Biologischer Abbau 23.05.2022, 07:00 Uhr

PET mit Enzymen recyceln – Forschern gelingt der Durchbruch

Ein hocheffizientes Enzym, das aus Pflanzenkompost gewonnen wird, baut Polyethylenterephthalat (PET) bei 70°C schnell ab. Aus der so gewonnenen Terephthalsäure lässt sich erneut PET herstellen: ein Beitrag, um den Kohlendioxid-Fußabdruck zu verringern.

Kunsttsoffmüll - PET

Mit einem neuen Enzym soll PET-haltiger Kunststoffmüll künftig noch effizienter recycelt werden.

Foto: panthermedia.net/DanitaDelimontMicro (Peter Bennett)

Kunststoffe sind allgegenwärtig und aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der niedrigen Kosten der petrochemischen Bausteine ist die Menge der Kunststoffe in den letzten Jahrzehnten immens gestiegen. Nur ein kleiner Teil wird recycelt, während der größte Teil auf Mülldeponien oder in der Umwelt landet. Da synthetische Kunststoffe nicht leicht biologisch abbaubar sind, reichern sie sich in der Natur an – mit schädlichen Folgen für die Umwelt und die Gesundheit.

Polyethylenterephthalat (PET) gehört zu den wichtigsten thermoplastischen Polymeren. Es entsteht aus den Monomeren Terephthalsäure und Ethylenglykol, und zwar durch eine Veresterung. Der Aspekt erweist sich als wichtig, denn Ester lassen sich wieder in die Ausgangsstoffe spalten – nur unter wenig praktikablen Bedingungen. Im wässrig-sauren oder wässrig-basischen Milieu bei Siedehitze zerfällt das Material langsam. Forscher der Universität Leipzig haben ein Enzym identifiziert, das PET unter milden Bedingungen – und in Rekordzeit – abbaut. Es ist effizienter im Vergleich zu bekannten Enzymen aus älteren Arbeiten.

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Auf der Suche nach dem passenden Enzym

Die Idee, Enzyme beim Abbau von PET einzusetzen, liegt auf der Hand. Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie senken die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen, was zu milderen Reaktionsbedingungen führt. Soweit die Theorie. In der Praxis war es recht schwierig, geeignete Enzyme, sogenannte Hydrolasen, zu finden.

Doch die Chemikerinnen und Chemiker hatten schließlich Erfolg mit einer überraschenden Strategie. Sie untersuchten verschiedene Umweltproben auf geeignete Enzyme. In einem Komposthaufen wurde sie fündig. Von sieben Kandidaten erwies sich ein Enzym mit dem Kürzel PHL7 als besonders geeignet. Laborexperimente zeigten, dass PHL7 Kunststoffproben aus PET in wässriger Lösung immens schnell abbaut.

Innerhalb von 16 nur Stunden hydrolysierte PHL7 genau 90% des Kunststoffs im Experiment. LCC, ein anderes, in der Literatur beschriebenes Enzym, kam nur auf schlappe 45%. „Unser Enzym ist also doppelt so aktiv wie der Gold-Standard unter den polyesterspaltenden Hydrolasen“, erklärt Christian Sonnendecker. Er forsch an der Fakultät für Chemie und Mineralogie der Universität Leipzig. Die Zahlen selbst sind wenig anschaulich. Wie die Forschenden aber nachweisen konnten, würde eine PET-Kunststoffschale, die zur Verpackung von Obst in vielen Supermärkten zu finden ist, nach der Zugabe von PHL7 in weniger als 24 Stunden abgebaut.

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Biologisches PET-Recycling mit Enzymen

In ihrem neuen Enzym sehen die Forschenden eine Möglichkeit, Kunststoffabfälle aus PET biologisch zu recyceln: ein Pluspunkt im Vergleich zu etablierten Verfahren. Um PET klassisch aufzuarbeiten, kommen derzeit vor allem thermische Verfahren zum Einsatz. Sie kosten einerseits viel Energie und führen zu einer schlechten Kohlendioxid-Bilanz. Andererseits entstehen minderwertige Produkte.

Enzyme wie PHL7 erreichen bei zirka 65 bis 70 Grad Celsius ihr Wirkmaximum. Außerdem wird PET nicht nur umgeschmolzen, sondern in seine Bestandteile, die Monomere, zerlegt. So gelingt es, Terephthalsäure und Ethylenglycol zu isolieren und aufzureinigen. Ein geschlossener Kreislauf entsteht.

„Das in Leipzig entdeckte Enzym kann einen wichtigen Beitrag bei der Etablierung von alternativen energiesparenden Plastikrecyclingverfahren leisten“, fasst Wolfgang Zimmermann zusammen. Er hat den enzymchemischen Forschungsbereich vor Ort maßgeblich aufgebaut. „Aufgrund der enormen Probleme, die durch die weltweite Belastung der Umwelt mit Plastikabfällen entstanden sind, gewinnen umweltfreundliche Verfahren zur Wiederverwendung von Plastik in einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft immer mehr an Bedeutung“, so Zimmermanns Einschätzung.

PET mit Enzymen kostengünstiger recyceln 

Damit nicht genug. Die Forscherinnen und Forscher hoffen, dass ihr neues Enzym auch wirtschaftlich Vorteile bringt. Ihre Erwartung: Durch die schnelle Reaktion bei vergleichsweise niedrigem Energieaufwand könnte das Verfahren deutlich kostengünstiger sein, verglichen mit dem thermischen Prozess.

Jetzt geht es darum, Kooperationspartner zu finden, um das Verfahren vom Labor in die Anwendung zu bringen. Außerdem ist geplant, die Struktur und die Funktionsweise PET-abbauender Enzyme aufzuklären.

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Von Michael van den Heuvel

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