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Forschende unter der Leitung von Akihiko Nakamura vom Forschungsinstitut für grüne Wissenschaft und Technologie an der Universität Shizuoka in Japan haben in Zusammenarbeit mit Expertenteams verschiedener Institutionen ein neues PET-Hydrolase-Enzym namens PET2-21M erschaffen. Ziel des Projekts war es, die biologische Abbaubarkeit von PET, das in Flaschen- und Mischfaserform weltweit verbreitet ist, zu verbessern. Dabei erwies sich insbesondere PET2-21M als wegweisend hinsichtlich seiner Abbaueffizienz. Ergänzend wurde mit der nahe verwandten Variante PET2-14M-6Hot die Zersetzung von PET/Baumwoll- und PET/Polyurethan-Textilgemischen erfolgreich nachgewiesen. Dieser Durchbruch bietet eine zeitgemäße Antwort auf die wachsenden Herausforderungen des PET-Abfallrecyclings, da das neu entwickelte Enzym Plastik auf nachhaltige und effiziente Weise recycelt.
Bei PET handelt es sich um ein sehr weit verbreitetes Polymer, das synthetischen Ursprungs ist und in Flaschen, Textilien und Verpackungsmaterialien eingesetzt wird. Das große Manko dieses Polymers: Es lässt sich schlecht recyceln. Während klassische mechanische Methoden die Materialqualität oft mindern, bleiben chemische Verfahren, trotz hoher Reinheit der Endprodukte, durch aggressive Bedingungen und schädliche Substanzen limitiert. Das Problem wird zusätzlich durch die Vielzahl an verwendeten Mischmaterialien wie PET-Textilien mit Baumwolle oder Polyurethan erschwert. An diesem Punkt setzt das neue Verfahren an, denn das Enzym recycelt Plastik in milden, wässrigen Umgebungen und überwindet so viele Schwächen traditioneller Verfahren. Die Forschenden optimierten das PET-abbauende Enzym PET2 mithilfe gezielter und zufälliger Mutationen – eine Strategie, die zu einer nochmals verbesserten Enzymleistung führte.
Enzym recycelt Plastik: Verbesserungen durch gezielte Mutationen
Es gelang, dem Enzym mehrere positive Mutationen zu verleihen. Sieben neu identifizierte Veränderungen wurden mit der bereits bekannten Variante PET2-7M kombiniert und ergaben so das hochaktive Enzym PET2-14M. Weitere Oberflächenmodifikationen erhöhten die Affinität zum Substrat, wobei eine andere Enzymstruktur (HotPETase) als Vorlage diente. Daraus entstand PET2-14M-6Hot, welches schließlich zum Endprodukt PET2-21M weiterentwickelt wurde. Für die industrielle Anwendung nutzten die Forschenden eine Hefe-Wirtszelle. Dadurch erreichten sie beeindruckende Ausbeuten.
In direkten Vergleichstests stellte PET2-21M seine überragende katalytische Aktivität unter Beweis. Im Experiment konnte es, im Gegensatz zu älteren Varianten, die Umwandlung von PET-Flaschenmaterial bei moderaten 60 Grad Celsius (°C) binnen 24 Stunden nahezu vollständig erreichen. Zum Vergleich benötigte das Referenzenzym LCC-ICCG eine höhere Temperatur von 72 °C für eine etwas niedrigere Umwandlungsrate. Darüber hinaus zeigte PET2-21M auch dann starke Leistungen, als die eingesetzte Enzymmenge auf die Hälfte reduziert wurde: Trotz verringerter Dosierung blieb die Abbaueffizienz außergewöhnlich hoch und lag deutlich über der Referenz. Dies demonstriert das Potenzial, sowohl den Bedarf an Enzymen als auch die Produktionskosten bei zukünftigen Verfahren nachhaltig zu senken.
Breite Anwendbarkeit: Enzym recycelt Plastik auch bei Mischtextilien
PET2-21M bleibt sogar bei erhöhten Substratbeladungen leistungsstark. Während LCC-ICCG bei 72 °C eine hohe Umwandlung erreichte, schaffte das neue Enzym bei nur 60 °C ebenfalls überzeugende Ergebnisse. Selbst eine weitere Reduktion der Enzymmenge brachte bei PET2-21M noch Vorteile gegenüber der traditionellen Lösung. Da diese Enzymvariante besonders robust ist, lassen sich Energieverbrauch und Kosten spürbar senken. Hinzu kommen weitere entscheidende Vorteile, die sich vor allem im industriellen Maßstab bemerkbar machen, wenn es darum geht, komplexe Abfallströme mit hohem PET-Anteil effizient zu recyceln.
Für den Einsatz bei Textilabfällen wurde explizit PET2-14M-6Hot untersucht und mit LCC-ICCG verglichen. Bei 60 °C generierte das Enzym in nur 24 Stunden eine deutlich größere Produktmenge aus PET-Fasern als das Vergleichsenzym, das zudem bei einer höheren Temperatur getestet wurde. Auch bei PET/Baumwoll-Mischungen erwies sich PET2-14M-6Hot als effizienter – es erzielte nachweislich mehr Abbauprodukte und war dabei kaum vom Baumwollanteil beeinträchtigt. Diese starke Leistungsfähigkeit bestätigt die Vielseitigkeit der weiterentwickelten PET2-Familie und zeigt deutlich, wie effizient das Enzym Plastik recycelt auch bei strukturell anspruchsvollen Textilgemischen oder Mischfasern.
Neue Perspektiven für nachhaltiges Kunststoff-Recycling
Eher schwierig ist das Recycling von PET/PU-Textilmischungen. Das zeigte sich auch unter Einsatz der Enzyme, da deren Aktivität nachließ. Dennoch erreichte PET2-14M-6Hot bei einer verminderten Reaktionstemperatur überzeugende Ergebnisse und produzierte hier mehr als doppelt so viele Abbauprodukte wie das Vergleichsenzym. Das verdeutlicht die Überlegenheit und Anpassungsfähigkeit des Enzyms auch bei Materialien, die für klassische Recyclingmethoden bislang eine große Hürde darstellten.
Die nachgewiesenen Vorteile der gentechnisch optimierten Enzymvarianten eröffnen neue Wege für das Recycling im industriellen Maßstab und ermöglichen eine zukunftsweisende, nachhaltige Kreislaufwirtschaft. Besonders ihre Wirksamkeit bei moderaten Temperaturen macht die Enzyme der PET2-Reihe zu Schlüsseltechnologien für eine nachhaltigere Kunststoffnutzung – vor allem bei der Behandlung von schwer zu verarbeitenden gemischten Textilabfällen.
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