Os catalisadores híbridos combinam luz e enzimas para uma produção química sustentável

Os resultados acabam de ser publicados na revista Advanced Functional Materials e demonstram a qualidade científica e o valor tecnológico do trabalho. O artigo, intitulado "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", esclarece como as incompatibilidades entre a fotocatálise e a biocatálise baseada em enzimas podem ser ultrapassadas através da conceção orientada de materiais nanoestruturados.

As reacções em cascata fotocatalíticas e biocatalíticas combinadas são consideradas como uma tecnologia-chave para processos químicos eficientes em termos de recursos e energia. Na prática, porém, a sua realização falha frequentemente devido à compatibilidade limitada dos sistemas de catalisadores envolvidos. O trabalho agora publicado aborda precisamente este desafio e mostra uma abordagem para combinar ambas as funções catalíticas de uma forma direcionada.

A equipa de investigação do Fraunhofer ISC desenvolveu catalisadores híbridos baseados em suprapartículas em que ambas as funções são especificamente combinadas, mas espacialmente separadas umas das outras. As suprapartículas são compostas por dois tipos de blocos de construção nanoparticulados: nitreto de carbono (C3N4) como bloco de construção do fotocatalisador, combinado com partículas de dióxido de silício nas quais a enzima peroxidase de rábano (HRP) foi imobilizada e representa o bloco de construção do biocatalisador. As partículas são produzidas num processo escalável de secagem por pulverização e podem ser adaptadas de forma flexível a diferentes aplicações.

Um dos focos do trabalho no Fraunhofer IMM foi a conceção da engenharia de processos e a compreensão detalhada das reacções acopladas. Os investigadores investigaram sistematicamente as condições em que as subetapas fotocatalíticas e enzimáticas podem interagir de forma estável. Nesta base, foi definida a chamada janela de compatibilidade, na qual ambos os catalisadores mantêm as suas respectivas funções. Isto mostrou que a organização espacial específica dos componentes do catalisador é crucial para evitar interações indesejáveis e para controlar eficazmente a cascata de reação. Estes resultados são particularmente importantes para a transferência para processos contínuos, uma vez que permitem um controlo reprodutível e robusto do processo.

Quando irradiado com luz visível, o fotocatalisador gera peróxido de hidrogénio diretamente no sistema de reação - precisamente a substância de que a enzima necessita para a fase seguinte da reação. Desta forma, os processos químicos podem ser acoplados sem a necessidade de uma preparação complexa de produtos intermédios ou do armazenamento de substâncias perigosas. Isto aumenta a segurança, reduz a utilização de energia e de materiais e simplifica consideravelmente o controlo dos processos.

Um ponto forte do trabalho reside na sua proximidade com as aplicações industriais. No Fraunhofer IMM, os catalisadores híbridos foram testados com sucesso em processos de fluxo contínuo. Num fotoreactor capilar especialmente desenvolvido, demonstraram uma elevada estabilidade e produtividade, não só à escala laboratorial, mas também em condições práticas. Isto representa um passo importante em direção a processos de produção escaláveis.

Os resultados abrem novas perspectivas

Os catalisadores híbridos supraparticulados desenvolvidos combinam a elevada reatividade da fotocatálise orientada pela luz com a seletividade das enzimas naturais. Isto resulta numa abordagem poderosa que abre novas perspectivas para processos de produção química sustentável, tais como

• a síntese eficiente de produtos químicos finos e farmacêuticos,
• a utilização da luz visível como fonte de energia renovável para a síntese química,
• intensificação de processos através de sistemas catalíticos acoplados,
• e abordagens sustentáveis em química de fluxo.

Vantagens claras para os clientes industriais

Os catalisadores híbridos recentemente desenvolvidos foram especificamente concebidos para satisfazer os requisitos dos utilizadores industriais e oferecem vantagens claras para as empresas dos sectores farmacêutico, das especialidades químicas, da biotecnologia e da tecnologia ambiental, em particular.

Permitem um funcionamento robusto tanto em modo de fluxo contínuo como em lote, permitindo assim um rendimento industrialmente relevante. A utilização da química de fluxo melhora a gestão térmica, reduz os requisitos de espaço e aumenta a fiabilidade operacional. A geração in-situ e a conversão direta de peróxido de hidrogénio aumentam ainda mais a segurança do processo, enquanto as reacções em cascata acopladas eliminam a necessidade de processamento intermédio complexo, reduzindo assim os volumes de resíduos e os custos de material. Ao mesmo tempo, as condições de reação suaves e energeticamente eficientes - activadas por luz visível e meios de reação aquosos - permitem a conservação de recursos e o controlo do processo em conformidade com a regulamentação. A arquitetura modular das suprapartículas pode ser adaptada de forma flexível a diferentes aplicações, por exemplo, nas indústrias farmacêutica, de produtos finos ou agroquímica, e suporta soluções de processo personalizadas. A imobilização das enzimas também aumenta a sua estabilidade e vida útil e simplifica a separação a jusante. Graças à sua compatibilidade com plataformas capilares e microrreatores comuns, os catalisadores híbridos podem ser integrados em sistemas de fluxo existentes sem grandes conversões e, assim, rapidamente transferidos para processos industriais.

"O nosso objetivo é conceber novos conceitos catalíticos desde o início, de modo a que possam ser transferidos para processos industriais e criar aí um valor acrescentado mensurável", afirma o Dr. Thomas Rehm, líder do grupo no Fraunhofer IMM. "A combinação da fotocatálise e da biocatálise abre novas possibilidades tecnológicas para o efeito".

Conhecimento Fraunhofer agrupado numa rede

O trabalho foi o resultado de uma estreita colaboração entre vários Institutos Fraunhofer e é um exemplo de como a reunião de diferentes competências dentro da Fraunhofer-Gesellschaft leva a soluções orientadas para a aplicação.

• Instituto Fraunhofer para a Investigação de Silicatos ISC
• Instituto Fraunhofer de Microtecnologia e Microssistemas IMM
• Instituto Fraunhofer de Biologia Molecular e Ecologia Aplicada IME

e apoiado por análises especializadas da

• Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberga
• Universidade Livre de Berlim.