Un enzima potrebbe realizzare un sogno per l'industria energetica:può produrre in modo efficiente idrogeno utilizzando l'elettricità e può anche generare elettricità dall'idrogeno. L'enzima è protetto incorporandolo in un polimero. Un team di ricerca internazionale con una partecipazione significativa di scienziati dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha presentato il sistema nella rinomata rivista scientifica Catalisi della natura .

Le celle a combustibile trasformano l'idrogeno in elettricità, mentre gli elettrolizzatori usano l'elettricità per dividere l'acqua per produrre idrogeno. Entrambi hanno bisogno del platino, un metallo prezioso raro e quindi costoso come catalizzatore. La natura ha creato una soluzione diversa:gli enzimi, denominate idrogenasi. Catalizzano la conversione dell'idrogeno molto rapidamente e quasi senza perdita di energia.

Però, in passato questi biocatalizzatori non erano considerati idonei all'uso industriale a causa della loro elevata sensibilità all'ossigeno. Ora un gruppo di ricerca dell'Università tecnica di Monaco (TUM), Ruhr-Universität Bochum (RUB), il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) a Marsiglia e l'Istituto Max-Planck per la conversione dell'energia chimica sono riusciti a incorporare gli enzimi sensibili in un polimero protettivo in modo da renderli utilizzabili nella conversione tecnica dell'idrogeno.

Durata vs. attività

"Quando le idrogenasi sensibili sono incorporate in polimeri adatti, continuano a funzionare per diverse settimane, anche in presenza di ossigeno, "dice Nicolas Plumeré, Professore di Elettrobiotecnologia presso il TUM Campus Straubing per Biotecnologie e Sostenibilità. "Senza questa protezione perdono la loro attività nel giro di pochi minuti."

Incorporando le idrogenasi in polimeri le cui catene laterali possono trasferire elettroni, denominati polimeri redox, presenta tuttavia due svantaggi decisivi:un alto livello di resistenza controbilancia il flusso di elettroni attraverso il polimero redox. Ciò richiede l'investimento di energia che viene poi dispersa sotto forma di calore. E le idrogenasi incorporate perdono completamente la loro capacità di generare idrogeno.

Potenziale di regolazione fine

Con una selezione intelligente delle catene laterali polimeriche giuste, il team di ricerca è ora riuscito a impostare il potenziale redox del polimero in modo tale che sia necessaria solo una piccola sovratensione per superare la resistenza.

Indagini più dettagliate hanno poi rivelato che il potenziale delle catene laterali si era leggermente spostato su valori positivi a causa dell'incorporamento nella matrice polimerica. In un ulteriore tentativo hanno usato una catena laterale con un potenziale negativo corrispondente. Questo trucco fu la svolta:l'idrogenasi era ora in grado di catalizzare la reazione in entrambe le direzioni senza perdita di energia.

Biocatalizzatore per la conversione dell'idrogeno

Utilizzando questo sistema il team di ricerca ha quindi costruito una cella a combustibile, in cui l'ossigeno è ridotto dall'enzima bilirubina ossidasi dal batterio Myrothecium verrucaria, mentre l'idrogenasi incorporata nel film polimerico ossida l'idrogeno del batterio desulfovibrio desulfuricans, generazione di elettricità nel processo.

La cellula ha raggiunto un valore, con una tensione a circuito aperto di 1,16 V, il più alto mai misurato per un sistema di questo tipo e vicino al massimo termodinamico. Con tre milliampere per centimetro quadrato, la cella ha raggiunto contemporaneamente una densità di potenza molto elevata per le cellule biologiche.

Il sistema può essere utilizzato anche per la reazione inversa, produrre idrogeno consumando elettroni:l'efficienza di conversione dell'energia è vicina al 100%, anche con densità di potenza superiori a quattro milliampere per centimetro quadrato.

Progetto per nuovi biocatalizzatori

"La riduzione della perdita di energia ha due vantaggi decisivi, " dice Nicolas Plumeré. "In primo luogo, rende il sistema notevolmente più efficiente; secondo, il calore generato in una pila di celle a combustibile ad alti livelli di prestazioni rappresenterebbe un problema per i sistemi biologici".

Al fine di rendere il proprio sistema competitivo con sistemi che utilizzano catalizzatori a base di platino, la ricerca in corso del team è ora focalizzata sul miglioramento della stabilità delle idrogenasi a densità di potenza più elevate.

Per di più, i risultati possono essere trasferiti anche ad altri catalizzatori altamente attivi ma sensibili per la conversione dell'energia e l'elettrosintesi. Gli obiettivi diretti qui sono principalmente enzimi che riducono l'anidride carbonica che possono utilizzare l'elettricità per produrre combustibili liquidi o prodotti intermedi dall'anidride carbonica.