Kühlschmierstoff-Pflege: pH-Wert, Mikrobiologie und Fremdölkontrolle

Ein wassermischbarer Kühlschmierstoff ist von dem Augenblick an, in dem er in die Werkzeugmaschine eingefüllt wird, ein lebendes System: Wasser verdunstet, Öl dringt ein, Späne sammeln sich an und Mikroorganismen nutzen die Emulsion als Nährstoffquelle. Dieser Ratgeber behandelt die drei Kontrollparameter, die die Badstandzeit bestimmen: pH-Wert, mikrobielle Belastung und Fremdöl. Zu jedem davon werden Messverfahren, Schwellenwerte und die Reihenfolge des Eingreifens dargestellt. Ansetzen der Mischung und Produktauswahl werden gesondert in den Ratgebern Kühlschmierstoff-Arten und Konzentration und Ansetzen der Mischung behandelt.

1. Der Mechanismus der Zersetzung

Die Emulsion besteht aus Wasser, mineralischem oder esterbasiertem Öl, Emulgator, Korrosionsschutzmittel und Alkalireserve. Die meisten dieser Bestandteile sind für Bakterien und Pilze eine unmittelbare Kohlenstoffquelle. Mit zunehmender Vermehrung verbrauchen die Mikroorganismen Emulgator und Korrosionsschutzmittel; die dabei entstehenden organischen Säuren neutralisieren die Alkalireserve. Das Ergebnis läuft als Kette ab: Der pH-Wert sinkt, der Korrosionsschutz schwächt sich ab, die Emulsion trennt sich und es entsteht Geruch.

Die Bedingungen, die das Wachstum beschleunigen, sind bekannt. Niedrige Konzentration, an der Oberfläche angesammeltes Fremdöl, feine Späne am Behälterboden, eine Medientemperatur deutlich über der Umgebungstemperatur sowie stagnierende Bereiche (Totstellen, wenig genutzte Leitungen) können die mikrobielle Belastung in kurzer Zeit erhöhen. Die HSE empfiehlt, bei der Anlagenauslegung Abschnitte ohne Durchfluss zu beseitigen, andernfalls wöchentlich zu spülen, und bei einer Medientemperatur deutlich über der Umgebungstemperatur eine Kühlung zu prüfen.

Die Pflege des Kühlschmierstoffs ist keine Aufgabe der Chemikalienzugabe, sondern eine Aufgabe der Reinhaltung und der Strömungsführung. Chemische Eingriffe ohne mechanische Maßnahmen führen zu keinem dauerhaften Ergebnis.

2. pH-Wert: Arbeitsbereich und Bedeutung eines Abfalls

Für den überwiegenden Teil der wassermischbaren Produkte wird ein Arbeitsbereich von pH 8,4–9,2 angegeben. Wird die untere Grenze unterschritten, schwächt sich der Korrosionsschutz ab und es entsteht zugleich ein für mikrobielles Wachstum günstiges Milieu. Wird die obere Grenze überschritten, steigt bei Aluminium und Aluminiumlegierungen das Risiko dunkler Verfärbungen, übermäßiger Schaumbildung und von Hautreizungen.

Aussagekräftiger als der Absolutwert einer einzelnen Messung ist der Trend. Zeigt sich in den wöchentlichen Aufzeichnungen ein einseitiger und stetiger Abfall, ist es irreführend, dass der Wert am Messtag noch innerhalb des Bereichs liegt. In den Veröffentlichungen von Blaser Swisslube werden als Hauptursachen eines starken pH-Abfalls eine zu niedrige Emulsionskonzentration und ein hoher Fremdöleintrag genannt; ein plötzlicher pH-Anstieg ist dagegen meist ein Anzeichen für den Eintrag alkalischer Reinigungsmittel.

Bei der pH-Messung besteht ein praktischer Unterschied zwischen Teststreifen (Indikatorpapier) und digitalem pH-Meter. Der Teststreifen ist schnell und günstig, doch Farbe der Emulsion und Ölfilm mindern die Ablesegenauigkeit; kleine Veränderungen werden nicht zuverlässig abgebildet. Ist eine Trendverfolgung vorgesehen, wird ein kalibriertes digitales pH-Meter bevorzugt.

3. Mikrobiologie: Bakterien, Pilze und Biofilm

Im System finden sich drei Gruppen von Organismen. Aerobe Bakterien vermehren sich im sauerstoffhaltigen Milieu rasch und sind die Gruppe, die die Emulsion zuerst zersetzt. Anaerobe Bakterien, insbesondere sulfatreduzierende, treten in Erscheinung, sobald der Sauerstoff aufgezehrt ist, und bilden Schwefelwasserstoff (H₂S), der den Geruch nach faulen Eiern erzeugt. Pilze und Hefen wiederum verbrauchen die Korrosionsschutzmittel, verursachen Schimmelgeruch und bilden gallertartige Verstopfungen in Schläuchen, Filtern und Düsen.

Der an den Behälterwänden angelagerte Biofilm ist deutlich widerstandsfähiger als frei schwimmende Zellen. Die Zellen im Biofilm sind gegenüber Bioziden erheblich geschützt; deshalb führt in einem System mit ausgebildetem Biofilm eine chemische Zugabe allein zu keinem Ergebnis und eine mechanische Reinigung wird zwingend. Auch der am Behälterboden angesammelte Schlamm ist ein sauerstofffreies und nährstoffreiches Wachstumsbett.

Der Geruch am Montagmorgen

Stehen die Maschinen am Wochenende still, wird die Zirkulation unterbrochen. Der Fremdölfilm auf der Oberfläche behindert den Sauerstoffübergang, der gelöste Sauerstoff ist innerhalb weniger Stunden aufgezehrt und die anaerobe Population wird vorherrschend. Der scharfe Geruch, der am Montagmorgen beim Öffnen der Abdeckung wahrgenommen wird, ist das Entweichen des über das Wochenende gebildeten Schwefelwasserstoffs. Der Geruch ist kein ästhetisches Problem, sondern ein unmittelbarer Hinweis darauf, dass das System sauerstofffrei geblieben ist.

4. Messprogramm und Schwellenwerte

Der Leitfaden MW5 der HSE definiert einen praktikablen Überwachungsplan für wassermischbare Medien. Die folgende Tabelle fasst diesen Plan, die Messmittel und die zugehörigen Referenzwerte zusammen; der pH-Bereich stammt aus dem Produktmerkblatt, der Nitritgrenzwert aus TRGS 611.

Der Tauchnährboden ist ein Plättchen, dessen beide Seiten mit unterschiedlichen Nährmedien beschichtet sind: eine Seite ist für allgemeine Bakterien, die andere für Pilze und Hefen ausgelegt. Das Plättchen wird in das Medium getaucht, der Überschuss abtropfen gelassen, im verschlossenen Röhrchen bebrütet und die Dichte der gewachsenen Kolonien im Vergleich mit der Herstellerkarte auf logarithmischer Skala abgelesen. Vor der Probenahme ist der Behälter zu durchmischen; andernfalls überzieht das Fremdöl an der Oberfläche das Plättchen und lässt das Ergebnis zu niedrig erscheinen. Die HSE empfiehlt, alle Messergebnisse mindestens fünf Jahre aufzubewahren und zur Erkennbarkeit des Trends in eine Tabelle oder ein Diagramm einzutragen.

5. Fremdöl: Quelle, Wirkung und Abscheidung

Fremdöl ist Öl, das von außen in das System gelangt und nicht Bestandteil der Emulsion ist. Die Hauptquellen sind Bett- und Bahnöle, Hydrauliköl, Getriebeöl und vom Werkstück stammende Schutzöle. Es bildet einen dünnen Film auf der Oberfläche und unterbindet den Sauerstoffübergang; dies ist der stärkste Auslöser anaeroben Wachstums. Darüber hinaus verbraucht es den Emulgator, destabilisiert die Emulsion, verstärkt die Nebelbildung und verfälscht die Ergebnisse der Tauchnährböden.

Das Abstellen der Quelle ist stets die günstigste Lösung: Die Überprüfung der Zuführhäufigkeit des Bahnöls, die Erneuerung der Dichtelemente und ein ölfreier Zulauf des Werkstücks in die Maschine senken den Fremdöleintrag unmittelbar.

6. Späne, Feinstpartikel und Filtration

Grobe Späne sammeln sich am Behälterboden, belasten die Pumpe und bilden zugleich ein sauerstofffreies Bett. Feinstpartikel (Fines) bleiben dagegen in Schwebe, wirken an der Schneidkante abrasiv und mindern die Oberflächengüte. Die HSE beschreibt, dass Feinstpartikel mit Zentrifugen, Filtrationsanlagen oder, bei Eisenwerkstoffen, mit Magnetabscheidern zu entfernen sind, grobe Späne dagegen mit geeigneten Hilfsmitteln wie Bürste und Schaufel, bei stillgesetzter Maschine und mit geeigneten Handschuhen. Ein Entfernen der Späne von Hand wird wegen der Schnittgefahr nicht empfohlen.

Die regelmäßige Kontrolle von Filtern und Sieben auf Verstopfung ist für die mikrobielle Kontrolle ebenso wichtig wie für die Kontinuität der Strömung: Das stagnierende Volumen hinter einem verstopften Filter ist ein idealer Bereich für Biofilm. Eine übermäßige Belastung mit Feinstpartikeln verkürzt außerdem die Standzeit; der Mechanismus dieser Wirkung wird im Ratgeber Verschleißmechanismen von Werkzeugen ausführlich behandelt.

7. Belüftung und Stillstandsmanagement

Sauerstoff ist die günstigste Chemikalie gegen anaerobes Wachstum. Die Aufrechterhaltung der Zirkulation erneuert den gelösten Sauerstoff und verhindert zugleich die Bildung stagnierender Bereiche. Bei längeren Stillständen ist es gängige Praxis, die Pumpe über eine Zeitschaltuhr mehrmals täglich laufen zu lassen. Auch eine Belüftung durch Einperlen von Druckluft wird eingesetzt; da ein hoher Luftvolumenstrom jedoch Schaum- und Nebelbildung verstärkt, ist Maß zu halten.

Aerosolexposition: Mit zunehmender Nebel- und Aerosolbildung steigt auch das Atemwegsrisiko. Für Aerosole von Metallbearbeitungsmedien insgesamt ist in der EU kein gemeinsamer Arbeitsplatzgrenzwert festgelegt. In den USA beträgt für Mineralölnebel der zulässige Expositionsgrenzwert der OSHA (PEL) 5 mg/m³, der von NIOSH empfohlene Grenzwert (REL) 5 mg/m³ als zeitgewichteter Mittelwert und 10 mg/m³ als Kurzzeitwert; der Schwellengrenzwert der ACGIH für Mineralöl schließt Metallbearbeitungsmedien dagegen aus seinem Geltungsbereich aus. Deshalb sind Belüftung und Nebelkontrolle gemeinsam zu planen; das Thema wird im Ratgeber Arbeitsschutz und Sicherheit bei Metallbearbeitungsmedien gesondert behandelt.

8. Einsatz von Bioziden und dessen Grenzen

Ein Biozid ist kein Produkt, das an die Stelle des Pflegeprogramms tritt, sondern dessen letzte Stufe. Der HSE-Leitfaden hält ausdrücklich fest, dass ein Biozid nicht zuzugeben ist, solange nicht sämtliche Punkte korrigiert sind: Konzentration, pH-Wert, Fremdölgehalt, Metallverunreinigung, Betriebstemperatur, Durchmischung und Strömung. Hält das Wachstum trotz dieser Korrekturen an, ist das Biozid ausschließlich in der vom Lieferanten angegebenen Dosierung und an einer Stelle mit hoher Turbulenz zuzugeben. Eine Überdosierung erhöht die Hautsensibilisierung und führt zur Selektion resistenter Populationen.

Auch die rechtliche Seite ist bestimmend. In der EU fallen Biozidprodukte unter die Biozidprodukte-Verordnung (EU) Nr. 528/2012; in Anhang V der Verordnung sind Konservierungsmittel für Metallbearbeitungsmedien unter der Produktart 13 („Schutzmittel für Bearbeitungs- oder Schneidflüssigkeiten“) aufgeführt. Das türkische Pendant ist die im Amtsblatt (Resmî Gazete) vom 31.12.2009, Nr. 27449 (4. Wiederholungsausgabe) veröffentlichte Biyosidal Ürünler Yönetmeliği (türkische Biozidprodukte-Verordnung); das Inverkehrbringen und die Verwendung nicht zugelassener Produkte sind unzulässig. Registrierung und Meldung von Chemikalien werden zudem im Rahmen der KKDİK-Verordnung (türkisches Pendant zu REACH), betriebliche Pflichten im Rahmen des Gesetzes Nr. 6331 über Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit (İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu) bewertet.

Formaldehydabspaltende Biozide (Formaldehyddepotstoffe) bilden ein eigenes Kapitel. Formaldehyd ist mit der Verordnung (EU) Nr. 605/2014 der Kommission in der harmonisierten Liste in Anhang VI der CLP-Verordnung als karzinogen der Kategorie 1B (H350) und mutagen der Kategorie 2 eingestuft; im selben Eintrag ist für die Hautsensibilisierung ein spezifischer Konzentrationsgrenzwert von 0,2 % angegeben, und diese Bestimmungen gelten seit dem 1. April 2015. Die aus dem abgespaltenen Formaldehyd erwachsende Einstufungs- und Kennzeichnungspflicht hat die Branche dazu bewogen, sich von derartigen Konservierungsmitteln abzuwenden. In der Praxis zeigen sich zwei Tendenzen: nicht formaldehydabspaltende alternative Konservierungsmittel und von vornherein bioresistent formulierte Produkte, die keine Zusätze am Behälterrand erfordern. Bei der Produktauswahl ist die Einstufung im Sicherheitsdatenblatt zu prüfen.

9. Behälterreinigung und Anlagendesinfektion

Die Reinigung der Anlage besteht nicht allein darin, das Medium abzulassen und neues einzufüllen. Solange der Biofilm auf den Oberflächen verbleibt, wird das frische Medium innerhalb einer Woche erneut verunreinigt. Der im HSE-Leitfaden MW3 beschriebene Ablauf ist folgender:

1. Der Systemreiniger wird zugegeben und über die vom Lieferanten angegebene Dauer umgewälzt.
2. Das Gemisch aus Medium und Reiniger wird abgelassen; verbliebenes Medium und Späne werden mechanisch entfernt.
3. Schlauchanschlüsse, Filter, Spritzschutzeinrichtungen und Fremdölabscheider werden gereinigt.
4. Ist die Anlage stark verschmutzt, wird ein zweiter Reiniger in warmem Wasser eingefüllt, über die angegebene Dauer umgewälzt und erneut abgelassen.
5. Frisches Medium wird in der vom Lieferanten empfohlenen Konzentration eingefüllt.
6. Nach einer Woche wird mit dem Tauchnährboden gemessen; liegt das Ergebnis unter 10.000 KBE/ml, bleibt die Anlage in Betrieb, andernfalls wird der Zyklus wiederholt.

Während der Reinigung ist die Verwendung eines Hochdruckwasserschlauchs so weit wie möglich zu vermeiden; der entstehende Nebel erhöht das Atemwegsrisiko. Bei nebelbildenden Arbeitsgängen ist Atemschutz mindestens der Klasse APF 20 (FFP3 oder gebläseunterstützt TH2) einzusetzen, bei geschlossenen großen Behältern sind die Verfahren für das Arbeiten in engen Räumen anzuwenden. Das abgelassene Medium und die Reinigungsabfälle gelten als gefährlicher Abfall; die Entsorgungsvorschriften werden im Ratgeber Korrosionsschutzmittel und Abfallentsorgung behandelt.

10. Tabelle Störung – Ursache – Abhilfe

11. Kostenwirkung der Badstandzeit

Der Anschaffungspreis des Kühlschmierstoffs ist nur ein kleiner Teil der Gesamtkosten. Ein vorzeitig verdorbener Behälterinhalt schlägt zurück als Kosten der Sonderabfallentsorgung, Arbeitsstunden für Entleerung und Reinigung des Behälters, Stillstandszeit der Maschine, erhöhter Biozidverbrauch, korrosionsbedingter Ausschuss und verkürzte Standzeit.

Eine regelmäßige Überwachung senkt diese Kosten auf zwei Wegen. Erstens erfasst die wöchentliche Aufzeichnung Probleme in einem noch korrigierbaren Stadium; der Kostenunterschied zwischen einer bei 10.000 KBE/ml ergriffenen Maßnahme und der bei 1.000.000 KBE/ml zwingend werdenden vollständigen Entleerung ist groß. Zweitens wird in Systemen mit Aufzeichnung der Medienwechsel nicht an den Kalender, sondern an die Messung gebunden.

Ein umsetzbares Programm besteht aus drei Punkten: ein einseitiges wöchentliches Aufzeichnungsblatt je Maschine, ein dauerhaft betriebsbereiter Zustand von Abstreifer und Filtration sowie die Sicherstellung der Zirkulation während der Stillstände. Die produktseitigen Optionen lassen sich in der Kategorie Chemie einsehen.

Quellen

• HSE — COSHH essentials for machining with metalworking fluids, MW5: Managing fluid quality (2021). hse.gov.uk/pubns/guidance/mw5.pdf
• HSE — COSHH essentials for machining with metalworking fluids, MW3: Sump cleaning — water-mix fluids (2021). hse.gov.uk/pubns/guidance/mw3.pdf
• OSHA — Permissible Exposure Limits: Annotated Table Z-1 (Vergleich von OSHA PEL, NIOSH REL und ACGIH TLV für Mineralölnebel). osha.gov/annotated-pels/table-z-1
• Regulation (EU) No 528/2012 concerning the making available on the market and use of biocidal products — Anhang V, Produktart 13 (Working or cutting fluid preservatives). eur-lex.europa.eu
• Commission Regulation (EU) No 605/2014 — Eintrag zu Formaldehyd in Anhang VI der CLP-Verordnung (Carc. 1B, Muta. 2; spezifischer Konzentrationsgrenzwert von 0,2 % für die Hautsensibilisierung). eur-lex.europa.eu
• ASTM E2275-24 — Standard Practice for Evaluating Water-Miscible Metalworking Fluid Bioresistance and Antimicrobial Pesticide Performance. astm.org
• Blaser Swisslube — Monitoring pH value and emulsion hardness (blaser.com) und Nitrite and microbial growth — Nitrit-Obergrenze nach TRGS 611 (blaser.com).
• Biyosidal Ürünler Yönetmeliği (türkische Biozidprodukte-Verordnung) — Resmî Gazete, 31.12.2009, Nr. 27449 (4. Wiederholungsausgabe). resmigazete.gov.tr