Enzymes generate ammonia at room temperature / Enzimi generano ammoniaca a temperatura ambiente

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

The method is published in Angewandte Chemie International Edition.

University of Utah researchers have used enzymes to generate ammonia at room temperature, a process that also generates a small electrical current.

Professor Shelley Minteer and postdoctoral student Ross Milton have only been able to produce small quantities of ammonia so far, but their method could lead to a less energy-intensive source of ammonia, which is used globally as a fertilizer.
“It’s a spontaneous process, so rather than having to put energy in, it’s actually generating its own electricity,” Minteer said in a statement.
To make ammonia, which consists of one nitrogen atom and three hydrogen atoms, chemists break the bond that holds two nitrogen atoms together, and then reduce the nitrogen, or add electrons and protons to it in the form of hydrogen.
Ammonia is produced on an industrial scale using the Haber-Bosch process, where hydrogen and nitrogen is pumped over beds of metal catalysts at pressures up to 250 times atmospheric pressure and temperatures up to 500 degrees Celsius. The process currently produces nearly 500 million tons of ammonia every year.
In biology, conversion of gaseous nitrogen to ammonia – nitrogen fixation – is accomplished several ways, including through nitrogenases enzymes, which are the only known enzymes to reduce nitrogen to ammonia. Nitrogenase is rarely studied in fuel cell applications, because the enzyme is not commercially available and must be handled in an oxygen-free environment.
Minteer and Milton proposed a fuel cell system that replicated the biological process of nitrogen fixation, using nitrogenase and hydrogenase, an enzyme provided by Minteer’s collaborators at the Instituto de Catalisis y Petroleoquimica in Spain, to strip electrons from hydrogen gas and provide them to the nitrogen-reducing reaction.
According to the University of Utah, the cell consists of two compartments, connected via carbon paper electrodes. In one vial, hydrogen gas is oxidised by hydrogenase and electrons are carried to the anode. In the other, electrons come off the cathode and are combined with nitrogen, via nitrogenase, to create ammonia.
The electrons move from the anode to the cathode via a circuit. Protons (oxidized hydrogen atoms) travel through a membrane between the anodic and cathodic chambers, supplying the hydrogen atoms needed to synthesise ammonia.
The movement of the electrons creates current, and is the source of the small amount of electrical power generated by the reaction.
Several challenges remain before Minteer and Milton’s small-scale process can find application at an industrial scale. One is the oxygen sensitivity of nitrogenase, another is the requirement of chemically-expensive ATP, a source of energy in cells and in nitrogen fixation.
Milton said that re-engineering the reaction to circumvent the need for ATP would take the fuel cell “to the next level.” Until then, he says, the most notable and impactful aspect of this work is the production of ammonia without the massive energy drain characteristic of the industry standard process.
“The real thing is not the quantity of ammonia produced, but that it’s possible to make electricity at the same time,” Milton says.

ITALIANO

Ricercatori dell'Università dello Utah hanno utilizzato enzimi per generare ammoniaca a temperatura ambiente, un processo che genera anche una piccola corrente elettrica.

Il Professor Shelley Minteer e lo studente di postdottorato Ross Milton sono solo in grado di produrre piccole quantità di ammoniaca finora, ma il loro metodo potrebbe portare ad una minore fonte di intensità energetica di ammoniaca, che viene utilizzato globalmente come fertilizzante.
"E 'un processo spontaneo, così invece di dover consumare energia, in realtà il processo consente la generazione di una propria energia elettrica", ha detto Minteer in un comunicato.
Per produrre ammoniaca, che consiste di un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno, i chimici rompono il legame che tiene insieme due atomi di azoto, e quindi riducono l'azoto, o aggiungono elettroni e protoni ad esso in forma di idrogeno.
L'ammoniaca viene prodotta su scala industriale mediante il processo Haber-Bosch, in cui l'idrogeno e azoto vengono pompati su letti di catalizzatori metallici a pressioni fino a 250 volte la pressione atmosferica e a temperature fino a 500 gradi Celsius. Il processo produce attualmente circa 500 milioni di tonnellate di ammoniaca ogni anno.
In biologia, la conversione di azoto gassoso in ammoniaca - fissazione dell'azoto - è compiuto in diversi modi, anche attraverso nitrogenasi enzimi, che sono i soli enzimi noti per ridurre l'azoto ad ammoniaca. Nitrogenase è raramente studiato in applicazioni delle celle a combustibile, in quanto l'enzima non è disponibile in commercio e devono essere trattati in un ambiente privo di ossigeno.
Minteer e Milton hanno proposto un sistema a celle a combustibile che replica il processo biologico di fissazione dell'azoto, utilizzando nitrogenasi e idrogenasi, un enzima fornito da collaboratori di Minteer presso l'Instituto de catálisis y Petroleoquimica in Spagna, per mettere a nudo gli elettroni dai gas di idrogeno e di fornirli all'azoto - reazione di riduzione.
Secondo l'Università dello Utah, la cellula è composta da due vani, collegati tramite elettrodi di carta carbone. In una fiala, il gas idrogeno viene ossidato mediante idrogenasi e gli elettroni sono trasportati verso l'anodo. Negli altri, gli elettroni si staccano ida catodo e sono combinati con azoto, tramite nitrogenasi, per creare ammoniaca.
Gli elettroni si muovono dal catodo tramite un circuito. I protoni (atomi di idrogeno ossidati) viaggiano attraverso una membrana posta tra le camere  anodica e catodica, fornendo gli atomi di idrogeno necessari per sintetizzare ammoniaca.
Il movimento degli elettroni crea corrente, ed è la fonte della piccola quantità di energia elettrica generata dalla reazione.
Diverse sfide rimangono prima che il processo di Minteer e Milton su piccola scala possano trovare applicazione su scala industriale. Uno è la sensibilità dell'ossigeno nitrogenasi, un altro è il requisito della chimicamente costosa ATP, una fonte di energia nelle cellule e necessaria per la fissazione dell'azoto.
Milton ha detto che ingegnerizzando la reazione dsi potrebbe aggirare la necessità di ATP che avrebbe preso la cella a combustibile "al livello successivo." Fino ad allora, dice, l'aspetto più notevole e di grande impatto di questo lavoro è la produzione di ammoniaca senza l'energia di massa  caratteristica del processo di standard di settore.
"La cosa reale non è la quantità di ammoniaca prodotta, ma che è possibile produrre elettricità allo stesso tempo" dice Milton.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/enzymes-generate-ammonia-at-room-temperature/?cmpid=tenews_3073125