale mirata dei componenti del catalizzatore è fondamentale per evitare interazioni indesiderate e controllare in modo efficiente la cascata di reazione. Questi risultati sono particolarmente importanti per il trasferimento ai processi continui, in quanto consentono un controllo riproducibile e robusto del processo.

Quando viene irradiato con luce visibile, il fotocatalizzatore genera perossido di idrogeno direttamente nel sistema di reazione, proprio la sostanza di cui l'enzima ha bisogno per la fase di reazione successiva. In questo modo, i processi chimici possono essere accoppiati senza la necessità di una complessa preparazione di prodotti intermedi o di stoccaggio di sostanze pericolose. Ciò aumenta la sicurezza, riduce l'uso di energia e materiali e semplifica notevolmente il controllo del processo.

Un particolare punto di forza del lavoro è la sua vicinanza alle applicazioni industriali. Presso il Fraunhofer IMM, i catalizzatori ibridi sono stati testati con successo in processi a flusso continuo. In un fotoreattore capillare appositamente sviluppato, hanno dimostrato un'elevata stabilità e produttività non solo su scala di laboratorio, ma anche in condizioni pratiche. Questo rappresenta un passo importante verso processi di produzione scalabili.

I risultati aprono nuove prospettive

I catalizzatori ibridi sovraparticellari sviluppati combinano l'elevata reattività della fotocatalisi guidata dalla luce con la selettività degli enzimi naturali. Il risultato è un approccio potente che apre nuove prospettive per i processi di produzione chimica sostenibile, come ad esempio

• la sintesi efficiente di prodotti chimici e farmaceutici,
• l'utilizzo della luce visibile come fonte di energia rinnovabile per la sintesi chimica,
• l'intensificazione dei processi attraverso sistemi catalitici accoppiati,
• e approcci sostenibili nella chimica di flusso.

Chiari vantaggi per i clienti industriali

I catalizzatori ibridi di nuova concezione sono stati progettati specificamente per soddisfare le esigenze degli utenti industriali e offrono chiari vantaggi alle aziende dei settori farmaceutico, dei prodotti chimici speciali, delle biotecnologie e delle tecnologie ambientali.

Consentono un funzionamento robusto sia in modalità batch che a flusso continuo, consentendo così una produttività rilevante a livello industriale. L'uso della chimica di flusso migliora la gestione termica, riduce i requisiti di spazio e aumenta l'affidabilità operativa. La generazione in situ e la conversione diretta del perossido di idrogeno aumentano ulteriormente la sicurezza del processo, mentre le reazioni a cascata accoppiate eliminano la necessità di complesse lavorazioni intermedie, riducendo così i volumi di scarto e i costi dei materiali. Allo stesso tempo, le condizioni di reazione miti ed efficienti dal punto di vista energetico - attivate dalla luce visibile e dai mezzi di reazione acquosi - consentono un controllo del processo rispettoso delle risorse e delle normative. L'architettura modulare delle sovraparticelle può essere adattata in modo flessibile a diverse applicazioni, ad esempio nell'industria farmaceutica, fine o agrochimica, e supporta soluzioni di processo personalizzate. L'immobilizzazione degli enzimi ne aumenta inoltre la stabilità e la durata e semplifica la separazione a valle. Grazie alla loro compatibilità con le comuni piattaforme capillari e microreattori, i catalizzatori ibridi possono essere integrati nei sistemi flow-through esistenti senza grandi trasformazioni e quindi rapidamente trasferiti ai processi industriali.

"Il nostro obiettivo è quello di progettare fin dall'inizio nuovi concetti catalitici in modo tale da poterli trasferire nei processi industriali e creare un valore aggiunto misurabile", afferma il dottor Thomas Rehm, Group Leader del Fraunhofer IMM. "La combinazione di fotocatalisi e biocatalisi apre nuove possibilità tecnologiche".

Competenze Fraunhofer riunite in una rete

Il lavoro è stato il risultato di una stretta collaborazione tra diversi istituti Fraunhofer ed è un esempio di come l'unione di diverse competenze all'interno della Fraunhofer-Gesellschaft porti a soluzioni orientate all'applicazione.

• Istituto Fraunhofer per la ricerca sui silicati ISC
• Istituto Fraunhofer per la microtecnica e i microsistemi IMM
• Istituto Fraunhofer per la Biologia Molecolare e l'Ecologia Applicata IME

e con il supporto di analisi specializzate da parte di

• Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga
• Università Libera di Berlino.