Abbau von Kunststoffabfällen mit neu entwickelten Biokatalysatoren

Die Kunststoffe Polyurethan und Polyvinylalkohol können nun mit Hilfe von Enzymen als Biokatalysatoren schonend abgebaut werden.

Wissenschaftler der Universität Greifswald haben zusammen mit dem deutschen Unternehmen Covestro und Teams aus Leipzig und Dublin entsprechende Methoden entwickelt, wie sie kürzlich im Fachblatt veröffentlichten Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie in zwei getrennten Artikeln. Damit ist es gelungen, ein nachhaltiges und umweltfreundliches Verfahren zur Wiederverwertung dieser Polymere zu etablieren.

Am Beispiel dieser beiden industriell in großem Maßstab hergestellten synthetischen Polymere hilft dies, das weltweite Problem des Plastikmülls anzugehen.

Kunststoffe sind derzeit unverzichtbar für die Herstellung von Baumaterialien, Elektroisolierungen, Getränke- und Lebensmittelverpackungen, Textilien und vielen weiteren Anwendungen. Leider hat die Massenproduktion von synthetischen Polymeren, insbesondere für Verpackungsmaterialien, zu einem enormen Abfallproblem für die Umwelt geführt. Die Polymere Polyurethan und Polyvinylalkohol tragen zu etwa 8 Prozent zur europäischen Kunststoffproduktion bei.

Seit einigen Jahren sind Methoden zur Erzielung eines umweltfreundlichen Recyclings von Kunststoffen Gegenstand intensiver Untersuchungen. Das würde nicht nur die Umwelt entlasten, sondern auch den Benzinverbrauch für die chemische Herstellung neuer Kunststoffe reduzieren. Außerdem würden Müllverbrennungsanlagen, die derzeit Plastikmüll verbrennen, weniger des Treibhausgases CO2 ausstoßen.

Polyurethane (PUR) werden zur Herstellung von Matratzen, Dämmstoffen, Thermoplasten (z. B. für Sportschuhe) und für Beschichtungen (Dichtstoffe, Lackierungen, Klebstoffe) verwendet. Für den Abbau dieser Verbindungen wurden chemische Verfahren entwickelt, die jedoch große Energiemengen erfordern, da hohe Temperaturen und Drücke erforderlich sind.

Biotechnologische Verfahren mit Mikroorganismen oder Enzymen als natürliche Biokatalysatoren stellen eine Alternative dar, da sie den Abbau und vor allem das Recycling – die Isolierung der Bausteine ​​zu neuen Kunststoffen – bei moderaten Temperaturen von maximal 40 °C und ohne den Einsatz chemischer Reagenzien ermöglichen.

Das Team von Prof. Dr. Uwe Bornscheuer vom Institut für Biochemie der Universität Greifswald hat nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der Firma Covestro (Leverkusen) die Schlüsselenzyme identifiziert, die Polyurethan nach einer chemischen Vorbehandlung in seine Bausteine ​​abbauen können.

„Die Suche nach diesen spezifischen Biokatalysatoren war sehr mühsam, da wir etwa zwei Millionen Kandidaten screenen mussten, um die ersten drei Enzyme zu entdecken, die nachweislich die spezielle chemische Bindung in Polyurethanen aufbrechen“, erklärt Ph.D. Student Yannick Branson (Universität Greifswald), der die Herausforderung dieses Projekts beschreibt.

„Mit dieser bahnbrechenden Entdeckung haben wir nun die Voraussetzung, diese Biokatalysatoren mit Methoden des Protein Engineering maßgeschneidert zu designen, die darauf abzielen, ein industrielles Recycling von Polyurethanen zu entwickeln“, erklärt Prof. Dr. Uwe Bornscheuer (Universität Greifswald) weiter. „Mit diesen neu identifizierten Enzymen kommen wir unserem Ziel einer Kreislaufwirtschaft für die Polymerindustrie ein großes Stück näher“, ergänzt Dr. Gernot Jäger, Leiter des Kompetenzzentrums für Biotechnologie bei der Covestro AG (Leverkusen).

Polyvinylalkohole (PVA) haben vielseitige Eigenschaften und finden auch breite Anwendung, beispielsweise zur Beschichtung von Fasern und als Folien für Verpackungen. Bisher existieren noch keine ausgereiften Verfahren zum Abbau von PVA. Hier konnte das Team von Professor Bornscheuer gemeinsam mit einem Polymerexperten des University College Dublin (Irland) und Wissenschaftlern aus Leipzig auch die Grundlagen für ein biotechnologisches Verfahren entwickeln. Der Abbau von PVA könnte durch die elegante Kombination von drei verschiedenen Enzymen erreicht werden, die dann in der Lage sind, das Polymer schrittweise zu modifizieren, um Fragmente des Polymers zu erhalten, die dann für sein Recycling verwendet werden können.