Einsatz von Plasmatechnologie für hygienische Kunststoffoberflächen 5. Wissenschaftstag der Europäischen Metropolregion Nürnberg Ansbach 15. Juli 2011 1
Einsatz von Plasmatechnologie für hygienische Kunststoffoberflächen CIPP: Centrum für Innovative Produktentwicklung und Produktoptimierung Plasmatechnologie zur Oberflächenmodifikation Hygiene von Oberflächen Untersuchungen zur Erzeugung hygienischer Kunststoffoberflächen: Methoden und Ergebnisse Ausblick 2
Das CIPP ist interdisziplinär: Virtual und Rapid Prototyping Produktgestaltung Anlageneffizienz / Produktionstechnik Instandhaltung und Zuverlässigkeit Gasmotorentechnologie Motorenoptimierung Strömungssimulation Produktentwicklung mit rechnergestützter Simulation Modifizierung von Oberflächen Plasmatechnik, Oberflächencharakterisierung, Mikrobiologie 3
Das CIPP verfolgt ein dreigliedriges Konzept: 1. Unternehmensnahe Dienstleistungen Problemlösung laufender Produktionsverfahren Qualitätssicherung, Ausschussminimierung 2. Entwicklung marktnaher Produkte Umsetzung neuer Produktideen Patentierung, Lizensierung 3. Angewandte F&E für Produkt- und Prozessinnovation Entwicklung neuer Produktkonzepte Innovative Produkte und Verfahren 4
Der Schwerpunkt 2004-2008 High-Tech-Offensive Bayern 2009-2014 EFRE-Förderung Plasmatechnik an Kunststoffoberflächen: Angewandte F&E Modifikation und Charakterisierung Benetzbarkeit, Haftung Beschichtung, Funktionalisierung Antimikrobielle Oberflächen 5
Plasmatechnologie Plasma: reaktiver Aggregatzustand Energie Gas Ionisation + Niederdruck 13,56MHz, 40KHz + + Molekül Elektron Kation Anode + + + + + + Kathode UV-, Vis- Emission + 6
Plasmaprozesse organische Verschmutzungen Reinigung Luft, Sauerstoff Wasserstoff Mikrosandstrahlen Stickstoff, Argon Beschichtung / Aktivierung O 2, CH 4, NH 3, Siloxane, C 4 F 8 rückstandsfreie Oberfläche Oberflächentopographie Oberflächenenergie, Benetzbarkeit 7
Hygiene und Biofilme Hygiene: Maßnahmen zur Vorbeugung gegen das Entstehen oder Verbreiten von Krankheiten. E.coli O 104:H21 Medizin, Lebensmittel, Kosmetik, Sanitär Biofilme: Pathogene Bakterien u.a. Mikroorganismen Streptokokken, Staphylokokken, Salmonellen, Legionellen, Escherichia coli: enterotoxische ETEC Diarrhö enterohämorrhagische, z.b. EHEC O104:H4 HUS* *HUS: hämolytisch-urämisches Syndrom (MacDonald, Osterholm 1993) 8
Oberflächenhygiene Hygienestrategien Vermeidung von Verkeimungen (Biofilmbildung) LebensmittelhygieneV, BioStoffV, Hygienepläne Abtötung (physikalisch, chemisch) Sterilisation (Dampf etc.) Silber, Kupfer, Titandioxid, Triclosan Streptococcen Abreinigung / Entfernung Ultraschall, Abstrahlen (Wasser, Pulver), Plasma Desinfektionsmittel (Alkohole, Oxidationsmittel, Chlorverbindungen) 9
Oberflächenkriterien Oberflächenenergie / Trennkraft niederenergetische Oberflächen sind leichter reinigbar (1) Oberflächenenergie beeinflusst Verkeimung (2) Emaille: hohe Oberflächenenergie vs. niedrige Trennkraft (1) Oberflächenrauheit DIN 1672-2: Rauheit R a </= 0,8µm für produktberührende Oberflächen im Lebensmittelbereich (3) Trennkraft von Hefezellen auf glatten Oberflächen (R a < 0,2µm) größer als auf Oberflächen mit R a = 0,2-1,5µm (4) (2) (1) Bobe, Wildbrett CIT 2006, 1615; (2) Dexter et al. Appl.Microb.1975, 298; (3) DIN 1672-2; (4) Weigl (2004) Dissertation TU München 10
Hygienische Kunststoffoberflächen: Ansatz für neue Produkteigenschaften im CIPP Haftverminderung bzw. Trennkrafterniedrigung verbesserte Abreinigung keine Wirkstofffreisetzung bakterienarme Oberflächen in der Natur Plasmatechnologie Oberflächentopographie Oberflächenbenetzbarkeit keine Änderung des Grundwerkstoffes 11
Haftverminderung durch mikrorauhe Topografie Mikrorauheit durch Plasmatechnologie Mikrosandstrahlen mit Ar, N 2 wenige Oberflächenkontakte für Mikroorganismen (1 2 µm) Größenordnung der Oberflächenstrukturen 0,1 1 µm (Rillenbreite) glatte Oberfläche mikrorauhe Oberfläche rauhe Oberfläche < 1µm 12
Prof. Dr. Achim Reimann Strukturierung durch Plasmatechnologie Plasmaätzen von PMMA und PC rechts: PC im PECVD-Prozess (40KHz, Ar, 10min) unten: PMMA im HF-Diodensputter (13,56MHz, Ar, O2, 2 min) 13
Haftverminderung durch Oberflächenbenetzbarkeit Oberflächen-Modifikationen im 40KHz-PECVD-Prozess an Polycarbonat-Proben Ziel / Effekt Plasmagas Parameter Hydrophilierung durch Polarität Luft 10 min, 0,3 mbar Hydrophobierung durch Fluorieren C 4 F 8 5 min, 0,3 mbar Aufrauhung durch Plasmaätzen Ar 10 min, 0,3 mbar Kombination Ar/C 4 F 8 15 min, 0,3 mbar 14
Oberflächenenergie Probenvergleich: Kontaktwinkelmessung H 2 O auf PC_Ar_F 15
Erzeugung von Biofilmproben Mirkoorganismus Escherichia coli K12 DSM 498 Kultivierung 5g/L Pepton, 3g/L Fleischextrakt, ph 7, 30 o C Submers, Fed-Batch 2 x 10 9 Zellen/mL Materialprobe 16
Testkammer für das Haftvermögen Strömungskanal Probenmaße: 76x26mm Volumenstrom max. 700 L/h Einlauf Re=2590 CFD-Simulation 7-12 m/s Strömungsgeschw. laminares Strömungsprofil an Probenoberfläche Mittelteil Re=1415 A. Ringleb, Prof. Dr. Schlüter (CIPP Strömungssimulation) 17
Testkammer für das Haftvermögen Turbulenz insgesamt niedrig Unterschicht laminar Schubspannung höchste Scherkräfte am Boden der Kanalmitte A. Ringleb, Prof. Dr. Schlüter CIPP Strömungssimulation 18
Abreißverhalten in der Strömungskammer E. coli Biofilm vor / nach Anströmung 1 min bei 9,7 m/s Strömungsgeschwindigkeit 19
Quantifizierung der Mikroorganismen ATP als Stoffwechselparameter Adenosintriphosphat ein Energiemetabolit RLUx10³ 60 40 Luciferasereaktion ATP-abhängige Biolumineszenz als Maß für die Biomasse: (Sensibilität: 0,1nmol/L) 20 0 ATP [nmol/l] ATP + LH 2 + O 2 AMP + PP i + Oxy-L + CO 2 + Licht (537nm, als RLU) 20
Anhaftung der Biofilme Biofilmproben vor Inkubation in der Strömungskammer 10³ RLU Energie [mn/m] Kontrolle Luft Ar F Ar+F 44 80 +p 60 +p 13 6 21
Anhaftung der Biofilme Biofilmproben nach Inkubation in der Strömungskammer 10³ RLU Kontrolle Luft Ar F Ar+F Energie [mn/m] 44 80 +p 60 +p 13 6 22
Fazit und Ausblick Korrelation zwischen Oberflächenmodifikation und Biofilmanhaftung Topografie mit Mikrostrukturen senkt Verkeimungsrisiko keine strikte Korrelation mit Oberflächenenergie Anwendungen für hygienisch relevante kleinere Kunststoffteile anwendungsspezifische Untersuchungen erforderlich weitere Untersuchungen zur - Adhäsionskraft (Druckdifferenzmessung in der Strömungskammer) - Topografie (AFM) 23
Dank Philipp Häfner, Simone Marxt Peter Komynarski Ansgar Ringleb und Prof. Dr. Wolfgang Schlüter Sabine Apfel, Nathan Müller, Sven Ristenbieter, Michaela Schmidt, Tobias Stamminger, Carina Sturm Vielen Dank für Ihr Interesse! 24