Projekt 13040/13

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren: Entwicklung und Etablierung innovativer enzymatischer Verfahren zur Entfernung von Pflanzenresten aus Wolle und zur Bleiche von Baumwolle

Projektdurchführung

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Deutsches Wollforschungsinstitut (DWI) e. V.
Pauwelsstr. 8
52056 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung und industrielle Umsetzung alternativer Verfahren zur Carbonisur von Wolle und zur Baumwollbleiche unter Verwendung oxidativer Enzyme, die im Rahmen des Projekts für diese beiden Anwendungsbereiche produziert und optimiert werden. Konventionell kommen sowohl bei der Carbonisur als auch bei der Baumwollbleiche Chemikalien zum Einsatz, die Abwasser und Maschinenteile belasten. Ziel des 1. Teilbereichs des vorliegenden Verbundvorhabens ist, mit Hilfe der enzymkatalysierten Oxidation von Vegetabilien in Wolle, die bei der klassischen Carbonisur eingesetzten Chemikalienmengen zu reduzieren und die Schädigung der Wolle zu minimieren. Durch die Anwendung von Oxidoreduktasen wird ein in der Papierherstellung erprobtes Verfahren für die Woll-industrie nutzbar gemacht. Ziel des 2. Teilbereichs ist, mit Hilfe von Oxidoreduktasen die farbigen Be-gleitstoffe der Baumwolle zu zerstören. Durch die enzymatische Bleiche sollen die Menge an Lauge, die bei der Peroxid-Bleiche benötigt wird, und die Salzfracht im Wasser entscheidend reduziert sowie auf den Zusatz von anorganischen Salzen als Stabilisatoren verzichtet werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnterschiedliche Vegetabilienarten werden mit definierten Enzymen isoliert behandelt, um den Abbaugrad der einzelnen Vegetabilien unter festgelegten Reaktionsbedingungen genau zu bestimmen. Die auf diese Weise definierten optimalen Bedingungen für den Abbau der Vegetabilien werden schließlich auf vegetabilienbelastete Wolle übertragen. Die Eignung der verschiedenen Enzyme und die Bedingungen für die enzymatische Baumwollbleiche werden ausgearbeitet. Es sollen bereits verfügbare Enzyme zum Einsatz kommen, deren Produktion verbessert wird. Parallel hierzu wird nach neuen Enzymen gescreent. Praxisversuche werden für beide Teilbereiche durchgeführt, um die im Labormaßstab erzielten Ergebnisse in den Pilotmaßstab zu übertragen.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Verbundvorhabens werden alternative Verfahren zur Carbonisur von Wolle und zur Bleiche von Baumwolle unter Einsatz oxidativer Enzyme entwickelt und im Pilotmaßstab etabliert. Obwohl diese beiden Verfahren gänzlich unterschiedliche textile Schwerpunkte darstellen, kommen in beiden Fällen die gleichen Enzyme zum Einsatz. Die Kombination dieser unterschiedlichen Themenkomplexe zu einem Verbund bietet den Vorteil, dass die notwendigen Entwicklungsarbeiten im Hinblick auf Enzymproduktion und -optimierung für beide Bereiche zum überwiegenden Teil durch den biotechnologisch orientierten Verbundpartner (JenaBios, Laccase, Mangan-Peroxidase) übernommen werden, ein Teilbereich (Peroxidase aus Bacillus sphaericus) wird durch das Forschungsinstitut (TU Dresden) abgedeckt. Die Realisierung der Verfahren im Labormaßstab erfolgt durch die Forschungsinstitute (DWI, Wollveredlung, und TU Dresden, Baumwollveredlung) und die Umsetzung der Verfahren in den Pilotmaßstab im Hinblick auf den Transfer in die Textilveredlungsbetriebe durch den Hilfsmittelhersteller (Textilchemie Dr. Petry), der sowohl auf dem Sektor der Woll- als auch der Baumwollveredlung Expertise aufweist. Es hat sich in der ersten Projektphase gezeigt, dass durch den ständigen Austausch der in den jeweiligen Themenkreisen gemachten Erfahrungen und Resultate sowie durch die Industriepartner im Verbund gewährleistet ist, dass Entwicklungen und neue Erkenntnisse schneller umgesetzt werden können und evtl. auftretende experimentelle Probleme auf direktem Wege beseitigt werden. Aus der Komplexität der natürlichen Substrate - Vegetabilien und Baumwolle - ergab sich die Problematik, dass im Projekt bereitgestellte isolierte Enzymsysteme, ob einzeln oder in Cocktails, zwar zu einer Substratmodifizierung, jedoch nicht zu den gewünschten Effekten, Abbau der Vegetabilien bzw. Bleiche der Baumwolle, führten. Hingegen zeigte sich bei Inkubation eines intakten Mikroorganismus mit einer Baumwollmaschenware ein deutlicher Bleicheffekt. Dies führte zu der Entscheidung innerhalb des Konsortiums, das Hauptaugenmerk innerhalb der verbleibenden Projektphase auf die Simulation der natürlichen Synergismen eines Pilzsystems beim Wachstum auf abbaubare Substrate zu legen. Dabei kam insbesondere der Entwicklung technisch um- und einsetzbarer Systeme eine besondere Bedeutung zu.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Publikationen
· E. Heine, E. Schuh, N. Daâloul, H. Höcker, R. Breier, M. Schmidt, A. Apitz, A. Brünner, K.-H. van Pée, K. Scheibner (2001): Oxidative Enzyme in der Textilindustrie, Biokatalyse, Sonderausgabe der DBU, Hrsg. S. Heiden, R. Erb, Spektrum Akad. Verlag, BIOSpektrum, 49-53.
· J. Nüske, K. Scheibner, U. Dornberger, R. Ullrich, M. Hofrichter (2001): Large scale production of manganese-peroxidase using white-rot fungi. Enzyme and Microbial Technology.
· A. Apitz, K.-H. van Pée (2001): Isolation and characterization of a thermostable intracellular enzyme with peroxidase activity from Bacillus sphaericus. Arch. Microbiol 175, 405-412.
· E. Schuh, E. Heine, N. Daâloul, H. Höcker, R. Breier, A. Mondschein, A. Apitz, K.-H. van Pée, K. Scheibner (2003): Oxidative Enzyme in der Textilindustrie, transkript Sonderband Biokatalyse 2003, 119-121.
· K.-H. van Pée, A. Mondschein, A. Apitz, T. Wage (2004): Enzymatische Bleiche von Baumwolle. Chemie in Dresden, Sonderheft Bunsentagung 2004, 57-58.
Vorträge, Seminare
· Poster-Präsentation November 2000 anlässlich der Aachener Textiltagung ATC 2000 / International Wool Textile Conference 2000 in Aachen.
· E. Heine: Aktuelle Trends in Forschung und Entwicklung, Vortrag im Rahmen des Workshops 4 Textilindustrie der Tagung Biotechnologie: Umwelttechnik der Zukunft am 31. Oktober 2000, Stuttgart, Haus der Wirtschaft.
· M. Hofrichter, T. Lundell, K. Steffen, K. Scheibner, S. Galkin, P. Lankinen, P. Maijala, J. Nüske, A. Hattaka. Keynote: Physiology and biochemistry of lignin degradation by selected white-rot fungi. Symposium on recent advances in lignin biodegradation and biosynthesis. 3.-4. Juni 2001 Helsinki.
· Nüske, J., Scheibner, K., Dornberger, Hofrichter, M. (2001): Large scale production of manganese-peroxidase using white-rot fungi. 8th International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper Industry. Session: Recent Advances in Lignin Biodegradation and Biosynthesis. University Helsinki, 3.-8. Juni 2001, Helsinki (Finnland).
· Apitz, K.-H. van Pée: Heat stable peroxidase from Bacillus sphaericus with unusual properties. Posterpräsentation (O17) 100th ASM General Meeting 21.-25.5.2000 Los Angeles.
· Apitz, K,-H. van Pée: Novel intracellular peroxidase from Bacillus sphaericus with unusual properties. Posterpräsentation auf dem World Congress on Biotechnology 3.-8.9.2000 in Berlin
· M. Hofrichter, K. Scheibner: Oxidative Enzymes of Biotechnological Interest Capable of depolymerizing Lignin. 9th International Symposium of Industrial Microorganisms, Biosynthesis and Degradation of polymers (1.-5.6. Gyeongju, Korea). 2002: 75.
· Vortrag auf dem Anwenderforum der Zukunftsinitiative Textil NRW (Zitex) in Krefeld am 06.06.2002
· Posterpräsentation auf der Biocat 2002, Juli 2002, Hamburg
· Posterpräsentation anlässlich des COST 847 Workshops (Textile Quality and Biotechnology) in Cernobbio, Como, Italien, Oktober 2002
· M. Schmidt, R. Breier: Vortrag anlässlich des COST 847 Workshops (Textile Quality and Biotechnology) in Cernobbio, Como, Italien, Oktober 2002
· Hofrichter, M., Steffen, K. T., Scheibner, K., Hatakka, A. (2003): Biodegradation of humic substances, lignin and other persistent aromatic compounds by litterdecomposting basidiomycetous fungi. VAAM-Jahrestagung 23.-26. März 2003, Berlin, Biospektrum Sonderausgabe 2003: PJ002.
· K.-H. van Pée, A. Mondschein, A. Apitz, T. Wage: Enzymatische Bleiche von Baumwolle und Entfärbung. Vortrag auf dem 24. Osnabrücker Umweltgespräch 5.2.2004 in Osnabrück
Patente
· Scheibner, K, Nüske, J., Dornberger, U., Hofrichter, M.: Verfahren zur Herstellung ligninolytischer Enzyme mittels holzbewohnender Pilze aus der Ordnung Agaricales. Deutsche Patentanmeldung vom 01.10.2000: DE 100 43 944.6
Dissertation
· Dâaloul, N., Einsatz von Hydrolasen und Oxidoreduktasen zur Entfernung der vegetabilen Bestandteile aus der Wolle, Dissertation RWTH Aachen 2004


Fazit

Die Identifizierung der an der Bleiche beteiligten Enzyme und des Mechanismus ist ein für die gesamte Textil-, Papier- und Zellstoffindustrie sehr bedeutendes Gebiet. Durch die von den Projektpartnern bisher erbrachten wissenschaftlichen Leistungen ist gezeigt worden, dass von den untersuchten Basidiomyceten ein extrazelluläres Enzymgemisch produziert wird, mit dem Baumwolle bis zu einem technisch interessanten Weißgrad gebleicht werden kann. Ein Ersatz der Wollcarbonisur durch den Einsatz dieser Systeme ist zur Zeit noch nicht realisierbar.