Нано-мембрана увеличивает скорость реакций в тысячу раз
Исследователи создали наномембрану, которая повышает эффективность проточных реакторов с ферментами в тысячу раз. Новая технология может использоваться для устойчивого производства фосфатов и других химических веществ.
Проблема проточных реакторов
Проточные реакторы с ферментами позволяют производить химические вещества экологично и с низким энергопотреблением. Однако их эффективность была ограничена из-за несоответствия размеров:
- Каналы реакторов — миллиметровые
- Ферменты — нанометровые
В результате многие молекулы протекали, не контактируя с ферментами.
Решение: наномембрана с упорядоченными порами
Исследователи из Helmholtz-Zentrum Hereon и RWTH Aachen University использовали мембрану из блок-сополимеров с уникальной структурой:
Поверхность: цилиндрические поры диаметром 50 нанометров
Под поверхностью: более открытая пористая структура
Поры имеют положительный электрический заряд
Ключевые инновации
- Молекула-помощник: специальный пептид связывает ферменты со стенками пор, действуя как "амортизатор"
- Высокая плотность: ферменты равномерно распределены по всем порам
- Электростатическое притяжение: отрицательно заряженные молекулы притягиваются к положительно заряженным порам
Тестирование на фитазе
В качестве прототипа использовали фермент фитазу, который разлагает фитат (содержится в злаках) на фосфаты. Результаты:
- Увеличение выхода в 1000 раз по сравнению с обычными проточными реакторами
- Стабильность 30 дней с минимальной потерей эффективности
- Простая конструкция: мембрана размером с лист бумаги + система прокачки раствора
Перспективы и ограничения
Преимущества:
- Масштабируемость до промышленного уровня
- Возможность использования других ферментов (мембраны с разным размером пор)
- Устойчивое производство фосфатов для удобрений
Недостатки:
- Не до конца изучен механизм формирования мембранных структур
- Нужно научиться более целенаправленно создавать цилиндрические поры
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.