L'industrie consomme de grandes quantités de pétrole brut pour produire des substances de base pour les médicaments, produits de beauté, plastiques, ou de la nourriture. Cependant, ces procédés consomment beaucoup d'énergie et produisent des déchets. Les processus biologiques avec des enzymes sont beaucoup plus durables. Les molécules de protéines peuvent catalyser diverses réactions chimiques sans avoir besoin de matériaux auxiliaires ou de solvants. Mais ils sont chers et, Par conséquent, ont été économiquement peu attrayants jusqu'à présent. Des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ont maintenant développé un nouveau biomatériau qui facilite considérablement l'utilisation des enzymes. Les résultats sont présentés dans la revue Angewandte Chemie .

Les catalyseurs assurent une réaction rapide des substances basiques au produit final souhaité avec une faible consommation d'énergie. D'où, ils sont d'une grande importance pour l'industrie chimique. Dans environ 90 pour cent de tous les processus chimiques, des catalyseurs sont appliqués. Les scientifiques de KIT ont maintenant développé un biomatériau alternatif respectueux de l'environnement, dont l'utilisation est associée à une consommation d'énergie réduite. "À long terme, ces matériaux biocatalytiques doivent être utilisés dans la production automatique de composés basiques à valeur ajoutée sans étapes complexes de synthèse et de nettoyage et avec une quantité minimale de déchets générés, " déclare le professeur Christof Niemeyer de l'Institut des interfaces biologiques du KIT.

Dans ce but, les scientifiques ont modifié les enzymes naturelles de telle sorte qu'elles s'auto-assemblent dans un biocatalyseur stable. Semblable à un adhésif à deux composants, les enzymes forment un matériau de type gel. Ce matériau est appliqué sur des copeaux de plastique avec des creux en forme de rainure. Le séchage conduit à la concentration et à la formation de l'hydrogel. Puis, cette puce est recouverte d'une feuille de plastique et les substances basiques peuvent être pompées à travers les rainures et sont converties en produits finaux souhaités par les biocatalyseurs. Le gel biocatalyseur reste. Aucun solvant ou températures et pressions élevées ne sont nécessaires, ce qui rend le processus hautement durable et compatible avec l'environnement.

Comme un grand volume de réaction existe sur le plus petit espace, les taux de conversion dans ces réacteurs à flux miniaturisés ou ces petits réacteurs sont très élevés. Leur utilisation dans des procédés biocatalytiques, cependant, est encore à ses balbutiements, car des matériaux de support ont été nécessaires jusqu'à présent pour fixer les enzymes dans le réacteur. Ces supports ont besoin d'un espace de réacteur qui n'est alors plus disponible pour le biocatalyseur. Le nouveau biomatériau, par contre, adhère au support et le réacteur peut être rempli d'une quantité maximale de biocatalyseur. De plus, il peut être entièrement recyclé, est biodégradable, très stable, et atteint des rendements extrêmement élevés dans les réactions, pour lesquels des matériaux auxiliaires coûteux sont nécessaires.

Par rapport aux matériaux chimiques, les biocatalyseurs sont particulièrement avantageux lorsque ce qu'on appelle des énantiomères sont produits par un procédé. Ce sont des composés qui sont des images miroir les uns des autres. Comme règle, un seul des composés est nécessaire à la réaction, la seconde peut même avoir des effets indésirables. Avec l'aide de biocatalyseurs, la production spécifique de l'un des deux composés est possible, tandis que les procédés chimiques nécessitent souvent des matériaux auxiliaires coûteux à cette fin ou la séparation du composé indésirable.

Les travaux ont été menés dans le cadre du programme Helmholtz "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). "Nos travaux de recherche et développement n'ont été possibles qu'avec les équipements et infrastructures de ce programme, " précise Christof Niemeyer. Dans le cadre de ce programme, les scientifiques du KIT coopèrent dans toutes les disciplines pour étudier et utiliser des systèmes biologiques pour une application ultérieure dans les secteurs de la bio-ingénierie industrielle et médicale. Une interdisciplinarité élevée nécessite une large expertise méthodologique couvrant la production et la caractérisation des matériaux ainsi que les méthodes de simulation basées sur les données. Ce savoir-faire est disponible chez KIT.