Forschende am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM haben Hybridkatalysatoren entwickelt, die lichtgetriebene Photokatalyse und enzymatische Biokatalyse in einem gemeinsamen Reaktionssystem kombinieren. Ziel ist es, chemische Prozesse energieeffizienter, sicherer und für industrielle Anwendungen besser nutzbar zu machen.
Die Arbeiten entstanden im Verbund mehrerer Fraunhofer-Institute sowie mit analytischer Unterstützung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Freien Universität Berlin. Grundlage des Ansatzes sind suprapartikuläre Katalysatorpartikel, die beide katalytischen Funktionen in einer strukturierten Materialarchitektur zusammenführen und gekoppelte Reaktionsschritte ermöglichen.
Suprapartikel vereinen Photokatalyse und Biokatalyse
Die entwickelten Hybridkatalysatoren basieren auf sogenannten Suprapartikeln, in denen zwei nanopartikuläre Bausteine gezielt kombiniert werden. Graphitisches Kohlenstoffnitrid (C3N4) fungiert dabei als Photokatalysator, während Siliciumdioxid-Partikel mit immobilisierter Meerrettichperoxidase (HRP) die biokatalytische Funktion übernehmen. Beide Komponenten sind innerhalb eines Partikels zusammengeführt, bleiben jedoch räumlich voneinander getrennt, sodass ihre jeweiligen Eigenschaften erhalten bleiben.
Durch diese Struktur lassen sich die unterschiedlichen Anforderungen von Photokatalyse und enzymatischer Biokatalyse berücksichtigen, ohne dass es zu unerwünschten Wechselwirkungen kommt. Die Partikel werden in einem skalierbaren Sprühtrocknungsprozess hergestellt, der eine gezielte Anpassung der Materialarchitektur an verschiedene Anwendungen ermöglicht. Kombinierte photo- und biokatalytische Kaskadenreaktionen gelten als vielversprechender Ansatz für ressourcen- und energieeffiziente chemische Prozesse, deren praktische Umsetzung bislang jedoch häufig an der begrenzten Kompatibilität der beteiligten Katalysatoren scheitert. Die suprapartikuläre Struktur adressiert genau diese Herausforderung.
Hybridkatalysatoren ermöglichen stabile photo-biokatalytische Reaktionen
Ein wesentlicher Teil der Arbeiten konzentrierte sich auf die prozesstechnische Ausgestaltung der gekoppelten Reaktionen. Forschende am Fraunhofer IMM untersuchten systematisch, unter welchen Bedingungen photokatalytische und enzymatische Teilschritte stabil zusammenwirken können, und analysierten dazu die Wechselwirkungen der beiden Katalysesysteme im Reaktionsumfeld.
Auf dieser Grundlage wurde ein sogenanntes Kompatibilitätsfenster definiert, innerhalb dessen beide katalytischen Funktionen ihre Aktivität behalten. Entscheidend erwies sich dabei die gezielte räumliche Organisation der Katalysatorkomponenten innerhalb der Suprapartikel, da sie unerwünschte Wechselwirkungen reduziert und gleichzeitig eine kontrollierte Steuerung der Reaktionskaskade ermöglicht. Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht bildet der Photokatalysator Wasserstoffperoxid direkt im Reaktionssystem, das anschließend unmittelbar vom immobilisierten Enzym für den nächsten Reaktionsschritt genutzt wird. Dadurch lassen sich Reaktionen koppeln, ohne Zwischenprodukte aufwendig aufzubereiten oder potenziell gefährliche Stoffe zu lagern, was Sicherheit erhöht und Energie- sowie Materialeinsatz reduziert.
Die Hybridkatalysatoren wurden am Fraunhofer IMM zudem in kontinuierlichen Durchflussprozessen untersucht. In einem speziell entwickelten Kapillar-Photoreaktor zeigten sie sowohl im Labormaßstab als auch unter praxisnahen Bedingungen eine hohe Stabilität und Produktivität, wodurch sich der Ansatz grundsätzlich auch für skalierbare Produktionsprozesse eignet.
Perspektiven für chemische Synthesen und industrielle Anwendungen
Die Kombination lichtgetriebener Photokatalyse mit der Selektivität enzymatischer Reaktionen eröffnet neue Möglichkeiten für chemische Synthesen. Dazu zählen unter anderem die effiziente Herstellung von Feinchemikalien und Pharmazeutika sowie Ansätze, bei denen sichtbares Licht als erneuerbare Energiequelle für chemische Reaktionen genutzt wird. Auch für die Strömungschemie bietet das Konzept neue Möglichkeiten, da gekoppelte katalytische Systeme Reaktionsschritte innerhalb eines Prozesses zusammenführen und damit zur Prozessintensivierung beitragen können.
Die Hybridkatalysatoren sind sowohl für Batchreaktionen als auch für kontinuierliche Durchflussprozesse ausgelegt und ermöglichen damit industriell relevante Durchsätze. Strömungschemische Verfahren verbessern dabei unter anderem das Wärmemanagement, reduzieren den Platzbedarf von Anlagen und erhöhen die Betriebssicherheit. Durch die In-situ-Erzeugung von Wasserstoffperoxid entfällt zudem dessen Lagerung, während gekoppelte Reaktionsschritte aufwendige Zwischenaufarbeitungen reduzieren und damit Materialkosten sowie Abfallmengen senken können.
Die modulare Architektur der Suprapartikel erlaubt eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen, etwa in der Pharma-, Fein- oder Agrochemie. Gleichzeitig erhöht die Immobilisierung der Enzyme deren Stabilität und Lebensdauer und erleichtert die nachgeschaltete Trennung. Da die Hybridkatalysatoren mit gängigen Kapillar- und Mikroreaktorplattformen kompatibel sind, lassen sie sich vergleichsweise einfach in bestehende Durchflusssysteme integrieren.
„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.“
Die Arbeiten entstanden im Verbund mehrerer Fraunhofer-Institute – des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC, des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM sowie des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME – und wurden durch analytische Untersuchungen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg sowie der Freien Universität Berlin unterstützt. Finanziert wurde das Projekt durch die Fraunhofer-Gesellschaft, das BMBF/PTJ im Projekt ILLUMINATE (031B1121) sowie durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union im Projekt SUNGATE (Nr. 101122061).
Originalpublikation: B.Herbig, E.Cermjani, D.Hanselmann, et al. “Supraparticles Composed of Graphitic Carbon Nitride Nanoparticles and Silica-Supported Horseradish Peroxidase as Customizable Hybrid Catalysts for Photo-Biocatalytic Cascade Reactions in Continuous Flow.” Adv. Funct. Mater. (2025): e13695. https://doi.org/10.1002/adfm.202513695
