DE10337105B4

DE10337105B4 - Verfahren zur Keimreduktion in verunreinigten, wasserhaltigen Kühl- und Schmierstoffen

Info

Publication number: DE10337105B4
Application number: DE10337105A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Eisner; Michael Dr. Menner; Udo Dipl.-Ing. Knauf; Martin Dipl.-Ing. Drews; Thomas Pfeiffer; Michael Schott
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: DE10337105A1

Abstract

Verfahren zur Behandlung von verunreinigten, wasserhaltigen Kühl- und Schmierstoffen, bei dem der Kühl- und Schmierstoff oder eine daraus erhaltene Fraktion ein flüssiges Medium bildet, das zur Reduzierung von enthaltenen Keimen erhitzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzung durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt, die vom flüssigen Medium absorbiert wird,
wobei durch eine gezielte Vorbehandlung des flüssigen Mediums eine Verteilung von Partikelgrößen und/oder eine Partikelkonzentration und/oder eine Materialzusammensetzung der Partikel im flüssigen Medium erhalten werden, die zur Steigerung der Wärmeerzeugung und/oder des Wärmeüberganges zwischen dem flüssigen Medium vor der Erhitzung und dem bereits erhitzten flüssigen Medium beitragen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von verunreinigten, wasserhaltigen Kühl- und Schmiertoffen, bei dem der Kühl- und Schmierstoff oder eine daraus erhaltene Fraktion ein flüssiges Medium bildet, das zur Reduzierung von enthaltenen Keimen erhitzt wird.
Kühl- und Schmierstoffe werden unter anderem in der spanenden Fertigung (z.B. Drehen, Fräsen, Schleifen), der Metallurformtechnik (z.B. Schmieden), der Metallumformtechnik (z.B. Biegen, Ziehen, Walzen, Dehnen, Drücken) oder in anderen Bereichen von industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt, in denen kühlende und schmierende Eigenschaften von Hilfsstoffen gefordert werden. Bei diesem Einsatz werden die Kühl- und Schmierstoffe im Laufe der Gebrauchsphase mit Feststoffen oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Abrieb, Schneidzusätze, Abrasivmittel oder Fremdöle, und mit Keimen verunreinigt. Unter wasserhaltigen Kühl- und Schmierstoffen werden in der vorliegenden Beschreibung unter anderem wasserlösliche, wassermischbare, wassergemischte oder andere Kühl- und Schmierstoffmischungen verstanden, die Wasser im Bereich > 5 % bis nahezu 100 % beinhalten. Im Folgenden wird als Sammelbezeichnung für derartige verunreinigte, wasserhaltige Stoffe der Ausdruck „wassermischbare Kühlschmierstoffe" oder kurz „KSS" verwendet.
Die in der Industrie am häufigsten eingesetzten wassermischbaren Kühlschmierstoffe sind komplexe Emulsionen auf Basis von KSS-Konzentraten, die im Verhältnis von etwa 1:10 bis 1:25 in Wasser eingemischt und emulgiert werden. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft einige spezifische Stoffklassen, die in wassermischbaren Kühlschmierstoffen enthalten sein können, und gibt die maximal enthaltene Konzentration der Stoffklassen in den handelsüblichen Konzentraten an.
Es ist ersichtlich, dass KSS-Konzentrate komplex zusammengesetzt sind. Neben Emulgatoren, die feindisperse Öl- oder Wassertröpfchen in der Emulsion stabilisieren, enthalten die Rezepturen Korrosionsschutzmittel, schneidaktive Zusätze wie Extreme-Pressure-Additives, Lösungsvermittler und, im Falle von vorkonservierten Konzentraten, auch Biozide.
Kühlschmierstoffe können neben den flüssigen Komponenten auch feste Stoffe in Form feinster Partikel, Späne und Schleifmittel enthalten. Diese Partikel werden in vielen Anwendungen durch das bearbeitete Material (z.B. Metall, Kohlenstoff) und das zerspanende Material (z.B. Schneid- oder Schleifpartikel aus Siliziumkarbid, Diamant, Hartmetall u.a.) dominiert. Darüber hinaus können Fremdöle in den Kühlschmierstoff gelangen und die Eigenschaften des KSS verändern. Besonders problematisch ist jedoch, dass es in den KSS zu einem Verkeimen durch Mikroorganismen kommen kann, v.a. durch aerobe, anaerobe und/oder sporenbildende Bakterien sowie Hefen und Schimmelpilze. Durch die Verkeimung von KSS können sich deren Gebrauchseigenschaften massiv verändern. Weiterhin kann es zu gesundheitlichen Problemen bei den Mitarbeitern der Betriebe kommen, die mit verkeimten KSS arbeiten. Die Kühlschmierstoffe werden bei zu starker Verunreinigung, bei zu hohem Fremdölgehalt oder bei zu hoher Verkeimung als Sonderabfall beseitigt.
In Metallbearbeitungsprozessen können bei unkontrolliertem Wachstum von Mikroorganismen in KSS die folgenden Probleme auftreten:

– Konzentrationsrückgang wichtiger KSS-Inhaltsstoffe;
– Zunahme des Korrosionsrisikos;
– Verlust von Kühl- und/oder Schmierwirkung des KSS;
– Verstopfungen von Rohrleitungen durch Biomasse;
– Mikrobiell bedingte Hautschäden und Infektionsrisiken für das Personal;
– Bildung toxischer mikrobieller Stoffwechselprodukte;
– Vermehrung pathogener Keime;
– Erhöhtes Risiko der Bildung von kanzerogenen Nitrosaminen infolge mikrobieller Reduktion von Nitrat zu Nitrit;
– allergenes Potential.

Diese Probleme haben alle zur Folge, dass die Standzeit des KSS verkürzt wird und große Massen an KSS beseitigt werden müssen. Dies erhöht die Kosten der spanenden Fertigung.
Stand der Technik
Zur Beseitigung von gebrauchten KSS werden von den Sonderabfallbeseitigungsunternehmen chemisch/physikalische Verfahren eingesetzt. Bei diesen Verfahren erfolgt eine Emulsionsspaltung und eine Trennung von Öl und Wasser. Das Öl wird überwiegend thermisch verwertet, die Wasserfraktion muss vor der Einleitung in das Abwassersystem biologisch nachbehandelt werden. Bei hohen Gehalten an Bioziden im Kühlschmierstoff kann es dabei zu Störungen in der biologischen Abwasserreinigungsanlage kommen.
Vor der Beseitigung der gebrauchten KSS kann eine dezentrale Aufkonzentrierung mittels Ultrafiltration oder Eindampfung vorgenommen werden. Dabei wird die ölhaltige Phase aufkonzentriert, so dass eine geringere Masse zu beseitigen ist. Die abgetrennte Wasserphase kann entweder innerbetrieblich wieder eingesetzt werden oder wird der betrieblichen Abwasserreinigung zugeführt.
Das Hauptproblem beim Einsatz der beschriebenen KSS ist die Anfälligkeit der Emulsionen gegenüber mikrobiellem Befall. Die Temperatur von KSS in Metallbearbeitungsmaschinen liegt i.a. zwischen 20 und 50°C. Neben diesen günstigen Wachstumstemperaturen bilden sie ein gutes Nährmedium für viele Bakterien, Pilze und Hefen durch die enthaltenen organischen Verbindungen. KSS enthalten alle für das Wachstum dieser Mikroorganismen erforderlichen Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor sowie Wasser.
Zum sicheren Betrieb der spanenden Fertigung sollte eine erhöhte Keimbelastung grundsätzlich vermieden werden. Die maximale mikrobiologische Belastung in KSS sollte Keimzahlen von 10⁶ KBE/ml (KBE: koloniebildende Einheiten als Maß für die Keimbelastung) nicht übersteigen. Dies wird bislang in weiten Bereichen der Industrie durch die Zugabe von Bioziden erreicht. Der Einsatz dieser Verbindungen ist ökologisch nicht unumstritten, da gesundheitsbeeinträchtigende Effekte auf die Beschäftigten nicht völlig auszuschließen sind. Nachteilig am Biozideinsatz ist ferner, dass sich Resistenzen gegen die Biozide entwickeln können, so dass entweder die Konzentrationen stark erhöht, die Biozide häufig gewechselt oder komplexe Biozidgemische eingesetzt werden müssen. Aus diesen Gründen wird mit der aktuellen EU-Biozidrichtlinie (Richtlinie 98/8/EG vom 16.02.1998 über das Inverkehrbringen von Biozid-Produkten) eine deutliche Reduktion des Biozideinsatzes angestrebt.
Zur Verlängerung der Emulsions-Standzeiten sind Anlagen bekannt, die an den KSS-Kreislauf von Bearbeitungsmaschinen angeschlossen werden können und auf unterschiedlichen Verfahrenskonzepten basieren. Die meisten Aufbereitungsanlagen enthalten eine mechanische Abtrennung der festen und flüssigen Verunreinigung aus den KSS, wie sie z.B. in der DE 298 16 019 U1 oder der DE 195 15 710 A1 dargestellt sind. Zur Keimreduktion wird in diesen Druckschriften zusätzlich eine UV-Bestrahlung durchgeführt. Auch das Verfahren der DE 199 58 021 A1 nutzt die keimabtötende Wirkung von UV-Strahlung. UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von ca. 254 nm hat eine hervorragende keimreduzierende Wirkung in transparenten Medien wie Luft oder klarem Wasser durch Schädigung der DNA der Mikroorganismen. Wesentlich für eine effektive UV-Behandlung ist, dass die zu behandelnde Schichtdicke möglichst klein ist, da die Eindringtiefe dieser Strahlung in Emulsionen äußerst gering ist. Die UV-Behandlung ist ein etabliertes Entkeimungsverfahren für klares Wasser und Oberflächen von Verpackungen. Problematisch gestaltet sich die Keimreduktion jedoch, wenn die zu behandelnde Flüssigkeit trüb ist und/oder, wie bei KSS, eine Mischung oder Emulsion. Die Schichtdicken, in denen das Fluid entkeimt werden kann, werden mit zunehmender Verschmutzung immer geringer. Dadurch verringert sich bei bestehenden Bestrahlungsvorrichtungen der zu entkeimende Volumenstrom immer weiter. Die UV-Behandlung ist demnach für trübe Flüssigkeiten wie Emulsionen nicht geeignet. Besonders bei verunreinigten KSS ist die Eindringtiefe der UV-Strahlen dafür zu gering.
Aus der DE 33 32 561 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem bakterizid wirkende Kupferionen elektrolytisch in den KSS eingebracht werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die einfache Bedienung. Die elektrolytische Behandlung von KSS-Emulsionen mit Kupferanoden hat aber den Nachteil, dass Kupfer nicht nur gute bakterizide Eigenschaften aufweist, sondern auch toxisch für den Menschen ist. Dieses Verfahren hat somit keinen Vorteil gegenüber der Verwendung von Bioziden zur Konservierung von KSS.
Aus der Wasseraufbereitung sind Verfahren zur chemischen Reduktion der Keime durch Halogenierung (Zugabe von z.B. Chlor, Brom, Jod), Ozonierung oder Zugabe von biozid wirkenden Substanzen wie Silber, Kupfer und weiteren handelsüblichen Bioziden bekannt (siehe z.B.: http://www.bayern.de/wwa-ab/technik/Wv/ Waufbereit/aufbereit.htm#sonst). Nicht alle der beschriebenen Chemikalien und Verfahren sind jedoch für KSS sinnvoll einsetzbar. Viele chemische Verfahren sind nachteilig, da sie auf die komplexe Struktur der KSS Einfluß nehmen können. Ein Überschuß an Halogenen oder Ozon im KSS würde die verschiedenen organischen Verbindungen, die im Kühlschmierstoff enthalten sind, teilweise oder vollständig oxidieren.
Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, bei dem Wasser elektrolytisch gespalten wird (Firmeninfo: Mall Neutra). Die elektrolytische Spaltung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff ist nicht unproblematisch. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Emulsion durch die stattfindende Reaktion gespalten werden kann. Außerdem ist die Bildung von Knallgas sicherheitstechnisch bedenklich. Ein merklicher Effekt hinsichtlich der Keimabtötung ist für dieses Verfahren darüber hinaus aber nicht beschrieben.
Die DE 101 38 113 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Verwendungszeit von Kühlschmierstoffen, bei dem durch Erhitzung des Kühlschmierstoffes darin enthaltene Keime inaktiviert werden. Die Erhitzung erfolgt unter Einsatz eines Wärmetauschers, wobei auch ein zusätzlicher Wärmetauscher zur Wärmerückführung aus dem bereits erhitzten Kühlschmierstoff eingesetzt wird. Auch bei einem weiteren Verfahren, wie es bspw. von der Fa. D.A. Stuart bekannt ist, wird der KSS in einem Wärmetauscher erhitzt und dadurch von den Keimen befreit. Der Nachteil der Erhitzung von thermisch labilen Emulsionen in konventionellen Wärmetauschern besteht allerdings darin, dass zum Erreichen der gewünschten Medium-Endtemperatur stets Übertemperaturen an den Wärmetauscherflächen erforderlich sind. Die Übertemperaturen der Wärmetauscherflächen gegenüber der angestrebten Medium-Endtemperatur liegen in der Regel zwischen 10 und 50 K und verursachen eine Reihe von unerwünschten Effekten. Zum einen entstehen an den Wärmetauscherflächen Überhitzungen, an denen bestimmte Salze wie zum Beispiel Karbonate ausfallen können. Derartige Ausfällungen können zu Verkrustungen an den Wärmetauscherflächen führen, dem sogenannten Scaling. Die Wärmetauscherflächen müssen von diesen Verkrustungen in regelmäßigen Zeitabständen gereinigt werden, was Kosten verursacht. Darüber hinaus können an den heißen Wärmetauscherflächen auch Fouling-Effekte auftreten, wodurch weiche Beläge entstehen. Weiche Beläge können bei Emulsionen durch Anlagerungen von freien Ölen und durch Ablagerungen von anderen Substanzen der KSS wie z.B. von Emulgatoren oder von anderen Additiven hervorgerufen werden. Die Übertemperaturen können zudem eine thermische Schädigung des eingesetzten KSS bewirken. Eine der Ursachen dafür ist, das die Wandtemperaturen mindestens 10 Kelvin heißer sein müssen als die erforderliche Entkeimungstemperatur. Wenn z.B. eine Temperatur von 75 °C benötigt wird, um den KSS zuverlässig zu entkeimen, sollte die Wandtemperatur der Wärmetauscher mindestens 85 °C betragen. In der Praxis werden noch höhere Übertemperaturen realisiert, um mit kleinen Wärmetauschern auszukommen. Bei Temperaturen von 85 °C oder höher können aber schon nach kurzer Behandlungsdauer deutliche Produktschädigungen auftreten. Die KSS können dann bereits nach wenigen Entkeimungs- und Reinigungszyklen ihre Gebrauchseigenschaften verlieren.
Aus der DE 37 10 156 A1 ist eine Vorrichtung zur Behandlung von in Krankenhäusern anfallendem Infektionsmüll mit Hilfe von Mikrowellen bekannt. Aus dieser Druckschrift, die allerdings ein vollständig anderes Anwendungsgebiet als das des vorliegenden Verfahrens betrifft, kann die grundsätzliche Möglichkeit einer Entkeimung durch Mikrowelleneinstrahlung entnommen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Verkeimung von gebrauchten und verunreinigten KSS auch ohne den Einsatz von Bioziden effizient reduziert werden kann. Das Verfahren sollte die KSS schonend behandeln, Scaling und Fouling weitgehend vermeiden und stabile Prozeßeigenschaften gewähren.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird der Kühl- und Schmierstoff oder eine daraus erhaltene Fraktion durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung erhitzt, die vom flüssigen Medium absorbiert und in Wärme umgesetzt wird. Die Wärme wird durch die Absorption der Strahlung direkt im flüssigen Medium, d.h. dem Kühl- und Schmierstoff oder der daraus erhaltenen Fraktion, erzeugt. Geeignet sind beispielsweise Mikrowellen-(MW), Infrarot-(IR-) oder Hochfrequenz-(HF-) Erhitzung. Dem Fachmann sind die für diese technischen Anwendungen benötigten Wellenlängen- und Frequenzbereiche bekannt. Die Erhitzung erfolgt dabei bis auf die Entkeimungstemperatur, bei die Anzahl der im flüssigen Medium enthaltenen Keime reduziert wird. Durch eine gezielte Vorbehandlung des flüssigen Mediums werden eine Verteilung von Partikelgrößen und/oder eine Partikelkonzentration und/oder eine Materialzusammensetzung der Partikel im flüssigen Medium erhalten, die zur Steigerung der Wärmeerzeugung und/oder des Wärmeüberganges zwischen dem flüssigen Medium vor der Erhitzung und dem bereits erhitzten flüssigen Medium beitragen.
Unter flüssigem Medium werden in der vorliegenden Patentanmeldung selbstverständlich auch zähflüssige Medien, wie bspw. schlammige Substanzen, die sehr viele Feststoffpartikel enthalten können, verstanden.
Ein Vorteil des eingesetzten Erhitzungsverfahrens ist, dass die Wärme durch Energieumwandlung direkt im zu erwärmenden Produkt – in diesem Falle direkt im KSS – erzeugt wird. Übertemperaturen an heißen Wärmetauscherflächen sind dabei nicht erforderlich, da die maximale Temperatur des Prozesses direkt im KSS erzeugt wird. Probleme mit Produktschädigungen, Belägen und Verkrustungen wie bei bekannten thermischen Verfahren können somit auf ein Mindestmaß reduziert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Energie durch ein Mikrowellenfeld in den KSS eingebracht, wobei das Mikrowellenfeld durch ein oder durch mehrere Mikrowellen-Magnetrons erzeugt werden kann. Der KSS kann batch-weise in einem geeigneten Gefäß im Mikrowellenfeld erhitzt werden. Es ist auch möglich den KSS im Mikrowellenfeld in einem Durchflußsystem, bspw. in einem offenen Kanal oder in einem geeigneten Strömungsvolumen oder Durchlaufbehältnis (z.B. Rohr, Schlauch), zu erhitzen. Weitere Vorteile können erreicht werden, wenn die Geometrien der offenen Strömungskanäle, Durchlauferhitzer oder der Batch-Gefäße an die Eigenschaften, Energiedichten und Geometrien des Mikrowellenfeldes spezifisch angepaßt werden. Variiert werden können dabei das Volumen und die geometrische Form des Gefäßes (z.B. Quader, Kugel, Torso, Zylinder, Kegel, ... oder Kombinationen aus verschiedenen Teilen derartiger Formen). Weiterhin können die durchströmten Querschnitte optimiert und an die Eindringtiefe des Mikrowellenfeldes angepaßt werden. Weitere komplexere Geometrien zur Optimierung des Energieeintrages sind selbstverständlich möglich.
Als besonders vorteilhaft erwiesen hat sich die Nutzung einer Mikrowellenanlage in Verbindung mit einer Vorwärmung des KSS durch den erhitzten KSS zur Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauscher. Dabei können alle handelsüblichen Wärmetauscherbauarten zum Einsatz kommen. Die Kombination Vorerwärmung/Wärmerückgewinnung mit der Enderwärmung durch eine MW-Anlage verbessert die Energieausbeute und vermeidet gleichzeitig die hohen Übertemperaturen einer rein konventionellen Erwärmung. Die maximalen Wandtemperaturen des Vorwärmungs-Wärmetauschers sind bei dieser Vorgehensweise immer niedriger, als die maximale Temperatur des KSS, die für die Entkeimung im Mikrowellenfeld direkt im KSS erzeugt wird. Insbesondere lassen sich bei dieser Ausgestaltung schon MW-Anlagen kleiner Leistung für die Entkeimung großer Durchflussmengen an KSS einsetzen.
Anwendung findet die KSS-schonende durchdringende Erhitzung des KSS im Temperaturbereich von 45 bis 140°C, insbesondere im Temperaturbereich von 70°C – 90°C.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Feinstpartikel aus Metallspänen, Kohlenstoffpartikel, Schneidkorn und weitere feste Verunreinigungen, die kleiner als 1 mm im Durchmesser sind, vorteilhafterweise < 200 μm, besonders vorteilhaft < 100 μm, nicht vor der thermischen Behandlung aus dem KSS abgetrennt. Überraschenderweise hat sich hierbei gezeigt, dass die Mikrowellenabsorption im Mikrowellenfeld bei verunreinigten KSS, die die genannten Partikel enthalten, bis zu 20 % höher ist als die Mikrowellenabsorption in sauberen KSS. Dieser Umstand wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens genutzt, bei der die Fremdöle und die groben festen Verunreinigungen, z. B. große Späne > 1 mm Länge, weitere Abfälle wie Zigarettenkippen, Glas, Metall, Kunststoff u.a., vor der Behandlung aus dem verunreinigten KSS durch ein mechanisches Trennverfahren abgetrennt werden und die feinen Verunreinigungen mit Abmessungen < 1 mm, besser < 200 μm, am besten < 100 μm, gezielt im KSS belassen werden, um die Mikrowellenabsorption im MW-Feld zu optimieren. Damit kann je nach verarbeitetem Material und der erhaltenen Spangröße und je nach verwendetem zerspanendem Material wie Schneid/Schleifkorn oder Hartmetall ein Optimum aus Partikelgröße und Partikelkonzentration eingestellt werden, um die Mikrowellenabsorption und damit die pro Flächeneinheit übertragbare Energiemenge zu optimieren. In einem der Ausführungsbeispiele ist dargestellt, wie sich verschiedene Materialien und Materialkonzentrationen auf die Energieausbeute in einem Mikrowellenfeld auswirken können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden – wie es aus der Technologie der Wirbelschicht-Wärmetauscher bekannt ist – Form, Größe und Material der Partikel, die nach einer mechanischen Vorreinigung im KSS belassen werden, an die Strömungsverhältnisse des Wärmetauschers angepaßt, der zur Wärmerückgewinnung genutzt wird. Dabei hat sich gezeigt, dass feststoffhaltige KSS im Wärmetauscher eine Verbesserung des Wärmeübergangs bewirken können. Dies kann durch gezielte Einstellung von Partikelgrößenverteilung, Materialauswahl und Partikelkonzentration vor der Vorwärmung erreicht werden. Zur Einstellung der geeigneten Parameter (Partikelgröße, -material, -konzentration, usw.) bedient sich der Fachmann verfahrenstechnischer Trenntechniken nach dem Stand der Technik. So bieten sich diverse Fest-Flüssig-Trennverfahren an, um Partikelgrößen gezielt anzureichern. Klassiertechniken, Schwimm-Sink-Verfahren oder z.B. magnetische Trennverfahren können helfen, verschiedene Materialfraktionen voneinander zu trennen. Derartige Verfahrensgestaltungen sind dem Fachmann bekannt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Form, Größe und Material der Partikel, die nach einer mechanischen Vorreinigung im KSS verbleiben, zunächst auf die Vorwärmung optimiert und danach auf die Mikrowellenerwärmung angepaßt. So kann bspw. zunächst eine mechanische Vorbehandlung durchgeführt werden, die v.a. Partikel im KSS beläßt, die besonders gute Eigenschaften im Mikrowellenfeld und im Wärmetauscher aufweisen. Nach der Vorwärmung werden dann die Partikel abgetrennt, die im Wärmetauscher von Vorteil sind, und es werden nur die Partikel im KSS belassen, die für die Optimierung des Mikrowelleneintrags erforderlich sind.
Einige Mikroorganismen sind in der Lage, Sporen zu bilden, die sehr hitzeresistent sind. Nach dem ersten Erhitzen können die Sporen auskeimen und den KSS erneut verkeimen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird dieser Effekt genutzt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt mit dem eingesetzten Erhitzungsverfahren eine Aktivierung der Sporen bewirkt. Keime, die keine Sporen bilden können, werden dabei abgetötet. Nach Einstellung geeigneter Bedingungen zur Auskeimung der Sporen (Temperatur-Zeit-Fenster) wird der KSS erneut mit dem eingesetzten Erhitzungsverfahren erhitzt. Ausgekeimte Sporen werden in diesem zweiten Schritt abgetötet.
Der KSS kann direkt oder – durch einen zweiten Wasserkreislauf indirekt – auch zur Kühlung eines oder mehrerer wassergekühlter Magnetrons verwendet werden und dabei vorgewärmt werden. Es ist auch möglich, ein oder mehrere luftgekühlte Magnetrons zu verwenden und die erwärmte Luft zur Vorwärmung des KSS zu nutzen. Ähnliche Möglichkeiten zur Vorwärmung des KSS ergeben sich auch bei der Nutzung von Abwärmequellen bei Infrarot- oder HF-Anlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so eingesetzt werden, dass der KSS erhitzt und der keimreduzierte KSS in abgekühltem Zustand oder noch heiß in einen gereinigten Behälter gegeben wird. Auf diese Weise ist die Gefahr der Rückverkeimung am geringsten.
Weiterhin ist möglich, den KSS nach der Erhitzung noch in heißem Zustand durch die noch verunreinigten Rohrleitungen der Maschine und in den Auffangbehälter zurück zu fördern. Dabei können auch die Rohrleitungen, die Maschine und der KSS-Behälter entkeimt werden. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren in einen KSS-Kreislauf in einem großen Bearbeitungsbetrieb zu integrieren. Dies kann über einen Bypass-Betrieb realisiert werden, wobei immer nur ein Teilstrom entkeimt wird. Sinnvollerweise sollte jedoch immer der gesamte KSS-Strom behandelt werden, da sonst die Effekte der Rückverkeimung dominieren.
Eine weitere besonders geeignete Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, KSS-Konzentrate herzustellen oder KSS gezielt mit Stoffen zu versetzen, die zu einer erhöhten Absorption der MW-Energie im KSS führen. Ggf. können Aktivkohle, Metallspäne, organische oder anorganische Salze, SiC-Partikel oder ähnliche Partikel, Kolloidale Stoffe oder in KSS lösliche Stoffe zugegeben werden. Salze verändern die Leitfähigkeit des Wassers und die dielektrischen Eigenschaften der Konzentrate und damit auch der wasserhaltigen KSS.
Eine zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ausgebildete Vorrichtung umfasst zumindest eine Erhitzungseinrichtung mit einer Bestrahlungseinheit zur Erhitzung des Kühl-und Schmierstoffes durch Strahlungsabsorption, eine vor der Erhitzungseinrichtung angeordnete Fraktioniereinrichtung zur mechanischen Fraktionierung von partikulären Verunreinigungen aus dem zugeführten Kühl- und Schmierstoff, eine Pumpeinrichtung für den Transport des Kühl-und Schmierstoffes durch die Erhitzungseinrichtung, eine Temperatur-Messeinrichtung zur Messung der Temperatur des aus der Erhitzungseinrichtung austretenden, erhitzten Kühl- und Schmierstoffes, eine Temperatur-Regelungseinrichtung zur Regelung der Temperatur des aus der Erhitzungseinrichtung austretenden, erhitzten Kühl- und Schmierstoffes durch Steuerung einer Pumpleistung der Pumpeinrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur, und einen Wärmetauscher zur Vorwärmung des Kühl- und Schmierstoffes mit dem aus der Erhitzungseinrichtung austretenden, erhitzten Kühl- und Schmierstoff.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus mechanischer Vorbehandlung zur Fraktionierung und/oder Größe/Dichte-Trennung der Partikel mit anschließender Vorwärmung mit konventionellem Wärmetauscher und anschließender MW-Erwärmung. Die Mikrowelle kann ein handelsüblicher MW-Durchlauferhitzer sein oder ein Mikrowellenofen, in dem sich ein Schlauch, ein Rohr oder ein. anderer geometrischer Körper befindet, der mit dem gebrauchten, verunreinigten KSS durchströmt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz beschrieben. Hierbei zeigen:
1 die Änderung der Mikrowellenabsorption bzw. des Energieeintrages von unterschiedlich verunreinigten KSS im Vergleich zu reinem KSS; und
2 ein Schema einer beispielhaften Vorrichtung zur Keimreduktion auf Basis einer MW-Erwärmung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In einem ersten Beispiel werden zum Nachweis der Keimreduktion mit dem vorliegenden Verfahren 12 Liter eines verkeimten KSS mit einer aeroben Gesamtkeimzahl von 10⁷ KBE/ml mittels einer Schlauchquetschpumpe durch einen handelsüblichen Mikrowellenofen (max. Leistungsaufnahme 1.300 W) gefördert. Die maximale Temperatur nach der MW-Erwärmung lag bei 83,5 °C, die mittlere Verweilzeit bei dieser Temperatur lag bei 30 Sekunden. Mittels Plattenwärmetauscher konnte eine Wärmerückgewinnung erreicht werden. Im behandelten KSS waren anschließend keine Keime mehr nachweisbar (<10 KBE/ml).
Ein zweites Beispiel zeigt die Steigerung der Mikrowellenabsoption durch Feststoffpartikel im KSS. Es wurden 9 Probenchargen hergestellt. Jede Probencharge bestand aus 10 Einzelproben mit jeweils 100 ml eines frisch zubereiteten wassermischbaren Kühlschmierstoffes. Alle Proben der ersten Probencharge wurden für jeweils 40 Sekunden bei voller Leistungsaufnahme des Mikrowellenofens (1300 W) in einem handelsüblichen Mikrowellenofen erwärmt. Die Temperaturerhöhung jeder Probe wurde bestimmt und aus allen Proben wurde der arithmetische Mittelwert gebildet. Dieser Wert wurde als Bezugsgröße definiert (100 % Energieeintrag). Die anderen Probenchargen wurden mit Partikeln aus Aktivkohle (Ak), Siliziumkarbid (SiC) bzw. Eisen (Fe) zwischen 0,2 % und 10 % verunreinigt. Die Partikel hatten eine Größenverteilung von 5 μm bis 200 μm. Die Erwärmung der verunreinigten Probenchargen erfolgte analog zur ersten Charge. Der erreichte Energieeintrag in den verunreinigten KSS Proben ist im Vergleich zu dem Energieeintrag im reinen KSS in der 1 dargestellt.
Es fällt auf, dass eine Verunreinigung des KSS mit höheren Konzentrationen an SiC, Ak und Fe eine Verbesserung des Energieeintrags bzw. eine bessere MW-Absorption in den Proben um bis zu 20 % erreicht werden kann. Selbst Konzentrationen von nur 0,2 % bewirken je nach Stoff bereits eine Steigerung des Energieeintrages von bis zu 2 %. Es erscheint daher besonders zweckmäßig, Feinstpartikel, die in gebrauchten KSS immer enthalten sind, nicht vollständig vor der Mikrowellenerwärmung aus dem KSS abzutrennen, sondern vielmehr eine möglichst hohe Konzentration im KSS zu belassen. Nur die größeren Partikel, die zu Verstopfungen führen können, sollten vor der Erwärmung abgetrennt werden.
2 zeigt schematisch ein Beispiel für die vorliegende Vorrichtung zur Mikrowellen-Entkeimung mit vorgeschalteter Partikelfraktionierung und Wärmerückgewinnung. Der verunreinigte KSS wird aus dem Vorlagebehälter 1 zunächst durch eine Fraktioniereinrichtung 8 zur mechanischen Fraktionierung von partikulären Verunreinigungen geleitet, in der er durch mechanische Fraktionierung von groben Verunreinigungen befreit wird. Der KSS durchläuft dann einen Wärmetauscher 2 zur Vorwärmung/Wärmerückgewinnung durch bzw. aus dem bereits erhitzten KSS. Nach dem Wärmetauscher 2 gelangt der nun vorgewärmte KSS in das Mikrowellenfeld eines Mikrowellenofens 3, in dem er auf Entkeimungstemperatur erhitzt wird. Der KSS verweilt eine gewisse Zeit auf dieser Temperatur und gelangt schließlich wieder durch den Wärmetauscher 2 in das Auffangbehältnis 4 für entkeimten KSS. Alternativ kann der KSS auch wieder in den Vorlagebehälter 1 zurück befördert werden. Die Endtemperatur nach der MW-Erwärmung wird mit einer Temperaturmesseinrichtung 5 überwacht. Eine Temperaturregelung 6 regelt diese Temperatur durch Ansteuerung der Pumpe 7 über die Durchflußmenge des KSS durch den Mikrowellenofen 3.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Verfahren zur Behandlung von verunreinigten, wasserhaltigen Kühl- und Schmierstoffen, bei dem der Kühl- und Schmierstoff oder eine daraus erhaltene Fraktion ein flüssiges Medium bildet, das zur Reduzierung von enthaltenen Keimen erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt, die vom flüssigen Medium absorbiert wird, wobei durch eine gezielte Vorbehandlung des flüssigen Mediums eine Verteilung von Partikelgrößen und/oder eine Partikelkonzentration und/oder eine Materialzusammensetzung der Partikel im flüssigen Medium erhalten werden, die zur Steigerung der Wärmeerzeugung und/oder des Wärmeüberganges zwischen dem flüssigen Medium vor der Erhitzung und dem bereits erhitzten flüssigen Medium beitragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium vor der Erhitzung mit bereits erhitztem flüssigen Medium vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung in zwei Stufen erfolgt, wobei in einer ersten Stufe vor der Vorwärmung des flüssigen Mediums mit dem bereits erhitzten flüssigen Medium eine Optimierung im Hinblick auf den Wärmeübergang zwischen dem flüssigen Medium vor der Bestrahlung und bereits erhitztem flüssigen Medium durchgeführt wird und nach der Vorwärmung in einer zweiten Stufe eine Optimierung im Hinblick auf die Absorption der elektromagnetischen Strahlung im flüssigen Medium erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung mit Mikrowellenstrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium in einem Erhitzungsvolumen erhitzt wird, dessen Geometrie an eine Strahlungsverteilung der elektromagnetischen Strahlung angepasst ist, um eine räumlich gleichmäßige Wärmeerzeugung im flüssigen Medium zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium durch die Erhitzung auf Temperaturen zwischen 45°C und 140°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem flüssigen Medium vor der Erhitzung mit einem mechanischen Trennverfahren Feststoffpartikel mit einer Größe > 1 mm und/oder > 200 μm und/oder > 100 μm abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Erhitzungsschritte durchgeführt werden, wobei das flüssige Medium nach einem ersten Erhitzungsschritt für eine bestimmte Zeit in einem Temperaturbereich gehalten wird, der eine Auskeimung hitzebeständiger Sporen begünstigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium vor der Erhitzung mit Abwärme aus Komponenten für die Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Medium vor der Erhitzung Stoffe zugegeben werden, die die Absorption der elektromagnetischen Strahlung erhöhen.