Industrie + Technik

<p>Vier Hamburger Forscher erschlie&szlig;en als das Unternehmen Colipi eine nachhaltige &Ouml;lquelle basierend auf einem Fermentationsprozess. Wie auf diese Weise Schmierstoffe entstehen und welche Schwierigkeiten ein Start-up in der Biotechnik erwarten.</p>
<p>Viele Worte sind in der Regel nicht notwendig, um die Gesch&auml;ftsidee des Start-ups <xref rid="nadc20224124648-fig-0001" ref-type="fig">Colipi</xref> zu erkl&auml;ren: eine nachhaltige Alternative zu Pflanzen&ouml;len, CO<sub>2</sub>-neutral und lokal produziert. Sp&auml;testens beim Thema Palm&ouml;l ist einem die volle Aufmerksamkeit sicher. Dass das Vorhaben trotzdem kein Selbstl&auml;ufer ist, wird erst auf den zweiten Blick klar.</p>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/vr3TYlAOTamDH9nMb4J7" />
<figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Colipi-Gr&uuml;nder Jonas Heuer, Max Webers, Philipp Arbter und Tyll Utesch (von links) auf dem Campus der Technischen Universit&auml;t Hamburg. Der Name &bdquo;Colipi&ldquo; entstand aus &bdquo;CO<sub>2</sub>&ldquo; und &bdquo;Lipid&ldquo;. Foto: Colipi</figcaption>
</figure>
<p>Niemand wei&szlig; das besser als Ideengeber Philipp Arbter, der seit knapp einem Jahrzehnt auf diesem Gebiet forscht und dar&uuml;ber seine Dissertation verfasste. Die &Uuml;berzeugung, dass hier viel Potenzial liegt, war schlie&szlig;lich so gro&szlig;, dass er zusammen mit dem Biochemiker Tyll Utesch, dem Bioverfahrenstechniker Jonas Heuer und dem Wirtschaftsingenieur Max Webers einen Antrag f&uuml;r das Forschungstransferprogramm &bdquo;Exist&ldquo; vom Bundesministerium f&uuml;r Wirtschaft und Klimaschutz stellte. Seit November 2021 arbeitet das Team an der Technischen Universit&auml;t Hamburg an der Umsetzung.</p>
<h2>Von Abf&auml;llen bis zum &Ouml;l</h2>
<p>Die Idee, Mikroorganismen f&uuml;r die Produktion von &Ouml;l einzusetzen, ist nicht neu. Ende der 1980er Jahre wurde in Neuseeland &uuml;ber Molke-Fermentation mit einer oleogenen (&ouml;lbildenden) Hefe &Ouml;l in gr&ouml;&szlig;erem Ma&szlig;stab hergestellt, das die damals teure Kakaobutter ersetzte. Der Prozess l&auml;uft &auml;hnlich wie der des Bierbrauens mit dem Unterschied, dass er aerob funktioniert, also unter Sauerstoffzufuhr. Die Hefe verstoffwechselt Zucker und lagert unter bestimmten Bedingungen Triacylglycerole (TAG) als Energiedepot ein. &bdquo;&Auml;hnlich wie wir Menschen&ldquo;, pflegt Heuer zu sagen.</p>
<p>Wie Menschen atmen die Hefen CO<sub>2</sub> aus, und damit sogar bis zu 50 Prozent des aufgenommenen Kohlenstoffs. Im Bier wird dies durch die Kohlens&auml;ure sp&uuml;rbar. Das Resultat ist allerdings, dass die CO<sub>2</sub>-Bilanz konventioneller Hefe&ouml;le nicht besser ist als die von heimischen &Ouml;lpflanzen wie Raps.</p>
<p>Colipi hat einen zweiten Prozessschritt zum Patent angemeldet, der zwei Probleme l&ouml;st. Zum einen wird der CO<sub>2</sub>-Aussto&szlig; durch die Hefen minimiert, zum anderen wird der <xref rid="nadc20224124648-fig-0002" ref-type="fig">Kohlenstoff</xref> zur&uuml;ckgef&uuml;hrt. Dies erh&ouml;ht die Ausbeute bezogen auf die eingesetzten Zucker, verringert den Bedarf an zuckerhaltiger Biomasse und reduziert somit die Kosten. Die Biomasse stammt aus Abf&auml;llen der Lebensmittelindustrie oder Landwirtschaft.</p>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/jXViaWHgSJyQcW56gL1R" />
<figcaption><label>Abb. 2: </label>Prozess zur Produktion von Trimethylpropan-Trioleaten mit mehreren Kreisl&auml;ufen.</figcaption>
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<p>Hefe besteht aus Wasser, Proteinen, Kohlenhydraten und ungef&auml;hr 5 Prozent Fetten, darunter Glyco- und Sphingolipide. Nachdem in diesem Verfahren die Hefe zu etwa 70 Prozent aus &Ouml;len besteht, wird sie geerntet. Daf&uuml;r wird sie zun&auml;chst vom w&auml;ssrigen Fermentationsmedium abfiltriert. Anschlie&szlig;end werden die Zellw&auml;nde durch mechanische Belastung aufgebrochen, um das &Ouml;l freizusetzen. Das weitere Vorgehen h&auml;ngt von der geplanten Anwendung des &Ouml;ls ab.</p>
<p>Grunds&auml;tzlich besteht die M&ouml;glichkeit, das &Ouml;l nat&uuml;rlich zu belassen, wodurch etwa Vitamine, Antioxidantien, Glyco- und Sphingolipide erhalten bleiben; diese bringen positive Eigenschaften mit, zum Beispiel f&uuml;r kosmetische Anwendungen oder bestimmte Lebensmittel.</p>
<p>Alternativ l&auml;sst sich das &Ouml;l raffinieren, wie es f&uuml;r Pflanzen&ouml;le etabliert ist, also entschleimen, neutralisieren, bleichen und desodorieren. Diese Aufarbeitung ist notwendig, wenn das &Ouml;l geruchs- und geschmacksneutral oder f&uuml;r die chemische Synthese frei von Inhibitoren sein soll.</p>
<h2>F&uuml;rs vegane Auto</h2>
<p>Neben der Nachhaltigkeit ist die lokale Verf&uuml;gbarkeit in Zeiten gest&ouml;rter Lieferketten ein weiteres Argument f&uuml;r das Fermentations&ouml;l. Der vollst&auml;ndige Ersatz pflanzlicher Fette oder sogar petrochemischer Rohstoffe ist dabei vermessen, allein schon aufgrund der riesigen Volumina. Der Bedarf an Pflanzen&ouml;len lag im Jahr 2021 bei 212 Millionen Tonnen, mit einer j&auml;hrlichen Steigerung von vier bis f&uuml;nf Prozent; Verf&uuml;gbarkeiten und Preise sind allerdings zurzeit schwierig vorherzusagen. Daher gilt es zun&auml;chst, Anwendungsf&auml;lle zu finden, bei denen sich ein gewisser Preis rechtfertigen l&auml;sst.</p>
<p>Anhand des Konzepts f&uuml;r vegane Autos l&auml;sst sich ein solcher Fall skizzieren. Damit ein veganes Auto Realit&auml;t werden k&ouml;nnte, muss nicht nur der Lederbezug ausgetauscht, sondern die Fertigung jeder einzelnen Komponente zur&uuml;ckverfolgt werden. In vielen Prozessen werden Schmierstoffe verwendet, die in die Umwelt gelangen. Biogene Schmierstoffe, die eine h&ouml;here Umweltvertr&auml;glichkeit aufweisen, werden allerdings zu gro&szlig;en Teilen aus tierischem Fett gewonnen.</p>
<p>Eine vielf&auml;ltig verwendete Fetts&auml;ure ist die &Ouml;ls&auml;ure (C18:1). Sie weist verestert eine hohe Oxidationsstabilit&auml;t auf und wird bereits f&uuml;r die Synthese von biogenen Schmierstoffen eingesetzt, zum Beispiel f&uuml;r die Produktion von Trimethylpropan(TMP)-Trioleaten.</p>
<p>Die auf erneuerbaren Abfallstoffen gewachsenen Hefen produzieren TAGs, die reich an &Ouml;ls&auml;ure sind. Die &Ouml;ls&auml;uren lassen sich mit Methanol zun&auml;chst zu &Ouml;ls&auml;uremethylester (&Ouml;SME) umestern, wodurch Glycerin abgespalten wird. Anschlie&szlig;end werden die &Ouml;SMEs nochmals mit TMP zu einem Trioleat umgeestert. Dabei wird Methanol wieder frei.</p>
<h2>Markteintrittsbarrieren</h2>
<p>Der Markteintritt in der Biotechnik- und Chemiebranche ist f&uuml;r Start-ups nicht einfach. Das liegt zum einen an einer recht gro&szlig;en L&uuml;cke zwischen der akademischen Forschung und der praktischen Erfahrung in der Chemieindustrie. Zum anderen ist der Zugang zu den n&ouml;tigen Produktionsmitteln kostspielig, und die sehr ausgepr&auml;gte &bdquo;Economy of Scale&ldquo; sorgt f&uuml;r eine hohe Markteintrittsbarriere.</p>
<p>Zudem m&uuml;ssen Vertrieb, Qualit&auml;tssicherung und die Regulatorik aufgesetzt und beachtet werden. Dazu ist es herausfordernd, sich zu Beginn zu finanzieren, da gro&szlig;e Kapitalgeber wie Venture Capital Fonds typischerweise finanziell getrieben sind und vor allem auf die Profitabilit&auml;t achten. Positive Effekte auf Umwelt und Gesellschaft allein sind dann kein Argument.</p>
<p>Colipi geht mit Partnern aus Forschung und Industrie den n&auml;chsten Schritt in Richtung Produktionsma&szlig;stab. Am Jahresendende sollen erste Produkte als 3-in-1-Shampoos erh&auml;ltlich sein.</p>
<p>Der Prozessingenieur Jonas Heuer geh&ouml;rt zu den Gr&uuml;ndern von Colipi. <a href="https://www.colipi.com" target="_blank" rel="noopener">www.colipi.com</a></p>

Pflanzenölalternative

CO₂‐neutral aus Hefen

Vier Hamburger Forscher erschließen als das Unternehmen Colipi eine nachhaltige Ölquelle basierend auf einem Fermentationsprozess. Wie auf diese Weise Schmierstoffe entstehen und welche Schwierigkeiten ein Start-up in der Biotechnik erwarten. Viele Worte sind in der Regel nicht notwendig, um die...

Prof.Dr.

<p>Es gibt neue Ansätze, um große Mengen natürlicher und ungiftiger Materialien bereitzustellen, die vor schweren Bränden schützen. Wie sich Holzfaserplatten mit Substrat aus Keratin imprägnieren lassen.</p>
<p>Stellen Sie sich folgende Situation vor: Sie sitzen im Kerzenschein bei Tisch, und in einem unachtsamen Moment geraten Ihre Haare in die Flammen. Dass dies abgesehen vom unangenehmen Geruch ohne größere Schäden bleibt, verdanken wir dem chemischen Aufbau unserer Haare. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage der Entwicklung alternativer Flammschutzmittel aus einer weit verbreiteten Proteinfamilie namens Keratin, das etwa in Haaren, Federn, Hörnern und Hufen vorkommt und nicht brennt. Exemplarisch sind hier Flammschutzimprägnierungen aus Geflügelfedern und deren Anwendung bei der Herstellung von Holzfaserplatten gezeigt.<sup>1)</sup></p><h2>Brandgefährlich</h2><p>Praktisch jede europäische Stadt fiel im späten Mittelalter oder der beginnenden Neuzeit mindestens einem verheerenden Stadtbrand zum Opfer. Die Situation besserte sich erst, als nicht brennbare anorganische Baustoffe Holz im Stadtbild ablösten. Die Gefahr bleibt jedoch, zu sehen etwa bei Bränden im Grenfell Tower (London 2017), im brasilianischen Nationalmuseum (Rio de Janeiro 2018), in Notre Dame (Paris 2019) oder in der Bronx (New York 2022). Die Ursachen sind vielfältig, sicher trägt aber die weite Verbreitung brennbarer Materialien in Fassaden, Dämmungen und im Innenraum zu Bränden bei.</p><p>Darüber hinaus macht das Streben nach Nachhaltigkeit Holz nicht nur im Innenausbau, sondern auch als Baumaterial für mehrstöckige Gebäude wieder wichtiger. Zwar gibt es bewährte und zuverlässige Flammschutzmittel für Holz und Kunststoff, doch durch die Neubewertung toxikologischer Aspekte und ein gestiegenes Umweltbewusstsein wurden bewährte Stoffe verboten oder werden zunehmend kritisch gesehen.<sup>2)</sup> So sind nach dem Stockholmer Übereinkommen etwa die früher vielgenutzten bromierten Diphenylether (DBE) wie Tetra-, Penta-, Hexa- und Hepta-BDE seit dem Jahr 2009 als persistente organische Schadstoffe (persistent organic pollutants, POPs) eingestuft und verboten, das Deca-BDE seit dem Jahr 2017.</p><h2>Die Post-Brom-Ära</h2><p>Proteine sind aussichtsreiche Kandidaten als Material für Flammschutzmittel, da sie von Natur aus viel Stickstoff, Schwefel und eventuell Phosphor enthalten. Das sind genau die Elemente, auf die Flammschutzmittelhersteller in der Post-Brom-Ära setzen. Das Milchprotein Kasein ist mit seinem hohen Phosphorgehalt ein erfolgreiches Beispiel.<sup>3)</sup> Allerdings ist Kasein in der Nahrungskette wichtig und daher für großtechnische Anwendungen ungeeignet.</p><p>Im Institut für Baustoffforschung in Aachen wählten wir stattdessen Keratin. Davon gibt es im Allgemeinen zirka 10<sup>9</sup> Tonnen pro Jahr als Abfallstoff. Die Laborversuche geschahen zunächst mit Keratin aus Geflügelfedern, da dieses rein und gut charakterisiert ist. Es besteht aus 96 Aminosäuren einschließlich sieben Cysteineinheiten. Sechs davon befinden sich unter den ersten 26 Aminosäuren, während die siebte den C-Terminus bildet.<sup>4)</sup></p><h2>Federkeratin lösen</h2><p>Da Federkeratin über inter- und intramolekulare Disulfidbrücken vernetzt ist, musste das Protein zunächst hydrolysiert werden. Dazu diente eine alkalische Hydrolyse bei Raumtemperatur. Dabei werden nicht nur die Amidbindungen der Proteinketten, sondern auch die vernetzenden Disulfidbrücken gespalten. Dies verbessert die Löslichkeit und ermöglicht höhere Proteinkonzentrationen in der Imprägnierlösung.</p><p>Während der Hydrolyse entsteht eine trübe Mischung, die sich durch Zentrifugieren in eine klare, gelbliche Lösung und ein viskoses Gel trennen lässt (<xref rid="nadc20224127269-fig-0001" ref-type="fig">Fotos</xref>). Beide Phasen enthalten Protein, und das Phasenverhältnis ist über die Reaktionsbedingungen in gewissen Grenzen einstellbar. Eine längere Verweilzeit reduziert die Menge an Gel zugunsten der Lösung, allerdings werden dabei die Proteinfragmente kürzer, was die Wirksamkeit verringert. Das Optimum war im vorliegenden Fall nach etwa 24 Stunden erreicht, wobei zirka 70 Prozent der Federn in Lösung ging. Obwohl sich auch die Gelphase zu interessanten Produkten weiterverarbeiten lässt, geht es im Folgenden nur um die Lösung.</p><figure><img src="https://media.graphassets.com/sKnRyflTSQGeesWRnJAV"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Aus geschnittenen Federn entstehen über alkalische Hydrolyse bei Raumtemperatur nach Zentrifugieren Proteinlösung und -gel.</figcaption></figure>
<h2>Thermische Beständigkeit</h2><p>Für die systematischen Untersuchungen der Wirksamkeit unter standardisierten Bedingungen wurde das Protein in Salzsäure ausgefällt. Die Imprägnierlösungen entstanden dann mit 70 mg·mL<sup>–1</sup> Hydrolysat in 0,2 M Natronlauge. Wird diese Proteinkonzentration eingehalten, lassen sich auch die abzentrifugierten Lösungen direkt verwenden.</p><p>Um zu bestimmen, wie die Federhydrolysate auf die thermische Beständigkeit und die Brandeigenschaften wirken, wurden 0,5 bis 1 mm lange Buchenholzfasern mit 1,5 mL Proteinlösung pro Gramm imprägniert. Dies entspricht etwa der Menge an Flüssigkeit, die das Holz aufnehmen kann, ohne nass zu erscheinen.</p><p>Infrarotspektren der imprägnierten Fasern zeigen die typischen Banden von Buchenholz bei etwa 1030 cm<sup>–1</sup> sowie die Amid-I- und -II-Banden des Keratins. Thermogravimetrische Analysen der imprägnierten Fasern in einer angereicherten Sauerstoffatmosphäre (zirka 35 Vol.-%) zeigen zwischen 300 und 450 °C eine Zersetzung, die langsamer verläuft als die der unbehandelten Späne (<xref rid="nadc20224127269-fig-0002" ref-type="fig">Diagramm</xref>).</p><figure><img src="https://media.graphassets.com/zgfKfcLQLRAsgQAVFkA8"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Verglichen mit unbehandelten Spänen zersetzen sich imprägnierte langsamer.<sup>1)</sup></figcaption></figure>
<p>Insgesamt folgt der temperaturabhängige Masseverlust der imprägnierten Späne bis zu 450 °C dem Verlauf des reinen Keratins und nicht dem unbehandelten Buchenholzes. Während sich dieses bei 450 °C in der angereicherten Atmosphäre rückstandslos zersetzt, wiesen die imprägnierten Späne noch eine Restmasse von 31 Prozent auf. Daraus lässt sich schließen: Keratin verlangsamt im Wesentlichen die Zersetzung der Hemicellulose.</p><p>Die imprägnierten Späne zersetzen sich erst zwischen 455 und 500 °C. Allerdings zersetzen sie sich – anders als unbehandeltes Holz – nicht plötzlich, sondern in mehreren Stufen. Dies deutet darauf hin, dass das verbleibende Protein weiter in den Zersetzungsmechanismus eingreift.</p><h2>Brandversuche</h2><p>Für die Brandversuche wurden die behandelten und unbehandelten Holzfasern zu Platten mit den Abmessungen 7×1×0,2 cm<sup>3</sup> gepresst. Die Versuche wurden in Anlehnung an den Brandklassifikationstest für Kunststoff (UL-94-Richtlinie) horizontal durchgeführt, um die Brenndistanz und die Brenngeschwindigkeit zu ermitteln. Nach dem Entzünden brannten die Platten aus unbehandeltem Holz mit einer großen, leuchtenden Flamme über die gesamte Messdistanz von 50 mm ab. Im Gegensatz dazu brannten die imprägnierten Platten mit einer weniger hellen Flamme und verloschen nach einigen Millimetern von selbst (<xref rid="nadc20224127269-fig-0003" ref-type="fig">Fotos</xref>). Zudem brannten die imprägnierten Platten nur etwa halb so schnell ab.</p><figure><img src="https://media.graphassets.com/Fodcz59SFeBrrtdBAu0A"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Imprägnierte Platten (rechts) brennen mit einer weniger hellen Flamme und verlöschen schneller als unbehandelte.<sup>1)</sup></figcaption></figure>
<h2>Schwelversuche</h2><p>Schwelbrände etwa in Wandkonstruktionen mit verdeckt eingebauten Holzfaserdämmungen sind eine noch größere Gefahr als Brände mit offener Flamme, da sie häufig lange unentdeckt bleiben. Dabei setzen sie giftige und brennbare Gase frei.</p><p>Zur Beurteilung des Schwelverhaltens wurden die Proben nach dem Verlöschen (bei den unbehandelten Platten musste mit einem CO<sub>2</sub>-Löscher nachgeholfen werden) weiter beobachtet. Die unbehandelten Proben schwelten unvermittelt bis zu fünf Minuten weiter, was den größten Teil der unverbrannten Probe verzehrte. Im Gegensatz dazu zeigten die imprägnierten Proben nach dem Selbstverlöschen nur ein minimales Schwelen, das sich nicht weiter ausbreitete und innerhalb etwa einer Minute abklang.</p><h2>Im Bau</h2><p>Für den Einsatz als Baustoff sind außer Brandeigenschaften mechanische Eigenschaften der Platten wichtig. Im Dreipunkt-Biegeversuch versagten die aus unbehandeltem Holz hergestellten Proben bei 5 N·mm<sup>–2</sup> mit einem Biegemodul von 455 ± 118 N·mm<sup>–2</sup>, wohingegen die Platten aus imprägnierten Fasern bis zu 15 N·mm<sup>–2</sup> standhielten und ein Biegemodul von 1398 ± 307 N·mm<sup>–2</sup> zeigten (<xref rid="nadc20224127269-fig-0004" ref-type="fig">Säulendiagramm</xref>).</p><figure><img src="https://media.graphassets.com/ePL9GIedS1Kt1S0OuPA2"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Im Dreipunkt-Biegeversuch liefern imprägnierte Platten bessere Werte als unbehandelte.<sup>1)</sup> MBH: mitteldichte Faserplatten.</figcaption></figure>
<p>Die Festigkeit der imprägnierten Platten entspricht der mitteldichter Faserplatten nach dem Nassverfahren (Typ MBH) gemäß DIN EN 6222-3 mit einer Dicke von unter 10 mm. Da die Platten ohne Bindemittel hergestellt wurden, lässt sich die gesteigerte Festigkeit der imprägnierten Platten auf einen maßgeblichen Beitrag des Federhydrolysats zur Faser-Faser-Haftung zurückführen. Die imprägnierten Platten sind ähnlich biegefest wie handelsübliche, mit Formaldehydharzen gebundene Faserplatten.</p><h2>Die Autoren</h2><p>Den Beitrag haben Oliver Weichold (oben) und Markus Brenner verfasst. Weichold ist seit 2014 Professor für Strukturelle Polymerkomposite am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen. Seine Forschungsgebiete liegen im Bereich Polymere für Baustoffe, mit dem Schwerpunkt biobasierte Baustoffe und Polymere für Instandsetzungsmaßnahmen. Brenner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Lehr- und Forschungsgebiet Strukturelle Polymerkomposite und promoviert zu „Keratin als biobasierter Baustoff“. Er studierte Wirtschaftschemie an der Universität Düsseldorf und machte anschließend seinen Master in Chemie zu Katalyse, Werkstoffen und mesoskopischen Systemen an der RWTH Aachen.</p><div><img src="https://media.graphassets.com/7aQodVHGQ2GBURtg0EcD">

</div><div><img src="https://media.graphassets.com/PmDI55CcQC4VWzmg849D">

</div><p></p><h2>AUF EINEN BLICK</h2><p>Holz lässt sich mit einem Flammschutzmittel aus Keratin imprägnieren.</p><p>Das Imprägniermittel entsteht bei Raumtemperatur mit biogenen Proteinabfällen etwa aus Geflügelfedern als Rohstoff.</p><p>Die aus damit behandelten Holzfasern gepressten Platten sind selbstlöschend und brennen langsamer als unbehandelte.</p><p>Hydrolysate aus Geflügelfedern sind als Zusatz bei der Herstellung von Faserplatten gleichzeitig Flammschutz- und festigendes Bindemittel.</p>
<ul class="references"><li>
<sup>1 </sup>M. Brenner, O. Weichold, ACS Omega 2020, 5, 32227</li><li>
<sup>2 </sup>A. B. Morgan, J. W. Gilman, Fire Mater. 2013, 37, 259</li><li>
<sup>3 </sup>F. Carosio, A. Di Blasio, F. Cuttica, J. Alongi, G. Malucelli, Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 3917</li><li>
<sup>4 </sup>K. M. Arai, R. Takahashi, Y. Yokote, K. Akahane, Biochim Biophys Acta 1986, 873, 6</li></ul>


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