Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme (IMM) hat in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Fraunhofer-Instituten sowie Experten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Freien Universität Berlin eine neuartige Lösung zur Verbesserung chemischer Prozesse entwickelt. Ziel war es, chemische Reaktionen sowohl energieeffizienter als auch nachhaltiger zu gestalten und gleichzeitig für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung hybrider Katalysatorpartikel, die eine Kombination aus lichtgetriebener Photokatalyse und effizienter Biokatalyse in einem einzigen Reaktionssystem ermöglichen.
Diese innovative Forschung wurde in der angesehenen Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht und dokumentiert den hohen wissenschaftlichen und technologischen Wert der Arbeit. 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 Materialgestaltung die typischen Inkompatibilitäten zwischen Photokatalyse und enzymbasierter Biokatalyse überwunden werden können.
Kombinierte Katalyseverfahren stellen eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung ressourcen- und energieeffizienter chemischer Prozesse dar. In der Praxis scheitern diese jedoch häufig an der unzureichenden Kompatibilität der verschiedenen Katalysatorsysteme. Die aktuellen Forschungen zielen darauf ab, diese Herausforderung zu meistern und einen Ansatz zu präsentieren, der beide Katalysefunktionen effektiv vereint. Dabei hat das Forschungsteam am Fraunhofer ISC hybride Katalysatoren entwickelt, die aus Suprapartikeln bestehen. Diese setzen sich aus Kohlenstoffnitrid (C3N4) als Photokatalysator und Siliciumdioxid-Partikeln zusammen, auf denen das Enzym Meerrettichperoxidase (HRP) immobilisiert ist und somit den Biokatalysator darstellt. Die Herstellung der Partikel erfolgt in einem skalierbaren Sprühtrocknungsprozess, der eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen ermöglicht.
Ein besonderes Augenmerk der Forscher am Fraunhofer IMM lag auf den prozesstechnischen Aspekten und dem detaillierten Verständnis der gekoppelten Reaktionen. Sie untersuchten systematisch die Bedingungen, unter denen photokatalytische und enzymatische Teilschritte stabil zusammenarbeiten können. Hierbei wurde ein sogenanntes Kompatibilitätsfenster definiert, in dem beide Katalysatoren ihre spezifischen Funktionen erfolgreich ausüben können. Es stellte sich heraus, dass die gezielte räumliche Anordnung der Katalysatorkomponenten entscheidend ist, um unerwünschte Wechselwirkungen zu vermeiden und die Reaktionskaskade effizient zu steuern. Diese Erkenntnisse sind besonders relevant für die Umsetzung in kontinuierliche Prozesse, da sie eine reproduzierbare und robuste Prozessführung ermöglichen.
Unter Lichtbestrahlung erzeugt der Photokatalysator Wasserstoffperoxid direkt im Reaktionssystem – genau die Substanz, die das Enzym für den nächsten Schritt benötigt. Dies ermöglicht eine Kopplung chemischer Prozesse, ohne dass aufwendige Zwischenprodukte aufbereitet oder gefährliche Stoffe gelagert werden müssen. Diese Herangehensweise erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern senkt auch den Energie- und Materialaufwand erheblich und vereinfacht die Prozessführung.
Ein herausragendes Merkmal der entwickelten Hybridkatalysatoren ist ihre Nähe zur industriellen Anwendung. Sie wurden erfolgreich in kontinuierlichen Durchflussprozessen getestet und zeigten sowohl im Labor als auch unter praxisnahen Bedingungen hohe Stabilität und Produktivität. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in Richtung skalierbarer Produktionsprozesse dar.
Die neuen suprapartikulären Hybridkatalysatoren kombinieren die hohe Reaktivität lichtgetriebener Photokatalyse mit der Selektivität natürlicher Enzyme. Dies schafft einen leistungsfähigen Ansatz zur Effizienzsteigerung in der chemischen Produktion, der unter anderem die Synthese von Feinchemikalien und Pharmazeutika, die Nutzung von sichtbarem Licht als erneuerbare Energiequelle sowie nachhaltige Konzepte in der Strömungschemie umfasst.
Für industrielle Anwender, insbesondere in den Bereichen Pharmazeutika, Spezialchemikalien, Biotechnologie und Umwelttechnik, bieten diese Hybridkatalysatoren klare Vorteile. Sie ermöglichen einen robusten Betrieb sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Modus, was einen relevanten Durchsatz sicherstellt. Durch die In-situ-Erzeugung von Wasserstoff
