PHAtiCuS<\/a>, in dem sich Fraunhofer UMSICHT, FUCHS LUBRICANTS GERMANY, UnaveraChemLab und Fritzmeier Umwelttechnik zusammengeschlossen haben. Denn die Biopolymere haben ausgesprochen gro\u00dfes Potenzial.<\/p>\n\n\n\nDIE AUSGANGSLAGE<\/h3>\n\n\n\n Ob Krankenwagen, Windrad oder Zug \u2013 all diese Maschinen brauchen Schmierstoffe und die wiederum brauchen, meistens jedenfalls, Verdickungsmittel. Derzeit bestehen die Verdicker aus Metallseifen oder anorganischen F\u00fcllstoffen, Kunststoffen und Polyharnstoffen.<\/p>\n\n\n\n
DAS PROBLEM<\/h3>\n\n\n\n Gelangen derartige Produkte im Betrieb der geschmierten Maschinen und Anlagen \u2013 konstruktiv bedingt oder durch Leckagen \u2013 in die Umwelt, gef\u00e4hrdet das den Boden und das Grundwasser.<\/p>\n\n\n\n
DIE L\u00d6SUNG<\/h3>\n\n\n\n Biologisch schnell abbaubare Schmiermittel, f\u00fcr die es jedoch alternative Verdickungsmittel braucht. Diese sollten vorzugsweise auf Basis von Naturstoffen entwickelt werden \u2013 zum Beispiel PHAs.<\/p>\n\n\n\n
Was kann sich die Branche von den Biopolymeren erhoffen? Und welche Herausforderungen gibt es f\u00fcr die Forschung und die Anwendung? Dar\u00fcber berichten Dr. Inna Bretz<\/strong> von Fraunhofer UMSICHT und Rolf Luther<\/strong>, Projektleiter f\u00fcr FUCHS.<\/p>\n\n\n\nMachen gemeinsame Sache: Rolf Luther von FUCHS und Dr. Inna Bretz von Fraunhofer UMSICHT.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\nM\u00fcll fressende Bakterien, die nutzbares Plastik produzieren \u2013 das klingt nach dem wahrgewordenen Traum eines jeden Umweltsch\u00fctzers!?<\/h3>\n\n\n\n Dr. Inna Bretz:<\/strong> Auf jeden Fall. Die Nutzung von Reststoffen in der Chemie ist schon immer pr\u00e4sent, zum Beispiel in gro\u00dfen Chemieparks. Allerdings funktioniert eine biotechnologische Verwertung von Reststoffen nicht mit jedem \u201eM\u00fcll\u201c, denn vorhandene St\u00f6rstoffe k\u00f6nnen diese stark beeintr\u00e4chtigen oder hemmen. Das Adjektiv \u201enutzbar\u201c ist wichtig. Polymere herzustellen ist m\u00f6glich, daraus Kunststoffe mit n\u00fctzlichen Eigenschaften zu entwickeln \u2013 genau daran forschen wir bei Fraunhofer UMSICHT. Aber: Das \u00fcbergeordnete Ziel muss sein, die Mengen an M\u00fcll durch eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft sowie sinnvolle Systeml\u00f6sungen zu vermeiden oder zu reduzieren.<\/p>\n\n\n\nBitte erkl\u00e4ren Sie kurz: Was genau kann Cupriavidus necator?<\/h3>\n\n\n\n IB:<\/strong> Mikroorganismen verwenden kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Zucker, kurzkettige S\u00e4uren, Alkohole, \u00d6le und Fette als \u201eFutter\u201c. Die in den Zellen gebildeten Polyhydroxyalkanoate, kurz PHA, sind Teil des Energiestoffwechsels gewisser Bakteriengattungen, unter anderem bei Cupriavidus necator. Es sind Speicher f\u00fcr Zeiten, in denen zwar Futterquellen, aber keine N\u00e4hrstoffe wie Stickstoff- oder Phosphorsalze zur Verf\u00fcgung stehen. <\/p>\n\n\n\nUns wiederum k\u00f6nnen die PHAs als Grundlage zur Entwicklung von biologisch schnell abbaubaren Verdickungsmitteln dienen.<\/p>\n\n\n\n
Sind Wahrzeichen der Standorte von Fraunhofer UMSICHT und FUCHS: Der Gasometer in Oberhausen (links) und der Wasserturm in Mannheim.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n700.000 Tonnen Schmierstoffe wurden in Deutschland im Jahr 2020 ausgeliefert. <\/strong><\/p><\/blockquote>\n\n\n\nWie kam die Forschung auf dieses Bakterium \u2013 und wie kann es die Schmierstoffforschung nutzen?<\/h3>\n\n\n\n IB:<\/strong> Cupriavidus necator<\/em> wurde aus Bodenproben isoliert. Mit Zucker als Substrat kann es bis zu 90 Prozent seiner Zelltrockenmasse an PHAs ansammeln und eignet sich somit hervorragend zu deren Herstellung. Reine PHA-Typen sind allerdings nicht mit herk\u00f6mmlichen Grund\u00f6ltypen vertr\u00e4glich und m\u00fcssen daher chemisch modifiziert werden. So lassen sich etwa mechanische, thermische, aber auch Eigenschaften wie L\u00f6slichkeit anpassen. Durch gezielte Modifikation der PHAs ist es uns gelungen, ein Verdickungsmittel f\u00fcr Schmierstoffe zu entwickeln.<\/p>\n\n\n\nFraunhofer UMSICHT und FUCHS arbeiten zusammen im Projekt PHAtiCuS, in dem es eben darum geht: marktf\u00e4hige Schmierstoffe auf PHA-Basis zu entwickeln. Was genau ist die Aufgabe von FUCHS, was macht Fraunhofer UMSICHT?<\/h3>\n\n\n\n IB:<\/strong> Wir entwickeln nicht nur PHA basierte Polymere, die sich als Verdickungsmittel in Schmierstoffen einsetzen lassen. Wir testen auch die ausgew\u00e4hlten Verdicker und Schmierstoffformulierungen auf biologische Abbaubarkeit und f\u00fchren Lebenszyklusbewertung durch.<\/p>\n\n\n\nGuten Appetit! Ob alte T\u00fcten, Bananenschalen oder sonstiger M\u00fcll mit vielen kohlenstoffreichen Verbindungen: Dem Bakterium Cupriavidus necator<\/em> schmeckt\u2019s.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\nRolf Luther:<\/strong> Bei FUCHS setzen wir auf den Mustern von Fraunhofer UMSICHT auf: Wir sehen uns wichtige Eigenschaften der neuen Polymere an, etwa ihre L\u00f6slichkeit in Grundfl\u00fcssigkeiten wie Kohlenwasserstoffe, Ester, Polyglykole und andere. Daran schlie\u00dfen sich rheologische Untersuchungen an, in denen die verdickenden Eigenschaften der PHAs qualifiziert werden. Schlie\u00dflich werden geeignete PHA-Kandidaten in vollformulierte Schmierfette integriert \u2013 und in Labor und Pr\u00fcffeld anwendungsnah getestet.<\/p>\n\n\n\n60 Prozent oder mehr muss die biologische Abbaurate innerhalb von 60 Tagen betragen, damit ein Schmierstoff als \u201eschnell biologisch abbaubar\u201c gilt. <\/strong><\/p><\/blockquote>\n\n\n\nWie leistungsf\u00e4hig sind diese Schmierfette? Halten sie auch extremen Bedingungen stand, etwa in der Zementindustrie oder in der Antriebstechnik?<\/h3>\n\n\n\n RL: <\/strong>In der Tat ist dies ein entscheidender Schritt in der Entwicklung: Es w\u00e4re verwegen anzunehmen, dass ein neuer Rohstoff f\u00fcr alle Anwendungen zu marktgerechten Kosten geeignet sei. Nach einer Grundcharakterisierung des Materials geht es also um die Frage, f\u00fcr welche Zwecke es aus technischer, \u00f6kologischer und \u00f6konomischer Sicht geeignet erscheint. Dieser Prozess dauert noch an \u2013 aber wir haben erste konkrete Ans\u00e4tze realisiert.<\/p>\n\n\n\nBild: Die Rastertransmissionselektronenmikroskop-Aufnahme der bakteriellen Zellen wurde am FELMI-ZFE, Graz, von Frau Dr. Elisabeth Ingoli\u0107 auf Anfrage des Instituts f\u00fcr Biotechnologie und Bioprozesstechnik, TU Graz, erstellt. Das Bild wurde von Dr. Martin Koller, Universit\u00e4t Graz, zur Verf\u00fcgung gestellt.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\nCupriavidus necator<\/em><\/th><\/tr><\/thead>Familie<\/strong><\/td>Burkholderiaceae<\/td><\/tr> Fundort<\/strong><\/td>University Park, Pennsylvania<\/td><\/tr> Wohnort<\/strong><\/td>in B\u00f6den<\/td><\/tr> Gr\u00f6\u00dfe<\/strong><\/td>0,9 bis 1,3 Mikrometer<\/td><\/tr> Hobby<\/strong><\/td>Fressen<\/td><\/tr> Lieblingsessen<\/strong><\/td>Zucker, kurzkettige S\u00e4uren, Alkohole, \u00d6le und Fette<\/td><\/tr> Besonderes Talent<\/strong><\/td>legt Biopolymere wie PHAs als Speicherstoffe an, wenn \u201eFutter\u201c, aber keine N\u00e4hrstoffe wie Stickstoff- oder Phosphorsalze zur Verf\u00fcgung stehen.<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\nMacht es in Bezug auf die Charaktereigenschaften des PHA eigentlich einen Unterschied, ob das Bakterium Babywindeln oder alte Zeitungen frisst?<\/h3>\n\n\n\n IB:<\/strong> Nein, ausschlaggebend f\u00fcr die Herstellung der PHAs ist die Molek\u00fclgr\u00f6\u00dfe der Futterstoffe. Wird die in Zeitungen oder Stoffwindeln befindliche Zellulose bis zu Glucose heruntergespalten, spielt die Quelle keine Rolle. Es d\u00fcrfen allerdings keine toxischen St\u00f6rstoffe im Ausgangsmaterial enthalten sein.<\/p>\n\n\n\nWelche Anwendungen stehen bei den PHAs im Vordergrund?<\/h3>\n\n\n\n IB:<\/strong> PHAs sind thermoplastisch, in fast allen Umweltmilieus biologisch abbaubar und bilden w\u00e4hrend des Abbaus keine toxischen Produkte. Sie k\u00f6nnen auf konventionellen Anlagen und im 3D-Druck verarbeitet werden. Je nach Eigenschaftsprofil des PHAs k\u00f6nnen Produkte wie Gebrauchsartikel, Verpackungen, Folien oder Fasern hergestellt werden. Aufgrund seiner Biokompatibilit\u00e4t mit lebenden Geweben werden PHAs auch in der Medizin und Pharmazie verwendet, etwa als Implantat oder Nahtmaterial.<\/p>\n\n\n\nIm Forschungsprojekt ist FUCHS (links) zust\u00e4ndig f\u00fcr die Schmierstoffformulierung und die relevanten Anwendungstests. Fraunhofer UMSICHT \u00fcbernimmt unter anderem die Voruntersuchungen im Laborbereich und steuert den technischen sowie den wissenschaftlichen Teil des Forschungsprojekts.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\nRL:<\/strong> Wir haben zwei Produktgruppen vor Augen: Einerseits Schmierfette, hier sind PHAs als Verdicker gefragt, und Gleitlacke, in denen PHAs als Bindemittel dienen. Aber wie schon gesagt: Welche Anwendungen realisiert werden k\u00f6nnen, ist Aufgabe eines l\u00e4ngeren Entwicklungsprozesses.<\/p>\n\n\n\nWie hoch ist die Nachfrage f\u00fcr solche biobasierten, abbaubaren Schmierstoffe?<\/h3>\n\n\n\n RL:<\/strong> Der Markt ist noch relativ klein. Zwar gibt es verschiedene Umweltzeichen, mit denen man die Vertr\u00e4glichkeit eines Schmierstoffs dokumentieren kann, aber es gibt keine Verpflichtung f\u00fcr dessen Einsatz, etwa in umweltsensiblen Bereichen. Und \u2013 das muss nat\u00fcrlich auch gesagt werden: Bio-Schmierstoffe sind fast ausnahmslos teurer als konventionelle, aus Mineral\u00f6l gewonnene.<\/p>\n\n\n\n90 Prozent seiner Zelltrockenmasse kann Cupriavidus necator<\/em> in Gegenwart von Zucker als Substrat an PHAs akkumulieren. Das Bakterium eignet sich somit hervorragend zu deren Herstellung. <\/strong><\/p><\/blockquote>\n\n\n\nWelche Herausforderungen sehen Sie bei PHA-basierten Schmierstoffen?<\/h3>\n\n\n\n RL:<\/strong> Gerade in der Phase einer m\u00f6glichen Markteinf\u00fchrung geht es \u2013 neben der Umwelt- oder Nachhaltigkeitsaussage \u2013 auch um einen technischen Mehrwert des Produkts. Wenn dieser Nachweis gelingt, l\u00e4sst sich ein h\u00f6herer Preis gegen\u00fcber dem Kunden rechtfertigen \u2013 zum Beispiel, weil der Schmierstoff besonders reibungsreduzierend wirkt. Daher arbeiten wir gerade daran, Anwendungen zu identifizieren, f\u00fcr die der neue Rohstoff besonders geeignet ist.<\/p>\n\n\n\n2024 endet das Projekt PHAtiCuS, Nachfolger der vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung \u00fcber dreieinhalb Jahre mit 1,25 Millionen Euro gef\u00f6rderten Forschungsinitiative PHAt.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\nDie Rohstoffe sind zu etwa 90 Prozent f\u00fcr den CO\u2082-Fu\u00dfabdruck des fertigen Schmierstoffs verantwortlich. FUCHS m\u00f6chte gerne langfristig origin\u00e4r CO2-neutrale Produkte anbieten. Welche Bedeutung hat das Projekt PHAtiCuS f\u00fcr dieses Ziel?<\/h3>\n\n\n\n RL:<\/strong> Je nachhaltiger ein Rohstoff ist, desto besser f\u00fcr unsere CO2<\/sub>-Ziele. Aber bitte vergessen Sie nicht den noch viel gr\u00f6\u00dferen Beitrag zu CO2<\/sub>-Emissionen in der Nutzungsphase eines Schmierstoffs in einer Maschine. Daher ist es f\u00fcr uns so essenziell, in jeder einzelnen Anwendung den reibungs\u00e4rmsten, effizientesten Schmierstoff anbieten zu k\u00f6nnen. Es w\u00e4re fatal, in Zukunft Schmierstoffe ausschlie\u00dflich nach ihrem CO\u2082-Fu\u00dfabdruck auszuw\u00e4hlen. Wir m\u00fcssen diesen mit dem Emissionseinsparungspotenzial in der Anwendung vergleichen und dann die Auswahl mit Blick auf die gesamte Wertsch\u00f6pfungskette treffen.<\/p>\n\n\n\nRolf Luther und Dr. Inna Bretz machen sich gemeinsam mit den anderen Projektpartnern stark f\u00fcr nachhaltige Produkte.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\nWertvolles Wissen f\u00fcr die Zukunft<\/h3>\n\n\n\n Die 1949 gegr\u00fcndete Fraunhofer-Gesellschaft<\/a> ist eine der weltweit f\u00fchrenden Organisationen f\u00fcr anwendungsorientierte Forschung. Sie besch\u00e4ftigt mehr als 30.000 Mitarbeitende, \u00fcberwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlichem Hintergrund, in 76 Instituten und Forschungseinrichtungen. Eines davon ist Fraunhofer UMSICHT, das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik. Hier entwickeln 577 Mitarbeitende innovative, industriell umsetzbare Technologien, Produkte und Services f\u00fcr die zirkul\u00e4re Wirtschaft. Im Fokus steht die Balance von wirtschaftlich erfolgreichen, sozial gerechten und umweltvertr\u00e4glichen Entwicklungen.<\/p>\n\n\n\nZwei Welten, zwei Partner, ein Ziel: FUCHS und Fraunhofer UMSICHT wollen mit dem Winzling Cupriavidus necator Gro\u00dfes bewirken. Das Bakterium beherrscht ein echtes Kunstst\u00fcck: Es frisst M\u00fcll und macht daraus Bioplastik. Einblick in ein hoch innovatives Projekt, in dem sich die Anwendungsexpertise aus Mannheim und das Forschungs-Know-how aus Oberhausen hervorragend erg\u00e4nzen. 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