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Wie lassen sich chemische Reaktionen energieeffizienter, sicherer und nachhaltiger gestalten – und zugleich für industrielle Anwendungen nutzbar machen? Forschende des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM haben gemeinsam mit zwei weiteren Fraunhofer-Instituten, unterstützt von Analytikspezialisten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Freien Universität Berlin, eine Lösung für genau diese Fragestellung entwickelt. Im Verbund entstanden neuartige hybride Katalysatorpartikel, die lichtgetriebene Photokatalyse und effiziente Biokatalyse in einem einzigen Reaktionssystem verbinden.
Die Ergebnisse wurden gerade erst in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht und belegen die wissenschaftliche Qualität und den technologischen Wert der Arbeiten. Der Artikel mit dem Titel »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« beleuchtet, wie durch gezielte Gestaltung nanostrukturierter Materialien Inkompatibilitäten zwischen Photokatalyse und enzymbasierter Biokatalyse überwunden werden können.
Kombinierte photo- und biokatalytische Kaskadenreaktionen gelten als Schlüsseltechnologie für ressourcen- und energieeffiziente chemische Prozesse. In der Praxis scheitert ihre Umsetzung jedoch häufig an der begrenzten Kompatibilität der beteiligten Katalysatorsysteme. Die nun veröffentlichten Arbeiten adressieren genau diese Herausforderung und zeigen einen Ansatz, wie beide katalytischen Funktionen gezielt zusammengeführt werden können.
Das Forschungsteam am Fraunhofer ISC hat hierzu hybride Katalysatoren auf Basis von Suprapartikeln entwickelt, in denen beide Funktionen gezielt kombiniert, aber räumlich voneinander getrennt sind. Suprapartikel werden aus zwei Typen von nanopartikulären Bausteinen zusammengesetzt: Kohlenstoffnitrid (C3N4) als Photokatalysatorbaustein, kombiniert mit Siliciumdioxid-Partikeln, auf denen das Enzym Meerrettichperoxidase (HRP) immobilisiert wurde und den Biokatalysator-Baustein darstellen. Die Partikel werden in einem skalierbaren Sprühtrocknungsprozess hergestellt und lassen sich flexibel an unterschiedliche Anwendungen anpassen.
Ein Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer IMM lag auf der prozesstechnischen Ausgestaltung und dem detaillierten Verständnis der gekoppelten Reaktionen. Die Forschenden untersuchten systematisch, unter welchen Bedingungen photokatalytische und enzymatische Teilschritte stabil zusammenwirken können. Auf dieser Basis wurde ein sogenanntes Kompatibilitätsfenster definiert, in dem beide Katalysatoren ihre jeweilige Funktion behalten. Dabei zeigte sich, dass die gezielte räumliche Organisation der Katalysatorkomponenten entscheidend ist, um unerwünschte Wechselwirkungen zu vermeiden und die Reaktionskaskade effizient zu steuern. Diese Erkenntnisse sind insbesondere für die Übertragung in kontinuierliche Prozesse von Bedeutung, da sie eine reproduzierbare und robuste Prozessführung ermöglichen.
Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht erzeugt der Photokatalysator Wasserstoffperoxid direkt im Reaktionssystem – genau die Substanz, die das Enzym für den nächsten Reaktionsschritt benötigt. Auf diese Weise können chemische Prozesse gekoppelt werden, ohne Zwischenprodukte aufwendig aufzubereiten oder gefährliche Stoffe zu lagern. Das erhöht die Sicherheit, senkt den Energie- und Materialeinsatz und vereinfacht die Prozessführung erheblich.
Eine besondere Stärke der Arbeiten liegt in der Nähe zur industriellen Anwendung. Am Fraunhofer IMM wurden die Hybridkatalysatoren erfolgreich in kontinuierlichen Durchflussprozessen getestet. In einem speziell entwickelten Kapillar-Photoreaktor zeigten sie nicht nur im Labormaßstab, sondern auch unter praxisnahen Bedingungen eine hohe Stabilität und Produktivität. Damit ist ein wichtiger Schritt in Richtung skalierbarer Produktionsprozesse gelungen.
Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven
Die entwickelten suprapartikulären Hybridkatalysatoren kombinieren die hohe Reaktivität lichtgetriebener Photokatalyse mit der Selektivität natürlicher Enzyme. Auf diese Weise entsteht ein leistungsfähiger Ansatz, der neue Perspektiven für nachhaltige chemische Produktionsprozesse eröffnet, wie zum Beispiel
• die effiziente Synthese von Feinchemikalien und Pharmazeutika,
• die Nutzung von sichtbarem Licht als erneuerbare Energiequelle für die chemische Synthese,
• die Prozessintensivierung durch gekoppelte katalytische Systeme,
• und nachhaltige Ansätze in der Strömungschemie.
Klare Vorteile für Industriekunden
Die neu entwickelten Hybridkatalysatoren sind gezielt auf die Anforderungen industrieller Anwender ausgerichtet und bieten insbesondere für Unternehmen aus den Bereichen Pharmazeutika, Spezialchemikalien, Biotechnologie und Umwelttechnik klare Vorteile.
Sie ermöglichen einen robusten Betrieb sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Durchflussmodus und erlauben damit einen industriell relevanten Durchsatz. Die Nutzung von Strömungschemie verbessert das Wärmemanagement, reduziert den Platzbedarf und erhöht die Betriebssicherheit. Durch die In-situ-Erzeugung und unmittelbare Umsetzung von Wasserstoffperoxid wird die Prozesssicherheit weiter gesteigert, während gekoppelte Kaskadenreaktionen aufwendige Zwischenaufarbeitungen überflüssig machen und so Abfallmengen sowie Materialkosten senken. Gleichzeitig erlauben milde, energieeffiziente Reaktionsbedingungen – aktiviert durch sichtbares Licht und wässrige Reaktionsmedien – eine ressourcenschonende und regulatorisch konforme Prozessführung. Die modulare Architektur der Suprapartikel lässt sich flexibel an unterschiedliche Anwendungen anpassen, etwa in der Pharma-, Fein- oder Agrochemie, und unterstützt maßgeschneiderte Prozesslösungen. Zudem erhöht die Immobilisierung der Enzyme deren Stabilität und Lebensdauer und vereinfacht die nachgeschaltete Trennung. Dank der Kompatibilität mit gängigen Kapillar- und Mikroreaktorplattformen lassen sich die Hybridkatalysatoren ohne größere Umstellungen in bestehende Durchflusssysteme integrieren und damit zügig in industrielle Prozesse überführen.
„Unser Ziel ist es, neue katalytische Konzepte von Beginn an so auszulegen, dass sie auf industrielle Prozesse übertragbar sind und dort einen messbaren Mehrwert schaffen“, sagt Dr. Thomas Rehm, Gruppenleiter am Fraunhofer IMM. „Die Kombination aus Photokatalyse und Biokatalyse eröffnet hierfür neue technologische Möglichkeiten.“
Gebündelte Fraunhofer-Kompetenzen im Verbund
Die Arbeiten entstanden im engen Zusammenspiel mehrerer Fraunhofer-Institute und zeigen exemplarisch, wie die Bündelung unterschiedlicher Kompetenzen innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft zu anwendungsnahen Lösungen führt.
• Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
• Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
• Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME
und unterstützt durch spezialisierte Analysen von
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Freie Universität Berlin
Die Arbeiten wurden finanziell durch die Fraunhofer-Gesellschaft, das BMBF/PTJ (ILLUMINATE, 031B1121) sowie durch das Forschungs- und Innovationsprogramm »Horizon Europe« der Europäischen Union (SUNGATE, Nr. 101122061) gefördert.
thomas.rehm@imm.fraunhofer.de
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Biologie, Chemie, Medizin, Umwelt / Ökologie, Wirtschaft
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
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