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Vom richtigen Kunststoff lassen sich auch sehr kleine Partikel in Lebensmitteln sicher detektieren.
(Bild: Stasskohl)

In technischen Anlagen zur Herstellung von Nahrungsmitteln kommen immer mehr Kunststoffe zum Einsatz. Dadurch entstehen besondere Herausforderungen für eine erfolgreiche Fremdkörperabwehr. Denn herkömmliche Systeme wie Magnetseparatoren und Metalldetektoren sind für Kunststoffe ungeeignet und auch Röntgeninspektionssysteme stoßen an ihre Grenzen.

Produktinspektion mit Metall- und Röntgendetektoren

Abhilfe schaffen hier Kunststoff-Compounds mit speziellen Füllstoffen. Um Kunststoffpartikel durch ein Metallinspektionssystems detektieren zu können, ist es notwendig, die Eigenschaften des Polymers so anzupassen, dass das elektromagnetische Feld des Detektors beeinflusst wird. Eine Magnetfeldänderung entsteht, sobald sich ein magnetisches oder elektrisch leitfähiges Material innerhalb des Detektors befindet.

Um dies zu erreichen hat Stasskol, Hersteller von Dichtelementen, zwei neue Materiallösungen entwickelt: Eskaflon XD für die Röntgendetektion und Eskaflon DD für die duale Detektion mittels Metall- und Röntgendetektor. Spezielle Verarbeitungstechniken zur Herstellung der Compounds machen auch kleine Fremdkörper detektierbar.

Um die Materialien praxisnah zu testen, wurden in Zusammenarbeit mit dem Kontrollsystem-Spezialisten Mettler Toledo Versuchsreihen durchgeführt. Dabei kam ein Metalldetektor der Baureihe Profile zum Einsatz, ein hochempfindlicher Drei-Spulen-Detektor speziell für kleine Kontaminationen. Durchläuft ein Metallobjekt das elektromagnetische Feld des Detektors, so werden Spannungsabweichungen festgestellt und der Detektor zeigt ein Signal an.

Die Zugabe eines Füllstoffes mit magnetischen Eigenschaften macht also hier auch Kunststoffe detektierbar. Mithilfe einer solchen Füllstoffzugabe wird außerdem gleichzeitig die Dichte des Compounds erhöht, was zusätzlich die Röntgendetektion des Polymers ermöglicht. Bei der Röntgeninspektion werden hochenergetische Strahlungen beim Durchgang durch Materie mit hoher Dichte stärker absorbiert als bei niedriger Dichte. Die nach dem Probendurchgang verbleibenden Strahlenanteile werden in Form eines Graustufenbildes visualisiert. Unregelmäßigkeiten infolge von Dichteunterschieden werden durch unterschiedlich hohe Kontraste dargestellt und mittels einer Software erkannt. Zuverlässigkeit bietet hierbei etwa der Röntgendetektor Safeline X34, welcher ebenfalls besonders für kleine und schwer auffindbare Kontaminationen geeignet ist.

Säulendiagramm
Probekörper definierter Größe ermöglichten in den durchgeführten Tests die genaue Analyse der strahlenabsorbierenden und feldverändernden Effekte. (Bild: Stasskol)

Höhere Füllgrade im Compression Molding

Bei der Compoundierung werden die grundlegenden Eigenschaften vom Matrixmaterial vorgegeben. Diese lassen sich durch die Zugabe von Füllstoffen modifizieren. Die Versuche wurden mit dem Hochleistungskunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) durchgeführt. Neben der sehr geringen Anhaftung an Lebensmitteln zeichnet sich PTFE vor allem durch einen breiten Temperatureinsatzbereich von -260 bis 260 °C, sehr gute Gleiteigenschaften und die Beständigkeit gegenüber nahezu allen Medien aus. Aufgrund der hohen Dichte gilt PTFE bereits in der reinen Form als röntgendetektierbar. Kleine Partikelgrößen, inhomogene Lebensmittel und zu geringe Dichtedifferenzen zum umgegebenen Lebensmittel erschweren jedoch die zuverlässige Detektion.

Die spezielle Herstellung von Polymercompounds im Compression Molding erlaubt den Einsatz sehr hoher Füllstoffanteile. Es handelt sich hierbei um ein Press-Sinter-Verfahren für thermoplastische Polymere. Mithilfe der Untersuchung der mechanischen Werkstoffeigenschaften lässt sich der optimale Füllstoffanteil ermitteln. Jedoch ist nicht jeder Füllstoff für den Lebensmittelkontakt geeignet. Bei der Entwicklung der Lebensmittel-Kontaktmaterialien wurde daher auf die Lebensmittelzulassung der Rohstoffe nach FDA und EU-Vorgaben geachtet.

Graustufenbilder
Die vom Röntgendetektor aufgenommenen Graustufenbilder zeigen: Alle Probekörper wurden im Versuch vollständig rot markiert und somit sicher erkannt. (links: Eskaflon XD, rechts: Eskaflon DD) (Bild: Stasskol)

Ergebnis: Auch sehr kleine Fremdkörper detektiert

Um die Detektierbarkeit der entwickelten Werkstoffe unter möglichst realistischen Bedingungen nachzuweisen, wurden Versuche innerhalb eines Lebensmittels durchgeführt. Für diesen Zweck wurde Schokolade ausgewählt, welche mit einer Dichte von circa 1,2 g/cm³ repräsentativ für eine Vielzahl anderer Lebensmittel ist. Aus den Compounds gefertigte Probekörper definierter Größe ermöglichten in den durchgeführten Tests die genaue Analyse der strahlenabsorbierenden und feldverändernden Effekte.

Die Ergebnisse zeigten: die Röntgen- und Metalldetektion der untersuchten Werkstoffe war erfolgreich. Auch der kleinste Probekörper mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Höhe von 1 mm ließ sich mit beiden Technologien sicher detektieren. Aufgrund der sehr hohen Signale ist auch die Detektion von noch kleineren Partikeln möglich. So können beim Einsatz der Compounds insbesondere solche Partikel sicher erkannt werden, die aufgrund ihrer undefinierbaren Form und Porosität ein erhöhtes Risiko bei der Fremdkörperabwehr darstellen.

Über die hier vorgestellte Versuchsreihe hinaus, sind noch viele weitere Anwendungen möglich. Individuelle Einsatzgebiete verlangen jedoch individuelle Werkstoffeigenschaften. Nach Festlegung des erforderlichen Eigenschaftenprofils müssen Matrix-Material und Füllstoffe ausgewählt werden. Der Fokus liegt hier auf Hochleistungskunststoffen wie PEEK, PTFE, PI, PAI und PPS.

Entscheider-Facts

  • Das Auffinden von Fremdkörpern im Produkt durch den Verbraucher kann für Lebensmittelhersteller schwere Folgen haben.
  • Durch die Entwicklung neuer detektierbarer Hochleistungspolymere lassen sich deutlich kleinere Fremdkörper als bisher mithilfe von Röntgen- und Metalldetektion sichtbar machen.
  • Das Ergebnis umfangreicher Materialprüfungen und praxisnaher Versuchsreihen von Stasskol in Zusammenarbeit mit Mettler Toledo sind Werkstoffe, welche die Sicherheit in der Lebensmittelindustrie erhöhen.

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