Von Laborexperimenten zum Industriemaßstab

Barbara Schick,

Enzyme im Recycling-Praxistest

Zahlreiche Enzyme können und könnten Kunststoff abbauen. Doch was im Laborexperiment funktioniert, lässt sich nicht immer im großen Maßstab umsetzen. Eine Studie von Teams um Biochemiker Gert Weber, vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), Uwe Bornscheuer, Universität Greifswald, und um Chief Scientific Officer Alain Marty von Carbios, Frankreich, zeigt am Beispiel von vier Enzymen, welche Standards Laborexperimente erfüllen sollten, damit Ergebnisse besser vergleichbar sind und erfolgsversprechende Ansätze rascher identifiziert werden können.

PET ist einer der am meisten verwendeten Kunststoffe. Im Prinzip lassen sich PET-Moleküle durch passende Enzyme in ihre Grundbausteine spalten, so dass ein vollständiges Recycling möglich ist. Doch in der Praxis sind diese Ansätze schwer auf industrielle Maßstäbe zu übertragen. © HZB/Frank Lennartz, Gert Weber

PET macht 18 % der weltweiten Kunststoffproduktion aus und zählt damit zu den mengenmäßig wichtigsten Kunststoffen. Das Biotech-Unternehmen Carbios im Nordosten Frankreichs möchte bis 2025 eine Anlage aufbauen, die 50 000 Tonnen PET jährlich recyceln soll. Seit einigen Jahren wird über Erfolge beim Recycling von Polyethylenterephthalat (PET) durch neu entdeckte Enzyme, die den Kunststoff in seine Bestandteile zerlegen können, berichtet. Doch zeigte sich, dass die Vorgänge aus den Laboren nicht ohne Weiteres auf den industriellen Maßstab umsetzbar sind: Experten bei Carbios stellen fest, dass viele Ergebnisse aus der akademischen Laborforschung nicht aufskaliert werden können.

"Manche Enzyme funktionieren super im Laborversuch für wenige Stunden, sie verlieren aber sehr schnell ihre Aktivität und das Substrat wird nicht vollständig abgebaut", sagt Gert Weber vom HZB. Im Reagenzglas im Labor ist das kein Problem, aber für eine Anwendung im großen Bioreaktor schon. Uwe Bornscheuer und Gert Weber haben daher gemeinsam mit dem Biotech-Unternehmen Carbios an vier Beispielen demonstriert, wie sich neue Enzyme für den PET-Abbau besser miteinander vergleichen lassen. "Damit später eine Aufskalierung möglich ist, müssen viele Parameter auch schon beim Laborexperiment in einem engen Bereich liegen, das Ausgangsmaterial muss genau definiert sein, die Versuchsprotokolle müssen einheitlicher sein, um die Leistung der Enzyme und ihre Anwendung in großtechnischem Maßstab besser beurteilen zu können", erklärt Uwe Bornscheuer, Universität Greifswald. Daher haben die Forscher ein standardisiertes PET-Hydrolyseprotokoll erarbeitet, das Reaktionsbedingungen setzt, die für eine Hydrolyse in größerem Maßstab relevant sind. Vor allem wurden zwei PET-Materialien genutzt, zum einen ein definierter PET-Film und zum anderen PET-Granulat aus Abfallflaschen, wie es bei Carbios im technischen Maßstab eingesetzt wird. Damit haben sie vier kürzlich entdeckte PET-zersetzende Enzyme getestet: LCC-ICCG, FAST-PETase, HotPETase und PES-H1L92F/Q94Y.

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Beim Experimentieren unter diesem Protokoll stellten sie fest, dass zwei dieser Enzyme, FAST-PETase und HotPETase, sich weniger für den großtechnischen Einsatz eignen, hauptsächlich aufgrund ihrer relativ niedrigen Depolymerisationsraten. Schon besser funktionierte PES-H1L92F/Q94Y. Der vierte Kandidat, LCC-ICCG, übertraf die anderen Enzyme bei weitem: LCC-ICCG wandelt 98 % des PET in 24 Stunden in die monomeren Produkte Terephthalsäure (TPA) und Ethylenglykol (EG) um. "Darüber hinaus konnten wir bei LCC-ICCG die erforderliche Enzymmenge um den Faktor 3 und die Reaktionstemperatur von 72 auf 68 °C reduzieren, so dass der Einsatz dieses Enzyms auch wirtschaftlicher wird", sagt Bornscheuer.

"Wir sollten bei unserer Laborforschung die industrielle Anwendung mitdenken", findet Gert Weber. Kunststoffe werden weiterhin aus fossilen Rohstoffen immer wieder neu hergestellt, die Recyclingquoten sind gering und es handelt sich dabei bisher meistens um ein "Downcycling" hin zu schlechterer Qualität. Der Kunststoffmüll befindet sich inzwischen in allen Gewässern und in allen Böden und damit in der Nahrungskette. Fortschritte sind daher dringend. "Mit diesen Standards können wir etwas dafür tun, um schneller die Spreu vom Weizen zu trennen."

Publikation:
Grégory Arnal, Julien Anglade, Sabine Gavalda, Vincent Tournier, Nicolas Chabot, Uwe T. Bornscheuer, Gert Weber, and Alain Marty:Assessment of Four Engineered PET Degrading Enzymes Considering Large-Scale Industrial Applications, ACS Catal. 2023, 13, 20, 13156–13166; https://doi.org/10.1021/acscatal.3c02922

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

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