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"Perspektiven der Nanotechnologie für verpackte Lebensmittel"
Sven Sängerlaub*
BÖLW Fachtag: Nanotechnologie in der LebensmittelwirtschaftBerlin 27. Juni 2008
* E-Mail: [email protected]
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1. Überblick zu Nanotechnologie
2. Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
3. Nanotechnologie in Lebensmittel-Verpackungen
4. Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
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1. Überblick zu Nanotechnologie
2. Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
3. Nanotechnologie in Lebensmittel-Verpackungen
4. Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
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Berlin
Freising
Nano - Größenvergleich
1 nm = 10-9 m
Fingernageldicke: ca. 500 µm
Strecke Freising - Berlin: ca. 500 km
Bereich der Nanotechnologie: 1 bis 100 nm in mindestens einer Dimension
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Quellen: NT for Dummies, Wiley-VCH, 2006; www.roempp.com, Georg Thieme Verlag KG, 2008
K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
Nano - Größenvergleich
1 nm = 10-9 m
5
10751,75
µm=nm5 · 103 Rote Blutkörperchen:
0,1
1,390
1 · 104
7,5 · 104
1,75 · 109
µmµmm
nmWasserstoffatom:
nmDurchmesser Kohlenstoff-Nanoröhrchen:
nmTransistor:
=nmAuflösungsvermögen des Auges:
=nmDurchmesser eines Haares:=nmDurchschnittsmensch:
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6
1,E-06
1,E-03
1,E+00
1,E+03
1,E+06
1,E+09
1,E+12
1,E+15
1,E+18
1,E+21
1,E+24
1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10
Länge [cm]
Anzahl
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000spezifisch
e Oberfläch
e Sv [m
²/cm³]
Anzahl der Würfelspezifische Oberfläche
1 nm 1 µm 1 mm 1 cm
Würfel mit Kanten-länge a
Makro-molekül
Viren
Puder, Staub, Rauch
BakterienEmulsionen, Milch
Kaffee gemahlen Gesteins-brocken
Regentropfen
mensch. Haar
H20, CO2,
O2
a
aa
1 Quadrillion
1 Trilliarde
1 Trillion
1 Billiarde
1 Billion
1 Milliarde
1 Million
1 Tausend
1
Anzahl
Bereich der Nanotechnologie
6000 m²
6 cm²
Quellen: Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer, Heidelberg, 1995; Skript: Verfahrenstechnik disperser Systeme, Lehrstuhl für Maschinenbau- und Apparatekunde TUM Weihenstephan, 2007
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/2207/
Warum ist Nanotechnolgie so interessant?
Quelle: K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
Veränderte Eigenschaften im nanoskaligen Größenbereich
- Quantenmechanisches Verhalten:
� Transparenz, Härte, Leitfähigkeit
- Oberflächenvergrößerung:
� Reaktivität, Schmelzpunkt, Katalyse
- Miniaturisierung und Dünnschichttechnologien möglich:
� Sensortechnik, Oberflächenfunktionalisierung
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Medizin/Gesundheit
DiagnostikTherapieWirkstoff-FreisetzungTissue Engineering
Umwelt
Energie
ElektronikI&KDruck
Elektronisches PapierDisplays (OLED, FED)PolymerelektronikSpeicher (GMR)SensorenBiochipsPassivierung
Optik
Automobil
AbwasserreinigungPhotokatalyse Umweltüberwachung
WirkstoffsucheSynthese/KatalyseSensorenProzessüberwachung
Batterien, SuperkondensatorenBrennstoff- und SolarzellenThermische KraftwerkeIR-Reflexion/VerscheibungOphthalmik
EntspiegelungPhotonikWellenleiteroptische SpeicherLichttechnik Kratzfeste Decklacke
Leichtbau (Schäume, Polymere)VerscheibungKorrosionsschutzSensorenKatalyse (Verbrennung, Abgas)
saubere Oberflächenschaltbare VerscheibungWärmedämmungKorrosionsschutz
Chemie
KosmetikSonnenschutzantimikrobielle TextilienVerpackungen
VerbraucherVerbraucherVerbraucherVerbraucher
Bauindustrie
Quelle: K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
Nano-technologie
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Sicherheitsaspekte: Forschungsförderung der EU
- Nano-Pathology (The role of nano-particles in material-induced pathologies).- Nanoderm (Quality of skin as a barrier to ultra-fine particles). - Nanosafe (Risk assessment in production and use of nanoparticles with developmentof preventive measures and practice codes).
- Cellnanotox (Cellular Interaction and Toxicology with Engineered Nanoparticles).- Dipna (Development of an Integrated Platform for Nanoparticle Analysis to verify theirpossible toxicity and the eco-toxicity).
- Impart (Improving the understanding of the impact of nanoparticles on human healthand the environment).
- Nanointeract (Development of a platform and toolkit for understanding interactionsbetween nanoparticles and the living world).
- Nanosh (Inflammatory and genotoxic effects of engineered nanomaterials).- Particle-Risk (Risk Assessment of Exposure to Particles).- Nanosafe2 (Safe production and use of nanomaterials).- Nanotransport (The Behaviour of Aerosols Released to Ambient Air from NanoparticleManufacturing - A Pre-normative Study).
- Saphir (Safe, integrated & controlled production of high-tech multifunctional materialsand their recycling).
- Nanocap (Nanotechnology capacity building NGOs).- Nanotox (Nano-Particle Characterization and Toxicity).
Quelle: ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/final-version.pdf
Laufende und abgeschlossene Projeke (FP5 und FP6):
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Sicherheitsaspekte: Forschungsförderung der EU
- Nano-Pathology: www.nanopathology.it- Nanoderm: www.uni-leipzig.de/~nanoderm/- Nanosafe: www.nanosafe.org- Cellnanotox: www.fp6-cellnanotox.net/index.html- Dipna: www.dipna.eu- Impart: www.temas.ch/Impart/ImpartProj.nsf/
fmPubsByType?ReadForm&count=12&lang=en- Nanointeract: www.nanointeract.net/- Nanosh: www.ttl.fi/Internet/partner/Nanosh/ - Nanosafe2: www.nanosafe.org- Nanocap: www.nanocap.eu/Flex/Site/Page.aspx?PageID=&Lang=- Nanotox: cordis.europa.eu/ fetch?CALLER=FP6_PROJ&ACTION
=D&DOC=1&CAT=PROJ&QUERY=1 194423998403&RCN=83326
Umfangreiche Forschungsaktivitäten im Bereich „Sicherheitsaspekte von Nanotechnologie“. Quelle: ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/final-version.pdf
Laufende und abgeschlossene Projekte (FP5 und FP6):
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Weitere Informationen
Bundesministerium für Bildung und Forschunghttp://www.nanotruck.net/http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.phphttp://www.nanoreisen.de/
Europäische Komissionhttp://cordis.europa.eu/nanotechnology/: http://www.nanoforum.org/
VDI Technologiezentrumhttp://www.techportal.de/
Bundesinstitut für Risikobewertung http://www.bfr.bund.de
Verband der Chemischen Industrie e.V. (VCI) http://www.vci.de/
DIN Deutsches Institut für Normung e. V. http://www.din.de
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1. Überblick zu Nanotechnologie
2. Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
3. Nanotechnologie in Lebensmittel-Verpackungen
4. Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
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\l2897\
Lebensmittel mit „natürlichen Nanopartikeln“: Milch
Quellen: Peter Schurtenberger University of Fribourg1700 Fribourg, Switzerland; www.roempp.com, Georg Thieme Verlag KG, 2008
K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
Fettkügelchen ~ 1 bis 5 µm
+
Casein~100 nm
+
Molkenproteine~ 3 nm
+
Wasser +
Salze
Lactose+
Milch:
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\2896\
Nanopartikeln im Lebensmittelbereich
Quelle: http://www.bfr.bund.de
K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
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Quelle: http://www.bfr.bund.de\2896\
Nanoskalige anorganische Verbindungen und Lebensm.
K.-H. Haas, Fraunhofer ISC, 2008
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Quelle: http://www.bll.de/download/positionspapiere/sachstand.pdf
Bund für Lebensmittelrecht und Lebensmittelkunde e.V.
Sachstands- und Positionspapier „Nanotechnologie im Lebensmittelbereich“, April 2008
„Marktreife und marktbedeutende Lebensmittel für Endverbraucher, die mit Hilfe von Nanotechnologienoder Nanomaterialien hergestellt werden, gibt es aktuell nicht.“
Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
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1. Überblick zu Nanotechnologie
2. Nanotechnologie im Lebensmittelbereich
3. Nanotechnologie in Lebensmittel-Verpackungen
4. Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
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QualitQualitQualitQualitäääätsabbau von Lebensmitteln tsabbau von Lebensmitteln tsabbau von Lebensmitteln tsabbau von Lebensmitteln ---- Wichtige Wichtige Wichtige Wichtige negative Einflnegative Einflnegative Einflnegative Einflüüüüsse:sse:sse:sse:
• mikrobielles Wachstum
• Wasserhaushalt: Wasseraufnahme, Wasserverlust• Sauerstoffhaushalt: Sauerstoffaufnahme,
Sauerstoffmangel• Lichteinfluss: sichtbares Licht, UV-Licht
Warum müssen Lebensmitteln geschützt werden?
Quelle: H.-C. Langowski, TUM Weihenstephan / Fraunhofer IVV, 2008
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• trockene fetthaltige Lebensmittel (z. B. Snacks, Trockensuppen, Getreideerzeugnisse, Müsli): Fettoxidation, Wasseraufnahme
• trockene fettarme Lebensmittel (Trockenbackwaren): Wasseraufnahme• kompakte fetthaltige Lebensmittel (Pflanzenöle, Butter, Margarine, Schokoladen, Süßwaren, Ölsamenkerne): Fettoxidation, Wasseraufnahme
• flüssige wasserhaltige Lebensmittel (Fruchtsaft, Softdrinks): Aromaverlust, Wasserverlust, Vitaminabbau, Farbveränderungen
• Molkereiprodukte (Käsesorten, Milchsorten, Joghurt): Mikroorganismenwachstum,Wasserverlust, Fehlaromen (Lichtgeschmack)
• Fertiggerichte: Mikroorganismenwachstum, Wasserverlust, Fettoxidation• Fleischprodukte, zubereitet: Mikroorganismenwachstum, Wasserverlust, Fettoxidation, Farbveränderungen
• Tiefkühlprodukte (fettfrei, fetthaltig, ...): Wasserverlust, Fettoxidation• pflanzliche Frischprodukte (Obst, Gemüse): Mikroorganismenwachstum, Wasserverlust,Konsistenzverlust
• Frischfleisch: Farbveränderungen, Mikroorganismenwachstum
Qualitätsabbau von Lebensm., Schädigungsmechanismen
Quelle: H.-C. Langowski, TUM Weihenstephan / Fraunhofer IVV, 2008
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Bereits in Anwendung:• Barriere-Verbesserung• Lichtschutz
• Antimikrobielle Eigenschaften
In Entwicklung:• Aktive Funktion - Sauerstoffabsorption
• Antihaftschichten
Nanotechnologie in Lebensmittel-Verpackungen
Verpackungen schützen Lebensmittel. Nanotechnologie in Verpackungen kann einen zusätzlichen Schutz gewährleisten und helfen Material einzusparen:
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Barriereverbesserung durch Vakuumbedampfung
Prozessparameter
• Folienbreite: bis 4 m
• Bahngeschwindigkeit: bis 17 m/s
• Kapazität p.a. (PET-Al): 500 km2
Anwendung im Ver-packungsbereich seit 30bis 40 Jahren!
Größte Anwendungfür Nanotechnologie bei Verpackungen.
Weltweite Produktion p.a.: Aluminium ca. 15.000 km2
Oxide (SiOx, AlOx, ..) ca. 500 km2
Beschichtungs-kammer
Verdampfer
AufwicklungAbwicklung
Quelle: K. Noller, Fraunhofer IVV 2006; M. Schmidt Fraunhofer IVV 2007
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SiOx-Schicht, ca. 60 nmauf PET-Folie
Al-Schicht, ca. 50 nmauf PET-Folie
----------- 300 nm
Cryo-Querbruchpräparationen, aufgenommen im hochauflösenden REM
Nanoskaligen Schichten aus anorganischen Barrierematerialien
Barriereverbesserung durch Vakuumbedampfung
Quelle: H.-C. Langowski, TUM Weihenstephan / Fraunhofer IVV, 2008
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Barriereverbesserung durch Vakuumbedampfung
Aufgedampfte Barriere-Schicht wird zwischen Polymer-schichten ein-geschlossen.
Folie für Chipsverpackung
Quelle: Schlussbericht Verbundvorhaben:„Umweltentlastung in der Produktion und Nutzung vonVerpackungen aus Verbundfolien durch Halbierungdes Materialeinsatzes“gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)Laufzeit des Vorhabens: 01.03.2003 bis 31.05.2006
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24
0,1
1
10
100
1000
10000
0,1 1 10 100 1000
Wasserdampfdurchlässigkeit [g/m² d]
Sauerstoffdurchlässigke
it [cm
³/m² d bar]
PLA 20 µm
PLA 20 µm; met
BOPP 20 µm;met
BOPP 20 µm
PLA 20 µm; SiOx
PLA 20 µm; SiOx; Kleber; PLA 20 µm
BOPET 12 µm
BOPET 12 µm;met Quellen: Alcan;
Treofan
Barriereverbesserung durch Vakuumbedampfung
Barriereverbesserung um Faktor 100: Reduzierung Materialeinsatz
Nüsse, Snacks
Quelle: K. Müller, Fraunhofer IVV 2007
Aluminiumfolie
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25
Vakuum-beschichtung(Barriere)
Barriereschicht EVOH Aluminium-
folie
Kunststoff-folie
Glas-verpackungen
PET-Flaschen Mehrweg
Länge [cm]
Barriereverbesserung durch Vakuumbedampfung
Materialeinsparung:Aufgedampfte Schichten können im Lebensmittel-Verpackungsbereich beivielen AnwendungenBarriereschichten aus Aluminium und EVOHersetzen.
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Verlängerung der Permeationswege durch gefülltes Polymer mit nanoskaligen Schichtsilikaten
Barriereverbesserung durch Nanopartikeln
Nanopartikeln in Polymer eingebunden
Quelle: H.-C. Langowski, TUM Weihenstephan / Fraunhofer IVV, 2008
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viele Lebensmittel reagieren empfindlich auf UV-Licht���� Oxidationen
Mögliche Maßnahme: UV-absorbierende Nanopartikeln in Kunststoffen, z.B. TiO2, ZnO
UV-Schutz durch Nanopartikeln
Nanopartikeln in Polymer eingebunden
Quellen: W. Danzl, Fraunhofer IVV, 2008M. Schmidt, Fraunhofer IVV, 2007
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Nanopartikeln (z.B. Ag) für antimikrobielle Ausrüstungvon Kunststoffoberflächen (Einarbeitung in Lacke undthermoplastische Kunststoffe)
Verbesserte antimikrobielle Wirkung:Silber-Nanopartikeln in Kunststoffen � Energiestoffwechsel-und Reproduktionshemmenung bei Mikroorganismen
Nanosilber
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29
Antihaftschichten – Lotus-Effekt
Basiert auf: - Nanorauheit (100 nm)
- Hydrophobe Oberfläche (Wachse)
Verringerung der Adhäsions-kräfte
Quelle: Gould, 2003 [3]
Quelle: K. Wolz, F. Loibl, TUM Weihenstephan, 2008
Lotus-Effekt erfordert 3-Phasen-System: • fest: „Lotusspitzen“• gasförmig: Luft zwischen „Lotusspitzen“� Luft kann durch Flüssig-
keiten verdrängt werden!• flüssig oder fest: Schmutzpartikeln
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30
Antihaftschichten – Hydrophobe Oberfläche
Lösungs-Ansatz: Nanoskalige hydrophobe Oberflächen
Quelle: F. Loibl, TUM Weihenstephan, 2008
ohne Antihaft-beschichtung
mit Antihaft-beschichtung
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Antihaftschichten – Hydrophobe Oberfläche
Antihaftschichten für Lebensmittelverpackungen:
• in Entwicklung
• bisher keine Anwendung im Lebensmittelbereich
• Konformitätstests im Fraunhofer IVV laufen – für dieAnwendung müssen gesetzliche Vorgaben eingehalten werden.
• Einsatz in weiteren Verpackungen sinnvoll, für: • Reinigungsmittel• Chemikalien• Lacke und Farben
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32
E = Al, Zr, Ti, ...
heteroatoms in inorganic structures
functionalgroups
SiO
O
O
E
Si
O
O O
O
OO
SiO
R
O Si
inorganicsilicate network
organiccrosslinking
ORMOCER®
ORMOCER• Sol-Gel-Verfahren• Kombination der Eigenschaften organischer und anorganischer Gruppen
• Applikation z. B. als Lacke und Sauerstoff-absorber (Copolymer)
• nach der Applikation vernetzt das System kovalent
Quelle: Fraunhofer ISC
Herstellung von Sauerstoffabsorbern mit Nanotechnologie
Sauerstoff-Absorber (engl.: oxygen-scavenger)binden Sauerstoff und stellen einen zusätzlichen Schutz für sauerstoffempfindliche Lebensmittel vor Sauerstoff dar.Sie können andere Schutzmaßnahmen ergänzen:• Verwendung von Barriereverpackungen• Einsatz von Schutzbegasung
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Nanostrukturen und Nanopartikeln treten ubiquitär auf.
Bisher gibt es wenige fundierte Hinweise, dass Nanotechnologie bei der Herstellung von Lebensmitteln gezielt genutzt wird.
Nanoskalige Barriereschichten werden seit vielen Jahrzehnten für Lebensmittelverpackungen eingesetzt. Sie schützen Lebensmittel vor Verderb und führen zu Materialeinsparungen.
Sicherheitsaspekte spielen eine große Rolle bei der Bewertung von Nanotechnologie. Im Verpackungsbereich traten bisher keine Probleme mit Nanostrukturen oder Nanopartikeln auf.
In der Analytik – dem Nachweis von Nanopartikeln und der möglichen Migration von Nanopartikeln – besteht Forschungsbedarf.
Zusammenfassung
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