Alternative Oberflächensysteme und Biomonitoring – interdisziplinäre Untersuchungen zur Verminderung der Kontamination in verarbeitungstechnischen Funktionsgruppen und zur Verringerung des Reinigungsaufwands von Oberflächen

Kategorie: | Forschung » Forschungsthemen
Abstrakt
Fouling und mikrobielle Kontamination sind in der lebensmittelverarbeitenden Industrie unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten immer noch ernsthafte Probleme. Der Einsatz von antiadhäsiven Oberflächenmodifikationen kann ein Weg zur Lösung dieser Problemstellung sein.
Im Rahmen des Projekts wird das Einsatzpotential von antiadhäsiven Oberflächenmodifikationen in der Lebensmittelindustrie untersucht.
In Fokus stehen dabei Reinigungstests mit oberflächenmodifizierten Edelstahlproben. Zum Vergleich werden die Tests mit unmodifizierten Edelstahlproben durchgeführt.
Die Charakterisierung der Verschmutzungsneigung und des Reinigungsverhaltens verschiedener modifizierter Edelstahloberflächen erfolgt in Bezug zu deren Rauigkeit, Topographie und Oberflächenenergie.
Folgende Oberflächenmodifikationen werden getestet:

1. Kunststoffbeschichtungen

• i: PTFE, PFA, FEP, Fluorpolymere mit verschiedenen Bindeharzen
• ii: PEEK

2. Physikalische und chemische Beschichtungen aus der Gasphase (PVD und CVD-Verfahren)

• i: Amorpher Kohlenstoff (DLC / a-C:H:X / ta-C /a-C:X)
• ii: Kristalliner Kohlenstoff
• iii: CrN, nitrierte Oberflächen, Metalle

3. Nanokompositbeschichtungen

• i: hydrophobe Lackbindesysteme mit Nanopartikeln
• ii: hydrophobe keramische Beschichtungen (ZrO2, SiO2)

Die Oberflächenrauigkeit wurde mittels Tastschnittverfahren (Perthometer) ermittelt und die Oberflächentopographie mittels Laser Scanning Mikroskop untersucht.
Die Bestimmung des Kontaktwinkels erfolgte durch die Tropfenmethode. Die Oberflächenenergie mit ihren polaren und dispersen Anteilen wurde aus diesen Werten mit der Methode nach Wu berechnet.
Folgende Modellflüssigkeiten finden bei Reinigungsuntersuchungen als Verschmutzung Verwendung:

• i: Molkenproteinlösung,
• ii: Stärke,
• iii: Mikroorganismen.

Die Materialprobenverschmutzung erfolgt bei der Molkenproteinlösung und Stärke in der flüssigen Phase durch Wärmeeinwirkung. Bei Mikroorganismenverschmutzung in einem Bioreaktor.
Zur Nachstellung der industriellen Außenreinigung wird eine Sprühreinigung (Flachstrahldüse) bei einem Druck von 12,5 bar durchgeführt. Als Reinigungsflüssigkeit wird 2%iges Natriumhydroxid bei 20 °C eingesetzt.
Zum Vergleich der Verschmutzungsneigung und Reinigbarkeit wird die Verschmutzungsmenge auf der Materialprobe vor bzw. nach der Reinigung zuerst gravimetrisch und anschließend mittels Biomonitoring bestimmt.
Dabei werden folgende Biomonitoring-Methoden verwendet:

• i: Immunofluoreszenz-Technik für Molkenprotein (Fluoreszenz-gelabelte Antikörper)
• ii: Fluoreszenzfarbstoff DAPI für Mikroorganismen.

Zwischenergebnisse
Bei den getesteten Oberflächenmodifikationen wurden Rauigkeitswerte von 0,08< Ra < 6,4µm und Oberflächenenergiewerte von 15 - 43,5mN/m gemessen.
Im Vergleich zu unmodifizierten Edelstahloberflächen wurden geringere Verschmutzungsmengen bei den modifizierten Oberflächen nachgewiesen. Bei den verschiedenen Verschmutzungen unterscheidet sich die Verschmutzungscharakteristik.

Neben der weiteren Durchführung von Reinigungstests an Materialproben und oberflächenmodifizierten Bauteilen werden noch folgende Untersuchungen durchgeführt:

• i: Haft-, Verschleiß- und Kratzfestigkeit sowie die Vickershärte der Oberflächenmodifikationen
• ii: Bei ausgewählten Proben wird die Schlagfestigkeit ermittelt.

Forschungsstelle 1:
Fraunhofer Anwendungszentrum Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik
Heidelbergerstr. 20
01189 Dresden

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Marc Mauermann
Tel.: 0351-436 14 38
Marc.Mauermann(at)avv.fraunhofer.de


Forschungsstelle 2:
Technische Universität Dresden
Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik
01062 Dresden

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) Ursula Eschenhagen
Tel.: 0351-4633 3386
Ursula.Eschenhagen(at)tu-dresden.de


Bewilligungszeitraum: 01.04.2006 – 30.11.2007

Das Forschungsvorhaben (14745BR) der Forschungsvereinigung "Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V." wird im Programm zur Förderung der "Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert.