3D-печать помогла превратить метан в метанол

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

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.

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 метанмонооксигеназу в виде микрочастиц (pMMO) размером более 100 нанометров, поскольку эта форма фермента составляет до 80 процентов всех мембранных белков бактерии и легко добывается центрифугированием. Если сравнительно крупные частицы иммобилизовать на пористом материале с помощью сурфактанта, их активность существенно снижается.

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 полиэтиленгликоля диакрилат (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.

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.

Олег Лищук