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BLICKWINKEL

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Was tun mit altem Frittenfett oder Resten der Biodieselproduktion? Dr. Birgit Heinze, Research Scientist & Project Manager bei BRAIN, und ihr Team widmen sich im Rahmen der Innovationsallianz ZeroCarbFP solchen Fragen. Der Fokus ihrer Forschungsarbeit liegt auf der Entwicklung hochwertiger Schmierstoffadditive aus biogenen Abfallströmen.

Im Rahmen der Innovationsallianz ZeroCarbFP kooperiert die BRAIN AG seit Juli 2013 mit der FUCHS Schmierstoffe GmbH in Mannheim. FUCHS ist der weltweit größte unabhängige Schmierstoffhersteller, der Schmierstoffe und verwandte Spezialitäten für nahezu alle Anwendungsbereiche und Branchen entwickelt, produziert und vertreibt. Mit unabhängig ist gemeint, dass FUCHS keine eigenen Ölquellen oder Mineralölraffinerien hat. Und so ist FUCHS offen für neue Rohstoffquellen und Herstellverfahren. Das aktuelle Portfolio des Unternehmens umfasst mehr als 10 000 Produkte u. a. für Kraftfahrzeuge, Industrieanlagen, Maschinen und Metallverarbeitungsverfahren. Schon bald soll das Portfolio durch weitere Qualitätsmerkmale erweitert werden. In der Forschungskooperation entwickeln FUCHS und BRAIN nämlich derzeit mit weiteren Partnern enzymatische Syntheseprozesse zur Produktion hochwertiger Schmierstoffadditive, die auf kohlenstoffreichen Neben- und Abfallströmen beruhen. Diese innovativen und vorzugsweise biologisch abbaubaren Additive und funktionellen Grundflüssigkeiten sollen nicht nur fossile Grundstoffe substituieren. Der Syntheseprozess soll unterm Strich auch stabil und effizient gestaltet werden und dabei ökologische Vorteile gegenüber klassischen chemischen Verfahren liefern – und nicht zuletzt Wettbewerbsvorteile für FUCHS. 

Als Grundstoffe für diesen Forschungsansatz kommen Altspeisefette und -öle, tierische Fette, Reste aus der Biodieselproduktion wie Glycerin, Fettsäuren und Fettsäuremethyl- ester oder die Zellwand verholzter Pflanzen, genannt Lignocellulose, und eine Vielzahl anderer Quellen in Betracht. Neben der BRAIN und FUCHS sind auch die Emery Oleochemicals GmbH und die Bioeton Deutschland GmbH an Bord, die den bei der BRAIN AG etablierten biokatalytischen Ansatz in den Prozessmaßstab überführen bzw. kohlenstoffreiche Abfallstoffe liefern. 

„FUCHS ist immerzu auf der Suche nach Produktinnovationen, nach neuartigen oder verbesserten Produkteigenschaften, beispielsweise beim Fließverhalten, bei der Stabilität oder allgemein bei der Verringerung von Reibung und Verschleiß. Ein Schlüssel hierfür sind Moleküle in Form langkettiger Fettsäuren. Viele solcher Fettsäuren sind bekannt und ihre Eigenschaften gut beschrieben“, sagt Dr. Birgit Heinze, Research Scientist und als Project Manager bei BRAIN zuständig für dieses ZeroCarbFP-Teilprogramm. 

Stabile Biokatalyseverfahren 

Im Vorfeld der Forschungsarbeiten definierte FUCHS, welche Zieleigenschaften neuer Additive und funktioneller Grundflüssigkeiten für das Unternehmen interessant sind. BRAINs Expertise kommt bei der Entwicklung der enzymatischen Syntheseprozesse aus biogenen Rohstoff- und Abfallströmen zur Geltung. Dabei werden Abfallströme einerseits als Nährstoff für die Enzymproduktion, andererseits als Ausgangsmaterialien für die Darstellung der Zielprodukte genutzt. Um den Prozess realisieren zu können, werden die Altspeisefette hydrolysiert, wofür Standardtechnologien zum Einsatz kommen. Das Team von Birgit Heinze widmet sich im Anschluss der Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Biokatalyseverfahren im Labormaßstab, wofür drei Kriterien von entscheidender Bedeutung sind. Erstens müssen Enzyme gefunden und entwickelt werden, die am Ende genau die richtigen Eigenschaften aufweisen, um die Abfallströme in die gewünschten Zielprodukte für FUCHS umzuwandeln. Die Enzyme müssen die freien Fettsäuren also zielgenau verwerten können. Zweitens geht es um die Identifizierung und Optimierung mikrobieller Produktionsstämme, die diese Enzyme zuverlässig mit hoher Ausbeute produzieren. Eine große Herausforderung ist hierbei das Upscaling der Fermentation in den 200-Liter-Maßstab. Drittens geht es darum, ein nachhaltiges, biotechnologisches Produktionsverfahren zur umweltgerechten Herstellung innovativer Produkte aufzubauen. Ausgangspunkt für uns waren in der ersten Förderphase der ZeroCarbFP-Allianz langkettige, ungesättigte Fettsäuren. Daraus galt es funktionalisierte Fettsäuren zu synthetisieren. Bei einem Screening des BRAIN-BioArchivs nach Biokatalysator-Enzymen zur Modifizierung ungesättigter Fettsäuren und Fettsäuregemischen, die aus Altspeiseöl erhalten wurden, konnten Biokatalysatoren identifiziert und biochemisch charakterisiert werden. Dafür nutzten wir unser hauseigenes Technologie-Portfolio“, sagt Birgit Heinze.  Weiterhin wurden bei der BRAIN Stabilitätsuntersuchungen unterschiedlicher Enzymformulierungen durchgeführt und etwaige Substrat- und Produkthemmungen bestimmt. Aufgrund der vorhandenen Kenntnisse über die Prozessbedingungen konnte die Stabilität der Enzyme bei diesen physikalischen Bedingungen ermittelt werden. Schließlich folgte die Überführung der Reaktion vom Milligramm- in den Kilogramm-Maßstab.

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Schmiermittel aus Frittierfett

Konkret arbeiten die ZeroCarbFP-Projektpartner derzeit daran, neuartige Schmierstoffadditive aus gebrauchtem Frittierfett herzustellen. So soll ein Stoffkreislauf auf ökologisch vorteilhafte Weise geschlossen werden. Die Bioeton Deutschland GmbH liefert den Rohstoff in Form von Fettsäuren aus Altspeisefett, die BRAIN kümmert sich um die enzymatische Synthese. FUCHS testet die entwickelten Lösungen und die Emery Oleochemicals GmbH überführt die Reaktion in die industrielle Produktion. 

Sobald der Prozess umfassend optimiert ist, kann mit der Produktion im Industriemaßstab begonnen und FUCHS die neuen Additive zur Aufnahme in das Produktportfolio zur Verfügung gestellt werden. Doch das wird noch einige Jahre in Anspruch nehmen. 2019 beginnt zunächst die dreijährige ZeroCarbFP-Pilotierungsphase. 

Biogene Schmierstoffe

Schmierstoffe sind hochentwickelte Konstruktionselemente, die spezielle Moleküle enthalten. Sie reduzieren die Reibung zwischen Bauteilen, verhindern Verschleiß, übertragen Kräfte geräuscharm und energieschonend und schützen vor Überhitzung oder Korrosion. Sie bestehen zu rund 95 Prozent aus einer Funktionsflüssigkeit und erhalten ihre besonderen speziellen Eigenschaften durch beigemischte Additive. Der Schmierstoffverbrauch allein in Deutschland liegt bei jährlich rund 1 Mio. Tonnen, der Anteil von Bio-Schmierstoffen daran liegt bei derzeit nur 3 – 4 Prozent. 

Im Strukturwandel hin zur Bioökonomie wächst das Interesse an Schmierstoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe und kohlenstoffreicher Abfallströme. Durch biogene Ressourcen kann nicht nur die Abhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen verringert werden, sondern auch Vorteile für Mensch, Umwelt und Wirtschaft entstehen. Im Fokus stehen Innovationen, die weniger Abfall- und Nebenströme hinterlassen, bei denen komplexe Aufreinigungen entfallen und die unterm Strich mit einem geringeren Energieaufwand auskommen. Zur Entwicklung biogener Schmierstoffadditive sind neue unkonventionelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, wie sie derzeit zwischen der FUCHS Schmierstoffe GmbH, der Emery Oleochemicals GmbH und der BRAIN AG im Rahmen der ZeroCarbFP-Allianz vorangetrieben werden.

Erkenntnisgewinn aus Klärschlamm

Die Forschung für Schmierstoffadditive auf Basis von Altspeisefett geschah während der ZeroCarbFP-Forschungsphase 2013 bis 2016 im engen Schulterschluss mit einem weiteren ZeroCarbFP-Projekt. In Zusammenarbeit mit der Emschergenossenschaft in Essen arbeitete BRAIN dabei an Schmierstoffadditiven auf Basis abwasserbürtiger Substrate. Bei BRAIN wurden ausgewählte ölbildende Organismen mit Klärschlamm oder industriellem Abwasser angezogen. Die so gewonnene Biomasse sollte später energetisch verwertet oder als industrieller Rohstoff zur Produktion von Hochleistungsadditiven für Schmierstoffe bereitgestellt werden. Bei BRAIN konnte auch ein zweistufiges Verfahren im Labormaßstab etabliert und die Verfahrenskette – als Proof of Concept – vom Abwasserstrom bis zum extrahierten Öl aufgezeigt werden. Das Projekt wurde mit Auslaufen der ZeroCarbFP-Forschungsphase 2016 beendet. Die erlangten grundlegenden Erkenntnisse stehen seither zur weiteren Verwertung zur Verfügung. Die innerhalb des Projekts von der Gruppe um Dr. Renate Schulze, Project Manager und Platform Coordinator BioArchives/Strains & Genomes, identifizierten und angezogenen Mikroorganismen wurden von BRAIN bereits erfolgreich zum Screening nach neuen Enzymen genutzt.

Heinze Birgit

Dr. Birgit Heinze

Dr. Birgit Heinze studierte Biochemie an der Universität Greifswald und den schwedischen Universitäten in Lund und Stockholm. Ihre Promotion absolvierte sie 2008 im Bereich der Enzymentwicklung für die Henkel KGaA am Lehrstuhl von Prof. Dr. Uwe Borscheuer an der Universität Greifswald. Sie ist seit Oktober 2008 bei der BRAIN AG als Research Scientist und als Project Manager für die biochemische Charakterisierung und prozesstechnische Optimierung von Biokatalysatoren vom Labor- bis in den Produktionsmaßstab verantwortlich.

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