Produire des produits chimiques dans le respect de l'environnement et en économisant l'énergie : plus de rendement grâce aux nanopores
Un nouveau procédé membranaire accroît l'efficacité des enzymes - la vitesse de réaction est nettement améliorée
Les réacteurs à écoulement continu remplis d'enzymes peuvent produire certains produits chimiques de manière douce et prudente. Toutefois, leurs performances ont jusqu'à présent été limitées. Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon et de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle a réussi à multiplier le rendement par mille. À l'aide d'une nanomembrane sur mesure, ils ont réussi à rapprocher les molécules à convertir des enzymes, augmentant ainsi considérablement la vitesse de réaction. Le nouveau procédé pourrait être utilisé, entre autres, pour la production durable de phosphate. Le groupe de travail présente ses résultats dans la revue Nature Communications.
Les enzymes sont des biocatalyseurs qui peuvent être utilisés pour produire des produits chimiques dans le respect de l'environnement et en économisant de l'énergie. Cependant, il n'est pas toujours facile de les utiliser efficacement. L'un des concepts est celui des réacteurs à écoulement continu. Ils sont constitués de petits canaux aux parois desquels les enzymes adhèrent. Lorsqu'une solution s'écoule dans ces canaux, les molécules contenues dans la solution peuvent s'arrimer aux biocatalyseurs afin de réagir avec leur aide pour former le produit désiré.
Jusqu'à présent, ces réacteurs n'ont pas fonctionné de manière optimale, car leurs canaux sont généralement de taille millimétrique, alors que les enzymes sont de taille nanométrique. Par conséquent, de nombreuses molécules qui circulent n'entrent même pas en contact avec les biocatalyseurs et n'ont donc pas la possibilité d'effectuer une réaction chimique.
Un amortisseur pour les enzymes
Pour résoudre ce problème, le groupe de travail a utilisé une membrane spéciale développée au Helmholtz-Zentrum Hereon à Geesthacht. "Cette membrane est créée par l'auto-assemblage de copolymères à blocs", explique Volker Abetz, directeur de l'Institut Hereon de recherche sur les membranes et professeur de chimie physique à l'université de Hambourg. "Leur surface présente une forte densité de pores cylindriques de taille égale". Ceux-ci sont minuscules, avec un diamètre d'à peine 50 nanomètres. Sous la surface se trouve une structure poreuse plus ouverte composée du même copolymère à blocs.
Les scientifiques ont utilisé une molécule auxiliaire spécialement conçue - une sorte de peptide adhésif - pour lacer les parois de ces pores avec des enzymes. "Ulrich Schwaneberg, professeur de biotechnologie à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle et membre de la direction scientifique de l'Institut Leibniz pour les matériaux interactifs, explique : "Le peptide se lie à la paroi du pore d'un côté et à l'enzyme de l'autre. "Le peptide agit comme une sorte d'amortisseur qui maintient en permanence l'enzyme à une certaine distance de la paroi du pore". L'équipe a utilisé une enzyme appelée phytase pour son prototype. Elle provoque la décomposition du phytate, un composé contenant du phosphore que l'on trouve notamment dans les céréales. Dans la pratique, l'enzyme phytase est ajoutée à l'alimentation animale, par exemple. Cela favorise la libération de phosphate biogène, qui peut ensuite être utilisé comme engrais durable.
Essai d'endurance réussi
"Le prototype de notre réacteur à flux est de conception relativement simple", explique le Dr Zhenzhen Zhang, chercheur à Hereon. "La membrane a à peu près la taille d'une feuille de papier, à laquelle s'ajoute un système qui permet à la solution de phytate de s'écouler à travers la membrane". Résultat : grâce aux pores étroits densément remplis d'enzymes, environ mille fois plus de molécules de phytate ont pu être converties en phosphate que dans les réacteurs à écoulement continu précédents - un rendement remarquable. Le fait que les pores de la membrane soient électriquement chargés positivement et les molécules de phytate négativement a également été utile. Les forces d'attraction qui en résultent ont également contribué à mettre les molécules en contact avec les enzymes.
"Nous avons testé la membrane pendant 30 jours et elle n'a perdu que très peu de son efficacité", déclare Zhang. "Il devrait être possible de faire passer notre réacteur à l'échelle industrielle. Comme le procédé Hereon peut également être utilisé pour produire des membranes avec des pores plus petits ou plus grands, il devrait également être possible d'équiper le réacteur avec d'autres enzymes qui peuvent alors accélérer d'autres réactions chimiques. Cependant, il reste encore des questions à éclaircir, comme par exemple : "Nous n'avons pas encore compris en détail le fonctionnement de la membrane : "Nous n'avons pas encore compris en détail comment les structures membranaires se forment", explique Abetz. "Si nous y parvenons, nous espérons pouvoir produire les pores cylindriques de la membrane de manière beaucoup plus ciblée qu'auparavant.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Zhenzhen Zhang, Liang Gao, Alexander Boes, Barbara Bajer, Johanna Stotz, Lina Apitius, Felix Jakob, Erik S. Schneider, Evgeni Sperling, Martin Held, Thomas Emmler, Ulrich Schwaneberg, Volker Abetz; "An enzymatic continuous-flow reactor based on a pore-size matching nano- and isoporous block copolymer membrane"; Nature Communications, Volume 15, 2024-4-17
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