<?page no="1"?> Thomas Koch Mikrobiologie der Kühlschmierstoff ff e <?page no="3"?> Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe Dr. rer. nat. Thomas Koch Mit 21 Bildern und 3 Tabellen <?page no="4"?> Bei der Erstellung des Buches wurde mit großer Sorgfalt vorgegangen; trotzdem lassen sich Fehler nie vollständig ausschließen. Verlag und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Autoren dankbar. © 201 5 by expert verlag, Wankelstr. 13, D -71272 Renningen Tel.: + 49 (0) 71 59 - 92 65 - 0, Fax: + 49 (0) 71 59 - 92 65 - 20 E-Mail: expert@expertverlag.de, Internet: www.expertverlag.de Alle Rechte vorbehalten Printed in Germany Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. ISBN 978-3-8169-3171-3 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / www.dnb.de abrufbar. Bibliographic Information published by Die Deutsche Bibliothek Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available on the internet at http: / / www.dnb.de <?page no="5"?> Vorwort Kühlschmierstoffe (KSS) sind seit über einhundert Jahren ein wesentlicher Bestandteil in der industriellen Metallbearbeitung. Ihr Nutzen für den produktiven Zerspan- und Umformprozess ist unumstritten. Mit ihren primären Funktionen Kühlen, Schmieren und Spantransport leisten KSS einen wesentlichen Beitrag in der Fertigungspraxis, ihr Anteil an dem Bearbeitungsergebnis ist dem der Werkzeuge gleichzusetzen. Die Leistungsmerkmale und -fähigkeit eines Kühlschmierstoffes im Einsatz werden nicht nur allein durch seine Funktionalität bestimmt, sondern sind auch von der Pflege und der Transparenz in der Überwachung abhängig. Insbesondere bei wassergemischten KSS ist aufgrund der mikrobiellen Besiedlung der KSS ein umfassendes Maßnahmenkonzept angezeigt. Technische und hygienische Probleme beim Gebrauch von wassergemischten Kühlschmierstoffen, die ihren Ausgangspunkt im Befall und Wachstum von Mikroorganismen haben, gilt es auch heute noch bei der Anwendung wassergemischter KSS zu verhindern. Hier ist eine interdisziplinäre Betrachtung aus technischer und mikrobiologischer Sicht notwendig, um Kühlschmierstoffe zielführend einsetzen zu können. Das vorliegende Buch setzt diesen fachübergreifenden Ansatz praxisnah um. Neben der Auswertung von aktuellen und historischen Literaturquellen fließen veröffentlichte Erkenntnisse aus verschiedenen, vom Autor begleiteten, Forschungsvorhaben in das Buch ein und spiegeln den aktuellen Stand der Kenntnisse wider. Mein Dank gilt allen Menschen, die mich bei der Erstellung des Buchs begleitet und unterstützt haben, ganz besonders meiner Frau Sabine Beyer und meinen Eltern, die mir diesen Weg ermöglicht haben. Für die redaktionelle Unterstützung danke ich Frau Katia Münstermann. Bremen, Juni 2015 Dr. rer. nat. Thomas Koch <?page no="7"?> Inhaltsverzeichnis Vorwort .......................................................................................................................1 1 Allgemeiner Überblick, Anforderungen an Kühlschmierstoffe, historische Entwicklung................................................................................ 5 1.1 Anforderungen an Kühlschmierstoffe ............................................................... 5 1.2 Historie Fertigungstechnik................................................................................ 7 1.3 Historische Betrachtung des Kühlschmierstoff-Einsatz .................................... 9 2 Einführung in die Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe: Grundlagen zu Mikroorganismen.............................. 15 2.1 Grundlagen der Mikrobiologie ........................................................................ 15 2.2 Bakterien........................................................................................................ 16 2.2.1 Aufbau der Bakterienzelle .............................................................................. 16 2.2.2 Fähigkeiten der Bakterien .............................................................................. 19 2.3 Pilze ............................................................................................................... 22 2.3.1 Aufbau der Pilzzelle ....................................................................................... 22 2.3.2 Fähigkeiten der Pilze...................................................................................... 24 2.4 Mikrobielle Biofilme ........................................................................................ 25 2.4.1 Entstehung von Biofilmen .............................................................................. 25 2.4.2 Mikrobielles Leben im Biofilm......................................................................... 28 3 Mikrobielle Schädigung des Kühlschmierstoffs ....................................... 31 3.1 Einführung in die Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe .... 31 3.2 Mikrobieller Abbau von Kühlschmierstoff-Bestandteilen und der Einfluss auf die technische Qualität .................................................. 34 3.2.1 Mikrobieller Abbau der Mineralöl- und Kohlenwasserstoff-Bestandteile......... 34 3.2.2 Mikrobieller Abbau von weiteren Kühlschmierstoff-Bestandteilen .................. 37 3.3 Biofilme in Kühlschmierstoff-Anlagen............................................................. 41 4 Überwachungs- und Nachweisverfahren................................................... 46 4.1 Einleitung ....................................................................................................... 46 4.2 Vor-Ort-Methoden .......................................................................................... 47 4.2.1 Wahrnehmbare Veränderungen..................................................................... 47 4.2.2 pH-Wert-Messung .......................................................................................... 47 4.2.3 Kühlschmierstoff-Konzentration ..................................................................... 48 4.2.4 Test des Korrosionsschutzes von wassermischbaren Kühlschmierstoffen .... 48 4.2.3 Messung des Nitrat- / Nitrit-Gehalts ............................................................... 48 <?page no="8"?> 4.3 Monitoring mikrobieller Belastungen .............................................................. 49 4.3.1 ATP-Messung ................................................................................................ 49 4.3.2 Dip Slides....................................................................................................... 50 4.3.3 Bestimmung der Koloniebildendenden Einheiten KBE .................................. 51 4.3.4 Bestimmung der Most Probable Number MPN .............................................. 52 4.4 Molekularbiologische und chemisch-analytische Verfahren........................... 52 5 Mikrobiell induzierte Korrosion .................................................................. 55 5.1 Einleitung ....................................................................................................... 55 5.2 Mikrobiell induzierte Korrosion in Kühlschmierstoff-Anlagen.......................... 55 6 Gegenmaßnahmen....................................................................................... 61 6.1 Einleitung ....................................................................................................... 61 6.2 Pflegemaßnahmen, Systemreinigung ............................................................ 63 6.2.1 Ansatz der Gebrauchslösung, Pflegemaßnahmen......................................... 63 6.2.2 Anforderungen an die Auslegung der Kühlschmierstoff-Anlage, Beteiligung der Mitarbeiter ............................................................................. 64 6.2.3 Systemreinigung ............................................................................................ 65 6.3 Physikalische Verfahren zur KSS-Entkeimung .............................................. 66 6.3.1 Ultraviolette Bestrahlung ................................................................................ 66 6.3.2 Ultraschall ...................................................................................................... 66 6.3.3 Filtration ......................................................................................................... 67 6.3.4 Druck.............................................................................................................. 67 6.3.5 Hitze............................................................................................................... 67 6.3.6 Antimikrobielle Oberflächenbeschichtungen .................................................. 68 6.4 Chemische Konservierungsmittel zur Keimreduktion in wassergemischten Kühlschmierstoffen ...................................................... 69 6.4.1 Einleitung ....................................................................................................... 69 6.4.2 Anwendung von Bioziden............................................................................... 70 6.5 Zusammenfassung Gegenmaßnahmen......................................................... 72 Literatur ................................................................................................................... 74 Glossar .................................................................................................................... 86 <?page no="9"?> 5 1 Allgemeiner Überblick, Anforderungen an Kühlschmierstoffe, historische Entwicklung 1.1 Anforderungen an Kühlschmierstoffe In der Fertigungstechnik sind viele Umform- und Zerspanprozesse auf den Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) angewiesen. Die Prozesse weisen in der Regel einen hohen Energieeinsatz und -umsatz auf, welcher in der Scher-, Trenn- und Reibungsarbeit in der Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug darstellt und sich durch die Entwicklung großer Wärmemengen auszeichnet. Kühlschmierstoffe übernehmen in diesen Prozessen die fundamentalen Aufgaben der Wärmeabfuhr, die Reduzierung der Reibung durch Schmierung sowie in spanenden Prozessen den Transport der Späne aus der Zerspanzone. Kühlschmierstoffe werden nach DIN 51385 in drei Klassen eingeteilt: nichtwassermischbare, wassermischbare und wassergemischte Kühlschmierstoffe. Wassermischbare Kühlschmierstoffe bezeichnen ein KSS-Konzentrat, welches durch die Zugabe von Wasser in den Anwendungszustand wassergemischter KSS überführt wird. Wassermischbare KSS werden nach ihrem Lösungsverhalten weiterhin in zwei Gruppen unterteilt: Emulsionen und Lösungen. Emulgierbare KSS-Konzentrate enthalten in der Regel als Hauptbestandteil ein Grundöl (20-70%) auf mineralischer, synthetischer oder nativer Basis. Bei der Mischung mit Wasser bilden sie Emulsionen vom Typ Öl in Wasser (O/ W). Das heißt die wasserabstoßende, hydrophobe Phase Öl ist die innere Phase und wird vom Wasser, der äußeren Phase umgeben. Die Entstehung und Stabilität der Emulsion wird durch den Zusatz von Tensiden und Lösungsvermittlern ermöglicht und aufrechterhalten. Wasserlösliche Kühlschmierstoffe dagegen sind reine Lösungen. Sie sind, wie bspw. viele Salze nahezu unendlich mit Wasser verdünnbar. Ein typischer wassergemischter Kühlschmierstoff setzt sich aus einem Grundöl, Emulgatoren und Lösungsvermittlern (z.B. Fettalkohole, Aminoalkohole), Korrosionsschutz- (Fettsäuren, Amine, Borate) und weiteren Additiven wie Extreme Pressure-Zusätzen, Entschäumern oder Bioziden zusammen. Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffkonzentrate haben als Basissubstanz Mineralöle mit unterschiedlichem Raffinationsgrad, Hydrocracköle, Poly- -olefine oder synthetische Ester welche ebenfalls mit Additiven zur Leistungsverbesserung versetzt sein können. Sie verfügen über eine bessere Schmierwirkung und schlechtere Kühlwirkung als wassergemischte Kühlschmierstoffe [1]. Die ersten Verwendungen von Hilfsstoffen zum Kühlen und Schmieren der Bearbeitungsprozesse lassen sich bis zum Beginn des Maschinenzeitalters datieren. Für die Erfüllung der Primärfunktionen Kühlen, Schmieren sowie Spänetransport waren einfache Seifenwässer, natürliche Fette und Öle auf pflanzlicher oder tierischer Basis ausreichend. Mit den steigenden Anforderungen hinsichtlich der Bearbeitungsleistung und -qualität durch schnellere Prozesse und verbesserte Werkzeuge mussten die KSS jedoch weitere Aufgaben übernehmen. Kühlschmierstoffe verfügen aktuell über eine Vielzahl von Sekundäranforderungen, welche durch die Zumischung von spezifisch wirkenden Additiven erreicht werden. Insbesondere sind zu nennen [2, 3]: <?page no="10"?> 6 Langzeitstabilität im Einsatz, Korrosionsschutz, gutes Benetzungsvermögen auf den Oberflächen, sehr gute Hautverträglichkeit, hohe Emulsionsstabilität, Stabilität gegenüber Druckbelastungen, Anti-Schaumverhalten, Verträglichkeit mit Komponenten der Werkzeugmaschine, leichte Entsorgbarkeit, Vermeidung umweltschädigender Inhaltsstoffe, hohe biologische Stabilität und gute Filtrierbarkeit. Um diese Sekundäranforderungen zu erfüllen, bestehen moderne wassermischbare Kühlschmierstoffe aus einer fein abgestimmten Mischung von bis zu über 30 verschiedenen chemischen Komponenten und unterscheiden sich damit von den frühen KSS, die insbesondere in den ersten Jahrzehnten ihrer Anwendung das Resultat einer erfahrungsbasierten Entwicklung waren [4, 5]. Die aktuelle Bedeutung der Kühlschmierstoffe wird deutlich, wenn man berücksichtigt, dass jährlich etwa 580.000 Tonnen KSS allein in Deutschland entsorgt werden müssen [6]. Hierbei überwiegt der Anteil der wassermischbaren Kühlschmierstoffe, von denen jährlich ca. 540.000 Tonnen Emulsion bzw. Lösung ihr Standzeitende erreicht haben. Weltweit werden pro Jahr etwa 40.000.000 Tonnen wassergemischter KSS umgesetzt [7]. Der große Anteil der Metallbearbeitung und damit der Kühlschmierstoffe am täglichen Leben wird durch eine Betrachtung von Ernst deutlich, der bereits 1951 anmerkte, dass jedes Produkt, welches wir nutzen, direkt oder indirekt von der spanenden Bearbeitung abhängt. Direkt durch seine eigenen Herstellungsprozess oder indirekt durch die Herstellung der Maschinen, auf denen es produziert wird („directly or indirectly, machining affects every aspect of our civilization. Every product we use, wear or eat is related to metalcutting, either directly, in its own manufacture, or indirectly, through the manufacture of the machine that makes it”) [8]. Die Funktionsfähigkeit von Kühlschmierstoffen wird über ihre Nutzungsdauer im Bearbeitungsprozess aufgrund der dort auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen eingeschränkt. Wassergemischte KSS unterliegen darüber hinaus durch mikrobielles Wachstum starken Veränderungen in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Daraus resultiert ein Verlust der gewünschten und speziell eingestellten technischen Eigenschaften. Anzeichen können sich z.B. in dem Verlust des Korrosionsschutzes, der Aufspaltung der Emulsion oder durch Schaumbildung zeigen. Der verminderten technischen Qualität wird in der praktischen Anwendung durch das Nachstellen des KSS mit Additiven entgegengewirkt. Schlussendlich führt ein weitergehender Verlust der gewünschten Eigenschaften zu einem Wechsel des Kühlschmierstoffs und dem Reinigen des KSS-Systems. Damit verbunden sind Stillstandzeiten der Fertigungsmaschinen und Produktionsausfälle, welche sich negativ in der Kostenbilanz eines Unternehmens niederschlagen. Ein wesentliches Ziel einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Fertigung sollte somit in einer möglichst langen Standzeit der KSS bei stabiler technischer Qualität des Produktes liegen. <?page no="11"?> 7 Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass es viel teurer ist, die Risiken zu ignorieren, die sich aus dem Umgang mit einem geschädigten KSS ergeben, als eine adäquate Prävention und einen kontrollierten KSS-Einsatz zu betreiben. Die sorgfältige Auswahl, korrekte Pflege und Wartung sowie der richtige persönliche Schutz bei der Anwendung von KSS garantieren ein hohes Maß an Arbeitssicherheit und verbessern die Produktqualität entscheidend. Auf Grund des großen Umsatzes von wassergemischten Kühlschmierstoffen (2011 etwa 550.000 Tonnen Altemulsionen in Deutschland [6]) sollte es ein prioritäres Ziel der Fertigungstechnik sein, möglichst lange KSS-Standzeiten bei gleichbleibend hoher Bearbeitungsqualität zu erreichen. Insbesondere durch ein angepasstes KSS-Monitoring kann ein beträchtliches Einsparpotenzial erzielt werden. Ein modernes Produktionsmanagement beinhaltet deshalb ein intelligentes Stoffmanagement, das sich an umwelt- und gesundheitsrelevanten Leitlinien orientiert. Vergleicht man den Betrieb von Zentralanlagen mit Einzelplatzanlagen, so zeigt sich, dass Zentralanlagen immer einen größeren Monitoring-Aufwand erfordern, um den Zustand des KSS zu beschreiben und um gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen einleiten zu können. Sie ermöglichen aber auch wesentlich längere Badstandzeiten als einzelbefüllte Werkzeugmaschinen mit einem kleinen Tankvolumen. Zunehmend übernehmen auch die Kühlschmierstoffhersteller das komplette Management der KSS-Wartung in Service-Verträgen. Für große Kühlschmierstoffverbraucher ist dies ein eleganter Weg, um sichere Einsatzbedingungen in der Fertigung vorzufinden. Schwieriger wird die Situation bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU), in denen mit geringeren Volumina KSS umgegangen wird. Hier bringen sich die KSS- Hersteller in der Regel mit einer Beratung oder partiell mit Service-Leistungen ein, wenn die direkten Kühlschmierstoffkosten in einem wirtschaftlichen Rahmen bleiben sollen. Ein abgestimmter Kühlschmierstoffeinsatz kann aber auch in KMU erheblich zur Prozessoptimierung beitragen. Allein durch eine angepasste Pflege und einen optimierten Umgang mit KSS können längere Standzeiten und damit deutliche Kosteneinsparungen in der Fertigung erreicht werden [9]. Auch wird ein erheblicher Beitrag zum Umweltschutz geleistet, wenn geringere Mengen an KSS verbraucht und die Wechselintervalle hinausgezögert werden. Dennoch haben KSS gerade bei den Mitarbeitern und in den Leitungsebenen der KMU oftmals ein negatives Image und stellen ein ungeliebtes Hilfsmittel in der Produktion dar. Dies ist sicherlich bei vielen Anwendern auf zum Teil fehlende Kenntnisse für den technisch und ökonomisch sicheren Umgang mit KSS zurückzuführen. Dies ist in vielen Fällen einem hohen Produktionsdruck sowie dem umfangreichen und teils komplexen Regelwerken für eine sichere KSS-Anwendung geschuldet. Die daraus entstehende Unsicherheit im täglichen Umgang mit KSS kann sich schlimmstenfalls in einer Ablehnung dieser Betriebsmittel äußern. 1.2 Historie Fertigungstechnik Neben der Erfindung der Dampfmaschine (1769) stellte die Entwicklung der Werkzeugmaschinen einen der Grundstöcke der industriellen Revolution dar. Durch diese grundlegenden Veränderungen in den Arbeitsprozessen war eine zuvor nicht erreichbare Präzision in der Fertigung sowie die Herstellung von großen Serien identischer Bauteile in der metallverarbeitenden Industrie gewährleistet. Die Steigerung der Fertigungsqualität ermöglichte den Übergang von der handwerklichen Fertigung <?page no="12"?> 8 zu industriellen Produktionsabläufen. Der Antrieb der Werkzeugmaschinen erfolgte ursprünglich über Transmissionen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts konnte durch den Einsatz von Elektromotoren als Einzelantriebe der unabhängige Betrieb einzelner Werkzeugmaschinen sowie die freie Wahl des Maschinenstandortes realisiert werden. Ab Mitte des 19. Jahrhunderts verfügten die Dreh-, Bohr- und Fräsmaschinen bereits über einen Kreuzsupport und eine Leitspindel, die die „Hand des Drehers als Werkzeughalter" [10] ersetzen konnte. Mit der Entwicklung der Revolverdrehbank war es möglich, verschiedene Bearbeitungsprozesse in einer Aufspannung durchzuführen und ein Produkt ohne den Wechsel des Werkstücks in einer Maschine zu bearbeiten [10, 11]. Mit dem Beginn des 20. Jahrhunderts kam es in der spanabnehmenden Metallverarbeitung zu stetig steigenden Anforderungen an die Prozessführung. Der von Taylor auf der Weltausstellung 1900 vorgestellte Schnellschnitt-Stahl führte zu einer Verdreifachung der Schnittgeschwindigkeit auf bis zu 25 Meter pro Minute [Bild 1.1]. Schnellschnitt-Stähle verfügten darüber hinaus über deutlich längere Standwege und erhöhten dadurch wesentlich die Produktionsmenge pro Maschine und Zeit. Die damit einhergehenden höheren Belastungen der Maschinen bedingten eine Verstärkung der Spindelstöcke und -lager sowie eine Ölschmierung der Getriebe. Der Einsatz des Schnellarbeitsstahls sowie die weitere Verbreitung der elektrischen Einzelantriebe ermöglichten wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten und somit einen höheren Eintrag an Energie in den Prozess. Die Entwicklungen der gegossenen hartmetallischen Schneidstoffe 1907 durch Haynes (Stellite) bzw. der gesinterten Wolframcarbide 1926 (Widia-Hartmetall, Krupp) führten erneut zu einer Vervielfachung der erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten in der spanenden Bearbeitung und machten den Einsatz von Kühlschmierstoffen zur Schmierung und Kühlung der Werkstücke und Werkzeuge sowie zum Abtransport der großen Spanmengen notwendig. Bild 1.1: Weiterentwicklung der Schneidstoffe nach Spur [12]. <?page no="13"?> 9 Die Entwicklung der KSS wurde mit einer ähnlich hohen Intensität vorangetrieben: Von der Verwendung einfacher Seifenwässer zur Kühlung und Schmierung der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück bis hin zu den aktuell eingesetzten multifunktionalen, chemisch definierten und komplex aufgebauten Formulierungen [10, 11, 12, 13]. 1.3 Historische Betrachtung des Kühlschmierstoff-Einsatz Die Entwicklungen in der spanabhebenden Metallverarbeitung seit Anfang des 20ten Jahrhunderts stellen erhöhte Anforderungen an die Maschinen, den Umgang und die Handhabung der Werkzeuge sowie der zu bearbeitenden Materialien. Durch die verbesserten Schneidwerkzeuge konnten Schnittgeschwindigkeiten realisiert werden, die eine Kühlung und Schmierung der Werkstücke und Werkzeuge erforderlich machten um deren Potenzial voll nutzen zu können. Die ersten in der Fertigungspraxis als Kühlschmiermittel verwendeten Flüssigkeiten (Wasser, Wasser mit Soda versetzt, Seifenwasser) waren in ihren Aufgaben an die wesentlichen Funktionen Kühlen, Schmieren, Spänetransport und den Korrosionsschutz angepasst. Mit Beginn des 20ten Jahrhunderts rückten vermehrt auch Sekundäreigenschaften in den Fokus der Anforderungen an Kühlschmierstoffe. Dazu zählen die Verbesserung der technischen Qualität durch eine gesteigerte Schmierung indem verschiedene Öle, Leistungsadditive zugesetzt wurden, eine Verminderung des Schaumverhaltens oder die Erhöhung der Emulsionsstabilität [14 - 17]. Die ersten dokumentierten, wissenschaftlichen Betrachtungen der positiven Wirkung einer Kühlflüssigkeit auf den Zerspanprozess beschreibt Taylor in seinem umfangreichen Werk "On the Art of Cutting Metals" von 1907. Er führte erstmals 1883 erfolgversprechende Untersuchungen in den Midvale Steelworks durch, in dem er Wasser, versetzt mit Natriumcarbonat als Korrosionsschutz, in einem Drehprozess zur Kühlung und Prozessverbesserung einsetzte. Taylor nutzte einen Volumenstrom von 3 Gallonen pro Minute (= 11,34 Liter), die er über 2,0 - 2,5 inch (5,08 - 6,35 cm) Rohre zuführte. Durch diese Form der Kühlung konnte er eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit zwischen 16% und 40% in Abhängigkeit der verwendeten Werkzeuge und bearbeiteten Materialien erzielen. Der Einsatz einer Prozesskühlung beschränkte sich in dieser Zeit in der Regel auf einen dünnen Wasserstrahl, welcher aus einer kleinen Kanne bei dem letzten Schnitt zugeführt wurde (water finish). Diese Art der Prozessunterstützung hatte nach Taylor einen zu geringen Kühleffekt, um eine effektive Steigerung der Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. In den folgenden Jahren führte Taylor die Untersuchungen bei den Midvale Steelworks fort, die von ihm erwartete breite Umsetzung in der industriellen Anwendung blieb jedoch vorerst aus [18]. Neben der Steigerung der Prozessleistung durch die Kühlung beschreibt Taylor auch die Art der Zuführung des Wassers und setzt sich mit der Vermittlung der richtigen Anwendung dieser neuen Technologie auseinander, mit dem Ziel, sie erfolgreich einzusetzen. Die in seiner Versuchsdokumentation vorgeschlagene Zuführung ist in Bild 1.2 wiedergegeben. In den Paragraphen 599 und 609 seines Buchs beschreibt Taylor, dass die Maschinenbediener im Betrieb sich nachlässig und unachtsam bei der korrekten Zuführung und Nachführung des Kühlwassers verhalten [18]. <?page no="14"?> 10 Paragraph 599 (S. 140): "In designing slide rules or tables, etc., for assigning daily tasks to machinists a 33 per cent increase in cutting steel or wrought iron should be allowed for instead of 40 per cent, owing to the fact that workmen are more or less careless in directing the stream of water to the proper spot upon the tool." [18] Paragraph 609 (S. 141): "Practically, great difficulty will be found in getting machinists in the average shop to direct the stream of water on to the chip in the proper way as indicated on Folder 7, Fig.40a, because when a sufficiently heavy stream of water is thrown upon the work at this point it splashes much more than when thrown upon the forging just above the chip; and the machinists prefer slower cutting speeds and less splash. However, when they are managed under the "task system" with trained speed bosses who are accustomed to obeying orders, this trouble disappears." [18] Bild 1.2: Ausschnitte von Datenblättern nach Taylor, in denen links die richtige und rechts die falsche Zuführung des Kühlwassers dokumentiert ist [18]. Taylor führte ab 1906 erneut Untersuchungen zu dem Einsatz von Kühlschmierstoffen durch, u.a. zu deren Einsatz bei der Zerspanung von dem bis dahin nur trocken bearbeitbaren Gusseisen. Die Resultate sind detailliert in seinem Buch dokumentiert. Auch die technischen Umbauten der von ihm beschriebenen Werkzeugmaschinen für einen fachgerechten Einsatz der Kühlflüssigkeit entsprachen prinzipiell denen der heute verwendeten Zentralanlagen. Die Werkzeugmaschinen wurden in geschweißte Auffangwannen gestellt, von denen das Kühlwasser in einen zentralen Tank gelenkt und von dort an "Overhead-Tanks" weitergeleitet wurde. Die mittransportierten Späne konnten in den Tanks separieren. Zusätzlich war in die Zuführleitungen eine Kette eingelegt, mit deren Hilfe Späne und Ablagerungen entfernt wurden. Ein so strukturierter Aufbau war über 23 Jahre erfolgreich in Betrieb, ohne dass sich Leitungen zusetzten [18]. <?page no="15"?> 11 Battle setzt sich in seinem "Lubricating Engineer's Handbook" von 1916 mit den Kräften, welche auf die Werkzeugschneide wirken, sowie der Entstehung der Wärme im Zerspanprozess auseinander. Die an der Schneide auftretenden Kräfte können nach seinen Ausführungen bis zu 100.000 pounds pro square inch (~ 7.038 kg / cm 2 ) betragen. Battle schließt aus, dass sich unter diesen Druckverhältnissen ein Schmierfilm zwischen Werkzeugschneide und dem zu schneidenden Werkstückmaterial ausbilden kann. Die Wärmeentstehung führt er auf die Trennarbeit, auf die Reibung des Spans an dem Werkzeug sowie die spaninterne Reibung zurück. Das für eine zielführende Prozesskühlung notwendige Volumen an Kühlschmiermittel ist nach seiner Aussage abhängig von dem Prozess und dem zu zerspanenden Werkstoff [19]. Unterschiedliche Verfahren der Kühlschmierstoff-Zuführung sind von McConnell und Battle beschrieben. Waren nur kleine Mengen zur Schmierung nötig, kamen in Öl getränkte, um einen Holzstab gewickelte Putzlappen zum Einsatz. Tropfvasen oder Tropfkannen sicherten eine kontinuierliche, in geringen Mengen dosierbare Schmierstoffversorgung zu. Für eine Versorgung mit einem höheren Bedarf an Kühlschmierstoff oder in Fertigungsstätten mit mehreren Maschinen sind bereits pumpenbetriebene Einzelmaschinen oder Zentralanlagen dokumentiert, die u.a. durch die Verwendung flexibler Leitungen den Mitarbeitern an der Maschine die Nachführung der Düsen ermöglichten [16, 19]. Den vollständigen Einzug in die Fertigungstechnik erreichten die Kühlschmierstoffe erst, nachdem die oben dargestellten Entwicklungen in der Werkzeugtechnologie und in den Antrieben der Werkzeugmaschinen ihren Einsatz zwingend notwendig machten. Die Kühlflüssigkeiten, in den USA als "coolant", "cutting compounds" oder "refrigerant" bezeichnet, bestanden aus Wasser, was zu starker Korrosion und Ablagerungen an und in den Werkzeugmaschinen sowie Werkstücken führte. Der Zusatz von Soda, Borax oder Seife konnte die korrosiven Eigenschaften der Kühlmittel reduzieren, eine schmierende Wirkung erhielten sie dadurch jedoch nur eingeschränkt. Eine ausreichende Schmierung des Prozesses konnte durch den Einsatz von Ölen erreicht werden. Als Basis dienten tierische, pflanzliche Öle und Fette sowie Mineralöle und verschiedene Mixturen der Öle (z.B. 30 - 50% Lardöl mit 50 - 70% Mineralöl). Zu den verwendeten tierischen Ölen gehörten Schweinefett, Wal- und Fischöl, die mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt wurden. Insbesondere Schweinefett (Lard oil) fand anfänglich eine weite Verbreitung, wurde aber aufgrund des steigenden Preises und seiner Tendenz, ranzig zu werden, zu verharzen bzw. zu verkleben, durch erste wassermischbare Öle (cutting compounds) verdrängt. McConnell führte chemische Analysen zu verschiedenen Ölen im Neuzustand und nach Gebrauch durch und konnte Veränderungen durch den Einsatz in der Zerspanung nachweisen. Er kam unter anderem zu dem Schluss, dass die von ihm untersuchten Lardöle in ihrer Qualität starke Schwankungen aufwiesen, welche von dem Gehalt an freien Fettsäuren abhingen. Als pflanzliche Öllieferanten kamen Oliven-, Baumwollsamen- und Rapsöl sowie Baumharze zur Verwendung. Sowohl tierische als auch pflanzliche Öle zeichneten sich bei steigenden Temperaturen durch eine Abnahme der Viskosität und dem Einbruch des Schmierfilms aus. Die ersten wassergemischten Kühlschmierstoffe sind als milchige Emulsionen beschrieben. Ein Weg zur Produktion wasserlöslicher, ölhaltiger Emulsionen war die Herstellung von Emulgatoren durch die Sulfonierung des Mineral-, Oliven- oder Baumwollsamenöls. Dazu wurde das Öl in Schwefelsäure aufgekocht. Nach einer anschließenden Neutralisation konnte das Sulfonat die Öle in Wasser emulgieren. Die Verseifung von Ölen mit Laugen war ein <?page no="16"?> 12 weiterer Weg, Öle zur Herstellung von wassergemischten Kühlschmierstoffen zu behandeln [5, 16, 19]. Die Benennung der Produkte richtete sich in dieser Zeit vornehmlich nach ihrem Einsatzzweck, sodass sich Bezeichnungen wie Bohröle, Drehbanköle oder Bohrwasser in der Literatur wiederfinden. In Merck´s Warenlexikon von 1920 heißt es dazu: "Bohröle, Bohrfette, sind Stoffe, die in wäßrigen Lösungen und Emulsionen beim Bohren, Fräsen und Drehen zum Benetzen der Werkzeuge und Gußstücke benutzt werden um einerseits das Gleiten der Metallteile zu befördern und gleichzeitig zu kühlen. Sie müssen also eine größere Benetzbarkeit als Wasser zeigen und dürfen weder das Metall angreifen noch feste Stoffe ausscheiden." Zur Anfertigung der Bohröle sind wasserlösliche Mineralöle, gelöst in Ammoniak-, Kali- oder Natronseifen, versetzt mit Ammoniak, Benzin oder Alkohol verwendet worden. Daneben gehörten Leimlösungen und aufgekochte Leinsamen- und Algenextrakte zu den Grundstoffen der Kühlschmierstoffherstellung [14]. Lange beschreibt in seinem Vorschriftenwerk von 1920 die folgenden KSS- Mischungen für die Anwendungen Bohren und Drehen: Bohröl: Wasserlösliches Bohröl soll bei höchster Schmierkraft eine weites gehende Verdünnung mit Wasser gestatten, darf an den Maschinenteilen keine Rostbildung hervorrufen und muß in der Farbe und Emulgierbarkeit unbegrenzt haltbar und restlos ohne Ölausscheidung in Wasser löslich sein. Inhaltsstoffe: Harz(öl), stearinarmes Olein, Mineralöl, sulfuniertes Rhizinusöl, Spiritus, Ammoniak, Natron- oder Kalilauge. Drehbanköle: Ein solches Öl pflanzlichen, tierischen oder mineralischen Ursprungs muß auch bei hoher Temperatur eine hinreichend dicke Schmierschicht bilden und sehr fest an den Flächen haften; am geeignetsten sind Mineralöle mit einem Flammpunkt über 200°C, die man mit 5- 10% Senföl oder rohem Rüböl mischt. Ebenso sind Bohröle geeignet. Graphit: Reiner Graphit (Flockengraphit), als Paste mit 3-6% wässriger Gallusgerbsäure (Dag) hält sich wochen- und monatelang als beständige Emulsion und geht durch jedes Filter. Als Mischung mit Öl = Oildag, mit Wasser = Aquadag." [20] Die genauen Angaben von Buxbaum zur Herstellung von Kühlflüssigkeiten zum Schleifen, Bohren und für die Aluminiumbearbeitung sind gleichfalls für den Anwender geeignet, die Kühlschmierstoffe direkt am Einsatzort selber anzumischen. In dieser Anleitung finden sich Mischungen aus Mineralölen und tierischen Fetten, die neben den Primäranforderungen an die KSS auch den Korrosionsschutz und die Benetzbarkeit als Anforderungen stellen: "Wasser mit 3-5% Soda-Zusatz zur Steigerung der Benetzungsfähigkeit und als Rostschutz. Teilweise auch klare Bohrölemulsionen mit folgender Zusammensetzung: 100 Liter Wasser, 2 kg Soda, 1 kg Borax, 1 kg Schmierseife. Für weiche Stähle: 50-60 L Wasser, 3-4 kg Soda, 0,5-1 kg Öl. Zum Formschleifen: Seife und Schweinefett 1: 1 aufkochen und mit der 15-fachen Menge einer heißen Sodalösung (1 Teil Soda auf 15 Teile Wasser) mischen. Für schmierende und Weichmetalle die Schleifscheibe in heißes Fett eintauchen, Aluminium mit einem Spindelöl/ Petroleum- Gemisch oder Terpentin schleifen. Gewindeschleifen mit einer Kaliumchromatlösung, <?page no="17"?> 13 hochglanzgeschliffene Walzen werden mit einer Mischung aus 0,5 kg Soda, 30 g Chromnatrium auf 150 Liter Wasser gekühlt." [5]. Helbing nimmt 1949 in seinen Ausführungen Bezug auf die Wirkungsweise der KSS in Zerspanprozessen. Er stellt eine Verbindung zwischen dem Einsatz von Kühlschmierstoffen und der Bearbeitungsqualität her: "Bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe ist eine gesteigerte Wärmeableitung durch künstliche Kühlung unumgänglich, wobei hierfür spezielle chemische Erzeugnisse, wie Öle, Emulsionen usw. verwendet werden. Einerseits wird dadurch die Standzeit der Schneidwerkzeuge verlängert und andererseits durch die gleichzeitige Schmierung die Oberflächengüte des Werkstückes verbessert. In vielen Fällen kann durch die reichliche Zufuhr von Kühlflüssigkeit (10 l/ min) auch eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und des Spanquerschnittes erzielt werden. Verwendung finden zum Schruppen Bohröl und Seifenwasser, Lardöl, Rüböl, Natrium-Fluoridlösungen (für Magnesiumlegierungen) sowie Petroleum und Rüböl zum Schlichten." [21] Aktuell stehen den Kühlschmierstoff- Herstellern über 300 verschiedene chemische Substanzen und Gemische als potenzielle Inhaltsstoffe zur Formulierung ihrer Produkte zur Verfügung. Ein einzelner Kühlschmierstoff kann sich aus mehr als 30 verschiedenen Substanzen zusammensetzen. Tabelle 1.1 gibt einen Überblick über die Inhaltsstoffe heute verwendeter KSS, eine tiefergehende Betrachtung findet sich u.a. in [4, 13, 22, 23]. Die genauen Mischungsverhältnisse und der chemische Aufbau der verwendeten Substanzen werden aktuell nicht mehr in der Form publiziert wie es in den Anfängen der KSS-Anwendung üblich war. Durch gesetzliche Vorgaben wie REACh, GHS und die Biozidrichtlinie wird sich zukünftig die Anzahl möglicher Substanzen zur Herstellung von Kühlschmierstoffen weiter einschränken [24, 25, 26]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass vier relevante Schritte die Entwicklung der Kühlschmierstoffe wesentlich beeinflusst haben. Ohne diese Entwicklungen wären KSS, wie sie aktuell im Einsatz sind, nicht zur Entfaltung gekommen. - Die industrielle Nutzung des Erdöls im 19ten Jahrhundert führte zu einer Verdrängung der bis dahin verwendeten pflanzlichen und tierischen Öle und Fette als Schmierstoffe in der Fertigungstechnik. - Die Einführung elektrischer Antriebe ermöglichte direkte Maschinenantriebe, größere, individuelle Leistungsübertragung und -anpassungen sowie die ortsungebundene Aufstellung der Maschinen. In der Folge konnte eine Integration des KSS-Einsatzes in die Maschinenauslegung erfolgen. - Die Entwicklung härterer Schneidwerkzeuge eröffnete das Potenzial, höhere Schnittgeschwindigkeiten und Abtragsraten umzusetzen und machte damit den Einsatz von Kühlschmierstoffen notwendig. - Der Fortschritt in der Erdölverarbeitung und der chemischen Analytik sowie die aus wissenschaftlichen Untersuchungen in die Praxis übertragenen Erkenntnisse erweiterten zunehmend das Spektrum der Substanzen, die als Additive in KSS eingesetzt werden und folglich den Zerspanprozess schneller und sicherer ablaufen lassen. <?page no="18"?> 14 Tabelle 1.1: Komponenten von Kühlschmierstoffen und ihre Funktionen [1, 3, 4, 13, 23, 24]. Inhaltsstoffe Aufgaben Beispiele Mineralöl, pflanzliches Öl, synthetisches Öl Basisflüssigkeit der KSS, tragen unpolare Additive, erhöhen Schmierwirkung. Kohlenwasserstoffe Rapsöl Synthetische Ester Polyglykole Emulgator Bildung von Öltröpfchen, die gleichmäßig im Wasser verteilt sind. Verhindern, dass sich die Öltröpfchen vereinigen, aufschwimmen und eine auf dem Wasser schwimmende Ölschicht bilden. Anionischer Emulgator, z.B. Alkanolamin-, Kaliumseife Nichtionogener Emulgator z.B. Fettalkoholethoxylat, Fettsäureamid Organische Borverbindung Petroleumsulfonate Korrosionsinhibitor Zur Verstärkung des Korrosionsschutzes für Maschinen und Werkstücke, durch Bildung eines schützenden Films auf den Oberflächen. Alkanolamin Sulfonat Fettsäureamid Carbonsäureseife Organische Borverbindung Polare Schmierstoffe Führen zur Erhöhung der Schmierungseigenschaften. Natürliche Fette und Öle Synthetische Ester EP-Zusätze Vermeiden Mikroverschweißungen bei hohen Drücken und Temperaturen, Einsatz erfolgt bei schweren Zerspanoperationen. Organische Schwefel- und Phosphor-Additive (Chlorparaffin wird heute nicht mehr verwendet) Entschäumer Sollen die Bildung von Schaum verhindern. Siloxane Wachse Siliconpolymere Tributylphosphate Biozid Hemmstoff, bewirkt Reduzierung bzw. Hemmung des mikrobiellen Befalls (Bakterien, Hefen, Pilze) in einem wassergemischten KSS. Formaldehydabspalter N/ S-haltige Heterocyclen Alkoholderivate Phenolderivate Isothiazolinone Festschmierstoffe Sollen die Schmierung verbessern. Graphite Molybdänsulfide Ammoniummolybdän Antinebelzusätze Verändern die Oberflächenspannung. Hochmolekulare Substanzen Alterungsschutzstoffe Sollen Reaktionen innerhalb des Kühlschmiermittels verhindern. Organische Sulfide Zinkdithiophosphate Aromatische Amine Buntmetallinhibitor Lösungsvermittler, Stabilisator, Antioxidantien, Farbstoff, Duftstoff Verbesserung der Konzentrat- oder Emulsionsstabilität, Inhibierung gegen Metallionen, Verstärkung spezifischer Produkteigenschaften. Benzotriazol Glykol, u.a. <?page no="19"?> 15 2 Einführung in die Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe: Grundlagen zu Mikroorganismen 2.1 Grundlagen der Mikrobiologie Die Mehrzahl der Mikroorganismen unterscheidet sich von den Pflanzen und Tieren nicht nur durch ihre geringere Größe und ihre schlechte morphologische Differenzierbarkeit, sondern auch durch ihre außerordentliche physiologische Vielseitigkeit, d.h. ihre Fähigkeit nahezu alle natürlichen und vom Menschen hergestellten Stoffe und Verbindungen abbauen zu können. Weiterhin zeichnen sich Mikroorganismen durch ein hohes Potenzial sich an wechselnde Umgebungsbedingungen anzupassen, potenziell hohe Stoffumsatzraten, eine hohe Synthese- und Vermehrungsrate sowie durch ihre Allgegenwart und weltweite Verbreitung aus. In der natürlichen Umwelt gibt es nahezu keinen Lebensraum der nicht von Mikroorganismen besiedelt ist; nur die Umweltbedingungen entscheiden, welche Arten an einem Standort zur Vermehrung kommt. Ihre physiologischen Eigenschaften, die sich u.a. aus den geringen Abmessungen der Organismen herleiten begründen ihre zentrale Rolle in den Stoffkreisläufen der Natur. Zur Gruppe der Mikroorganismen gehören die Bakterien, Pilze (niedere) und Hefen. Die Bakterien besitzen keinen Zellkern und keine Zellorganellen, d.h. sie gehören zu den Prokaryoten (altgriechisch: {Pro} Karyon = {vor} Kern). Die Pilze sind den Eukaryoten (altgriechisch: echter Kern) zuzuordnen, welche sich durch eine von einer Membran umschlossenen Kernstruktur auszeichnen. Eukaryoten, zu denen sowohl einzellige Lebensformen als auch mehrzellige Organismen wie die Pflanzen und Tiere zählen, zeichnen sich darüber hinaus dadurch aus, das sie Zellorganellen besitzen und über ein deutlich größeres Zellvolumen als die Bakterien verfügen [27, 28]. Die Grundlage für das Leben auf der Erde ist das Vorhandensein von Wasser. In der natürlichen und vom Menschen geschaffenen Umwelt findet sich daher nahezu kein Standort, der Wasser enthält und an dem sich zugleich kein Leben nachweisen lässt. Die Lebensräume, die von Mikroorganismen besiedelt werden können umfassen neben der "normalen" Umwelt auch Bereiche mit extremen pH-Werten von < 1 (saure Quellen / im menschlichen Magen) bis > 13, hohen Drücken von > 500 bar und Temperaturen über 100°C (Schwarze Raucher in der Tiefsee) oder ausgeprägten Salzkonzentrationen wie in den Salzseen von Utah, USA [29]. Die strukturell einfachste und nach aktuellem Stand der Kenntnisse ursprünglichste Form von Leben stellen die Bakterien dar. Bakterien sind die älteste bekannte Form von Leben auf der Erde, erste Spuren von ihnen lassen sich auf ca. 3,5 - 4,6 Mrd. Jahren zurückdatieren [30]. Ihre Evolution dauerte also sehr viel länger als die aller anderen Lebewesen. In diesem Zeitraum ist es ihnen gelungen, alle Lebensräume und ökologischen Nischen zu besiedeln. Die Bakterien haben in ihrer Entwicklung einen sehr breiten Grad an Fähigkeiten entwickeln können, sich an das Leben in extremen Standorten angepasst und sich zu einer Lebensform mit einer sehr großen Vielfalt herausgebildet. Um diese Variabilität und Flexibilität zu gewährleisten, war und ist ein einfacher struktureller Aufbau von Vorteil, so dass die meisten Bakterien nur aus einem einzelnen Grundbaustein des Lebens, der Zelle, bestehen. Einen Teil der physiologischen Fähigkeiten der Mikroorganismen hat sich der Mensch zu Nutzen gemacht: Bei der Herstel- <?page no="20"?> 16 lung von Lebensmitteln wie Käse, Brot, Wurst, Bier oder Wein, bei der Produktion von industriellen Grundstoffen wie Enzymen, Ethanol oder Medikamenten oder der Abwasserreinigung und der Bodensanierung sind gezielt Mikroorganismen beteiligt [27, 28, 31, 32]. Die Forschung an Mikroorganismen ist im Vergleich zu anderen wissenschaftlichen Disziplinen noch sehr jung. Wesentliche Meilensteine waren die ersten mikroskopischen Untersuchungen durch Robert Hooke und Antoni van Leeuwenhoek in den 1660er Jahren, die Arbeiten von Louis Pasteur und Robert Koch in der Mitte des 19ten Jahrhunderts und die Veröffentlichung zur Wirkung des Penicillins durch Alexander Flemming 1929. Eine vertiefende wissenschaftliche Betrachtung der bevorzugten Lebensform der Mikroorganismen, der mikrobiellen Biofilme begann erst in den 1970er Jahren. Es wird davon ausgegangen, dass bis zum heutigen Zeitpunkt nur ein Bruchteil aller Mikroorganismen wissenschaftlich beschrieben und dokumentiert ist. Dies gilt gleichermaßen für den Lebensraum der wassergemischten Kühlschmierstoffe. Auch hier werden durch immer genauere Analyseverfahren Bakterienarten nachgewiesen, die noch nie bzw. für diesen Standort noch nicht beschrieben waren [27, 28]. 2.2 Bakterien 2.2.1 Aufbau der Bakterienzelle Die Zellen von Bakterien haben üblicherweise eine Größe von wenigen Mikrometern. Beispielsweise haben kugelförmigen Arten einen Durchmesser von knapp unter einem bis zwei Mikrometer, stäbchenförmige Bakterien erreichen eine Größe zwischen 0,8 μm x 2 μm bis > 1,2 μm x 5 μm. Abweichungen von diesen Größen kommen ebenso vor wie geometrisch anders geformte Zellen. Das kleinste aktuell bekannte Bakterium ist Nanoarchaeum equitans mit einem Durchmesser von 400 nm, als größte zur Zeit bekannte Art ist Thiomargarita namibiensis bis zu 750 μm beschrieben. Morphologisch, d.h. aufgrund ihrer äußeren Form und Gestalt sind Bakterien nur schlecht zu unterscheiden. Neben kugel- und stäbchenförmigen finden sich spiralförmige, gebogene sowie keulenförmige Bakterienarten. In einigen Fällen lagern sich Bakterien einer Art zu typischen Zellverbänden an, welche in Abhängigkeit von ihrer äußeren Form z.B. als Streptokokken (kettenförmig aufgereihte Kugeln) oder Staphylokokken (ungeordnete Zellhaufen kugeliger Bakterien) bezeichnet werden [27, 33, 34]. Der Grundaufbau einer Bakterienzelle beinhaltet eine Zellwand, die Zellmembran, das Cytoplasma, in dem alle Zellinhaltsstoffe gelöst vorliegen, die Ribosomen, an denen die Proteine produziert werden, und das frei vorliegende Erbgut (Desoxyribonukleinsäure {DNA}) welches als Nucleotid bezeichnet wird. Der Aufbau der Zellwand einer Bakterienzelle besteht im Wesentlichen aus dem Peptidoglykan Murein. Es liegt als Polymer von zwei miteinander verknüpften Zuckerderivaten vor (N- Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, mit (1 4) glykosidischer Verknüpfung). In Bild 2.1 ist eine Bakterienzelle schematisch dargestellt. <?page no="21"?> 17 Bild 2.1: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Bakterienzelle. Die Erbsubstanz (DNA) liegt frei im Cytoplasma vor [nach 27, 28]. Das Makromolekül Murein stellt als netzartige Struktur das Grundgerüst der Zellwand dar. In dieses Stützskelett sind mit Lipoproteinen und Lipopolysacchariden Funktionselemente eingebunden. Die Zellwand eines Bakteriums ist in seiner Ausprägung elastisch. Sie dient der Stabilisierung der Cytoplasmamembran gegen den osmotischen Druck der Zelle; ohne die Zellwand würde die Zelle platzen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausprägung der Stärke der Zellwand lassen sich die Bakterien in zwei relevante taxonomische Gruppen einteilen und anhand dieser Eigenschaft unterscheiden: - gramnegative Zellen und - grampositive Zellen. Diese Art der Differenzierung von Bakterien geht auf ein Färbeverfahren des dänischen Bakteriologen Gram (1853 - 1938) zurück. Die gramnegativen Bakterien verfügen über ein einschichtiges Mureinnetz. Dieses hat einen Anteil < 10% der Trockenmasse der Zelle. Die Zellwand gramnegativer Bakterien ist von einer weiteren, komplex aufgebauten Membran umgeben. In dieser sind Proteine, Phospholipide und Lipopolysaccharide verankert. Letztere können in der Diagnostik als wichtiges immunologisches Differenzierungsmerkmal herangezogen werden. Grampositive Bakterien verfügen über eine wesentlich dickere Zellwand. Der sog. Mureinsacculus grampositiver Bakterien weist eine Stärke von bis zu 40 übereinander gelagerten Mureinschichten auf. Sein Anteil an der Zellwandtrockenmasse beträgt 30 - 70% und ist zusätzlich mit Teichonsäuren verestert (Bild 2.2). Das Gram-Verhalten der Bakterien spielt in der medizinischen Diagnostik und Behandlung eine wichtige Rolle, da die Therapie grampositiver oder gramnegativer Bakterien verschiedene Antibiotikaklassen für eine erfolgreiche Behandlung erfordern [27, 28, 31]. Membranen sind ein essentieller Bestandteil aller Lebewesen. Sie dienen der Abgrenzung, schaffen diskrete Bereiche und Kompartimente innerhalb der Zellen. Die Cytoplasmamembran bzw. Zellmembran grenzt den Inhalt der Zelle, das Cytoplasma, von der äußeren Umgebung ab. Die Zellmembran besteht aus einer plastisch-fließenden Lipiddoppelschicht. <?page no="22"?> 18 Bild 2.2: Zellwandaufbau grampositiver (links) und gramnegativer (rechts) Bakterien. Die Cytoplasmamembran grenzt an das Zellinnere (Cytoplasma) [nach 27, 28]. Die in der Membran eingebauten Phospho-lipidmoleküle sind auf einer Seite wasserliebend (hydrophil), auf der gegenüberliegenden Seite lipophil bzw. hydrophob (fettliebend bzw. wasserabstoßend). Sie ordnen sich so zu Membranen an, dass diese auf ihren Außenseiten hydrophil, d.h. wasserliebend, und in ihrem Inneren lipophil sind (Bild 2.3). Als weitere Bestandteile sind in einer Zellmembran verschiedene funktionelle Proteine eingebunden. Die der aktiven Fortbewegung der Bakterien dienenden Flagellen sind ebenfalls in ihr verankert. Die Funktionsproteine sind schwimmend aufbzw. eingelagert, durchdringen die Membran teilweise oder vollständig und bewirken dadurch, dass sie eine asymmetrische Struktur erhält. Der Anteil der Membranelemente variiert in Abhängigkeit von der Art der Zelle und ihrem aktuellen physiologischen Zustand. Die eingelagerten Proteine dienen dem bidirektionalen Transport von Stoffen von außen nach innen und umgekehrt, sie übernehmen u.a. die Funktion der osmotischen Schranke, in dem sie durch den Transport von Ionen den osmostischen Druck in der Zelle aufrechterhalten. Weiterhin sind mit den Proteinen elementare Aufgaben wie der Transport von Elektronen innerhalb der Atmungskette in der Cytoplasmamembran der Bakterien lokalisiert. Bild 2.3: Struktur einer Zellmembran. Die wasserliebenden, hydrophilen Teile der Phospholipide sind nach außen, die fettliebenden, lipophilen Bestandteile sind nach innen gerichtet [nach 35, verändert] Als Cytoplasma wird die Flüssigkeit bezeichnet, welche die Zelle ausfüllt. Es handelt sich um Wasser, in dem eine komplexe chemische Mischung aus Proteinen, Ribosomen, Membranstrukturen und weiteren Zelleinschlüssen wie bspw. Vesikeln und Speicherstoffen gelöst ist. In dem Cytoplasma finden die Stoffwechselprozesse statt, mit denen die Zelle Energie gewinnt (Katabolismus) oder Zellmaterial aufbaut (Anabolismus). Teilweise sind diese Prozesse an oder in der Cytoplasma-Membran loka- <?page no="23"?> 19 lisiert. Das Erbgut der Bakterien liegt kodiert auf einem ringförmigen DNA-Molekül (chromosomale DNA) frei im Cytoplasma vor, zusätzlich können auf sog. Plasmiden weiter genetische Informationen lokalisiert sein. Bei Plasmiden handelt es sich um extrachromosomale DNA, die für die Zelle entbehrliche Informationen enthält. Häufig sind spezifische metabolische Prozesse wie bspw. Schwermetall- und Antibiotikaresistenzen auf Plasmiden kodiert. Die Plasmid-DNA kann artübergreifend zwischen Zellen ausgetauscht werden (horizontaler Gentransfer). Die chromosomale DNA kann in mehreren Kopien in der Zelle vorliegen. Die Proteinbiosynthese findet in der Bakterienzelle an den Ribosomen statt. Hier wird die auf der DNA kodierte Information mittels der RNA umgeschrieben und Struktur- und Funktionsproteine durch die Zelle aufgebaut. Die Ribosomen der Bakterienzelle unterscheiden sich in ihrer Größe und Struktur von den Ribosomen der eukaryotischen Zelle und bieten damit einen guten Angriffspunkt für Antibiotika. Die auf der chromosomalen DNA gespeicherten Informationen, die für den Aufbau der Ribosomen kodiert sind, lassen sich darüber hinaus zur Identifizierung und Differenzierung einzelner Bakterienarten nutzen [27, 28]. Viele Bakterienarten sind in der Lage, sich aktiv zu bewegen. Dies geschieht entweder durch Gleiten auf festen Untergründen oder durch Drehbewegung von Flagellen oder Geißeln. Bei Flagellen und Geißeln handelt sich um einen helical gewundenen Faden aus dem Protein Flagellin. Die Länge kann bis zu 20 μm betragen und damit deutlich länger sein als der eigentliche Zellkörper, der Durchmesser liegt zwischen 12 und 20 nm. Das Geißelfilament ist über einen sog. Haken mit dem, in der Zellwand verankerten Basalkörper verbunden. Die Drehbewegung der Flagellen erfolgt über Teile des Basalkörpers. Flagellen können einzeln der Zelle anhaften oder in größerer Anzahl an einem Ende oder über den Zellkörper verteilt vorkommen. Durch die Flagellenbewegung können Bakterien Geschwindigkeiten von bis zu 90 μm / sec erreichen, durch Gleiten sind Geschwindigkeiten von ca. 3 μm / sec nachgewiesen. Mit der Fähigkeit, sich aktiv zu bewegen, haben die Bakterien die Möglichkeit, sich anhand chemischer Reize wie bspw. dem Sauerstoff- oder Nährstoffgehalt in ihrer Umwelt zu orientieren. Neben den Flagellen finden sich auf der äußeren Hülle mancher gramnegativer Bakterien noch Pili oder Fimbrien. Sie dienen der Anheftung der Zellen an Oberflächen und bestehen aus Proteinfilamenten mit einem Durchmesser von 3 - 25 nm und einer Länge von einigen μm. Ihre Anzahl kann bis zu 1.000 pro Zelle betragen. Eine besondere Rolle kommt hier dem F-Pili zu, dieser dient dem horizontalen Gentransfer, d.h. dem Austausch von Erbinformation wie bspw. den Plasmiden über Artgrenzen hinweg [27, 28, 31]. 2.2.2 Fähigkeiten der Bakterien Die physiologischen Fähigkeiten der verschiedenen Bakterienarten sind überaus vielfältig. Bakterien sind in der Lage, nahezu alle natürlich vorkommenden Substanzen und Moleküle für die Energiegewinnung und den Aufbau von Zellmasse zu nutzen. Damit sind sie an allen Stoffkreisläufen maßgeblich beteiligt. Auch ein großer Teil der vom Menschen geschaffenen Verbindungen wird von ihnen verwertet. Der Abbzw. Umbau einer Substanz durch eine Bakterienart kann vollständig ablaufen oder zu Zwischenprodukten führen, welche dann von anderen Organismen weiterverwertet werden können. Die sich daraus ableitenden Symbiosen spielen besonders in Biofilmen eine große Rolle [27]. <?page no="24"?> 20 Neben ihrer großen physiologischen Vielfalt ist für die Bakterien eine hohe Vermehrungsrate durch Zellteilung charakteristisch. Aufgrund ihrer geringen Größe und der fehlenden Kompartimentierung verfügen Bakterien über extrem kurze, barrierefreie Wege für den Transport von Stoffen innerhalb ihrer Zelle, in die Zelle hinein und wieder hinaus. Das große Oberflächen-Volumenverhältnis ermöglicht einen intensiven Stoffaustausch mit der Umgebung. Die Folgen sind unter günstigen Bedingungen sehr hohe physiologische Leistungen und Teilungsraten. Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung der Zelle, ihre Vermehrung verläuft unter optimalen Bedingungen gemäß der Funktion 2 0 -2 1 -2 2 - - - - -2 n ab. Die Zunahme der Zellzahlen verläuft exponentiell. Rein rechnerisch können aus einer Zelle, welche sich mit einer Teilungsrate von 30 Minuten vermehrt, innerhalb von 12 Stunden ca. 16.770.000 neue Zellen entstehen. Im Gegensatz zu anderen Lebewesen wird bei Bakterien der Begriff Wachstum nicht als das Wachstum einer singulären Zelle, sondern als das Wachstum einer Bakterienpopulation betrachtet. Betrachtet man die Zellzahlentwicklung in einem geschlossenen System (Batch-Kultur) ohne die Zugabe neuer Nährstoffe, teilt sich die Zellvermehrung in vier Phasen ein: I. Die Zellvermehrung beginnt mit einer Anlauf (lag)- Phase. Hier findet noch nicht die volle Zellteilungsrate statt. Die Ausprägung dieser Phase und ihre Dauer sind durch das Alter der Bakterienstartkultur, ihrem physiologischen Zustand und der Adaptation an die Kulturbedingungen bestimmt. II. Es folgt die log-Phase, in der das exponentielle Wachstum bis zum Erreichen eines Gleichgewichts zwischen fortlaufender Zellteilung und dem Absterben einzelner Zellen konsolidiert. III. Die anschließende stationäre Phase ist durch eine annähernd konstante Zellzahl gekennzeichnet. Sie ist in Art und Ausprägung von den Kulturbedingungen und der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft abhängig. Die physiologische Aktivität der individuellen Zellen wird in dieser Phase deutlich unter dem der log-Phase liegen. IV. In der vierten, der sog. Absterbephase, kommt es zu einer Abnahme der Zellzahl, eine starke Reduktion der physiologischen Aktivität ist zu beobachten. Die Ursachen hierfür liegen in der Verwertung von Nährstoffen unterhalb der Bioverfügbarkeit, dem Auftreten wachstumslimitierender Faktoren sowie in der Anhäufung von dead-end-Produkten begründet. Die beschriebenen Phasen sind in dieser Form nur in geschlossenen Systemen zu beobachten. In offenen, dynamischen Systemen wie bspw. einer KSS-Anlage findet ein permanenter Ein- und Austrag von Flüssigkeiten und damit auch deren Inhaltsstoffen statt. Diese Veränderungen spiegeln sich ebenso in Bezug auf die Zellzahlen und die Zusammensetzung der mikrobiellen Artengemeinschaft wider. Treten Änderungen in den Umgebungsbedingungen auf, wenn bspw. mit frischem KSS nachdosiert wird, wirkt sich das auf die chemischen Verhältnisse und die physikalischen Parameter in dem KSS aus. Resultierend aus diesen Verschiebungen verändert sich die mikrobielle Gemeinschaft hinsichtlich ihrer Zellzahlen durch den Verdünnungseffekt und die Diversität, d.h. das Artenspektrum der mikrobiellen Gemeinschaft passt sich den neuen Bedingungen in dem System an. Arten, die die neu hinzugekomme- <?page no="25"?> 21 nen Nährstoffe gut verwerten können oder sich bereits an die Verwertung dieser Stoffe angepasst haben, werden sich durch die weitere Nährstoffzufuhr stark vermehren [27, 28, 31, 36] Dieser Effekt tritt in geleicherweise in der Praxis der KSS- Anwendung regelmäßig auf und ist u.a. in [37] beschrieben. In dem untersuchten Fall traten 6 Wochen nach Neubefüllung einer einzelbefüllten KSS-Anlage Korrosionsprobleme an den gefertigten Werkstücken auf. Durch die erneute Zugabe des gleichen, bereits im Kühlschmierstoff einformulierten Korrosionsschutzes konnten sich die an diese Nahrungsquelle adaptierten Bakterien sehr stark vermehren. Die Erhöhung der Zellzahlen um zwei Zehnerpotenzen von 10 4 / ml auf > 10 6 / ml machte einen erneuten KSS-Wechsel nach einer Betriebszeit von nur 11 Wochen notwendig (Bild 2.4). Diese rapide Zunahme der mikrobiellen Belastung hätte durch das Nachdosieren mit einem chemisch anders aufgebauten Korrosionsschutzes vermieden werden können. Bild 2.4: Einfluss der Nachdosierung eines Korrosionsschutzes an eine adaptierte Bakterienkultur in einer KSS-Anlage. Zwei Wochen nach Aufadditivierung sind die bakteriellen Zellzahlen von 10.000 / ml auf über 1.000.000 / ml angestiegen. Zellzahlbestimmung wöchentlich als koloniebildende Einheiten KBE auf Tryptic-Soy-Agar, logarithmische Darstellung. Neuansatz der Emulsion zum Zeitpunkt t = 0, [37, verändert]. Einige Bakterienarten sind in der Lage, unter schlechten Lebensbedingungen ihr Überleben durch die Bildung von Sporen zu sichern, andere Arten können ihren Stoffwechsel drastisch reduzieren ohne Energie zu verbrauchen. Zellen, die sich in diesem VBNC-Stadium (viable but non culturable) befinden, kommen auf Wachstumsmedien wie bspw. den Dip-Slides oder Agar-Platten nicht zum Wachstum und können mit diesen Verfahren nicht nachgewiesen werden. Nichtsdestotrotz schalten sie unter für sie günstigen Voraussetzungen ihren Stoffwechsel wieder an und kommen zur Vermehrung. Deshalb findet durch die wachstumsbasierten Nachweisverfahren in vielen Fällen eine Unterbewertung der tatsächlich vorkommenden Bakterienarten statt [38, 39]. Im Laufe ihrer Evolution haben die Bakterien mit einer großen Flexibilität die unterschiedlichsten Möglichkeiten zur Energiegewinnung für ihren Stoffwechsel entwickelt. <?page no="26"?> 22 Damit waren sie in der Lage in nahezu sämtlichen ökologischen Nischen einen Lebensraum zu finden. Die Spannweite ihrer metabolischen Fähigkeiten reicht von der Oxidation organischer Substanzen über die anaerobe Atmung unter Sauerstoffabschluss und der Gärung bis zur Chemolithotrophie, bei der anorganische Moleküle wie H2S oder NH3 als Energiequelle genutzt werden. Die Prozesse können somit unter den verschiedensten Bedingungen bezüglich des Sauerstoffgehalts oder des Redoxpotenzials durchgeführt werden. Einige Bakterienarten sind des Weiteren in der Lage, ihre Energie über photosynthetische Prozesse zu gewinnen. Neben den Besonderheiten in ihrem Metabolismus verfügen die Bakterien über eine sehr hohe Toleranz, unter extremen Umweltbedingungen leben zu können. Einzelne Arten sind in der Lage bei Temperaturen von -10°C oder + 120°C ihre optimalen Lebensbedingungen zu finden, es sind pH-tolerante Organismen in extrem sauren Bereichen mit einem pH-Wert 1 oder extrem basischen Bereichen mit pH-Werten 13 nachweisbar, ebenso wie Bakterien, die in sehr hohen Salzkonzentrationen überleben. Im Laufe ihrer Evolution haben diese Zellen Mechanismen zum Schutz vor den extremen Umwelteinflüssen entwickelt. Dazu zählen bspw. Histone oder besondere DNA- Strukturen zum Schutz des Erbguts vor hohen Temperaturen, spezifische Hitzeschockproteine zum Schutz der Zellinhaltsstoffe oder die Synthese osmotisch aktiver Substanzen, um unter extremen Salzgehalten überleben zu können [27, 28, 29]. Diese umfangreiche physiologische und metabolische Vielfalt hat es den Bakterien ermöglicht, jede noch so kleine ökologische Nische für sich als Lebensraum zu nutzen. Für den Menschen wirkt sich dies zum Teil negativ aus. Beispiele hierfür sind die multiplen Antibiotikaresistenzen einiger Bakterienstämme, die Zerstörung von Rohrleitungssystemen durch mikrobiell induzierte Korrosion (MIC), der eingeschränkte Temperaturübergang an Wärmetauschern durch das Wachstum von Biofilmen oder der mikrobielle Abbau technischer Fluide wie den Metallbearbeitungsflüssigkeiten [32]. 2.3 Pilze 2.3.1 Aufbau der Pilzzelle Die Pilze zählen zu den eukaryotischen Mikroorganismen, d.h. sie besitzen einen Zellkern und sind in der Struktur ihrer Zelle komplexer aufgebaut als die Prokaryoten / Bakterien. Die Zellen der Pilze sind kompartimentiert, sie besitzen Zellorganellen. Pilze sind eine sehr heterogene Gruppe, welche in ein- und mehrzelligen Formen vorkommen. Die Einzelzellen der Pilze sind mit > 5 μm deutlich größer als Bakterienzellen. Neben den Tieren und Pflanzen stellen sie in der traditionellen biologischen Klassifizierung ein eigenes Reich dar. Aufgrund ihrer großen Artenvielfalt, Schätzungen gehen von etwa 100.000 verschiedenen Arten aus, sowie ihren umfangreichen physiologischen Fähigkeiten und Eigenschaften bilden sie eine der tragenden Säulen der natürlichen Stoffkreisläufe. Pilze leben saprophytisch, d.h. sie sind für ihre Energie- und Kohlenstoffversorgung auf organisches Material anderer Organismen angewiesen. Einige Pilzarten stehen in sehr enger Symbiose mit Pflanzen und haben einen ausgeprägten Austausch mit Nährstoffen. In wassergemischten Kühlschmierstoffen sind die Schimmelpilze und Hefen als relevante Vertreter zu nennen, daher werden sie im Folgenden kurz beschrieben. In ihren physiologischen Fähigkeiten und der Auswahl ihrer Lebensräume verfügen die Pilze über einen ähnlich weiten Bereich wie die Bakterien. Sie sind ubiquitär verbreitet und alle Natur- und die überwiegende <?page no="27"?> 23 Zahl der von Menschen produzierten Stoffe und Verbindungen können von ihnen als Nahrungs- und Energiequelle genutzt werden. Viele Pilzarten sind in der Lage, unspezifische Exoenzyme in ihr Umfeld abzugeben. Dadurch werden hochmolekulare Stoffe in kleinere Bruchstücke zerlegt, welche dann der Zelle zur Aufnahme zur Verfügung stehen [27, 28, 31]. Schimmelpilze verfügen über eine Zellwand, die in ihrer Struktur der Zellwand von Pflanzen ähnlich ist. Im Gegensatz zu der pflanzlichen Zellwand enthält sie jedoch nur in seltenen Fällen Cellulose. Die Hauptbestandteile der Zellwand sind Polysaccharide, Chitin, Proteine, Lipide und Polyphosphate. Das Chitin liegt in Form von Mikrofibrillen vor und bildet das Stützskelett der Zellwand. Bei einigen Pilzarten wird das Chitin durch andere Kohlenhydratverbindungen (Glucane) ersetzt. Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Zellwand sind für die Klassifizierung und die technologische Nutzung der Pilze von Bedeutung. An der Innenseite der Zellwand schließt sich die Cytoplasmamembran an. Sie übernimmt wie bei den Bakterien die räumliche und osmotische Abgrenzung gegenüber dem umgebenden Medium und gewährleistet einen kontrollierten Transport in die Zelle hinein und aus ihr heraus. Das Cytoplasma enthält neben dem Zellkern weitere Zellorganellen und komplexe Membranstrukturen wie bspw. das Endoplasmatische Retikulum, Mitochondrien und den Golgi-Apparat. Die Zellorganellen sind funktionelle Einheiten innerhalb der Zelle, die sich durch die Membran von ihrer Umgebung, dem Cytoplasma, abgrenzen. Detaillierte Informationen zu dem spezifischen Aufbau der Zellen und den besonderen physiologischen Eigenschaften von Pilzen finden sich in [40]. In Bild 2.5 ist exemplarisch für die Eukaryonten eine Hefezelle dargestellt. Bild 2.5: Schematische Darstellung des Aufbaus einer eukaryontischen Zelle am Beispiel einer Hefezelle [nach 27, 28]. Schimmelpilze sind filamentöse Pilze, einzelne Filamente bezeichnet man als Hyphen. Die Schimmelpilze können sich nicht aktiv fortbewegen. Ihre Ausbreitung bzw. Fortbewegung auf einem Medium oder einer Oberfläche findet durch das Wachstum der endständigen Zelle der einzelnen Hyphen statt. Die einzelnen Zellen der Hyphen sind an ihren Übergängen miteinander verbunden, durch Einschnürungen verengt oder septiert. Im Mikroskop lässt sich eine gut sichtbare Plasmaströmung über die Zellgrenzen hinweg erkennen, die auch die Zellkerne über die Zellgrenzen hinweg transportieren kann. In der Folge finden sich in solchen Pilzzellen gleichzeitig mehrere Zellkerne. Das Wachstum der Schimmelpilze vollzieht sich auf <?page no="28"?> 24 der Oberfläche oder innerhalb des besiedelten Substrates. So entstehen unter günstigen Bedingungen schnell kompakte, in die Umgebung ragende Büschel, welche als Myzel bezeichnet werden. Die Endständigen (Luft-) Hyphen tragen die Conidophoren, in denen als asexuelle Verbreitungsform Sporen enthalten sind. Die Conidien und das darunter liegende Myzel sind stark gefärbt und werden als ein Klassifizierungsmerkmal herangezogen. Neben den asexuellen Sporen können einige Schimmelpilzarten auch durch geschlechtliche Fortpflanzung Sporen bilden. Beide Sporentypen dienen der Verbreitung der Art. Die Sporen sind besonders resistent gegen Austrocknung, Hitze und chemische Attacken. Durch ihre geringe Größe und ihr geringes Gewicht können Pilzsporen sehr lange in der Luft schweben und sich so über weite Strecken ausbreiten. Die genaue Identifizierung von Pilzen gestaltet sich äußerst schwierig. Zum einen ist die Bestimmungsliteratur lückenhaft, zum anderen sind Pilze in ihrer Morphologie und Physiologie abhängig von der Art des aktuellen Fortpflanzungsstadiums, dem verwendeten Anzuchtmedium sowie der Anwesenheit anderer Pilzkulturen. Daher ist für eine genaue Artenbestimmung umfangreiches Fachwissen notwendig [27, 28, 31]. Hefen sind einzellige Pilze mit einer überwiegend kugeligen, oval-eiförmigen oder zylindrischen Zellmorphologie. Die Größe einer einzelnen Hefezelle liegt zwischen 4 μm und 12 μm und ist damit deutlich größer als Bakterienzellen. Auch wenn sich Hefezellen nahezu ubiquitär nachweisen lassen, sind sie vornehmlich in Lebensräumen mit einem hohen Gehalt an Kohlenhydraten in größerer Anzahl zu finden. Hefen pflanzen sich durch Knospung fort, d.h. aus einer kleinen Ausstülpung der Mutterzelle entsteht eine Tochterzelle, die sich nach und nach vergrößert und von der Mutterzelle löst. In wassergemischten KSS kommen Hefen relativ selten vor, sie treten im Allgemeinen als Sekundärbesiedler auf. D.h. erst nachdem durch Bakterien oder Pilze für sie günstige Lebensbedingungen geschaffen wurden, können sie sich in großer Zahl vermehren [27, 28, 31]. 2.3.2 Fähigkeiten der Pilze In ihren physiologischen Eigenschaften und der Auswahl ihrer Lebensräume stehen die Pilze den Bakterien nicht nach, auch sie sind in der Lage, nahezu jeden Lebensraum zu besiedeln. Sie können unter extremen Umweltbedingungen leben und sich vermehren, sowie nahezu sämtliche organischen Substanzen als Energie- und Nahrungsquelle nutzen. Durch die Abgabe von extrazellulären, unspezifisch wirkenden Exoenzymen sind Pilze in der Lage, große Makromoleküle wie bspw. Lignin in ihrer direkten Umgebung zu zersetzen. Die entstandenen Bruchstücke können anschließend in die Zelle aufgenommen und in den Stoffwechsel eingeschleust werden. Das filamentöse Wachstum der Pilze auf Oberflächen und in Biofilmen technischer Flüssigkeiten kann zu massiven Beeinträchtigungen führen. Hydraulische Probleme durch die Querschnittsverengungen von Rohrleitungen oder das Verstopfen von Düsen und Ventilen durch frei werdende Biofilme oder Pilzfilamente sind die Folgen. Letzteres ist seit den 1960er Jahren erkanntes Problem der Flugzeugkraftstoffe und ein wichtiges Forschungsthema geworden [27, 31, 41]. Die unterschiedlich starke Ausbreitung der Bakterien, Pilze und Hefen in wassergemischten KSS spiegelt sich auch in der wissenschaftlichen Literatur wider. 37 exemplarische Veröffentlichungen aus den Jahren 1941 - 2010, deren Fokus auf der Iso- <?page no="29"?> 25 lierung und Identifizierung von Mikroorganismen aus KSS lag, erbrachte die folgende Anzahl an identifizierten Arten der Mikroorganismen-Gruppen [42 - 78]: - Bakterien = 325; - Pilze = 23; - Hefen = 4. In den Untersuchungen aus den 1940er bis 1960er Jahren lag der Fokus im Wesentlichen auf dem Nachweis humanpathogener Bakterien in wassergemischten KSS. Eine Identifikation der isolierten Organismen bis zur Artenebene war nicht in allen zitierten Untersuchungen durchgeführt worden. Die Verteilung belegt aber eindeutig, dass die Bakterien, bezogen auf die Anzahl der identifizierten Arten und ihre Diversität, in dem Lebensraum KSS die dominanten Vertreter darstellen. 2.4 Mikrobielle Biofilme An allen Grenzflächen in der Natur sowie in technischen Systemen, die Wasser enthalten, kommen Biofilme vor. Der Begriff Biofilme bezeichnet den flächenhaften Aufwuchs von Bakterien und Pilzen an Grenzflächen oder auf Oberflächen. Die Besiedlung von Oberflächen stellt eine grundlegende Überlebensstrategie von Mikroorganismen dar, ist für die meisten Mikroorganismen die bevorzugte Lebensform und entscheidend an wichtigen Stoffumwandlungen und -kreisläufen in der Natur beteiligt. Eingebettet in eine Matrix leben die Mikroorganismen geschützt vor äußeren Einflüssen wie Schadstoffen, dem Verdriften in nährstoffarme Bereiche u.ä. in einem selbstgeschaffenen Lebensraum. Sie unterstützen sich gegenseitig in ihren Eigenschaften und Fähigkeiten, indem Synergien erzeugt und Konsortien gebildet werden. Biofilme stellen die älteste bekannte Lebensform dar, erste Spuren dieser Lebensform sind in Gesteinen mit einem Alter von 3,3 - 3,4 Mrd. Jahre nachgewiesen. Biofilme finden sich auch in technischen Anlagen. Hier können durch sie Schäden mittels des Abbaus von Inhaltsstoffen, durch Korrosionsprozesse (s. Kapitel 3 und 5), hydraulische Verluste in Leitungen, Verstopfungen von Düsen oder Verminderung des Wärmetransports an Wärmetauschern entstehen. Diese Effekte von Biofilmen treten ebenfalls in Systemen mit wassergemischten Kühlschmierstoffen auf. Neben den unerwünschten negativen Aspekten kommen die positiven Eigenschaften der Biofilme aber gleichermaßen gezielt in technischen Anwendungen zum Tragen: bspw. in der Abwasserreinigung, durch die Belebtschlammflocke; in der Rohstoffrückgewinnung (Bioleaching) durch gezielt eingesetzte oder immobilisierte Mikroorganismen sowie bei der Bodensanierung [79, 80, 81, 82]. 2.4.1 Entstehung von Biofilmen Die Entstehung und Entwicklung von Biofilmen auf Oberflächen verläuft in den folgenden Schritten: 1. Bildung eines conditioning Films Auf einer Oberfläche (Substrat), die im Kontakt mit einer wässrigen Phase steht, bildet sich spontan innerhalb weniger Minuten ein sog. "conditioning Film" aus Makro- <?page no="30"?> 26 molekülen aus. Das Substrat kann aus inertem Material wie Metall, Glas, Kunststoff etc. bestehen, ein lebender Organismus (Pflanzenteil, Zähne) sein oder die Grenzfläche Wasser - Luft. Der conditioning Film besteht aus adsorptiv, kovalent oder heteropolar an das Substrat gebundenen organischen und / oder anorganischen Stoffen (gelöste Bestandteile, bakterielle Stoffwechselprodukte etc.). 2. Anlagerung der Primärbesiedler oder Pionierorganismen Auf dem conditioning Film beginnen sich erste Mikroorganismen (Primärbesiedler) anzuheften. Der Prozess der Anheftung kann durch eine aktive Bewegung der Bakterien oder durch deren passive Anströmung von statten gehen. Er hängt u.a. von dem physiologischen Zustand der Zelle, den Nährstoffbedingungen der Umgebung sowie der Ladung der Oberfläche, deren Topographie und Hydrophobizität ab. In den meisten Fällen ist der erste Kontakt mit der konditionierten Oberfläche reversibel. 3. Irreversible Anheftung Die irreversible Anheftung der Bakterien an der Oberfläche geht mit wesentlichen physiologischen und genetischen Änderungen der Zelle einher und kann innerhalb weniger Minuten abgeschlossen sein. Die Zellen wechseln vom planktonischen zum sessilen Stadium. Dabei werden in der Steuerung der Genexpression, d.h. dem Ablesen der Erbinformation "Schalter" umgelegt. In der Folge bilden die Bakterien vermehrt Fimbrien, mit denen sie sich besser an der Oberfläche verankern können, und beginnen ihren Stoffwechsel zu verändern. Die Mikroorganismen geben Substanzen in ihre Umgebung ab, die EPS (Extrazelluläre Polymere Substanz). Die EPS ist ein gelartiges Substanzgemisch und dient u.a. der Anheftung an das Substrat, der Einbettung der Mikroorganismen, der Speicherung von Reservestoffen und Wasser. Sie setzt sich hauptsächlich aus hydrolisierten Polysacchariden und Proteinen zusammen. Weiterhin finden sich in ihr Lipide, Phospholipide, Glycoproteine und -lipide, Lipopolysaccharide, Huminstoff-ähnliche Substanzen und extrazelluläre DNA. Durch Zellteilungen entstehen die ersten Mikrokolonien in dem sich aufbauenden Biofilm. Die Zellen beginnen untereinander zu kommunizieren, in dem sie Signalmoleküle in ihre Umgebung aussenden (Quorum Sensing). 4. Entstehung des reifen Biofilms In dem nächsten Schritt erfolgt die Entwicklung eines reifen Biofilms. Vermehrt akkumulieren weitere, EPS-produzierende Bakterien auf dem Basisfilm und führen zu einem Aufwachsen des bestehenden Oberflächenfilms. Der Stofftransport durch die EPS ändert sich von konvektiv zu diffusiv und wird durch die gelartige Struktur erheblich verlangsamt. In der EPS verankerte Biomoleküle wie bspw. Protein oder funktionelle Gruppen weiterer verankerter Moleküle geraten mit den durch den Biofilm diffundierenden Substanzen in Kontakt und können mit ihnen chemisch reagieren. Die verminderte Durchströmung in der EPS führt zu der Bildung chemischer Gradienten. Innerhalb dieser Gradienten entstehen Lebensräume für Gesellschaften verschiedener Mikroorganismenarten, sog. Mikrokonsortien. In diesen unterstützen und ergänzen sich die verschiedenen Arten gegenseitig in ihren physiologischen Eigenschaften. Fakultativ anaerobe bzw. strikt anaerobe Mikroorganismen können sich in den sauerstoffarmen bzw. -freien Bereichen des Biofilms etablieren. In Abhängigkeit der Nährstoffbedingungen und der Scherkräfte durch vorbei strömende Flüssigkeit kann der Biofilm eine Mächtigkeit von wenigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern entwickeln. <?page no="31"?> 27 5. Ablösung des Biofilms Hat der Biofilm ein bestimmtes Alter erreicht oder die Umgebungsbedingungen haben sich verändert, kommt es zu einer Auf- oder Ablösung des Biofilms oder von Teilen von ihm. Der Vorgang der Ablösung kann passiv vonstattengehen oder aktiv durch die Mikroorganismen eingeleitet werden. Hierfür können verschiedene Ursachen benannt werden: I: In durchströmten Flüssigkeiten wird mit zunehmender Mächtigkeit des Biofilms ein Teil durch die Scherkräfte der umgebenden Flüssigkeit abgetragen. II: Die Bildung von Gasvakuolen durch mikrobielle Stoffwechselprozesse reduziert die Stabilität der EPS. III: Unter negativen Lebensbedingungen können die Mikroorganismen über die Zell-Zell-Kommunikation (Quorum Sensing) aktiv die Auflösung des Biofilms steuern. Einzelne Zellen oder Zellkollektive lösen sich aus dem Verbund des Biofilms, lassen sich verdriften, um so neue ökologische Nischen zu besiedeln [79, 81-86]. Bild 2.6: Schematische Darstellung eines reifen Biofilms der sich aus der EPS- Matrix und der darin eingebetteten Bakterien zusammensetzt. Die Pfeile rechts geben die Ausprägung der möglichen biologischen und chemischen Gradienten innerhalb des Biofilms wieder [nach 81, 82, 87, verändert]. Bild 2.6 stellt einen schematischen Ausschnitt eines Biofilms dar und gibt einen Überblick über einen Teil der Gradienten, die sich innerhalb des Biofilms ausbilden können. In Bild 2.7 sind elektronenmikroskopische Aufnahmen einer planktonischen Bakterienzelle, angehefteter Zellen, einer Mikrokolonie sowie der Querschnitt durch einen Biofilm wiedergegeben [nach 79, verändert]. <?page no="32"?> 28 Bild 2.7: Entstehung eines Biofilms durch die Bakterienart Vibrio cholerae. Die Bilder wurden mit einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop (Planktonische Zelle), einem Raster-Elektronen-Mikroskop (Angeheftete Zellen, Mikrokolonie) und einem Konfokalen-Laser-Scanning-Mikroskop (Vertikaler Schnitt durch einen Biofilm) aufgenommen. Die Bilder dokumentieren sehr eindrücklich die Phasen der Biofilmbildung [nach 79, verändert]. 2.4.2 Mikrobielles Leben im Biofilm Die intensive Forschung an Biofilmen hat erst vor wenigen Jahrzehnten begonnen. Daher handelt es sich immer noch um eine sehr junge Wissenschaft, bei der immer wieder neue Erkenntnisse zu der Entstehung und Entwicklung von Biofilmen, ihren Aus- und Wechselwirkungen auf ihre Umgebung sowie zu den in ihnen ablaufenden Prozessen aufgedeckt werden. Watnick [79] überträgt in seiner Publikation das bakterielle Leben im Biofilm auf den Menschen und stellt den Vergleich mit dem Leben in einer Stadt an. Zuerst wird die Stadt ausgewählt, in der man leben möchte, im nächsten Schritt sucht man sich eine angenehme Nachbarschaft, in der man sich mit seinem Umfeld einbettet. Innerhalb der Stadt finden sich all die Möglichkeiten der Versorgung und Kommunikation, denen die einzelnen Arten der bakteriellen Gemeinschaft nachgehen und von denen wiederum jedes Mitglied der Gemeinschaft bei Bedarf profitieren kann. Sollte das Leben in dieser Stadt unangenehm werden, sucht man sich einen anderen Wohnort. <?page no="33"?> 29 Innerhalb ihrer Stadt, d.h. des Biofilms, bilden die verschiedenen Mikroorganismenarten eine Gemeinschaft, in der sie ihr genetisches Material austauschen, sich in ihren physiologischen Eigenschaften unterstützen und so unterschiedliche biologische Nischen mit diskreten Lebensräumen besetzen. Der Biofilm stellt einen hochkomplexen, stark ausdifferenzierten Lebensraum einer Multispezies-Gemeinschaft dar. Nach Costerton et al. stellen die bakteriellen Biofilme bezüglich der gesamten Biomasse, der Vielfalt und der Art und Ausdehnung der besiedelten Habitate die erfolgreichste Form des Lebens dar [81]. Das Leben in Biofilmen bietet den Mikroorganismen wesentliche Vorteile gegenüber der Existenz als freiflottierender planktonischer Organismus in einem Wasserkörper. Der Biofilm ist als dreidimensionaler Lebensraum zu verstehen, der sowohl zeitlich und als auch räumlich stark differenziert und hoch dynamisch ist. Der Biofilm bietet seinen Einwohnern einen Schutz vor hydraulischen Belastungen, pH-Schwankungen, osmotischem Stress, Austrocknung und Schadstoffen wie bspw. Bioziden (s.u.). Dabei ist der Biofilm von dem Wasserkörper soweit entkoppelt, das sich aus Analysen, die aus dem Wasserkörper gezogen wurden, in vielen Fällen keine direkten Rückschlüsse ziehen lassen, ob und wo sich in dem untersuchten System Biofilme befinden, welches Ausmaß sie haben und welche Organismen in ihnen leben [88]. Die Extrazelluläre Polymere Substanz (EPS) bildet das Grundgerüst des Biofilms, sie ist von wassergefüllten Kanälen durchzogen, in denen Signal-, Boten- und Nährstoffe transportiert werden. Sie dient als Speicherplatz für Nährstoffe und stellt den Reaktionsraum für chemisch-physikalische Prozesse dar. Durch den Einbau und die Immobilisierung von Exoenzymen in die Matrix der EPS in unmittelbarer Umgebung der Zelle kann die Effizienz des Abbaus schwer verwertbarer Substanzen, zum Beispiel von partikulärem makromolekularem Material, deutlich verbessert und die Aufnahme der entstehenden Abbauprodukte begünstigt werden. Die Koexistenz verschiedener Mikroorganismenarten repräsentiert einen umfangreichen Pool genetischer Informationen auf engstem Raum. Daraus ergibt sich die Möglichkeit des horizontalen Gentransfers, d.h. die Weitergabe von genetischer Information von einer bakteriellen Spezies zur einer anderen. Im Biofilm eingelagerte Mikrokonsortien sind darüber hinaus in der Lage, kometabolisch Moleküle zu verwerten, zu deren Abbau die Einzelorganismen nicht in der Lage wären. Mit zunehmender Mächtigkeit des Biofilms verringert sich gegebenenfalls durch die Stoffwechselaktivität der Sauerstoffgehalt des Wassers. Es entstehen vermehrt ökologische Nischen für obligat oder fakultativ anaerobe Bakterien; lokale Lebensräume, welche sich diesen Bakterien in der freien Wasserzone nicht in jener Form bieten würden [79, 81, 88, 89, 90]. In der gelartigen EPS verändert sich der Stofftransport. Verglichen mit dem Wasserkörper wird durch die Diffusionsbarriere der EPS der Stofftransport innerhalb des Biofilms verlangsamt. Die Bakterien sind innerhalb des Biofilms in ihrem Aktionsradius dagegen nur bedingt eingeschränkt, der Biofilm stellt ein sehr dynamisches Gefüge dar. Rice et al. führten Untersuchungen zur Teilungsrate und dem Migrationsverhalten in einem Laborbiofilm durch. Sie konnten neben der Bewegung der Bakterien durch den Biofilm auch physiologische Unterschiede zwischen den passiven und sich aktiv fortbewegenden Bakterien zeigen [91]. Battin et al. stellen in ihrer Publikation Modelle bezüglich der Migration und der Ausbreitung von Mikroorganismen in einem Biofilm auf. Die Modelle liefern das gleiche strukturelle Verhalten der bakteriellen Gemeinschaft hinsichtlich der Einwanderung neuer Organismen in den Biofilm, <?page no="34"?> 30 wie es von den Immigrationsbewegungen von bspw. Bäumen in Wäldern oder Vögeln bekannt ist [92]. Eine umfangreiche Darstellung der Kommunikations- und Signalsubstanzen sowie den daraus folgenden Kaskaden, durch die die Bakterien ihre Physiologie den Leben in Biofilmen anpassen, stellen Karatan und Watnick in ihrem Review-Paper vor. Sie kommen zu dem Schluss, dass die in Biofilmen ablaufenden Prozesse und interbakteriellen Kommunikationswege trotz der Fortschritte der letzten Jahre noch nicht vollständig verstanden sind und weiterhin ein großer Forschungsbedarf besteht [93]. Nach Szewzyk et al. ist der Aktivitätszustand der Zellen im Biofilm von der Menge der verfügbaren organischen Substanzen abhängig. Wird das Nährstoffangebot stark verändert, kann dies den Eintritt in ein anderes Stadium des Lebenszyklus der Mikroorganismen induzieren. Die Zellen können bspw. bei einem verminderten oder zu geringem Nahrungsangebot ihren Stoffwechsel in ein Ruhestadium schalten, sich aktiv von dem Biofilm oder der Oberfläche lösen und in das planktische Stadium wechseln und den Biofilm aktiv verlassen [94]. Die Kommunikationswege zwischen Bakterien werden mit dem Begriff des Quorum sensing beschrieben. Detaillierte Betrachtungen dazu finden sich in [95 - 97]. Die Bakterien nutzen verschiedene Moleküle, die sie in ihr Umfeld abgeben. Als typische Botenstoffe konnten acylierte homoserin Lactone (AHL), -Butyrolactone, Quinolone oder Aminosäuren identifiziert werden. Das Quorum sensing ist einer der relevanten Faktoren, die die Genexpression und -aktivität in Biofilmen steuern und damit einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensbedingungen innerhalb der Biofilmgemeinschaft nehmen. Die Empfänger-Zellen können anhand der Informationen auf die Anzahl ihrer Nachbarzellen, deren physiologischen Zustand und das metabolische Potenzial der Organismengemeinschaft schließen sowie auf die Signale reagieren. Durch die Fähigkeit, untereinander zu kommunizieren, ist es den Mikroorganismen in einem Biofilm möglich, einen verstärkten Schutz vor bioziden Substanzen und Desinfektionsmitteln aufzubauen. Bei schädigenden Wirkungen kann eine Signalkaskade ein Runterregulieren der physiologischen Aktivität bewirken. Damit werden die Wirkmechanismen und -orte der antimikrobiell aktiven Substanzen deaktiviert und unterbunden, die Mikroorganismen können den Biozideinsatz ohne Schädigung überleben. Ein weiterer Schutz ergibt sich durch die Wechselwirkungen der EPS mit antimikrobiellen Substanzen. Die EPS stellt nicht nur eine Diffusionsbarriere für biozide Substanzen dar. Auch die in die EPS eingelagerten, reaktiven funktionellen Gruppen reagieren mit den antimikrobiellen Substanzen. Infolgedessen verändern sich diese und verlieren ihre antimikrobielle Wirkung. Mikroorganismen können in Biofilmen Biozidkonzentrationen überstehen, die bis zu zwei Größenordnungen über der für sie sonst schädlichen Konzentration liegen [95 - 100]. Die Biofilmentstehung und -ausbreitung ist ebenso in KSS-Anlagen verbreitet und stellt in den Systemen eine relevante Quelle für die Neubesiedlung der Anlagen selbst nach einer Neubefüllung oder Biozidbehandlung dar, wenn nicht eine systematische, mechanische Reinigung der Oberflächen durchgeführt wird (s. auch Kapitel 3.3 Biofilme in Kühlschmierstoff-Anlagen und Kapitel 6 Gegenmaßnahmen). <?page no="35"?> 31 3 Mikrobielle Schädigung des Kühlschmierstoffs 3.1 Einführung in die Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe Das Leben und die Ausbreitung von Mikroorganismen in wassergemischten Kühlschmierstoffen stellt ein großes funktionelles und hygienisches Problem in der technischen Anwendung dieser Prozessflüssigkeiten dar. Wassergemischte KSS bieten den Mikroorganismen sehr gute Bedingungen für ihr Wachstum und ihre Vermehrung. Alle KSS-Inhaltsstoffe, die in einer biologisch verwertbaren Form vorliegen, können den Bakterien und Pilzen als potenzielle Quelle zur Energiegewinnung und zum Aufbau von Zellmasse dienen. Die üblichen Temperaturen von 20°C bis 45°C in den KSS-Systemen gewährleisten den meisten Mikroorganismenarten, die in das System eingeschleppt werden, optimale Lebensbedingungen. Die Bedeutsamkeit des mikrobiellen Befalls von KSS leitet sich von den Fähigkeiten der Mikroorganismen ab, Bestandteile des KSS für ihren Stoffwechsel zu nutzen, diese dem System zu entziehen und hiermit die ursprünglich eingestellte chemische Zusammensetzung des KSS langfristig zu verändern. Der mikrobielle Abbau einzelner KSS-Bestandteile wirkt sich negativ auf die technische Qualität des KSS aus, gewünschte Eigenschaften gehen verloren. Die mikrobielle Verwertung der Inhaltsstoffe führt zu der Bildung neuer, unbekannter Zwischen- und Endprodukte, durch die Nachadditivierung im Prozess kommt es zu einem erhöhten Verbrauch an Konzentrat, Bioziden und Stelladditiven sowie zu einer Verschiebung in dem eingestellten chemischen Gleichgewicht des KSS. Für die Hersteller und Anwender ergibt sich daraus ein Dilemma: In seinem Anwendungszustand soll der KSS eine möglichst stark ausgeprägte Biostabilität aufweisen, in der nachgeschalten Entsorgung jedoch leicht biologisch abbaubar sein. Neben den technischen und toxikologischen Anforderungen an den KSS beschreiben diese beiden elementaren Forderungen den schmalen Grad, auf dem sich die Hersteller bei der Formulierung ihrer Produkte bewegen. Die von der mikrobiellen Aktivität ausgehenden Effekte in wassergemischten Kühlschmierstoffen lassen sich im Wesentlichen mit den nachfolgenden Auswirkungen beschreiben bzw. an ihnen ablesen: Auswirkungen auf den KSS - Verkürzung der Standzeit / der Lebensdauer des KSS - Verlust der eingestellten technischen Eigenschaften - Absinken des pH-Wertes - Nachlassen des Korrosionsschutzes - Anstieg der Leitfähigkeit - Emulsionsspaltung <?page no="36"?> 32 Auswirkungen auf das Umlaufsystem - Ölabscheidungen - Emulsionsspaltung - Verstopfen von Leitungen durch Biofilme - Auftreten von Schaum - Hydraulische Schwierigkeiten in der Filtration Auswirkungen auf die Umwelt - Gegebenenfalls gesundheitliche Belastung für die Mitarbeiter - Erhöhtes Potenzial zur Bildung von Nitrosaminen - Auftreten von Gerüchen Auswirkungen auf nachfolgende Systeme - Störung der Ultrafiltration bei der Entsorgung der Kühlschmierstoffe - Verschleppung kontaminierten KSS´ in nachfolgende Systeme - Erhöhung des DOC/ CSB im Strom der Abwasserentsorgung Auswirkungen auf Kostenstruktur - Stillstandzeiten der Werkzeugmaschinen zur Reinigung und Wartung - Erhöhter Personaleinsatz für das KSS-Monitoring - Erhöhter Werkzeugverschleiß - Produktion von Teilen minderer Qualität bzw. Ausschuss [4, 55, 57, 101]. Das vom Hersteller präzise abgestimmte Verhältnis von Inhaltsstoffen wie z.B. Ölen, Emulgatoren, Stabilisatoren oder schwefelhaltigen Leistungsadditiven wird durch die mikrobielle Belastung nachhaltig gestört und die gewünschten Eigenschaften gehen verloren. Neben einer stets vorhandenen Belastung der Mitarbeiter durch die intensiv diskutierte Chemie der KSS sollte ebenfalls das mikrobiell bedingte Gesundheitsrisiko für die Maschinenbediener nicht vernachlässigt werden. Neben den regelmäßig in Kühlschmierstoffen nachgewiesenen Krankheitserregern spielen auch die mit dem Aerosol verbreiteten Bruchstücke zerstörter Zellen, sogenannte Endotoxine, eine wesentliche Rolle der hygienischen Betrachtung im Umgang mit KSS am Arbeitsplatz [2, 57, 72, 102, 103]. Während die Kühlschmierstoff-Konzentrate aufgrund des fehlenden Anteils an freiem Wasser keimfrei sind, führen die Bedingungen im Betrieb zu einem Eintrag von Mikroorganismen und weiteren Nährstoffen. In den KSS-Kreislauf gelangen die Mikroorganismen insbesondere über das Ansetzwasser und nach einer Reinigung in der Werkzeugmaschine verbleibende Verunreinigungen (Biofilme und verbleibende Restflüssigkeiten). Eine vielfach übersehene Kontaminationsquelle stellen die Zufuhrleitungen und Schläuche für das Ansetzwasser dar. Da diese normalerweise nicht regelmäßig durchströmt werden und in vielen Fällen aus Kunststoffen bestehen entwickeln sich auf deren Innenwandungen Biofilme, die bei dem KSS-Neuansatz von dem durchströmenden Wasser abgeschert und in das System gespült werden. Ebenso ist der in der Maschine verbleibende Rest von gebrauchtem KSS für die Rekontamination relevant: Bereits 100 ml eines mit 10 7 Bakterien / ml befallenen KSS <?page no="37"?> 33 reichen aus, um eine Neubefüllung mit 1.000 Liter Volumen mit 1.000 Bakterien / ml zu kontaminieren. Diese Mikroorganismen sind bereits an den KSS adaptiert. Weitere Einträge von Mikroorganismen finden durch Werkstücke, Luft, Menschen sowie Verschleppungen aus vorgelagerten Prozessen statt. Eine KSS-Anlage wird also nicht ohne eine mikrobielle Belastung zu betreiben sein. Die mikrobielle Belastung von wassergemischten KSS stand bereits in den Anfängen von deren Nutzung im Fokus der Forschung. McConnell erläutert bereits 1922 den Einsatz von chemischen Substanzen wie Phenolen, Kresolen und weiteren Antiseptika auf Basis von Steinkohleteer als geeignete Mittel zur Desinfektion von KSS. Daneben stellt er die thermische Behandlung, d.h. das Aufheizen auf ca. 63°C für 30 Minuten als weitere zuverlässige Methode dar, um pathogene Keime in wassergemischten KSS abzutöten. Seine Untersuchungen beziehen sich jedoch rein auf die hygienischen der mikrobiellen Besiedlung, die Schädigung der technischen Eigenschaften des KSS betrachtete er nicht [16]. In den 1940er und 1950er Jahren kam es auf Seiten der mikrobiologischen Forschung zu einer intensiven Auseinandersetzung mit dem mikrobiellen Leben in KSS. Insbesondere die Arbeiten aus den Forschergruppen um Bennett, Duffett, Pivnick und Wheeler aus den USA haben grundlegende Erkenntnisse über die Besiedlung der KSS sowie der darin nachweisbaren Organismen geliefert [44, 46, 58, 59, 60, 104]. So wurde beispielsweise der in vielen Veröffentlichungen beschriebene und in vielen KSS-Proben KSS-Systemen regelmäßig nachgewiesene Stamm Pseudomonas oleovorans erstmals 1940 von Lee und Chandler dokumentiert [53]. In den frühen Arbeiten lag der Fokus der Forschung im Wesentlichen auf der Aufklärung hygienischer Aspekte, bzw. bei der Bestimmung der im KSS nachweisbaren mikrobiellen Artengemeinschaften. Die Schädigung des KSS durch die Mikroorganismen wurde eher widersprüchlich diskutiert. In den meisten Untersuchungen wurde der KSS in seinem Anwendungszustand betrachtet, Analysen zu der mikrobiellen Verwertung von Einzelsubstanzen fanden nicht statt. Von Lee und Chandler ist bspw. die Fähigkeit von Bakterien, mit einem KSS als alleiniger Nährstoffquelle zu wachsen und diesen dabei in seinen chemischen und technischen Eigenschaften zu verändern dargelegt. Die hohen bakteriellen Zellzahlen wurden auf die Nutzung des KSS als Nährstoffquelle zurückgeführt [53]. Dresel dagegen leitet die Zersetzung von mikrobiell hoch kontaminierten Emulsionen allein aus der Zugabe von Soda durch die Maschinenbediener ab und schreibt den nachgewiesenen Bakterien keine Beteiligung an dem Abbau des KSS zu [105]. Die wissenschaftlichen Arbeiten der letzten Jahrzehnte zur Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe betrachten die Wechselwirkungen zwischen den mikrobiellen Lasten und dem Kühlschmierstoff detaillierter, so werden neben der Bestimmung der Artengemeinschaften auch die mikrobiellen Abbauwege von einzelnen Inhaltsstoffen untersucht [62, 106 - 108]. Die Anwendung moderner molekularbiologischer Methoden und Verfahren ermöglicht ein tieferes Verständnis für die mikrobielle Diversität und die Sukzession in dem Biotop wassergemischter KSS. Das Potenzial dieser Methoden lässt sich u.a. sehr gut an den Untersuchungen von Strauss und Gorfer verdeutlichen. Sie konnten aus 38 KSS Proben unter Zuhilfenahme einer molekularbiologischen Identifizierungsmethode (16S rDNA-PCR) 92 verschiedene Bakterienspezies nachweisen. 55 der identifizierten Spezies waren bis dahin noch nicht in KSS nachgewiesen worden [67]. <?page no="38"?> 34 3.2 Mikrobieller Abbau von Kühlschmierstoff-Bestandteilen und der Einfluss auf die technische Qualität Der mikrobielle Abbau der KSS-Inhaltsstoffe geht sukzessive vonstatten, d.h. der KSS wird nicht in seiner Gesamtheit verwertet, sondern die einzelnen KSS- Inhaltsstoffe werden nach und nach abgebaut. Substanzen, die eine hohe Bioverfügbarkeit haben und leicht abbaubar sind, werden von den Mikroorganismen bevorzugt verwertet, komplexere Moleküle werden zu einem späteren Zeitpunkt von den Mikroorganismenarten verwertet, welche sich erst dann in dem KSS-System etablieren. Der Prozess des mikrobiellen Kühlschmierstoff-Abbaus ist als hoch dynamisch anzusehen, sowohl im Hinblick auf die Verwertung der einzelnen Inhaltsstoffe als auch im Bezug auf die Zusammensetzung und Verteilung der Arten in dem KSS. Ein mikrobiell belasteter KSS ist durch das Zudosieren von Konzentrat nicht mehr in seinen ursprünglich eingestellten technischen Zustand zurückzusetzen. Für den Anwender ist es somit notwendig, ein gutes und standardisiertes Monitoring durchzuführen um den Qualitäts- und Hygieneanforderungen einer modernen Fertigung gerecht zu werden. Den Herstellern stehen ca. 300 Rohstoffe für die Formulierung von KSS zur Verfügung. Ein wassermischbarer KSS kann aus bis zu 30 verschiedenen Inhaltsstoffen bestehen. Die meisten der zur KSS-Herstellung verwendeten Rohstoffe sind technischer Qualität. Der Reinheitsgrad der technischen Rohstoffe beträgt zwischen 90% und 95%, sodass in jedem Fall mit Beimischungen unbekannter Herkunft und Konzentration zu rechnen ist. Zum Teil werden pflanzliche Rohstoffe eingesetzt, welche ebenfalls in ihrer chemischen Zusammensetzung Schwankungen unterliegen. Diese Bandbreite in der chemischen Zusammensetzung bedingt Probleme in der Analyse gebrauchter KSS [1, 4]. Die Wechselwirkungen zwischen dem Kühlschmierstoff und einer mikrobiellen Belastung sind aufgrund der heterogenen Chemie eines KSS und den umfangreichen physiologischen Fähigkeiten der Mikroorganismen sehr komplex. In Abhängigkeit des physiologischen Potenzials der in einem KSS vorhandenen Mikroorganismen sowie der Bioverfügbarkeit und der Bioabbaubarkeit der KSS-Inhaltsstoffe werden diese entweder vollständig zu Biomasse, Wasser und CO 2 abgebaut oder es entstehen Zwischen- und / oder Endprodukte, welche von anderen Organismen weiterverwertet werden können bzw. im KSS verbleiben. Die Inhaltsstoffe werden in der Reihenfolge ihrer Bioverfügbarkeit dem System KSS entzogen. Das bedeutet, dass die KSS- Bestandteile sukzessive abgebaut werden. Erfolgt eine Nachdosierung mit KSS- Konzentrat, führt dies zu einer zusätzlichen Verschiebung der primär eingestellten Formulierung. 3.2.1 Mikrobieller Abbau der Mineralöl- und Kohlenwasserstoff-Bestandteile Ein Hauptbestandteil von wassergemischten KSS sind Mineralöl-Kohlenwasserstoffe (MKW) und deren Derivate. Zu dem mikrobiellen Abbau von Kohlenwasserstoffen liegen umfangreiche Untersuchungen vor. Erste Arbeiten hierzu wurden zum Beispiel 1913 von Söhngen veröffentlicht. Er konnte nachweisen, dass verschiedene Mikroorganismen in der Lage sind, mit Paraffinen, Petroleum sowie Benzin als Nährstoff <?page no="39"?> 35 zu wachsen und diese in Wasser und CO 2 abzubauen. Die von ihm verwendeten Mikroorganismen wurden aus Gartenerde, Mist und Grabenwasser isoliert. Damit war der Nachweis erbracht, dass das Potenzial, MKWs zu verwerten, auch in Mikroorganismen vorliegt die zuvor nicht direkt mit diesen Stoffen im Kontakt standen. Als eine weitere Erkenntnis der Experimente zeigte Söhngen, dass ein Teil der isolierten Mikroorganismen über die Eigenschaft verfügte, Exoenzyme in ihre Umgebung abzugeben und so Fette außerhalb der Zelle spalten konnte [109]. Weiterführende Grundlagenuntersuchungen zum Abbau von MKW stammen von ZoBell und Atlas. ZoBell belegte, dass die Abbaurate und -kinetik von MKW durch Mikroorganismen wesentlich von der chemischen Struktur der MKW abhängig ist. Neben der Länge der Moleküle spielt das Vorhandensein von Verzweigungen, Doppel- oder Dreifachbindungen, funktionellen Gruppen oder aromatischen Ringen in einem einzelnen MKW-Molekül eine entscheidende Rolle. Mit zunehmender Komplexität des Moleküls, d.h. je stärker verzweigt oder mit zunehmender Anzahl an Ringsystemen reduziert sich das Potenzial des mikrobiellen Abbaus [110]. Atlas beschreibt in seinem Reviewpaper, dass das Potenzial, Kohlenwasserstoffe (KW) abzubauen, in Mikroorganismen sehr weit verbreitet ist und sowohl von der chemischen Struktur der KW als auch von Umweltfaktoren wie der Temperatur, der Anwesenheit von Mikronährstoffen, dem Sauerstoff- und Salzgehalt abhängt [111]. Ein Jahrzehnt später fasst der Forschungsbericht von Witt den zeitgenössischen Stand der wissenschaftlichen Literatur zum Abbau von MKW und deren Derivaten zusammen und wertet diesen aus. Anhand der Datenlage wurde bewiesen, dass für nahezu alle Kohlenwasserstoff-Verbindungen (reine Mineralölprodukte, halogenierte Kohlenwasserstoffe, polyzyklische Kohlenwasserstoffe) ein Abbau- oder Transformationspotenzial durch Mikroorganismen vorhanden ist. Generell kann gesagt werden, dass KW mit einer Kettenlänge bis acht Kohlenstoffatomen auf einen großen Teil der Mikroorganismen toxisch wirken. Kohlenwasserstoffe mit C9-C24 gelten als biologisch abbaubar, wobei eine höhere Anzahl an C-Atomen die Hydrophobizität und damit die Bioverfügbarkeit einschränkt. Kohlenwasserstoffe mit einem Grundgerüst > C24 sind nur schwer biologisch abbaubar. Weiterhin erschweren verzweigte oder ringförmige KW-Moleküle sowie solche mit Doppel- oder Dreifachbindungen den mikrobiellen Abbau [112]. Vergleichende Analysen zum Abbau von MKW aus KSS führten Eisenträger et al. durch. Die untersuchten MKW stellten sich als mikrobiell schwerer abbaubar dar als die ebenfalls in KSS verwendeten synthetischen Ester-Öle. Auch bei Letzteren ist eine eindeutige Abhängigkeit der Abbaurate von der chemischen Struktur der Moleküle nachweisbar. Der Zusatz von Additiven hatte keinen Einfluss auf die Verwertung der Ester [107]. Der mikrobielle Abbau von KW und anderen hydrophoben Substanzen kann durch die Zugabe von grenzflächenaktiven Molekülen beschleunigt werden. Diese können einen synthetischen Ursprung haben oder als Bio-Emulgatoren von den Mikroorganismen selbst produziert werden. Die oberflächenaktiven Substanzen besetzen die Grenzfläche der hydrophoben Moleküle und vergrößern deren Oberfläche zu dem sie umgebenden Wasser. Die größere Oberfläche bedeutet eine bessere Bioverfügbarkeit der wasserunlöslichen Substanzen und führt zu einer Beschleunigung des mikrobiellen Abbaus. Durch die Zugabe von oberflächenaktiven Substanzen konnte in den Arbeiten von Riis der Abbau von Mineralöl deutlich erhöht werden, der Grad der Umsatzrate erhöhte sich um bis zu 60% [113]. <?page no="40"?> 36 Dieser Einfluss von Emulgatoren und Lösungsvermittlern auf den mikrobiellen Abbau von einem Grundöl konnte in Untersuchungen von Rabenstein und Koch nachgewiesen werden. Der Versuchsaufbau beinhaltete gasdichte Head-Space-Gefäße, in denen aus KSS isolierte Mikroorganismen in einer Mineralsalzlösung mit dem naphthenbasischen Grundöl bzw. den Öl-Emulgator-Lösungsvermittler-Gemischen als alleiniger Energie- und Kohlenstoffquelle inkubiert wurden. In regelmäßigen Abständen wurden aus dem Gasraum Proben gezogen und der CO 2 -Gehalt als Bewertungsgröße für den mikrobiellen Abbau des Öls bzw. der Öl-Emulgator- Lösungsvermittler-Gemische herangezogen. Bei den untersuchten Substanzen handelte es sich um typische Grundstoffe für die Herstellung von wassermischbaren KSS. Bild 3.1 zeigt die Ergebnisse: Eine größere und früher einsetzende CO 2 - Entwicklung in den Ansätzen, in denen die Bioverfügbarkeit des Öls durch die Zugabe des Emulgators und des Lösungsvermittlers verbessert wurde. Dort fand ein schnellerer und intensiverer mikrobieller Abbau der Kohlenstoffquellen statt [114]. Bild 3.1: Beschleunigter mikrobieller Abbau eines KSS-typischen Grundöls durch die Zugabe eines Emulgators bzw. Emulgator-Lösungsvermittler-Gemisches bestimmt über die CO 2 -Freisetzung [114, verändert]. Ron und Rosenberg geben in ihrem Übersichtsartikel den Stand des Wissens zu mikrobiellen Bioemulgatoren wider. Sie unterteilen die Bioemulgatoren in solche mit einem niedrigen Molekulargewicht und Emulgatoren mit einem hohen Molekulargewicht. Erstere bestehen überwiegend aus Kohlenhydraten, also Zuckerderivaten, welche an langkettige Fettsäuren oder Lipopeptide gebunden sind. Die hochmolekularen Bioemulgatoren setzen sich aus einer Vielzahl von verschiedenen chemischen Gruppen wie bspw. den Polysacchariden, Proteinen, Lipoproteinen, Lipopolysacchariden oder komplexen Biopolymeren zusammen. Sie heben die Bedeutung der Mikroorganismen hervor, die durch die Produktion von emulgierenden Molekülen den biologischen Abbau von schwer abbaubaren, hydrophoben Substanzen erst er- <?page no="41"?> 37 möglichen. Ebenso stellen diese Organismen einen Vorteil für mikrobielle Konsortien dar, in denen auch jene Bakterien von den Bioemulgatoren profitieren, welche keine eigenen produzieren können [115]. 3.2.2 Mikrobieller Abbau von weiteren Kühlschmierstoff-Bestandteilen Bereits 1957 wurden von Ellis et al. umfangreiche Ergebnisse zu Abbauversuchen von 20 KSS-Einzelsubstanzen mit mikrobiellen Rein- und Mischkulturen veröffentlicht. Sie konnten in ihren Untersuchungen zeigen, dass die Art und Zusammensetzung der Bakterienkultur die Abbaukinetik der verschiedenen Substanzen bestimmt und dass der mikrobiellen Verwertung der KSS-Bestandteile keine monokausale Reaktion zugrunde liegt, sondern diese von einer heterogenen mikrobiellen Population sowie vielfältigen Prozessen und Umgebungsbedingungen abhängt. [116]. Bild 3.2: Mikrobieller Abbau von Monoethanolamin (MEA) durch verschiedene, aus einem wassergemischten KSS isolierte Rein- und Mischkulturen, bestimmt über die Freisetzung von CO 2 . MEA stellte in dem Versuchsaufbau die einzige Kohlenstoff- und Energiequelle für die Mikroorganismen dar, die Organismen wurden ca. 3 Monate nach der Neubefüllung der Werkzeugmaschine aus dem KSS isoliert. Die am Beginn der Untersuchung in der Anlage nachweisbaren Organismen waren nicht in der Lage, MEA zu verwerten. Dies erfolgte erst nach einer Adaptation der Artengemeinschaft an die Lebensbedingungen in der Emulsion [119]. <?page no="42"?> 38 Der mikrobielle Abbau von verschiedenen KSS-typischen Korrosionsinhibitoren wie Borat-Estern, Triethanolamin, Phosphatestern und Polyglycol haben Buers et al. nachweisen können. Sie verwendeten dazu Bakterien-Reinkulturen, welche sie zuvor aus KSS bzw. ölverschmutzten Böden isoliert haben. Als Bewertungsgröße des Abbaus wurde der COD (Chemical Oxygen Demand) der Testlösungen herangezogen. Mit dieser Methode werden alle in der Testlösung vorhandenen Verbindungen chemisch oxidiert. Eine Reduktion des COD nach einer mikrobiellen Kontamination bedeutet einen Abbau der Inhaltsstoffe. Neben der mikrobiellen Verwertung der Korrosionsinhibitoren konnte auch der Abbau eines Biozids dokumentiert werden. Hier verminderte sich, in Abhängigkeit des eingesetzten Bakterienstamms, der COD um bis zu 80%, bei den biostatisch wirkenden Boraten war eine COD-Reduktion um 74% nachweisbar [106]. Monoethanolamin (MEA) ist als Lösungsvermittler, pH-Wert-Stabilisator und Neutralisierungsmittel ein multifunktionaler Bestandteil wassergemischter KSS. Aufgrund des großtechnischen Einsatzes in der Rauchgaswäsche ist die Fähigkeit von Mikroorganismen, MEA sowohl aerob als auch anaerob zu verwerten, ausreichend häufig dokumentiert [117, 118]. Die Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der mikrobiellen Artengemeinschaft und deren Potenzial, einzelne KSS-Bestandteile abzubauen, sind von Koch u.a. anhand des Beispiels der mikrobiellen Verwertung von MEA in Langzeituntersuchungen beschrieben. Die mikrobielle Gemeinschaft, welche zu Beginn der Untersuchungen kurz nach der Neubefüllung aus einer Werkzeugmaschine isoliert wurde, verfügte in Tests zur Umsetzung der KSS-Inhaltsstoffe nicht über die Fähigkeit, MEA als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen. Erst nach einem Zeitraum von über 12 Wochen waren die dann aus dem gealterten KSS isolierten Organismen in der Lage, sowohl als Mischwie auch als Reinkulturen, MEA zu verwerten [119]. Die Langzeitstudie zeigte ferner die Komplexität der Schädigung eines wassergemischten KSS durch die mikrobielle Aktivität. Über einen Untersuchungszeitraum von mehr als 18 Wochen konnte demonstriert werden, dass neben dem vollständigen Abbau von MEA weitere starke Veränderungen in dem KSS auftraten. Eine deutliche Vergrößerung der mittleren Tröpfchengröße der Emulsion, ein Abfallen des pH- Wertes, der Verlust der Pufferkapazität des KSS sowie ein erhöhter Werkzeugverschleiß für den Prozess Bohren ins Volle waren zu verzeichnen [37, 119, 120]. Die mikrobielle Diversität, d.h. die Veränderungen in der Artengemeinschaft über die Zeit, ist in einer Werkzeugmaschine sehr dynamisch. Durch die mikrobielle Aktivität verändert sich permanent die chemische Zusammensetzung des KSS. Daraus ergibt sich für die Mikroorganismen ein ständig veränderndes Nahrungsangebot, sodass sich in der Folge auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Artengemeinschaft verändert. <?page no="43"?> 39 Bild 3.3: Mikrobieller Abbau von Monoethanolamin (MEA) aus einem KSS in einer Werkzeugmaschine, gegenübergestellt der Entwicklung der mikrobiellen Lebendzellzahlen als Koloniebildenden Einheiten KBE in Log / ml und dem Mittelwert der Verschleißmarkenbreite bei dem Prozess Bohren ins Volle. Die Verwertung von MEA steht exemplarisch für die Schädigung des wassergemischten KSS durch die mikrobielle Gemeinschaft. Der daraus resultierende Verlust der technischen Qualität führt zu einem stärkeren Verschleiß der verwendeten Bohrwerkzeuge [121]. Diese Dynamik in der Sukzession über die Zeit konnte in Untersuchungen durch Analysen mit dem MALDI-ToF-MS (Matrix - Assisted - Laser - Desorption - Ionisation - Time-of-Flight - Mass-Spectrometry) bestätigt werden [119, 122]. Mit dem MALDI- ToF-MS ist in den letzten Jahren ein neues, innovatives Verfahren zur Identifizierung von Mikroorganismen in die Analytik der Human- und Veterinärmedizin etabliert worden. Zellmasse der zu identifizierenden Bakterienkultur wird von einem Nährboden auf einen Probenträger überführt und mit einer Matrix überschichtet. Nachdem das Matrix-Zellmaterialgemisch auf dem Probenträger kristallisiert ist, erfolgt die Messung. Durch die Energiezufuhr über einen gepulsten Laserstrahl verdampft das in die Matrix eingebettete Probenmaterial, wird in dem Vakuum der Röhre ionisiert und beschleunigt. In Abhängigkeit der Molekülmasse (M) und Ladungen (Z) der verdampften Proteinbruchstücke benötigen diese eine spezifische Flugzeit, um eine Strecke in einer Vakuumröhre zu durchqueren. Am Ende treffen sie auf einen Massendetektor auf. Die resultierenden M/ Z-Spektrogramme sind hoch spezifisch und erlauben zum Teil eine Differenzierung von Mikroorganismen bis zur Subspezies. Die Identifizierung der Bakterien beruht dabei auf dem Vergleich eines Protein-Fingerprints mit Referenzmustern, die in einer Datenbank hinterlegt sind [122]. In Bild 3.4 sind die Ergebnisse der MALDI-ToF-MS-Analysen einer bakteriellen Population in einem KSS- System den Daten der Bestimmung der Lebendzellzahl gegenübergestellt. <?page no="44"?> 40 Bild 3.4: Sukzession der bakteriellen Gemeinschaft in einer KSS-Anlage, ermittelt über MALDI-ToF-MS-Analysen. In Fettdruck stehen die für den jeweiligen Zeitraum neu nachgewiesenen Bakterienstämme. Zum Vergleich sind die Lebendzellzahlen der Bakterien und Pilze, bestimmt als Koloniebildende Einheiten KBE sowie die Zellzahlabschätzung über Dip-Slides dargestellt. Die Probenahmen erfolgten wöchentlich, das Zellmaterial für die MALDI- ToF-MS-Analysen stammte von den KBE-Platten der Lebendzellzahlbestimmung [122]. Dass sich das mikrobielle Leben in wassergemischten Kühlschmierstoffen nicht nur auf den Abbau einzelner KSS-Bestandteile beschränkt, sondern in direkter Folge gleichfalls Auswirkungen auf u.a. die physikalischen Eigenschaften des KSS hat, ist in der Veröffentlichung von Theaker und Thompson dokumentiert. Sie beschreiben den biologischen Verfall als unerwünschte Änderung der Eigenschaften eines Materials durch mikrobielle Aktivität. Als physikalische Effekte werden die hydraulischen Probleme durch das Zuwachsen von Rohren sowie das Verstopfen von Leitungen, Düsen und Ventilen durch den flächenhaften Aufwuchs von Biofilmen benannt [123]. Die Wechselwirkungen zwischen dem KSS, seinen Inhaltsstoffen, der mikrobieller Besiedlung und den daraus folgenden Auswirkungen auf die technischen Eigenschaften des KSS sowie das Bearbeitungsergebnis sind bis heute noch nicht vollständig verstanden. Es besteht weiterhin ein großer Forschungsbedarf, um die mikrobiellen Prozesse im KSS im Detail zu begreifen und bspw. die Abbauwege einzelner KSS-Komponenten aufzuklären. Aus solchen Erkenntnissen lassen sich Rückschlüsse ableiten, die einen Beitrag dazu leisten können, den KSS-Einsatz ressourcenschonender und planbarer zu gestalten. Zur Umsetzung dieser Ziele ist ein fachübergreifender, interdisziplinärer Ansatz zwischen Biologen, Chemikern und Ingenieuren in enger Kooperation mit den KSS-Herstellern und -Anwendern notwendig. <?page no="45"?> 41 3.3 Biofilme in Kühlschmierstoff-Anlagen Mikrobielle Biofilme treten auch in KSS-Anlagen regelmäßig auf. Nahezu alle Oberflächen des KSS-Umlauf-Systems, ebenso wie Abdeckungen und Deckel, die nicht in einem direkten Kontakt zu dem KSS stehen werden von den Bakterien und Pilzen als Oberflächen zur Besiedlung genutzt. Diese flächenhaften Aufwüchse können an Filtern und Sieben sowie in Rohrleitungen zu hydraulischen Problemen führen. Durch Strömung abgescherte Biofilmpartikel können ein erhebliches Kontaminationspotential für nachfolgend durchströmte Behälter-, Transport- oder Leitungssysteme darstellen. Die Biofilme, die in schwer erreichbaren Bereichen einer KSS-Anlage nach der Reinigung verbleiben, stellen ein großes Potenzial für die schnelle Wiederverkeimung neubefüllter Anlagen dar, wenn sie bei dem KSS-Wechsel nicht vollständig aus der Anlage entfernt werden. Ein zusätzlicher Eintrag kann durch die in den Zufuhrleitungen für das Ansetzwasser wachsenden Biofilme entstehen. Werden jene Leitungen und Schläuche nicht regelmäßig genutzt, bildet sich sehr schnell ein Biofilm auf ihrer Innenseite. Insbesondere Kunststoffschläuche weisen eine hohe Besiedlungsdichte auf und sollten regelmäßig gewechselt werden. Die zur Entsalzung des Ansetzwassers genutzten Ionentauscher bieten aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche und ihrer Chemie den Mikroorganismen ebenfalls eine gute Möglichkeit sich anzusiedeln und Biofilme aufzubauen. Die, vielen Anwendern aus der Praxis bekannte, Sägezahnkurve nach einer Biozidzugabe ist auf die reduzierte Wirkung der Biozide in den Biofilmen zurückzuführen. Eine angepasste Reinigungs- und Vermeidungsstrategie, stellt für den KSS-Nutzer eine elementare Aufgabe bei der Verlängerung der KSS-Standzeit dar. Eine gute Methode, den Eintrag von Mikroorganismen über das Ansetzwasser zu reduzieren, ist die UV-Behandlung des Wassers. Die Entstehung, Entwicklung, Ausbreitung und schädigende Wirkung von mikrobiellen Biofilmen in KSS-Anlagen steht nur in wenigen Fällen in dem Fokus der wissenschaftlichen Literatur. In vielen dieser wissenschaftlichen Arbeiten liegt der Schwerpunkt auf der mikrobiell induzierten Korrosion (MIC), da sich zum einen in Biofilmen auch anaerobe Mikroorganismen anlagern und durch ihre Stoffwechselprodukte Oberflächen korrodieren können. Zum anderen wirken ebenso kleine Biofilmablagerungen durch die Verschiebung des Redoxpotenzials als lokale Spannungselemente, die den Startpunkt für Korrosion bilden. In KSS-Systemen ist dies der Ausgangsort für Lochfraß, in dessen Folge Leckagen auftreten können. Somit ist noch ein großer Forschungsbedarf vorhanden, insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Erkenntnisse aus der Biofilmforschung anderer Lebensräume oder Flüssigkeiten die elementare Bedeutung der Biofilme für das mikrobielle Leben und ihre Beeinflussung ihrer Umgebung nachgewiesen haben. In ihren Untersuchungen zu Abrostungsraten, d.h. Wanddickenverluste durch die mikrobielle Aktivität, konnten Alberts und Heeling Abtragsraten von bis zu 0,32 mm p.a. feststellen. Neben der Gefahr der Durchrostung geht von diesen Materialabträgen eine statische Schwächung der betroffenen Bauteile aus [124]. Sulfatreduzierende Bakterien in den Biofilmen von KSS-Systemen, zum Teil vergesellschaftet mit anderen Arten, konnten sowohl Török als auch Rossmoore und Ortiz aufzeigen. In ihren Augen sind diese leicht nachweisbaren Mikroorganismengemeinschaften in den anaeroben Zonen von KSS-Tanks und -leitungen ursächlich für die korrosiven Vorgänge wie bspw. Lochfraß und Pittings an den Oberflächen der Anlagen [125 - 127]. <?page no="46"?> 42 Das Leben in Biofilmen stellt aus den in vorherigen Kapiteln beschriebenen Gründen die bevorzugte Lebensform der Mikroorganismen dar. Biofilme verfügen in den meisten Fällen über eine größere Biomasse und höhere Zellzahlen als die sie umgebende Flüssigkeit. Cook und Gaylarde konnten dies 1988 in ihren Untersuchungen zu der Biofilmentwicklung in einer Werkzeugmaschine herleiten. Durch das Ablösen des Biofilms von den Wänden des KSS-Tanks mit einer Drahtbürste erhöhten sich die planktonischen bakteriellen Zellzahlen sowohl für aerobe als auch für anaerobe Bakterien um das Zehnbis Zwanzigfache. Ihre Ergebnisse bestätigen die von ihnen aufgestellte These, dass auch in KSS-Anlagen der überwiegende Teil der mikrobiellen Gemeinschaft an Oberflächen angeheftet lebt. Durch die Zugabe von Bioziden konnte die Biofilmentstehung in den untersuchten KSS-Systemen verlangsamt werden, die verwendeten Biozide hatten in den analysierten Biofilmen eine deutlich geringere Wirkung auf die Bakterien als auf die planktonisch lebenden Bakterien. Die Untersuchungen zeigen darüber hinaus die schnelle Besiedlung frischer Oberflächen in KSS-Anlagen innerhalb kurzer Zeiträume [128]. In einem aktuellen Review-Paper beschreiben Saha und Donofrio den Stand der wissenschaftlichen Literatur zu Biofilmen in KSS-Systemen. Die von ihnen zitierten Quellen beschreiben wie bereits oben angeführt, die Verstopfung von Rohrleitungen und Filtern, die Kontamination der gefertigten Produkte, Biokorrosion und die Schädigung von industriellen Anlagen als Biofilm-assoziierte Probleme. Weiterhin setzen sie sich mit Studien zu der Wirkung von Bioziden und der regelmäßigen Rekontamination des KSS durch einzelne Bakterienstämme nach Biozidbehandlungen auseinander. Diese führen sie zu dem Schluss, dass durch die Biozide in erster Linie eine Wirkung auf die planktonischen Organismen ausgeübt wird, wogegen die in den Biofilmen lebenden Organismen kaum geschädigt werden. Saha und Donofrio kommen zu dem Ergebnis, dass durch ein vertiefendes Verständnis der Diversität und Zusammensetzung der Artengemeinschaft sowie der in den Biofilmen von KSS- Anlagen ablaufenden mikrobiellen Prozesse der Beitrag zu einer Verlängerung der Lebensdauer der KSS, einem verbesserten KSS-Management-System und dem gesundheitlichen Schutz der Mitarbeiter vorantreiben lässt [129]. Dass sich die Wirkung von Formaldehyd auf die Organismen in einem Biofilm im Vergleich zu den planktonisch Lebenden deutlich abgeschwächt darstellt, konnte Kinniment in Laborexperimenten belegen. Während sich die Zellzahlen der planktonischen Bakterien nach der Zugabe von 400 ppm Formaldehyd innerhalb einer Stunde um vier Zehnerpotenzen reduzierte und in den folgenden zehn Stunden auf nahezu Null fiel, bewirkte die gleiche Dosis Formaldehyd in dem Biofilm nur eine vorübergehende Reduktion der Zellzahl um eine Zehnerpotenz [130]. Den Wechsel bzw. den Austausch der Arten zwischen dem planktonischen Leben in dem KSS und dem sessilen Stadium im Biofilm konnte in den Forschungen von Koch nachgewiesen werden. Durch molekularbiologische Analysen wurde gezeigt, dass sich die Zusammensetzung der Artengemeinschaften zwischen der freien Welle und dem Biofilm auf der Deckelunterseite über die Zeit in einem nahezu identischen Rhythmus verändert. Bild 3.5 veranschaulicht die Ergebnisse der molekularbiologischen Analyse über die DGGE (Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese). Mit dieser Methode werden spezifische bakterielle Gensequenzen vervielfältigt und anschließend in einem Elektrolysegel aufgetrennt. Die im Bild 3.5 links orange gefärbten einzeln liegenden Banden können jeweils einer Bakterienart zugeordnet werden. Betrachtet man die Verteilung der einzelnen Banden zu einem bestimmten Probe- <?page no="47"?> 43 nahmezeitraum in dem KSS und dem Biofilm, so zeigt sich hier ein nahezu gleiches Artenspektrum. Zwischen dem KSS und dem Biofilm bestand kein direkter Kontakt. Lediglich über Kondenswasser, Aerosole, Verspritzungen und Verkleckerungen war ein Austausch zwischen den beiden Lebensräumen vorhanden. Die Lebendzellzahlen in dem KSS reduzierten sich in dem dargestellten Zeitraum von 1,2*10 6 / ml auf 3*10 3 / ml, während die Zellzahlen in dem Biofilm stabil in einem Bereich zwischen 2*10 6 / ml und 1*10 7 / ml lagen [119]. Bild 3.5: Auftrennung der bakteriellen Erbgut-Fragmente durch die DGGE (Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese). Jede einzelne orange gefärbte Bande stammt von dem Erbgut-Fragment einer Bakterienart. Der Ausschnitt aus dem Gel illustriert sehr deutlich, dass sowohl in der bakteriellen Gemeinschaft des KSS als auch im Biofilm zu den jeweiligen Zeitpunkten der Probenahme eine nahezu gleiche Artenzusammensetzung vorlag. Der rechte Teil des Bildes zeigt die Orte der Probenahme: Deckelunterseite und KSS-Behälter. Der Biofilm hatte keinen direkten Kontakt zu dem KSS und wurde mit einem sterilen Gefäß von der Oberfläche der Deckelunterseite abgezogen [119, verändert]. In Werkzeugmaschinen und den daran angeschlossenen KSS- und Filteranlagen findet die Biofilmbildung nicht nur auf den Oberflächen und Wandungen der KSS- Tanks und Leitungssysteme statt. Sämtliche Späne und Metallreste, die in der KSS- Anlage der Werkzeugmaschine nicht durch die Filter und Reinigungsanlagen entzogen werden, dienen den Mikroorganismen als Oberfläche zu Besiedlung. Wie groß diese Oberfläche werden kann, ist am Beispiel eines Schleifprozesses in den Bildern 3.6 und 3.7 dargestellt. Bild 3.6 zeigt die dem Schleifprozess zugrunde liegenden Prozessparameter. <?page no="48"?> 44 Bild 3.6: Prozessparameter eines Schleifprozesses zur Berechnung der erzeugten Spanoberfläche [114, verändert]. In Bild 3.7 ist die Berechnung der erzeugten Spanoberfläche bei der Zerspanung eines Volumens von 450 mm³ wiedergegeben. Unter den in Bild 3.6 beschriebenen Prozessparametern wird eine Gesamtspanoberfläche von > 2,5 m² erzeugt [114]. Schätzt man aus diesem Wert die Oberfläche ab, die sich in Spanansammlungen und Ablagerungen in einer KSS-Anlage den Mikroorganismen als Besiedlungsfläche anbietet, so wird deutlich, dass die maßgeblichen Prozesse des mikrobiellen Abbaus von KSS in den Biofilmen dieser Bereiche stattfinden. Bild 3.7: Berechnung der erzeugten Spanoberfläche auf Basis der in Bild 3.6 genannten Prozessparameter [114, verändert]. Gesamte Spanoberfläche A sp,ges = n sp * A sp = 2,685 * 10 6 mm² Zerspanungsvolumen V w = a e *b s *l = 0,2 mm * 15 mm * 150 mm = 450 mm³ Volumen des Einzelspans V sp = h eq * b sp * l sp = 0,33 * 10-3 mm * 0,27 mm * 0,33 mm = 2,97 * 10 -5 mm³ Oberfläche des Einzelspans A sp = 2(h eq * l sp + l sp * b sp + h eq * b sp ) = 0,179 mm² Anzahl der Einzelspäne n sp = V w / V sp = 1,5 * 10 7 Gesamte Spanoberfläche A sp,ges = n sp * A sp = 2,685 * 10 6 mm² Zerspanungsvolumen V w = a e *b s *l = 0,2 mm * 15 mm * 150 mm = 450 mm³ Volumen des Einzelspans V sp = h eq * b sp * l sp = 0,33 * 10-3 mm * 0,27 mm * 0,33 mm = 2,97 * 10 -5 mm³ Zerspanungsvolumen V w = a e *b s *l = 0,2 mm * 15 mm * 150 mm = 450 mm³ Volumen des Einzelspans V sp = h eq * b sp * l sp = 0,33 * 10-3 mm * 0,27 mm * 0,33 mm = 2,97 * 10 -5 mm³ Oberfläche des Einzelspans A sp = 2(h eq * l sp + l sp * b sp + h eq * b sp ) = 0,179 mm² Anzahl der Einzelspäne n sp = V w / V sp = 1,5 * 10 7 <?page no="49"?> 45 Die Besiedlung der Oberflächen vollzieht sich gleichfalls in KSS-Anlagen sehr schnell. Innerhalb weniger Stunden konnten Koch und Rabenstein die Entwicklung von Biofilmen auf, in KSS-Lösung getauchten, Glasobjektträgern nachweisen. Bild 3.8 veranschaulicht die Biofilmentwicklung auf den Glasobjektträgern nach 10 Stunden (Bild 3.8 A) und 6 Tagen (Bild 3.8B) [121]. Bild 3.8: Biofilmbildung auf Glasobjektträgern, die in einer mikrobiell kontaminierten KSS-Lösung inkubiert wurden. Bild A zeigt einen jungen Biofilm nach 10 Stunden Inkubation, die Punkte sind einzelne gefärbte Bakterienzellen, die in einer beginnenden EPS-Matrix (Extrazelluläre Polymere Substanz) eingebettet vorliegen. Bild B zeigt einen reifen Biofilm nach 6 Tagen Inkubation, bei den rotgefärbten Punkten handelt es sich um abgestorbene Organismen. Der Biofilm hat bereits eine dreidimensionale Ausprägung [121, verändert]. Die mikrobielle Schädigung der wassergemischten Kühlschmierstoffe und deren Vermeidung werden in der Zukunft verstärkt in den Fokus der anwendungsorientierten Forschung treten. Insbesondere ein tieferes Verständnis für die in den Biofilmen ablaufenden Prozesse wird notwendig sein, um in der Entwicklung neuer Konzepte und Produkte eine Minimierung der mikrobiellen Belastungen in der Anwendung zu erreichen. <?page no="50"?> 46 4 Überwachungs- und Nachweisverfahren 4.1 Einleitung Während seines Gebrauchs unterliegt ein wassergemischter Kühlschmierstoff ständigen Änderungen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften. Ursächlich dafür ist eine Reihe von verschiedenen Prozessen. Zum Beispiel wirken die in der Zerspanzone auftretenden hohen Kräfte und Temperaturen sowie die katalytische Wirkung der Metalle direkt auf den chemischen und physikalischen Zustand der verschiedenen KSS-Inhaltsstoffe. Die gewünschten chemischen Reaktionen der beteiligten Additive mit den in der Zerspanung neu entstehenden, aktiven Oberflächen führen über die Zeit zu einer Ausmargerung der an diesen Reaktionen beteiligten KSS-Bestandteile. Die über die Filter- und Reinigungsanlagen abgeführten Späne entziehen dem System an ihrer Oberfläche haftende oder abreagierten Inhaltsstoffe. Eine weitere, relevante Ursache für die chemisch-physikalischen Veränderungen ist in der mikrobiellen Aktivität in dem KSS zu sehen. Ein keimfreier Betrieb offener Systeme, in denen ein ständiger Austausch mit der Umwelt herrscht, ist nicht umsetzbar. Über die Umgebungsluft, das verwendete Anmisch- und Nachstellwasser sowie den Kontakt mit den Werkstücken findet ein permanenter Neueintrag von Stoffen und Mikroorganismen statt. Damit von dem KSS keine Gefährdung für den Mitarbeiter ausgeht und im Prozess eine gleichbleibend hohe Qualität gesichert werden kann, ist eine aussagekräftige Überwachung und Beschreibung des KSS-Zustandes und seiner mikrobiellen Belastung unumgänglich. Im Folgenden werden Verfahren und Techniken für ein Monitoring der mikrobiellen Belastung von KSS vorgestellt. Diese sind hier nach Vor-Ort-Methoden, Monitoring der mikrobiellen Belastung sowie analytischen mikrobiologischen und molekularbiologischen Verfahren unterteilt. Die jeweiligen Verfahrensbeschreibungen können nur einen kurzen Einblick geben, für vertiefende Informationen sollte auf die entsprechende Fachliteratur zurückgegriffen werden [2, 13, 22, 23, 57, 77, 131]. Atemwegserkrankungen wie hypersensitive Pneumonitis und Lungenentzündung, ausgelöst durch mikrobielle Verunreinigungen des KSS, sind ebenso dokumentiert wie die durch bakterielle Endotoxine ausgelösten Entzündungen und Allergien. Aus diesem Grund gibt es nicht nur Bestrebungen, die Zusammensetzung und den Grad der mikrobiellen Belastung von KSS permanent zu überwachen, sondern im angezeigten Fall auch durch Gegenmaßnahmen auf eine abnehmende technische Qualität des Gemisches reagieren zu können. Die gesundheitliche Gefährdung durch mikrobielle Lasten in KSS wird hier nicht vertiefend betrachtet. Detaillierte Informationen zu diesem Themenschwerpunkt finden sich bspw. in [60, 70, 76, 102, 132]. <?page no="51"?> 47 4.2 Vor-Ort-Methoden 4.2.1 Wahrnehmbare Veränderungen Als hilfsmittelfreie Prüfmethode sind die wahrnehmbaren Veränderungen der erste Schritt des KSS-Monitoring vor Ort. Die organoleptische Prüfung und Dokumentation kann von dem Maschinenbediener oder dem KSS-Beauftragten des Betriebes durchgeführt werden. Im Prinzip kann diese Prüfung täglich erfolgen. Nach BGR 143 umfasst sie die Kontrolle hinsichtlich einer Verfärbung des KSS, Schaumbildung, Rückstandsbildung (Kalkseifen), Emulsionstrennung, aufschwimmendes Fremdöl, Auftreten besonderer Gerüche und einem sichtbaren mikrobiellen Befall. Die erfassten Veränderungen sind im Prüfplan zu protokollieren [2]. Die Zuverlässigkeit und Bewertung der Prüfungen hängt sehr stark von den Erfahrungen und der Routine der damit beauftragten Person ab. Die Prüfung der wahrnehmbaren Veränderungen kann erste Hinweise auf mikrobielle Prozesse in dem KSS geben. Insbesondere der "Montags-Morgen-Geruch" ist als deutlicher Hinweis auf die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen zu werten. 4.2.2 pH-Wert-Messung Laut Defintion ist der pH-Wert (pH = pondus Hydrogenii) der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoff-Ionen-Konzentration in einer wässrigen Lösung [133]. Als dimensionslose Zahl gibt der pH-Wert den sauren (pH-Wert < 7) oder basischen (pH-Wert > 7) Charakter einer Flüssigkeit an. Der pH-Wert von frisch angesetzten wassergemischten KSS liegt in der Regel in einem Bereich zwischen pH 9,0 und 9,5; gelegentlich werden hochalkalische KSS mit einem pH-Wert 10 angeboten. Der von den KSS-Herstellern eingestellte pH-Wert-Bereich stellt einen Kompromiss dar. Ein höher eingestellter pH-Wert geht mit einem besseren Korrosionsschutz für Eisenmetalle einher und schränkt das Wachstum einiger, typischerweise in KSS lebenden Bakterien ein. Gleichzeitig stellt er aber eine größere Gefährdung bei Hautkontakt sowie einen schlechteren Korrosionsschutz für Nichteisenmetalle dar. Ein niedrigerer pH-Wert bedeutet ein größeres Potenzial zur Korrosion der Eisenwerkstoffe und der Ausbreitung von Mikroorganismen, bei gleichzeitig verbesserter Hautverträglichkeit und Korrosionsschutz der Nichteisenmetalle. Der pH-Wert von wassergemischten Kühlschmierstoffen kann durch Teststreifen oder elektrochemisch durch ein pH-Meter bestimmt werden. Letzteres bietet eine größere Genauigkeit. Da die Berechnung des pH-Wertes auf dem Zehnerlogarithmus basiert, bedeutet eine Änderung um den Wert 1,0 (bspw. von 9,3 auf 8,3) eine Erhöhung der Wasserstoff-Ionen-Konzentration um das Zehnfache. Für die meisten wassergemischten KSS wird bei einer Änderung des pH-Wertes um 0,5 nach unten von dem im Sicherheitsdatenblatt angegebenen Wert ein Eingreifen notwendig. Wassergemischte KSS sind gepufferte Systeme. D.h., dass die Änderungen in der chemischen Zusammensetzung durch den mikrobiellen Abbzw. Umbau von Inhaltsstoffen zu organischen Säuren durch die Bestimmung des pH-Wertes erst verzögert detektierbar sind. Dies ist in der Bewertung der Daten zu berücksichtigen. <?page no="52"?> 48 4.2.3 Kühlschmierstoff-Konzentration Die Bestimmung der Kühlschmierstoff-Konzentration erfolgt vor Ort überwiegend durch ein Handrefraktometer. Unter Refraktion versteht man die Ablenkung (Richtungsänderung), die ein Lichtstrahl erfährt, wenn er in einem bestimmten Winkel in ein Medium mit einem anderen optischen Brechungsindex eintritt, bspw. bei dem Übergang aus Luft in Glas oder Wasser. Das Handrefraktometer wird vor der Messung mit Wasser auf den Nullwert kalibriert. Nach der Benetzung der Messfläche mit KSS kann an der Skala ein Messwert anhand einer Hell-Dunkel-Trennlinie abgelesen werden. Der Messwert wird mit dem Refraktometerwert des jeweiligen KSS multipliziert das Resultat ist die KSS-Konzentration. Der mikrobielle Abbau von KSS- Inhaltsstoffen sowie der Eintrag von Fremdölen führen bei KSS Emulsionen mit zunehmender Nutzungsdauer zu einer Vergrößerung der mittleren Tröpfchengröße. Dadurch wird bei der Ablesung im Refraktometer die Hell-Dunkel-Grenze unscharf oder verschoben, was zu Fehlinterpretationen des Messwertes führen kann. Als weitere Verfahren zur Bestimmung der Kühlschmierstoff-Konzentration können die Säurespaltung oder die Konzentrations-Bestimmung über den Borgehalt genannt werden. Die Säurespaltung ist in der DIN 51368 als normiertes Verfahren festgeschrieben. Eine definierte Menge KSS wird mit Salzsäure versetzt und erhitzt. Durch die Säurespaltung bilden sich in dem Gefäß zwei Phasen. Die obere Phase stellt den Ölanteil des KSS dar und wird als Indiz für die Güte herangezogen [134]. Die Bestimmung über den Borgehalt stellt eine Hausmethode der entsprechenden KSS- Hersteller dar. Für die Ausführung beider Methoden ist ein Labor notwendig, sie sind nicht direkt als Vor-Ort-Methoden anzusehen, der Vollständigkeit halber aber hier genannt. 4.2.4 Test des Korrosionsschutzes von wassermischbaren Kühlschmierstoffen Die Prüfung der Korrosionsschutzeigenschaften von wassergemischten KSS ist in DIN 51360-1 (Stahldrehspäne auf Graugussplatte, sog. Herbert-Test) und in DIN 51360-2 definiert [135, 136]. Nach DIN 51360-1 werden auf einer Gusseisenplatte vier Stapel Stahlspäne aufgehäuft und mit dem zu prüfenden KSS in jeweils unterschiedlichen Verdünnungen benetzt. Nach 24 Stunden Inkubation in einem geschlossenen Behälter kann die Platte auf Lochfraß, Pittings oder Verfärbungen überprüft werden [135]. DIN 51360-2 beschreibt ein Prüfverfahren für Normgussspäne auf Filterpapier. Etwa 2 g Späne werden auf einem Papierfilter mit dem zu testenden KSS benetzt und in einer Glasschale inkubiert. Anschließend kann anhand der Verfärbung auf dem Filterpapier die Korrosion nach 2; 24 oder 48 Stunden in fünf Stufen von 0 = keine Korrosion bis 4 = starke Korrosion bewertet werden [136]. 4.2. 5 Messung des Nitrat- / Nitrit-Gehalts Gemäß des Regelwerks BGR/ GUV-R 143 ist in Deutschland die Bestimmung des Nitrat-Gehalts nur für das Ansetzwasser des Kühlschmierstoffs vorgeschrieben, die Messung des Nitrit-Gehalts des in Gebrauch befindlichen KSS ist wöchentlich durchzuführen und zu protokollieren [2]. Die Prüfung mittels Teststäbchen wird als hinreichend genau bezeichnet. Nitrat und Nitrit entstehen in wassergemischten KSS als <?page no="53"?> 49 mikrobielle Zwischen- und / oder Abbauprodukte stickstoffhaltiger KSS-Inhaltsstoffe. Für den Nitrat-Gehalt des Ansetzwassers schreiben die TRGS 611 einen Grenzwert von 50 mg / l vor, für den Nitrit-Gehalt des KSS liegt der Grenzwert bei 20 mg / l [137]. 4.3 Monitoring mikrobieller Belastungen 4.3.1 ATP-Messung Adenosin-Triphosphat (ATP) ist der von allen Lebewesen genutzte Energielieferant und findet sich somit auch in den Zellen von Pilzen und Bakterien. Daher ist die Messung des ATP-Gehalts ein geeignetes Verfahren, um in wassergemischten KSS mikrobielle Belastungen nachzuweisen. Der ATP-Nachweis basiert auf der Reaktion von Luziferin mit dem Enzym Luziferase. In Anwesenheit von ATP und Sauerstoff oxidiert die Luziferase das Luziferin unter Aussendung von Licht (Bild 4.1). LL + ATP + O 2 (Mg2+) LL(oxidiert) + AMP + CO 2 + PPi + Licht {1} LL = Luziferin-Luziferase-Komplex; ATP = Adenosin-Triphosphat, AMP = Adenosin- Monophosphat, PPi = anorganisches Phosphat [138]. Bild 4.1: Schematische Übersicht der ATP-Reaktion sowie Reaktionsformel (oben) der Reaktion des Luziferin-Luziferase-Komplex mit ATP in Anwesenheit von Sauerstoff am Beispiel einer Probe wassergemischter KSS [139]. Die Reaktion des Luziferin-Luziferase-Komplex unter Aussendung von Licht ist ein natürlicher Prozess, der bspw. von bestimmten Mikroorganismen, Leuchtkäfern und Tiefseefischen durchgeführt wird. Zur Bestimmung des ATP-Gehalts einer KSS-Probe muss zuerst das ATP aus den Zellen der Mikroorganismen extrahiert und stabilisiert werden. Hierzu stehen dem Anwender verschiedene Verfahren unterschiedlicher Anbieter zur Verfügung. Nach der Probenaufbereitung erfolgt die Zugabe des Luziferin-Luziferase-Komplexes, das emittierte Licht der Probe wird in einem sog. Luminometer von einem Sensor gemes- <?page no="54"?> 50 sen. Anhand einer vor der Messung durchgeführten Kalibrierung mit einer Prüflösung können aus den Daten Mikroorganismen-Äquivalente berechnet bzw. die Höhe der mikrobiellen Belastung abgeschätzt werden. Der Zeitaufwand für die Messung des ATP-Gehalts liegt, in Abhängigkeit des verwendeten Systems, zwischen 5 und 20 Minuten. Ein großer Vorteil der Bestimmung mikrobieller Belastungen über die Messung des ATP-Gehalts ist die schnelle Darstellung der Ergebnisse sowie die einfache Handhabung. Dem Anwender ist damit die Möglichkeit gegeben, bei einer hohen mikrobiellen Belastung innerhalb von wenigen Minuten die erforderlichen Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die zu der ATP-Bestimmung geäußerte Kritik, aus den ermittelten Werten lasse sich nicht direkt auf die mikrobielle Zellzahl schließen, mag für einen Einzelmesswert gültig sein. Für ein Monitoring sind jedoch die Veränderungen sowie der Verlauf der Messwerte über die Zeit der ausschlaggebende Faktor. Darüber hinaus sind am Markt ATP-Test-Systeme verfügbar, die über eine sehr hohe Genauigkeit und Sensitivität verfügen. Webster et al. zeigen in ihrem Versuchsansatz zur Bestimmung bakterieller Zellahlen in KSS eine enge Korrelation zwischen der Lebendzellzahlbestimmung KBE und den Resultaten der ATP-Messung [138]. Passman et al. erzielen in ihren Untersuchungen eine hohe Übereinstimmung zwischen ATP-Messungen und wachstumsbasierten Nachweisverfahren und heben die hohe Reproduzierbarkeit der erzielten Resultate hervor. Sie kommen zu dem Schluss, dass das verwendete ATP- Messverfahren sehr gut geeignet ist, das mikrobielle Monitoring in KSS zu verbessern, da der Anwender schnell auf Abweichungen reagieren kann [140]. Koch und Rabenstein erzielen in vergleichenden Untersuchungen ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung der Messwerte eines ATP-Verfahrens mit den Resultaten der Lebendzellzahlbestimmung KBE. Das untersuchte ATP-Verfahren zeichnet sich durch eine geringe Schwankungsbreite in den Ergebnissen aus und ist in der Genauigkeit den Dip-Slides deutlich überlegen [139]. 4.3.2 Dip Slides In der betrieblichen Praxis stellt die Verwendung von Dip Slides zur Zeit immer noch die am häufigsten verwendete Methode für ein mikrobielles Monitoring dar. Als Grund lässt sich die augenscheinlich einfache Handhabung nennen. Bei den Dip- Slides handelt es sich um Kunststoffstreifen, deren Seiten jeweils mit einem Wachstumsmedium zur Bestimmung von Bakterien sowie zur Bestimmung von Hefen und Pilzen belegt sind. Zur Messung werden die Dip-Slides in den KSS eingetaucht, überschüssige Flüssigkeit vorsichtig abgeschüttelt in einem Röhrchen verschlossen und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur inkubiert. Nach 48 Stunden Inkubationsdauer können die gefärbten Bakterienkolonien anhand einer Skala in der Größenordnung von Zehnerpotenzen abgeschätzt werden. Nach 72 Stunden erfolgt die Abschätzung der Zellzahlen für Hefen und Pilze auf dem zweiten Medium der Dip Slides. In der praktischen Anwendung von Dip-Slides kommt es oft zu einer nicht sachgerechten Nutzung sowie einer Fehlinterpretation der Ergebnisse. Häufig wird das Resultat der Zellzahlabschätzung durch Dip Slides überbewertet oder ein fehlendes Wachstum als Keimfreiheit interpretiert. Als Ursache für die Fehlinterpretation und Messungenauigkeiten der Dip-Slides lassen sich die folgenden Punkte nennen: <?page no="55"?> 51 - Die Probennahme erfolgt nicht einheitlich am gleichen Ort. - Beim Eintauchen der Dip-Slides in den KSS hängt das anhaftende KSS- Volumen von der Viskosität, Sorption und der Temperatur des KSS ab. - Befindet sich ein dünner, nicht zwingend sichtbarer Oberflächenfilm aus Öl auf dem Kühlschmierstoff, wird dieser beim Eintauchen des Dip-Slides auf dessen Oberfläche aufgezogen, bedeckt diese und verhindert den notwendigen Kontakt des KSS mit der Oberfläche. - Bakterienarten, die sich durch den Farbstoff der Dip-Slides nicht anfärben, werden bei der Auswertung häufig übersehen. - Langsam wachsende Bakterienarten bilden in 48 Stunden keine ausreichend großen Kolonien, um mit dem Auge erfasst zu werden, bzw. werden sie von sich schneller teilenden Arten überwachsen. - Die auf den Dip-Slides verwendeten Wachstumsmedien wirken immer selektiv, d.h. es kommt nur ein Teil der tatsächlich vorhandenen Mikroorganismen zum Wachstum. Die Abweichungen zwischen den tatsächlich vorliegenden Lebendzellzahlen in einem KSS zu den Messungen mit Dip Slides können auch bei einer sachgerechten Durchführung in ihrer Höhe deutlich sein. Weyand konnte in einem Forschungsprojekt Schwankungsbreiten von bis zu zwei Zehnerpotenzen innerhalb einer KSS- Probe bei der Zellzahlabschätzung mittels Dip-Slides nachweisen [101]. Auch Koch und Rabenstein erzielten in ihren Vergleichsuntersuchungen Abweichungen in der gleichen Größenordnung sowie ausgeprägte Schwankungsbreiten bei dem Einsatz von Dip-Slides in verschiedenen KSS-Proben [139]. 4.3.3 Bestimmung der Koloniebildendenden Einheiten KBE Die Anzucht von Mikroorganismen auf einem festen Nährmedium ist in mikrobiologischen Untersuchungen ein seit Jahrzehnten bewährtes und standardisiertes Testverfahren zur Bestimmung bakterieller Lebendzellzahlen. Es wird die Vermehrungsrate der Mikroorganismen genutzt, um sie für das menschliche Auge sichtbar und somit einer Quantifizierung zugänglich zu machen. Bei der Ermittlung der Lebendzellzahl wird aus einer Verdünnungsreihe heraus ein definiertes Volumen (i.d.R. 0,1 ml) der zu untersuchenden Probe auf einem Nährboden aufgetragen und, um die darin vorkommenden Organismen zu vereinzeln, gleichmäßig darauf verteilt. Nach einer festgelegten Inkubationszeit bei einer definierten Temperatur erfolgt eine numerische Auswertung der sich entwickelnden Bakterienkolonien. Die Lebendzellzahlbestimmung über KBE erfordert eine einfache Laborausstattung und entsprechend geschultes Personal. Das Ergebnis wird in Koloniebildenden Einheiten KBE pro Volumeneinheit angegeben [36]. Die Bestimmung der Lebendzellzahl bietet durch die Verwendung spezifischer Nährmedien die Möglichkeit, selektiv Bakterienarten anzureichern. Darüber hinaus erlaubt sie zum einen eine Differenzierung von Bakterienpopulationen, zum anderen kann eine größere Anzahl von Bakterienarten aus einer Probe nachgewiesen werden [27]. Die Bestimmung der KBE ist seit Jahrzehnten in vielen wissenschaftlichen Untersuchungen das Standardverfahren, um bakterielle Lebendzellzahlen in KSS zu ermitteln, Bakterienstämme aus KSS zu isolieren und diese zu bestimmen [45, 53, 60, 119]. <?page no="56"?> 52 4.3.4 Bestimmung der Most Probable Number MPN Bei dem Verfahren MPN zur Bestimmung der Lebendzellzahlen wird aus dem zu untersuchenden KSS eine Verdünnungsreihe in flüssiger Nährlösung angelegt. Die Verdünnung erfolgt in dezimalen Schritten d.h., 1: 10; 1: 100; 1: 1000 usw. Das Verfahren ist in mindestens drei Parallelen durchzuführen. Nach einer vorgegebenen Inkubationszeit erfolgt die Auswertung der Trübungsbildung in der Flüssigkeit. Solche mit einer Trübung werden positiv gewertet, d.h. in diesen haben sich die Mikroorganismen vermehren können. Die Anzahl der drei letzten Verdünnungsstufen mit positiven Röhrchen werden ausgewertet. Die Anzahl positiver Röhrchen in diesen drei Stufen ergibt eine Zahlenkombination, anhand derer in einer Tabelle die Zellzahl der entsprechenden Verdünnung abgelesen werden kann. Das Verfahren MPN wird vorwiegend bei Proben mit einer sehr geringen mikrobiellen Belastung eingesetzt [27, 36]. Ebenso wie die KBE bietet die MPN die Möglichkeit, durch die Auswahl des Wachstumsmediums die Mikroorganismen anhand ihrer physiologischen Fähigkeiten zu differenzieren. Da das Verfahren relativ umfangreich ist, ebenfalls ein Labor und geschultes Personal benötigt, hat es sich nicht in der Routine-Analytik von KSS durchgesetzt. 4.4 Molekularbiologische und chemisch-analytische Verfahren Die im Folgenden vorgestellten Methoden und Verfahren zur Bestimmung der mikrobiellen Zellzahlen und zur Identifizierung der Mikroorganismen in Kühlschmierstoffen geben einen Einblick in den aktuellen Stand der Technik. Die Methoden haben sich in der wissenschaftlichen Betrachtung der Mikrobiologie der KSS etabliert. Die hier vorgestellten Methoden sind ohne ein spezialisiertes Labor und Fachpersonal nicht durchzuführen und haben daher in der Routineanalytik bisher eine untergeordnete Rolle gespielt. Da sie aber einen wesentlichen Beitrag zum wissenschaftlichen Verständnis der Mikrobiologie der KSS beigetragen haben, seien hier kurz einige wichtige Veröffentlichungen erwähnt. Mit ihren Resultaten haben sie die Erkenntnisse zu der mikrobiellen Vielfalt und Besiedlungsstruktur der KSS deutlich vorangetrieben. Die Verfahren zeigen ein großes Potenzial zur Verbesserung der Überwachung von KSS auf und lassen einen optimistischen Blick auf eine Entwicklung für ein schnelles und gezieltes Monitoring zu. Die permanent fortschreitende Entwicklung molekularbiologischer Methoden hat neue Verfahren zur schnellen Bestimmung und genauen Identifizierung von Mikroorganismen ermöglicht. Die Basis der meisten Verfahren ist die Vervielfältigung spezifischer und / oder unspezifischer Erbgutabschnitte (DNA-Fragmente) über die PCR (Polymerase Ketten Reaktion). Das Verfahren der PCR ist Standard in mikrobiologischen Laboren. Die vervielfältigen DNA-Fragmente können anhand ihrer Sequenz zur genauen Identifikation der Mikroorganismen herangezogen oder über ihre Vervielfältigungsgeschwindigkeit zur Zellzahlbestimmung verwendet werden. Rabenstein et al. nutzten die PCR mit anschließender DGGE (Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese), um die Diversität und Sukzession einer bakteriellen Population in einem KSS über die Zeit zu beschreiben und einen Teil der Organismen zu identifizieren. Sie konnten zeigen, dass der Kühlschmierstoff der von ihnen unter- <?page no="57"?> 53 suchte Werkzeugmaschine nur von einer geringen Anzahl verschiedener Organismen besiedelt war [108]. In den Veröffentlichungen von van der Gast et al. kommen neben der DGGE auch die Analyse der Fettsäure-Methylester (fatty acid methyl ester FAME) sowie die insitu-Mikroskopie mittels FISH (fluorescent in situ hybridisation) zur Identifizierung von Bakterienstämmen aus KSS zum Einsatz. Auch sie konnten eine geringe Diversität in der Population, gepaart mit einer niedrigen Varianz der Stämme, aufzeigen. Darüber hinaus belegen ihre Analysen, dass die klassischen Kultivierungsverfahren wie die KBE und Dip-Slides selektiv wirken. Mit diesen Verfahren werden laut van der Gast et al. verstärkt gramnegative Bakterien angereichert, grampositive Bakterien im Wachstum unterdrückt und damit unterbewertet [73, 74]. Selvaraju et al. konnten erfolgreich eine Variante des Verfahrens FISH anwenden, um die mit den üblichen Methoden nur schwer nachweisbaren Mykobakterien in KSS zu identifizieren. Sie weisen auf die Problematik des VBNC- (viable-but nonculturable) Stadiums vieler Bakterienarten hin, die sich durch ihre nicht Kultivierbarkeit auf Nährmedien den üblichen Nachweisverfahren entziehen [141]. Ebenfalls erfolgreich entwickeln Khan und Yadav spezifische Gensonden für die Real-Time-PCR, um kultivierungsunabhängig Mykobakterien und Pseudomonaden in kontaminierten KSS nachzuweisen. Sie konnten mit den molekularbiologischen Methoden deutlich höhere Zellzahlen sowohl für die Gesamtzellzahl als auch spezifisch für Mykobakterien belegen. Damit bestätigten auch sie, dass in KSS Mikroorganismen in einem Stadium vorliegen, in dem sie mit den klassischen Methoden nicht nachweisbar sind [142]. Eine Kombination aus Durchflusszytometrie (flow cytometry) und Epifluoreszenz- Mikroskopie nutzten Chang et al. zum Nachweis von Mykobakterien in KSS. Nach der Anfärbung der Zellen mit Fluoreszenz-Farbstoffen war es ihnen möglich, die mit klassischen Methoden nur schwer kultivierbaren Mykobakterien in KSS mit einer hohen Genauigkeit zu detektieren. Die von ihnen an den KSS angepasste Methode lieferte in wenigen Minuten Ergebnisse und stellt einen möglichen Weg zu einem verbesserten Nachweis der pathogenen Mykobakterien dar [143]. Die Identifizierung von Mikroorganismen ist in den letzten Jahren mit der Weiterentwicklung des MALDI-ToF-MS (Matrix assisted laser desorption ionisation time of flight mass spectrometry) deutlich vorangeschritten. Das Verfahren beruht wie oben beschrieben auf der massenspektrometrischen Analyse von Proteinbruchstücken der zu identifizierenden Mikroorganismen. Die erzeugten Spektrogramme sind für einzelne Bakterienstämme hoch spezifisch und können eine Differenzierung bis zur Subspezies ermöglichen. Das Ergebnis der Analyse ist bereits nach wenigen Minuten vorhanden. Der erfolgreiche Einsatz des MALDI-ToF-MS zur Identifizierung und Typisierung von Mikroorganismen, vor allem in den Bereichen klinische und veterinärmedizinische Mikrobiologie sowie Lebensmittelkeime, ist inzwischen mehrfach publiziert [144, 145]. Erste Ergebnisse aus dem Bereich der KSS liegen bereits vor. Mittels MALDI-ToF-MS konnte neben der Artengemeinschaft in KSS auch deren Veränderung über die Zeit dokumentiert werden [122, 131]. Die hier zitierte Literatur bildet lediglich einen Ausschnitt der wissenschaftlichen Veröffentlichungen zum Nachweis und zur Identifizierung von Mikroorganismen in KSS <?page no="58"?> 54 mittels molekularbiologischer und chemisch-analytischer Verfahren ab. Aus den Resultaten lässt sich ablesen, dass mit dem aktuellen Stand der Analysetechnik ein wesentlicher Erkenntnisgewinn bezüglich der Mikrobiologie der wassergemischten KSS erzielt wurde. Nichtsdestotrotz ist dieses Forschungsfeld noch nicht abschließend bearbeitet und wird weiterhin im Fokus der Forschergruppen stehen. Tabelle 4.1 stellt die verschiedenen Methoden zur Überwachung und Zustandsbeschreibung eines KSS für Betrieb und Labor gegenüber. Tabelle 4.1: Klassische Methoden zur Überwachung von Kühlschmierstoffen [2, 13, 57, 134 - 137]. Methode Betrieb Labor pH-Wert Stäbchen DIN 51369 Konzentration Handrefraktometer DIN 51638 Temperatur Thermometer - Wasserhärte Stäbchen Titration Nitrit Stäbchen Photometrisch Nitrat Stäbchen Photometrisch Aussehen Beschreibung Beschreibung Abscheidungen Beschreibung Beschreibung Geruch Beschreibung Beschreibung Korrosionsschutz Visuell Spänetest DIN 51360/ 2 Gesamtzellzahlen Dip-Slides KBE, MPN Demulgierverhalten - DIN 51599 Leitfähigkeit - DIN 53779 Gesamtölgehalt - DIN 51368 Schaumverhalten visuell Schütteltest <?page no="59"?> 55 5 Mikrobiell induzierte Korrosion 5.1 Einleitung Korrosion (griechisch für zernagen) ist in der DIN EN ISO 8044 wie folgt definiert: "Korrosion, die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist die Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie chemischer oder metallphysikalischer Natur sein." [146]. Die Norm unterscheidet 37 Arten der Korrosion. Korrosion ist eine von der Oberfläche ausgehende, durch unbeabsichtigten chemischen, elektrochemischen, physikalischen oder biologischen Angriff hervorgerufene, nachteilige und qualitätsmindernde Veränderung eines Werkstoffs. Die Korrosion der Metalle wird verursacht durch das Bestreben der reinen Metalle, bei Kontakt mit Elektrolyten in thermodynamisch stabilere, energieärmere Zustände überzugehen. Trotz thermodynamischer Instabilität sind viele Metalle und Legierungen unter Gebrauchsbedingungen relativ beständig, da die Korrosions- Reaktion kinetisch gehemmt ist oder wie im Falle des Aluminiums durch eine Oxidschicht an der Oberfläche unterbunden wird. Unter bestimmten Voraussetzungen kann sich der Korrosionsprozess erheblich beschleunigen. Die Korrosion verläuft in der Regel als ortsgebundener Vorgang an der Phasengrenze zwischen dem festen Werkstoff und der umgebenden Flüssigkeit [146, 147]. Die folgenden Ausführungen befassen sich maßgeblich mit der mikrobiell induzierten Korrosion metallischer Werkstoffe in KSS-Systemen. 5.2 Mikrobiell induzierte Korrosion in Kühlschmierstoff-Anlagen In Kühlschmierstoff-Anlagen kann die mikrobiell induzierte Korrosion zu Schäden an Werkstücken oder an der Werkzeugmaschine und deren Peripherie führen. Die aerobe Korrosion (s.u.) führt durch den Verlust des Korrosionsschutzes zu einer Schädigung der gefertigten Werkstücke (z.B. Flugrost, Schwarzfleckigkeit) im Nachgang des Bearbeitungsprozesses und zu einer verstärkten Korrosionsneigung an allen mit dem wassergemischten KSS im Kontakt stehenden Maschinenteilen. Durch Pittingbildung und Lochfraß können Maschinenbetten, KSS-Tank- und Filteranlagen, Leitungen, Rohre und Spänesammler durchrosten. In Folge der Leckagen wird KSS in die direkte Umgebung freigesetzt. Durch die lokal auftretende Volumenzunahme an den Orten der Korrosion kann es zu einem Blockieren von Führungsbahnen bewegter Maschinenteile kommen. Die Ablösung von Rostpartikeln kann einen Verlust der der Genauigkeit der Führungsbahnen herbeiführen. Ein Weg der mikrobiell induzierten Korrosion in wassergemischten Kühlschmierstoffen verläuft über den mikrobiellen Abbau der Korrosionsschutz-Additive. Die mikrobielle Verwertung dieser Additive verhindert die Bildung des sog. Barrier-Layers auf der im Zerspanprozess frisch entstandenen, aktiven Metalloberfläche. Viele als Korrosionsschutz eingesetzte Substanzen enthalten Stickstoff und sind damit eine wesentliche Quelle für die Stickstoffversorgung der Mikroorganismen. Der mikrobielle <?page no="60"?> 56 Abbau von Korrosionsinhibitoren ist in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten nachgewiesen [117 - 119]. Bild 5.1 zeigt beispielhaft die mikrobielle Abbaukinetik von zwei Korrosionsschutz-Additiven im Vergleich zu einem Emulgator über die CO 2 - Freisetzung. Das Korrosionsschutz Additiv 1 ist ein stickstofffreies Additiv, bei Korrosionsschutz-Additiv 2 handelt es sich um eine stickstoffhaltige Komponente. Beide Substanzen können von der aus dem KSS isolierten Mikroorganismengemeinschaft schneller verwertet als der ebenfalls in dem KSS eingesetzte Emulgator [114]. Bild 5.1: Mikrobieller Abbau von zwei Korrosionsschutz-Additiven und eines Emulgators durch eine aus einem wassergemischten Kühlschmierstoff isolierte Mischkultur, bestimmt über die Freisetzung von CO 2 . Die untersuchten Additive waren Inhaltsstoffe des KSS, aus dem die Mischkultur isoliert wurde. Die schnellere und intensivere CO 2 -Freisetzung bei der mikrobiellen Verwertung der Korrosionsschutz-Additive belegt deren bessere Bioverfügbarkeit und -abbaubarkeit im Vergleich zu der Verwertung des Emulgators [114, verändert]. Durch den mikrobiellen Abbau von KSS-Bestandteilen werden außerdem organische Säuren gebildet und in den KSS freigesetzt. Diese Säuren beschleunigen über eine chemische Komplexbildung den anodischen Teilschritt der Korrosion. Hinzu kommt, dass beim Kathodenprozess keine freien Protonen benötigt werden, sondern dass das organische Säuremolekül direkt als Protonendonator fungieren kann. Sowohl die Stimulierung des anodischen Teilschrittes als auch die kathodische Reaktivität hat zur Folge, dass eine Lösung organischer Säuren bei einem gegebenen pH-Wert eine wesentlich größere Korrosionswirkung erzeugt als eine starke anorganische Säure gleichen pH-Wertes [148]. Anodische Reaktion: Fe -Fe 2+ + 2e - Fe 2+ + XA - FeA x(2-x) {2} Kathodische Reaktion: 2HA + 2e - H 2 + 2A - (A = Säure) {3} [nach 148] <?page no="61"?> 57 Die wesentliche Voraussetzung für die anaerobe, mikrobiell induzierte Korrosion ist das Fehlen von Sauerstoff an der Grenzschicht Kühlschmierstoff und metallische Oberfläche. Anaerobe Verhältnisse können sich in einem KSS durch zwei unterschiedliche Wege einstellen. Der im Folgenden beschriebene Weg betrifft die gesamte Flüssigkeit in einem beliebigen Behälter, Tank oder Sammelbecken einer KSS-Anlage. Sauerstofffreie Bereiche entstehen in dem Flüssigkeitskörper während Stillstandzeiten, in denen der KSS nicht bewegt oder umgepumpt wird. Durch die aerobe mikrobielle Aktivität kommt es innerhalb weniger Stunden zu einem Aufzehren des in dem KSS gelösten Sauerstoffs. Dieser Vorgang kann durch einen reduzierten oder vollständig unterbundenen Gasaustausch durch aufschwimmendes Öl oder der Biofilmbildung an der Grenzschicht KSS - Luft zusätzlich beschleunigt werden. Die Abnahme des Sauerstoffgehalts im KSS ermöglicht es den fakultativ bzw. strikt anaeroben Mikroorganismen, sich auszubreiten. Letztere leben unter normalen Sauerstoffbedingungen geschützt in den tieferen Bereichen der Biofilmen von KSS-Anlagen oder sie befinden sich in einem dormanten Stadium. D.h. sie können bei stark reduzierter Stoffwechselaktivität überleben. Erst nach dem sich sauerstofffreie Zustände eingestellt haben, beginnen sie sich zu vermehren und auszubreiten. Die Aktivität der anaeroben Mikroorganismen lässt sich oft an dem Montags-Morgen-Geruch (s.u.) erkennen. Ausgangspunkt für den zweiten Weg der mikrobiell induzierten anaeroben Korrosion ist die Biofilmbildung auf metallischen Oberflächen (siehe auch Abschnitte 2.4 Mikrobielle Biofilme und 3.3 Biofilme in KSS-Anlagen). Die Biofilme bestehen aus Wasser, Mikroorganismenzellen und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS). Hat sich auf der Metalloberfläche ein Biofilm entwickelt, stellt dieser eine Diffusionsbarriere für die umgebende Flüssigkeit und alle in ihr gelösten Stoffe dar. Die physikalischchemischen Bedingungen an der Metalloberfläche unter dem Biofilm unterscheiden sich von denen der umgebenden Flüssigkeit. Während an der Oberfläche des Biofilms ähnliche Sauerstoffverhältnisse herrschen wie in der umgebenden Flüssigkeit, kommt es in tieferen Schichten zu einem reduzierten Sauerstoffgehalt bis hin zu sauerstofffreien anaeroben Zonen. Dadurch führen die Biofilme zu der Bildung lokaler Spannungselemente (galvanische Zelle), welche durch kleine anodische und große kathodische Bereiche gekennzeichnet sind. In Folge dieser Spannungselemente tritt Metallkorrosion auf. Ausgehend von dem anodischen Bereich, gehen Eisenionen in Lösung, die freiwerdenden Elektronen fließen in den umgebenden kathodischen Bereich. In Bild 5.2 sind die entsprechenden Reaktionen an einem Spannungselement am Beispiel der Korrosion von Eisen dargestellt [148, 149]. Weiterhin kommen in diesen Übergangsbereichen zunehmend fakultativ anaerobe Bakterien zur Vermehrung. Diese können mit sehr geringen Sauerstoffgehalten leben und produzieren während ihrer physiologischen Aktivität organische Säuren als Stoffwechsel- Endprodukte und verstärken wie oben beschrieben den Korrosionsprozess. <?page no="62"?> 58 Bild 5.2: Schematische Darstellung der korrosiven Reaktionen an einem lokalen Spannungselement auf einer Eisenoberfläche. Ausgelöst werden die Reaktionen durch den anaeroben Bereich unterhalb des Biofilms [148, 149]. Mit zunehmender Mächtigkeit bilden sich innerhalb der Biofilme anaerobe Bereiche, es entsteht der Lebensraum für sulfatreduzierende Bakterien. Diese nutzen u.a. die von den fakultativ lebenden, fermentativen Bakterien ausgeschiedenen Stoffwechselprodukte als Kohlenstoffquelle. Neben den organischen Säuren zählen dazu auch Alkohole, Ketone, Fettsäurederivate und weitere Produkte der unvollständigen Oxidation organischer Substanz. In KSS-Anlagen sind dies die KSS-Inhaltsstoffe. Für ihren Energiestoffwechsel nutzen die sulfatreduzierenden Bakterien die Elektronen aus dem Eisen zur Reduktion von Sulfat zu Schwefelwasserstoff (Montags-Morgen- Geruch). Nach der Freisetzung von Metall (Eisen)-Ionen und Wasserstoff {4} erfolgt durch die sulfatreduzierenden Bakterien in einer Sulfatreduktionsreaktion die Oxidation des Wasserstoffs mit dem Sulfat {5}. Die Metalloberfläche wird durch die Oxidation des Wasserstoffs freigelegt, so dass es zu einer weiteren Bildung von Wasserstoff und einer erneuten Metallauflösung kommt. In der sich anschließenden Eisenfällung reagiert der Schwefelwasserstoff mit dem frei gesetzten, zweiwertigen Eisen zu Eisensulfid, welches sich mit Carbonat aus dem Wasser vermischen und Krusten bilden kann {6}. Die Gesamtbilanz der Reaktionen ist in {7} dargestellt [27]. Eisenoxidation: 4 Fe + 8 H + 4 Fe 2+ + H 2 {4} Sulfatreduktion: 4 H 2 + SO 42- H 2 S + 2 H 2 O + 2 OH - {5} Eisenfällung: 4 Fe 2+ H 2 S + 2OH - + 4 H 2 O FeS + 3 Fe(OH) 2 + 6H + {6} {3} - {5} 4 Fe + SO 42- + 2 H 2 O + 2H + FeS + 3 Fe(OH) 2 {7} [27] Die für die Reaktionen notwendigen Sulfationen können aus verschiedenen Quellen des Kühlschmierstoffs stammen. Zum einen sind viele KSS-Additive wie bspw. einige Emulgatoren, das Mineralöl und EP-Additive Schwefelbzw. Sulfathaltig. Zum anderen können sowohl in dem Anmischwasser als auch in den bearbeiteten Eisen- und Stahlverbindungen gewisse Anteile gelöster Schwefelverbindungen enthalten sein, die von den Mikroorganismen als Schwefelquelle genutzt werden. Dieser Prozess ist ein Beispiel für die synergistische Wirkung, die sich aus dem physiologischen Zusammenspiel verschiedener Mikroorganismenarten in einem Biofilm ergeben können. Ohne die Biofilmbildung und Nährstoffversorgung durch die fakultativ aerob lebenden Mikroorganismen entstehen keine oder nur unzureichende Lebensbedingungen für die anaeroben Arten. Der Biofilm ist als Multispezies-Lebensgemeinschaft anzusehen, in dem die darin vergesellschafteten Arten von einander profitieren. <?page no="63"?> 59 Untersuchungen zu der Entwicklung von Biofilmen und deren korrosiver Wirkung unter reproduzierbaren Bedingungen beschreiben Rège und Sand in ihrer Veröffentlichung. Sie konstruierten eine mobile Pilotanlage, welche ihnen die Entwicklung von Biofilmen auf verschiedenen Metalloberflächen unter chemisch, physikalisch und biologisch kontrollierten Bedingungen ermöglichte. Sie konnten Biofilme aus chemoorganotrophen Bakterien und sulfatreduzierende Bakterien mit Zellzahlen von bis zu 10 8 Zellen / cm 2 in ihrem Versuchsaufbau nachweisen. Typische Korrosionserscheinungen auf unlegiertem Stahl, die auf mikrobielle Aktivitäten zurückzuführen sind, waren unter anaeroben Bedingungen stärker ausgeprägt als unter aeroben. Die deutlichsten Korrosionsangriffe zeigten sich bei einem Wechsel zwischen aerober und anaerober Inkubation [150]. Ortiz et al. verwendeten in ihren Untersuchungen zur mikrobiell induzierten Korrosion aus KSS isolierte Bakterienstämme, um deren Potenzial, Korrosion auf rostfreiem Stahl (AISI 304, austenitisch, Cr: 18% - 20%; Ni: 8% - 10,5%; Mn: 2%; S: 0,03%) und unlegiertem Stahl, auszulösen. Sie kommen zu den Schlussfolgerungen, dass die stagnierenden Bedingungen in den untersuchten KSS-Tanks und -Sammelbehältern die Bildung von mikrobiellen Konsortien und Biofilmen er möglicht. In dem von ihnen gewählten Untersuchungszeitraum von acht Tagen waren auf beiden Stahlsorten ein bakterielles Wachstum und eine Biofilmbildung nachweisbar. Korrosion trat lediglich auf dem unlegierten Stahl auf, Ortiz et al. schließen aber prinzipiell eine MIC für den AISI 340 bei einer längeren Inkubationszeit nicht aus. Auf dem unlegierten Stahl konnten sie Pittings nachweisen. Deren Bildung wird von ihnen auf die synergistische Wirkung der aeroben und anaeroben Bakterien zurückgeführt. Die aeroben Bakterien führten neben der beschriebenen Etablierung des Biofilms zu Lochfraß an den Rändern der Bakterienkolonien. Eine beschleunigte Pittingbildung zeigte sich in ihrem Versuchsaufbau nach der Zugabe von anaeroben sulfatreduzierenden Bakterienstämmen [151]. Zur Verhinderung von Biokorrosion in industriell genutzten Wassersystemen gibt Videla die Regel "Keep the system clean" aus. Die in dem Artikel beschriebenen Möglichkeiten und Verfahren haben auch für Kühlschmierstoff-Anlagen ihre Gültigkeit. Der erste Schritt zur Vermeidung von Biokorrosion liegt bereits im Design der Anlagen und der angeschlossenen Peripherie. Durch die konstruktive Vermeidung von Dead-End-Leitungen und Bereichen mit fehlender oder nur geringer Fluidströmung ist ein elementarer Schritt zur Vermeidung von Biokorrosion getan, der durch den Einsatz antimikrobieller Beschichtungen unterstützt werden kann [152, 153]. Als weitere notwendige Punkte gibt Videla die gründliche und gewissenhafte mechanische und / oder chemische Reinigung bestehender Systeme an. Für Fluidkreisläufe, welche bereits mit Biofilmen befallenen sind und physikalische Verfahren nicht einsetzbar sind wird der Einsatz von biozidwirkenden Substanzen propagiert. Eine allgemeingültige Lösung wird von Videla nicht vorgeschlagen, jedes System muss anhand seiner Historie, den aktuellen Prozessbedingungen, den physikalisch-chemischen Parametern und der mikrobiellen Artengemeinschaft bewertet werden. Ein entsprechend angepasstes Monitoring ist für die Erhebung solcher Daten notwendig [152]. Von Little et al. wird eine kritische Auseinandersetzung mit der These, gezielt Biofilme zu nutzen um die MIC zu vermeiden, geführt. Eine wesentliche Voraussetzung der These ist, dass die Biofilmbildung kontrollierbar und vorhersagbar verläuft. Der Artikel verweist auf Literaturstellen, in denen in Laborexperimenten die Behauptung gestützt werden konnte. Es wird von Little et al. kritisiert, dass die zitierten Untersu- <?page no="64"?> 60 chungen nicht über das Laborstadium hinausgegangen sind. Die Bedingungen eines industriell genutzten Wasserkreislaufs wie bspw. einer KSS-Anlage, in dem eine Anzahl physikalisch-chemischer Parameter keiner genauen Kontrolle und Steuerung unterliegen, konnten nicht abgebildet werden [154]. Einen aktuellen Stand mikroskopischer und spektroskopischer Techniken, welche ein tieferes Verständnis der mikrobiell induzierten Korrosionsvorgänge auf Metallen liefern, beschreibt Beech in ihrem Artikel. Sie kommt zu dem Schluss, dass sich in Biofilmen physiologisch unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften ausbilden. Durch ihre Stoffwechselaktivität bauen sie chemische Gradienten auf und ermöglichen damit die Bildung von elektrochemischen Lokalelementen auf der Metalloberfläche. Um diese Prozesse besser zu verstehen, sind der Einsatz von modernen Analysemethoden wie der Elektronen Spektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) oder Timeof-flight secondary ionization mass spectrometry (TOF-SIMS) notwendig. Diese Methoden ermöglichen es nach ihrer Aussage, die Wechselwirkungen zwischen biologischem Material und den Metallen anhand kleiner Proben detailliert zu beschreiben [155]. <?page no="65"?> 61 6 Gegenmaßnahmen 6.1 Einleitung Das Wachstum der Mikroorganismen in wassergemischten Kühlschmierstoffen ist ein natürlicher Vorgang. Betrachtet man die Formulierungen der Kühlschmierstoffe, d.h. ihre chemische Zusammensetzung, wird deutlich, dass alle für das Wachstum und die Vermehrung von Mikroorganismen erforderlichen Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und Spurenelemente in einem ausreichenden Maß vorhanden sind. So dienen Amine und Amide als Stickstoff-Quelle, Mineralölderivate und Emulgatoren als Kohlenstoff-Quelle, und die in Emulgatoren und Leistungsadditiven enthaltenen Sulfat- und Phosphor-Gruppen sichern die Versorgung mit diesen Elementen. Der in einem Gebrauchskühlschmierstoff gelöste Sauerstoff ermöglicht aerobe Stoffwechsel-Vorgänge. Bei stehenden oder gering bewegten KSS und in Biofilmen können anaerobe Bereiche entstehen. Ergo bietet ein KSS ein breites Spektrum an Wachstumsmöglichkeiten für die unterschiedlichsten Mikroorganismenarten. Die Mikroorganismen gelangen über verschiedene Kontaminationspfade in einen KSS. Als Pfade mit dem größten Kontaminationspotenzial sind zu nennen: - Das Ansetzwasser. Trinkwasser darf laut Trinkwasserverordnung bis zu 100 lebensfähige Keime pro Milliliter enthalten [156]. Werden Wässer aus anderen Quellen wie bspw. Regenwasser, Brunnenwasser oder Wasser aus Zisternen oder anderen Speichern verwendet, ist mit einer höheren mikrobiellen Belastung zu rechnen. - Nach einem KSS-Wechsel in der Anlage verbleibende Flüssigkeitsreste und Biofilme an schlecht abzureinigenden Oberflächen sorgen für eine Rekontamination mit bereits adaptierten Organismen. In diesen Fällen reichen bereits sehr geringen Mengen aus, um auch große Tankvolumina mit einer ausreichend hohen Zellzahl zu kontaminieren (s. Bild 6.1). - Ein weiterer Eintrag findet über die Luft statt. Bei offenen KSS-Systemen besteht ein direkter Kontakt mit der Umgebungsluft. In geschlossenen Systemen wird über die Absaugung entsprechend des eingestellten Leistungsvolumens Luft mit seinen gesamten Inhaltsstoffen wie Partikeln und Staub durch den Arbeitsraum gepumpt. Bei diesem Kontaminationspfad können jahreszeitliche Luftbelastungen und Umgebungsbedingungen sowie lokaler Staubanfall eine wesentliche Rolle bei der Kontamination des KSS spielen. - Durch das nicht gewollte Einbringen von organischen Abfällen und durch den ebenfalls unerwünschten Hautkontakt des Bedieners mit KSS können Bakterien und Pilze in den KSS gelangen. Die technischen und hygienischen Konsequenzen, die ihren Ausgangspunkt in dem Befall und dem Wachstum von Mikroorganismen im Kühlschmierstoff haben, gilt es auch heute zu verhindern. Die Maßnahmen, welche zur Kontrolle des mikrobiellen Wachstums eingesetzt werden können sind unter dem Begriff Konservierung zusammengefasst. Eine Konservierung hat zum Ziel, ein gegebenes Produkt oder Medium über einen genügend langen Zeitraum bei den vorhandenen ortsüblichen Bedingungen vor mikrobiell bedingter Materialzerstörung zu schützen. <?page no="66"?> 62 Bild 6.1: Einfluss der Restkontamination in einer KSS-Anlage auf die Neubefüllung eines Systems (oben). Unten: Fotografie einer Deckelunterseite eines KSS-Tanks, an dem ein hoch belasteter Biofilm (Lebendzellzahl = 10 7 / ml) den KSS durch Eintropfen rekontaminiert (unten) [157]. Die Konservierung wassergemischter Kühlschmierstoffe ist keine Fragestellung, mit der sich die Anwender und Forscher erst in der jüngeren Vergangenheit auseinandersetzen. Das Verhindern des mikrobiellen Befalls der KSS ist bereits in den frühesten Anwendungen beschrieben worden. McConnell befasst sich bereits 1922 im Zusammenhang mit Hauterkrankungen mit verschiedenen chemischen Verbindungen, die als Antiseptikum in einem KSS gebraucht werden können. Er nennt Phenole, Kresole und weitere Teerkohlederivate als durchaus geeignet, aber zu teuer. Quecksilberchlorid oder Kupfersulfat beschreibt er aufgrund ihres korrosiven Potenzials als nicht geeignet und oxidierende oder reduzierende Verbindungen wie Jod, Brom, Chlor, Ozon oder Wasserstoffperoxyd sind nach seiner Aussage zu instabil für den Einsatz in wassergemischten KSS. Als am besten geeignet zur Sterilisation von KSS führt McConnell die Erwärmung des KSS auf 145°Fahrenheit (ca. 63°C) an. Im intermittierenden Betrieb sollte damit nach seiner Darstellung eine zuverlässige Sterilisation des KSS durchführbar sein [16]. In den folgenden Abschnitten werden Pflegemaßnahmen für in Betrieb befindliche wassergemischte Kühlschmierstoffe, Hinweise für eine Systemreinigung sowie physikalische und chemische Maßnahmen und Verfahren zur Konservierung des KSS <?page no="67"?> 63 vorgestellt. Einen vollständig keimfreien, d.h. sterilen wassergemischten KSS wird man in dem Umfeld eines Fertigungsbetriebes auch bei der besten Pflege und Anwendung aller Maßnahmen nicht erreichen. Für einen ökonomisch und ökologisch sinnvollen Einsatz der KSS gilt das Minimierungsgebot, d.h. im Rahmen der individuellen technischen Gegebenheiten eine möglichst geringe mikrobielle Belastung über lange Zeiträume zu halten. Die Kombination einer kontinuierlichen Pflege während der Einsatzzeit und einem standardisierten Monitoring wird lange KSS-Standzeiten unter guten hygienischen Bedingungen gewährleisten. 6.2 Pflegemaßnahmen, Systemreinigung Unter der Pflege von Kühlschmierstoffen sind verschiedene Maßnahmen zusammengefasst, welche einzeln oder ergänzend während des Betriebs helfen sollen, einen mikrobiellen Befall in einer KSS-Anlage im Vergleich zu einer nicht gepflegten Anlage deutlich zu reduzieren. Damit die mikrobielle Belastung in einer KSS-Anlage über einen langen Zeitraum auf einem möglichst niedrigen Niveau gehalten werden kann, ist schon bei der Neubefüllung der Anlage die Anwendung von ersten Hygienemaßnahmen sinnvoll. Durch die adäquate Kombination der (händischen) Reinigung und Desinfektion der Anlage vor der Neubefüllung wird eine lange Standzeit des Kühlschmierstoffs erzielt. Insbesondere die gründliche Entfernung von im System verbliebener Reste belasteten KSS stellt die Grundvoraussetzung zur Vermeidung einer Rekontamination dar. In nicht zugänglichen Bereichen, Schläuchen und Toträumen können erhebliche Mengen hochbelasteten Kühlschmierstoffs verbleiben. Wie Bild 6.1 zeigt, reicht bereits ein Restvolumen von 100 ml, welches mit einer Lebendzellzahl von 10 Millionen Zellen / ml belastet ist, aus, um in einer Anlage mit 1 m³ Gesamtvolumen zu einer Grundkontamination von 1.000 Keimen / ml zu führen. Die in der Kühlschmierstoff-Anlage verbleibenden Biofilme bilden darüber hinaus ein weiteres permanentes Kontaminationspotenzial (siehe auch Kapitel 3.3). Da die Biofilme zum Teil auch der chemischen Wirkungen der Systemreinigung widerstehen, sind zu ihrer Entfernung zusätzliche Maßnahmen wie bspw. eine mechanische Reinigung notwendig. Die mikrobiologischen Verhältnisse in einer KSS-Anlage können am besten kontrolliert und auf einem niedrigen Niveau gehalten werden, wenn schon während des Betriebs und bei dem Wechsel der gebrauchten KSS Hygienemaßnahmen eingehalten werden. Dieses gilt unabhängig von dem Volumen der KSS-Anlage. 6.2.1 Ansatz der Gebrauchslösung, Pflegemaßnahmen Nach einer grundlegenden Reinigung und Sanierung einer Kühlschmierstoff-Anlage erfolgen der Neuansatz und die Befüllung der Anlage. Für den Ansatz eines wassergemischten KSS sollten nur einwandfreie Komponenten genutzt werden. Dazu gehört ein Kühlschmierstoff-Konzentrat, dessen Funktionsfähigkeit nicht durch eine zu lange oder unsachgemäße Lagerung (z.B. durch Frost oder Wärme) eingeschränkt ist. Angaben zu der Lagerung finden sich im Sicherheitsbzw. dem technischen Datenblatt. Kühlschmierstoff-Konzentrate sind durch den geringen Anteil an Wasser als keimfrei anzusehen. Dem Ansatzwasser und den Zufuhrleitungen ist die größere Aufmerksamkeit zu widmen. Mit einem geringen mikrobiellen Eintrag ist bei der Verwendung von Trinkwasser zu rechnen. Trinkwasser ist von Seiten der Behörden ein <?page no="68"?> 64 sehr gut kontrolliertes Lebensmittel und darf gemäß der Trinkwasserverordnung nicht mehr als 100 lebensfähige Keime / ml enthalten [156]. Ein erhöhter Eintrag von Mikroorganismen kann durch die Nutzung von Oberflächen-, Regen-, Zisternen- oder Brunnenwasser entstehen. Speziell bei Regenwasser (Dachabflusswasser) führt neben den aus der Atmosphäre ausgewaschenen Staubpartikeln die Verschmutzung durch Vogelkot und weiteren Ablagerungen von den Dächern und Dachabläufen zu einer erhöhten mikrobiellen Belastung. Unter den Kontamianten in Dachabflusswasser können sich auch humanpathoge Erreger wie Coliforme Bakterien befinden [158]. Wird das Ansetzwasser über Entsalzungsanlagen enthärtet, so finden sich auf den großen Oberflächen der Ionentauscher häufig Biofilme, wenn diese Anlagen nicht einer regelmäßigen Wartung und Pflege unterzogen werden. Gleiches gilt für Wässer, welche über einen längeren Zeitraum in Tanks zwischengelagert sind. In diesen Tanks ist eine regelmäßige Reinigung der Tankinnenwände notwendig um die Entwicklung von Biofilmen zu unterdrücken. Die Entwicklung von Biofilmen findet ebenso in den für die Zuleitung des Wassers verwendeten (Kunststoff-) Leitungen statt. Ist ein regelmäßiger oder kontinuierlicher Durchfluss der Leitungen nicht gewährleistet, bilden sich während der Zeiten ohne Durchströmung auf den Innenwandungen der Schläuche schnell Biofilme, die direkt in den frisch angesetzten Kühlschmierstoff eingetragen werden können [159]. Daher ist ein regelmäßiger Austausch der Schläuche anzustreben. Eine Möglichkeit, das Ansetzwasser aufzubereiten, ist die UV-Entkeimung. Dieses Verfahren ist für klare Wässer gut geeignet, um die Keimzahlen zu reduzieren und sollte den ersten Schritt zu einem hygienischen Ansatz der wassermischbaren KSS darstellen [160]. 6.2.2 Anforderungen an die Auslegung der Kühlschmierstoff-Anlage, Beteiligung der Mitarbeiter Für eine lange Verweilzeit des Kühlschmierstoffs in der Anwendung ist eine sorgfältige Planung des Aufbaus der gesamten KSS-Anlage notwendig. In Abhängigkeit von den Bearbeitungsprozessen muss die konstruktive Auslegung der Werkzeugmaschine und ihrer Peripheriegeräte wie Filteranlagen, Spänetransport und -entsorgung, Pumpen, Hebestationen und gegebenenfalls Kühlanlagen in das KSS-Konzept integriert werden. Dazu zählt insbesondere die gute Zugänglichkeit aller Teilbereiche für eine mechanische Reinigung wie die Unterseiten von Abdeckungen, die Vermeidung von Toträumen und von geschlossenen, nur über Zuleitungen zugänglichen Behältern sowie von schlecht durchströmten Ecken. In diesen Bereichen setzen sich schnell Schwebstoffe und Späne ab und bilden Ablagerungen, deren große Oberfläche ein idealer Ort für die Entwicklung und Ausbreitung von Biofilmen darstellt (siehe auch Kapitel 3.3). Die Zugänglichkeit dieser Bereiche durch leicht demontierbare Abdeckung über Filtern, Tanks und Leitungen sollte Stand der Technik und in jedem Betrieb umgesetzt sein. Eine weitere Grundvoraussetzung für die Pflege des KSS im laufenden Betrieb ist die wöchentliche Kontrolle und Dokumentation des Ist-Zustandes nach BGR/ GUV-R 143 und die ausreichende Schulung der Mitarbeiter [2]. Aus den Messwerten nach BGR/ GUV-R 143 lassen sich Rückschlüsse auf Veränderungen in dem KSS ziehen, darauf aufbauend können Maßnahmen zum Schutz des KSS ergriffen werden. Die Messungen und Datenauswertung sollten auf einen KSS-Verantwortlichen übertragen werden, um so die subjektiven Abweichungen durch die unterschiedlichen Er- <?page no="69"?> 65 gebnisinterpretationen verschiedener Mitarbeiter zu vermeiden. Die Mitarbeiter, welche als Maschinenbediener direkt mit dem KSS in Berührung stehen, sind durch fachliche Qualifizierungsmaßnahmen, Fortbildungen und Schulungen für das Thema eines hygienischen Umgangs mit dem KSS zu sensibilisieren. Neben dem eigenen Gesundheitsschutz durch die Vermeidung von Hautkontakt und der inhalativen Aufnahme von KSS durch entsprechende Schutzmaßnahmen und Verhaltensregeln sollte der KSS als biologisch sensibles System verstanden werden, das einer werkzeugähnlichen Systemkomponente entspricht. Der Eintrag von organischen Abfällen und Schmutz sowie das nicht sachgerechte Zudosieren von Additiven führen zu einer Schädigung des KSS und stellen ein erhöhtes hygienisches und betriebliches Risiko dar. Ein verfrühter Kühlschmierstoff-Wechsel verursacht dem Anwender Kosten zum einen durch den personellen Aufwand für die Reinigung, zum anderen durch die Maschinenstillstandzeiten, die einen Produktionsausfall bedeuten. Eine entsprechende Information und Integration der Mitarbeiter in das Pflegekonzept ist daher ein elementarer Bestandteil eines Maßnahmenpakets zur KSS-Pflege. 6.2.3 Systemreinigung Der Einsatz von Systemreinigern vor dem Wechsel des wassergemischten Kühlschmierstoffs bietet dem Anwender den Vorteil, dass die Kühlschmierstoff-Anlage in einem Schritt gereinigt und desinfiziert werden kann. Bei der Systemreinigung einer KSS-Anlage wird der im Umlauf befindliche KSS auf einen möglichst niedrigen Stand reduziert. Anschließend wird der Systemreiniger in einer Einsatzkonzentration gemäß der Angaben im technischen Datenblatt zugesetzt und die KSS-Anlage für eine bestimmte Zeit, i.d.R. einige Stunden, umgepumpt. In den Systemreinigern bewirken spezielle Netzmittel und Tenside eine gute Benetzung der Oberflächen in der KSS- Anlage und die Ablösung von festsitzenden Ablagerungen und Biofilmen von den Oberflächen. Ein hoher Anteil an Emulgatoren und Dispergatoren sorgen für das Einemulgieren von eingeschleppten und aufgerahmten Ölen und halten gelöste Schmutzpartikel in der Schwebe. Der Zusatz von Bioziden in dem Systemreiniger soll die mikrobiellen Zellzahlen aus den abgelösten Biofilmen reduzieren. Die chemische Zusammensetzung der Systemreiniger bewirkt im Normalfall einen messbaren Anstieg des pH-Wertes. Dieses ist bei der Bearbeitung von Alkali-empfindlichen Werkstoffen oder Teilen der Anlage und der Peripherie zu beachten. Gegebenenfalls muss auf ein entsprechend angepasstes Produkt mit einer geringeren alkalischen Wirkung gewechselt werden. Im Anschluss an die Systemreinigung kann der KSS abgepumpt und entsorgt werden. Für eine grundlegende Reinigung sollte die KSS-Anlage auf festsitzende und schlecht erreichbare Ablagerungen bspw. unter dem Späneförderer und nicht entfernte Kühlschmierstoffreste untersucht werden. Diese sind, wenn vorhanden, händisch zu entfernen. Bei Bedarf kann ein zusätzlicher Spülgang mit einer niedrig konzentrierten KSS-Emulsion oder -Lösung durchgeführt werden. Im Anschluss kann die Neubefüllung der Anlage erfolgen. Die Durchführung der Systemreinigung ist ein wichtiger Bestandteil, um hygienische Verhältnisse, d.h. eine geringe mikrobielle Belastung in einer KSS-Anlage zu schaffen. <?page no="70"?> 66 6.3 Physikalische Verfahren zur KSS-Entkeimung 6.3.1 Ultraviolette Bestrahlung Eine aus der Wasseraufbereitung bzw. Raumluft- und Oberflächendesinfektion entliehene Methode zur Reduktion mikrobieller Belastungen in wassergemischten KSS stellt die Bestrahlung mit Ultraviolettem (UV)-Licht dar [36, 161]. Das Prinzip der UV- Entkeimung beruht auf der Eigenschaft des Erbguts (DNA) der Mikroorganismen, im Wellenlängenbereich um 260 nm elektromagnetische Strahlung zu absorbieren. In Abhängigkeit von der Wellenlänge, der zugeführten Energie und der Expositionsdauer kann eine irreparable Schädigung der DNA auftreten. In ausreichend stark geschädigten Zellen kann die DNA nicht mehr abgelesen werden, die Produktion von Struktur- und Funktionsproteinen sowie die Zellteilung sind nicht mehr möglich und die Zelle stirbt ab. Zur UV-Entkeimung von wassergemischten KSS sind für den Anwender verschiedene Systeme am Markt erhältlich. Entscheidend für die Wirkung auf Mikroorganismen in KSS ist die Eindringtiefe der Strahlung in die Flüssigkeit. Aufgrund der Trübung durch die Emulsionströpfchen ist die Eindringtiefe der UV- Strahlen in KSS-Emulsionen begrenzt, zusätzlich wird durch die Tröpfchen ein Schattenwurf erzeugt. Daher arbeiten die meisten am Markt befindlichen Systeme auf der Basis der Bestrahlung von Dünnfilmen. Diese erlauben bloß geringe Durchflussmengen und lassen somit nur einen Betrieb im Bypass zu. Die UV-Strahlung hat darüber hinaus lediglich eine Wirkung auf die vorbei strömenden Organismen, eine schädigende Wirkung auf Biofilme kann mit diesem Verfahren nicht erreicht werden. Die Untersuchungen von Johnson et al. zeigen eine gute Desinfektions-Wirkung eines UV-Strahlers, wenn dieser in klaren KSS-Lösungen eingesetzt wird. Sie weisen in ihrer Publikation darauf hin, dass ein Effekt auf die im System vorhandenen Biofilme nicht stattfinden kann [162]. Eine Kombination von UV- und US (Ultraschall)- Bestrahlung zur Reduktion mikrobieller Lasten beschreibt Merschbrock in seinem Forschungsbericht. Die Anwendung dieser Verfahrenskombination in der Praxis führte nur unter Einschränkungen zu eindeutigen Ergebnissen. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens, bakterielle Zellzahlen zu reduzieren, wird bei geringen Belastungen mit Werten zwischen 50 % und 100 % angegeben. Für Pilze wird ebenfalls eine Wirksamkeit nachgewiesen, allerdings auf einem niedrigeren Niveau. Bei hohen Zellzahlen > 10 6 / ml zeigt das Verfahren dagegen eine eingeschränkte Keimreduktionsrate [163]. 6.3.2 Ultraschall Neben der oben beschriebenen UV-Bestrahlung ist die Anwendung von Ultraschall eine weitere Methode zur Reduktion der Keimbelastung in KSS, die u.a. ein Anwendungsfeld in der Kühlwasserbehandlung oder Labordesinfektion und -reinigung hat. Die energiereichen Ultraschallwellen führen in der beschallten Flüssigkeit zu der Bildung von Kavitationsblasen, die Blasen implodieren und geben dabei Schockwellen ab. Die dabei freiwerdende Energie kann die Zellwände von Mikroorganismen mechanisch zerstören. Ultraschallbehandlungen werden in biologischen Analyseverfahren genutzt, um durch den Zellaufschluss die DNA extrahieren zu können [36]. Der Wirkradius der Ultraschallbehandlung reduziert sich mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle, eine Wirkung auf Biofilme in einer KSS-Anlage wird sich ausschließlich mit mobilen Geräten erzeugen lassen. Die energetische Wirkung der Ka- <?page no="71"?> 67 vitation auf die Größenverteilung der Emulsionströpfchen in einer wassergemischten KSS Emulsion ist bei einer Ultraschallbehandlung mit in die Betrachtung zu ziehen. Die von Merschbrock [163] beschriebene Kombination einer UV- und US- Behandlung wird ebenfalls von Thompson et al. als eine Möglichkeit zur Keimreduktion in wassergemischten Kühlschmierstoffen genannt. Letztere fordern in ihrer Veröffentlichung den verstärkten Einsatz von Hybridsystemen (UV oder US in Kombination mit chemisch wirkenden bioziden Substanzen), um die mikrobiellen Zellzahlen in KSS-Anlagen zu reduzieren [72]. Mason et al. konnten bei der Verwendung von zwei Durchfluss-Systemen für die biologische Dekontamination von Wasser mit Ultraschall zeigen, dass eine Keimreduzierung nachweisbar war, aber nicht sofort auftrat. Für eine effektive Reduktion der mikrobiellen Belastung schlagen auch sie die Kombination physikalischer Verfahren mit chemischen Wirkstoffen vor [164]. 6.3.3 Filtration Über Filtrationsverfahren lassen sich Partikel beliebiger Größe aus Flüssigkeiten heraustrennen. Die Porengröße des Filters gibt dabei die Trenngröße vor. Obwohl mittels Filtrationsverfahren in technischen Anwendungen Flüssigkeiten sterilfiltriert werden, sind diese Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismen aus KSS in der Praxisanwendung nicht durchführbar. Da die Porenweite für eine Sterilfiltration mit 0,2 μm gewählt werden muss, ist mit einem Aufspalten der Emulsion bei der Filterpassage zu rechnen. Der Durchmesser von Emulsionströpfchen einer frisch angesetzten Emulsion liegt in der gleichen Größenordnung wie die Größe von Bakterienzellen. Daher passieren die Emulsionströpfchen die Poren des Filters nicht unbeschadet. Weiterhin ist ein schnelles Verstopfen des Filters durch Partikel und Feinstabrieb aus dem Zerspanprozess vorprogrammiert. 6.3.4 Druck Ein in der Lebensmittelverarbeitung verbreitetes Verfahren zur Sterilisation ist die Beaufschlagung der Flüssigkeiten mit Druck [165]. Die Wirkung beruht auf der Zerstörung der Zellmembranen, der DNA oder von Enzymen der Mikroorganismen. Bei der Keimreduzierung über die Beaufschlagung einer Flüssigkeit mit Druck besteht eine Abhängigkeit zwischen der aktuellen Wachstumsphase der Mikroorganismen und der Stärke der antimikrobiellen Wirkung. Weiterhin reagieren verschiedene Bakterienarten unterschiedlich auf Druckbelastungen. Typischerweise werden flüssige Lebensmittel mit Drücken zwischen 100 und 1000 MPa beaufschlagt, um sie zu sterilisieren [166, 167]. Die Anwendung von Druck zur antimikrobiellen Behandlung von wassergemischten KSS hat sich bisher nicht am Markt etabliert. 6.3.5 Hitze Die Hitzesterilisation ist die klassische physikalische Methode, um Mikroorganismen abzutöten. Die Verfahren werden unterschieden in trockene Hitzesterilisation (160°C - 180°C), und Dampfsterilisation unter gesättigtem Wasserdampf (Autoklavie- <?page no="72"?> 68 ren, bis 134°C). Bei der Pasteurisierung einer Flüssigkeit, d.h. dem Erhitzen auf 70°C bis 100°C für 5 bis 10 Minuten, werden die vegetativen, d.h. die Zellen, die sich in einer aktiven Wachstumsphase befinden, abgetötet. Die Pasteurisierung entspricht einer Teilentkeimung, da Dauerformen wie Sporen oder physiologisch passive Zellen den Prozess überleben und zu einer Wiederverkeimung der behandelten Flüssigkeit führen können. Das Pasteurisieren von Flüssigkeiten wird in der Lebensmittelindustrie, bspw. zur Haltbarmachung von Milch verwendet [27, 36]. In KSS-Anlagen kommen große Volumina Flüssigkeit zum Einsatz, von denen eine möglichst lange Standzeit im Prozess erwartet wird. Das Pasteurisieren dieser Volumina ist mit einem hohen Energie- und Raumbedarf verbunden und wäre zur Reduktion des Energieverbrauchs sinnvollerweise an den Einsatz eines Wärmetauschers gebunden. Rossmoore et al. kommen in ihren Untersuchungen zur thermischen Kontrolle mikrobieller Belastungen von wassergemischten KSS zu dem Resultat, dass die Pasteurisierung von KSS nur begrenzt geeignet ist, um die mikrobiellen Zellzahlen in KSS zu verringern. Zwar konnten in ihren Untersuchungen hohe Keimreduktionsraten erreicht werden, allerdings erhöhten sich die Zellzahlen in den Proben innerhalb von 24 Stunden wieder auf das Ausgangsniveau. Rossmoore et al. empfehlen für die Praxisanwendung eine niedrige Biozid-Dosierung in Kombination mit einer Zentrifugation und Pasteurisierung des KSS zweimal je Woche, um dauerhaft eine geringe mikrobielle Zellzahl zu erreichen [168]. 6.3.6 Antimikrobielle Oberflächenbeschichtungen Biofilme sind in KSS-Anlagen eine wesentliche Quelle für die mikrobielle Rekontamination gereinigter Anlagen und spielen eine zentrale Rolle bei dem Abbau der KSS- Inhaltsstoffe. Die Entwicklung von Biofilmen auf Oberflächen ist u.a. abhängig von der Topographie, Ladung und Hydrophobizität der Oberfläche [30]. Ein gangbarer Weg zur Reduktion mikrobieller Zellzahlen in einer KSS-Anlage wäre es demnach, die Biofilmbildung durch antimikrobiell behandelte Oberflächen zu erschweren, um so eine Ansiedlung der Mikroorganismen auf den Oberflächen zu unterdrücken oder bestenfalls zu vermeiden. Über diesen Prozess könnte sich in der Folge auch der Austausch von Organismen zwischen den Biofilmgemeinschaften und den planktonisch lebenden Arten vermindern. Der Schutz vor einer Biofilmentwicklung kann insbesondere in den kritischen Bereichen einer KSS-Anlage zum Tragen kommen, die aufgrund ihrer konstruktiven Auslegung mechanisch nur schwer zu reinigen sind. In KSS-Anlagen haben sich zwei verschiedene Verfahrenswege zur antimikrobiellen Ausrüstung von Oberflächen etabliert. Auf der einen Seite werden die Oberflächen mit antimikrobiell wirkenden Metallen wie Kupfer (Cu), Silber (Ag) und / oder Zink (Zn) behandelt. Die Metalle können entweder durch Aufsputtern direkt auf die zu schützende metallische Oberfläche aufgebracht werden oder die Wirkstoffe werden als Nanopartikel in den Lack eingearbeitet. Peterschewski und Veltl konnten in ihrem Forschungsvorhaben mit antimikrobiell ausgerüsteten Lacken eine Verminderung der mikrobiellen Belastung auf den untersuchten Oberflächen von > 70% erreichen. Eine stabile Ansiedlung von Biofilmen wurde auf bestimmten Probenkörpern über einen Zeitraum von > 8 Monaten verhindert. Sie konnten ferner nachweisen, dass die antimikrobielle Wirkung in ihrer Stärke von dem Mischungsverhältnis der Metalle Cu, Ag, Zn abhängt. Eine Wechselwirkung <?page no="73"?> 69 der antimikrobiell wirkenden Metalle mit KSS-Inhaltsstoffen wurde lediglich zwischen Silber und Jod-haltigen Inhaltsstoffen (Fungizide) detektiert [153, 169]. Auf der anderen Seite ist die Bindung antimikrobiell wirkender Enzyme oder Polymere ein Weg eine Oberfläche antimikrobiell auszurüsten. Stazt el al. beschreiben in ihren Publikationen die Wirkung neuentwickelter Peptidomimetic Polymere, welche, gebunden an Oberflächen, die Zellwände von Bakterien schädigen. Sie heben die niedrige humantoxikologische Wirkung, die hohe Stabilität und die einfache Synthese der Verbindungen hervor. Eine mögliche Nutzung ihrer Erkenntnisse sehen sie in dem Langzeitschutz von Oberflächen in physiologischen, marinen und industriellen Anwendungen, welche durch Biofilmbildung gefährdet sind. Erste Untersuchungsergebnisse in KSS-Anwendungen zeigen eine gute antimikrobielle Wirkung auf grampositive und gramnegative Bakterien [170 - 172]. An Oberflächen gebundene, antimikrobiell wirkende Enzyme zur Vermeidung der Biofilmbildung wurden von Koch et al. in Untersuchungen an einem KSS-System im Labormaßstab geprüft. Sie konnten in ersten Versuchen den Nachweis erbringen, das innerhalb von sieben Tagen ein großer Teil der Mikroorganismen auf den antimikrobiell behandelten Oberflächen abgestorben war und damit die Entstehung von Biofilmen deutlich erschwert wurde [173]. Die hier beschriebenen Verfahren antimikrobiell behandelter Oberflächen werden als alleiniges Schutzsystem den mikrobiellen Befall in KSS-Anlagen nicht verhindern können. Sie zeigen aber Lösungsansätze zur Vermeidung von Schäden durch die Ansiedlung von Biofilmen auf Oberflächen. Da Mikroorganismen bevorzugt auf Oberflächen leben, kann die Verhinderung der Biofilmentstehung auf den Oberflächen einerseits den mikrobiellen Abbau von KSS-Inhaltsstoffen vermindern. Andererseits führt eine schwer zu besiedelnde Oberfläche zu einer geringeren Haftung der Biofilme, sodass diese schneller und einfacher zu entfernen sind. Eine Rekontamination nach einer Neubefüllung wird vermieden [174]. In Kombination mit weiteren chemischen und / oder physikalischen Verfahren bietet die Anwendung der antimikrobiellen Oberflächen eine große Option, die Ausbreitung von Mikroorganismen in KSS- Anlagen zu reduzieren. 6.4 Chemische Konservierungsmittel zur Keimreduktion in wassergemischten Kühlschmierstoffen 6.4.1 Einleitung Während ihres Einsatzes kann in wassergemischten Kühlschmierstoffen die mikrobielle Belastung durch den Zusatz von Konservierungsmitteln verringert werden. Die Zugabe der Konservierungsmittel erfolgt entweder direkt über ein vorkonserviertes Produkt oder als Zudosierung bei dem in Gebrauch befindlichen KSS. In Bezug auf ihre antimikrobielle Wirkung werden die Konservierungsmittel in Biostatika und Biozide unterteilt. - Bei den Biostatika handelt es sich um Substanzen, welche das Wachstum der Mikroorganismen hemmen oder verhindern. Biostatika führen zu keiner direkten Abtötung der Organismen, sodass nach der Einwirkzeit der Mittel wieder ein mikrobielles Wachstum stattfindet. <?page no="74"?> 70 - Biozide bezeichnen Substanzen, welche eine abtötende Wirkung auf die Mikroorganismen ausüben. Idealerweise setzt bei einer ausreichend langen Einwirkdauer und Dosierung nach dem Entfernen der bioziden Substanz kein weiteres mikrobielles Wachstum ein [147]. Eine weitere Unterteilung findet nach der Hauptzielrichtung und damit der chemischen Zusammensetzung der Konservierungsmittel statt: Bakterizide wirken spezifisch gegen Bakterien, Fungizide sind in ihrer Wirksamkeit gegen Pilze gerichtet. Es sind am Markt sowohl Produkte erhältlich, welche in ihrem Wirkspektrum entweder als Bakterizide oder Fungizide einzuordnen sind, aber auch Kombinationspräparate, die gleichzeitig biozid gegen Pilze und Bakterien wirken. Für ihren Einsatz in wassergemischten KSS müssen die chemischen Konservierungsmittel möglichst effektiv die mikrobiellen Keimzahlen reduzieren, ohne dabei Nebenwirkungen auf die Mitarbeiter und die Anlagen auszuüben. Die Biozide sollten daher über - ein breites Wirkspektrum, - eine schnell einsetzende und langanhaltende Wirkung, - eine gute Thermostabilität, - eine gute Verträglichkeit gegenüber Anlagenkomponenten und den KSS- Inhaltsstoffen verfügen, - die gewünschten physikalisch-chemischen Eigenschaften des KSS nicht negativ verändern, - sich gut zu verschiedensten Produkten zudosieren lassen und - eine geringe Umweltbelastung nach sich ziehen [175]. Bei der Beurteilung der bioziden Wirkung im KSS können nicht die hygienischen Maßstäbe einer Desinfektion im medizinischen Bereich angesetzt werden. Dies würde eine prozentuale Reduktion der Keimzahl in dem Nachkommabereich, d.h, um mehrere Zehnerpotenzen bedeuten. Um dieses Ziel zu erreichen, müsste das Konservierungsmittel so hoch dosiert werden, dass eine gesundheitliche Gefährdung der Mitarbeiter nicht auszuschließen ist. Darüber hinaus ist eine so starke Keimreduktionsrate in offenen Systemen wie Kühlschmierstoff-Anlagen nicht umsetzbar. Hier gilt das Minimierungsgebot, um zielführend im Hinblick auf einen ökonomischen Einsatz der Konservierungsmittel sowie einer Verlängerung der Badstandzeiten zu arbeiten. In den folgenden Abschnitten wird ein kurzer Blick auf die Anwendung von Bioziden in wassergemischten KSS geworfen. Detaillierte Erläuterungen zu den Wirkmechanismen der verschiedenen bioziden Wirkstoffe auf die Zelle, die Beschreibung verschiedener technischer Anwendungsfelder und neue Entwicklungen zu antimikrobiellen Substanzen und deren Wirkungsweisen finden sich in den umfangreichen Werken "Directory of Microbicides for the Protection of Materials a Handbook" und Handbook of Biocide and Preservative Use" sowie "Handbook of Biocide and Preservative Use" [175, 176] und werden hier nicht mehr detailliert betrachtet. 6.4.2 Anwendung von Bioziden Kommt es in einer KSS-Anlage zu einer erhöhten mikrobiellen Kontamination, kann diese durch die Zugabe von Bioziden behandelt werden. Dem Anwender stehen ver- <?page no="75"?> 71 schiedene Verfahrensmöglichkeiten zur Verfügung. Dabei ist die Art der Biozidzugabe von der Art der Anlagenführung und -größe abhängig. Der Anwender kann die Biozide entweder kontinuierlich dem Kühlschmierstoff zudosieren und so eine konstante Biozidkonzentration in dem KSS halten oder aber das Biozid bei Bedarf stoßweise zudosieren. Die kontinuierliche Zugabe von Bioziden ist eine gute Variante, um KSS-Anlagen mit einem großen Volumen wie bspw. Zentralanlagen oder aber auch einzelbefüllte Maschinen mit geringem KSS-Austrag zu steuern. Eine Voraussetzung ist die regelmäßige Untersuchung auf den Biozidgehalt in dem KSS, nur so kann die genaue Nachstellmenge bestimmt werden. Die Routineuntersuchungen und das Nachsetzen können i.d.R. im einbis zweiwöchigen Rhythmus geschehen. Die stoßweise Zugabe von Bioziden erfolgt insbesondere bei Anlagen mit hohen Ausschleppungsverlusten durch bspw. schöpfende Teile oder große Spanaufkommen oder bei Einzelmaschinen, bei denen die kontinuierliche Zudosierung technisch und ökonomisch einen zu hohen Aufwand bedeutet. Bei der stoßweisen Biozidzugabe erfolgt die Zudosierung am günstigsten vor einem Wochenende mit auslaufender Arbeitsschicht, um eine mögliche Belastung für die Mitarbeiter gering zu halten. Für eine gute Wirkung ist ein Umpumpen des KSS über das Wochenende notwendig. Sowohl bei der kontinuierlichen als auch bei der stoßweisen Zugabe der Biozide ist es notwendig die maximale Dosierung entsprechend der Angaben in dem Sicherheitsdatenblatt einzuhalten. Bei dem Einsatz von vorkonservierten Kühlschmierstoff-Produkten sind die im technischen Datenblatt dokumentierten Angaben zu der maximalen und minimalen Konzentration des KSS zu befolgen, da es sonst zu einer Über- oder Unterdosierung der einformulierten Biozide kommen kann. Bei einer Überdosierung werden die gesetzlichen Grenzwerte zum Schutz der Mitarbeiter überschritten, bei einer Unterdosierung ist die biozide Wirkung stark eingeschränkt und die Mikroorganismen können sich an den Wirkstoff anpassen. Weiterhin führen schwankende Einsatzkonzentrationen in Abhängigkeit von bspw. dem Bearbeitungsprozess und den Verdampfungsverlusten in der Anwendung zu verminderten oder erhöhten Biozidkonzentrationen. Bei vorkonservierten Produkten sind daher auch die Mengen an nachdosiertem KSS- Konzentrat zu dokumentieren, umso eine Überdosierung mit den einformulierten Bioziden zu vermeiden. In der Anwendung der Biozide muss beachtet werden, dass es sich bei den Wirkstoffen teilweise um chemisch sehr reaktive Wirkstoffe handelt. Diese können bei zu hoher Konzentration unerwünschte Reaktionen mit weiteren KSS-Inhaltsstoffen, Spänen, organischen Verunreinigungen oder Teilen der Anlagen eingehen und sie nachteilig verändern. In der Folge treten chemische Veränderungen in dem KSS und eine Ausmargerung des Biozids auf. In ihrer antimikrobiellen Wirksamkeit können Biozide durch die Wasserhärte, hohe Gehalte an Metallionen, oder Salzen sowie niedrigen pH-Werten eingeschränkt werden. Sollen die Biozide dem KSS zudosiert werden, so sind sie für eine bessere Löslichkeit vor der Zugabe mit Wasser oder KSS zu verdünnen. Die Zugabe sollte an einem gut durchströmten Bereich mit möglichst großer Turbulenz stattfinden, um eine gute Durchmischung der Biozide mit dem Kühlschmierstoff zu gewährleisten. Eine Zugabe im direkten Anströmbereich von Filtern oder Skimmern ist zu vermeiden, da deren Oberflächen zum Teil mit den Bioziden reagieren und diese dem System direkt entziehen [175]. <?page no="76"?> 72 Liegt die Biozidkonzentration in einem Kühlschmierstoff aufgrund einer falsch gewählten Dosierung oder durch starke Ausschleppungsverluste unterhalb der gewünschten technischen Einsatzkonzentration, kann es zu einer Anpassung (Adaptation) der Mikroorganismen an den Wirkstoff kommen. In der Praxis bedeutet dies ein Ausbleiben der antimikrobiellen Wirkung trotz Biozidzugabe, die mikrobiellen Zellzahlen werden in dem Kühlschmierstoff nicht vermindert. Dieser Effekt kann ebenfalls bei einer langfristigen Gabe eines Wirkstofftyps auftreten und zu einer Adaptation der Mikroorganismen führen. Tritt ein vermehrtes mikrobielles Wachstum trotz einer Biozid-Nachdosierung auf, so ist ein Wechsel auf eine andere Wirkstoffklasse bzw. eine Systemreinigung der gesamten KSS-Anlage notwendig. Eine höhere Dosierung des bereits verwendeten Biozods sollte ausschließlich unter kontrollierter Einhaltung der vorgeschriebenen maximalen Konzentration erfolgen. Die Fähigkeit von Mikroorganismen, Schutzmechanismen gegen biozide Substanzen zu entwickeln und sogar Biozide abzubauen, ist in vielen wissenschaftlichen Untersuchungen belegt und somit Teil der mikrobiellen Prozesse im KSS [65, 66, 177, 178]. Mattsy-Baltzer et al. zeigten z.B., dass sich trotz Biozidzugaben die Zellzahlen in den von ihnen überprüften Anlagen langfristig auf einem hohen Niveau halten konnten. Um das Wachstum der Bakterien vollständig und andauernd zu unterdrücken, müßten die Biozide in sehr hohen Mengen zudosiert werden. Dadurch wäre allerdings wieder die Toxizität der KSS über ein gewünschtes niedriges Maß hinaus erhöht [55]. Insbesondere in Biofilmen ist durch die verminderte Durchströmung und die reaktive Oberfläche der Biofilmmatrix EPS (Extrazelluläre polymere Substanz) die Wirkung der Biozide deutlich reduziert. Unspezifische Wirkstoffe wie bspw. Formaldehyd reagieren im Biofilm ebenso mit den frei vorliegenden organischen Bestandteilen der EPS wie Oberflächen und Molekülen der Mikroorganismen (siehe hierzu auch Kapitel 3.3 Biofilme in Kühlschmierstoff-Anlagen). 6.5 Zusammenfassung Gegenmaßnahmen In der Anwendung der wassergemischten Kühlschmierstoffe wird sich eine mikrobielle Besiedlung dieser Systemkomponente nicht vermeiden lassen. Weiterhin wird ein vollständiges Unterdrücken des mikrobiellen Wachstums durch die Zudosierung von bioziden Wirkstoffen im Allgemeinen nicht erreicht. Die Mikroorganismenzahlen können damit aber für einen bestimmten Zeitraum auf ein Mindestmaß reduziert werden. Für den Anwender bedeutet dies, dass er die ökonomischen und hygienischen Folgen der mikrobiellen Kontamination wie bspw. die reduzierten Standzeiten der Werkzeuge und des KSS sowie die mögliche Gefährdung der Mitarbeiter durch ein sinnvolles Hygienemanagement kontrollieren kann. Eine regelmäßige Kontrolle des KSS und des Ansetzwassers mit der Dokumentation der Messwerte in Kombination mit einer gründlich durchgeführten Reinigung der KSS-Anlage sind elementare Schritte um die mikrobielle Belastung auf einem niedrigen Niveau zu halten. Aktuell werden erhöhte mikrobielle Belastungen in wassergemischten Kühlschmierstoffen noch mit chemisch wirkenden Bioziden bekämpft. Vor dem Hintergrund der 2013 in Kraft tretenden EU-Verordnung über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten [26] sowie der Umsetzung der EU-Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe <?page no="77"?> 73 (REACh) [24] in den nächsten Jahren wird sich die Zahl der als Biozide verwendbaren Substanzen vermutlich verringern. Zukünftig werden sich am Markt mit hoher Wahrscheinlichkeit Produkte mit anderen Wirkmechanismen wie z.B. Quorumsensing-Inhibitoren oder auch antimikrobielle Produkte auf natürlicher enzymatischer Basis als biozide Wirkstoffe etablieren. Zudem wird durch die Kombination von chemisch wirksamen Bioziden mit physikalischen Verfahren und / oder antimikrobiell wirkenden Oberflächenbeschichtungen ebenfalls in der Anwendung der wassergemischten Kühlschmierstoffe eine Verbesserung der hygienischen Bedingungen zu erzielen sein [162, 163, 169, 170, 173, 179]. Tabelle 6.1: Vergleich von Verfahren zur Verminderung der Mikroorganismenzahlen in KSS-Anlagen [2, 27, 36, 98, 137, 160, 162, 163, 173]. Methode Funktionsträger Vorteile Nachteile Biozid Chemische Verbindungen, z.B. Formaldehydabspalter, Isothialzole, Aldehyd- Derivate. - Als Topfkonservierung möglich, - Zudosierung im laufenden Betrieb möglich. - Allgemein unspezifische Wirkung der Funktionsträger, - Wirksamkeit in Biofilmen um 2-3 Größenordnungen reduziert, - mögliche Gefährdung der Mitarbeiter begrenzt die Einsatzkonzentration, - Resistenzbildung der Mikroorganismen. Filtration Feinstfiltration < 0,2 μm. - Sterilfiltration von KSS- Lösungen möglich. - Emulsionsspaltung, - hoher Energieaufwand, da mehrere Filtrationsstufen als Kaskaden notwendig sind. UV-Bestrahlung UV-C mit 254 nm. - Kann im Bypass geschaltet werden. - Nur geringe Eindringtiefe in KSS-Emulsionen, - Beschattungseffekte, - Resistenzbildung der Mikroorganismen. US-Bestrahlung Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen. - Kann im Bypass geschaltet werden. - Hohe Energieeinträge nötig, - Schädigung des KSS, - Emulsionsspaltung. Antimikrobielle Beschichtungen Nanopartikuläre Metalle wie Ag, Cu, Zn sowie gebundene Enzyme. - Wirkung zielt insbesondere auf die Vermeidung der Biofilmentstehung. - Planktonische Organismen werden nur eingeschränkt erfasst, - aktuell noch nicht Stand der Technik in KSS- Anwendungen. Temperatur Erhitzen, Pasteurisieren. - Z.T. kann die Abwärme der Maschine genutzt werden. - Keine Wirkung auf Biofilme in nicht erwärmten Bereichen, - ggfs. muss gegengekühlt werden - Freisetzung der abgestorbenen Biomasse. <?page no="78"?> 74 Literatur [1] DIN 51385, 2004. VKIS-VSI-IGM Stoffliste für Kühlschmierstoffe nach DIN 51385 für die Metallverarbeitung. 4. Überarbeitung vom 24.11.2004. [2] BGR/ GUV-R 143 Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen. Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V. (DGUV), Medienproduktion, Berlin. März 2011. 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Mikroorganismen, die für ihre Stoffwechselprozesse elementaren Sauerstoff benötigen. anaerob Bezeichnung für Lebewesen bzw. Mikroorganismen, die zum Leben keinen elementaren Sauerstoff benötigen, durch diesen gehemmt oder auch abgetötet werden. . Atmungskette Teil des Energiestoffwechsels vieler Lebewesen, bei dem in mehreren gekoppelten biochemischen Prozessen Elektronen übertragen und Energie gewonnen wird. ATP Adenosintriphosphat (ATP) universeller, in allen Lebewesen vorkommender Energieträger. AW-Zusatz Anti-Wear-Additiv, Verschleißschutz-Zusatz, soll den Werkzeugverschleiß unter hoher Belastung reduzieren, enthalten häufig Zink- oder Phosphororganische Verbindungen. Bakterien Kleinste bekannte eigenständige einzellige Organismen ohne echten Zellkern von einer Größe zwischen ca. 0,4 μm bis über 10 μm die sich durch Zellteilung vermehren. Bakterizid Chemische Substanz, deren Wirkung sich spezifisch gegen Bakterien richtet. Biofilm Flächenhafter und dreidimensionaler Aufwuchs von Mikroorganismengruppen oder -gesellschaften (Bakterien und / oder Pilze) an Grenzflächen wässriger Medien zu festen Oberflächen oder der Luft. Biostatika Chemische Substanzen, welche das Wachstum von Mikroorganismen hemmen oder verhindern. Biozide Substanzen, welche eine abtötende Wirkung auf Mikroorganismen ausüben. Conidien Bestimmte Form der Pilzsporen, die der vegetativen Vermehrung dienen. Cytoplasma Die Zelle ausfüllende Grundstruktur, die sich aus einem flüssigen (Cytosol) und ggfs. einem festen Bestandteil (Cytoskelett) zusammensetzt. DGGE Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese, molekularbiologisches Verfahren zur spezifischen Auftrennung von DNA- Fragmenten. Dip-Slides Kunststoffstreifen, deren Seiten jeweils mit einem Wachstumsmedium zur Bestimmung der Keimzahlen von Bakterien sowie von Hefen und Pilzen belegt sind. DNA Deoxyribonucleic acid (Deutsch: Desoxyribonukleinsäure DNS), in allen Lebewesen vorkommendes Makromolekül, Träger der Erbinformation <?page no="91"?> 87 Emulgator Grenzflächenaktive Substanz, die zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten (z.B. Wasser und Öl) gleichmäßig ineinander verteilt. Emulsion Gemisch von nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten oder Phasen, in denen diese dauerhaft fein verteilt vorliegen, z.B. Fett in Wasser (Milch). Endotoxine Bruchstücke von Mikroorganismenzellen, können beim Menschen Krankheiten und / oder allergische Reaktionen auslösen. Enzym Biochemischer Katalysator, beschleunigen biochemische Reaktionen und ermöglichen so die Stoffwechselprozesse. EPS Extrazelluläre Polymere Substanz, gelartiges Substanzgemisch (überwiegend Wasser und Polysaccharide, Proteine, Lipide, Lipopolysaccharide, Huminstoff-ähnlichen Substanze und extrazelluläre DNA) welches in Biofilmen der Anheftung an das Substrat, der Einbettung der Mikroorganismen, der Speicherung von Reservestoffen und Wasser dient. EP-Zusatz Extreme-Pressure-Additiv, Hochdruck-Zusatz, soll das Verschweißen von der Werkzeugschneide und dem Werkstück oder Span unter hohen Belastungen vermeiden, enthalten häufig Schwefel-, Phosphor- oder Zinkorganische Verbindungen. Ester Chemische Verbinddung aus einer (organischen) Säure und einem Alkohol, dienen in KSS als Grundöl und / oder zur Erhöhung der Schmiereigenschaften. Eukaryoten Lebewesen mit einem echten Zellkern, z.B. Tiere, Pflanzen. FAME Fatty Acid Methyl Ester, Bestandteile der bakteriellen Zellmembran welche zur Identifikation von Bakteriengruppen und -arten verwendet wird. FISH Fluorescent In Situ Hybridisation, molekularbiologisches Verfahren zur Identifikation von Bakteriengruppen und -arten. Flagellen Proteinfäden angeheftet an der Außenseite dienen sie manchen Bakterienarten der Fortbewegung. Fungizid Chemische Substanz, deren Wirkung sich spezifisch gegen Pilze richtet. Gramfärbung Wichtiges Färbeverfahren zur Differenzierung von Bakterien, diese lassen sich in gramnegativ oder grampositiv unterteilen. Hefen Einzellige Pilze, vermehren sich durch Knospung oder Teilung. Hydrocracköle Katalytisch umgewandelte Mineralölfraktionen, deren chemische Struktur durch den Crack-Prozess vereinheitlicht wird. hydrophil Wasserliebend, Stoffe die gut mit Wasser wechselwirken, z.B. polare Stoffe wie Salze. hydrophob Wasserabstoßend, Stoffe, die nicht in Wasser löslich sind, z.B. unpolare Stoffe wie Fette, Öle. KBE Kolonie Bildende Einheiten, standardisiertes Verfahren der Mikrobiologie zur Messung der Lebendzellzahlen von Mikroorganismen. Keimzahl Gibt die Anzahl der wachstumsfähigen Mikroorganismen in einer Flüssigkeit an, die Bestimmung erfolgt über Dip-Slides oder die KBE, in KSS sollte eine möglichst kleine Keimzahl angestrebt werden. <?page no="92"?> 88 Kompartiment Diskreter, räumlich abgeschlossener Bereich in einer Zelle. Konservierungsmittel Oberbegriff, der chemische Stoffe und physikalische Verfahren mit antimikrobieller Wirkung, umfasst z.B. Biozide, Fungizide, Pasteurisieren. Konsortium Zweckgebundene Gemeinschaft verschiedener Mikroorganismenarten in einem diskreten Bereich. Kühlschmierstoff-Konzentrat Wassermischbarer Kühlschmierstoff in seinem Anlieferungszustand bevor er mit Wasser gemischt wird Kühlschmierstoff-Monitoring Systematische Überwachung u. Dokumentation eines KSS zur Kontrolle des technischen und mikrobiellen Zustandes. lipophil Fettliebend, Stoffe die gut mit Ölen wechselwirken oder sich in diesen lösen, z.B. unpolare Stoffe wie Kohlenwasserstoffe (s. hydrophob). lipophob Fettabstoßend, Stoffe, die nicht in Ölen löslich sind, z.B. polare Stoffe wie Salze (s. hydrophil). Lösung Gemisch aus zwei oder mehreren Stoffen in dem die gelösten Stoffe homogen in dem Lösungsmittel verteilt vorliegen, z.B. Salz in Wasser. MALDI-ToF-MS Matrix Assisted Laser Desorption / Ionisation Time of Flight Mass Spectroscopy, Verfahren zur schnellen und hochpräzisen Identifizierung von Bakterien oder Pilzen aus Zellkulturen. Membran Essentieller Bestandteil einer Zelle der diese räumlich von ihrer Umgebung abgrenzt, besteht aus einer komplexen, plastischfließenden Lipiddoppelschicht. MIC Microbial Induced Corrosion, mikrobiell induzierte Korrosion, oder Minimal Inhibitory Concentration, für minimale Hemmkonzentration. MikroorganismenSammelbegriff für mikroskopisch kleine Lebewesen zu denen Bakterien, Pilze, Mikroalgen und Protozoen gezählt werden, für KSS sind die beiden erstgenannten von großer Relevanz. Mineralöl-Kohlenwasserstoffe Im Erdöl enthaltene chemische Substanzen die sich nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) zusammensetzen. Mitochondrien Zellorganellen proaryotischer Zellen (z: B. Pflanzen und Tiere) in denen die Energiegewinnung stattfindet. MPN Most Probable Number, mikrobiologisches Verfahren in Flüssigkultur zur Bestimmung der Lebendzellzahlen. Murein Peptidoglykan-Makromolekül, bildet netzartig verknüpft die Grundstruktur der bakteriellen Zellwand. Nucleotid Bezeichung für die im Cytoplasma der Bakterien frei vorliegende Erbsubstanz (DNA). Pasteurisieren Verfahren, bei dem mittels kurzfristiger (5 - 10 Minuten) Erwärmung (60°C - 90°C) überwiegend die vegetativen (lebensfähigen) Mikroorganismen abgetötet werden, bewirkt eine Teilentkeimung, da Sporen wärmeresistent sein können. PCR Polymerase Chain Reaction, molekularbiologisches Verfahren zur Vervielfältigung von (spezifischen) Abschnitten des Erbguts. <?page no="93"?> 89 pH-Wert Dimensionslose Zahl, die die Protonen- (Wasserstoffionen-) Aktivität wiedergibt, pH-Werte > 7 bezeichnen alkalische/ basische, pH- Werte < 7 bezeichnen saure Bereiche. Pilze Ein- und / oder mehrzellige Lebewesen mit echtem Zellkern die sich sowohl geschlechtlich als auch ungeschlechtlich durch Sporen oder Zellteilung vermehren können und in der Lage sind durch ihre vegetative Ausbreitung sehr raumgreifende Netzwerke zu bilden. Plasmid Kleine nicht zum eigentlichen Erbgut gehörige DNA-Abschnitte auf denen besondere Eigenschaften wie Antibiotika- oder Schwermetallresistenzen kodiert sein können. Prokaryoten Lebewesen welche über keinen echten Zellkern verfügen, z.B. Bakterien. Protein Aus Aminosäuren aufgebaute Makromoleküle die in den Zellen funktionelle und strukturelle Aufgaben übernehmen (z.B. Enzyme). Quorum sensing Kommunikationsweg bei dem Mikroorganismen über chemische Botenstoffe die Zelldichte in ihrer Umgebung erfassen und regulatorische Prozesse einleiten können. Refraktometer Handmessgerät mit dessen Hilfe über die Bestimmung des Brechungsindex die KSS-Konzentration ermittelt werden kann. Ribosomen Zellorganellen, an ihnen findet die Proteinsynthese der Zellen statt. Sporen Verbreitungsbzw. Dauerformen von einigen Bakterienarten und vielen Pilzen, Sporen weisen eine hohe Resistenz gegenüber Hitze, Trockenheit und chemischen Angriffen auf. Systemreiniger Zusatzstoff, der durch seinen hohen pH-Wert, den großen Anteil an Tensiden und Detergenzien sowie ggfs. dem Zusatz von Bioziden die Reinigung einer KSS-Anlage vor dem Wechsel unterstützt. Tensid Grenzflächenaktive Substanz, durch die zwei nicht mischbare Phasen miteinander mischbar werden (s. Emulgator). US: Ultraschall Frequenzbereich zwischen ca. 16 KHz und 1 GHz, oberhalb der Hörschwelle des Menschen, bei einem ausreichend hohen Energieeintrag können Zellen mittels US aufgebrochen werden. UV Abkürzung für Ultraviolettstrahlung, für den Menschen nicht sichtbarer Wellenlängenbereich des Lichts zwischen 100 nm und 380 nm, kann in dem Bereich um 250 nm DNA zerstören und wird zur Entkeimung von (klaren) Wässern genutzt. VBNC Viable But Non Culturable (deutsch: lebensfähig aber nicht kultivierbar), Anteil der Mikroorganismen, die mit wachstumsbasierten Verfahren (KBE, MPN) nicht nachgewiesen werden können obwohl sie in dem Untersuchungsmaterial physiologisch aktiv sind. wassergemischter KSS Anwendungszustand eines KSS nach dem das KSS- Konzentrat mit Wasser gemischt wurde, umfasst Emulsionen und Lösungen. wassermischbarer KSS Bezeichnung für ein KSS-Konzentrat bevor es mit Wasser gemischt wird, umfasst Emulsionen und Lösungen. Zellorganellen Funktionelle Struktur innerhalb einer Zelle die durch eine Membran als diskreter Raum von den übrigen Bestandteilen des Zellinhalts abgetrennt ist. <?page no="94"?> Thomas Koch Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe Mit 21 Bildern und 3 Tabellen Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe Das Buch vermittelt Ihnen die Grundlagen der Mikrobiologie von wassergemischten Kühlschmierstoffen und gibt Ihnen einen Überblick über die Historie der Kühlschmierstoffanwendung. Es wird auf aktuelle Fragestellungen in der Anwendung der wassergemischten Kühlschmierstoffe eingegangen, ebenso auf die spezifische Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe und der Biofilme in KSS-Anlagen. Welche chemisch-physikalischen Auswirkungen haben die mikrobiellen Belastungen auf den Kühlschmierstoff? Was müssen Hersteller und Anwender von Kühlschmierstoffen wissen? Welche Maßnahmen und Verfahren können zur Reduzierung mikrobieller Belastungen eingesetzt werden? Auf diese und ähnlich relevante Fragen über wassergemischte Kühlschmierstoffe gibt dieses Kompendium Antworten. Inhalt: Allgemeiner Überblick, Anforderungen an Kühlschmierstoffe, historische Entwicklung - Einführung in die Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe: Grundlagen zu Mikroorganismen - Mikrobielle Schädigung des Kühlschmierstoffs - Überwachungs- und Nachweisverfahren - Mikrobiell induzierte Korrosion - Gegenmaßnahmen Die Interessenten: Anwender von wassergemischten Kühlschmierstoffen, KSS-Beauftragte, Mitarbeiter der F&E-Abteilungen der KSS-Hersteller, Studierende höherer Semester. Der Autor: Dr. Thomas Koch initiierte, leitete und bearbeitete nach seiner Promotion an der Universität Bremen verschiedene Forschungsprojekte auf nationaler und internationaler Ebene in dem Themenfeld der Mikrobiologie der wassergemischten Kühlschmierstoffe. Er spezialisierte sich auf die grundlegenden Fragestellungen zur Mikrobiologie und deren Auswirkung auf den Bearbeitungsprozess, die Etablierung neuer angepasster Nachweisverfahren und Maßnahmen zur Vermeidung mikrobieller Schäden. Die Ergebnisse der Projekte spiegeln sich in den umfangreichen Veröffentlichungen wider. Koch ISBN 978-3-8169-3171-3 9 783816 931713 www.expertverlag.de 3171-3_Koch_RT_U_15 30.06.15 12: 01 Seite 1