Le reazioni chimiche spesso non avvengono da sole ma richiedono catalizzatori: chimici e biologici. Finora questi venivano solitamente utilizzati separatamente. Ciò richiede fasi chimiche complesse e di separazione durante la lavorazione dei rispettivi prodotti, e si traduce in un elevato consumo di solventi e corrispondenti quantità di rifiuti. L’utilizzo di tali processi produce ogni anno milioni di tonnellate di prodotti chimici industriali.
Il professor Dr Harald Gröger fa parte della Facoltà di Chimica. È a capo del gruppo di lavoro “Chimica organica”. Credito immagine: Università di Bielefeld/Michael Adamski
Il professore di chimica Dr. Harald Gröger dell’Università di Bielefeld è un pioniere nel campo della cosiddetta sintesi chemoenzimatica one-pot.
Questo concetto descrive diverse reazioni sequenziali effettuate in un unico recipiente di reazione senza fasi di separazione utilizzando una combinazione di catalizzatori chemioterapici convenzionali e biocatalizzatori ecocompatibili (enzimi). Questa procedura one-pot rende i processi produttivi più efficienti e riduce gli sprechi.
Insieme ai colleghi dell’Università statunitense della California, Santa Barbara e dell’azienda farmaceutica svizzera Novartis, Gröger ha pubblicato un articolo su tali sintesi efficienti sulla rivista Chemical Reviews.
Il gruppo di ricerca chimica di Gröger è specializzato nella combinazione di biocatalizzatori e chemocatalizzatori. I biocatalizzatori si trovano in natura sotto forma di enzimi, mentre i chemocatalizzatori sono prodotti artificialmente. Se entrambi i catalizzatori devono funzionare in un unico recipiente di reazione, necessitano di un mezzo di reazione comune.
Il professore di chimica Dr. Harald Gröger studia da oltre un decennio e mezzo come combinare processi chimici ed enzimatici. Credito immagine: Università di Bielefeld/Michael Adamski
Per Gröger e i suoi colleghi la soluzione è l’acqua: “L’acqua costa poco, è disponibile in grandi quantità ed è rispettosa dell’ambiente”, dice il chimico.
Ma ci sono delle sfide in questo: mentre la maggior parte degli enzimi ha comunque bisogno di acqua per innescare le reazioni, i chemocatalizzatori vengono abitualmente utilizzati nei solventi organici. Tuttavia, solventi come eteri o alcani possono disattivare gli enzimi.
«Ma se riuscissimo a restare con l’acqua, in linea di principio saremmo in grado di utilizzare tutti gli enzimi esistenti. In linea di principio ciò significherebbe che potremmo utilizzare l’intero spettro di enzimi presenti in natura e quindi risparmiare energia e ridurre i rifiuti.’
Combinare diversi approcci della chimica
Per far sì che questo funzioni, i tre scienziati stanno adottando un duplice approccio: “Dobbiamo fare in modo che gli enzimi convertano i materiali di partenza innaturali in un modo altamente produttivo”. In una certa misura, lo facciamo modificando anche la struttura degli enzimi e il DNA dei microrganismi che li producono.
Tuttavia, dobbiamo anche progettare catalizzatori chimici che siano in grado di condurre reazioni in acqua.’ La combinazione dei due tipi di catalizzatori comporta ulteriori sfide: vale a dire la necessità di evitare ulteriori percorsi di reazione indesiderati, ad esempio quando un catalizzatore chimico decompone il prodotto della successiva biotrasformazione.
L’attrezzatura di misurazione nel laboratorio del Prof. Gröger. Credito immagine: Universität Bielefeld/Michael Adamski
Gli autori utilizzano la loro recensione per riassumere i risultati della loro ricerca con quelli dei numerosi gruppi di ricerca ora attivi in questo campo: “È stato emozionante preparare questa pubblicazione insieme come trio”, dice Gröger. Questo perché prima non conosceva personalmente i due colleghi, che hanno ciascuno approcci diversi.
Il professor Dr Bruce H. Lipshutz dell’Università della California, Santa Barbara, ha dedicato anni alla ricerca nel campo della sintesi chimica dell’acqua. Il dottor Fabrice Gallou è un chimico industriale presso l’azienda farmaceutica Novartis in Svizzera e lavora per rendere i processi di catalisi compatibili con l’industria.
Chimica verde dalla materia prima in poi
L’approccio di sintesi one-pot è in accordo con i principi della chimica verde, un campo di ricerca che ha guadagnato particolare attenzione negli ultimi anni. “L’interesse dell’industria per la produzione sostenibile cresce e con esso cresce il numero dei ricercatori”, afferma Gröger.
Il concetto mira a ridurre al minimo l’impatto ambientale dei processi e dei prodotti chimici. Tuttavia, non si ferma all’ottimizzazione dei processi chimici: “Sebbene la ricerca sulla sintesi one-pot in acqua possa migliorare l’efficienza e la sostenibilità dei processi di produzione, non ho ancora risolto il problema di come sostituire le materie prime convenzionali ottenute da fonti fossili .’
Il petrolio greggio attualmente costituisce la base di molti prodotti di uso quotidiano, fornendo allo stesso tempo un enorme contributo al cambiamento climatico.
“Con le materie prime rinnovabili possiamo ridurre significativamente la nostra impronta di CO2 e allo stesso tempo progettare nuovi materiali”, afferma lo scienziato, descrivendo così una seconda area importante del suo lavoro di ricerca presso l’Università di Bielefeld.
Insieme all’azienda Klüber Lubrication di Monaco, un gruppo di chimici di Bielefeld guidati da Gröger hanno sviluppato nuovi lubrificanti soprattutto per applicazioni marine. “Nei bacini portuali, le barche giacciono vicine e inquinano l’acqua con oli non degradabili.”
Utilizzando un processo che combina conversioni di sostanze chimiche ed enzimatiche, in laboratorio sono stati progettati lubrificanti accessibili tramite materie prime rinnovabili e allo stesso tempo più biodegradabili.
In un’altra collaborazione con il Politecnico di Amburgo e l’azienda chimica BASF di Ludwigshafen, gli scienziati chimici del gruppo di lavoro Gröger stanno sviluppando bioplastificanti che utilizzano, ad esempio, la crusca proveniente dai flussi di scarto della produzione alimentare come materia prima al posto del petrolio.
Apertura di nuovi processi produttivi attraverso la biotecnologia
Da quasi vent’anni Harald Gröger conduce ricerche sulla combinazione di processi chimici ed enzimatici. Ha lavorato per lungo tempo nell’industria chimica dove è entrato in contatto per la prima volta con il campo delle biotecnologie.
‘I colleghi continuavano a chiedermi cosa è meglio: la biocatalisi o la chemocatalisi. Sebbene trovassi questa domanda giustificata, era anche scomoda, perché mi piace lavorare in entrambi i campi. Ora mi interessa riunire il meglio di entrambi i mondi.”
Oggi la biotecnologia sta guadagnando terreno come tecnologia di produzione efficiente, soprattutto nel settore farmaceutico. Esistono tuttavia dei limiti: “È più facile per le grandi aziende industriali impegnarsi nella biotecnologia perché ciò richiede un’infrastruttura di ricerca più estesa e interdisciplinare che spesso non è disponibile per le aziende più piccole”, afferma Gröger.
‘Pertanto, l’ulteriore diffusione della biotecnologia nel panorama industriale dipenderà anche da quanto bene le piccole e medie imprese avranno accesso alla biotecnologia in futuro. In ogni caso, le prospettive per applicazioni industriali sostenibili sono enormi.’
Fonte: Università di Bielefeld
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
