Projekt 13003/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Extremozyme zur Verbesserung von Wolleigenschaften

Projektträger

Tuchwerk Westmark Bier GmbH & Co. KG
Sturmsberg 1
52351 Düren

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Voraussetzung für das effektive Färben von Textilien ist die gleichmäßige Saugfähigkeit der Ware. Daher ist der Prozessschritt der Vorbehandlung einer der wichtigsten Teile im Druck- bzw. Färbevorgang von Wolle. Konventionell wird dabei die Wolloberfläche durch Chlorierung hydrophiliert, woraus jedoch eine AOX-Belastung der Abwässer resultiert. Bekleidungstextilien aus Wolle verursachen bei vielen Verbrauchern ein kratziges Gefühl auf der Haut. Als Griffverbesserer werden Silicone auf die Ware aufgebracht. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, unter Vermeidung der AOX-Generierung und Aufbringung weich-machender Substanzen einen Prozess unter Einsatz von Extremozymen zur Erhöhung der Anfärbbarkeit und Griffverbesserung von Wolle zu entwickeln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Auswahl des Wollmaterials für das Screening nach geeigneten Enzymen erfolgte in den ersten 9 Monaten der Projektlaufzeit. Das Material für die Labor- und Praxisversuche wurde nahezu über die gesamte Projektlaufzeit ausgewählt (Art und Aufmachung des Wollmaterials unterliegen Modetrends). Vom 2. Quartal des ersten bis zum Ende des zweiten Jahres erfolgte bei der TUHH das Screening nach geeigneten Extremozymen. Zu Beginn des Projekts wurden aus der Stammsammlung geeignete Enzyme ausgewählt und erste Screeningversuche mit Wolle unternommen. Sie waren Ende des zweiten Jahres abgeschlossen. Die Produktion der Extremozyme und die Überprüfung ihrer Aktivität bzw. Desaktivierbarkeit erfolgte über die gesamte Projektlaufzeit. Wollmaterial wurde mit den Extremozymen im Labormaßstab (DWI) bzw. nach Erprobung im Praxisversuch (TWGmbH, DWI) über die gesamte Projektlaufzeit inkubiert und es wurden die Wolleigenschaften Benetzbarkeit, Anfärbeverhalten, Griff sowie Festigkeit, Wollverlust, Weißgrad und Filzverhalten evaluiert (DWI, TWGmbH). Die Abstimmung der Arbeiten der einzelnen Kooperationspartner erfolgte in regelmäßigen Abständen; zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit der neuen gegenüber den konventionellen Verfahren wurde ein vierter Kooperationspartner (Umweltkostenmanager) in das Projektvorhaben mit einbezogen.


Ergebnisse und Diskussion

Für die thermophile und alkalistabile kommerzielle Protease Esperase 8.0 L, Typ A (Novo Nordisk) wurde im Labormaßstab (DWI) eine Behandlungsmethode optimiert, die sich in die bestehenden Veredlungsschritte der TWGmbH integrieren lässt. Dieser Prozess wurde auf den semiindustriellen Maßstab (Haspelkufe 40l) übertragen. Die Enzymbehandlung führt im Vergleich zu blind behandelten Referenzproben zu einem höheren Weißgrad, einer verbesserten Anfärbbarkeit durch einen Modellfarbstoff, einer besseren Bedruckbarkeit und zu einer verringerten Filzneigung bei nur geringfügiger Herabsetzung der Bündelzugfestigkeit. Der Grad der Verringerung der Filzneigung ist der durch Chlorierung erzielten vergleichbar; für stark filzende Gewebe konnte allerdings durch den alleinigen Einsatz von Esperase analog zur Chlo-rierung ohne nachfolgende Harzapplikation nur eine Verringerung des Filzschrumpfes aber keine ausreichende Filzfreiausrüstung erzielt werden. Laborfärbungen bei 80°C von enzymbehandelten und chlorier-ten Gewebeproben zeigten, dass die Enzymbehandlung im Gegensatz zur Chlorierung als mögliche Vorbehandlung zur Niedrigtemperaturfärbung sehr vielversprechend ist.
Bei der TUHH wurde die Identifizierung der 1999 neuisolierten Stämme mit keratinolytischer Aktivität abgeschlossen. Das erste Isolat wird als Thermoanaerobacter keratinophilus, das zweite als Fervidobacte-rium gondwanense AC 60 bezeichnet. Beide Organismen sind in der Lage, auf Wolle als alleiniger C-Quelle zu wachsen. Die extrazellularen Proteasen beider Mikroorganismen (Temperatur und pH-Optimum: 85 °C und pH 8,0) sind in der Lage, den Wollabbau zu katalysieren. Allerdings war die Aktivität in den verfügbaren Überständen in beiden Fällen nicht geeignet, die Eigenschaften von Wolle in einem ökonomisch vertretbaren Zeitrahmen positiv zu modifizieren. Weitere Untersuchungen mit Enzympräparaten höherer Aktivität scheinen aber in beiden Fällen sinnvoll. Zudem wäre die Aufklärung des genauen Mechanismus des Wollabbaus durch T. keratinophilus im Hinblick auf die Verwendung von Enzympräparaten aus diesem Mikroorganismus im textiltechnischen Prozess sehr interessant, da T. keratinophilus bis zu 55% Wollsubstanz abzubauen vermag.
Ferner ist es der TUHH gelungen, Proteasegene aus Bakterien der Ordnung Thermatogales in E. coli zu exprimieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Produktion von Extremozymen in für einen industriellen Ein-satz ausreichender Menge.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

S. Rießen, G. Antranikian: Degradation of keratin by newly isolated extreme thermophilic anaerobic bacteria, VAAM 2000, München
C. Gödde, R. Schwerdtfeger, K. Sahm, G. Antranikian: Cloning and expression of thermoactive proteases of Thermotogales strains, VAAM 2000, München
S. Rießen, G. Antranikian: Isolation of Thermoanaerobacter keratinophilus sp. nov., a novel thermophilic, anaerobic bacterium with keratinolytic activity. Extremophiles 5, 399-408, 2001
S. Rießen, G. Antranikian: Characterization of thermoactive proteases with keratinolytic activities from thermophilic anaerobic bacteria. VAAM Jahrestagung. Oldenburg. 2001
C. Goedde, K. Sahm, L. Kluskens, W. de Vos, G. Antranikian: Cloning and expression of protease encoding genes from Thermotogales. VAAM Jahrestagung. Oldenburg. 2001
C. Gödde, S. Rießen, G. Antranikian, K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: EXTRETEX-Extremozyme zur Verbesserung von Wolleigenschaften, in: Biokatalyse, 72-74, S. Heiden, R. Erb (Hrsg.), Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 2001
E. Heine, W. Lorenz, A. Ruers, K. Schumacher, B. Tetzlaff, H. Höcker: Neue biotechnologische Produkte für die Wollveredlung, DWI Reports 122, 179 - 185, 1999
K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: EXTRETEX - Extremozyme zur Verbesserung der Wolleigenschaften, DWI Reports 123, 553, 2000
E. Heine: Biotechnical Processes for Wool Finishing, Symposium On Biotechnology In The Textile Industry Povoa do Varzim, Hotel Vermar, Portugal, 3 - 7 May 2000
W. Giehl: Forschungsprojekte des DWI vorgestellt beim AK Umwelt & Recycling, Forschungskuratorium Textil e.V. in Eschborn, 09.03.2000
E. Heine: COST Action 847 Textile Quality and Biotechnology Meeting Brüssel, Presentation of the activities in Germany related to the scope of COST Action 847 6. / 7. Juli 2000
K. Schumacher, E. Heine. H. Höcker: Extremozyme for improving wool properties, J. Biotechnology 89, 281-288, 2001
K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: Enzymes in wool finishing - effects on physical and chemical properties of the wool, Proc. 10th Int. Wool Text. Res. Conf. (H. Höcker, B. Küppers, eds.) EN-3, Aa-chen/Germany, 2001
E. Heine, K. Schumacher, H. Höcker: Extremozymes for wool processimg, Workshop Enzymes in processing of cellulosic and proteinaceous fibres, Bucharest (RO), 19.-20. April 2001
E. Heine, K. Schumacher, N. Daâloul H. Höcker: Extremozyme - Werkzeuge für die Wollveredlung, Haarwissenschaftlicher Ausschuss DWI, Freinsheim, 18. Mai 2001
K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: Biotechnische Verfahren in der Wollveredlung, Textilveredlertag, Baden-Baden, 14.-15. Juni 2001
K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: Biotechnical processes for textile finishing, Biotechnica, Hannover, 9.-11. Oktober 2001
E. Heine, H. Höcker: Perspektiven einer innovativen Wollveredlung mit biotechnischen Produkten, in: Taschenbuch für die Textilindustrie 2001, 346-355, W. Loy (Hrsg.), Schiele & Schön, Berlin 2001
H. Höcker: Bioprocessing of protein fibres - an overview, Annual Workshop EU-COST Action 847, Funchal (P), 4.-5. Oktober 2001
K. Schumacher, E. Heine, H. Höcker: Extremozyme in der Wollveredlung - Korrelation Labor-/Industriemaßstab, DWI Reports 125, 376-381, 2002


Fazit

Es wurde eine Enzymbehandlung mit dem Enzym Esperase 8.0 L in die gegebenen Veredlungsschritte bei TWGmbH integriert, die im semiindustriellen Maßstab zu einer deutlichen Verbesserung von veredlungsrelevanten Parametern führt.
Die neuen thermostabilen Proteasen der TU-HH sind in der Lage, Wolle zu modifizieren. Allerdings erwies sich die Aktivität der verfügbaren Überstände als zu gering für einen Einsatz im textiltechnischen Prozess. Um das volle Potential dieser neuen Enzyme bewerten zu können, sind weitere Untersuchungen mit Präparaten höherer Aktivität angezeigt.
Die Expression von proteasekodierenden Gene in E. coli, die im Rahmen des Projektes erfolgreich durchgeführt wurde, bildet die Grundlage zur Produktion von Extremozymen in ausreichender Menge für einen industriellen Einsatz.