Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von schaltbaren Janus-Partikeln für den mehrfachen Einsatz von immobilisierten Enzymen in der Textilindustrie

Der Einsatz biotechnologischer Verfahren mit Enzymen ermöglicht deutliche Einsparungen beim Ressourcenverbrauch, jedoch nur, wenn diese ökonomisch rentabel sind. Eine Kostensenkung kann mittels Immobilisierung und damit dem mehrfachen Einsatz von Enzymen erreicht werden. Im Rahmen des Vorhabens sollen schaltbare, biokatalytisch aktive Janus-Partikel als innovative Träger für die Enzymimmobilisierung entwickelt und eingesetzt werden. Sie ermöglichen eine gesteuerte Oberflächenfunktionalisierung mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen für die Enzymanbindung um eine hohe Volumenaktivität zu gewährleisten. Durch die reversible Änderung von Partikeleigenschaften (Schaltbarkeit) durch die Veränderung des pH-Wertes und/oder der Temperatur oder Lösungsmittelzugabe kann ein einfaches Verfahren für die Abtrennung der Partikel (Koagulation, Anhaftung) realisiert werden. Zielstellung ist, durch Mehrfacheinsatz von Enzymen (Ziel: fünf Reaktionszyklen) Prozesskosten zu reduzieren (im Vgl. zu Technologien mit Einsatz freier Enzyme) und den materiellen und technologischen Bedarf zur Abtrennung der immobilisierten Enzyme auf einfache technische Lösungen (Sedimentation/Filtration) zu beschränken. Die Arbeitsziele sind: I) Entwicklung bifunktionaler Janus-Partikel auf der Basis anorganischer kolloidaler Partikel und organischen Polymerschalen mit schaltbaren Eigenschaften; II) weitergehende Funktionalisierung dieser Träger durch Enzymimmobilisierung; III) Einsatz der enzymbeladenen Janus-Partikel in technischen Prozessen am Beispiel der Textilveredlung; IV) Abtrennung der Janus-Partikel aus dem Reaktionsgemisch durch Sedimentation, Filtration und reversible Bindung an feste Trägerstrukturen. Die Bearbeitung des Projektes erfolgt in engem Kontakt zu potentiellen Partikel- und Enzymproduzenten und Anwendern. Die Erfolgsaussichten für eine industrielle Umsetzung werden als sehr gut eingeschätzt. Eine schrittweise Einführung der FuE-Ergebnisse in den Markt scheint ab 2018 möglich.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurden erfolgreich hybride Kern-Schale-Partikel mit Janus-Architektur hergestellt und bezüglich ihres Potentials zur Enzymimmobilisierung mittels Adsorption optimiert. Es wurde so ein äußerst effizientes sowie schaltbares Janus-Partikel-System zur Enzymimmobilisierung entwickelt, das herausragend hohe Immobilisierungsausbeuten (von bis zu 100% für Laccase aus Trametes versicolor) ohne oder nur mit geringfügigem Aktivitätsverlust lieferte. Die enzymatische Sekundärstruktur wurde durch die Immobilisierung des Enzyms an die Janus-Partikel nicht beeinflusst. Aufgrund der Immobilisierung der Laccase konnte die enzymatische Aktivität über ein breiteres Temperaturspektrum im Vergleich zur nicht-immobilisierten Laccase gewährleistet werden. Das Janus-Partikel-System erlaubte zudem durch die Möglichkeit der Temperatur-gesteuerten Ausfällung und somit schnellen Abtrennbarkeit aus einem Reaktionsmedium die mehrfache Anwendung der auf ihm immobilisierten Enzyme in technischen Prozessen. Beispielhaft konnte dies an der Prozesswasserentfärbung mit über mehr als 60 Einsatzzyklen einer immobilisierten Laccase gezeigt werden. Zudem erlaubt die Bifunktionalität der Janus-Partikel deren selektive Adsorption an textile Träger, sodass wiederverwendbare, biokatalytisch aktive Textilmaterialien generiert werden können. Der Einsatz der schaltbaren Janus-Partikel als Enzymträgersystem ermöglicht so die verbesserte Handhabung von Enzymen, deren ressourcen- und kostenschonenden Einsatz in technischen Prozessen, eine einfachere Steuerung biotechnischer Prozesse sowie eine ökologische Prozessgestaltung.