Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Oberflächenfunktionalität durch enzymatische Behandlungen von biobasierten und konventionellen Polyestern

In dem vorliegenden Forschungsprojekt sollen neueste Ergebnisse der Enzymforschung auf die Behandlung von konventionellen sowie biobasierten, bioabbaubaren Polyesterfasern zur Erzeugung funktioneller Gruppen übertragen werden, um Fasermodifikationen wie Hydrophilierung oder Antistatik zu erzielen. Weiterhin sollen die biologische Abbaubarkeit und Recyclingkonzepte unterstützt werden. Die Einführung der Enzymtechnologie in die industrielle Nutzung wird dabei angestrebt.

Die bisher verfügbaren sogenannten Polyesterasen der ersten Generation weisen eine für industrielle Prozesse zu geringe Reaktionsgeschwindigkeit auf. Eine Skalierung vom Labor- auf den Industriemaßstab wurde dadurch blockiert. Der Forschungspartner BOKU ist führend auf dem Gebiet der Enzymforschung und kann durch Enzym-Engineering eine effiziente Anpassung von Polyesterasen ermöglichen. Mit Hilfe dieser Polyesterasen der zweiten Generation werden biotechnologische Oberflächenmodifizierungen auch für Polyester ökonomisch interessant. Die Prozesskinetik erlaubt den gezielten Polymerabbau beginnend bei der Spaltung der Ester und Entstehung funktioneller Gruppen bis hin zur Entfernung von Faserpills oder Mikroplastik. Das niedrige Massenverhältnis von Enzym zu Textil sowie umweltfreundliche Reaktionsbedingungen führen zu einem ressourceneffizienten Prozess.

Das Projektkonsortium besteht aus Partnern der textilen Wertschöpfungskette (Enzym- und Textilforschung, Textilproduktion/-veredlung, Erzeugung von Arbeits-, Sport- und Outdoorbekleidung), die Nachhaltigkeit und Funktionalität in einem Produkt aus „grünem Polyester“ vereinen wollen. Fast alle der 1400 Firmen in der deutschen Textil- und Bekleidungsindustrie (meist KMU`s) mit ihren 135.000 Beschäftigten können von den Ergebnissen profitieren, da die meisten mit Polyester-basierten Textilien arbeiten.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Projektes wurden die auf dem Markt verfügbaren Enzyme sowie neu entwickelte Enzyme in Laborversuchen an den Materialien Polyester und Polymilchsäure, zunächst in Form von Garnen und später als textile Flächen, untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die kommerziell erhältlichen Enzyme (bis auf HiC) nicht effektiv genug sind, um die Materialien auf der Oberfläche mit messbarem Effekt zu funktionalisieren. Das an der HSNR exprimierte Enzym TfCut2 erwies sich als effektiv. Die Funktionalisierung war bei nicht kristallinen Garnen besser als bei kristallinen. PLA konnte besser funktionalisiert werden.

Aus den Laborversuchen ergab sich ein Einsatzoptimum bei einem pH-Wert von 8 und einer Behandlungsdauer von 4 Stunden. Für die HiC ergab sich ein Temperaturoptimum von 60 °C; für die TfCut2 ein Optimum von 40 °C. Die Intensität der Oberflächenmodifikation wurde primär mittels Methylenblautest bestimmt. Hierbei konnten durch enzymatische Behandlung verbesserte Oberflächenfunktionalitäten von ca. 10 % erreicht werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Metallisierung mit Cu-Partikeln von enzymatisch behandelten PES besser funktionierte als bei unbehandeltem PES.

Es ist davon auszugehen, dass Veredlungsbetriebe, deren Leistungsprofil die Funktionalisierung von Polyester umfasst, aufbauend auf den Projektergebnissen im Rahmen einer Produktentwicklung innerhalb der nächsten Jahre diese Methode anwenden können. Die HiC ist bereits am Markt verfügbar und könnte direkt eingesetzt werden, sofern die großen Mengen, die für einen industriellen Maßstab benötigt werden, beschafft werden können.

Die enzymatische Funktionalisierung trägt dazu bei, das von den Unternehmen eigene Angebotsspektrum entsprechend den Anforderungen des Marktes zu erweitern und den Weg zu einer „grünen“ Polyesterveredlung zu ebnen.

Da das Verfahren noch auf den industriellen Maßstab skaliert werden muss, ist mit einer mittelfristigen Umsetzung der Ergebnisse in Unternehmen zu rechnen.