FORCE Technology arbejder med at finde sammenhæng mellem overfladetopografi på produktkontaktflader og rengørlighed for materialer, der er i kontakt med fx fødevarer, ved at udarbejde hygiejnefaktor.

Af Nicole Ciacotich, Thomas Fich Pedersen og Alan Friis

Kravene i lovgivningen er de samme, uanset om man kigger i Maskindirektivet 2006/42/EF eller EU-forordning 852/2004 om fødevarehygiejne.

Det specificeres, at overflader i kontakt med produkter skal være glatte og fri for revner og sprækker og ikke må udveksle stoffer med produkterne. Desuden skal de være rengørlige på et niveau, der sikrer, at de er rene og fri for stoffer, der kan forurene produkterne, inden procesanlæg tages i brug til produktion. I praksis benyttes der i en produktion stikprøver til at verificere, at produktkontaktfladerne er rene. Det kræver naturligvis, at der er valgt gode materialer med rengørlige overflader ved konstruktion af maskiner og proceslinjer.

Denne generelle målsætning er dog ikke til megen hjælp for producenter af procesudstyr. De har behov for konkret viden om materialekvaliteter og overfladebeskaffenhed for at kunne træffe de rigtige valg.

De retningslinjer og tommelfingerregler, som eksisterer i dag, baserer sig på karakterisering af overfladeruhed, givet ved Ra-værdien. Denne er mål for middelafstanden mellem top og bund over en afstand på seks mm på overfladen (efter ISO 4287), og den er ofte kun målt i én retning. Traditionelt foregår denne måling med en fysik pickup, som bevæges hen over overfladen. At karakterisere overfladens beskaffenhed ved kun ét tal er en voldsom forenkling, hvilket man hurtigt kan udlede ved at betragte en typisk overfladetopografi for en ståloverflade, som vist i figur 1. Typisk overfladeprofil for rustfrit stål er vist i figur 2. 

Overfladeprofil på slebet rustfri ståloverflade
Figur 1. Mikroskopbillede af en slebet rustfri ståloverflade i 1.4404 (316L).
Overfladeprofil med angivelse af relevante karakteristika
Figur 2. Opmålt ruhedsprofil med angivelse af relevante karakteristika (Ra og Rds).

Hygiejnefaktoren

For at gøre beskrivelsen af en overflade som den i figur 1 mere dækkende har FORCE Technology arbejdet med udvikling af en hygiejnefaktor (HF), der er et bedre mål for den hygiejniske kvalitet af en overflade. Her tages antallet af toppe med i betragtningen. Ideen med hygiejnefaktoren er, at hele vurderingen kan udføres med et optisk 3D-mikroskop.

Formlen for beregning af hygiejnefaktoren er vist nedenfor. Ra er den geometriske middelafstand fra middellinjen i en ruhedsprofil, og Rpd er Peak Density (antal toppe pr. cm på ruhedsprofilen):

formel

Der benyttes en modifikation, som består i, at parametrene ikke måles på fastsatte ruhedsprofil, som er defineret i standarden ISO 4287, som er den rå profil filtreret gennem et high pass og et low pass filter med typiske længder på henholdsvis lc og ls. I stedet anvendes ls=2,5 µm og lc=25 µm.

Ved bestemmelse af ruhedsprofilen for profilerne vist i figur 3 ses det, at afstanden mellem top og bund i profilerne er den samme, og derfor vil Ra-værdien være den samme. Det er dog tydeligt, at der er forskel på afstanden mellem toppene, og at man derfor i praksis vil sige, at der er forskel på topografien.

Derfor kan det være relevant at inkludere et mål for tætheden af toppene, og det er netop Rpd

Man kan på denne måde beskrive, om overfladen har en blød og åben form med relativt få toppe, eller om den er lukket med mange toppe med kortere afstand imellem. På den måde kan der differentieres mellem profilerne vist i figur 3.

Teoretiske overfladeprofiler med forskelligt udseende
Figur 3. Overfladeprofiler med forskelligt udseende, men samme Ra-værdi.

Det er målsætningen, at hygiejnefaktoren kan benyttes på alle materialetyper til at vurdere den hygiejniske kvalitet, uden at der udføres eksperimentelt arbejde.

Krav til hygiejniske overflader af rustfrit stål 

Historisk er der arbejdet en del med undersøgelse af hygiejnisk kvalitet og rengørlighed af rustfrit stål, og der er etableret det dogme, at der for en hygiejnisk overflade er et mål om, at Ra-værdien skal være under 0,8 µm. Dette understøttes af anerkendte organisationer som European Hygienic Engineering and Design Group (EHEDG) og 3A-Inc i USA, og er derfor det typiske krav, der stilles til rustfrit stål til fødevarekontakt. Der er eksempler på, hvordan fx den farmaceutiske branche stiller krav om overflader med lavere ruhed, fx Ra-værdier under 0,3 µm.

Det er dog vigtigt at vide, hvordan overfladen er tilvirket. Er der tale om en slebet overflade eller fx en 2B-overflade? Mikroskopibilleder af begge overfladetyper er vist i figur 4. Det er tydeligt, at overfladernes topografi er forskellig. Derfor er det nærliggende at antage, at Ra-værdien udtrykker noget forskelligt i relation til hver af overfladerne. 

Mikroskopibilleder af overflader på forskellige typer rustfrit stål
Figur 4. Mikroskopibilleder af overflader på forskellige typer rustfrit stål (2B og slebet).

Begge overflader fås i en hygiejnisk kvalitet og kan fint leveres med en overfladeruhed med Ra under 0,8 µm. 2B-overfladen er det umiddelbare produkt fra stålværket, som er koldvalset og bejdset, mens den slebne overflade bearbejdes trinvist, til den ønskede overfladeruhed opnås, hvilket sker på basis af en overflade, som ligner 2B.

Der er endnu ingen konklusioner på, hvad den mest hygiejniske overflade er, men det forventes, at det er muligt at finde ved at skabe sammenhæng mellem hygiejnefaktoren og praktiske undersøgelser af rengørlighed af forskellige overflader.

Krav til hygiejniske overflader af plast og gummi 

Der er ikke skabt den samme systematik for plast og gummi som for rustfrit stål. I praksis foretager man her en mere subjektiv vurdering af, om en overflade er glat nok til at være anvendelig til fødevarekontakt. Det skyldes, at en række produkter - fx pakninger lavet af gummi - skal være elastiske og derfor kan være svære at måle med den fysiske overfladeruhedsmåler. Det samme gælder en række plastmaterialer. Nogle plastmaterialer, fx PEEK, kan dog være så faste, at det er muligt at måle ruheden.

Mikroskopi benyttes allerede til at vurdere, om overflader på plast og gummi har ujævnheder og uregelmæssigheder. Det er derfor nærliggende at overveje anvendelse af 3D-mikroskopi til bestemmelse af overfladeruhed, hvilket samtidig giver data til bestemmelse af hygiejnefaktoren.

Arbejdet med karakterisering af overfladeruhed og hygiejnefaktorer på overflader af plast og gummi er et nyt område, som endnu har til gode at vise sin værdi i forbindelse med udvælgelse af materialeløsninger med god hygiejnisk kvalitet.

Videreudvikling af hygiejnefaktoren 

Gode foreløbige resultater viser, at hygiejnefaktoren har en direkte korrelation til rengørlighed af både rustfrit stål og udvalgte plastmaterialer.

De foreløbige resultater og det videre arbejde med udvikling af hygiejnefaktoren er hos FORCE Technology forankret i resultatkontraktaktiviteten, Kompetencecenter for hygiejne, sundhed og produktsikkerhed.

Målsætningen er at lave et værktøj, som kan benyttes industrielt til karakterisering af materialer med hensyn til deres hygiejniske kvalitet, udelukkende med brug af hygiejnefaktoren bestemt ved 3D-mikroskopi. På den måde kan hygiejnefaktoren få praktisk relevans for industrien ved at kunne benyttes til fx sammenligning mellem nye overflader og overflader i brug.

Det foreliggende arbejde vil derfor inkludere korrelation af hygiejnefaktoren med rengøringstid og test af resterende mikrobiologiskmateriale på overflader. Dette vil foregå dels i pilot plant og via field-forsøg på komponenter i industrianlæg. FORCE Technology hører derfor meget gerne fra virksomheder, der har interesse i at deltage i casestudier og afprøvning i praksis.