Projekt 35242/01

Enzymatische Degradation von polyesterbasiertem Submikroplastik zur Reduktion von Plastikabfällen in Kläranlagen und Gewässern und zur simultanen prozessintegrierten Faser- und Anlagenreinigung

Projektdurchführung

Schmitz Textiles GmbH + Co. KG
Hansestr. 87
48282 Emsdetten

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für die Farb- und Funktionsgebung von Polyestergarnen für z.B. Sonnenschutzgewebe werden in großem Umfang Nassprozesse als diskontinuierliche Garn- oder Stückfärbung durchgeführt, wodurch es
prozessbedingt zur Abgabe von 1-3 % Oligomeren bezogen auf das Fasergewicht ins Färbereiabwasser kommt. Diese kurzkettigen Verbindungen bilden Kristalle, die sich an der Faseroberfläche, den Apparaten und Rohrleitungen ablagern und darüber hinaus in das Prozessabwasser gelangen, wo sie als Submikroplastik (Oligomere und speziell die cyclischen Trimere) auftreten. Zur Reduzierung dieser
Oligomere sind der Einsatz hoher Temperaturen, Chemikalien sowie Textilhilfsmittel notwendig. Eine Alternative zu üblichen chemischen Hilfsmitteln, die zur Reduktion von Oligomeren eingesetzt werden,
kann der Einsatz von Enzymen, sog. Polyesterasen, sein. In diesem Vorhaben sollte daher ein innovatives und praxistaugliches enzymatisches Verfahren für die Entfernung von Oligomeren im Rahmen der PETFärbung entwickelt und für industrielle Nutzung verfügbar gemacht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie neu zu entwickelnde schonende Reinigungsmethode soll durch den Einsatz von Oligomerabbauenden
Polyesterasen realisiert werden. Hierfür werden kommerziell erhältliche Enzyme beschafft
und diese hinsichtlich ihrer Aktivität bei unterschiedlichen Temperaturen, pH-Werten und in
unterschiedlichen Puffern mit Hilfe von Aktivitätstests analysiert. Auf Basis dieser Ergebnisse werden
erste Versuchsbedingungen zum Oligomer-Abbau im Labormaßstab abgeleitet. Daraufhin werden die
einzelnen Parameter auf einen größeren Ansatz übertragen und in einem Laborfärbeapparat für einen
optimalen Oligomer-Abbau weiter angepasst. Anschließend wird eine Reinigungsmethode sowohl für
Fasern und Garne als auch die genutzten Maschinen entwickelt. Dazu werden konventionelle
Polyesterfärbungen mit unterschiedlichen Farbstoffen zunächst im Labormaßstab durchgeführt und mit
den zuvor festgelegten Verfahrensparametern nach der Färbung behandelt. Im Anschluss daran soll die
Skalierung auf den Laborfärbeapparat sowie die Implementierung in die laufenden Prozesse erfolgen.
Flottenverhältnis, Enzymmenge und Inkubationszeit werden auf einen optimalen Oligomer-Abbau
eingestellt. Sowohl die Färbeapparate als auch die gefärbten Produkte sowie das Abwasser werden auf
verbliebene Oligomere untersucht. Um die Umweltbelastung so gering wie möglich zu halten, wird
untersucht, wie die Enzyme aus den Reinigungsflotten rückgewonnen und wiederverwendet werden
können. Hierzu werden die Immobilisierung an chemikalienresistente, wasserdurchlässige Filter sowie die
Immobilisierung an magnetische Beads untersucht. Abschließend soll der gesamte Prozess hinsichtlich
seiner Umweltrelevanz bewertet werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Oligomere aus Garnspulen des Projektpartners Schmitz Textiles GmbH extrahiert und als Substrat für die Abbauuntersuchungen eingesetzt. In der Literatur
wurden unterschiedliche Polyesterasen beschrieben, die Polyethylenterephthalat funktionalisieren bzw. abbauen können. Kommerziell erhältliche Polyesterasen wurden beschafft und untersucht. Damit ein Einschritt-Verfahren (Polyesterfärbung und gleichzeitiger Oligomer-Abbau) entwickelt werden konnte,
wurde die Resistenz der Polyesterasen bei verschiedenen Verfahrensparametern (Temperatur, pH-Wert, Zeit) mit Hilfe von Aktivitätstests basierend auf kolorimetrischen Substraten untersucht. Anschließend wurde die Fähigkeit, Oligomere abzubauen, untersucht. Dazu wurde ein spektrophotometrischer Test etabliert. Im Labormaßstab konnte insbesondere eine Lipase aus Aspergillus oryzae identifiziert werden, die Oligomere abbauen konnte. Der Vorteil dieser Lipase war, dass sie in relativ großen Mengen preisgünstig verfügbar war. Zum Ende des Projektes änderte sich dies jedoch und die Lipase sowie Vergleichsprodukte sind bis mindestens Mitte 2023 nicht mehr lieferbar.
Die enzymatische Behandlung von Garnproben zeigte keinen Einfluss auf die Farbgebung und auf diverse textilphysikalische Merkmale der Garne. Allerdings war ein Abbau der Oligomer-Ablagerungen auf der
Faseroberfläche visuell nicht sichtbar. Ein Up-Scaling der Versuche im Labormaßstab auf einen Laborfärbeapparat gelang nur mäßig gut, obwohl das Enzym über den gesamten Versuchszeitraum aktiv blieb. Verschmutzungen im Färbeapparat blieben auch nach der enzymatischen Reinigung zurück. Extraktionsversuche der Rückstände des Färbeapparats zeigten, dass neben Oligomeren, auch andere Substanzen (z.B. Farbstoffe) im Färbeapparat vorhanden
waren. Diese konnten enzymatisch nicht abgereinigt werden und störten vermutlich die Reaktion.
Da weder die Reinigung des Laborfärbeapparates noch eine Abreinigung der Faseroberfläche mit den kommerziell erhältlichen Enzymen in einem zufriedenstellenden Maße gelang, wurde die
Literaturrecherche intensiviert und nach weiteren (auch nicht kommerziell erhältlichen) Polyesterasen gesucht. Dabei entstanden Gespräche mit der Arbeitsgruppe von Prof. Schwaneberg (RWTH Aachen), die Cutinasen an sogenannte Ankerpeptide gekoppelt hat. Das Ankerpeptid bringt das Enzym in räumliche Nähe zum Substrat und führt dadurch zu einer besseren Substratumsetzung. Im Falle von PET konnte damit in der Arbeitsgruppe von Prof. Schwaneberg eine 6-fache Steigerung beim Polyesterabbau beobachtet werden. Die Plasmide mit der genetischen Information der Wildtyp-Cutinase (TCur1278-WT) sowie der Cutinase gekoppelt an das Ankerpeptid (TCur1278-TA2) wurden der HSNR freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Aufgrund von Lieferschwierigkeiten für Medien, die für die Expression der Cutinasen benötigt wurden, stand zum Ende der Projektlaufzeit keine ausreichende Menge der Cutinasen für weitergehende Untersuchungen zur Verfügung. Parallel wurde eine weitere Polyesterase (TfCut2) an der HSNR kloniert, exprimiert und aufgereinigt sowie auf die Fähigkeit zum Oligomerabbau untersucht.
Da aber auch hier nur sehr geringe Konzentrationen gegen Ende der Projektlaufzeit vorlagen, konnte erst einmal kein Oligomerabbau nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden Gespräche mit Prof. Bornscheuer und Dr. Wei der Universität Greifswald geführt. Extrahierte Oligomerproben wurden nach Greifswald geschickt und mit einer Oligomer-abbauenden Polyesterase behandelt. Abbauprodukte der Oligomere konnten in diesen Versuchen festgestellt werden.
Leider konnte diese Polyesterase aus zeitlichen Gründen nicht mehr für die Reinigungsversuche verwendet werden.
Um die Umweltbelastungen so gering wie möglich zu halten, sollten die verwendeten Enzyme immobilisiert werden, um eine Rückgewinnung auf der Reinigungsflotte zu ermöglichen. Als Immobilisierungsreagenz wurden magnetische Beads gewählt, da diese eine Bewegung der Enzyme in der Flotte erlaubten. Durch
magnetische Separation können diese Partikel aus wässrigen Lösungen wiedergewonnen werden.
Aufgrund von Corona-bedingten Lieferschwierigkeiten der magnetischen Partikel sowie der benötigten Kopplungsreagenzien konnten diese Versuche erst gegen Ende der Projektlaufzeit durchgeführt werden, so dass Versuche im Laborfärbeapparat nicht mehr möglich waren. Jedoch konnte eine gute Immobilisierungseffizienz und Aktivität der immobilisierten Polyesterasen im Labormaßstab erreicht werden, so dass von einer effektiven Umsetzung der Oligomere sowie einer effektiven Rückgewinnung aus der Flotte ausgegangen werden kann.
Insgesamt ist zu sagen, dass Polyesterasen identifiziert werden konnten, die Oligomere abbauen können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zu Beginn der Pandemie wurde ein Vortrag bei der GFC Dornbirn eingereicht, in dem es allgemein um Polyester und Enzyme gehen sollte. Dort sollte auch das Thema Submikroplastik behandelt werden.
Dieser Vortrag wurde leider nicht angenommen. Nachdem das Projekt einige Zeit lief und sich herauskristallisierte, dass der enzymatische Abbau der Oligomere und die Etablierung einer Reinigungsmethode nicht wie geplant entwickelt und durchgeführt werden konnte, wurde auf weitere Vortragseinreichungen verzichtet, da nur sehr wenige positive Ergebnisse präsentiert werden konnten.
Aus diesem Grund wurde auch auf Veröffentlichungen in Fachzeitschriften verzichtet. In persönlichen Gesprächen mit Firmen und Partnern wurde das Problem Submikroplastik thematisiert.


Fazit

Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten kommerziell erhältliche Polyesterasen identifiziert werden, die im Labormaßstab Oligomere abbauen können. Allerdings ließ sich dieser Ansatz nicht auf die
Färbeapparate beim Projektpartner Schmitz Textiles GmbH transferieren. In den praxisnahen Färbeprozessen treten noch zu viele Störfaktoren auf, die die enzymatische Reaktion hemmen bzw. die
enzymatisch nicht abgereinigt werden können. Für ein Folgeprojekt ist es von Vorteil bzw. zwingend notwendig, wenn einer der beiden Partner in der Enzymentwicklung tätig ist. Rein mit kommerziellen
Enzymen und den Corona-bedingten Lieferschwierigkeiten dieser Enzyme und anderer Reagenzien konnte keine zufriedenstellende Reinigungsmethode entwickelt werden. Die Hochschule Niederrhein
konnte erst gegen Ende des Projektes selbstentwickelte Enzyme zur Verfügung stellen, die jedoch teilweise nicht mehr während der Projektlaufzeit getestet werden konnten.