Американські вчені розробили біокаталітичний полімер, здатний синтезувати з метану метанол (метиловий спирт). Результати роботи опубліковані в журналі.
Як відзначають співробітники Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса і Північно-західного університету в Іллінойсі, простий метод окислення метану до спирту був би досить цінний для промисловості, оскільки дозволив би пов'язувати головний компонент природного газу в зручну для транспортування і переробки рідку форму, і скоротити його викиди в навколишнє середовище. Єдині з відомих селективних каталізаторів, що забезпечують проходження цієї реакції в нормальних умовах - це ферменти сімейства метанмонооксигеназ (ММО), які продукуються метанотрофними бактеріями.
Виробляти метанол за допомогою цих мікроорганізмів невигідно, оскільки їх культивація вимагає енергії та спеціального обладнання, а вихід виходить невеликий. Через це в аналогічних випадках ферменти наносять на тверду мікропористу підкладку з великою площею поверхні, закріплюють в реакторі і проводять синтез у водному середовищі при схибленні.
Однак такий метод підходить тільки для невеликих (до 50 нанометрів) розчинних молекул ферментів. У метанотрофів набагато зручніше виділяти метанмонооксигеназу у вигляді мікрочастинок (pMMO) розміром понад 100 нанометрів, оскільки ця форма ферменту становить до 80 відсотків всіх мембранних білків бактерії і легко видобувається центрифугуванням. Якщо порівняно великі частинки іммобілізувати на пористому матеріалі за допомогою сурфактанта, їх активність істотно знижується.
Цю проблему вдалося вирішити авторам розробки. Поставивши ряд експериментів з різними складами, вони синтезували фотовідверджений гідрогель з оптимальною каталітичною активністю. До його складу увійшли пов'язана з клітинними мембранами pMMO бактерії іполіетиленгліколя діакрилат (ПЭГДА). Подальші досліди показали, що цей полімерний матеріал зберігає стабільність при повторному використанні і, отже, може застосовуватися в проточних хімічних реакторах.
Оскільки в ході реакції метан являє собою газ, а метанол - рідина, біокаталізатор повинен розташовуватися між ними у вигляді мембрани, проте гідрогель погано підходить для її виготовлення. Щоб надати матеріалу необхідні механічні властивості, дослідники надрукували йому на 3D-принтері силіконовий каркас у вигляді тривимірної 250-мікрометрової решітки з 50-відсотковою пористістю. Такий гібридний матеріал в експериментальних умовах забезпечив стабільну роботу реактора і допоміг визначити оптимальні характеристики решітки.
Уточнивши ці параметри, вчені зупинилися на двох підсумкових конфігураціях каталітичного полімеру: у вигляді пластини з вертикальними каналами і у вигляді порожніх циліндрів різного діаметру і товщини. Завдяки тому, що матеріал полімеризується під дією світла, розробники скористалися для їх створення проекційною мікростереолітиографією. Вона дозволяє швидко створювати складні мікроструктури, післяйно відтворюючи їх світловими шаблонами потрібної конфігурації.
Вибір конкретної конфігурації в кожному випадку буде залежати від конструкції і розмірів реактора. Розробники зазначають, що використання 3D-друку з полімерів з ферментами дозволяє гнучко конфігурувати їх для виконання широкого кола завдань.