Auswahl, Zucht und Extraktion zielführender Algenstämme
Das Ziel des Teilprojektes an der Hochschule Bremerhaven ist die Selektion geeigneter Algenstämme für die Gewinnung der zu entwickelnden Schmierstoff-Additive, sowie die Etablierung der Produktion im technischen Maßstab. Unser Forschungsvorhaben gliedert sich in folgende Bereiche: ...
  1. Stammsammlung: In unserem Labor werden zurzeit 115 verschiedene Stämme gehalten, die mehr als 30 verschiedene Gattungen von eukaryotischen Algen und Cyanobakterien repräsentieren. Die Stämme sind sowohl Eigenisolate aus Freilandproben, als auch von öffentlichen Kultursammlungen erworben. Aktivitäten im Rahmen des Projektes sind die Axenisierung und Kryokonservierung (cell banking) der Algenstämme, um eine hohe Qualität für den späteren Produktionsprozess zu gewährleisten.
  2. Selektion: Die chemischen Strukturen der gebräuchlichen Schmierstoff-Additive repräsentieren Leitstrukturen bei der Suche nach potentiell wirksamen Substanzen aus den Algen. Der Fokus liegt zunächst auf der Gewinnung und Testung von extrazellulären Polymeren (EPS) die sich aus Polysacchariden und Proteinen stammspezifisch zusammensetzen. Wir wählen gezielt Mikroalgen und Cyanobakterien aus, die für die Produktion von EPS bekannt sind und erweitern das Stammspektrum durch ein Selektionsverfahren. Die Selektionskriterien sind neben der Synthese und Produktivität des geeigneten Naturstoffs auch die Kultivier- und Skalierbarkeit. Die Kulturen werden an Projektpartner P1 für die Analyse der chemischen Zusammensetzung weitergereicht und bei Eignung für die weitere Stammcharakterisierung bereitgestellt.
  3. Stammcharakterisierung: Zur Etablierung werden die Anzuchtbedingungen für die jeweiligen Algenstämme optimiert, um maximale Ausbeuten zu gewährleisten. Es werden verschiedene Kultivierungsmodi sowie physiologische Parameter getestet. Dafür werden Methoden zur Protein-, EPS- und Lipidquantifizierung validiert, um verlässlich reproduzierbare Daten zu erhalten. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird evaluiert, in welcher Form die Biomasse für die weitere Analytik bereitgestellt werden kann und welche Zellaufschlussverfahren geeignet sind.
  4. Up-scaling: Ist die Kultivierung der ausgewählten Stämme soweit optimiert, dass eine stabile und kontinuierliche Algenproduktion im Labormaßstab gewährleistet ist, wird das Up-Scaling zum Technikumsmaßstab begonnen. Um ausreichende Mengen Extrakt für die begleitende Analytik zur chemischen Identifizierung und den ökotoxikologischen Untersuchungen bereitzustellen nutzen wir verschiedene Photobioreaktor- und Fermentersysteme.
Ansprechpartner*innen: Prof. Dr. Imke Lang (Teilprojektleitung), Dr. Antonio Gavalas-Oleá (PostDoc) und Insa Mannott (Wissenschaftlich-Technische Mitarbeiterin)
Hier ein Video zum Thema
Chemische Strukturanalyse extrahierter Zucker und Proteine
Die Arbeiten zielen auf die Aufbereitung ausgewählter Algenstämme durch geeignete Extraktions- und Separationsmethoden zur Gewinnung von Extrakten als Schmierstoffadditive. Die chemische Struktur der extrahierten Substanzen wird über geeignete analytische Untersuchungsmethoden identifiziert um einen Abgleich mit bekannten in der Praxis eiungesetzten Schmierstoff-Additiven zu realisieren. Die Aufarbeitung der Algenbiomasse erfolgt in zwei Schritten: Zum einen wird die extrazelluläre Matrix separiert und aufkonzentriert. Zum anderen wird die Biomasse durch geeignete Zellaufschlussverfahren behandelt und in Vorextrakte separiert und aufkonzentriert. Auch diese Vorextrakte werden einem analytischen Screening auf Inhaltsstoffe unterworfen.
Ökotoxikologische Eigenschaften algenbasierter Additive
Ziel ist die Sicherstellung der Umweltverträglichkeit der aus den Algen extrahierten Substanzen zur gefahrlosen Nutzung als Schmierstoff-Additive. Diese Substanzen werden auf ihre toxikologischen Eigenschaften geprüft und klassifiziert. Die Testmethoden orientieren sich dabei an den OECD-Standardtestverfahren und erfüllen somit die Kriterien für eine Zulassung nach REACh und GHS. Können extrahierte Substanzen als umweltverträglich eingestuft werden, werden in der Folge mikrobielle Abbaubarkeitstests durchgeführt, um deren Dauerhaftigkeit in der Umwelt zu bestimmen.
Leistungsüberprüfung in umformenden Fertigungsprozessen
Die technische Prüfung der extrahierten Substanzen in Umformversuchen erfolgt in zwei Schritten. Zuerst werden Untersuchungen mit kleinen Schmierstoffvolumina anhand von umformtechnischen Modellversuchen. Hierzu zählen insbesondere Streifen- und Stabzugversuche sowie Zylinder- und Ringtauchversuche. Damit wird ein repräsentatives Feld an Umformprozessen abgebildet, die eine ähnliche relative Flächenpressung aufweisen wie die anschließenden, korrespondierenden praxisnahen Umformversuche. Hierzu zählen Tiefziehversuche und Versuche zur Blechumformung mit variierenden Werkstückgeometrien, Blechwerkstoffen und Niederhalterkräften. Die Massivumformung wird durch Versuche zum Fließpressen, Abstreckziehen und Gewindewalzen repräsentiert. ...
Im Produktionstechnischen Labor der Hochschule Wismar kann ein breites Spektrum an Umformversuchen durchgeführt werden. Während einige Versuche wie z.B. das Tiefziehen jährlich in der Lehre Anwendung finden, werden andere Schmierstoffprüfversuche erstmalig realisiert. Für diese ist zunächst ein Umbau der vorhandenen Technik und Konstruktion der Umformwerkzeuge nötig. In der Zerspanungstechnik des produktionstechnischen Labors werden die benötigten Teile gefertigt, zusätzlich unterstützt durch die Zentralwerkstatt der Hochschule.
Ringstauchversuch nach Burgdorf
Beim Ringstauchversuch nach Burgdorf (1967) handelt es sich um einen Modellversuch im Labormaßstab. Rundmaterialabschnitte aus Aluminium (99,5%) im Durchmesser von 20mm werden zentriert aufgerieben mit einem Innendurchmesser von 5mm. Die 6,6mm hohen Ringproben werden mit der hydraulischen Presse auf 3,3mm gestaucht, hierbei wird in Versuchen ohne Schmierstoff eine Presskraft von ca. 70kN gemessen. Je nach Schmierstoff verändern sich die Reibverhältnisse zwischen Werkzeug und Werkstück, so dass sich durch die Verschiebung des Fließscheidenradius im inneren der Ringprobe unterschiedliche Innendurchmesser nach dem Stauchen ergeben. Außerdem kann bei einer Wölbung der Probe nach außen von einer hohen Reibung ausgegangen werden, bei einer Wölbung nach innen jedoch von geringer Reibung und somit guten Schmierbedingungen. Die Ringproben der unterschiedlichen Schmierstoff-Reihen werden messtechnisch erfasst und ausgewertet. So können Schmierstoff-Additive bereits im Laborversuch eingeschätzt werden, um weniger leistungsstarke Varianten u.U. aus den folgenden Technikumsversuchen auszuklammern. Ein Video dazu.
Streifenzugversuch nach Schlosser
Der Streifenzugversuch (oder je nach Blechdicke auch Stabzug) wird angelehnt an den Versuchen von Schlosser (1967) durchgeführt. Der Modellversuch im Technikumsmaßstab wird an einer selbstkonfigurierten Grundrekonstruktion eines Zugversuchsprüfstands mit Zugkraftmessung durchgeführt. Hierzu wird der obere Teil der Werkstückeinspannung ausgebaut und durch ein Ziehwerkzeug ersetzt. In der unteren Einspannung wird die Streifenprobe eingespannt und an der vorverjüngten Position in die Ziehbacken eingelegt. Bei laufender Zug- und Querkraftmessung wird die Streifenprobe je nach Material verjüngt: Die Aluminium-Proben (99,5%) von einer Ausgangsdicke von 5mm auf 4mm, die Stahlproben (DC01 Weichstahl) von 2mm auf 1,8mm. Die Auswertung der Kraftmessungen gibt Aufschluss über den Reibzustand zwischen Werkzeug und Streifenprobe und somit über die Leistungsfähigkeit des Schmierstoffs- bzw. Schmierstoffadditivs. Zusätzlich können die Oberflächen der Streifenproben und Ziehwerkzeuge vor und nach der Umformung untersucht werden, um den Einfluss der Additive auf den Werkzeugverschleiß zu erhalten. Eine Animation zum Einbau und ein Video zum Versuch.
Streifenzugversuch nach Kawei
Geplant ist außerdem eine modifizierte Variante des Streifenzuges, der ebenfalls einen Modellversuch Technikumsmaßstab darstellt. Ausgehend vom Streifenzugversuch nach Schlosser werden beim Streifenzug nach Kawei zusätzlich Bremskörper seitlich der Zugwerkzeuge angebracht. So wird ein seitliches Aufstauchen des Probenmaterials verhindert und die entstehenden Querkräfte können ergänzend erfasst werden. Eine Animation zum Einbau und ein Video zum Versuch.
Drahtziehen
Eine weitere Modifizierung des Streifenzugversuchs stellt das Drahtziehen dar. Der Modellversuch im Technikumsmaßstab ermöglicht eine Einschätzung der Leistungsfähigkeit der Additive für das industrielle Drahtziehen. Es wird Rundmaterial durch eine Matrize gezogen und so im Durchmesser verjüngt. Bei ungünstigen Reibbedingungen wird von einem Reißen des Drahtes bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen ausgegangen.
Tiefziehen
Auf der hydraulischen Presse werden Tiefziehnäpfe gezogen. Der Reibzustand zwischen Werkstück und Werkzeug kann mittels der benötigten Presskraft sowie der Faltenbildung am Napf eingeschätzt werden.
Gewindewalzen
Als weiterer Modellversuch im Technikumsmaßstab wird das Walzen eines Gewindes konzipiert. Die Walze wird standardmäßig im Schmierstoff-Umlauf betrieben, für die Versuche mit zu erprobenden Schmierstoffen bzw. Additiven wird ein Schmierstoff-Durchlauf installiert.
Fließpressen
Abschließend wird ein Modellversuch im Technikumsmaßstab als Fließpress-Umformung angestrebt. Dieser kann das Verhalten des Schmierstoffs unter erhöhten Drücken abbilden. Die Tauglichkeit der vorhandenen Hydraulischen Presse für kleinere Fließpressversuche ist allerdings noch zu validieren.
Leistungsüberprüfung in spanenden Fertigungsprozessen
Das übergeordnete Ziel ist die Durchführung der technischen Prüfung und Bewertung der zu entwickelnden Additive in Versuchen zur Zerspanung von metallischen Werkstoffen. Die technische Bewertung der extrahierten Substanzen Additive erfolgt mittels eines Vergleichs der chemischen Struktur mit bekannten Additiven und den sich daraus abzuleitenden Wirkmechanismen in den Bearbeitungsprozessen Zerspanung und Umformung. Neben der rein technischen Prüfung und Bewertung werden die Ergebnisse der ökotoxikologischen Untersuchungen mit in die Verifizierung der extrahierten Substanzen einbezogen. Als Resultat des Vorhabens sollen neue innovative Additive für tribologische Anwendungen stehen.
Team
Kickoff-Treffen am 1. April 2019 an der Hochschule Bremen
Organisation
Dem Vorhaben ist ein Industriearbeitskreis mit Vertretern aus der Schmierstoffindustrie, Algenherstellern und weiteren Interessenten angeschlossen. Durch die intensive Vernetzung aller Partner soll es gelingen, bis zum Projektende die Basis für ein erstes industrietaugliches Produkt zu legen.

Weiterhin sind dem Projekt zwei assoziierte Partner angeschlossen, die sich mit der Analyse von Nanopartikeln und der mikrobiologischen Analyse der gewonnenen Additive befassen:
TecMic, Bremen
BUI, Bremen
Veröffentlichungen und Veranstaltungen
Eine Liste der aktuellen Veröffentlichungen finden Sie hier.
Förderung
Das Vorhaben wurde am 1. April 2019 begonnen und hat eine Laufzeit von 36 Monaten.

Die Mitglieder des Forschungsvorhabens ALBINA an den Hochschulen Bremen, Bremerhaven und Wismar sowie an den Instituten für Allgemeine und Theoretische Ökologie und chemische Verfahrenstechnik der Universität Bremen danken der Fachagentur nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) sowie dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), das dieses Vorhaben durch einen Beschluss des deutschen Bundestages fördert.
Kontakt
Koordinierende Forschungsstelle
Hochschule Bremen
Neustadtswall 30, 28359 Bremen
Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Ralf M. Gläbe
Ansprechpartner: Dr. Thomas Koch, Mail: thomas.koch@hs-bremen.de, Tel.: 0421/5905-3599