De industrie verbruikt grote hoeveelheden ruwe olie om basisstoffen voor medicijnen te produceren, cosmetica, kunststoffen, of eten. Echter, deze processen verbruiken veel energie en produceren afval. Biologische processen met enzymen zijn veel duurzamer. De eiwitmoleculen kunnen verschillende chemische reacties katalyseren zonder dat hulpstoffen of oplosmiddelen nodig zijn. Maar ze zijn duur en Vandaar, tot nu toe economisch onaantrekkelijk geweest. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben nu een nieuw biomateriaal ontwikkeld dat het gebruik van enzymen aanzienlijk vergemakkelijkt. De resultaten worden gepresenteerd in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Katalysatoren zorgen voor een snelle reactie van basisstoffen op het gewenste eindproduct met een laag energieverbruik. Vandaar, ze zijn van groot belang voor de chemische industrie. In ongeveer 90 procent van alle chemische processen, katalysatoren worden toegepast. Wetenschappers van KIT hebben nu een milieuvriendelijk alternatief biomateriaal ontwikkeld, waarvan het gebruik gepaard gaat met een lager energieverbruik. "Op de lange termijn, dergelijke biokatalytische materialen moeten worden gebruikt bij de automatische productie van basisverbindingen met toegevoegde waarde zonder ingewikkelde synthese- en reinigingsstappen en met een minimale hoeveelheid afval, ", zegt professor Christof Niemeyer van KIT's Institute for Biological Interfaces.

Voor dit doeleinde, wetenschappers hebben natuurlijke enzymen zodanig aangepast dat ze zichzelf assembleren in een stabiele biokatalysator. Net als bij een tweecomponentenlijm, de enzymen vormen een gelachtig materiaal. Dit materiaal wordt aangebracht op kunststofspanen met groefvormige verdiepingen. Drogen leidt tot concentratie en vorming van de hydrogel. Vervolgens, deze chip is bedekt met een plastic folie en basisstoffen kunnen door de groeven worden gepompt en worden omgezet in de door de biokatalysatoren gewenste eindproducten. De biokatalysatorgel blijft achter. Geen oplosmiddelen of hoge temperaturen en drukken nodig, waardoor het proces zeer duurzaam en milieuvriendelijk is.

Omdat er op de kleinste ruimte een groot reactievolume bestaat, omzettingssnelheden in dergelijke geminiaturiseerde stroomreactoren of kleine reactievaten zijn zeer hoog. Hun gebruik in biokatalytische processen, echter, staat nog in de kinderschoenen, als dragermaterialen zijn tot dusverre nodig geweest om de enzymen in de reactor te fixeren. Deze dragers hebben reactorruimte nodig die dan niet meer beschikbaar is voor de biokatalysator. Het nieuwe biomateriaal, daarentegen, hecht aan de drager en de reactor kan worden gevuld met een maximale hoeveelheid biokatalysator. Bovendien, het kan volledig worden gerecycled, is biologisch afbreekbaar, zeer stabiel, en bereikt extreem hoge opbrengsten in reacties, waarvoor dure hulpstoffen nodig zijn.

In vergelijking met chemische materialen, biokatalysatoren zijn bijzonder voordelig wanneer zogenaamde enantiomeren worden geproduceerd door middel van een proces. Dit zijn verbindingen die spiegelbeelden van elkaar zijn. Als een regel, slechts één van de verbindingen is nodig voor de reactie, de tweede kan zelfs ongewenste effecten hebben. Met behulp van biokatalysatoren, specifieke productie van een van beide verbindingen is mogelijk, terwijl voor chemische processen vaak dure hulpstoffen nodig zijn voor dit doel of voor het scheiden van de ongewenste verbinding.

Er werd gewerkt in het kader van het Helmholtz-programma "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). "Ons onderzoeks- en ontwikkelingswerk was alleen mogelijk met de apparatuur en infrastructuur van dit programma, " zegt Christof Niemeyer. In het kader van dit programma, wetenschappers van het KIT werken samen over disciplines heen om biologische systemen te bestuderen en te gebruiken voor latere toepassing in de industriële en medische bio-engineeringsectoren. Hoge interdisciplinariteit vereist brede methodologische expertise op het gebied van materiaalproductie en karakterisering, evenals op gegevens gebaseerde simulatiemethoden. Deze knowhow is aanwezig bij het KIT.