Dichtungswerkstoffe für Kaffeemaschinen

Freitagnachmiitag, 15 Uhr – Ein Lieferant von Komponenten für Kaffeemaschinen erhält einen verzweifelten Anruf von seinem Kunden, einem führenden Kaffeemaschinenhersteller für den Endverbrauchermarkt. Das Problem: Eine ganze Ladung Kaffeemaschinen wird sofort zurückgeschickt, da der chinesische Zoll diese nicht zulässt. Der Grund: Die fehlende Zulassung gemäß GB 4806.1, da US FDA für den chinesischen Markt nicht mehr gültig ist. Etwa zur gleichen Zeit steht ein weiterer wichtiger Kaffeemaschinenhersteller, der auf dem professionellen Markt operiert, vor einer technischen Herausforderung: Ein O-Ring, der den Kolben seiner Brüheinheit abdichtet, ist nach nur 10.000 Zyklen gebrochen. Reibung, heißes Wasser und Reinigungsprozesse mit Chemikalien sorgen für eine deutlich kürzere Lebensdauer als alle anderen Elemente der Brüheinheit, was kostenintensive Wartungsarbeiten erforderlich macht.
Die oben genannten Beispiele veranschaulichen die immer anspruchsvolleren Anforderungen, die sich in verschiedenen Anwendungen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie stellen und zu spezifischen und maßgeschneiderten Dichtungslösungen auf Basis von Hochleistungswerkstoffen führen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie spielen aseptische Prozesse eine herausragende Rolle. Dabei ist Hygiene nur eine der wichtigen Anforderungen, die durch reine Materialien und die Anwendung von „Hygienic Design Prinzipien“ erfüllt werden können. Das Dichtungsmaterial muss Prozesse wie Sterilisation-in-Place (SIP) mit Heißdampf oder Cleaning-in-Place (CIP) mit Reinigungsmedien standhalten. Oftmals sind so außergewöhnliche mechanische Fähigkeiten unerlässlich, wie das Beispiel der Brüheinheit zeigt.

Branchenspezifische Zulassungen

Abb. 1: Vergleich zwischen Ultra Pure FKM und einem Standard-FKM. Das Ultra Pure FKM erfüllt aufgrund des extrem geringen PAK-Gehaltes die PAK-Kategorie 1, während das Standard-FKM die Grenzen des PAK-Gehalts überschreitet und somit nicht mit der PAK-Kategorie 1 konform ist.

Zudem benötigen immer mehr globale Kunden die branchenspezifischen Zulassungen für alle wichtigen Märkte wie Europa, China, Südamerika oder die USA. Allein in Europa wird der Rechtsrahmen durch die „Regulation (EC) No 1935/2004 of the European Parliament and of the Council of 27 October 2004 on materials and articles intended to come into contact with food and repealing Directives 80/590/EEC and 89/109/EEC“ vorgegeben. Die Dichtungsmaterialien in den verschiedenen Märkten müssen sich jeweils nach sehr ähnlichen Vorschriften richten und die länderspezifischen Regulierungen erfüllen. Das bedeutet, sie müssen alle diese Regulierungen gleichzeitig erfüllen, um die Verbreitung zahlreicher länderspezifischer Lösungen zu vermeiden, wie das Beispiel der GB-Zulassung für China zeigt. Idealerweise gelingt dies mit einem einzigen Werkstoff, der über sämtliche geforderten Zulassungen verfügt.

Abb. 2: Kalt- und Heisswasserkreislauf in einer professionellen oder grossen Haushaltskaffemaschine.

Schließlich wächst in der gesamten Branche die Sorge hinsichtlich bestimmter Elastomere, die einen höheren Anteil an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) enthalten, die sich als krebserregend erwiesen haben. PAKs bilden eine Gruppe von organischen Verbindungen, die aus zwei oder mehreren kondensierten aromatischen Ringen besteht. Sie sind ein natürlicher Bestandteil von mineralölbasierten Weichmacherölen sowie Rußen und kommen daher in zahlreichen Elastomeren vor. Die PAK-Grenzwerte sind in drei Kategorien unterteilt, wobei die Kategorie 1 die strengsten Grenzwerte für Materialien aufweist, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen oder in den Mund genommen werden, sowie für Materialien, die für Spielzeug mit langfristigem Hautkontakt verwendet werden (länger als 30 Sekunden). Abbildung 1 zeigt einen Vergleich zwischen dem PAK-Gehalt zweier FKM-Verbindungen und dem für die PAK-Kategorie 1 erforderlichen Grenzwert.

Dichtungsanwendungen für Kaffeemaschinen

Kaffeemaschinen stellen viele Herausforderungen, wie sie in der übrigen Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommen und bieten ein Schaufenster für die Anforderungen an die Hersteller von Dichtungslösungen. Der Markt für Kaffeekonsum wächst: Laut einer aktuellen Umfrage der Agentur Reuters trinken fast zwei von drei Amerikanern ab 18 Jahren täglich mindestens eine Tasse Kaffee und CBS News2 vermeldete kürzlich, dass Starbucks in den kommenden 5 Jahren 3.000 neue Niederlassungen in China eröffnen wird. Mit steigendem Konsum in den entwickelten Märkten und schnell wachsenden neuen Märkten werden Kaffeemaschinen mit immer anspruchsvolleren Spezifikationen konfrontiert, die weltweit erfüllt werden müssen.

Das Pertec Sortiment ist die Antwort von Angst+Pfister, diese Anforderungen zu erfüllen und der Erfolg ist der beste Beweis dafür, wie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie davon profitieren kann.
Aus Sicht der Dichtungstechnik gibt es innerhalb einer professionellen und/oder großen Haushaltskaffeemaschine zwei verschiedene Bereiche, auf die es bei der Wahl des richtigen Dichtungswerkstoffes ankommt:
Kaltwasserkreislauf: Das Wasser wird aus dem Wassertank gepumpt und durchläuft einen Durchflussmesser, der die für die gewünschte Kaffeesorte benötigte Menge regelt. Anschließend wird das Wasser durch ein Heizgerät auf Temperatur gebracht und damit die nächste Phase gestartet.

Abb. 5: Mikroemulsionstechnologie: Ein Nanopartikel aus PTFE-Latex ist mit einer FKM-Außenschicht ummantelt.

Anforderungen: Hochleistungs-Elastomerwerkstoffe mit hohem Reinheitsgrad, gutem Preis-Leistungs-Verhältnis und allen wichtigen Zulassungen für Lebensmittel und Getränke in den wichtigsten Märkten.
Warmwasserkreislauf: Das Wasser gelangt mit hohem Druck in die Brüheinheit und durchläuft den gemahlenen Kaffee. Anschließend führt der Kaffeeauslauf den gebrühten Kaffee in eine Kaffeetasse.
Anforderungen: Hochleistungs- Elastomerwerkstoffe mit guter mechanischer Beständigkeit, niedrigem Reibungskoeffizienten und sehr guter Wasser- und Dampfbeständigkeit. Zudem sind Zulassungen für Lebensmittel und Getränke in den Hauptmärkten ein Muss.

Abb. 4: Beständigkeit von CIP FKM im Vergleich zum FKM eines Wettbewerbers unter Einwirkung verschiedener saurer und alkalischer Medien sowie von Sattdampf und deionisiertem Wasser unter den entsprechenden Bedingungen für 168 Stunden.

Kaltwasserkreislauf – am besten geeignete Dichtungswerkstoffe

Für die Dichtungselemente im Kaltwasserkreislauf haben einige Hersteller traditionell EPDM, Standard-VMQ, basisches NBR oder eine beliebige Kombination davon für die verschiedenen Komponenten der Kaffeemaschine gewählt. Obwohl ein Standard-EPDM aus rein funktionaler Sicht eine gute Wahl ist, erreicht es nur die Klassifizierung nach PAK-Kategorie 3. Eine Kategorie, die Materialien umfasst, die nicht für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet sind und auch nur für den kurzfristigen Hautkontakt bestimmt sind. Darüber hinaus führt der Einsatz verschiedener Werkstoffe zu unnötiger Komplexität in Bezug auf Spezifikation und Logistik.
Pertec UP VMQ ist ein ultrareiner Silikonwerkstoff von Angst+Pfister mit Blick auf die spezifischen Anforderungen von Lebensmittel- und Getränkeanwendungen. Der grosse Temperaturbereich von -60° bis +200°C, sehr gute mechanische Werte und die gute chemische Beständigkeit machen ihn zur geeigneten Lösung für diese Art von Anwendungen. Zudem deckt sie ein breites Spektrum von Zulassungen ab, wie z. B. FDA, GB 4806.1, French Arrêté, BfR XV, EC1935/2004, 3A Sanitary usw. Der Silikonwerkstoff erfüllt pro
blemlos die Kriterien für die Einstufung in die PAK-Kategorie 1 – Kontakt mit Lebensmitteln – und hat einen ex-trem niedrigen VOC-Wert (Volatile Organic Compound), wie in Abbildung 3 dargestellt. Ergebnis: Ein einziger Dichtungswerkstoff erfüllt alle Anforderungen, eliminiert mögliche gesundheitliche Bedenken

Abb. 6: Mechanische Eigenschaften von Verbindungen, die mit Nano-PTFE als Füllstoff in verschiedenen Konzentrationen hergestellt werden.

und vermeidet Komplexität für den Kunden, die durch die Ausdehnung auf verschiedene Werkstoffe entsteht.

Dichtungswerkstoffe für Durchflusssensoren

Durchflusssensoren sind ein kritischer Bestandteil, da sie die Wassermenge für eine Tasse Kaffee messen, die je nach Art des zubereiteten Kaffees variiert. Der O-Ring muss die beiden Kunststoffteile in einer offenen Nut perfekt abdichten. Das Medium ist Kaltwasser mit sehr niedrigem Druck. Die ultrareine VMQ-Lösung bietet Vorteile in dreifacher Hinsicht:

• Erfüllung der Zulassungen der Trinkwasser-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, einschließlich der PAK-Kategorie 1.
• Spezielle Verpackung: Die O-Ringe sind speziell in luftgefüllten Säcken verpackt, um Verformungen während des Transports zu vermeiden.
• Zusätzliche Leistung: Mikrotalg-schicht, die verhindert, dass die O-Ringe zusammenkleben und dafür sorgt, dass diese richtig durch die Montagelinie gleiten, was zu einer wesentlich höheren Effizienz des Produktionsprozesses führt.

Heißwasserkreislauf – am besten geeignete Dichtungswerkstoffe

In einer solchen Umgebung müssen die für die Dichtungsanwendung ausgewählten Materialien den Lebensmittelspezifikationen wie BfR, FDA, EC 1935/2004, 3A-Standard Sanitär, etc. entsprechen. Sie sollten eine hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aufweisen, um ihre Dichtungsfunktion während und nach der Einwirkung von CIP-Prozessen, von zur Sterilisation verwendetem Hochtemperaturdampf sowie von Kaffee, der Kohlenwasserstoffe oder Fettsäuren enthält, beizubehalten. CIP-Produkte enthalten in der Regel aggressive, oxidierende und alkalische Chemikalien wie Salpetersäure, Wasserstoffperoxid, Peressigsäure, Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid. Der Reinigungsprozess selbst wird bei Temperaturen um +75° bis +85°C durchgeführt. Traditionell haben Kaffeemaschinenhersteller Silikon- und EPDM-Werkstoffe für die Warmwasserkreisläufe ausgewählt, aber keine dieser Werkstoffe kann eine optimale Haltbarkeit und Stabilität unter den CIP-Bedingungen bieten.
Bei Silikonverbindungen neigen die Siloxanbrücken unter Einwirkung von Hochtemperaturprozessen in Verbindung mit der Verwendung von sauren und/oder alkalischen Substanzen zum Abbau. Das kann dazu führen, dass die Dichtung nach mehreren Heißwasserzyklen erheblich beschädigt wird. EPDM hingegen könnte eine gute Lösung sein, denn seine Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und stark saure und/oder alkalische Medien während des CIP-Prozesses ist von Vorteil. EPDM kann jedoch aufgrund seiner Affinität zu den in gebrühtem Kaffee enthaltenen Chemikalien wie Kohlenwasserstoffen und Fettsäuren abgebaut werden, was für diese Anwendung ungeeignet ist.

Abb. 7: Abriebfestigkeit von Nano-PTFE-Füllstoff (30 %) im Vergleich zu Russ- und PTFE-Pulverfüllstoffen.

Aus diesem Grund hat Angst+Pfister den Pertec CIP FKM 75.501-04 Werkstoff entwickelt, ein FKM-Peroxidtyp, der in der Lage ist, den rauen Bedingungen des Cleaning-in-Place-Prozesses standzuhalten (Abb. 4). Außerdem bietet es eine außergewöhnliche mechanische Beständigkeit und erfüllt gleichzeitig alle wichtigen lebensmittelrechtlichen Vorschriften weltweit. Obwohl die Sterilisation-in-Place bei Kaffeemaschinen nicht so relevant ist wie bei anderen Lebensmittel- und Getränkeanwendungen, ist der Werkstoff dank der neuesten Nano-Fluorharztechnologie im Polymer auch in Bezug auf ihre hohe Beständigkeit gegen Heißwasser und Dampf eine „best-in-class-Lösung“.

Dichtungswerkstoffe für die Brüheinheiten

Die Brüheinheit, bei der Wasser und gemahlene Kaffeekörner zu einem geschmackvollen Espresso oder einem zarten Café Crème vermischt werden, ist zweifellos der wichtigste Bestandteil der gesamten Kaffeemaschine. Die Brüheinheit presst heißes Wasser durch einen Kolben in den gemahlenen Kaffee und führt eine vertikale Linearbewegung aus. Bei diesem Vorgang wird ein O-Ring oder eine Lippendichtung benötigt, um den Kolben perfekt abzudichten. Zusätzlich zu den Herausforderungen an die chemische Beständigkeit durch den CIP-Prozess werden die Dichtungselemente bei jedem Zyklus der Reibung durch gemahlene Kaffeereste ausgesetzt, die mit Fettsäuren aus Kaffeebohnen in Berührung kommen.
Eine verschlechterte oder gebrochene Dichtung in der Brüheinheit würde dazu führen, dass die Kaffeemaschine nicht mehr vollständig funktionieren kann. Im Vergleich zu einer Dichtung aus einem herkömmlichen Silikonwerkstoff, der 10.000 Zyklen hält, ermöglicht der Einsatz von CIP FKM in dieser Anwendung eine Verlängerung der Nutzungsdauer auf 40.000 Zyklen. Diese Verlängerung der Lebensdauer reduziert entsprechend die Intervalle zwischen den kostspieligen Wartungsarbeiten. Darüber hinaus ermöglichen die zahlreichen Zulassungen für Lebensmittel- und Getränkeanwendungen den Einsatz in Kaffeemaschinen, die auf der ganzen Welt verkauft werden.

Nano-PTFE sorgt für gute mechanische Eigenschaften und wenig Abrieb

Durch die Technologie der Mikroemulsion wurde eine neue Klasse von Peroxid vernetzten Pertec FKM-Compounds auf Basis von Nano-PTFE entwickelt (Abb. 5). Im Vergleich zu anderen Füllstoffen wie PTFE-Pulver gewährleistet Nano-PTFE eine homogene Dispersion von PTFE und bietet gute mechanische Eigenschaften. Anders als eine Beschichtung bietet es eine bessere Abriebfestigkeit sowie eine hohe Härte und hohe Dehnungsfähigkeit. Je nach Anwendung kann die Konzentration des Nano-PTFE zwischen 0 und 40 Prozent Gewichtsprozent des gesamten Polymergehalts variieren, wobei 30 Prozent Nano-PTFE das Gleichgewicht zwischen mechanischen Eigenschaften (Abb. 6) und hoher Abriebfestigkeit optimiert (Abb. 7).

Zusammenfassung

Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie stellt zunehmend höhere Anforderungen an die Hersteller von Dichtungslösungen, sowohl in Bezug auf die Leistung als auch auf Lebensmittel- und Getränkebestimmungen. Unter diesen Umständen bieten herkömmliche Werkstoffe nicht immer die beste Lösung. Das kann zu hohen Kosten führen, wenn sie diese Anforderungen nicht erfüllen. Es ist daher dringend zu empfehlen, Dichtungselemente von Unternehmen mit nachgewiesener Kompetenz zu verwenden, um Dichtungslösungen zu entwickeln und herzustellen, die alle technischen und regulatorischen Anforderungen erfüllen können. Daher sind die Mischungsherstellung und eine hohe Zuverlässigkeit des gesamten Herstellungsprozesses (Formen, Entraten, Schleifen, Tempern und Prüfen) entscheidende Aspekte. Angst+Pfister nutzt sein fundiertes technisches Know-how für die Entwicklung und Produktion von proprietären Hochleistungs-Dichtungswerkstoffen, die genau auf die Erfüllung der hohen technischen und regulatorischen Anforderungen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ausgerichtet sind. Die beschriebene Produktpalette zeigt, dass es möglich ist, alle Anforderungen ohne Einschränkungen zu erfüllen, wie am Beispiel von Kaffeemaschinen gezeigt. Außerdem lassen sich Kosten senken, indem Produktionsprozesse effizienter gestaltet, Wartungsintervalle verlängert und die Komplexität durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe entsprechend der gewünschten Leistung und/oder Einhaltung gesetzlicher Vorschriften reduziert werden.

PERTEC^® ist eine Marke der Angst+Pfister Group.