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Die Erfindung betrifft die Verwendung von Carbonsäureestern als technischer Betriebsstoff, beispielsweise als Schmierstoff, Hydraulikflüssigkeit, Kühlmittel oder als Transformatorenöl.
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Es besteht ein Bedarf an neuen und umweltverträglichen Betriebsstoffen, beispielsweise für Verbrennungsmotoren (biogene Betriebstoffe, biogene Betriebsmittel, Biobetriebsstoffe). Betriebsstoffe werden zum Betrieb von technischen Einrichtungen verwendet. Zu den Betriebsstoffen zählen dabei alle Stoffe oder Flüssigkeiten, die zum Betrieb einer solchen technischen Einrichtung verwendet werden. Dazu können Schmierstoffe, Kühlflüssigkeiten, Bremsflüssigkeiten, Hydraulikflüssigkeiten oder sogar Isolieröle von Transformatoren zählen. Zu den Betriebsstoffen im Sinne der Erfindung sollen Kraftstoffe nicht zählen. Betriebsstoffe werden beispielsweise zur Schmierung verwendet, wenn sich zwei oder mehr Teile relativ zueinander bewegen, um die Reibung und den Verschleiß der Teile zu verringern. Betriebsstoffe dienen auch der Kraftübertragung, Kühlung, Isolierung, Schwingungsdämpfung, Dichtwirkung und dem Korrosionsschutz.
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Betriebsstoffe bestehen in der Regel aus einer Basisflüssigkeit (meistens ein Grundöl) und Additiven (Hilfsstoffe, Zusatzstoffe). Additive sind Stoffe, die der Basisflüssigkeit in geringen Mengen zugesetzt werden, um dem Betriebsstoff bestimmte Eigenschaften zu verleihen oder bestimmte Eigenschaften des Betriebsstoffs zu verbessern.
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Biobetriebsstoffe werden überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und sie sind biologisch schnell abbaubar. Als nachwachsende Rohstoffe werden pflanzliche Öle, beispielsweise Rapsöl oder tierische Fette verwendet. Bei der Herstellung von Biobetriebsstoffen werden entweder die pflanzlichen Öle in nativer Form verwendet oder sie werden in einer chemischen Modifikation zu synthetischen Estern umgebaut.
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Bioschmierstoffe haben beispielsweise derzeit einen Marktanteil von ca. 3 %, der weiter ausgebaut werden soll.
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Aus der
DD 128 948 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schmieradditiven auf der Grundlage von Alkenylbernsteinsäureimiden bekannt. Die
DE 69207423 T2 betrifft Additivsysteme in fester Form, die in wässrigen Medien dispergierbar sind, insbesondere eine wasserdispergierbare teilchenförmige Zusammensetzung mit Polymeradditivbestandteil, Kleber und beschichtetem Tensid. Die
DD 201 319 offenbart Schmieröle für feinmechanische Geräte, die 40 bis 85 % eines Trimethylpropanmonocarbonsäureesters, 60 bis 15 % einer Mischung aus einem hydroaffinierten, selektivraffinierten, gegebenenfalls entparaffiniertem oder entparaffiniertem und gebleichtem Mineralöldestillat, und einem stabilen Dicarbonsäuredialkylester mit einer Viskosität von 7,5 bis 8,5 mm2/s bei 40 °C und einem Stockpunkt von höchstens –60 °C im Masseverhältnis von 3:1 bis 1:2 umfassen. Aus der
DD 298 261 ist ein Schmieröl auf der Basis von Polyalkylenglycolpolycarbonat bekannt.
DE 10 122 551 offenbart ein einstufiges Verfahren zur halbkontinuierlichen Herstellung eines biologisch abbaubaren Fettsäureestergemisches durch enzymatische Hydrolyse von pflanzlichen und/oder tierischen Fetten und/oder Ölen. Die
DE 101 22 551 A1 beansprucht auch die Verwendung der hergestellten Fettsäureestergemische als Schmiermittel, Hydrauliköl und für kosmetische Zwecke.
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Die
DE 101 38 687 A1 offenbart Zusammensetzungen, die Gemische von mit mindestens einer Carbonsäure veresterten offenkettigen und zyklischen Molekülen der Zuckeralkohole D-Sorbit und D-Mannit umfassen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung als Schmiermittel und Hydraulikflüssigkeit. Zuckeralkohole (Alditole) lassen sich durch die allgemeine Formel HOCH2(CH(OH))nCH2OH mit n größer oder gleich 1 beschreiben. Bei den explizit genannten Zuckeralkoholen Mannit und Sorbit handelt es sich um Verbindungen mit 6 C-Atomen (C6-Zuckeralkohole, n = 4).
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen neuen Betriebsstoff bereitzustellen.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung von Carbonsäureestern als Betriebsstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonsäureester der Ester einer mehrwertigen Carbonsäure ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Betriebsstoff ein Schmierstoff ist. Somit kann ein umweltverträglicher Schmierstoff bereitgestellt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da gerade bei Schmierstoffen ein Kontakt mit der Umwelt oftmals nicht zu vermeiden ist.
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Mehrwertige Carbonsäuren haben mindestens zwei Carbonsäuregruppen (Dicarbonsäuren). Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung wobei die mehrwertige Carbonsäure eine Dicarbonsäure oder eine Tricarbonsäure ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine niedermolekulare Di- oder Tricarbonsäure verwendet, d.h. eine Carbonsäure mit maximal 10 C-Atomen, beispielsweise mit 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 C-Atomen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung wobei die mehrwertige Carbonsäure ausgewählt wird aus der Reihe der mehrwertigen Carbonsäuren umfassend Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terphthalsäure, Aconitsäure, Citronensäure, Isocitronensäure und Weinsäure oder deren Derivate.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Carbonsäure drei Carbonsäuregruppen (Tricarbonsäuren), wie beispielsweise Zitronensäure oder Aconitsäure. Dabei kann in der Di- oder Tricarbonsäure jeweils nur eine Carbonylgruppen verestert sein oder aber zwei oder drei Carbonylgruppen. Es kann auch eine Mischung aus vollständig und teilweise veresterten Carbonsäuren verwendet werden.
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Zitronensäure ist der Trivialname für 2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure, d.h. Zitronensäure hat drei Carbonsäurefunktionen und ist gesättigt. Aconitsäure ist der Trivialname für 1,2,3-Propentricarbonsäure, d.h. Aconitsäure hat drei Carbonsäurefunktionen und ist ungesättigt und kommt deshalb in einer cis und einer trans Form vor. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Ester von trans Aconitsäure verwendet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Ester von cis Aconitsäure verwendet.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die mehrwertige Carbonsäure mindestens eine Doppelbindung (ungesättigte Carbonsäure), wie beispielsweise Aconitsäure. Sofern stereoisomere Formen existieren, umfasst die Erfindung die Verwendung aller stereoisomeren Formen (cis, trans, R, S).
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Die Verwendung von Estern mehrwertiger Carbonsäuren als Betriebsstoff ist im Stand der Technik nicht bekannt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Betriebsstoff aus Biomasse gewonnen. Die Erfindung betrifft die Verwendung von Biomasse zur Herstellung eines Betriebsstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstoff Carbonsäureester von mehrwertigen Carbonsäuren umfasst. Der Betriebsstoff kann deshalb neben den Estern mehrwertiger Carbonsäuren weitere Stoffe umfassen, die in der Biomasse enthalten sind.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verwendung umfasst der Betriebsstoff Basisflüssigkeit, wobei die Basisflüssigkeit aus Biomasse gewonnen wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Basisflüssigkeit einen Anteil an Ester von mehrwertigen Carbonsäuren von mindestens 40 %, beispielsweise 45 oder 50 %, vorzugsweise mindestens 55 oder 60 %, besonders bevorzugt 65 oder 70 % oder mehr.
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Die Betriebsstoffe unterscheiden sich in ihren technischen Eigenschaften zum Teil erheblich von den mineralölbasierten Betriebsstoffen. Die Schmiereigenschaften von Biobetriebsstoffen sind beispielsweise besser, weshalb weniger Additive zur Unterstützung der Schmiereigenschaften zugesetzt werden müssen. Es ist auch ein breiteres Spektrum an Viskositäten erhältlich. Biobetriebsstoffe haben im Vergleich zu mineralölbasierten Schmierstoffen einen deutlich höheren Viskositätsindex (gibt die Viskositätsänderung mit der Temperatur an). Die Verwendung von Biobetriebsstoffen hat zudem den Vorteil, dass die Toxizität von Biobetriebsstoffen deutlich geringer ist. Eine weitere besonders vorteilhafte Eigenschaft von Biobetriebsstoffen ist ihre schnelle biologische Abbaubarkeit. Als biologisch schnell abbaubar gilt ein Stoff, wenn er nach den Testverfahren OECD 301(B-D, F) innerhalb von 28 Tagen zu mindestens 60 % abgebaut wird (Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD): OECD Guidlines for Testing of Chemicals 301: Ready Biodegradability).
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung wobei die mehrwertige Carbonsäure mit einem oder mehreren der Alkohole ausgewählt aus der Reihe der Alkohole umfassend Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, Octanol, Nonanol, Decanol und/oder einem mehrwertigen Alkohol verestert ist. Der Alkohol kann ein primärer, sekundärer oder tertiärer Alkohol sein. Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die Veresterung mit Alkoholen die entweder 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 C-Atome haben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mehrwertige Carbonsäure mit einem oder mehreren Alkoholen verestert wobei die Alkoholreste jeweils weniger als 5 C Atome haben. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Alkohol nicht mehr als eine oder zwei OH-Gruppen. In einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die mehrwertigen Carbonsäuren mit Alkoholen, aber nicht mit Zuckeralkoholen verestert.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung wobei der Carbonsäureester ausgewählt wird aus der Reihe Tributylaconitat (TBA), Triethylaconitat (TEA), Trimethlyaconitat, Trieethylcitrat (TEC), Tributylcitrat (TBC), Trimethylcitrat und Tributylacetylcitrat. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung eines Betriebsstoffs, wobei dieser Triethylcitrat oder Tributylcitrat oder Triethyl- und Tributlycitrat umfasst oder wobei der Betriebsstoff aus Tributylcitrat und/oder Triethylbutlycitrat besteht.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verwendung umfasst der Betriebsstoff beispielsweise 30, 40 oder 50 %, vorzugsweise 60, 70 oder 80 %, besonders bevorzugt 85, 90 oder 95 % oder mehr Ester mehrwertiger Carbonsäuren. In einer besonderen Ausführungsform der Verwendung handelt es sich um einen Ester einer mehrwertigen Carbonsäure. In einer anderen Ausführungsform der Verwendung wird eine Mischung aus mindestens zwei verschiedenen Estern verwendet.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung, wobei der Betriebsstoff mindestens 2 oder 3, beispielsweise 4 bis 7 oder mehr, vorzugsweise 5 oder 6 verschiedene Ester von mehrwertigen Carbonsäuren umfasst.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung, wobei der Betriebsstoff zusätzliche Additive umfasst, vorzugsweise maximal 25 oder 20 % Additive, vorzugsweise 15, 10 oder 5 % Additive, besonders bevorzugt 3 oder 2 % Additive. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Betriebsstoff Basisflüssigkeit, die aus Biomasse gewonnen wird und Additive, die entweder ebenfalls aus Biomasse gewonnen werden, oder die synthetisch hergestellt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Betriebsstoff eine Hydraulikflüssigkeit ist. Die Verwendung als umweltverträgliche Hydraulikflüssigkeit erweist sich als vorteilhaft, da Hydraulikleitungen, insbesondere bei Baumaschinen, platzen können und somit die Umwelt mit den Hydraulikflüssigkeiten in Kontakt kommt. Bei einer biologisch abbaubaren Hydraulikflüssigkeit ist dies unkritisch.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Betriebsstoff ein Kühlmittel ist. Aufgrund der vielseitig einstellbaren Eigenschaften des Betriebsstoffes eignet sich dieser auch als Kühlmittel.
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Gemäß der Erfindung kann beispielsweise ein sogenannter Einstoffmotor mit insbesondere nur einem einzigen Betriebsstoff für alle Anwendungsgebiete betrieben werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Betriebsstoff ein Isolieröl, insbesondere ein Transformatorenöl ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft besondere Verwendungen des Betriebsstoffs. Beispielsweise kann der Betriebsstoff verwendet werden als Industrie Fett, Höchstleistungs-Fett, Industrie-Getriebeöl, Kühlschmierstoff, Bettbahnöl, Gleitbahnöl, Metallbearbeitungsöl, Korrosionsschutzöl, Marine Fett, Verdichteröl, Turbinenöl, BHKW Gasmotorenöl, Kältemaschinenöl, Reiniger, Entfetter, Motorenöl, beispielsweise LKW Motorenöl oder PKW Motorenöle, Getriebeöl, beispielsweise Auto Getriebeöle, Fahrzeug Fett, Motorradöl, 2-Taktöl, Agraröl, Forstöl und Luftfahrtöl, Kühlflüssigkeit, Hydraulikflüssigkeit, Wärmeträgeröl, Transformatorenöl oder Lebensmittelöl.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Schmieren eines Fahrzeugs, einer Maschine oder eines Geräts wobei insbesondere
- a) ein Schmierstoff, der Carbonsäureester von mehrwertigen Carbonsäuren, insbesondere von Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terphthalsäure, Aconitsäure, Citronensäure und/oder Isocitronensäure umfasst, und/oder
- b) ein Schmierstoff ausgewählt aus der erfindungsgemäßen Verwendung,
- c) hergestellt oder isoliert ist, und
- d) der Schmierstoff an den zu schmierenden Stellen oder Bereiche des Fahrzeugs, der Maschine oder des Geräts aufgebracht wird und
- e) der Schmierstoff zu einem späteren Zeitpunkt gegebenenfalls wieder abgeleitet wird.
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Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Herstellung beziehungsweise Gewinnung des Schmierstoffs durch Vergärung von Biomasse.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung des Betriebsstoffs als Kühlmittel oder Metallbearbeitungsöl beispielsweise in der fertigenden Industrie, z.B. beim Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Stanzen, Pressen, Tiefziehen und Drahtziehen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der Betriebsstoff zum Kühlen oder in der Metallbearbeitung verwendet wird. Die Erfindung betrifft die Verwendung des Betriebsstoffs als Hydrauliköl in mobilen und/oder stationären Anwendungen. Die Erfindung betrifft die Verwendung des Betriebsstoffs als Sägekettenöl, Verlustschmieröl, Schalöl oder Formtrennmittel, Motoröl und Getriebeöl.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, wobei insbesondere
- a) ein Betriebsstoff, der Carbonsäureester von mehrwertigen Carbonsäuren, insbesondere von Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terphthalsäure, Aconitsäure, Citronensäure und/oder Isocitronensäure umfasst, und/oder
- b) ein Betriebsstoff ausgewählt aus der erfindungsgemäßen Verwendung,
- c) hergestellt oder isoliert ist, und
- d) der Betriebsstoff als Betriebsflüssigkeit des Motors wenigstens in einer Verwendung und vorzugsweise in unterschiedlichen oder sämtlichen Verwendungen erfindungsgemäß verwendet wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung wobei der Betriebsstoff mindestens 70 Vol.-% oder 80.-Vol % Ester mehrwertiger Carbonsäuren umfasst, vorzugsweise mindestens 85 Vol.-% oder 90 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Vol.-% oder 97 Vol.-%. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung, wobei der Betriebsstoff maximal 10 Vol.-%, vorzugsweise maximal 5 Vol.-%, besonders bevorzugt maximal 3 Vol.-% Wasser umfasst. Die Zusammensetzung kann herstellungsbedingt variieren, d.h. insbesondere von der Zusammensetzung der verwendeten Biomasse abhängen. Insbesondere, wenn für die Energieumwandlung keine besondere Reinheit erforderlich ist, können direkt die isolierten bzw. hergestellten Carbonsäureester verwendet werden, die dann gegebenenfalls weitere Stoff, beispielsweise Nebenprodukte oder Verunreinigungen umfassen.
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Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass der Betriebsstoff aus Biomasse, insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen oder Abfällen gewonnen werden kann, beispielsweise in Biogasanlagen. Als Biomasse wird die gesamte Masse von Lebewesen bezeichnet, beispielsweise Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen. Man unterscheidet tote und lebende Biomasse. Der überwiegende Teil der Biomasse wird durch Photosynthese erzeugt. Aconitsäure kommt beispielsweise in hohen Konzentrationen im Zuckerrohr vor. Die Gewinnung von trans Aconitsäure aus Zuckerrohr ist beispielsweise in Saska, M. et al. ((2006) International Sugar Journal, Vol 108, No. 1288, 203–209) beschrieben.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass die Carbonsäureester, die erfindungsgemäß verwendet werden, bei der Vergärung entstehen. Die verwendeten Carbonsäureester entstehen beispielsweise in Biogasanlagen beziehungsweise lassen sich in Biogasanlagen einfach herstellen.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Betriebsstoffe können aus verschiedenen pflanzlichen Ölen, beispielsweise Rapsöl, Palmöl, Rizinusöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl, und tierischen Fetten, beispielsweise Rindertalg, hergestellt werden. Die erfindungsgemäß verwendeten Betriebsstoffe können durch Anreicherung von Estern mehrwertiger Carbonsäuren aus pflanzlichen Ölen und/oder tierischen Fetten gewonnen werden. Die erfindungsgemäß verwendeten Betriebsstoffe können durch chemische Modifikation, beispielsweise Umesterung und/oder Beimischung von verschiedenen Mineralölbestandteilen und/oder Zusatz von Additiven modifiziert werden.
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Als Additive können beispielsweise Antioxidantien, Korrosionsinhibitoren, Mittel zur Leistungssteigerung unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise unter Hochdruck, Chelatliganden (zur Bindung von Metall Ionen), viskositätsverbessernde Stoffe, Frostschutzmittel, Schaumbremser und/oder Dickungsmittel zugesetzt werden.
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Der Betriebsstoff kann Verunreinigungen und Rückstände enthalten, insbesondere Verunreinigungen und Rückstände, die durch den Herstellungsprozess in Biogasanlagen entstehen. Gegebenfalls können auch reine Carbonssäurester bzw. Gemische aus Carbonsäureestern hergestellt und verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 128948 [0006]
- DE 69207423 T2 [0006]
- DD 201319 [0006]
- DD 298261 [0006]
- DE 10122551 [0006]
- DE 10122551 A1 [0006]
- DE 10138687 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Saska, M. et al. ((2006) International Sugar Journal, Vol 108, No. 1288, 203–209) [0035]