BioTEster

Lipase-katalysierte Synthese von biobasierten TMP-Estern aus Restströmen der Pflanzenölraffination

Die globale Nachfrage nach Schmierstoffen steigt kontinuierlich an, begünstigt durch den Fortschritt der Industrialisierung. Sie liegt inzwischen bei über 40 Millionen Tonnen pro Jahr, wovon rund 800.000 Tonnen auf Deutschland entfallen [MOR, AGE]. Obwohl zunehmend Umweltbedenken bestehen, basieren mehr als 95 % der weltweit eingesetzten Schmierstoffe weiterhin auf fossilen Grundölen. In Deutschland liegt der Anteil biobasierter Alternativen derzeit bei etwa 4,5 %, wobei jedoch seit Jahren ein moderates Wachstum von 2–4 % pro Jahr verzeichnet wird [FNR1, FNR 2, SAU]. Ein signifikanter Anteil der global verkauften Schmierstoffe, etwa 30–50 %, gelangt durch Totalverlustanwendungen, Leckagen oder unsachgemäße Entsorgung in die Umwelt, weshalb biobasierte Alternativen immer mehr an Bedeutung gewinnen [ROD, HÖR, CAV, MAN, RUD]. Eine vielversprechende, umweltfreundliche Alternative stellen Trimethylolpropan-Ester (TMP-Ester) dar. Diese biologisch abbaubaren Ester werden aus TMP und Fettsäuren hergestellt und finden vor allem als Basisöle im Schmierstoffbereich ihre Anwendung. Das wichtigste Handelsprodukt, TMP-Trioleat (TMP-TO), ein Triester aus TMP und Ölsäure, wird unter anderem in Hydraulikflüssigkeiten, Zweitaktmotorenölen und Metallbearbeitungsölen angewandt [CHA, WU, LIN]. Die industrielle Herstellung von TMP-Estern erfolgt bislang jedoch über einen mehrstufigen, chemisch katalysierten Prozess bei Temperaturen von über 120 °C. Dabei werden starke Säuren oder Basen eingesetzt, die korrosiv wirken, umweltbelastend sind und die Bildung unerwünschter Nebenprodukte begünstigen. Um diese zu vermeiden, ist die Zugabe großer Mengen an Antioxidantien erforderlich. Zudem ist die Produkt-Aufreinigung wasser- und energieintensiv, sodass die Gesamtausbeute häufig nur bei etwa 40 % liegt [PER, SIL, RAM, NIE, AKE, RES]. Angesichts der damit verbundenen Nachhaltigkeits- und Versorgungsrisiken besteht ein klarer Bedarf an alternativen und umweltfreundlicheren Produktionsverfahren.

Die Herstellung biobasierter und biologisch abbaubarer TMP-Ester aus organischen Abfallströmen ist ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung nachhaltiger Schmierstoffe. Insbesondere Reststoffströme der Ölraffination, wie der sogenannte Seifenstock, eignen sich aufgrund ihres hohen Gehalts an freien Fettsäuren als geeignete Rohstoffquelle. Durch die enzymatisch katalysierte Veresterung dieser Fettsäuren mit TMP unter milden Reaktionsbedingungen lassen sich selektive und nebenproduktarme Synthesen realisieren. Im Vergleich zur herkömmlichen chemischen Synthese bieten diese Synthesen entscheidende Vorteile, darunter eine hohe Selektivität und Spezifität, eine verbesserte Produktreinheit, eine reduzierte Nebenproduktbildung sowie Einsparungen an Energie und Zusatzstoffen. Die gezielte Variation von Rohstoffquellen und Prozessparametern ermöglicht die Optimierung der Produkteigenschaften, insbesondere hinsichtlich ihrer Temperaturstabilität und tribologischen Leistungsfähigkeit. Die hergestellten TMP-Ester sind daher für verschiedene industrielle Anwendungen bestens geeignet.

Vor diesem Hintergrund verfolgte das Projekt "BioTEster" (1038 I) das Ziel, ein Verfahren zur enzymatischen Herstellung biobasierter und biologisch abbaubarer TMP-Ester aus Reststoffströmen der Ölraffination zu entwickeln und zugleich die Eignung dieser Ester als umweltfreundliche Schmierstoffalternative in Lagern und Bauteilen nachzuweisen. Die konsequente Nutzung nachhaltiger Rohstoffe und die Implementierung eines ressourcenschonenden Herstellungsverfahrens sollten dazu dienen, eine alternative Produktlinie zu schaffen, die fossile Schmierstoffgrundöle zunehmend ersetzt und somit einen Beitrag zu einer nachhaltigen Schmierstoffproduktion leistet.

Zusammenfassend zeigt das Projekt BioTEster (1038 I), dass ein alternatives enzymatisches Verfahren zur nachhaltigen Herstellung von TMP-Trioleat erfolgreich entwickelt werden konnte. Mit dieser Methode wurde ein Basismedium erzeugt, das einen Triestergehalt von 88 % erreicht und damit höher liegt als bei kommerziell erhältlichem TMP-Trioleat. Bei der Untersuchung der Schmierstoff-Eigenschaften zeigten sich zwischen dem kommerziellen und dem enzymatisch hergestellten TMP-Ester keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich tribologischen Verhaltens, dynamischer und kinematischer Viskosität, Viskositätsindex, Säurezahl oder Oxidationsstabilität. Zudem konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Veresterungsverfahren auch auf Rückstände der Pflanzenölraffination übertragbar ist. Auch diese Proben lieferten vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich ihrer Schmierstoff-Performance. Bei den Raffinationsrückständen wurde jedoch ein geringerer Triestergehalt festgestellt, vermutlich bedingt durch den Gehalt an Phospholipiden. Da diese Rückstände teilweise noch ungenutzt sind, stellen sie eine interessante Quelle freier Fettsäuren dar. Eine gezielte Vorbehandlung zur Entfernung störender Substanzen sollte daher in einem Folgeprojekt weiter untersucht werden.

Das Projekt 1038 I BioTEster der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.