Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBReduktion der biologischen Kontamination
Kühlschmierstoffe (KSS) dienen der Schmierung, Kühlung und dem Schutz vor Korrosion von Metalloberflächen während ihrer Bearbeitung (Bild 1). Im Laufe der Zeit verschlechtert sich die Qualität der KSS-Emulsionen, was sich in der Trennung der Öl-Wasser-Emulsion manifestiert. Dies verkürzt deren Lebensdauer, erhöht die Abfallmenge und Einkaufskosten, verringert die Standzeit von Schneidwerkzeugen und wirkt sich zudem negativ auf Fertigungstoleranzen aus.
Hauptgrund für den Leistungsabfall der KSS ist das Wachstum von Bakterien und Pilzen, welche die organischen Bestandteile des emulgierten Kühlschmierstoffs (Mineralöle, Tenside etc.) angreifen und abbauen. Sind krankheitserregende Keime darunter, können sie beim Personal zu Erkrankungen der Atemwege und zu Hautreizungen führen oder allergische Reaktionen auslösen. Die Hersteller von Kühlschmierstoffen setzen daher toxische Biozide ein, die die Aktivität der Mikroben unter Kontrolle halten.
Eingeschränkter Einsatz von Bioziden und Spaltchemikalien
In Zukunft wird es aufgrund verstärkter Beschränkungen hinsichtlich der KSS-Inhaltsstoffe, der Implementierung der REACH-Direktive und strengerer Richtlinien im Abwasserbereich nicht mehr möglich sein, die Stabilität von KSS-Emulsionen ausschließlich durch die Zugabe gefährlicher Chemikalien zu gewährleisten. Auch bei der Entsorgung ist die Zudosierung von Chemikalien zur Spaltung der KSS-Emulsion unter ökologischen wie ökonomischen Gesichtspunkten nicht mehr zeitgemäß: Nach der Spaltung in die Emulsionsphasen müssen sie in einem weiteren Schritt aufwändig entfernt und entsorgt werden.
Umweltfreundliche Technologien für verlängerte Lebensdauer
Ziel der Forschung am Fraunhofer IGB ist daher die Entwicklung effektiver, kostengünstiger und sauberer Technologien, um die Standzeit von Kühlschmierstoffen ohne toxische Chemikalien zu verlängern und deren Qualität zu verbessern. Zudem soll die Entsorgung so gestaltet werden, dass ein Teil der KSS recycelt werden kann. Hierzu untersuchen wir in der Abteilung Physikalische Prozesstechnik neue physikalische Technologien wie fokussierte Ultraschallkavitation, die Anwendung gepulster elektrischer und elektromagnetischer Felder sowie sonochemische und nassoxidative Verfahren.
Fokussierter Ultraschall zerstört Bakterien in KSS
Erste Untersuchungen zeigen, dass eine Reduktion der mikrobiologischen Kontaminationen am Beispiel des Gram-positiven Testorganismus Sarcina lutea durch die fokussierte Ultraschallkavitation möglich ist. In Bild 2 ist der Verlauf der Bakterienkonzentration in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer mit fokussiertem Ultraschall dargestellt. Die Ergebnisse wurden kontinuierlich mit einem Energieeintrag von weniger als 200 W/l mit einer Schallkombination von 23 kHz und 40 kHz bei konstanter Temperatur erzielt. Bild 3 zeigt, dass die Zellen von Sarcina lutea in KSS durch die Behandlung mit fokussiertem Ultraschall massiv geschädigt werden: Die Auflösung der Zellwände ist deutlich zu erkennen.
