Biohybride Materialien

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Biohybride Materialien: Biologie trifft Chemie und Technik

Die Philosophie im Innovationsfeld Bioinspirierte Chemie ist es, Eigenschaften und Strukturen natürlicher Moleküle zu nutzen und diese unter Erhalt der Funktionalitäten gewinnbringend im Zielprodukt einzusetzen. Um dies zu erreichen, spielen hier biohybride Materialien eine große Rolle, die als Schnittstelle zwischen den Fachdisziplinen Biologie, Chemie und Technik fungieren und dadurch Synergieeffekte verstärken.

Doch was verstehen wir unter biohybriden Materialien? Wir definieren diese Materialien als Funktionsmaterialien. Das Spektrum ist vielfältig und reicht von katalytisch aktiven Biohybridmaterialien über biohybride Werkstoffe und Materialien. Dabei werden die einzigartigen Eigenschaften von organischen Biomolekülen, z. B. Proteinen und DNA, oder chemischen Stoffen, z. B. Metallkatalysatoren, Mineralstoffen oder Spurenelementen, mit technischen bzw. nicht-biologischen Komponenten, z. B. Oberflächen oder Polymeren, effizient kombiniert. So entstehen transiente, responsive und/oder schaltbare Materialien, die gewinnbringend sowohl in der Synthese von Zielprodukten als auch direkt als Endprodukt eingesetzt werden können.

Aktuell setzen wir folgende Systeme in unseren Projekten ein:

  • Kombination von chemischen Katalysatoren mit biobasierten Trägermaterialien
  • Bioelektrokatalytische NAD(P)H-Regenerierung und CO2-Fixierung durch Immobilisierung von Enzymen in redoxaktiven Polymeren auf Elektrodenmaterialien
  • Einbringen von Spurenelementen und Mineralstoffen in poröse sorptionsfähige Biokomponenten

Die Kombination von natürlichen und technischen Materialien ermöglicht es, bisherige Limitierungen hinsichtlich der Effizienz, der Auswahl an möglichen Rohstoffen oder des Produktspektrums zu überwinden. Bei den katalytisch aktiven Biohybridmaterialien lassen sich zudem in vielfältiger Weise verschiedene Arten der Katalyse vereinen und das komplette Potenzial von chemischer, biologischer und elektrochemischer Katalyse ausschöpfen.

Leistungen

  • Entwicklung geeigneter Biohybridmaterialien zur Syntheseoptimierung
  • Enzymauswahl und -screening in den biohybriden Materialien
  • Bioelektrokatalyse
  • Biobasierte Trägermaterialien für heterogene Metallkatalysatoren
  • Hybridmaterialien für die Agrarwirtschaft

Publikationen

Castañeda-Losada, L., Adam, D., Paczia, N., Buesen, D., Steffler, F., Sieber, V., Erb, T. J., Richter, M., Plumeré, N., Bioelectrocatalytic Cofactor Regeneration Coupled to CO2 Fixation in a Redox-Active Hydrogel for Stereoselective C−C Bond Formation. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21056, https://doi.org/10.1002/anie.202103634.

Iwanow, M., Seidler, J., Vieira, L., Kaiser, M., Van Opdenbosch, D., Zollfrank, C., Gärtner, T., Richter, M., König, B., Sieber, V. Enhanced C2 and C3 Product Selectivity in Electrochemical CO2 Reduction on Carbon-Doped Copper Oxide Catalysts Prepared by Deep Eutectic Solvent Calcination. Catalysts, 2021, 11, S. 542, https://www.mdpi.com/2073-4344/11/5/542.

Iwanow, M., Gärtner, T., Sieber, V., König, B. Activated carbon as catalyst support: Precursors, preparation, modification and characterization. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2020, 16, S. 1188‐1202, https://doi.org/10.3762/bjoc.16.104.

Iwanow, M., Vieira, L., Rud, I., Seidler, J., Kaiser, M., Van Opdenbosch, D., Zollfrank, C., Richter, M., Gärtner, T., König, B., Sieber, V. Pyrolysis of Deep Eutectic Solvents for the Preparation of Supported Copper Electrocatalysts. ChemistrySelect, 2020, 5, S. 11714-11720, https://doi.org/10.1002/slct.202003295.

Iwanow, M., Finkelmeyer, J., Söldner, A., Kaiser, M., Gärtner, T., Sieber, V., König, B. Preparation of supported Palladium Catalysts using Deep Eutectic Solvents. Chemistry - A European Journal, 2017, 23, S. 12467-12470, https://doi.org/10.1002/chem.201702790.

Gärtner, T., Kaiser, M., Sieber, V., Söldner, A., König, B., Iwanow, M., Pyrolytic method for the production of particles containing at least one metal species. PCT/EP2016/060874

Referenzprojekte

SynHydro3

Syntheseplattform unter Verwendung von Wasserstoff, Hydrogenasen und Hydrogelen

In SynHydro3 wird eine kompatible Plattformtechnologie für eine wasserstoffgetriebene Biokatalyse entwickelt, die einfach in die bestehende Bioreaktorstruktur integriert werden kann.

 

Laufzeit: Oktober 2021 – September 2024

 

Tape2Grape –

Biobasiertes, biologisch abbaubares Veredelungsband für den Obst- und Landbau

Tape2Grape ist ein zu hundert Prozent biobasiertes multifunktionales Veredelungsband für Obst- und Ziergehölze, welches mit individuellen biologischen Inhaltsstoffen ausgerüstet werden kann und biologisch abbaubar ist.

 

Laufzeit: Oktober 2021 – September 2022

 

 

ChitoLogEn –

Chitosanbasierte redoxaktive Hydrogele für die moderne Bioelektrosynthese

ChitoLogEn ist ein innovatives redoxaktives Polymer auf Chitosan-Basis. Es dient als biobasierte Matrix für die Immobilisierung von Redoxenzymen auf Elektroden mit Anwendungen in bioelektrokatalytischen Prozessen einschließlich Bioelektrosynthese und Energieumwandlung.

 

Laufzeit: Oktober 2021 – September 2022

BioFraMe II –

Maßgeschneiderte biobasierte Frameworks für heterogene Metallkatalysatoren

Bei BioFraMe handelt es sich um innovative, breit anwendbare Trägermaterialien zur Herstellung von biobasierten heterogenen Metallkatalysatoren. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Trägermaterialien und die Beladung mit den gewünschten Metallen lassen sich einfach anhand der Auswahl der Startmaterialien für die geplanten Anwendungen maßschneidern.

 

Laufzeit: März 2021 – Februar 2023

HanAkku –

Maßgeschneidertes hanfbasiertes Speichermaterial für die moderne Energie-, Wasser- und Agrarwirtschaft

HanAkku sind innovative und einfach herzustellende hundertprozentig biobasierte Hanfschäben-Materialien zur gezielten Stoffspeicherung aus Lösungen und dergesteuerten Wiederabgabe (Biodepots) für die vielfältige und bedarfsgerechte Verwendung in der Energie-, Wasser- und Agrarwirtschaft.

 

Laufzeit: Oktober 2020 – September 2021

 

 

eBioCO2n –

Stromgetriebene CO2-Konversion durch synthetische Enzymkaskaden zur Herstellung von Spezialchemikalien

Um CO2 mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen zu Chemikalien umzusetzen, wird CO2 mithilfe elektronenübertragender Biokatalysatoren fixiert. Das Projekt wird gemeinsam von Fraunhofer- und Max-Planck-Wissenschaftlern bearbeitet.  

 

Laufzeit: Januar 2019 – Dezember 2022