Американские ученые разработали биокаталитический полимер,способный синтезировать из метана метанол (метиловый спирт). Результаты работы опубликованы в журнале NatureCommunications.

Как отмечают сотрудники Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Северо-западного университета в Иллинойсе, простой метод окисления метана до спирта был бы весьма ценен для промышленности,поскольку позволил бы связывать главный компонент природного газа в удобную для транспортировки и переработки жидкую форму, и сократить его выбросы в окружающую среду. Единственные из известных селективных катализаторов, обеспечивающих прохождение этой реакции в нормальных условиях — это ферменты семейства метанмонооксигеназ (ММО), которые продуцируются метанотрофными бактериями.

Одна из конфигураций итоговых катализаторов. Craig D. Blanchette et al., Nature Communications, 2016

Производить метанол с помощью этих микроорганизмов невыгодно,поскольку их культивация требует энергии и специального оборудования, а выход получается небольшой. Из-за этого в аналогичных случаях ферменты наносят на твердую микропористую подложку с большой площадью поверхности, закрепляют в реакторе и проводят синтез в водной среде при помешивании.

Однако такой метод подходит только для небольших (до 50 нанометров) растворимых молекул ферментов. У метанотрофов гораздо удобнее выделять метан монооксигеназу в виде микрочастиц (pMMO)размером более 100 нанометров, поскольку эта форма фермента составляет до 80процентов всех мембранных белков бактерии и легко добывается центрифугированием. Если сравнительно крупные частицы иммобилизовать на пористом материале с помощью сурфактанта, их активность существенно снижается.

Схема получения биокаталитического полимера. Craig D. Blanchette et al., Nature Communications, 2016

Эту проблему удалось решить авторам разработки. Поставив ряд экспериментов с различными составами, они синтезировали фотоотверждаемый гидрогель с оптимальной каталитической активностью. В его состав вошли связанная с клеточными мембранами pMMO бактерии Methylococcus capsulatus и полиэтиленгликолядиакрилат (ПЭГДА). Дальнейшие опыты показали, что этот полимерный материал сохраняет стабильность при повторном использовании и, следовательно, может применяться в проточных химических реакторах.

Поскольку в ходе реакции метан представляет собой газ, а метанол— жидкость, биокатализатор должен располагаться между ними в виде мембраны, однако гидрогель плохо подходит для ее изготовления. Чтобы придать материалу необходимые механические свойства, исследователи напечатали ему на 3D-принтере силиконовый каркас в виде трехмерной 250-микрометровой решетки с 50-процентной пористостью. Такой гибридный материал в экспериментальных условиях обеспечил стабильную работу реактора и помог определить оптимальные характеристики решетки.

Конфигурации итоговых катализаторов. Craig D. Blanchette et al., Nature Communications, 2016

Уточнив эти параметры, ученые остановились на двух итоговых конфигурациях каталитического полимера: в виде пластины с вертикальными каналами и в виде полых цилиндров различного диаметра и толщины. Благодаря тому, что материал полимеризуется под действием света, разработчики воспользовались для их создания проекционной микростереолитографией. Она позволяет быстро создавать сложные микроструктуры,послойно отверждая их световыми шаблонами нужной конфигурации.

Выбор конкретной конфигурации в каждом случае будет зависеть от конструкции и размеров реактора. Разработчики отмечают, что использование 3D-печати из полимеров с ферментами позволяет гибко конфигурировать их для выполнения широкого круга задач.

Автор: Олег Лищук