Industrin förbrukar stora mängder råolja för att producera basämnen för droger, kosmetika, plast, eller mat. Dock, dessa processer förbrukar mycket energi och producerar avfall. Biologiska processer med enzymer är mycket mer hållbara. Proteinmolekylerna kan katalysera olika kemiska reaktioner utan att hjälpmaterial eller lösningsmedel behövs. Men de är dyra och därav, har hittills varit ekonomiskt oattraktiva. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu utvecklat ett nytt biomaterial som avsevärt underlättar användningen av enzymer. Resultaten presenteras i tidskriften Angewandte Chemie .

Katalysatorer säkerställer snabb reaktion av basämnen till önskad slutprodukt med låg energiförbrukning. Därav, de är av stor betydelse för den kemiska industrin. I cirka 90 procent av alla kemiska processer, katalysatorer appliceras. Forskare vid KIT har nu utvecklat ett miljövänligt alternativt biomaterial, vars användning är förknippad med minskad energiförbrukning. "I längden, sådana biokatalytiska material ska användas vid automatisk produktion av förädlade basföreningar utan komplexa syntes- och reningssteg och med en minimal mängd avfall som uppstår, säger professor Christof Niemeyer vid KIT:s Institute for Biological Interfaces.

För det här syftet, forskare modifierade naturliga enzymer så att de självmonterar sig i en stabil biokatalysator. I likhet med ett tvåkomponentslim, enzymerna bildar ett material av geltyp. Detta material appliceras på plastspån med spårformade fördjupningar. Torkning leder till koncentration och bildning av hydrogelen. Sedan, detta chip täcks av en plastfolie och basämnen kan pumpas genom spåren och omvandlas till de slutprodukter som biokatalysatorerna önskar. Biokatalysatorgelen finns kvar. Inga lösningsmedel eller höga temperaturer och tryck behövs, vilket gör processen mycket hållbar och miljövänlig.

Eftersom en stor reaktionsvolym finns på minsta utrymme, omvandlingshastigheterna i sådana miniatyriserade flödesreaktorer eller små reaktionskärl är mycket höga. Deras användning i biokatalytiska processer, dock, är fortfarande i sin linda, eftersom bärarmaterial hittills har krävts för att fixera enzymerna i reaktorn. Dessa bärare behöver reaktorutrymme som då inte längre är tillgängligt för biokatalysatorn. Det nya biomaterialet, däremot vidhäftar till bäraren och reaktorn kan fyllas med en maximal mängd biokatalysator. Dessutom, det kan återvinnas helt, är biologiskt nedbrytbar, mycket stabil, och når extremt höga utbyten i reaktioner, för vilka dyra hjälpmaterial krävs.

Jämfört med kemiska material, biokatalysatorer är särskilt fördelaktiga när så kallade enantiomerer framställs genom en process. Dessa är föreningar som är spegelbilder av varandra. I regel, endast en av föreningarna behövs för reaktionen, den andra kan till och med ha oönskade effekter. Med hjälp av biokatalysatorer, specifik produktion av en av båda föreningarna är möjlig, medan kemiska processer ofta kräver dyra hjälpmaterial för detta ändamål eller separation av den oönskade föreningen.

Arbetet utfördes inom ramen för Helmholtz-programmet "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). "Vårt forsknings- och utvecklingsarbete var endast möjligt med utrustningen och infrastrukturen i detta program, " säger Christof Niemeyer. Inom ramen för detta program, forskare vid KIT samarbetar över discipliner för att studera och använda biologiska system för senare tillämpning inom den industriella och medicinska biotekniksektorn. Hög tvärvetenskap kräver bred metodisk expertis som omfattar materialproduktion och karakterisering samt databaserade simuleringsmetoder. Denna kunskap finns tillgänglig på KIT.