Allianz Biotenside: Funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren (Phase 2); Teilprojekt 7: Untersuchung der Biotenside auf die Nutzung im Bereich Schmierstoffe

Abstract

Die Allianz Biotenside: Die Innovationsallianz befasst sich mit dem Thema funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren für die Herstellung von Produkten in den Bereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Geschirrspülmittel, Kosmetik, Personal Care, Agronomie, Lebensmittel, Schmierstoffadditive und Löschmittel. Mit der Innovationsallianz Biotenside haben sich erstmals in Deutschland renommierte Firmen und Forschungseinrichtungen unter der Leitung von Dalli und dem Fraunhofer IGB in einer strategischen Allianz zusammengeschlossen, um Biotenside wirtschaftlich mit biotechnologischen Methoden aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen herzustellen. Nach systematischer Untersuchung des Anwendungspotenzials werden die Herstellung und Aufreinigung der Biotenside so optimiert, dass diese in den Anwendungsbereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Geschirrspülmittel, Kosmetik, Personal Care, Agronomie, Lebensmittel, Schmierstoffadditive und Löschmittel alternativ zu chemisch synthetisierten Tensiden eingesetzt werden können. Innerhalb der Innovationsallianz werden verschiedene Biotenside fermentativ oder enzymatisch hergestellt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Mikroorganismen, Enzymen und Rohstoffen, wie z. B. verschiedenen Zuckern und Fettsäuren unterschiedlicher Kettenlänge, können die hydrophilen Eigenschaften der Biotenside über einen weiten Bereich variiert und so die funktionellen Eigenschaften optimiert werden. Mithilfe dieser strukturbasierten Entwicklung sollen neue Biotensidmoleküle mit an die Anwendung angepassten funktionellen Eigenschaften definiert und hergestellt werden. In der ersten Projektphase wurden die neuen Biotensidmoleküle biotechnologisch hergestellt, die Prozesse für eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute optimiert, effiziente Aufreinigungsverfahren entwickelt und von den Unternehmen im Konsortium bereits auf ihre Eigenschaften und spezifische Anwendung hin untersucht. Für die zweite Projektphase wurden dann die zu untersuchenden Biotenside auf die vielversprechendsten Kombinationen aus der ersten Projektphase reduziert und somit auf die Herstellung von Mannosylerythritollipiden MEL (3 Strukturvarianten), Cellobioselipiden CL (3 Varianten), Surfactin (1 Variante) und enzymatische Biotenside (2 Varianten) fokussiert. Die Herstellungsprozesse wurden zudem durch verschiedene Firmen mit technischen Weiterentwicklungen und Automatisierung unterstützt. Auch bei den Anwendungen wurde für die zweite Projektphase auf die vielversprechenden Ansätze aus der ersten Phase aufgebaut sowie neue Partner und Anwendungsbereiche hinzugewonnen. Über die gesamte Prozesskette hinweg erfolgte entwicklungsbegleitend eine Nachhaltigkeitsanalyse und -bewertung der verwendeten nachwachsenden Rohstoffe, der Herstellungsrozesse und möglicher Endprodukte sowie eine techno-ökonomische Bewertung, eine Bewertung der technologischen Reife der Prozesse und eine Bewertung der Marktrelevanz der entwickelten Produkte. Bei dem Projekt handelt es sich um eine strategische Allianz zwischen namhaften Industriefirmen (BASF, Dalli-Werke, Festo, Henkel, oelheld, Metrohm, MyBiotech, Hermetia Baruth, Dr. Sthamer) und Forschungseinrichtungen (Fraunhofer IGB, KIT, Universitäten Hohenheim und Stuttgart). Arbeiten der oelheld GmbH in der Allianz: Der Einsatz von fermentativ- und enzymatisch hergestellten Tensiden auf Basis nachwachsender Rohstoffe stellt für die oelheld GmbH ein wachsendes Forschungsfeld in der Formulierung wassermischbarer Kühlschmierstoffe (WmKSS) dar, und werden zunehmend als Alternative zu herkömmlichen, petrochemisch basierten Tensiden untersucht. Die Forschungsarbeiten umfassten eingehende anwendungstechnische Untersuchungen der funktionsoptimierten Biotenside, unter anderem zur antimikrobiellen Wirksamkeit, Hydrolysestabilität, Emulgierverhalten und mikrobiologisches Stabilitätsverhalten der verschiedenen Biotensidklassen in einem wassermischbaren Kühlschmierstoff. Ergänzend wurden mit den Kühlschmierstofffluiden praxisnahe Tests im Technologiezentrum auf einer Fräsmaschine mit Stahl- und Aluminiumwerkstoffen mittels Tapping-Torque-Test durchgeführt. Die Ergebnisse der Agardiffusionstests zeigen, dass Biotenside nicht das Potential haben Biozide zu ersetzen, dennoch wertvolle Erkenntnisse für die weitere Entwicklung liefern und als mögliche Additive in Betracht kommen. Die Untersuchungen zur Hydrolysestabilität weisen zudem auf bisher ungeklärte Einflussfaktoren im Reaktionsverhalten hin, sodass weiterführende Untersuchungen notwendig erscheinen. Als Nebenergebnisse konnten mittels Löslichkeits- und Stabilitätsversuche die Anwendung der Mannosylerythritollipide MEL und dem Cellobioselipid (CL-A) verbessert und somit die Entwicklung von Kühlschmierstoff-Formulierungen optimiert werden. Eine zentrale Herausforderung war die Entwicklung stabiler Kühlschmierstoff-Formulierungen und Emulsionen mit einer geringen Schaumbildungstendenz. Schwerpunkt waren hier die Einstellung der Konzentrat-, und Emulsionsstabilität sowie deren thermische Stabilität der Formulierungen bei variierenden Temperaturen. Erste Untersuchungen zeigten, dass die Mannosylerythritollipide und das Cellobioselipid (CL-A) grundsätzlich als Emulgatoren in wassermischbaren Kühlschmierstoffen eingesetzt werden können. Allerdings wurde deutlich, dass die in der Referenzformulierung enthaltenen Tenside nicht ohne Weiteres durch ein Biotensid ersetzt werden können. Die Resultate des Impfzyklentests nach einer Hausmethode der oelheld GmbH zeigen unter den durchgeführten Testbedingungen keine Veränderungen im mikrobiellen Belastungsverlauf. Dies bestätigt, dass die Biotenside (MEL und CL-A) formulierungstechnisch kompatibel sind und das mikrobiologische Verhalten des Kühlschmierstoffs nicht beeinflussen. Erste anwendungstechnische Tests, die im Technologiezentrum mittels Tapping-Torque-Test (TTT) durchgeführt wurden, belegen ein unterschiedliches, teils vorteilhaftes Drehmomentverhalten, im Vergleich zu konventionellen Tensiden. Abschließend erfolgte eine vorläufige Bewertung durch die HSE-Abteilung, wobei bislang keine negativen Auswirkungen auf die Einstufung der KSS-Formulierungen mit Mannosylerythritollipiden und dem Cellobioselipid (CL-A) ermittelt werden konnten. Dieses Projekt hat es dem F&E Bereich der oelheld GmbH ermöglicht, frühzeitig in den Bereich Emulgatorsysteme, hergestellt durch Fermentation von nachwachsenden Rohstoffen, Erfahrungen zu sammeln und spezifisches Know-how aufzubauen. Es ist stark davon auszugehen, dass sich in den nächsten Jahren die Fermentationsprozesse weiterentwickeln und somit die Kosten für die Herstellung sinken werden. Neben den wassermischbaren Kühlschmierstoffen für die Zerspanungsindustrie können Biotenside in Zukunft auch in anderen wasserbasierten Formulierungen eingesetzt werden. Aus dieser Überlegung heraus können neben der Anwendung im Bereich der WmKSS die Mannosylerythritollipide MEL und auch das Cellobioselipid CL-A sehr gut auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Die Emulgatorleistung des Cellobioselipid CL-A war auf gutem Niveau, die Emulgatorleistung des Mannosylerythritollipid MEL 178-3B1 war sogar auf sehr gutem Niveau. Die biozide Wirkweise der Biotenside hat für die in WmKSS auftretenden Mikroorganismen allerdings eine zu schwache Wirkung gezeigt. Neben wassermischbaren Kühlschmierstoffen für die Metallzerspanung gibt es weitere Schmierstoffe, in denen Emulgatoren eingesetzt werden. In den Bereich der Umformung können Erkenntnisse und Know-how welche in diesem Projekt gewonnen wurden, übertragen werden.