Enzymbestückter Durchflussreaktor

Die Membranspezialisten um Prof. Dr. Volker Abetz vom Helmholtz-Zentrum Hereon und der RWTH Aachen konnten die Ausbeute von bisher mit Enzymen gespickten Durchflussreaktoren um das Tausendfache steigern – mit einer Raum-Zeit-Ausbeute von 1.05 × 10⁵ g pro Liter und Tag. Auf Basis einer isoporösen Nanomembran gelang es, die umzusetzenden Moleküle in wesentlich engeren Kontakt mit den Enzymen zu bringen und dadurch die Reaktionsrate zu erhöhen.

Durchfluss-Reaktoren  bestehen aus kleinen Kanälen, an deren Wänden Enzyme immobilisiert sind, die vorübertreibende Substrate ins Produkt umwandeln. Bislang waren die Kanäle jedoch zu groß, um die nanometerkleinen Enzyme effizient mit den durchströmenden Substratmolekülen mit hinreichender Wahrscheinlichkeit umzusetzen.

Die Lösung des Problems lieferten die Geesthachter Wissenschaftler durch eine Membran, die durch Selbstorganisation von Blockcopolymeren eine hohe Dichte an gleichgroßen zylindrischen Poren mit einem wesentlich kleinerem Querschnitt von etwa 50 Nanometern aufweist.Unter den Poren befindet sich eine offenere poröse Struktur aus demselben Blockcopolymer.

Um an den Porenwändem Enzyme zu immobilisieren, nutzten die Wissenschaftler ein bifunktionales Klebstoff-Peptid, das das Enzym als Abstandshalter mit der Porenwand verbindet. In einem Modellversuch verwendete das Team das Enzym Phytase. Es spaltet die phosphorhaltige Verbindung Phytat in biogenes Phosphat, das als nachhaltiges Düngemittel dienen kann. Wegen der engen, dicht mit Enzymen besetzten Poren wurden im Vergleich mit bisherigen Durchflussreaktoren etwa tausendmal mehr Phytat-Moleküle umgesetzt. Unterstützend wirkte, dass die Membranporen elektrisch positiv und die Phytat-Moleküle negativ aufgeladen waren und sich daher elektrostatisch anzogen.

„Wir haben die Membran 30 Tage lang geteste. Sie verlor dabei nur wenig an Effizienz“, so Co-Autorin Dr. Zhenzhen Zhang, die eine Skalierung des Reaktors auf Industrie-Maßstab für machbar hält. Da sich mit dem neuen Verfahren  Membranen mit kleineren oder größeren Poren herstellen lassen, sollte sich der Reaktor auch mit anderen Enzymen bestücken lassen. Sobald klar ist, wie sich genau die Membranstrukturen bilden, hoffen wir, die zylindrischen Poren in der Membran noch deutlich gezielter herstellen zu können als bisher“, so Forschungsleiter Abetz.