Textilien bestehen meist aus einer Mischung zweier oder mehrerer Fasermaterialien, wodurch das Recycling der Einzelkomponenten erschwert oder sogar verunm\u00f6glicht wird. Durch enzymatische Hydrolyse ist es m\u00f6glich, Fasern aus Cellulose, wie etwa Baumwolle oder Viskose, in Glucose umzuwandeln, wodurch die verbleibende Komponente, etwa Polyester oder Aramid, einem Recycling zugef\u00fchrt werden kann.<\/p>\n
Hintergrund<\/p>\n
\u201eFast Fashion\u201c ist ein Trend und bezeichnet ein Gesch\u00e4ftsmodell des Textilhandels, bei dem eine hohe Frequenz an Kollektionen die Verkaufszahlen ankurbelt. So sind etwa die Ums\u00e4tze im Einzelhandel mit Bekleidung in der EU von 194\u00a0Milliarden Euro im Jahr 2012 auf 221\u00a0Milliarden Euro im Jahr 2017 gestiegen. Das ist eine Steigerung um fast 14\u2009% in nur 5 Jahren [1]. BCG Euromonitor sch\u00e4tzt, dass der weltweite Umsatz mit Bekleidung und Schuhen von 1,9\u00a0Billionen US-$ im Jahr 2019 bis zum Jahr 2030 um 74\u2009% auf 3,3\u00a0Billionen US-$ steigen wird [2]. So erfreulich diese Daten f\u00fcr den Bekleidungshandel sind, so ist auch klar, dass dieser Trend den Verbrauch an Ressourcen und Energie sowie die damit verbundene Umweltbelastung massiv erh\u00f6ht.<\/p>\n
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden im Jahr 2018 bereits mehr als 100 Millionen t Textilfasern produziert [3,4]. Der \u00fcberwiegende Teil dieser Fasern basiert auf synthetischen Polymeren, wobei sich die produzierten Mengen seit dem Jahr 2000 (28,4 Millionen t) bis zum Jahr 2018 (66,6\u00a0Millionen t) mehr als verdoppelt haben. Unter den synthetischen Polymeren stellt Polyethylenterephthalat (PET) mit 53,7\u00a0Millionen t [5] das mit Abstand wichtigste Polymer dar. Im Gegensatz dazu stagniert Baumwolle bei rund 26\u00a0Millionen t. Die Produktionsmengen von cellulosischen Chemiefasern sind ebenfalls sehr stark gestiegen, befinden sich aber auf einem niedrigen Niveau.<\/p>\n
Die Verarbeitung der Fasern zu Textilien erfordert eine lange und aufw\u00e4ndige Produktionskette, die ebenfalls einen hohen Verbrauch an Ressourcen und Energie erfordert und f\u00fcr massive Umweltauswirkungen, im Besonderen Abwasser, verantwortlich ist. In Summe liegt der Energiebedarf, je nach Fasertype, Garnfeinheit und Gewebeart, zwischen 190 und 330\u00a0GJ\/t [6,7]. Das hei\u00dft, dass f\u00fcr 1\u00a0kg Bekleidung zwischen 4 und 8\u00a0kg Roh\u00f6l ben\u00f6tigt werden.<\/p>\n
Altbekleidung<\/p>\n
Wiederverwenden oder Recycling von Alttextilen erfordern in jedem Fall eine getrennte Sammlung, wie bereits in einigen europ\u00e4ischen L\u00e4ndern \u00fcblich. Bislang erfolgt die Altkleidersammlung in der Regel auf freiwilliger Basis und wird durch den Verkauf von Second-Hand-Bekleidungen finanziert. Ab 2025 wird in der EU die getrennte Erfassung von Alttextilien jedoch verpflichtend [8]. Im aktuellen \u201eEU Circular Economy Action Plan\u201c vom 11. M\u00e4rz 2020 [9] werden noch weitere einschneidende Ma\u00dfnahmen im Bereich Textilien angek\u00fcndigt, wie F\u00f6rderung nachhaltiger und kreislauff\u00e4higer Textilien, Produkt als Dienstleistung sowie eine erweiterte Herstellerverantwortung.<\/p>\n
Nach der Sammlung erfolgt je nach Art und Zustand der Altbekleidungen eine Trennung in verschiedene Fraktionen. Rund die H\u00e4lfte der gesammelten Textilien eignet sich zur Wiederverwendung. In der Praxis kann jedoch der \u00fcberwiegende Anteil nicht in Europa verkauft werden und wird daher in Entwicklungsl\u00e4nder exportiert. Recyclingmethoden umfassen derzeit prim\u00e4r die Herstellung von Putzlappen oder Rei\u00dffasern. Erst in letzter Zeit wurden vermehrt Anstrengungen unternommen, Altkleider, im besonderen Mischgewebe, als Sekund\u00e4rrohstoff f\u00fcr hochwertige Produkte einzusetzen.<\/p>\n
Wie bereits oben erw\u00e4hnt, stellen PET und Baumwolle die mit Abstand wichtigsten Fasertypen dar und Bekleidungen, die aus diesen beiden Fasern bestehen, dominieren den Markt. Produkte aus einem einzigen Material k\u00f6nnen zumeist einem Recycling zugef\u00fchrt werden. So k\u00f6nnen zum Beispiel Baumwollabf\u00e4lle zu hochwertigen Lyocell-Fasern verarbeitet werden [10]. Baumwolle und PET sind jedoch beim Recycling inkompatibel und m\u00fcssen derzeit, falls die Bekleidungen nicht mehr tragbar sind, einer Verbrennung zugef\u00fchrt werden.<\/p>\n
Biochemisches Behandlungsverfahren f\u00fcr textile Mischgewebe<\/p>\n
Eine neue Strategie im Recycling textiler Materialmischungen ist die (Vor-)behandlung durch enzymatische Hydrolyse. Enzyme sind komplex aufgebaute Biomolek\u00fcle, die selektiv chemische Reaktionen katalysieren. Im Laufe der Evolution haben unterschiedliche Organismen auch Enzyme generiert, die das nat\u00fcrliche Polymer Cellulose zu Glucose abbauen, welche dann z.B. f\u00fcr den Energiestoffwechsel oder zur Synthese neuer chemischer Verbindungen dient. Hierbei bewirken vor allem Exo- und Endo-Glucanasen sowie Beta-Glucosidasen [11] gemeinsam den Abbau der Cellulose. Sie werden unter dem Begriff Cellulasen subsummiert. F\u00fcr technische Anwendungen werden diese Enzyme aus Mikroorganismenkulturen (Pilze, Bakterien), meist \u00fcber Submersfermentation gewonnen. Kommerziell werden Dispersionen aus Mischungen dieser Enzyme in Wasser gehandelt [12].<\/p>\n
Die Anwendung derartiger Dispersionen auf textile Abf\u00e4lle, die sowohl Cellulosefasern (Baumwolle, Viskose, etc.) als auch synthetische Polymerfasern enthalten, erlaubt die selektive Depolymerisation der Cellulose und damit die R\u00fcckgewinnung der Nicht-Cellulose-Komponente. Die Alttextilien werden hierbei mit pH-gepufferten, w\u00e4ssrigen Enzymdispersionen versetzt und \u00fcber einige Stunden bei 50\u2009\u2013\u200955\u2009\u00b0C in geeigneten Reaktoren bei Umgebungsdruck inkubiert. Dabei reagiert die Cellulose quantitativ zu Glucose, die nach beendeter Inkubation gel\u00f6st vorliegt und f\u00fcr anschlie\u00dfende Fermentation zu Plattform- oder Feinchemikalien verwendet werden kann. Eine vorherige Aufkonzentrierung mit R\u00fcckf\u00fchrung der Enzyme in den Hydrolyseprozess ist bspw. \u00fcber Membrantrennprozesse m\u00f6glich. Als n\u00f6tiges Puffermedium f\u00fcr die Reaktion haben sich Citronens\u00e4ure\u2009\/\u2009Natriumcitrat-L\u00f6sungen bis etwa 100\u00a0mmol\u2009\/\u2009l bew\u00e4hrt [13]. Die nicht hydrolysierte Materialfraktion wird von dieser L\u00f6sung abgetrennt, gewaschen und vorgetrocknet.<\/p>\n
Der Gesamtprozess f\u00fcr das Recycling von Mischtextilien kann nach unterschiedlichen Prozessschemata ablaufen. Im Folgenden werden zwei wesentliche skizziert:<\/p>\n
Mischgewebe aus cellulosischen Fasern und PET (schmelzbar)<\/p>\n
Mechanische Vorzerkleinerung (Schneidm\u00fchlen), um eine bessere Assoziierbarkeit der Enzyme zum Substrat w\u00e4hrend der Hydrolyse zu gew\u00e4hrleisten; Herstellung von rPET-Flakes und die M\u00f6glichkeit \u00fcber Extrusion wieder Fasern zu erspinnen (Abb. 2)
\nMischgewebe aus cellulosischen Fasern und Aramid (nicht schmelzbar): Grobzerkleinerung (Shredder), um die Faserl\u00e4nge weitgehend zu erhalten; Aramidgewebe wird nach Entfernung der Cellulosekomponente ge\u00f6ffnet, zu Stapelfasern vereinzelt und zu einem Garn versponnen [14].<\/p>\n
Case-Study: Verwendung von PET aus enzymatischer Hydrolyse<\/p>\n
Im Folgenden werden Resultate aus dem Forschungsprojekt \u201eTEX2MAT<\/a>\u201c [15] pr\u00e4sentiert. Nach der vollst\u00e4ndigen enzymatischen Hydrolyse wurden die verbleibenden PET-Fasern weiterverarbeitet. F\u00fcr die Re-Granulierung wurde mittels Hei\u00dflufttrockners bei 150\u2009\u00b0C f\u00fcr 4 Stunden die Restmenge an Wasser entfernt. Danach wurde das Material einem kontinuierlichen Extruder (recoSTAR PET) [16] zugef\u00fchrt und ein PET-Re-Granulat hergestellt. Direkt im Anschluss erfolgte eine Nachkondensation (recoSTAR SSP 1800) [16] im Batchbetrieb. Das hei\u00dfe Granulat verweilt im Vakuum bis die gew\u00fcnschte intrinsische Viskosit\u00e4t (IV) erreicht wird. Im Durchschnitt musste die IV von 0,5\u00a0dl\/g auf f\u00fcr einen zum Faserspinnen geeigneten Wert von 0,6\u00a0dl\/g angehoben werden.<\/p>\n Das rPET-Granulat wurde auf einer Pilot-Spinnlinie zu Filamenten versponnen [17]. Das Spinnen erfolgte bei einer Temperatur von 265\u2009\u00b0C und einer Abzugsgeschwindigkeit von 100\u00a0m\/min. Die Experimente begannen mit nativem PET-Granulat zur Reinigung der Maschine. Danach konnte der Anteil an rPET-Granulat sukzessive auf bis zu 50% erh\u00f6ht werden.<\/p>\n Um die Brauchbarkeit der hergestellten Filamente zu \u00fcberpr\u00fcfen, wurden Handt\u00fccher [18] hergestellt. Die rPET-Filamente wurden zuerst untereinander verzwirnt, um als Schussgarn, abwechselnd mit Baumwollgarn, eingesetzt werden zu k\u00f6nnen. In der Kette und den Schlingen kam, wie in der standardm\u00e4\u00dfigen Produktion, Baumwolle zum Einsatz. Das Weben selbst erfolgte ohne Komplikationen.<\/p>\n In dem Projekt konnte gezeigt werden, dass die Qualit\u00e4t der mit rPET hergestellten Handt\u00fccher nahezu gleichwertig jenen aus Prim\u00e4rmaterial ist. Erstmals wurde damit ein \u201eFaser-zu-Faser\u201c-Recycling realisiert.<\/p>\n <\/p>\n Kontakt<\/p>\n Andreas Bartl <\/p>\n Literatur<\/p>\n [1] Eurostat (2019). Umsatz im Einzelhandel mit Bekleidung in der Europ\u00e4ischen Union in den Jahren 2008 bis 2017 (in Millionen Euro) [Graph]. In Statista. Zugriff am 13. M\u00e4rz 2020, von https:\/\/de.statista.com\/statistik\/daten\/studie\/258708\/umfrage\/umsatz-im-einzelhandel-mit-bekleidung-in-der-eu\/<\/a>.<\/p>\n [2] BCG (2019). Retail sales of the global apparel and footwear market from 2017 to 2019, with a forecast for 2030 (in trillion U.S. dollars) [Graph]. In Statista. Retrieved March 13, 2020, from https:\/\/www.statista.com\/statistics\/875708\/global-apparel-and-footwear-market-retail-sales-value\/<\/a>.<\/p>\n [3] Industrievereinigung Chemiefaser (2019). Global chemical fiber production from 2000 to 2018, by fiber type (in 1,000 metric tons) [Graph]. In Statista. Retrieved March 13, 2020, from https:\/\/www.statista.com\/statistics\/271651\/global-production-of-the-chemical-fiber-industry\/<\/a>.<\/p>\n [4] National Cotton Council (2018). Global cotton production volume from 1990 to 2018 (in 1,000 bales)* [Graph]. In Statista. Retrieved March 13, 2020, from https:\/\/www.statista.com\/statistics\/259392\/cotton-production-worldwide-since-1990\/<\/a>.<\/p>\n [5] Industrievereinigung Chemiefaser (2018). Production of polyester fibers worldwide from 1975 to 2017 (in 1,000 metric tons) [Graph]. In Statista. Retrieved March 13, 2020, from https:\/\/www.statista.com\/statistics\/912301\/polyester-fiber-production-worldwide\/<\/a>.<\/p>\n [6] Woolridge, A.C., Ward, G.D., Phillips, P.S., Collins, M., Gandy, S. (2006). Life cycle assessment for reuse\/recycling of donated waste textiles compared to use of virgin material: An UK energy saving perspective. Resources, Conservation and Recycling. 46(1):94-103, DOI: http:\/\/dx.doi.org\/10.1016\/j.resconrec.2005.06.006<\/a>.<\/p>\n [7] Allwood, J.M., Laursen, S., Malvido de Rodr\u00edguez, C., Bocken, N. (2006). Well Dressed? The Present and Future Sustainability of Clothing and Textiles in the United Kingdom. University of Cambridge Institute for Manufacturing. Cambridge, UK; https:\/\/www.ifm.eng.cam.ac.uk\/uploads\/Resources\/Other_Reports\/UK_textiles.pdf<\/a>.<\/p>\n [8] Commission, E. (2018). Directive (EU) 2018\/851 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2008\/98\/EC on waste. Official Journal of the European Union, 61(L150), 109-140, https:\/\/eur-lex.europa.eu\/legal-content\/EN\/TXT\/PDF\/?uri=CELEX:32018L0851&from=EN<\/a>.<\/p>\n [9] European Commission (2020). COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS A new Circular Economy Action Plan For a cleaner and more competitive Europe, COM\/2020\/98 final. Brussels, https:\/\/eur-lex.europa.eu\/resource.html?uri=cellar:9903b325-6388-11ea-b735-01aa75ed71a1.0017.02\/DOC_1&format=PDF<\/a>.<\/p>\n [10] Industrievereinigung Chemiefaser (2019). Lenzing: TENCEL\u2122 Lyocell produced with REFIBRA\u2122 technology, Frankfurt\/Main\/DE, https:\/\/www.ivc-ev.de\/de\/lenzing-tencel%E2%84%A2-lyocell-produced-refibra%E2%84%A2-technology<\/a>.<\/p>\n [11] Singhania, R.R., Adsul, M., Pandey, A., Patel, A.K. (2017). Cellulases. In: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering \u2013 Production, Isolation and Purification of Industrial Products, Ashok Pandey, Sangeeta Negi, Carlos Ricardo Soccol (eds), Elsevier, pp. 73-101, https:\/\/doi.org\/10.1016\/B978-0-444-63662-1.00004-X<\/a>.<\/p>\n [12] Novozymes (2019). Beautiful biology \u2013 Enzymes and microorganisms that we find in nature make everyday products more sustainable. Novozymes A\/S, Bagsv\u00e6rd, https:\/\/www.novozymes.com\/en\/biology<\/a>.<\/p>\n [13] Vecchiato, S. Skopek, L., Jankova, S., Pellis, A., Ipsmiller, W., Aldrian, A., M\u00fcller, B., Herrero Acero, E., Guebitz, G. (2017). Enzymatic Recycling of High-Value Phosphor Flame-Retardant Pigment and Glucose from Rayon Fibers. ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 2386-2394, DOI: https:\/\/pubs.acs.org\/doi\/10.1021\/acssuschemeng.7b03840<\/a>.<\/p>\n [14] Ipsmiller, W., Piribauer, B., Vecchiato, S., Bartl, A., G\u00fcbitz, G. & Ruppert, G. (2019). Circular economy solution for flame-retardant protective clothing, techtex Trends, Deutscher Fachverlag GmbH, Frankfurt\/Main\/DE, https:\/\/www.techtextrends.com\/news\/research-institutes-education\/Technical-Textiles-Circular-economy-solution-for-flame-retardant-protective-clothing-17886<\/a>.<\/p>\n [15] Kunststoff-Cluster, ecoplus. Nieder\u00f6sterreichs Wirtschaftsagentur GmbH (2019). Recycling von Textilabf\u00e4llen, Forschungsprojekt TEX2MAT,, St. P\u00f6lten\/AT, https:\/\/www.kunststoff-cluster.at\/news-presse\/detail\/news\/recycling-von-textilabfaellen\/<\/a>.<\/p>\n [16] Starlinger (2008). Starlinger recoSTAR PET iV+: Hohe Leistung und exzellente Qualit\u00e4t im PET Recycling, Pressemitteilung, Wien\/AT, https:\/\/www.starlinger.com\/uploads\/media\/Recostar_PET_iV__HC__Brand_owner__deu.pdf<\/a>.<\/p>\n [17] Research Institute for Man-Made Fibers (2016). Spinning and extrusion lines, Svit\/SK, http:\/\/vuchv.sk\/produkty\/zvlaknovacie-a-extruzne-linky\/?lang=en<\/a>.<\/p>\n
\nInstitut f\u00fcr Verfahrenstechnik
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