特別号（サニタリー用関連）

新シール概論（1）特別号（サニタリー用関連）(1)

今回から、特別号としてサニタリー用シールに関する事項を述べていきます。

1. はじめに
各種飲料水や半固溶性飲料及び粉末体などの漏れを止めるものが対象となりますと、シール類が直接接触する場合には、シール類から溶質物及び材料自体（摩耗粉なども含めて）が人体に害を与えることは許容されません。そのようなサニタリー用途全体から見て行きましょう。

2. 法規について
いつでも最初に紹介するのは、それら用途での法規です。
過去からいくつかの変遷を経てきました。

2.1 食品衛生法（食品、添加物などの規格基準：昭和34年厚生省告示第370号が最初に定められました）その後、食品衛生法に基づく、器具及び容器包装の規格として、昭和61年に告示85号が適用になりました。また、それらが、平成18年に告示201号が発行されました。従って、現在では、厚生労働省告示201号が最新版に該当します。

以降について、もう少し、規格類を見ていきます。

 

 

2. 2 法規（規格）

 

１）JIS の規格について
　関連のJISには次のものがあります。

 

• JIS B 9650-1: 食料品加工機械の安全及び衛生に関する設計基準－第1部：安全設計基準
• JIS B 9650-2: 食料品加工機械の安全及び衛生に関する設計基準－第2部：衛生設計基準
• JIS B 9657: 飲料加工機械の安全及び衛生に関する設計基準　

などは加工機械に加えて全般の記述がされています。
特にJIS B 9650-2では、5.2.1項の構成材料d) 非金属1）エラストマ及びポリマーには次の記載があります。

1. ゴム、ゴム材料などのエラストマや、プラスチック材料などのポリマーは、食品に接触する用途に使用でき、適切な条件に適合しなければならない。
2. 食品に接触するエラストマ及びポリマーの表面は、意図した用途及び洗浄、耐微生物処理、又は殺菌といった環境下で遭遇する条件に曝されたとき、その表面特性と、形態上の特性を維持できるような構成でなければならない。

などが要求されている。
飲料水に関しては、次の規格があります。

 

JIS K 6353: 水道用ゴム
この規格はあくまで水道用に用いるゴム材料の規定です。今回のサニタリー用とは少しこと向きが異なります。
ご存知のように水道水は、近年の環境悪化とともに、水質の悪化も加速度的に増加しているため、どうしても残留塩素濃度を増加しているのが、現状です。家庭用では、飲み水としては、浄水器などを使用せざるを得ない。かつ専用の飲み水がペッボトルに入り市販している訳です。

 

少し話はずれますが、水道用に通常最多く使用されているEPDMのシール類が残留塩素による劣化事故が多く起こったことがありました。特に家庭では温水を使用が一般化になったことも併せて、残留塩素にプラス高温状態で加速的に起こったようです。この事故は水漏れと直接的な現象ではなく、水道の蛇口から黒い異物の発生や墨什のような水が出てきたことです。対策については、多くの文献が出ていますので、ここでは省略します。
現在は対策が取られているために問題は解決しています。

さらに脱線しますが、家庭用給湯器に関して、ガスを使用したものがあります。
当然、給湯器にはガス、水道水が使われています。ここでは、都市ガス用に用いられるシール（ガスケット類）の規定を見ておきましょう。

 

JIS S 2092: 家庭用ガス燃焼機器の構造通則とJIS S 2093 :家庭用ガス燃焼機器の試験方法が該当します。

 

 

これらには、ゴム及び樹脂材は１）n－ペンタン浸漬試験（5℃から25℃で72時間）後の質量変化率20％以内であり、また試験装置に試験片（厚さ2mm×外径19mm×内径8mm）を厚さ80％圧縮した状態で、装置に約0.5gのn-ペンタンを充填して、23℃×24時間放置後のn-ペンタンの時間当たりの透過量を測定して、5mg以下と規定しています。やはり、ガスのシールに関しても詳しく規定されていることがわかかりました。

 

２）海外の規格
国内では、法規とJIS 規格を見ましたが、海外での規格を調べると多くのものがあります。当然のことながら、海外への輸出などでは、これらの規格に満足することが前提となります。

• -１：FDA規格
  米保険社会福祉局傘下の食品薬品局（FDA）は、消費者の健康と安全の保証を目的とした連邦食品・医療品・化粧品法の施行を管轄している部門です。ここでは、製造工程で食品や医療品に接触するシールは、FDAの規格に準拠する必要があります。ゴム製品ではFDA規格CFR177.2600第21項(繰り返し使用を目的)に、またFFKMはCFR177.2400第２１項が該当します。
  米国の規格ですので、日本内での認定を受けられませんので、国内のコンサルタトに相談して、行うのが一般でしょう。
  有名なところでは。日本貿易振興機構（JETRO）などがあります。
• -2：3-A Sanitary Standards, Inc.は、乳製品や食品の処理、加工。包装に使用する機器やシステムの設計、製造、設置、洗浄性に関する規格や慣行を策定する米国組織です。シール材料の３-A認定の前提条件は、-1のFDA条件を満たしていることです。ゴム材料は、規格18-03に準拠します。
• -3　KTW（ドイツガス水道事業連合会）はドイツとヨーロッパにおけるガス、水道業界の自主規制の専門知識・技術を共有うる独立団体です。
  KTWの認証は、飲料水に接触するポリマーを対象として、抽出試験、味覚試験、許容成分の登録が必要になります。
  国内での相互認定が多分ないので、現地での認定となります。
  なお、各国の水道に関して、社団法人　日本水道協会がまとめた「給水装置に関する構造材料及び海外動向調査業務報告書」に資料が公開されているので、興味のある方は見てください。

３．シールに要求される事項

• 3-1 食品衛生法に合格した材料であること。（平成18年度厚生労働省告示第201号）（証明書が必要となります。）
• 3-2 洗浄液に対して耐性があること。
  食品製造設備では、必ず洗浄によるメンテナンスが欠かせません。
  薬剤洗浄の役割は、製造加工工程での異物の二次混入と有害微生物汚染防止です。

微生物制御対策としての洗浄目的は、
（1）原料付着微生物あるいは加工段階での二次汚染微生物の洗浄
（2）生産機械の洗浄（殺菌）
（3）食品容器・器具などの洗浄（殺菌）

洗浄方法としては
COP（Cleaning Out Place: 分解洗浄）
CIP（Cleaning In Place；定置洗浄）
SIP（Sterilization In Place：定置滅菌）
等があります。

COPは、機器や部品を分解し、洗剤溶液を用いて手洗い（ブラッシング）もしくは洗剤を循環させて洗浄する方法です。構造の複雑な機器や部品の洗浄、床･壁・天井・タンク外面等の洗浄に採用されています。
CIPは、機器や部品を分解することなく、設備構成の中に洗浄機能を組み込ませて構築を行い、洗剤溶液の化学エネルギー・熱エネルギー・運動エネルギーを利用して洗浄する方法を言います。
最近はこのシステムが増えています。
SIPは機器、配管類を製造時の状態から分解せずに殺菌すること。
洗浄や滅菌にはそれぞれ適した薬剤などが使用されます。シール用材料がそれらに対して耐性が要求されます。

では、実際にはどのような洗浄液が使用されているのでしょうか。
基本的には、用途により、異なるので、一概に総括できませんが、次のような洗浄剤が使用されています。
洗浄剤の種類
塩酸、クエン酸、硫酸、酢酸、しゅう酸　硝酸、水酸化ナトリウム、海水、過酸化水素、エチルアルコール、メチルアルコール、水、水蒸気などです。
また使用される温度もまちまちですが、水蒸気では129℃やその他の薬剤に対して65℃から90℃程度と案外高温での使用が一般的です。

以前に述べていますが、これらすべてに使用できるゴム材料は、少なく、適材適所の使用となります。
概略次のような簡単の表を上げておきます。

ゴムの種類	EPDM	VMQ	NBR	FKM
耐水蒸気性（129℃）	◎	◎	◎	◎
水酸化ナトリウム 90℃×3％稀釈	○	×	◎	×
硝酸 75℃×3％稀釈	◎	◎	○	○
クエン酸 75℃×3％稀釈	◎	◎	◎	◎
過酢酸 65℃×1％稀釈	×	◎	×	◎
エチルアルコール	◎	○	○	○

◎：秀、○：優、×：不可

表は文献：ユーザー視点での食品プラントの配管設計　キリンビール(株）松田氏を用いました。

ただし、PTFEやFFKMでは、コスト面では不利ですが、使用は可能となります。しかし、注意すべきなのは、温度と使用時間により、必ず、劣化現象が起こります。

 

 

定期的なメンテナスが必要となります。CIPのように装置のままで洗浄する場合でも常にシール類の寿命を把握して、COPにある時期に変える必要性があります。(過去の実績などを照らし合わせて、余裕のあるメンテナンスが総合的に見て装置の稼働率を上げることとなります。）
実際には、地道な実験（実液を使用しての）を繰り返しながら、追求することになります。当然、シール以外の装置の総合的評価となります。
表で示した内容では、松田氏は、酒類・清涼飲料プラントでは、EPDMを標準的に使用している。その他の理由には、コスト面でも有利さであると述べています。
それでも、柑橘系の香料に含まれるリモネンという油成分により膨潤を起こしやすいために使用不可で、FKMやPTFEに置き換えると実用面での話は分かりやい。

 

4 着香性
食品には、もともと食材自体に芳香成分が含まれています。それが、ゴムに浸透することは避けられない。同一装置で複数の食品を扱うと別製品への香りが移る問題が起こります。
この着香性の評価は難しいものです。

次の評価方法が、あります。
(1) 官能試験：「におい」を専門にする嗅ぎ手による試験方法です。ある経験と技量が問われる世界です。
(2) 定性分析：「におい」の客観的な評価のためには「におい」を数値化することが不可欠となります。そのような計測器が誕生しています。
「類似性」は、基準ガスに対して、試験試料の「におい」がどの程度似ているかを表します。
「臭気寄与値」は、人間の鼻で感じる強さを表します。
島津製作所の分析計測器のFF-2Aと言うものがあります。同社アプリケーションニュースNo.F33で示されたものを次に示します。
タイトル：ゴムパッキンの着香性評価で市販のオレンジジュース（果汁30％）で80℃×24時間浸漬後30分間流水による洗浄後の結果です。

ここで示すAFLASは旭硝子社の一種のフッ素ゴムの仲間で正式にはFEPM（JIS K 6397）です。

 

 

次に示すのが、「臭気寄与値」です。

総合的な判断は、いずれも小さい値に収斂することが好ましいことになり、AFLAS着香性が少なかったとの結果となっています。しかし、当然ながら、対象食品により、異なることは言うまでもありません。
やはり、このような定性分析が大きく寄与して、問題点を解決できることは素晴らしいことです。
（データはすべて島津製作所のものを使用しました）

以前、ゴム自体の「におい」が問題となった場合がありましたゴム自体にも独特の「におい」があります。
その時の解決策として、高温水で煮沸して、処理したことがありました。（ゴム材料はEPDMでした。）

PTFEやFFKMは、この着香性の面では優れているようで、シール製品では、ゴムを薄いPTFEシートで覆った製品も利用されています。

 

5　低圧縮ひずみ
シール材料として、既に今まで述べておりますが、この分野でもシールの反発力の低下は寿命に影響しますので、低圧縮ひずみであることが、必須となります。
ご存知のように、ゴムは使用される温度の影響が、大きいので、注意が必要です。ただし、前にも述べましたCIPなどでの処理が高温で実施される場合がありますが、長時間ではないので、基本的は大きな要素ではなく、実際に常時処理される装置の使用温度となります。

 

6　抗菌性について
ある時期にブームになったこともありますが、その抗菌性です。シール用ゴムに抗菌性を持たせるような材料が開発されています。
抗菌性についてのJIS規格が発行されています。
JIS Z 2801 抗菌性加工製品－抗菌性試験方法－抗菌性効果（2007）
この規格では、抗菌の定義は「製品における細菌の増殖を抑制する状態」としています。
なお、抗菌性の効果は「抗菌活性値2.0以上のとき、抗菌加工製品が抗菌効果がると判断する」となっています。抗菌活性値とは「抗菌加工製品と無加工製品とにおける細菌を接種培養後の生菌数の対数値の差を示す値」です。

　

 

 

細菌は、黄色ぶどう細菌と大腸菌を使用しています。
このことにより、名目上でもむやみに抗菌性のタイトルをつける制限が出てきたことになります。
シール用ゴムや樹脂には、一種の配合剤として抗菌性を活性化させるものを　シール用ゴムや樹脂には、一種の配合剤として抗菌性を活性化させるものを入れるようです。
一例では、銀、銅、亜鉛などがあります。銀では、シナネンゼオミック社の銀系無機抗菌剤Zeomicが有名です。

図6ではEPDM材料での試験結果を示したもので、細菌もJISにある2種類を使用していますし、図で判るように細菌の増殖状態の違いが明確です。
現在、シールメーカからこのような材料が出ていますので、参考にしてください。

7　シール類に要求される事項
大きく見ていくと、従来のシール類の設計と基本的にはあまり違いはないと思われる。
しかしながら配管などのガスケットでは従来と大きく異なることがあります。
この配管用ガスケットについて、見ていきましょう。

• 1.　液溜まりが無いこと。
  配管自体でも、液溜まりが起こらないように適切な勾配（一般的には1/100以上）と取り、配管最下点には必ずドレンを設けるようになっている。
  
  図7.1　配管の液溜まり問題例

  ガスケットでも下図を見て解かるように色々の配慮が必要となる。

  
  図7.2　フェルール・ガスケットの例
  （参考文献：Timerley Consulting のEHEDGと3-Aにおけるサニタリー配管から）

  図7.2ではフェルール・ガスケットの3例が示されているが、左端は、飛び出していると流れを阻害して、一種の液だまりとなっている。中央は、ガスケットが内側にあり、空間ができる典型的な液溜まりです。右端は最適な使用方法です。

 

• 2.　温度による影響
  しかしながら簡単にいかないのが、問題で使用温度による収縮や膨張が発生するために1.の液溜まりや漏れの原因となります。
• 3.　液の影響
  ゴム材料が液の影響も設計上の配慮も必要となります。従って、単純ではありません。

 

それでは、特にガスケットの例で設計（モデル）を見ていきます。

 

-1 規格類
残念ながら、国内での規格はありませんが、海外の規格には次のものがあります。
DIN 11864-1: Aseptic flanges for series of hygienic clamp connections
ISO 2852: Stainless steel clamp pipe couplings for the food industry
ISO 2853: Stainless steel threaded coupling for the food industry
DINに基づくデザインを図7.5に示します。

 

図7.5は材料FFKMで温度150℃でのFEM解析です。一番赤い色のところで応力が大きいことを示しています。
DINの特殊の溝にOリングを組み合わせた設計となっています。設計的にはできる限り、液溜まりがなく、突起部も無いようになっています。
配管の内径が10ｍｍから150ｍｍまで規定されています。

 

 

他方、ISOでの規定は、配管のフランジ部に使用するガスケットで通常フェルールと呼ばれるものです。（他に、ヘルールと言われていますが、ferruleが英語で、翻訳により、このような表現になったようです。用語の統一がとれていない一つです。）

 

フェルールには、つば付きタイプ-Type Aと無いタイプ-Type Bの2種類があります。
配管のサイズは、12ｍｍから219.1ｍｍまでありますが、どうもインチ系統に属するようです。
このフェルール材料に要求している内容は、「天然もしくは合成ゴムで硬さ75から85 IRHDであること、また衛生要件に合致し、理にかなった寿命が期待できるものであること」です。
IRHDは今までに出てきています。国際ゴム硬さです。
図7.7に示していますが、その他の形状を持つガスケットが諸外国には存在します。
英国の規格BS4825-4：Stainless steel tubes and fittings for food industry and other hygienic applications で継手の規格にガスケットも含まれます。
確かに、色々の実績からサニタリー用に用いる装置には、漏れを止めるガスケットは工夫を重ねてきたとの実感が持てます。

 

最近のカタログで見られる例を見ていきます。

 

締付けによる内部への飛び出しを防止するために工夫したものです。

 

 

図7.9は、DuPont社のカルレッツを使用したフェルール・ガスケットの例です。

 

その工夫は、内側にFFKMで外側に金属を使用して、締め付けたときのゴムの内側の飛び出しや凹みを減らすようにしている点です。

 

図7.10の示すように、ゴムや樹脂の代わりに金属製（SUS材）を使用するフェルールもあります。（TOKI Engineering社のカタログから）
その他には、ゴムのフェルールに液に接する側を完全にPTFEの薄いフィルムでカバーしたタイプの各社から出ています。
以上のように色々のタイプのフェルール・ガスケットを見てきましたが、シールに要求される事項を満足させるように工夫されています。
今後とも、新しいタイプのものも誕生することでしょう。
サニタリー用途でのシールから見たことをこのシリーズとして取り上げました。
なお、これら関連のシール類は医療関連も含めて使用されていますが、特に医療に関しては、今後機会がありましたら、取り上げたいと思っています。
（独法）海洋研究開発機構での海洋地球研究船「みらい」の採取にニンキン（ある一定の深さでの採水用器具）で採水しているが、シールには、一部NBRのOリングを使用しているが、そのゴムから由来する毒性(植物・動物プランクトンバクテリアの発生)による原因で問題が起こった。その原因を調査した結果、NBRの材料に問題であることが判明した。FKMに変更したら解決したとのレポートがありました。ゴム材料による影響度合いの一例でしょう。