Enzyme sind für viele Industriebereiche mittlerweile unverzichtbar. Ihr Potenzial, auf natürliche Weise Produkte zu veredeln oder als Katalysator Produktionsprozesse zu beschleunigen, macht die Eiweißmoleküle zu heimlichen Stars biotechnologischer Prozesse. Vor allem Waschmittelhersteller kommen ohne die Multitalente nicht mehr aus. Immer mehr Textilien bestehen heutzutage aus einer Mischung von Fasern - wie etwa Baumwolle und Polyester. Darüber hinaus gibt es neue Materialien für Outdoor-Textilien, die hauptsächlich aus synthetischen Fasern bestehen. Das stellt auch neue Anforderungen an Waschmittel. Ein Problem sind hier vor allem die unliebsamen Knötchen, die sich nach mehrmaligem Waschen auf der Textiloberfläche bilden.
Synthetische Fasern im Blick
Diese und andere Herausforderungen hat sich die strategische Allianz „Funktionalisierung von Polymeren" (FuPol) gestellt. Koordiniert vom Monheimer Enzymspezialisten evoxx technologies GmbH arbeiteten über fünf Jahre neun Partner aus Forschung und Industrie an unterschiedlichen Fragestellungen. Unter anderem an Enzymen für Waschmittel, die bei Textilien, welche ganz oder zum Teil aus synthetischen Fasern bestehen, eine solche Knötchenbildung verhindern helfen oder vorhandene Knötchen entfernen sollen. Die Arbeit des Gesamt-Konsortiums wurde von 2013 bis 2018 mit insgesamt 8 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“ gefördert.
In der ersten Etappe bis 2016 konnten die Projektpartner bereits Enzyme identifizieren, die das Potenzial haben, die unliebsamen Knäule regelrecht abzuknabbern. Beim Durchforsten des Bioarchives stießen die Biotechnologen des Konsortiums auf Esterasen wie Cutinasen, die Esterbindungen spalten und so natürliche Substrate attackieren. „Die Cutinase ist ein Enzym, das von erschiedenen Pilzen genutzt wird, um durch die Cutinschicht von Blättern zu dringen“, erklärt evoxx-Geschäftsführer Michael Puls. „Das ist eine Art Wachsschicht, mit der sich Pflanzen vor Krankheitserregern und Austrocknung schützen. Cutinasen sind daher Enzyme, die solche Wachsschichten angreifen.“
Mit Enzymen gegen Faserknötchen
Die Aktivität der vielversprechenden Kandidaten zu verbessern und zugleich den Herstellungsprozess mit Blick auf den industriellen Einsatz zu optimieren, war das Ziel der zweiten Phase, die im April 2018 endete. Diese Arbeiten wurde mit rund 166.000 Euro vom BMBF gefördert. Hier lag der Fokus nicht allein auf der Weiterentwicklung von Faserknötchen-abbauenden Enzymen für Waschmittel. Auch die Textilindustrie hat großes Interesse an biotechnologischen und damit nachhaltigen Ansätzen bei der Verarbeitung von Garnen und Geweben, um beispielsweise störende Rückstände der Faserherstellung auf umweltfreundliche Weise statt mit chemischen Substanzen zu bekämpfen. „Beispielsweise führen kürzere Reste von Polymeren zu Schwierigkeiten in der späteren Verarbeitung der Garne. Diese könnten mit Hilfe von Enzymen nachhaltiger entfernt werden“ , sagt Puls.
PET-abbauende Enzyme entdeckt
Zur Verbesserung der Aktivität der Enzyme erzeugten die Forscher Mutationen im Gen, das das jeweilige Enzym kodiert und veränderten damit seine Struktur. Aber nicht nur das. Sie modifizierten die so genannte Bindedomäne, um den gewünschte Effekt der Enzyme zu verstärken. „Wir haben Esterasen gefunden, die PET abbauen und zwar ziemlich effizient. Und wir haben sowohl verbesserte Enzymvarianten entwickelt, als auch die Herstellbarkeit der Enzyme deutlich verbessert. Hier könnte die Wirtschaftlichkeit in absehbarer Zeit erreicht werden und die Anwendung im Waschmittel wäre dann in Sichtweite“, resümiert Puls. Waschtests konnten den sogenannten Anti-Pilling-Effekt bereits bestätigen. Auch gelang es dem Team mittels optimierter PET-Hydrolyse nicht nur Textilfasern zu zerlegen, sondern auch die Oberflächen dünner Folien deutlich zu verändern.
Die FuPol-Allianz im Überblick:
Projektkoordinator: evoxx technologies GmbH (ehemals evocatal GmbH)
Industriepartner: evoxx technologies GmbH, AB Enzymes GmbH, Henkel GmbH & Co. KGaA, Coats Opti Germany GmbH
Akademische Partner: RWTH Aachen, DWI – Leibniz Institut für Interaktive Materialien e.V., Fraunhofer IAP, Universität Leipzig, Universität Hamburg
Synthetische Fasern funktionalisieren
Neben Enzymen, die PET-Fasern beim Waschen abbauen, wollte das Konsortium synthetische Fasern so funktionalisieren, dass bestimmte Eigenschaften bedient werden. Hier kam das antimikrobielle Protein LCI zum Einsatz. Es ging um die Färbbarkeit, die mit Hilfe von Bindedomänen verstärkt werden sollte. „Mit der Bindedomäne können die Bindungsreaktionen verbessert werden, so dass möglichst viel von dem Protein an der Faser hängen bleibt. Die Projektpartner wollten damit Oberflächen von Textilien behandeln, damit sie mehr Farbe aufnehmen, oder aber, um andere Eigenschaften zu erzeugen“, erklärt Puls. Mithilfe der Bindedomäne konnten zwar erste Effekte erzielt werden, aber noch nicht in der gewünschten Qualität. Puls zufolge muss hier weiter geforscht werden, um Bindungseigenschaften zu verbessern.
Mit veredelten Enzymen Plastikmoleküle zerlegen
Die Anwendung der PET-Esterasen im Waschmittel ist weiterhin von Interesse. Die besten Kandidaten haben sich Henkel, als Projektpartner, und evoxx bereits patentieren lassen. Ob die Enzymkandidaten noch anderweitig eingesetzt werden wird derzeit von evoxx geprüft. Schon jetzt ist aber klar: Das Einsatzpotenzial der veredelten Enzyme ist weitaus größer. „Einsatzmöglichkeiten wären überall dort denkbar, wo Kunststofffasern aus PET ein Problem sind wie Mikroplastik. Mit diesen Enzymen kann man tatsächlich Plastik in seine Monomere zerlegen und damit die Rohstoffe wieder verfügbar machen. Aber auch bei der Abwasserbehandlung wäre der Einsatz der Enzyme denkbar“, sagt Puls.
Autorin: Beatrix Boldt
