Projekt 37628/01

Bioschmierstoffe in Pelletpressen für die Futtermittelindustrie

Projektträger

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas)
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen
Telefon: 0241 80 47701

Zielsetzung

Die Herstellung von Futtermitteln ist eines der Haupteinsatzgebiete von Pelletpressen. Die Pelletierung des Ausgangsmaterials dient der Erhöhung der Dichte und der besseren Dosierbarkeit. In den meisten Pressen ist ein zentrales Schmiersystem eingebaut, das für die Schmierung der Wälzlager sorgt. Bei der zur Verschleißminderung eingesetzten Fettschmierung handelt es sich dabei in den meisten Fällen um eine Verlustschmierung. Das bedeutet, dass das System kontinuierlich ohne Rückführung des Schmiermittels geschmiert wird. Ausgehend von der Zentralschmierung gelangt das Fett zu den Lagern im Verdichtungsraum. Dort werden die Ausgangsstoffe zu Presslingen verarbeitet. Funktionsbedingt kommt der Schmierstoff dadurch direkt und kontinuierlich mit dem Endprodukt, den Futtermittelpellets, in Kontakt. Untersuchungen diesbezüglich konnten bereits Rückstände von Fetten in Futtermitteln nachweisen. Dies stellt ein Risiko für verunreinigtes Futtermittel und damit auch für die Tiergesundheit dar. Aus konstruktiven Gründen lässt sich dies in den meisten Pressen nicht vermeiden, weshalb in diesem Projekt ein Bioschmierstoff nach DIN 16807 entwickelt wird, welcher lebensmittelrechtlich unbedenklich ist. Um die Funktion des Schmierstoffes zu testen, wird dieser unter anwendungsnahen Bedingungen getestet. Dazu wird ein Prüfstand entwickelt, welcher die Randbedingungen der Wälzlager in Pelletpressen realitätsnah darstellt. Dadurch kann in der Entwicklung des neuartigen Schmierfettes eine Aussage über dessen Eignung in Futtermittelpressen erzielt werden. Ziel des Projektes ist es, den Verbraucherschutz und die Tiergesundheit bei der Futtermittelherstellung zu stärken. Außerdem gilt es die technische Leistungsfähigkeit der mineralölbasierten Fette mit dem neuen Schmierstoff zumindest zu erhalten oder sogar zu verbessern.

Arbeitsschritte

Im ersten Schritt wurde definiert, welche Anforderungen an das neuartige biobasierte Schmierfett gestellt werden. Dazu gehören die biologischen und technischen Aspekte. Aufgrund der Anforderungen an den biologischen Ursprung und die biologische Abbaubarkeit wird als Grundöl ein esterbasiertes Öl gewählt. Als Verdicker werden herkömmlicherweise Metallseifen genutzt, die durch Reaktion einer Fettsäure mit einer Metallbase hergestellt werden. Die Metallbase, welche den größten Marktanteil (80 – 90 %) besitzt, ist Lithiumhydroxid. Deren Verfügbarkeit wird zunehmend schwieriger und die vermeintliche Klassifizierung als reproduktionstoxisch macht die Anwendung in vielen Bereichen unmöglich. Auch biobasierte Schmierfette werden vielfach auf der Basis von Lithiumseifen hergestellt und sind von daher mit dieser Problematik behaftet. Im Labormaßstab wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt, um ein Calciumsulfonatschmierfett rein auf der Basis nachwachsender und biologisch leicht abbaubarer Ester herzustellen. Herstellt wird das Fett durch Zuführen und Binden von CO2, wodurch ein Beitrag zum Klimaschutz erzielt wird. Angereichert wird das Fett mit Additiven, welche in Estern gelöst sind. Das Schmierfett soll im nächsten Schritt mithilfe eines Prüfstands auf dessen technische Leistungsfähigkeit im Einsatz in Pelletpressen geprüft werden.
Der Prüfstand stellt einen einzelnen Koller aus einer mittelgroßen Pelletpresse mit einer vertikal arbeitenden Ringmatrize dar. Zunächst werden die Kräfte ermittelt, die in der Maschine auf einen einzelnen Koller und somit die eingesetzten Wälzlager wirken. Anschließend wird die Betriebssicherheit des Prüfstands und seiner Komponenten mithilfe einer FEM-Analyse geprüft. Die Radialkraft auf die Lager wird über einen Hydraulikzylinder bereitgestellt. Die Rotation der Welle wird über einen Elektromotor eingeleitet. Zur Überwachung und Einstellung der Radialkraft wird ein Druckkraftsensor verbaut. Zwischen dem Motor und der Prüfzelle wird außerdem eine Drehmomentmesswelle angeordnet, um über die Messung des Drehmoments Aussagen über die Schmierfähigkeit des eingesetzten Fettes zu schließen. Dadurch können unteranderem Vergleichsmessungen des entwickelten Schmierfettes zu mineralölbasierten Schmierfetten durchgeführt werden Das Schmierfett wird mittels einer externen automatisierten Fettpresse bereitgestellt. Der Prüfaufbau ist so aufgebaut, dass er in der Klimakammer des ifas betrieben werden kann.

Ergebnisse

Das Schmierfett besitzt ausreichende Eigenschaften, um Lithiumschmierfette universell ersetzen zu können. Das Einleiten des CO2 in die Calciumseife erwies sich bereits im Labormaßstab als Herausforderung, da ein Teil des CO2 nicht in der Seife gebunden werden konnte und in die Umgebung entwich. Hieraufhin wurde in der Pilotanlage der Kessel verschlossen. In den Kessel wurden Rührwerke, Wandabstreifer sowie eine Pumpe eingebaut, welche das CO2 aus dem oberen Teil nach unten fördert, um es erneut in die Seife einzuleiten, bis das CO2 komplett reagiert ist. Der Pilotkessel hat eine Kapazität von ca. 1.500 kg, so dass die notwendigen technischen Untersuchungen durchführt werden konnten. Es stellte sich bereits bei der Herstellung heraus, dass das Produkt eine starke Haftfähigkeit aufweist. Das Entwicklungsprodukt sieht vor, dass die Grundflüssigkeiten ausschließlich aus gesättigten Estern aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden. Daneben werden Additive für Erfüllung der technischen Anforderungen benötigt. Diese Additive werden üblicherweise in Mineralöl gelöst. Dies soll aufgrund der Lebensmittelverträglichkeit des Produktes geändert werden, sodass die Additive in synthetischen Estern gelöst werden. Dadurch wird erzielt, dass das Endprodukt vollkommen frei von Mineralölen ist und sich insbesondere für die Lebensmittelindustrie eignen wird. Es ist derzeit noch nicht bekannt, inwieweit die Filmstärke einen Einfluss auf die Wälzlagerschmierung hat. Es wird angenommen, dass die Filmdicke durch die große Haftfähigkeit des Produktes größer ist als bei Schmierstoffen auf Mineralölbasis. Diese offenen Punkte werden durch experimentelle Untersuchungen im entwickelten Wälzlagerprüfstand ausführlich getestet.
Der Zeitplan des Projektplans konnte eingehalten werden.
Die Konzeptionierung des Lagerprüfstandes gewährleistet es, die Betriebsbedingungen einer Pelletpresse realitätsnah abzubilden. Kräfte und Rotation sind an die Gegebenheiten derzeit eingesetzter Pelletpressen angepasst. Dadurch ist es möglich, die technische Leistungsfähigkeit des Schmierstoffes in Pelletpressen für die Futtermittelindustrie zu ermitteln. Die Konstruktion ist abgeschlossen und aktuell werden die Bauteile der Prüfzelle hergestellt. Messtechnik, Antrieb und Prüfkörper sind bereits vorhanden. Nach Eintreffen der in Herstellung befindlichen Bauteile folgt die Montage des Prüfstands, um anschließend mit der Versuchsdurchführung zu beginnen.

Öffentlichkeitsarbeit

Die Zielsetzung sowie der aktuelle Stand des Projekts wurden auf einschlägigen Fachtagungen in Gesprächen mit Experten und Anwendern vorgestellt. Insbesondere auf der Tribologie-Fachtagung der Gesellschaft für Tribologie e.V. sowie der Schmierstoffmesse Lubricant Expo. Darüber hinaus wurden die Projektergebnisse mündlich in den Lehrveranstaltungen und Netzwerkveranstaltungen des Instituts kommuniziert. So werden dem Fachpublikum auch Studierende für das Thema sensibilisiert. Die Darstellung des Projekts stieß dort bislang auf großes Interesse. Sobald Messdaten aus den Prüfstandsversuchen vorliegen ist zudem geplant, Veröffentlichungen auf Konferenzen und ggf. in Fachzeitschriften durchzuführen.

Fazit

Als übergeordnetes Ziel soll der neue biobasierte Schmierstoff die identischen Funktionseigenschaften erzielen, wie die heute in Pelletpressen eingesetzten H1-Produkte auf Mineralölbasis. Der Ansatz der Verwendung eines Calciumsulfonatfettes bringt neben den Eigenschaften bezüglich der Inhaltstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen und der biologischen Abbaubarkeit, den Aspekt der Bindung und Nutzung von CO2 mit sich. Hierdurch die Nachhaltigkeit des Schmierfettes weiter gesteigert werden.
Derweil befinden sich die Bauteile des Prüfstandes in der Fertigung. Sobald diese eingetroffen sind, erfolgen die Montage des Prüfstandes und die Versuchsdurchführung. Dadurch kann die Eignung des Schmierfettes zur Verwendung in Pelletpressen für die Futtermittelindustrie bewertet werden. Die geplanten Versuche im Lagerprüfstand werden wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Einsatztauglichkeit der jetzigen Rezeptur bringen.

Übersicht

Fördersumme

250.539,00 €

Förderzeitraum

01.10.2022 - 01.10.2024

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Landnutzung
Umwelttechnik