DE10138113A1

DE10138113A1 - Verfahren zur Erhöhung der Verwendungszeit von Kühlschmierstoffen

Info

Publication number: DE10138113A1
Application number: DE10138113A
Authority: DE
Inventors: Kai Krueger; Johann Mehlstaeubl; Werner Sternad; Iris Trick
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; DaimlerChrysler AG; Fraunhofer Institut fuer Grenzflaechen und Bioverfahrenstechnik IGB
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-27
Also published as: US20030038086A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verwendungszeit von Kühlschmierstoffen, insbesondere von Öl in Wasser Emulsionen, bei dem Keime, die sich in Kühlschmierstoffen befinden und/oder ansammeln zumindest teilweise inaktiviert werden. Zur biozidfreien Behandlung wird der Kühlschmierstoff zumindest bei Erreichen einer vorgebbaren Keimdichte organischer Keime auf eine Temperatur erhitzt, die mindestens der Zersetzungstemperatur der Keime entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verwendungszeit von Kühlschmierstoffen, insbesondere von Öl in Wasser Emulsionen, bei dem Keime, die sich in Kühlschmierstoffen befinden und/oder ansammeln zumindest teilweise inaktiviert werden, wie es in der Industrie verwendet und hier als bekannt unterstellt wird.

Die Bandbreite von Keimen bzw. Mikroorganismen in Kühlschmierstoffen reicht von Bakterien über Schimmelpilze bis hin zu Hefen. Die häufigsten Vertreter unter den Bakterien sind Gramnegative nicht fermentierende Arten, da diese in wässrigen Milieus wenig anspruchsvoll sind und größten Teils fakultativ anaerob sind, das heißt die Mikroorganismen sind in der Lage mit ihrem Stoffwechsel sowohl in aeroben als auch in anaeroben Verhältnissen zu existieren.

Der Keimbefall kann bis zu einer Spaltung der Emulsion und zur Korrosion von Werkstücken führen. Zu Anlagenverstopfungen kommt es durch Pilzmyzele oder durch eine veränderte Viskosität der Prozessstoffe auf Grund einer hohen Biomassekonzentration.

Ein sehr stark verkeimter Kühlschmierstoff mit 10⁶ bis 10⁸ koloniebildenden Einheiten pro Milliliter (KBE/mL) führt nicht nur zu Beeinträchtigungen im Anlagensystem, sondern kann auch für Mitarbeiter eine gesundheitliche Gefahr darstellen. Daher sind auch zusätzliche Schutzmaßnahmen für die Mitarbeiter erforderlich.

Zur Abwehr der genannten Gefahrenmomente werden momentan die Kühlschmierstoffe zumeist durch Biozide präventiv konserviert. So wird zur Konservierung als Biozid bspw. Hexahydrotriazin (HHT) eingesetzt, da dieses eine Formaldehyd-Depot-Verbindung mit äußerst breitem Wirkungsspektrum ist. Da aber für HHT eine Kennzeichnungspflicht besteht, ist dessen Einsatz sehr kostenintensiv und nicht mehr erwünscht.

Als Ersatz für HHT können andere Formaldehyddepotverbindungen verwendet werden. Deren Wirkungsspektren sind nicht annähernd so breit gefächert. Es werden bis zu 20 Biozide eingesetzt. Zusätzlich zu den jetzt eingesetzten Verbindungen müssen Iodcarbamate als Fungizide angewendet werden. Auch hier sind die Kosten sehr hoch.

Generell wird eine biologische Behandlung von Prozeßwässern durch den Einsatz von Bioziden erschwert. Ferner können biozide Stoffe die Schaumentwicklung bei der Prozeßwasseraufarbeitung fördern und damit zusätzliche Kosten verursachen. Des weiteren verlangt die Entwicklung von Resistenzen bei den Organismen nach einem regelmäßigem Produktwechsel.

Die Aufgabe ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem bei geringeren Gesamtkosten der Anteil von aktiven Keimen in Kühlschmierstoffe auf einem verträglichen Wert, insbesondere kleiner 10² KBE/ml, gehalten werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Schockerhitzung des Kühlschmierstoffs werden viele der Keime inaktiviert, insbesondere abgetötet. Dies führt dazu, dass die Population der verbleibenden Keime nach der Behandlung unterhalb eines kritischen Wertes bleibt, ab dem die oben genannten Folgen auftreten.

Vorteilhafte Weiterführungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Beispielen und den nachfolgen Figuren dargestellten Diagrammen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Diagramm der Keimreduktion in Abhängigkeit der Zeit bei 108°C,
Fig. 2 ein Diagramm der Keimreduktion in Abhängigkeit der Zeit bei 90°C und
Fig. 3 ein Diagramm der Veränderung der Zellzahl in Abhängigkeit von der Zeit bei der Behandlung von Mischpopulationen aus Kühlschmierstoff. Behandlungstemperaturen 88, 90, 92 und 95°C.
Für die Industrie kommt vorzugsweise ein kontinuierliches System für eine Keimzahlreduzierung in Frage. Daher wurde bei nachfolgenden Beispielen ein Wärmetauscher zur Reduktion der Keimzahl verwendet. Hierbei ist es günstig, dass durch ein Kreuzen der Flüssigkeitsströme zwischen 80% und 90% der Energie zurückgewonnen werden kann.
Eine Kombination von drei Wärmetauschermodulen ermöglicht eine Erhitzung auf über 100°C, indem im ersten Modul der Prozessstoff auf die gewünschte Temperatur geheizt wird. Im mittleren Modul wird diese Temperatur über einen definierten Zeitraum konstant gehalten und im dritten Modul kühlt der Kühlschmierstoff auf Betriebstemperatur ab.
Die Versuche wurden mit einem unkonservierten Kühlschmierstoff durchgeführt. Der Kühlschmierstoff wurde mit tiefgefrorenen Keimen so kontaminiert, dass eine Konzentration von 10⁵ Keimen/Milliliter vorlag. Für alle Versuche wurde die gleiche Population verwendet.
Neben der Haltestrecke wurde der Kühlschmierstoffstrom über eine Zahnradpumpe variiert. Das Heizmodul des Wärmetauschers wurde mit Dampf betrieben, den ein Dampferzeuger herstellte.
Für die Inaktivierungsversuche wurde ein Kapillarrohrwärmetauscher eingesetzt, der für Stoffströme bis 120 Liter pro Stunde ausgelegt ist. Hierbei ist innerhalb ein Rohr angeordnet, über dessen Abmessungen neben dem Volumenstrom usw. die Haltezeit des Kühlschmierstoffs und damit die Zeitdauer der Temperaturbeaufschlagung festgelegt ist.

Beispiel 1

Die Versuche mit 18 mm × 515 mm freier Haltestrecke wurden mit mittleren Temperaturen von 123°C bis 146,5°C und Volumenströmen von 8 l/h bis 67 l/h durchgeführt. Die Haltezeiten liegen zwischen 59,2 und 4,75 Sekunden. Die Keimbestimmung erfolgte über Direktausstrich. Bei keinem der Versuche kam es zu einem Wachstum von Kolonien. Die Proben der angesetzten Emulsionen wiesen eine Keimzahl von 2,2.10⁵ KBE/mL bis 2,8.10⁵ KBE/mL auf, wobei die Keime in der Emulsion vollständig inaktiviert worden sind.

Beispiel 2 (siehe Diagram Fig. 1)

Die mittlere Temperatur wurde auf 108°C eingestellt. Bei einem Volumenstrom zwischen 8 Litern und 52,2 L/h werden alle vegetativen Keime und Sporen abgetötet. Bei Volumenströmen zwischen 66,8 L/h und 100,5 L/h steigt die Keimzahl drastisch an. Bei einer Verweilzeit von 0,4 Sekunden werden bei 108°C nur noch 48% der ursprünglichen Keine inaktiviert.
Dieser Sachverhalt wird anhand des Diagramms nach Fig. 1 ersichtlich, in dem die Verweildauer des Kühlschmierstoffs gegen koloniebildende Einheiten pro Milliliter (KBE/ml) aufgetragen ist.

Beispiel 3

Bei einem Dampfdruck von 2,0 bar stellt sich eine mittlere Temperatur von 121°C ein. Bei dieser Temperatur werden bei Haltezeiten, die kleiner sind als 0,6 Sekunden nicht alle Keime abgetötet. Bei einer Haltezeit von 0,6 Sekunden waren 5 KBE/mL nachweisbar und bei einer Haltezeit von 0,4 Sekunden beträgt die Keimzahl 7,6.10⁴ KBE/mL. Die daraus resultierenden Werte sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist liegt die Haltezeit für die totale Inaktivierung bei 121°C im Bereich zwischen 1,1 Sekunden und 0,6 Sekunden.

Beispiel 4 (Fig. 2)

Bei diesem Versuch wurde der verkeimte Kühlschmierstoff in einem Gefäß auf 90°C erhitzt und bei ansonst gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 2 die Temperatur auf 90°C eingestellt.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es bei Temperaturen um 110°C möglich ist, in Wärmetauschersystemen Keime mit einer Haltezeit kleiner als eine Sekunde abzutöten. Des weiteren ist es zweckmäßig, dass der im Einsatz verschmutzte Kühlschmierstoff vorab von Spänen und/oder Maschinenöl und dgl. gereinigt und anschließend erhitzt wird. Auch ist es von Vorteil, den temperaturbehandelte Kühlschmierstoff zu filtern, wodurch bspw. insbesondere abgestorbene Pilzmyzele entfernt werden können.

Beispiel 5 (Fig. 3)

Bei diesem Versuch wurde verkeimter Kühlschmierstoff in einem Gefäß auf 88, 90, 92 und 95°C erhitzt. Aus den zeitlichen Verläufen ist zu entnehmen, dass die Inaktivierung während der Behandlung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten eintrat. Dies lässt sich auf das Vorhandensein verschiedener Organismen und Entwicklungsstadien zurück führen. Insgesamt zeigt sich auch hier, dass der Zeitaufwand zur Abtötung der Keime mit zunehmender Temperatur sinkt.
Eine Schädigung bzw. Funktionsbeeinträchtigung des Kühlschmierstoffes konnte nicht festgestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Verwendungszeit von Kühlschmierstoffen, insbesondere von Öl in Wasser Emulsionen, bei dem Keime, die sich in Kühlschmiermitteln befinden und/oder ansammeln zumindest teilweise inaktiviert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschmierstoff zumindest bei Erreichen einer vorgebbaren Keimdichte organischer Keime auf eine Temperatur erhitzt wird, die mindestens der Temperatur entspricht, bei der die Keime zumindest inaktiviert, bevorzugt abgetötet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschmierstoff auf maximal 150°C, jedoch auf mindestens 65°C, bevorzugt mindestens 100°C erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 1 s und längstens für 4 s erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschmierstoff während des Fließens erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Einsatz verschmutzte Kühlschmierstoff vorab von Spänen und/oder Maschinenöl und dgl. gereinigt und anschließend erhitzt wird.