Nanoteknologian hyödyntäminen elintarvikealan koneenrakennuksessa

Transkriptio

1 Nanoteknologian hyödyntäminen elintarvikealan koneenrakennuksessa Bionova Consulting Tuuli Pohjola

2 Sisällysluettelo 1 ESIPUHE TIIVISTELMÄ NANOTEKNOLOGIAN MÄÄRITELMÄ ELINTARVIKEALAN KONEEN- RAKENNUKSESSA NANOTEKNOLOGIAN SOVELTAMINEN ELINTARVIKETEOLLISUUDEN KONEEN- RAKENNUKSESSA Nanoteknologian nykytila ja tarjonta Nanomateriaalien hyödyntämismahdollisuudet elintarvikealalla Sekundääripinnat: ei kosketusta elintarvikkeen kanssa Kontaktimateriaalit: kosketus elintarvikkeen kanssa Nanomateriaalien edut ja rajoitteet elintarviketeollisuudessa - asiakasnäkökulma Teknologian soveltaminen konevalmistajan näkökulmasta Lainsäädäntö ja sertifikaatit Laitteistojen valmistusmateriaalit ja käyttöympäristö elintarviketeollisuudessa Nanomateriaali osana kokoonpanoprosessia ja nanotuotteen uusiminen Työturvallisuus Kokonaistaloudellisuus: hyödyt ja kulut Yhteenveto potentiaalisimmista sovelluskohteista ja SWOT-analyysi PITKÄN AIKAVÄLIN KEHITYSNÄKYMÄT KONEENRAKENNUKSEN NANOTEKNOLOGIASOVELLUKSET SUOMESSA - ESIMERKKEJÄ ELINTARVIKETEOLLISUUDEN JA KONEENRAKENNUKSEN NANOTEKNOLOGIA- SOVELLUKSET MAAILMALLA - ESIMERKKEJÄ Nanoeriste elintarviketeollisuudessa Antimikrobinen nanopinnoite panimolla Nanopinnoitteet lääketieteellisen diagnostiikan laitteistoissa NANOTEKNOLOGIAOSAAJAT SUOMESSA Yritykset Tutkimuslaitokset ja kehittäjäorganisaatiot Tutkimusprojekteja

3 1 Esipuhe Nanoteknologiaa on tutkittu maailmalla paljon ja sitä hyödynnetään jo useilla eri teollisuudenaloilla. Elintarviketeollisuus ei ole kuitenkaan vielä ottanut teknologiaa laajasti käyttöönsä. Tämän katsauksen tavoitteena oli selvittää nanoteknologian tarjoamat mahdollisuudet ja haasteet elintarviketeollisuuden konenäkökulmasta. Katsaus sisältää paljon mielenkiintoista tietoa nanoteknologian sovelluskohteista. Teknologian käyttöönotto elintarviketeollisuuden koneissa ja laitteissa vaatii kuitenkin vielä runsaasti tutkimusta ja selvitystä. Työtä tulee jatkaa tiiviissä yhteistyössä elintarviketeollisuuden ja alan konevalmistajien sekä teknologiaa tarjoavien yritysten kesken. Nanoteknologian valjastaminen elintarviketeollisuuden hyödyksi vaatii aina kuitenkin tarkat tilannekohtaiset selvitykset teknologian soveltuvuudesta. Erityisen kriittisesti pitää tarkastella niitä koneita, jotka ovat suorassa kontaktissa elintarvikkeiden kanssa. Tämän selvityksen aineisto on kerätty kesän ja syksyn 2011 aikana. Työn on toteuttanut Bionova Consulting. Nanoteknologiaa elintarvikealan koneisiin katsaus on toteutettu osansa Kilpailukykyä metalli- ja elintarviketeollisuuden yhteistyöstä hanketta. Toivomme, että julkaisun avulla mahdollisimman moni suomalainen elintarvikekone- ja laitevalmistaja saa uutta tietoa ja ideaa omien tuotteidensa jatkokehittämiseen. Seinäjoella Päivi Mäntymäki projektipäällikkö Frami Oy Kilpailukykyä metalli- ja elintarviketeollsuuden yhteistyöstä -hanke 3

4 2 Tiivistelmä Nanoteknologia viittaa osaamiseen, jolla hallitaan nanometrin, eli millimetrin miljoonasosan kokoisia materiaalihiukkasia. Nanomittakaavassa materiaali saa uusia ominaisuuksia, joita hyödynnetään nanoteknisissä tuotteissa. Elintarvikealan koneenrakennuksessa nanoteknologia liittyy uusiin materiaaleihin: pinnoitteisiin, eristeisiin ja komposiitteihin. Nanopinnoitteilla voidaan parantaa rakennemateriaalin lianhylkivyyttä, antimikrobisuutta, kulutuskestoa, voiteluominaisuuksia ja korroosionkestoa. Nanoeristeet ovat perinteisiä materiaaleja tehokkaampia. Nanokomposiittiin sidotut hiilinanoputket vahvistavat rakennetta parantaen mekaanista kestävyyttä. Tässä työssä kerättiin näkökulmia nanomateriaalien käytöstä elintarviketeollisuudessa haastattelemalla yrityksiä, asiantuntijoita ja viranomaisia. Parhaimmillaan nanomateriaaleilla on mahdollista parantaa elintarvikelaitosten hygieenisyyttä ja energiatehokkuutta sekä vähentää huoltotarvetta. Potentiaalisiksi käyttökohteiksi osoittautuivat sekundääripinnat, jotka eivät ole kosketuksissa elintarvikkeeseen. Sen sijaan kontaktimateriaaleille vaaditaan elintarvikekosketuksen takia turvallisuusarviointi. Niitä ei ole tehty Suomessa nanotuotteille. Toistaiseksi Suomesta ja maailmalta löytyy muutamia esimerkkejä nanomateriaalien käytöstä elintarviketeollisuudessa. Koneenrakennuksen käyttökohteita on useampia: muun muassa paperi- ja prosessiteollisuudessa. Nanomateriaalin käyttökohteita rajaavat elintarviketeollisuudessa tuoteturvallisuus, toistuvat pesut ja vaativat pesuolosuhteet sekä elintarviketeollisuuden suurasiakkaiden hyväksynnän tarve. Toistaiseksi nanopinnoitteiden käyttöikää ei osata ennakoida, sillä se riippuu paljon sovelluskohteesta. Muut työssä esille tulleet nanomateriaalit (eristeet, komposiitit) ovat pitkäikäisiä. Tässä työssä nanomateriaaleille löydettiin useita potentiaalisia käyttökohteita elintarviketeollisuuden tuotantotiloissa. Vähäisen nykykäytön takia elintarvikealan koneenvalmistajilla on mahdollisuus päästä etulyöntiasemaan. Nanotuotteita tarjoavien yritysten ja koneenvalmistajien kesken tarvitaan yhteistyötä, jotta esimerkiksi nanomateriaalien pesuolosuhteiden sietokyky ja käyttökohteet voidaan määritellä tarkemmin. Tällöin päästään arvioimaan koneenvalmistajien kokonaishyötyjä taloudellisesta näkökulmasta. Tärkeintä on kaikkien haastateltavien mukaan elintarviketurvallisuuden säilyminen. 4

5 3 Nanoteknologian määritelmä elintarvikealan koneenrakennuksessa Nanometri (nm) on millimetrin miljoonasosa. Nanoteknologia viittaa osaamiseen, jolla hallitaan tuon mittakaavan materiaalihiukkasia. Nanohiukkaset ovat kiinnostavia, sillä niillä on pienen kokonsa takia aivan uudenlaisia ominaisuuksia. Nanoteknologiaa kannattaa hyödyntää silloin, kun nanomateriaalin käsittely ja käyttö hallitaan, ja sillä on aitoa etua perinteiseen ratkaisuun verrattuna. Nanoteknologia = nm skaala + uudet ominaisuudet + hallinta + hyödynnettävyys Nanoteknologisesti voidaan valmistaa uusia materiaaleja, rakenteita tai laitteistoja. Nanotekniikoita hyödynnetään jo lähes kaikilla suurilla teknologian ja teollisuuden aloilla: erityisesti elektroniikassa, energiatekniikassa, biotekniikassa ja materiaalitekniikassa. Nanoteknologia tarjoaa uusia mahdollisuuksia perinteisiin materiaaleihin verrattuna: yksi gramma nanohiukkasia on kokonaispinta-alaltaan huomattavasti suurempi kuin sama määrä suuremman hiukkaskoon materiaalia. Nanomittakaavassa aineen ominaisuudet myös muuttuvat. Esimerkiksi nanokiteinen nikkeli on yhtä kovaa kuin teräs, kulta muuttuu nestemäiseksi huonelämpötilassa ja eristeestä voi tulla sähköä johtavaa. 1 Elintarvikealan koneenrakennuksessa nanoteknologia liittyy uusiin materiaaleihin, joista voi olla hyötyä tulevaisuuden tuotevalikoimassa. Vaihtoehtoja ovat nanopinnoitteet tai materiaalit, joihin on sekoitettu nanohiukkasia. Nanopinnoite on hyvin ohut kerros rakennemateriaalin päällä ja parantaa pinnan ominaisuuksia, kuten kulutuskestävyyttä. Nanohiukkasten seostaminen rakennusmateriaaliin voi parantaa esimerkiksi mekaanista kestävyyttä. 1 Nanowerk-portaali ja tietokanta ja Nanoklusterin julkaisut, Culminatum Ltd Oy. Bawa, S.R., Maebius, S.B., Flynn, T., ja Wei, C, Protecting new ideas and inventions in nanomedicine with patents, Biology and Medicine 1 (2005)

6 4 Nanoteknologian soveltaminen elintarviketeollisuuden koneenrakennuksessa 4.1 Nanoteknologian nykytila ja tarjonta Koneenrakennuksessa voidaan hyödyntää nanoteknisistä materiaaleista pinnoitteita, nanoeristeitä ja nanokomposiitteja. Nanopinnoitteilla parannetaan rakennemateriaalin ominaisuuksia, kuten ruostumattoman teräksen lianhylkivyyttä. Pinnoitteissa voi olla mukana nanohiukkasia ja/tai pinnoitteen paksuus mitataan nanometreissä. Nanoeristeiden lämmöneristyskyky on moninkertainen verrattuna perinteisiin materiaaleihin. Nanoeristeistä aerogeelit voivat toimia sekä lämpö-, ääni- että tärinäeristeenä. Nanokomposiitteihin on seostettu nanohiukkasia esimerkiksi mekaanisten tai sähköisten ominaisuuksien parantamiseksi. Taulukkoon 1 on tiivistetty nykytila pinnoitteiden ominaisuuksista ja nanomateriaaleista koneenrakennuksen käyttöön. Taulukko 1. Nykyiset nanomateriaalit ja pinnoitteiden ominaisuudet. 2 Pinnoitteet Likaantumattomat ja helposti puhdistettavat pinnat Antimikrobiset pinnoitteet (estävät mikrobien kasvua) Kitkaa alentavat pinnoitteet Kulutusta kestävät pinnoitteet Korroosiota estävät pinnoitteet Nanoeristeet Nanokomposiitit Nanoteknisten tuotteiden tarjonta elintarvikealan koneenrakennukseen ja elintarviketuotantotilojen valmistukseen kartoitettiin kotimaisille nanomateriaalivalmistajille lähetettynä kyselynä. Siihen vastasi kuusi yritystä. Taulukkoon 2 on kerätty kyselyn tuloksena otos nanomateriaalien tuotevalikoimasta, joka nanovalmistajien mukaan voi soveltua elintarvikealan koneenvalmistukseen. Samassa tuotteessa voi olla useampia ominaisuuksia: esimerkiksi pinnoite voi toimia sekä kitkaa alentavana että kulutuskestoa parantavana pintana. 2 Culminatum Innovation Oy Ltd, OSKE Nanoteknologian klusteriohjelma, Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille. 6

7 Taulukko 2. Kotimaisten nanotuotteiden tarjonta koneenrakennuksen käyttöön. 3 Tuote Nanopinnoite Tuotekuvailu Parantaa kulutuskestävyyttä ja pienentää kitkaa (kuivavoitelu) Nanopinnoite Nanopinnoite Nanoeriste Nanokomposiitti (epoksi) Pinnoitteisiin voidaan yhdistää erilaisia ominaisuuksia: likaahylkivyys, antimikrobisuus, naarmuuntumattomuus, korroosion esto Parantaa kulutuskestävyyttä ja pienentää kitkaa (kuivavoitelu), suojaa korroosiolta Nanorakenteesta johtuen ohuempi kerrospaksuus ja tehokkaampi eristyskyky. Voi toimia ääni- ja tärinäeristeenä Epoksihartsiin kemiallisesti sidotut hiilinanoputket parantavat mekaanisia ominaisuuksia, erityisesti dynaamista lujuutta. Kevyt rakennemateriaali 4.2 Nanomateriaalien hyödyntämismahdollisuudet elintarvikealalla Haastatteluissa ideoitiin hyödyntämismahdollisuuksia nanomateriaaleille elintarvikkeiden tuotantolaitoksissa. Potentiaalisia käyttökohteita selvitettiin haastattelemalla kahta elintarvikealan kone- ja laitosvalmistajaa sekä kahta elintarvikkeita tuottavaa yritystä. Käyttökohteiden valinnassa on käytetty perusteena nanomateriaalien ominaisuuksia, eikä käyttöympäristöstä johtuvia mahdollisia rajoitteita ole vielä huomioitu. Käyttökohteet on ryhmitelty sekundääripintoihin ja kontaktimateriaaleihin, samoin kuin lainsäädännön materiaalivaatimukset jakautuvat. Sekundääripintoihin kuuluvat kaikki ne tuotantolaitoksen pinnat, jotka eivät ole suorassa kontaktissa elintarvikkeisiin - esimerkiksi säiliöiden ulkopinnat, pakattujen tuotteiden kuljettimet, seinät ja ilmanvaihtojärjestelmät. Kontaktimateriaalit, kuten säiliöiden sisäpinnat ja lämmönvaihtimien tuotepuoli taas koskettavat raaka-aineita tai valmiita elintarvikkeita. Jos nanotuotetta aiotaan käyttää kontaktimateriaalina, pitää niiden elintarvikekelpoisuus selvittää aina tarkasti. 3 Nanoyritysten haastattelu- ja kyselytulokset 7

8 4.2.1 Sekundääripinnat: ei kosketusta elintarvikkeen kanssa Elintarviketuotannon sekundääripinnoilla ei ole kosketusta elintarvikkeen kanssa. Mahdollisia käyttökohteita on lukuisia, kuten elintarviketeollisuuden ja konevalmistajien haastatteluista ilmenee. Eniten mainintoja saivat hygieenisyyttä parantavat ja kitkaa alentavat pinnoitteet sekä tehokkaammat eristeratkaisut. Korroosionkesto hoidetaan usein materiaalivalinnoilla. Korroosiosuojaa parantava pinnoite voi kuitenkin olla tarpeellinen koneenvalmistuksen vientituotteissa maissa, jossa vesi on rautapitoista. Elintarviketeollisuuden haastatteluissa mainittuja käyttökohteita l Antimikrobiset pinnoitteet Kuljetinhihnojen pinta pakatuille tuotteille l Kitkaa alentavat pinnoitteet (kuivavoitelu) Akselit ja laakerit laitteistoissa, eroon voiteluaineista Pakkausradat l Eristys (nanoeriste) Uunien ulkopinnat (erityisesti kylmätiloissa sijaitsevat) Keittokattiloiden ja kypsytystankkien ulkopinnat Koneenvalmistajien haastatteluissa mainittuja käyttökohteita l Likaa hylkivät pinnoitteet Juustomuotin käsittelylinjasto: valuva hera on tahmaavaa Ilmastointikanavat, joihin kertyy rasvaa Yli metrin korkeudella olevat pinnat, joita vaikeampi puhdistaa l Antimikrobiset pinnoitteet Sähkökeskusten pinnat, joita ei voi pestä vaahtopesuaineella l Kulutusta kestävät pinnoitteet Kuljettimien kaiteet ja liukumuovi, jonka päällä lamellikuljetin liikkuu l Kitkaa alentavat pinnoitteet (kuivavoitelu) Kuljettimien kaiteet ja liukumuovi, jonka päällä lamellikuljetin liikkuu Jätteiden siirtoputkien sisäpinnat l Korroosiota estävät pinnoitteet Rautapitoista vettä sisältävissä kohteissa sulatushuoneiden seinä- ja lattiapinnat l Nanoeristeet Sterilointialtaan ulkopinta työturvallisuussyistä Tilarajoitteiset kohteet (Uudet energiamääräykset kasvattavat eristysvaatimuksia, joten tehokkaammalle/ohuemmalle eristeelle tarvetta) Ovet ja luukut seiniä ohuempina rakenteina Pakastevarastot keskellä lämmitettyä tilaa 8

9 4.2.2 Kontaktimateriaalit: kosketus elintarvikkeen kanssa Näissä käyttökohteissa nanomateriaali tai -pinnoite on kosketuksissa elintarvikkeen kanssa. Huomioitavaa on tiukempi lainsäädäntö ja materiaalivaatimukset. Elintarviketeollisuudessa ideoitiin seuraavia käyttökohteita. Haastatteluissa tärkeimpänä pidettiin ehdottomasti elintarviketurvallisuuden varmistamista: materiaalin on oltava myrkytön ja sitä ei saa irrota haitallisissa määrin elintarvikkeeseen. Kontaktimateriaaleja käsitellään tarkemmin luvussa Lainsäädäntö ja sertifikaatit. Elintarviketeollisuuden haastatteluissa mainittuja käyttökohteita l Helppo puhdistettavuus (nanopinnoite) Levylämmönvaihtimet pastöroinnissa Leikkuupöytien pinnat Putkistojen kuolleet kulmat l Kitkanalennus eli kuivavoitelu (nanopinnoite) Kaatosuppilot tuotteille, jotka liikkuvat ruostumattoman teräksen pinnalla hankalasti 4.3 Nanomateriaalien edut ja rajoitteet elintarviketeollisuudessa - asiakasnäkökulma Nanomateriaalien hyödyntämisen lähtökohtana koneenrakennuksessa on se, että asiakas kokee tuotteen tarpeelliseksi. Nanoteknologialle syntyy kysyntää, mikäli se parantaa aidosti elintarviketeollisuuden tuotantolaitosten käyttöolosuhteita. Tähän lukuun on koottu haastattelutuloksia eduista ja elintarvikkeita valmistavien yritysten mainintoja rajoitteista. Edut Haastatteluissa ilmeni useita esimerkkejä, joissa nanomateriaalin käyttö voisi parantaa tuotantolaitoksella hygieenisyyttä, energiatehokkuutta ja koneenosien käyttöikää. Tarkemmat ehdotukset käyttökohteiksi on esitetty edellisessä luvussa 3.2 Nanomateriaalien hyödyntämismahdollisuudet elintarvikealalla. Taulukossa 3 on käsitelty elintarviketeollisuuden etuja yleisemmin. Nanopinnoitteessa voi olla useita ominaisuuksia valmistajasta riippuen, mutta Taulukossa 3 ominaisuudet on eritelty. 9

10 Taulukko 3. Nanomateriaalien mahdolliset hyödyt elintarvikelaitoksella. 4 Hyöty elintarvikelaitoksella Nanomateriaali Käyttökohde-esimerkki Hygieenisyys parantuu elintarviketuotannossa ja mikrobikontaminaatioiden riski pienenee Antimikrobinen pinnoite Pinnoitus paikoissa, joissa puhdistettavuus on hankalampaa (ei voida käyttää vaahtopesuainetta tai pintaan on vaikea ulottua) Hygieenisyys ja siisteys parantuvat elintarviketuotannossa, pesumenetelmät voivat olla miedompia, edullisempia tai helpompia Energiatehokkuus tuotannossa kasvaa ja energiakustannukset alentuvat Ohuemmalla eristepaksuudella saadaan lisää säilytysalaa tilarajoitteisissa kohteissa Nanomateriaali toimii passiivisena turvaratkaisuna sähkökatkon aikana (perinteisiä materiaaleja tehokkaampi eristys) Koneenosien käyttöikä kasvaa, ja huoltoväli pitenee Likaa hylkivä pinnoite Nanoeriste Nanoeriste Nanoeriste Kulutuskestävyyttä kasvattava ja kitkaa alentava pinnoite Pinnoitus paikoissa, joissa puhdistettavuus on hankalampaa (ei voida käyttää vaahtopesuainetta tai pintaan on vaikea ulottua) Kohteet, joissa tarvitaan tehokasta eristystä ja energiansäästö ylittää eristeen investointikustannukset (mahdollisesti pakastevarastot lämmitetyssä tilassa) Kylmävarastojen ovet ja luukut, joita ei rakennusteknisistä syistä voida eristää yhtä paksusti Tilarajoitteiset kylmäsäilytyskohteet Pakasteiden säilytyspaikat, kuten kylmävarastot ja kuljetusautot Akselit, laakerit Voiteluaineista päästään eroon Kitkaa alentava pinnoite Aiemmin voiteluainetta tarvinneet koneenosat 4 Nanoyritysten, koneenvalmistajien ja elintarviketeollisuuden haastattelutulokset. 10

11 Rajoitteet Nanomateriaalit ovat ominaisuuksiltaan houkuttelevia, mutta niiden käyttöön liittyy myös epävarmuustekijöitä elintarvikeyrityksen näkökulmasta. Niistä tärkeimpänä elintarvikeyritysten on varmistuttava siitä, että elintarviketurvallisuus säilyy. Todennettavuus: Ennen kuin nanomateriaali päätyy elintarvikelaitoksen käyttöön, halutaan käyttöturvallisuustietojen lisäksi vertailutietoa nanotuotteen hyödyistä perinteisiin materiaaleihin nähden. Asiakkaan hyväksyntä: Osalla elintarvikeyrityksistä on suurasiakkaita, joilla on hyväksytettävä kaikki tuotantoprosessissa tehtävät muutokset materiaalivalinnoista alkaen. Tästä saattaa muodostua rajoite nanomateriaalin käyttöönotolle. Lisäksi elintarvikkeen valmistaja voi huolestua kuluttajien reagoinnista, joten elintarvikeyrityksellä tulisi olla tietoa tuoteturvallisuudesta: voiko nanomateriaalia päätyä elintarvikkeeseen haitallisissa määrin ja mitä riskejä tai pitkäaikaisvaikutuksia saattaa esiintyä. Käyttöolosuhteet: Elintarviketuotannossa kaivataan tietoa nanomateriaalien pesunkestävyydestä sekä kylmän- ja kuumansietokyvystä. Elintarvikelaitoksilla lämpötila vaihtelee pakastusolosuhteista (-30 C) kuumaan pesuveteen (150 C). Lisäksi käytetään erilaisia pesuaineita, joiden ph vaihtelee suuresti: Tyypillisesti typpihappoa ja emäksistä lipeää (NaOH) suljetuissa pesukierroissa. Muita pintoja pestään muun muassa emäksisillä vaahtopesuaineilla. Osaan pesukohteista kohdistuu mekaanista hankausta tai painetta pesuveden myötä. Säännöllinen pesu on lakisääteinen vaatimus, joten siitä ei voida luopua pinnoitteiden takia. Toisaalta likaahylkiviksi pinnoitetuissa kohteissa voidaan pesutapoja miedontaa, mikä voi säästää kokonaiskustannuksia. Prosessilaitteistojen uudelleen muotoilu: Kun prosessiin tehdään muutoksia, ja laitteistoja hitsataan sekä muotoillaan uudelleen, nanopinnoite vaurioituu. Jos prosessimuutokset ovat harvinaisia ja nanopinnoite uudistettavissa helposti, tämä on rajallinen ongelma. 4.4 Teknologian soveltaminen konevalmistajan näkökulmasta Nanomateriaalin arvoketjussa on monta toimijaa, joista konevalmistaja keskimmäisenä on yhteydessä sekä nanotuotteen valmistajaan että elintarvikealan tuotantoon. Uudessa teknologiassa konevalmistajan on huomioitava muun muassa lainsäädäntöön, työturvallisuuteen ja käyttöympäristöön liittyviä seikkoja. Yhteenveto toimintaympäristöstä on esitetty Kuvassa 1. Tarkemmin nanomateriaaleja koneenvalmistajan näkökulmasta käsitellään tässä luvussa. 11

12 Kuva 1. Nanotuotteen arvoketju elintarvikealan koneenrakennuksessa Lainsäädäntö ja sertifikaatit Elintarvikealaa säätelee lainsäädäntö, joten sen vaatimukset on huomioitava materiaalivalinnoissa. Materiaalit voidaan jakaa kahteen ryhmään: elintarvikkeiden kanssa kontaktissa oleviin pintoihin (nk. kontaktimateriaalit) ja sekundääripintoihin, jotka eivät kosketa elintarvikkeeseen. Keski-Euroopassa on elintarvikevalmistuksessa käytettäville laitteistoille sertifikaatteja, joita esimerkiksi The European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) myöntää. 5 Suomessa ei ole elintarvikealan laitteistoille tällaista sertifikaatti-tahoa, vaan materiaalit valitaan lainsäädännön vaatimusten mukaan. 6 Yleisessä hygienia-asetuksessa (EY) N:o 852/2004 todetaan millaisia ominaisuuksia elintarvikelaitosten pintamateriaaleilla tulisi olla, mutta materiaaleja ei määritellä tarkemmin. Liitteessä 1 hygienia-asetuksen pintoja koskeva luku on esitetty kokonaisuudessaan, ja tiivistetysti siinä todetaan Lattia- ja seinäpinnat: vedenpitävien, nestettä hylkivien, pestävien ja myrkyttömien materiaalien käyttö. Helposti puhdistettavissa ja tarvittaessa desinfioitavissa. Seinäpinnat lisäksi sileät Sisäkatot: estävät lian kerääntymisen ja vähentävät kosteuden tiivistymistä, haitallisen homeen muodostumista ja hiukkasten varisemista Laitteiden pinnat: sileiden, pestävien, ruostumattomien ja myrkyttömien materiaalien käyttö. Helposti puhdistettavia ja tarvittaessa desinfioitavia. 5 The European Hygienic Engineering & Design Group, Pirilä, T., Kometos Oy,

13 Muussa tapauksessa on osoitettava viranomaisille, että käytetyt materiaalit ovat soveltuvia 7 Kontaktimateriaalit Kaikille kontaktimateriaaleille asetetuista vaatimuksista säädetään EY:n asetuksessa elintarvikkeen kanssa kosketukseen joutuvista materiaaleista ja tarvikkeista (EY) N:o 1935/2004. Asetuksen pääajatuksena on, että materiaalista ei saa käyttöolosuhteissa siirtyä elintarvikkeeseen haitallisia määriä ainesosia, jotka Voivat vaarantaa ihmisen terveyden Aiheuttavat muutoksia elintarvikkeen koostumuksen tai Heikentävät elintarvikkeen aistinvaraisia ominaisuuksia 8 Nanomateriaaleista ei ole olemassa erillistä lainsäädäntöä Suomessa tai EU:ssa. EU:n muoviasetuksen no 10/2011 mukaan muovituotteiden valmistuksessa saa käyttää nanomuotoisia aineita vain, jos ne sisältyvät asetuksen liitteeseen 1. Tällaisia aineita on tällä hetkellä kaksi: hiilimusta ja titaanitrioksidi. Elintarviketurvallisuusvirasto Eviran mukaan kansallista lainsäädäntöä ei ole tarkoituksenmukaista luodakaan, vaan tulevaisuudessa noudatetaan EU-tason asetuksia. Toisaalta yleistä nanoasetusta tuskin säädetään, sillä nanoteknologia on hyvin laaja ja monissa food- ja non-food sovellutuksissa käytetty menetelmä. Muun nanoteknisen tuotteen kuin edellä mainittuja kahta ainetta sisältävän muovin käyttö kontaktimateriaalina edellyttää, että materiaalin valmistaja on teettänyt tuotteelle turvallisuusarvioinnin ja että tuote on saanut positiivisen lausunnon. Tämän selvityksen mukaan sellaisia ei toistaiseksi ole Suomessa tehty. Lainsäädännön puuttuessa EU:ssa ei ole valmista mallia turvallisuusarvioinnin sisällöstä, joten kannattaa kääntyä riittävän ammattitaidon omaavan, riskinarviointia tarjoavan konsulttiyrityksen puoleen. Turvallisuusarviointia varten voi etsiä myös referenssejä seuraavista organisaatioista: EFSA (European Food Safety Authority) BfR (Bundesinstitut fϋr Risikobewertung). Vastuu nanomateriaalin käytöstä jakautuu elintarvikkeen valmistajan ja laitevalmistajan kesken. Elintarvikevalmistajan on määriteltävä millaiseen toimintaympäristöön laitteisto tulee. Ja laitevalmistajan on puolestaan tarjottava vaatimustasoa vastaava tuote, jonka turvallisuuden hän osoittaa kirjallisella dokumentilla. Dokumentin ja lausunnon antaminen kuuluu turvallisuusarvioinnin tekevälle konsulttiyritykselle. 9 7 Yleinen hygienia-asetus, Euroopan parlamentin ja neuvoston asetus (EY) N:o 852/2004 elintarvikehygieniasta. 8 Evira, Kostamo, Pirkko, Evira,

14 4.4.2 Laitteistojen valmistusmateriaalit ja käyttöympäristö elintarviketeollisuudessa Elintarvikealan tuotantolaitoksissa käytetään pääasiassa ruostumatonta ja haponkestävää terästä sekä elintarvikehyväksyttyä muovia laitteistoissa. Seinä- ja lattiamateriaalina voi olla esimerkiksi lasikuitulaminaatti. Nanomateriaalin tai nanopinnoitteen on oltava yhteensopiva kone- ja laitevalmistajien materiaalivalikoiman kanssa. Tähän selvitykseen haastattelujen yritysten tuotevalikoima soveltuu teräkselle ja muoville. Joka tapauksessa nanomateriaalin yhteensopivuus on syytä tarkistaa koneenvalmistajaa kiinnostavalta nanotuotteen valmistajalta. Elintarviketeollisuuden erityispiirteitä ovat vaihtelevat lämpötilat ja pesumenetelmät, jotka on huomioitava materiaalivalinnoissa myös nanotuotteiden osalta. Lämpötila-alue ulottuu pakastustiloista (-30 C) kuumaan pesuveteen (150 C). Kaikkia kohteita ei pestä samalla tavalla. Yleensä suljetussa pesukierrossa (CIP) käytetään äärimmäisimpiä olosuhteita: ph-vaihtelu on suuri jopa 1-14, sillä pesuohjelma sisältää happo- ja emäskäsittelyn typpihapolla ja lipeällä (NaOH). Suljetun pesukierron ulkopuolella emäksinen vaahtopesuaine on yleisesti käytössä: eräs tyypillinen tuote on Ecolabin P3 Topax 66, jonka ph on noin 12. Pesua voidaan lisäksi tehostaa veden paineella tai hankauksella. Kaikkia kohteita, kuten sähkökeskuksien pintoja ei voida pestä vaahtopesuaineella. Joka tapauksessa elintarviketeollisuuden käyttöolosuhteita määrää jatkuva, säännöllinen pesurutiini. 10 Pesuolosuhteiden sietokyky on yksi oleellisimmista tekijöistä, joka vaikuttaa nanomateriaalin käytettävyyteen elintarviketeollisuudessa. Koneenvalmistajan tulisi määritellä millaisiin olosuhteisiin nanomateriaali päätyy, jotta voidaan varmistua sen kestävän toiminnallisena riittävän kauan. Samalla huomioidaan sekä turvallisuus- että taloudellisuusnäkökulmat. Nanoyritysten mukaan on syytä tehdä yhteistyötä, jotta saadaan laajempia testaustuloksia nanomateriaaleista elintarvikelaitosten käyttöolosuhteissa. Liitteeseen 2 on koottu haastateltujen nanoyritysten tuotteiden ominaisuudet lämpötilan, ph:n ja pesutavan osalta. Lämpötilan sietokyky on nanomateriaaleilla erinomainen elintarvikealan tarpeisiin nähden, mutta ph-kokeita on syytä tehdä lisää Nanomateriaali osana kokoonpanoprosessia ja nanotuotteen uusiminen Nanomateriaali voidaan liittää elintarviketeollisuuteen toimitettavaan laitteistoon kahdella tavalla: joko osana omaa kokoonpanoprosessia tai alihankintana. Valittu toimintamalli riippuu nanomateriaalin toimittajasta, tosin joissain tapauksissa molemmat vaihtoehdot ovat mahdollisia. Tässä luvussa on kuvattu 10 Elintarvikevalmistajien ja koneenvalmistajien haastattelut 14

15 muutama esimerkki nanotuotteiden yhdistämisestä kokoonpanoon. Liitteessä 2 on kerrottu tarkemmin kaikkien haastateltujen nanoyritysten toimitustavat. Osa nanopinnoitteista on kokorajoitteisia; suurimman pinnoitettavan kappaleen koon määrää pinnoituslaitteiston mitat (Liite 2). Nanomateriaalin lisääminen laitteistoon osana omaa kokoonpanoa: Millidyne Oy tarjoaa muun muassa likaahylkiviä ja antimikrobisia pinnoitteita. Pinnoiteaine on nestemäinen ja levitetään valitulle pinnalle paineilmatoimisella ruiskulla. Levityksen jälkeen pinnan annetaan kuivua yön yli. Työ on verrattavissa ruiskumaalaukseen eli vaatii hyvän ilmanvaihdon, hengityssuojan ja suojavaatteet. Tuotantotyöntekijät pystyvät hoitamaan pinnoituksen perehdytyksen jälkeen. Ruiskutuspinnoituksella ei ole kokorajoituksia työskentelytavasta johtuen. 11 Vicover Oy toimittaa nanoeristemateriaalin asennusvalmiina osina. Koneenvalmistaja tarvitsee varaston eriste-elementeille ja tuotantotilan, jossa eriste yhdistetään valmiiseen tuotteeseen. Yrityksessä kehitetään ruiskutettavia eristepinnoitteita, ja se saattaa olla tulevaisuuden vaihtoehto. Ennen varsinaista kokoonpanoa tuotannon suunnittelijoiden kanssa käydään läpi tarkasti millaiset materiaalivalinnat ja eristepaksuudet ovat tarkoituksenmukaisia. 12 Palvelun teettäminen alihankintana: Diarc-Technology Oy:n päätuote on pinnoituspalvelu eli koneenosat pinnoitetaan tyhjiökammiossa yrityksen toimipisteessä Espoossa. Kammion sisämittojen mukaisesti käsiteltävien osien maksimikoko on 60*100 cm. 13 Samoin Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy:n toimintatapa on alihankintatoimitus. Koneenosien kokorajoite on 70*100 cm. Hyvin suurille toimijoille yritys toimittaa myös pinnoituslaitteistoja, mutta investointi on miljoonaluokkaa. 14 Molemmat yritykset tarjoavat mekaanista kestävyyttä parantavaa ja kitkaa alentavaa pinnoitetta. Jotkut nanotuotteet kestävät laitteiston elinkaaren ajan, ja toiset vaativat uusimista laitteiston ollessa käytössä elintarviketeollisuudessa (Liite 2). Haastattelutulosten perusteella nanokomponentilla seostetut materiaalit ovat pitkäikäisiä ja nanopinnoitteet vaativat uusintakäsittelyn. Esimerkkinä paperiteollisuudessa likaahylkivä/antimikrobinen nanopinnoite uusitaan kerran vuodessa, mutta käyttöolosuhteista riippuen uusintaväli voi vaihdella paljon. Huoltotoiminta on järjestettävä yhteistyössä nanomateriaalin valmistajan kanssa, joten sujuvaa ja osapuolia tyydyttävää liiketoimintamallia täytyy pohtia. 11 Kolari, Mika, Millidyne Oy, Oinonen, Toni, Vicover Oy 13 Viuhko, Juha, Diarc-Technology, Forsell, Thomas, Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy,

16 4.4.4 Työturvallisuus Suomen Työterveyslaitos TTL on aktiivinen nanoturvallisuuden osalta: Vuonna 2011 on perustettu nanoturvallisuuskeskus, joka keskittyy työympäristössä esiintyvien nanohiukkasten haittojen ja riskien ehkäisyyn sekä turvallisuuden edistämiseen. Nanoturvallisuuskeskuksessa annetaan neuvontaa ja tehdään tarvittaessa maksullisena konsultaationa työpaikkakäyntejä. 15 Toistaiseksi teollisuudessa ja viranomaistahoilla on päästy yhteisymmärrykseen siitä, että nanokokoiset hiukkaset aiheuttavat erilaisia terveysriskejä kuin suuremmat partikkelit. Pienen kokonsa takia ne saattavat kulkeutua elimistössä ja kertyä esimerkiksi keuhkoihin tai muihin elimiin. Lisätietoa tarvitaan jatkuvasti: tällä hetkellä kehitetään muun muassa testausmenetelmiä ja niiden standardointia sekä ehdotuksia haitallisten pitoisuuksien raja-arvoiksi. Yleisimpiä nanohiukkasia tunnetaan muutamia satoja. 16 Ohjeita työnantajalle koneenvalmistuksessa Erityisesti nanoturvallisuuteen liittyvää lainsäädäntöä ei ole olemassa, mutta nykyisellä tietämyksellä voidaan antaa työturvallisuusohjeita nanomateriaalien käsittelyssä. Mikäli koneenvalmistuksen kokoonpanossa halutaan aloittaa nanopinnoitus, kannattaa työnantajan suunnitella koko prosessi etukäteen myös työturvallisuuden osalta. Jos nanopinnoitus hoidetaan alihankintana nanotuotteen valmistajan tiloissa, vähenee työturvallisuuden suunnittelutyö. Ennen nanopinnoituksen käyttöönottoa selvitetään: Mitä tuotetta käytetään ja kuinka paljon Millaisilla työtavoilla ja työtilajärjestelyillä suojaudutaan nanotuotteelta (yhteistyö nanotuotteen valmistajan kanssa) Tarvitaanko lisäneuvoja ja mittauspalveluita työterveyslaitokselta 17 Erityisen tärkeää on henkilöstön tiedottaminen ja ohjeistus, jotta uuden materiaalin ominaisuuksista tai käytöstä ei tule epäilyksiä. 18 Nanomateriaalin hankinnassa kannattaa varmistaa, että käyttöturvallisuustiedote on saatavilla ja VOC-direktiivi, kemikaalien REACH-asetus sekä biosidi-direktiivi (antibakteerisille pinnoitteille) on huomioitu Savolainen, Kai, Työterveyslaitos, Savolainen, Kai., Työterveyslaitos ja Savolainen, Kai., Työterveyslaitos, Savolainen, Kai., Työterveyslaitos, Mahiout, Amar. ja Backman, Ulrika., VTT,

17 Työturvallisuusohjeita nanotuotteiden käsittelyyn: Nanopinnoitteen levityksessä nestemäinen olomuoto vähentää altistumista hiukkasille Hyvä ilmanvaihto on tärkeää Nanotuotteen käsittelijän tulisi käyttää hengityssuojainta ja suojavaatteita Suojavaatteet säilytetään yhdessä tilassa työpaikalla ja peseydytään työskentelyn jälkeen, jotta nanohiukkaset eivät kulkeudu vähitellen ympäristöön Kokonaistaloudellisuus: hyödyt ja kulut Nanomateriaalien käyttö koneenrakennuksessa aiheuttaa määrättyjä kuluja, ja liiketaloudellisesti hyödyn on oltava kustannuksia suurempaa. Toistaiseksi numeerista tulojen ja menojen tarkastelua ei voida tehdä, sillä nanomateriaaleista ei juurikaan ole käyttökokemuksia elintarviketeollisuudessa. Lisäksi pinnoitteiden osalta käyttöikä riippuu sovelluskohteesta. Kokonaistaloudellisen kuvan luomiseksi tarvitaan pilotointia ja yhteistyötä elintarviketeollisuuden konevalmistajien ja nanomateriaalien toimittajien kesken. Kustannukset riippuvat valitusta nanotuotteesta ja tavasta, jolla se liitetään lopulliseen konevalmistajan tuotteeseen. Alihankintana tilattavasta pinnoituksesta tai nanokomposiitista ei synny investointikustannuksia, mutta työssä on myyntikate. Toisaalta osa pinnoitusmenetelmistä on sellaisia, että ne onnistuvat vain pinnoitevalmistajan laitteistolla yrityksen toimipisteessä. Osa nanopinnoitteista voidaan levittää koneenvalmistajan tiloissa. Silloin pinnoituskuluissa säästetään, jos koneenvalmistajalla on valmiina työhön soveltuvat tilat. Tässä luvussa on esitetty esimerkkejä erilaisista kustannusrakenteista nanomateriaalien valmistajien arvioimana. Pinnoitteita on uusittava ajoittain, mutta käyttöikä riippuu hyvin paljon sovelluskohteesta. Siksi yksikään nanopinnoitteen valmistaja ei uskaltanut arvioida käyttöikää. Toisin sanoen pinnoitteen lisäkustannuksia elintarviketeollisuudelle ei tunneta ilman käytännön kokemusta yksittäisestä käyttökohteesta. Muiden nanomateriaalien käyttöikä on useita vuosikymmeniä, joten niistä ei koidu elintarviketeollisuudelle lisäkustannuksia. 20 Savolainen, Kai, Työterveyslaitos,

18 l Millidyne: likaahylkivä/antimikrobinen pinnoite 21 Periaate: koneenrakentaja voi ruiskuttaa itse (vastaa työvaiheena maalausta) Koneenrakentajan investointikustannukset: maalaustila ja ilmanvaihto, suojavarusteet Koneenrakentajan käyttökustannukset: l 4-6,7 /m2 + työvoimakulut Loppukäyttäjän kustannukset: pinnoitteen uusintatiheys riippuu käyttökohteesta Huomio: Osat voidaan pinnoittaa myös Millidynellä alihankintana l Diarc: mekaanista kestävyyttä parantava ja kitkaa alentava pinnoite 22 Periaate: koneenrakentaja lähettää koneenosan pinnoitettavaksi Diarcille Koneenrakentajan investointikustannukset: 0 Koneenrakentajan käyttökustannukset: l n /osa (riippuu osan koosta ja eräkoosta) l Pienet teollisuusleikkurit usean tuhannen sarjatuotantona alle 1 /osa Loppukäyttäjän kustannukset: pinnoitteen uusintatiheys riippuu käyttökohteesta l Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy: mekaanista kestävyyttä parantava ja kitkaa alentava pinnoite 23 Periaate: koneenrakentaja tai hänen alihankkijansa toimittaa pinnoitettavat osat Oerlikonille Koneenrakentajan investointikustannukset: 0 Koneenrakentajan käyttökustannukset: l noin 10 /osa (esimerkkikoko 10 mm * 100 mm) Loppukäyttäjän kustannukset: pinnoitteen uusintatiheys riippuu käyttökohteesta l Vicover: nanoeriste 24 Periaate: Vicover toimittaa eristeen asennusvalmiina osina. Koneenrakentajan investointikustannukset: tilantarve Koneenrakentajan käyttökustannukset: l Tyypillisesti /m2 eristepaksuudesta ja -tyypistä riippuen + työvoimakulut Loppukäyttäjän kustannukset: luvataan 50 vuoden käyttöikä, joten ei tarvitse vaihtaa koneen elinkaaren aikana 21 Kolari, Mika, Millidyne Oy Viuhko, Juha, Diarc Technology Oy, Forsell, Thomas, Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy, Oinonen, T., Vicover Oy,

19 4.5 Yhteenveto potentiaalisimmista sovelluskohteista ja SWOT-analyysi Nanomateriaalit tarjoavat kiinnostavia mahdollisuuksia elintarviketeollisuuden tuotantolaitoksilla. Suurimmat haasteet liittyvät pesuolosuhteisiin ja epätietoisuuteen pinnoitteiden käyttöiästä ennen uusimistarvetta. Tässä selvityksessä ilmenneet rajoitteet huomioiden sovelluskelpoisimmilta käyttökohteilta vaikuttavat Sekundääripinnat eli ei kosketusta elintarvikkeeseen (FDA-hyväksynnän elintarvikekontaktiin saanut pinnoite poikkeuksena 25 ) Nanoeristys: kylmäsäilytysketju kohteissa, joissa suuri energiansäästöpotentiaali, rajoitteita eristepaksuudelle tai tarvitaan passiivinen suoja sähkökatkosten varalta. Lianhylkivyys: kohteet, joita on hankala puhdistaa ja joihin käytetään miedompia pesutapoja Kuivavoitelu: kohteet, joissa halutaan eroon voiteluaineista Kontaktimateriaalit ovat kiinnostavia: likaa hylkivien pinnoitteiden käyttö voi vähentää pesuaikaa ja -kuluja, mutta elintarviketurvallisuus on tuotekehityksessä etusijalla. Jos nanotuotetta aiotaan käyttää kontaktimateriaalina, pitää sen elintarvikekelpoisuus selvittää aina teettämällä tuotteelle turvallisuusarviointi ja hankkimalla sille positiivinen lausunto. Tämän työn perusteella sellaisia ei ole vielä tehty Yhdysvalloissa FDA-hyväksynnän saanutta pinnoitetta lukuunottamatta. SWOT-analyysi eli vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhat nanomateriaalien käytöstä elintarviketeollisuuden koneenrakennuksessa on esitetty Taulukossa Forsell, Thomas, Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy, 2011,

20 Taulukko 4. SWOT-analyysi, nanomateriaalit elintarvikealan koneenrakennuksessa. Vahvuudet Kotimaisia nanomateriaaleja on saatavilla ja tuotevalikoima on melko laaja Elintarviketeollisuudesta ja konevalmistajilta syntyi lukuisia ideoita nanomateriaalien hyödyntämiskohteista Nano-osaamista voi ostaa alihankkijoilta Ulkomaalaisista nanotuotteista löytyy caseesimerkkejä elintarviketeollisuudessa Koneenrakennuksessa löytyy jo käyttöesimerkkejä muilta teollisuusaloilta Energiatehokkuuden parantaminen on yhä tärkeämpää lakivaatimusten ja nousevien käyttökustannusten takia. Nanoeristeet yksi vaihtoehto Neuvontaa saatavilla nanoturvallisuuskeskuksesta Heikkoudet Toistaiseksi suurin osa nanomateriaalien käytöstä rajoittuu sekundääripinnoille Pinnoitteiden ph-kestävyyttä ei ole tutkittu riittävän laajasti: pesuolosuhteiden sietokyky on varmennettava Pinnoitteiden uusimisväli riippuu käyttökohteesta, joten sitä ei juuri voida ennakoida Nanomateriaaleista elintarviketeollisuudesta on vain vähän kokemuksia Nanomateriaaleille ei ole omaa lainsäädäntöä Nanoturvallisuustutkimus on vielä kesken Konevalmistaja ei voi vielä laskea tarkasti hyötyjen rahallista arvoa ja verrata sitä kustannuksiin (käyttöesimerkkien vähäisyys ja tilannekohtaisuus) Mahdollisuudet Nanomateriaaleilla voidaan kehittää asiakkaiden toimintaympäristöä ja erottua kilpailijoista Etulyöntiaseman hankkiminen, sillä käyttöesimerkkejä on vasta muutamia Palvelutaso paranee, jos nanomateriaalia voidaan lisätä yksilöllisesti asiakkaan tarpeen mukaan Yhteistyössä nanotuotteiden valmistajien kanssa räätälöidään materiaaleja elintarvikealalle (mm. pesujen huomiointi) Uhat Nanotuotteen hyötyjä ei saada perusteltua riittävästi elintarvikealan asiakkaalle Elintarviketeollisuus kokee nanomateriaalien riskien olevan hyötyjä suurempia Konevalmistaja ei saa lisäinvestoinnilleen tarpeeksi katetta Tuotevalikoima voi kasvaa vaikeasti hallittavaksi, jos yksilöllisiä nanoratkaisuja asiakkaille on paljon Nanotuotteiden pesuolosuhteiden sietokyky parantuu ja käyttökohteet laajenevat 20

21 5 Pitkän aikavälin kehitysnäkymät Nanomateriaaleja kehitetään jatkuvasti sekä yliopistoissa, tutkimuskeskuksissa että yritysprojekteissa. Yhteenveto tulevaisuuden kehitysnäkymistä on koottu Kuvaan 2. Pitemmällä aikavälillä markkinoille tulee uudenlaisia nanomateriaaleja, ja erityisesti pinnoitteiden ominaisuudet moninaistuvat. Viiden vuoden kuluessa Antimikrobisten pinnoitteiden menetelmäkehitys Antimikrobisten pinnoitteiden käyttöympäristö laajenee (mikrobiologisia riskejä halutaan välttää) UV-valonlähteet kehittyvät, ja niitä voidaan hyödyntää fotokatalyyttisten pinnoitteiden valonlähteenä Kymmenen vuoden kuluessa Materiaalin itsekorjautuvuus kaupallinen tuote (5-15 v. korjautuvasta ominaisuudesta riippuen) Fotokatalyyttiset antimikrobiset pinnoitteet kaupallisia Jäätä hylkivät pinnoitteet markkinoilla Käyttöympäristöstä viestivä pinnoite kaupallistuu Nanomateriaaleille on todennäköisesti kehitetty standardeja Kuva 2. Nanomateriaalien pitkän aikavälin kehitysnäkymät. Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa VTT:llä työskennellään sekä nanohiukkasten että nanopinnoitteiden parissa. Parhaillaan VTT:llä kehitetään jäätä hylkivää nanopinnoitetta. Se on koneenrakennuksen osalta kiinnostava esimerkiksi jäähdytyslaitteistoissa, joihin kertyy ajan mittaan energiatehokkuutta heikentävää kondenssijäätä. Nanopinnoitteen tuotteistamisen arvioidaan kestävän 5-10 vuotta. 26 Tampereen teknillisessä yliopistossa on tutkittu nanopintoja 1990-luvulta asti. Menetelmäkehityksessä testataan uusia pinnoitteiden levitystapoja ja pyritään alentamaan pinnoituskustannuksia. Uusien sovellusten osalta tutkitaan itsekorjautuvia pintoja ja fotokatalyyttisiä antimikrobisia pinnoitteita. Itsekorjautuvat pinnoitteet on tarkoitettu korjaamaan vaurioitunut pinta teknisiltä ominaisuuksiltaan toimivaksi, esimerkiksi korroosioneston suhteen. Sinkitty pinta on onnistuttu tekemään jo itsekorjautuvaksi, mutta itsekorjautuvasta ominaisuudesta riippuen tuotteistaminen voi kestää Mahiout, Amar ja Backman, Ulrika, VTT

22 vuotta. Fotokatalyyttisissä ratkaisuissa on valossa aktivoituva nanopinta, joka tuhoaa kemiallisten reaktioiden avulla mikrobeja. Toistaiseksi tarvitaan näkyvää valoa antimikrobisten ominaisuuksien aikaansaamiseen, mutta UV- ja led-valojen kehitys tulee parantamaan käytettävyyttä sisätiloissa. 27 Kansainvälisessä pinnoitetutkimuksessa pyritään luomaan materiaaleja, jotka reagoivat ympäristönmuutokseen esimerkiksi värillä ja tuottavat tietoa käyttöympäristöstä. Värimuutos voi tapahtua esimerkiksi signaalina pinnan kulumisesta tai mikrobikasvustosta pinnoitteen päällä. 28 VTT:n, Aallon, TTL:n ja portugalilaisen IST:n kansainvälisessä RESCOAT-yhteistyöprojektissa päätavoitteena on kehittää uusia aktiivisia pintoja, joissa käytetään kapselointimenetelmiä hyödyntäviä hybridipinnoitteita. Kapselit ovat joko hitaasti vapauttavia tai ne reagoivat ulkoiseen ärsykkeeseen. Ne sisältävät erilaisia aktiivisia komponentteja, joiden avulla pyritään tuottamaan ratkaisuja biokasvustojen estämiseksi, syttymisajan pidentämiseksi (palonestoon), jäänestoon sekä maalinaarmujen itsekorjautuvuuteen. Sovellukset voivat tulevaisuudessa parantaa tuotteiden käyttöikää, turvallisuutta, ja käyttövarmuutta. 29 Nanoliiketoiminta Nanomateriaalien valmistajat odottavat liiketoiminnan kasvua lähivuosina ja pitkällä tähtäimellä: kehitystä tulee tapahtumaan sekä vanhojen sovelluskohteiden asiakasmäärissä että uusissa sovelluskohteissa. Nanopinnoitteiden tarjonta lisääntyy ja niiden ominaisuuksien säädettävyys paranee. Asiakkaiden tietoisuus kasvaa ja käyttökokemuksien myötä pinnoitteiden toimivuus voi parantua. Pinnoitteiden ja kemikaalien turvallisuus ja terveysvaikutukset tunnetaan paremmin ja ymmärretään että kaikki nano ei ole samanlaista. Toisaalta nanotuotteella ei ole itseisarvoa ellei sen avulla saavuteta etuja, joita muilla materiaaleilla ei ole saatavissa. Haastatelluissa yrityksissä elintarvikealan koneenrakennus nähdään nykytilanteessa ja tulevaisuudessa kiinnostavana asiakaskuntana. Toisaalta tarvitaan koneenvalmistajien ja nanotuotteita tarjoavien yritysten yhteistyötä, jotta nanotuotteiden soveltuvuus elintarviketuotannon pesuolosuhteisiin voidaan tarkentaa. Sekundääripinnat, jotka eivät ole elintarvikkeiden kanssa kontaktissa nähdään potentiaalisimpana sovelluskohteena. 27 Levänen, E., Tampereen teknillinen yliopisto, Levänen, E., Tampereen teknillinen yliopisto, Tekes, toiminnalliset materiaalit- ohjelma,

23 6 Koneenrakennuksen nanoteknologiasovellukset Suomessa - esimerkkejä Elintarvikealan koneenrakennuksesta löydettiin muutama esimerkki nanomateriaalin käytöstä. Rasva- ja vesiliukoista likaa hylkivillä pinnoitteilla on käsitelty meijerin tuotantolaitteistoa (Millidyne Oy). Käyttökohteina ovat olleet ratakuljettimen nauha ja meijerisäiliöiden ulkopinnat. Toistaiseksi laitosten kokemukset ovat niin lyhytaikaisia, että pinnoitteen uusimistarpeesta ei ole saatu tietoja. Suomessa toimiva kansainvälinen pinnoiteyritys Oerlikon Balzers Sandvik Coating Oy on hankkinut FDAhyväksynnän nanopinnoitteelle, joka parantaa kulutuskestävyyttä ja alentaa kitkaa. FDA (US Food and Drug Administration) vastaa ruoka- ja lääketuotteiden turvallisuudesta ja valvonnasta Yhdysvalloissa. FDA:n luvalla nanopinnoitetta voidaan käyttää myös kontaktimateriaalina elintarvikkeelle. Suomessa ei ole vielä elintarviketeollisuuden käyttöesimerkkiä, mutta makkaranvalmistuslaitteen liukupintoja on käsitelty kitkaa alentavalla pinnoitteella. 30 Muutoin kotimaisia esimerkkejä nanomateriaalien käytöstä löytyy muilta teollisuuden aloilta ja koneenrakennuksesta. Nestekartonkipakkausten leikkureissa on hyödynnetty kulutuskestoa lisäävää ja kitkaa alentavaa pinnoitetta. Liitteessä 2 on esitetty vertailututkimus tuotteen kitkaominaisuuksista. Metso Paperilla paperiteollisuudessa käytetään likaahylkivää pinnoitetta likaantuvissa koneenosissa. Nanokomposiitti-hartsista on valmistettu robottikäsivarsia kestämään paremmin dynaamista rasitusta. Nanoeristeellä on päällystetty kuumennettavia säiliöitä. Kuva 3. Paperikoneen lianhylkivyyttä parannetaan pinnoituksella (kuva oikealla) Forsell, Thomas, Oerlikon Balzer Sandvik Coating Oy ja Avalon References, Millidyne Oy,

24 7 Elintarviketeollisuuden ja koneenrakennuksen nanoteknologiasovellukset maailmalla - esimerkkejä Nanowerk-tietokantaan on koottu noin 2200 nanoteknologia-alalla toimivaa yritystä ja 2100 nanotutkimusta tekevää yliopistoa, tutkimuskeskusta ja verkostoa. Sen mukaan kansainvälisesti johtavia maita ovat erityisesti USA, Saksa ja Iso-Britannia. Kuvassa 4 on lueteltu myös muita kärkimaita nanoteknologisessa kehityksessä. Suomesta tietokantaan on listattu 22 yritystä ja 13 tutkimusorganisaatiota tai verkostoa. 32 Kuva 4. Nanoteknologian kärkimaat yritys- ja tutkimustoiminnassa Nanowerk-tietokannan mukaan. 33 Nanoteknologiatoimijoita on jo lukuisia, mutta nanomateriaaleja koneenvalmistukseen tai elintarvikealalle tuottavia yrityksiä löydettiin rajallisesti. Pääosin ne toimivat USA:ssa ja Keski-Euroopassa. Taulukkoon 5 on koottu esimerkkejä yritysten tuotteista, joista kolme ensimmäistä nanopinnoitetta käyttökohteineen esitellään tässä luvussa vielä tarkemmin. 32 Nanowerk-database, Nanowerk-database,

25 Taulukko 5. Esimerkkejä nanoteknisten materiaalien tarjonnasta koneenrakennukseen maailmalla. Yritys Tuote Ominaisuus Industrial Nanotech Inc. (USA) Nansulate Nanokomposiitti: eriste prosessilaitteille ja putkistoille Bioni USA (USA) Bioni System Food Nanopinnoite elintarviketeollisuuden seinäpinnoille: antimikrobinen SuSoS AG (Sveitsi) Nanopinnoite koneenrakennukseen: kitkanalennus, likaahylkivyys, korroosiosuoja Cabot (USA) Nanogel Aerogel: eriste, koneenrakennus NanoMech (USA) NanoGlide Voitelu, koneenrakennus NanoMech (USA) TuffTek Kulumisen esto, koneenrakennus BYK (Saksa) NANOBYK-3650 Kulumisen esto, koneenrakennus Selvitykseen haastateltiin myös saksalaista ja hollantilaista elintarvikealan koneenrakentajien etujärjestöä. (Food Processing and Packaging Machinery Association VDMA ja Dutch Manufacturers of Machinery for Food Processing and Packaging). Saksassa ei olla tietoisia jäsenyritysten nanomateriaalin käytöstä eikä siihen liittyviä projekteja ole käynnistetty. Hollannissa järjestön hallitus on vieraillut nanotutkimuskeskuksessa tutustumassa teknologian mahdollisuuksiin, mutta käytännön toimiin ei ole vielä ryhdytty. Toistaiseksi aiotaan seurata kuinka tuotekehitys alalla etenee. Pohjoismaalainen Nano Connect Scandinavia organisaatio ei tuntenut tutkimus- tai sovellusesimerkkejä elintarvikealan nanomateriaaleista. 34 Soveltavan tutkimuksen Fraunhofer-instituutissa Saksassa on sen sijaan tutkittu likaahylkiviä nanopinnoitteita elintarviketeollisuuden, koneenrakentajien ja nanotuotteita tarjoavien yritysten yhteistyönä. Elintarviketeollisuus on kiinnostunut ratkaisuista, joilla voidaan alentaa pesukustannuksia pesuaikaa lyhentämällä ja lisätä kapasiteettia tuotantoaikaa kasvattamalla. Tutkimusprojektissa selvitettiin pinnoitteiden muutoksia simuloimalla viikon ajan CIP-pesuolosuhteita hapolla ja emäksellä. Toistaiseksi tutkitut pinnoitteet eivät osoittautuneet riittävän kestäviksi. 35 Lämmönvaihtimia valmistavan GEA Ecoflex GmbH:n tutkimuksessa maidon pastöroinnin aiheuttama lämmönvaihtimen pinnan likaantuminen väheni nanopinnoittamalla huomattavasti. Pilotkokeissa lämmönvaihtimen pesuaika lyheni 80 % van Sluys, Herbert, A., Dutch Manufacturers of Machinery for Food Processing and Packaging. Balley, Matthias, Food Processing and Packaging Machinery Association (VDMA). Andersson, Cristina, Nano Connect Skandinavia, Mauermann, Marc, Fraunhofer application centre for processing machines and packaging technology, Dresden, Saksa, Bani Kananeh, A., Scharnbeck, E., Kück, U.D. ja Räbiger, N., Reduction of milk fouling inside gasketed plate heat exchanger using nano-coatings, Food and Bioproducts processing 88 (2010)

26 7.1 Nanoeriste elintarviketeollisuudessa USA:ssa toimiva Industrial Nanotech Inc. valmistaa eristeenä käytettävää Nansulate -nanokomposiittia kone- ja laitevalmistuksen sekä rakennusteollisuuden tarpeisiin. Tuote levitetään nestemäisenä ja kuivuessaan se muodostaa ohuen kalvon, joka eristävän vaikutuksen lisäksi suojaa valmistajan mukaan korroosiolta ja homekasvustolta. Pinnoite sisältää noin 70 % patentoitua nanomateriaalia, 30 % akryylihartsia ja lisäainetta. Sen luvataan kestävän teollisuuskäytössä 5-10 vuotta ennen pinnoitteen uusimistarvetta. Tietoja eristepaksuudesta, tyypillisestä energiansäästöstä ja kustannuksista on koottu Taulukkoon 6. Taulukko 6. Kahden nanoeristysratkaisun vertailu. 37 Ratkaisu I Ratkaisu II Eristepaksuus 0,5 0,75 mm 1,45 mm Tyypillinen energiansäästö % % Kustannukset 16,6 24,9 /m2 38,1 /m2 Pinnoitteen ulkonäkö Elintarviketeollisuudesta yritys on julkaissut muutaman case-esimerkin. Karibialaisen välipalavalmistajan Holiday Snacks Ltd:n tuotantotiloissa kuumat pinnat käsiteltiin nanoeristeellä, ja pintalämpötilat laskivat kohteessa keskimäärin 17,5 %. Nansulate-eristeellä pinnoitettiin muun muassa uuni ja maapähkinöiden kuivaaja, jonka pintalämpötilojen muutos on esitetty Kuvassa Industrial Nanotech, Inc, Industrial Nanotech, Inc.,