Im Projekt Encycling ist es dem NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut in Reutlingen gelungen, Zellulose mithilfe von Enzymen aus Windeln zu isolieren. Bisher scheiterten Recyclingversuche häufig an der Verbindung von Zellulose und Superabsorber – einer Polymerverbindung, die Flüssigkeit speichert.
Die neue Methode nutzt Kalziumchlorid, um den Superabsorber zu deaktivieren und damit die enzymatische Reaktion zu ermöglichen. Dadurch konnten 800 Gramm Zellulose aus 5,8 Kilogramm Windelmaterial in Zucker umgewandelt werden. Die Rückgewinnung der Rohstoffe eröffnet neue Wege für ein ökologisch und ökonomisch sinnvolles Recycling gebrauchter Windeln – ein Bereich, der bisher weitgehend unerschlossen war.
Mischung von Zellulose und dem Superabsorber
Papier, Glas, Plastik, sogar Beton: Viele Materialien werden inzwischen recycelt. Bei Windeln hingegen funktioniert das bis heute praktisch nicht. Weltweit werden weniger als ein Prozent aller Windeln recycelt – und das bei einem Anteil von Windeln am Hausmüll von etwa zehn Prozent (in Pflegeheimen kann dieser Anteil bis auf 70 Prozent ansteigen). Die Herausforderung ist die Trennung der Zellulose in den Windeln von dem Superabsorber, der die Flüssigkeit aufnimmt. Einem Team von Forschenden um Dr. Anne Zeck, Gruppenleiterin am NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut in Reutlingen, ist nun im Rahmen des Invest BW-Projekts Encycling mit Hilfe von Enzymen ein Durchbruch gelungen.
Windeln sind ein sogenanntes Verbundmaterial. In ihrem Inneren befindet sich eine Mischung von Zellulose, die in diesem Fall Watte-artig und für ein möglichst angenehmes Tragegefühl notwendig ist, und dem sogenannten Superabsorber, der aus dem Natriumsalz der Polyacrylsäure besteht und ein Vielfaches des eigenen Gewichts an Flüssigkeit aufnehmen kann. Beide Materialien sind für sich genommen gut recycelbar. Im Falle von Windeln müssen sie aber zunächst entmischt werden. Das ist kompliziert – und leider nicht bei allen Herstellern möglich.
„Wenn auf diese Mischung aus Zellulose und Superabsorber eine Flüssigkeit kommt, entsteht daraus eine gelförmige Masse. Eine gute Durchmischung und Behandlung der Masse mit Enzymen wird dadurch unmöglich“, schildert Projektleiterin Anne Zeck. Durch Zugabe von Kalziumchlorid gibt der Superabsorber die gebundene Flüssigkeit wieder ab. Die geschredderte Windelmasse kann nun gut durchmischt werden.
Zellulose-Abbau ist nicht neu – in Windeln aber schon
Der nächste Schritt war die Suche nach Enzymen, welche den Zellulose-Abbau übernehmen können. „Bei dieser Suche sind vor allem zwei Kriterien wichtig: Aus einem riesigen Angebot an Enzymen mussten wir welche finden, die in dem sehr speziellen Umfeld einer Windel zuverlässig in der Lage sind, die Zellulose in lösliche Zuckermoleküle umzuwandeln. Zugleich durften diese Enzyme aber nicht zu teuer sein, damit die Technik eine realistische Chance hat, später auf dem Markt zu bestehen“, beschreibt Anne Zeck die Herausforderungen. Bei dieser Suche unterstützte die Firma Candidum.
Ganze 0,7 Gramm der letztlich ausgewählten Enzyme gab das Team um Anne Zeck auf 5,8 Kilogramm Windelmaterial, das sie zuvor geschreddert und mit Wasser getränkt hatten – denn Windeln landen nun mal in gebrauchtem, also feuchtem Zustand im Müll. Diese Mischung schüttelten sie mehrere Tage bei 50 Grad Celsius. In dieser Zeit bauten die Enzyme 800 Gramm Zellulose ab und produzierten daraus Zucker, der mit der wässrigen Phase entfernt wurde. Übrig blieben fünf Kilogramm des geschredderten Windelmaterials, welches vorwiegend Superabsorber enthält.
Ein Meilenstein – dem weitere folgen müssen
Im nächsten Schritt wird die Firma ARCUS Greencycling in Technikumsmaßstab (d.h. im Umfang größer als ein Laborexperiment, aber kleiner als ein industrieller Produktionsprozess) testen, ob das Zellulose-arme Verbundmaterial sich deutlich besser chemisch recyclen lässt. Vereinfacht ausgedrückt geht es um die Frage, ob diese sogenannte Pyrolyse (das ist die Aufspaltung des Verbundmaterials in seine ursprünglichen Rohstoffe) und somit die Rückführung der Rohstoffe in den Kreislauf besser gelingt. Für die Zucker-haltige Flüssigkeit sollen Wege geprüft werden, um diese zukünftig stofflich nutzen zu können. Der Wasserverbrauch muss ebenfalls noch optimiert werden. Denn erst dann wäre das Recycling wirklich erfolgreich und sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvoll. Auf dem Weg dorthin ist der erfolgreiche Einsatz der Enzyme in schwieriger Umgebung nichtsdestotrotz ein Meilenstein.
Förderkennzeichen BW1_5021/02. Das Projekt Encycling wurde gefördert von der Invest BW Innovationsförderung – Green Tech.
Über das NMI
Das NMI Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut in Reutlingen ist eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung und betreibt anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften. Es verfügt über ein einmaliges, interdisziplinäres Kompetenzspektrum für F&E- sowie Dienstleistungsangebote für regional und international tätige Unternehmen. Dabei richtet sich das Institut gleichermaßen an die Gesundheitswirtschaft wie an Firmen aus dem Fahrzeug-, Maschinen- und Werkzeugbau. Zugleich unterstützt das NMI aktiv Ausgründungen aus dem Institut.
In der Forschung arbeitet das NMI mit zahlreichen hochkarätigen Institutionen wie der Universität Tübingen, dem Universitätsklinikum Tübingen und den Instituten der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW) zusammen. Das NMI wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg unterstützt und ist Mitglied der innBW, einem Zusammenschluss von 12 außeruniversitären und wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.