Enzym-, Elektroden- und Reaktordesign für enzymatische Kaskadenreaktionen

Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts besteht darin, ein enzymatisches bioelektrokatalytisches Nitrat/Nitrit-Ammonifikationssystem zu entwickeln, auch bekannt als dissimilatorische Nitrat-Reduktion zu Ammonium (DNRA)-Systeme. Dieses System soll in der Lage sein, Nitrat quantitativ in Nitrit und anschließend in Ammonium umzuwandeln. Hierfür werden Nitrat-Reduktasen und Nitrit-Reduktasen mit maßgeschneiderten dreidimensionalen porösen Elektroden gekoppelt und in fortschrittliche bioelektrochemische Reaktoren integriert, um hohe Umwandlungsraten zu erreichen. Die Enzyme werden für eine hohe Aktivität und Stabilität sowie eine effiziente Elektrodenbindung (elektrostatische, koordinative, kovalente Bindung) entwickelt. Anschließend werden maßgeschneiderte dreidimensionale poröse Elektrodenmaterialien und Elektroden entwickelt, die mit in-situ-Spektroelektrochemiemethoden kompatibel sind. Diese werden hinsichtlich der Enzymimmobilisierung (Adsorptions- und Desorptionsstudien) und der Protein-Film-Voltammetrie (direkter Elektronentransfer versus vermittelter Transfer) untersucht. Schließlich werden hochleistungsfähige elektrochemische Zero-Gap-Zellen entworfen, die hohe Stromdichten ermöglichen, und die Integration der Elektroden wird mit vielversprechenden Enzym-Elektroden-Kombinationen für kontinuierlich betriebene Einzelreaktorreaktionen realisiert. Sobald die Materialien, Immobilisierungsstrategien und Reaktordesigns optimiert sind, werden Systeme für enzymatische Kaskaden entwickelt. Abhängig von der Reaktionskinetik der einzelnen Enzyme werden Parameter wie Enzymbeladungen, ko- versus schichtweise Immobilisierung sowie Variation der Elektrodendicken variiert, um eine vollständige Umwandlung und langfristige Stabilität zu ermöglichen.

Partner

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Ruhr-Universität Bochum

Mitarbeitende

Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel

Ruhr-Universität Bochum

Prof. Dr. Oliver Einsle

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Prof. Dr. Anna Fischer

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

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