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Kaffeemaschinen stehen exemplarisch für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Ihre Dichtungen können unnötige Kosten verursachen, wenn herkömmliche Werkstoffe den steigenden Anforderungen nicht standhalten. Gefragt sind langlebige Hochleistungselastomere, die zusätzliche Vorteile verschaffen: In der Produktion, Logistik und Reinigung. Welche Werkstoffe schaffen alle Anforderungen auf den Weltmärkten für Kaffeemaschinen?

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Autor: Reto Müller, Product Leader Sealing Technology,
Angst+Pfister AG

 

 

Ein führender Kaffeemaschinenhersteller auf dem Endverbrauchermarkt ruft eines Freitagnachmittags verzweifelt bei seinem Komponenten-Lieferanten an: «Eine ganze Ladung Kaffeemaschinen wird zurückgeschickt. Der chinesische Zoll lässt sie nicht ins Land.» Offenbar fehle die Zulassung gemäss «GB 4806.1». Die vorliegenden Zulassungen der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) und anderer westlicher Länder werde für den chinesischen Markt nun nicht mehr akzeptiert.

Wenig später meldet sich ein weiterer Kaffeemaschinenhersteller, der den professionellen Markt bedient. Er stehe unerwartet vor einer technischen Herausforderung: Ein O-Ring, der den Kolben seiner Brüheinheit abdichte, sei bereits nach nur 10‘000 Zyklen gebrochen. Reibung, heisses Wasser und der aktuelle Reinigungsprozess mit Chemikalien sorgen offenbar für eine deutlich kürzere Lebensdauer als alle anderen Elemente der Brüheinheit haben. Die Folge sind kostenintensive Wartungsarbeiten.

Diese Beispiele veranschaulichen die immer anspruchsvolleren Anforderungen für Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Sie verlangen mehr und mehr nach spezifischen und massgeschneiderten Dichtungslösungen aus Hochleistungswerkstoffen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie spielen aseptische Prozesse eine herausragende Rolle. Die Anforderungen an reine Materialien gehen jedoch oft über «Hygiene» hinaus: Zwar kommen bei Kaffeemaschinen nicht die anspruchsvollen Cleaning-in-Place (CIP)-Prozesse mit ihren aggressiven Reinigungsmedien oder Sterilisation-in-Place (SIP) mit Heissdampf oder Peressigsäure vor, aber auch hier sind die Medien anspruchsvoll.  Dafür sind immer öfter auch aussergewöhnliche mechanische Fähigkeiten unerlässlich – wie das Beispiel der Brüheinheit zeigt.


Branchenspezifische Zulassungen

Globale Kaffeemaschinenhersteller benötigen immer öfter branchenspezifische Zulassungen für alle wichtigen Märkte wie Europa, China, Südamerika oder die USA. Im Idealfall erfüllen Komponenten wie O-Ringe alle diese in einem einzigen Hochleistungswerkstoff. So kann der Einsatz zahlreicher länder- oder branchenspezifischer Lösungen vermieden werden. Regulierungen und Zulassungen sind eine dynamische Welt, die viel Aufmerksamkeit abverlangt. Dies veranschaulicht das Beispiel des Kaffeemaschinenherstellers, dessen Einfuhren nach China plötzlich unterbunden wurden.

In der gesamten Branche wächst zudem die Sorge über bestimmte Elastomere, die einen höheren Anteil an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) enthalten. Sie erwiesen sich als potentiell krebserregend. PAK sind ein technischer Bestandteil mineralölbasierter Weichmacheröle und von Industrierussen. Sie kommen deshalb in zahlreichen Elastomeren vor. Die PAK-Grenzwerte sind in drei Kategorien unterteilt: Die Kategorie 1 weist die strengsten Grenzwerte auf für Materialien, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen oder in den Mund genommen werden – oder für Materialien, die für Spielzeug mit Hautkontakt verwendet werden (länger als 30 Sekunden).


Dichtungsanwendungen für Kaffeemaschinen

Kaffeemaschinen stellen viele Herausforderungen, wie sie in der gesamten Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommen. Für die Hersteller von Dichtungslösungen sind sie exemplarisch. Der steigende Kaffeekonsum in den entwickelten Märkten und die schnell wachsenden neuen Märkte konfrontieren Kaffeemaschinen mit immer anspruchsvolleren Spezifikationen, die weltweit funktionieren müssen. Das PERTEC-Sortiment ist die Antwort von Angst+Pfister, um diese sehr vielfältigen Anforderungen zu erfüllen. Der beste Beweis, wie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie davon profitiert, ist der Markterfolg dieser Hochleistungswerkstoffe.

Welches ist nun der optimale Dichtungswerkstoff? Aus Sicht der Dichtungstechnik sind bei professionellen oder grossen Haushaltskaffeemaschinen zwei Bereiche entscheidend:

 

 

Kaltwasserkreislauf – optimale Dichtungswerkstoffe

Für Dichtungselemente im Kaltwasserkreislauf wählen einige Hersteller traditionell EPDM, Standard-VMQ, basisches NBR oder eine Kombination davon. Aus rein funktionaler Sicht wäre ein Standard-EPDM eine gute Wahl. Aus diesem Grund hat Angst+Pfister grosse Anstrengungen unternommen, um einen lebensmittelkonformen und hochreinen EPDM-Werkstoff zu entwickeln. Mit dem PERTEC UP EPDM 70.503-04 können alle wichtigsten Lebensmittelanforderungen von der Positivliste wie auch den Migrationstests erfüllt werden. Ebenso wird die Klassifizierung nach PAK Kategorie 1 erfüllt. Dieser Werkstoff ist in den Härten 70 und 80 Shore A erhältlich. Zudem führt der Einsatz verschiedener Werkstoffe zu unnötiger Komplexität hinsichtlich Spezifikation und Logistik.

PERTEC UP VMQ ist ein ultrareiner Silikonwerkstoff von Angst+Pfister für die spezifischen Anforderungen von Lebensmittel- und Getränkeanwendungen. Der grosse Temperatureinsatzbereich von minus 60 bis plus 200 Grad Celsius, ausgezeichnete mechanische Werte und die hohe chemische Beständigkeit machen ihn zur optimalen Lösung. Zudem deckt PERTEC UP VMQ zahlreiche Zulassungen ab wie etwa CFR 177.2600 (FDA), GB 4806.1, French Arrêté, BfR XV, EC1935/2004, 3A Sanitary Standard und einige mehr (siehe Graphik)  Der Silikonwerkstoff erfüllt problemlos die Kriterien für die Einstufung in die PAK-Kategorie 1 und hat einen extrem niedrigen VOC-Wert (Volatile Organic Compound). Das heisst: Ein einziger Dichtungswerkstoff erfüllt alle Anforderungen, eliminiert mögliche gesundheitliche Bedenken und vermeidet Komplexität für den Kunden, die verschiedene Werkstoffe mit sich brächten. Dieser Werkstoff ist in den Härten 70 und 50 Shore A erhältlich.


Dichtungswerkstoffe für Durchflusssensoren

Durchflusssensoren sind ein kritischer Bestandteil: Sie messen Wassermengen, die je nach Art des Kaffees variieren. Der O-Ring muss die beiden Kunststoffteile in einer offenen Nut perfekt abdichten. Das Medium ist Kaltwasser mit sehr niedrigem Druck. Der ultrareine PERTEC UP VMQ bietet dreifache Vorteile:
 

  • Erfüllung der Zulassungen der Trinkwasser-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, einschliesslich der PAK-Kategorie 1
  • Spezielle Verpackung: Die O-Ringe sind in luftgefüllten Säcken verpackt, um Verformungen beim Transport zu vermeiden.
  • Zusätzliche Leistung: Eine Mikrotalgschicht verhindert, dass O-Ringe zusammenkleben und sorgt dafür, dass sie richtig durch die Montagelinie gleiten – für höhere Effizienz im Produktionsprozess.

 

Warmwasserkreislauf – optimale Dichtungswerkstoffe

In einer solchen Umgebung müssen die Dichtungsmaterialien Lebensmittelregulierungen wie CFR 177.2600 (FDA), 3A-Sanitary Standard, NSF 51, EC 1935/2004, BfR, und je nach Kundenwunsch auch vielen mehr entsprechen. Sie sollten eine hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aufweisen, um ihre Dichtungsfunktion beizubehalten – während und nach der Einwirkung von Reinigungsprozessen, von Hochtemperaturdampf zur Sterilisation und von Kaffee, der Kohlenwasserstoffe oder Fettsäuren enthält.

Reinigungsprodukte enthalten in der Regel aggressive Chemikalien wie Salpetersäure, Wasserstoffperoxid, Peressigsäure, Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid. Der Reinigungsprozess selbst wird bei heissen Temperaturen durchgeführt und kann auch 75 bis 85 Grad Celsiuserreichen. . Traditionell wählen Kaffeemaschinenhersteller Silikon- und EPDM-Werkstoffe für die Warmwasserkreisläufe. Diese Werkstoffe bieten aber nicht immer  optimale Haltbarkeit und Stabilität  in allen Bedingungen. Bei Hochtemperaturprozessen mit sauren und alkalischen Substanzen neigen bei Silikonen die Siloxanbrücken zum Abbau. Das kann Dichtungen nach mehreren Heisswasserzyklen erheblich beschädigen. EPDM wäre diesbezüglich eine gute Lösung: Es ist beständig gegen hohe Temperaturen und saure und alkalische Medien. Apolare Substanzen wie Fette, Öle und ihre Derivate als natürliche Bestandteile der Kaffeebohne, die auch in gebrühtem Kaffee vorkommen, führen bei EPDM jedoch  zum Quellen und dann mechanisch zu Beschädigungen.

Deshalb hat Angst+Pfister den Hochleistungswerkstoff PERTEC CIP FKM 75.501-04 entwickelt – ein peroxidisch vernetzter FKM, der den rauen CIP-Prozessen der Lebensmittelindustrie standhält und auch bei Kaffeemaschinen die beste Wahl darstellt. Er hat eine aussergewöhnliche mechanische Beständigkeit und erfüllt gleichzeitig viele wichtige lebensmittelrechtliche Vorschriften (siehe Graphik). Auch in  anderen Lebensmittel- und Getränkeanwendungen ist der Werkstoff bezüglich Beständigkeit gegen Heisswasser und Dampf eine «Best-in-Class-Lösung»


Dichtungswerkstoffe für die Brüheinheiten

Die Brüheinheit ist zweifellos der wichtigste Bestandteil einer Kaffeemaschine: Dort werden die gemahlenen Kaffeebohnen mit heissem Wasser extrahiert, dass das geschmackvolle Genussmittel Kaffee entsteht. Die Brüheinheit presst heisses Wasser durch einen Kolben in den gemahlenen Kaffee und führt eine vertikale Linearbewegung aus. Dieser Vorgang benötigt einen O-Ring oder eine Lippendichtung, um den Kolben perfekt abzudichten. Zusätzlich zu den Anforderungen an die chemische Beständigkeit aufgrund des Reinigungsprozesses wird die Dichtung bei jedem Zyklus der Reibung durch gemahlene Kaffeereste ausgesetzt, mechanisch abrasive Partikel mit Fettsäuren, Ölen und Fetten aus Kaffeebohnen.

Mit einer abgenutzten oder gar vollständig gebrochenen Dichtung in der Brüheinheit könnte die Kaffeemaschine nicht mehr vollständig funktionieren.Im Vergleich zu einer Dichtung aus konventionellem Silikon, die über 10.000 Zyklen standhält, konnte PERTEC CIP FKM die Lebensdauer dank außergewöhnlicher tribologischer Eigenschaften auf 40.000 Zyklen verlängern. Das reduziert auch die Intervalle zwischen den kostspieligen Wartungsarbeiten. Zahlreiche Zulassungen für Lebensmittel- und Getränkeanwendungen ermöglichen den Einsatz in Kaffeemaschinen auf der ganzen Welt.


Neue Lösungen für geringere Kosten 

Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie stellt zunehmend höhere Anforderungen an die Hersteller von Dichtungen: mehr Leistung, mehr Zulassungen. Immer öfter sind herkömmliche Werkstoffe nicht mehr die beste Lösung. Im Gegenteil: Sie können hohe Kosten verursachen. Deshalb verschaffen Dichtungslieferanten mit nachgewiesener Kompetenz Vorteile – und verhindern eben Nachteile auf den Märkten. Angst+Pfister nutzt sein technisches Know-how für die Entwicklung und Produktion eigener Hochleistungs-Dichtungswerkstoffe. Sie sind genau auf die hohen technischen und regulatorischen Anforderungen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ausgerichtet. Die Dichtungslösungen erfüllen diese Anforderungen - ohne Einschränkungen .Nicht zuletzt senken sie auch Kosten dank effizienterer Produktionsprozesse, längerer Wartungsintervalle und einfacherer Logistik.


 

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veröffentlicht: 23.01.2023, 23:12:00  von: Angst+Pfister Group