Enzyme können chemische Reaktionen schnell und mit wenig Energie antreiben. Das macht sie interessant für eine grünere Chemie. In Fabriken laufen Prozesse jedoch oft im Dauerbetrieb. Viele Enzyme sind dafür zu empfindlich oder lassen sich schlecht in Durchflussanlagen einsetzen, in denen ständig frische Ausgangsstoffe nachströmen. Eine neue Studie zeigt nun einen möglichen Ausweg. Das Team nutzte 3D-Druck, um kleine Spiralreaktoren herzustellen. Darin wird das Enzym Laccase fest an der Innenwand verankert.

Enzym bleibt im Reaktor statt im Abwasser

Das Prinzip ist leicht zu verstehen. Normalerweise schwimmt ein Enzym in der Flüssigkeit und geht am Ende mit dem Produktstrom verloren. Die Dortmunder Forschenden binden Laccase an die Oberfläche im Reaktorkanal. So bleibt der Biokatalysator an Ort und Stelle und kann wieder und wieder genutzt werden. In den Versuchen lief das System über mehrere Zyklen stabil. Der Reaktor blieb bis zu zwei Wochen einsatzfähig, die Umsetzung nahm nur gering ab. Weil das Enzym an der Wand sitzt, reagiert es etwas langsamer als frei gelöst. Dafür wird der Prozess robuster, auch bei höheren Temperaturen bis 70 Grad Celsius.

Blasenströmung bringt mehr Kontakt

Den größten Schub brachte die Prozessführung. Wenn Gas und Flüssigkeit gemeinsam durch den Kanal strömen, bilden sich kleine Blasen, die die Flüssigkeit ständig durchmischen. Dadurch erreichen die Ausgangsstoffe die Enzymwand schneller und Produkte werden zügig abtransportiert. Ähnliche Ansätze, Enzyme auf 3D-gedruckten Bauteilen zu befestigen, wurden bereits erprobt, auch mit Laccase in Durchflussreaktoren. Der Dortmunder Ansatz verbindet das nun mit einer Strömungsführung, die den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Enzym deutlich verbessert. In dieser Zwei-Phasen-Strömung erzielte das Team im Modellversuch bis zu 94 Prozent Produktbildung. In einer vergleichbaren Führung ohne Gas waren es nur rund 26 Prozent. Solche Reaktoren könnten helfen, Enzyme in skalierbare Durchflussprozesse zu integrieren, zum Beispiel für Wasserbehandlung oder für biobasierte Materialien.

ag