14.01.2022 - Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB)

Convertir el dañino dióxido de carbono en productos químicos útiles

Inspirado en la naturaleza: La fijación electrobiocatalítica de CO₂ sustituye a los recursos fósiles

La fabricación de importantes materias primas para la química fina a partir del dióxido de carbono realmente funciona. En el marco del proyecto de colaboración Max Planck eBioCO2n, un equipo de investigadores del Fraunhofer IGB ha realizado con éxito la primera fijación deCO2 mediante una reacción enzimática multienzimática impulsada por la electricidad, lo que ha dado lugar a un posible producto intermedio para la industria química. El proceso de fijación electro-biocatalíticadel CO2 se ha publicado recientemente y se considera un "hot paper".

La quema de recursos fósiles produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero que es perjudicial para el clima y contribuye significativamente al calentamiento global. Sin embargo, los recursos fósiles siguen siendo un recurso clave, no sólo como fuente de energía, sino como materia prima para la industria química que se utiliza en muchos productos esenciales de la vida cotidiana, como medicamentos, envases, textiles, productos de limpieza y otros. Por ello, se está investigando intensamente una serie de alternativas a los recursos fósiles.

Los recursos renovables son una opción prometedora, pero también se necesitan otras bases de recursos alternativos si se quiere que la disponibilidad de los sintéticos verdes esté a la altura de las necesidades en los próximos años. La capacidad de fijarel CO2 de forma selectiva en condiciones de reacción suaves es otro motor sostenible de una economía circular del carbono.

Captura de carbono del aire para reducir las emisiones deCO2

Un equipo de investigadores de la rama del instituto Straubing del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB, junto con colegas del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo y de la Universidad Técnica de Múnich, ha realizado con éxito la primera conversión bioelectrocatalítica deCO2 en sustancias valiosas para la industria química. Combinando diferentes enfoques de la bioelectroquímica, la biología enzimática y la biología sintética, se han desarrollado bioelectrodos especiales que utilizan energía renovable para impulsar las enzimas y producir moléculas orgánicas valiosas a partir del gas de efecto invernadero en una reacción secuencial similar a la fotosíntesis.

El objetivo es capturar elCO2 directamente del aire: "Esto permitiría que el proceso no sólo ayudara a la industria a prescindir de los recursos fósiles, sino que también impulsara activamente la transición climática mediante la reducción delCO2", explica el Dr. Michael Richter, Jefe del Campo de Innovación de Química Bioinspirada del Fraunhofer IGB. "Sin embargo, en primer lugar teníamos que demostrar que nuestra idea de impulsar una reacción biocatalítica multienzimática tan compleja con electricidad como esta funcionaría".

El hidrogel transporta electrones para las enzimasque fijan el CO2

Sus esfuerzos tuvieron éxito: Los procesos metabólicos de los microorganismos inspiraron a los investigadores a desarrollar un proceso basado en la electricidad para fijar elCO2. Los principales elementos de este proceso son las enzimasfijadoras de CO2 desarrolladas por el Dr. David Adam y el Prof. Tobias Erb, director del MPI de Marburgo. El siguiente reto era proporcionar a las enzimasfijadoras de CO2 un suministro continuo de los electrones necesarios para la reducción delCO2. Esto se consiguió incrustando las enzimas en un hidrogel redox activo, lo que les permitió ser impulsadas electroquímicamente y unir el dióxido de carbono a un sustrato, convirtiéndolo así en un valioso producto intermedio. "El proceso es una vía de reacción muy eficiente, la carboxilación reductora, que es muy económica y limpia porque no requiere la presencia de ninguna otra sustancia en el sistema: sólo dióxido de carbono, sustrato y electrones, preferiblemente de fuentes renovables", explica el Dr. Leonardo Castañeda-Losada, cuya tesis doctoral se dedicó al tema de la bioelectrocatálisis y que ahora trabaja en el proyecto en el Fraunhofer IGB junto con la Dra. Melanie Iwanow y el Dr. Steffen Roth.

Los hidrogeles en los que las enzimas realizan su trabajo se desarrollaron especialmente en la Universidad Técnica de Múnich bajo la dirección del profesor Nicolas Plumeré. Se han modificado para que sean buenos conductores de electrones y ofrezcan al mismo tiempo unas condiciones de trabajo óptimas para las biomoléculas. "Esto nos permite no sólo aplicar monocapas a las enzimas, sino también ampliarlas tridimensionalmente muchas veces, porque los electrones son conducidos por todas partes en el gel. Por ello, es probable que el proceso sea fácilmente escalable para la industria química en el futuro", explica el profesor Volker Sieber, que lleva mucho tiempo trabajando en estrategias de almacenamiento deCO2 en la rama del instituto de Straubing del Fraunhofer IGB.

Los cofactores se regeneran permanentemente mientras el proceso está en marcha

El enfoque completamente nuevo adoptado por los investigadores no sólo depende de la capacidad de impulsar con éxito una secuencia de reacción enzimática utilizando electricidad, sino que implica un módulo muy innovador: Para que las reacciones se produzcan de la forma prevista y, en última instancia, se obtenga el mayor rendimiento posible del producto, se necesita una alimentación continua de "dopaje" para la enzima en forma de cofactores funcionales adecuados. Estas pequeñas moléculas orgánicas se agotan en el transcurso de cada reacción y deben ser regeneradas para volver a ser utilizadas. No regenerarlas es muy costoso y, por tanto, antieconómico para la industria. Por ello, los expertos de eBioCO2n han encontrado la forma de regenerarlos, en teoría un número ilimitado de veces, dentro de los mismos sistemas de reacción en los hidrogeles mediante el uso de la electricidad. "En realidad, sólo debería ser necesario introducir un cofactor en el sistema una vez para que se regenere automáticamente una y otra vez. En la práctica, sin embargo, no funciona tan bien porque el cofactor no permanece estable indefinidamente, pero sí dura mucho tiempo", dice Richter.

Los investigadores disponen de todo un conjunto de enzimas diferentes para el proceso de reciclaje del cofactor bioelectrocatalítico, descubiertas a través de diferentes organismos. El espectro de estas biomoléculas podría ampliarse de forma modular para trabajos adicionales, dependiendo de la aplicación, y utilizarse como sistema de plataforma. "Se podría seleccionar prácticamente cualquier enzima de las bases de datos bioinformáticas, fabricarla por medios biotecnológicos e incorporarla a los hidrogeles", dice Richter. "Esto podría permitir la producción de diferentes productos químicos finos de base biológica. Estos productos químicos finos podrían ampliarse después mediante otras cascadas enzimáticas, de modo que prácticamente podrían diversificarse tanto como fuera necesario." Aquí es donde entra en juego la experiencia del MPI de Marburgo. Si se puede ampliar en consecuencia, la tecnología de plataforma podría convertirse en un prometedor modelo de negocio para la industria química.

Sistema de plataforma ampliable y escalable sin limitaciones

Con la fijación deCO2 en el laboratorio, Fraunhofer IGB podría carboxilar un derivado de la coenzima A, una biomolécula importante en muchos procesos metabólicos. "Esta ha sido hasta ahora la molécula más difícil de fijarel CO2 por medios biocatalíticos", dice Richter. "Utilizar esta tecnología para modificar una sustancia tan grande y estructuralmente sofisticada no es poca cosa". El último reto para los investigadores es ahora demostrar que su idea funciona de forma fiable y escalable y que puede ampliarse de forma modular. Sin embargo, el estado de ánimo en el Fraunhofer IGB es optimista, sobre todo por el buen funcionamiento del equipo interdisciplinario, subraya el investigador. Los socios de la industria se incorporarán a los proyectos de seguimiento tan pronto como sea posible.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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