pe瓶充氮熱灌工藝的研究

pe瓶充氮熱灌工藝的研究

充氮熱灌裝技術(shù)是傳統(tǒng)熱灌裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1975年日本最先將液氮填充技術(shù)應(yīng)用到易拉罐食品生產(chǎn)中，大大拓展了兩片罐的使用范圍，降低了罐的成本1充氮熱灌法的關(guān)鍵控制技術(shù)充氮熱灌工藝是在傳統(tǒng)熱灌裝工藝的基礎(chǔ)上，在灌裝后、旋蓋前增加了液氮注入工序，利用液氮消除熱灌裝瓶體冷卻產(chǎn)生的負(fù)壓1.1pet瓶體最優(yōu)內(nèi)壓控制氮?dú)獾膲毫刂剖浅涞獰峁喙に囍凶铌P(guān)鍵技術(shù)，液氮注入瓶體后會(huì)影響到整個(gè)產(chǎn)品的生命周期，其中有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力至關(guān)重要，分別是：P1—注氮旋蓋后的熱態(tài)內(nèi)壓，P2—瓶體常溫冷卻后的冷態(tài)內(nèi)壓，P3—生產(chǎn)24h后瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓，P4—貨架期后瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓。P1和P2主要用于生產(chǎn)過(guò)程控制，P3和P4是產(chǎn)品呈獻(xiàn)給消費(fèi)者的最終狀態(tài)。為確保消費(fèi)者飲用冷藏產(chǎn)品前，瓶體仍然具有一定的內(nèi)壓，應(yīng)滿(mǎn)足P4(4℃下）>=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓+P保險(xiǎn)值，P3=P4+P貨架期內(nèi)泄露量；P3值確定后，根據(jù)阿伏伽德羅定律P=NRT/V推算P2和P1，并通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定最優(yōu)內(nèi)壓控制參數(shù)。圖3為各個(gè)點(diǎn)壓力與時(shí)間周期的關(guān)系示意圖，從圖中可以看出，雖然隨著瓶體放置時(shí)間的增加，瓶體內(nèi)壓呈下降趨勢(shì)，但生產(chǎn)24h后和12個(gè)月時(shí)瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓變化很小。不同PET瓶?jī)?nèi)壓控制參數(shù)不同，當(dāng)瓶體或者生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，內(nèi)壓控制參數(shù)要進(jìn)行一定調(diào)整。壓力測(cè)算時(shí)構(gòu)建的壓力測(cè)算數(shù)學(xué)模型如表1所示，其中黃色部分是與工況相關(guān)的輸入?yún)?shù)。1.2瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充氮熱灌工藝降低了PET瓶重量，大大提高了瓶型設(shè)計(jì)自由度，優(yōu)化了瓶體性能1.2.1設(shè)計(jì)瓶底充氮熱灌工藝要求瓶底設(shè)計(jì)時(shí)需采用底部強(qiáng)度高、不易變形的碳酸底設(shè)計(jì)1.2.2設(shè)計(jì)瓶體的槽PET瓶身溝槽最佳深度在0.3mm以?xún)?nèi)（如圖4所示），否則，在熱態(tài)下溝槽產(chǎn)生塑性拉伸，冷卻后無(wú)法恢復(fù)，致使溝槽變淺，瓶高加長(zhǎng)。1.2.3體的穩(wěn)定性PET瓶盡量采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，以保證瓶體的穩(wěn)定性；非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)瓶體在高溫高壓下易產(chǎn)生不均勻變形，冷卻后瓶高增加，甚至出現(xiàn)兩側(cè)高矮不均的“香蕉瓶”。1.3灌裝溫度對(duì)冷卻的影響PET瓶生產(chǎn)過(guò)程中，瓶體結(jié)晶度和瓶底溫度控制至關(guān)重要。結(jié)晶度直接影響瓶體強(qiáng)度，同時(shí)也影響瓶體玻璃化溫度瓶底厚度遠(yuǎn)大于瓶身，冷卻速度低于瓶身，瓶底是瓶體離開(kāi)吹瓶機(jī)后溫度最高的部位，因此當(dāng)瓶體材料和吹瓶工藝確定時(shí)，降低灌裝時(shí)瓶底的溫度成為避免瓶底變形的關(guān)鍵因素由于瓶底冷卻會(huì)造成瓶體降溫，為確?！暗蛊繗⒕钡墓に囆Ч枰岣吖嘌b溫度0.5℃～1℃以保證倒瓶殺菌效果，具體提高溫度根據(jù)實(shí)際工況確定。1.4蒸發(fā)量和精度瓶體內(nèi)壓的精度和穩(wěn)定性，主要取決于兩個(gè)方面：一是液氮的注射精度，由液氮注射設(shè)備能力決定；二是液氮從注射到瓶體封口時(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量和精度，即余留的氮?dú)饬亢途取Ｓ嗔舻牡獨(dú)饬亢途热Q于：（1）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于吹灌旋一體機(jī)而言一般在95%以上；（2）氮?dú)庾⑸鋰娮旖Y(jié)構(gòu)以及噴嘴和瓶口之間的距離，距離越近越好；（3）瓶體從注入液氮到旋蓋完成的時(shí)間，時(shí)間間隔越短越好；（4）灌裝車(chē)間環(huán)境溫度及穩(wěn)定性，一般灌裝車(chē)間都是恒溫控制在25℃；（5）瓶體的液位控制及精度即頂隙空間的大小和精度。1.4.1氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)液氮注射的方法有三種，一種是讓液氮不斷流出，由于瓶體間的間隙大，有效注射量=瓶口直徑/灌裝機(jī)節(jié)距（以φ38瓶體為例，一般為38mm/93mm=40%），造成很大浪費(fèi)，速度變化還會(huì)造成壓力波動(dòng)；第二種是間斷式注射，即每瓶注入定量液氮；第三種是由計(jì)算機(jī)控制可在任何速度（0～2400cpm）連續(xù)注射或者間斷注射，控制精度達(dá)±1.5%。由于液氮沸點(diǎn)為-195.8℃，易造成注氮頭結(jié)冰堵塞，為此要進(jìn)行三種氮?dú)獯祾咦鳂I(yè)：（1）生產(chǎn)前進(jìn)行30min負(fù)壓管路吹掃，完成氮?dú)庵脫Q，為確保生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定，還要在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?；?）生產(chǎn)過(guò)程中，每4h進(jìn)行一次化冰吹掃，每次2min;(3）生產(chǎn)結(jié)束時(shí)對(duì)低氮系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)吹掃30min，消除注氮頭的結(jié)冰和水汽，確保下次開(kāi)機(jī)可以快速投入使用。1.4.2瓶體內(nèi)壓與注氮量、液位的關(guān)系瓶體灌裝的液位控制，即瓶體容量與灌裝量之間的關(guān)系，決定了瓶體頂隙空間的大小。頂隙空間會(huì)影響產(chǎn)品效果：液位太低，降低消費(fèi)者舒適度；液位太高，氮?dú)饬可?，不但?huì)增大內(nèi)壓波動(dòng)，還會(huì)造成瓶體內(nèi)壓低，冷卻后出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。圖7為不同瓶體內(nèi)壓下瓶?jī)?nèi)液位頂隙空間對(duì)比情況，因此不同瓶體需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試方能確定合適液位?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，表明了瓶體內(nèi)壓與注氮量、液位的關(guān)系。如圖8所示：當(dāng)液位高度一定時(shí)，瓶體內(nèi)壓隨著注氮量的增加而增加，當(dāng)注氮量超過(guò)瓶體可以容納的氮?dú)饬繒r(shí)，瓶體內(nèi)壓將達(dá)到一個(gè)峰值，且不再增加。如圖9所示：保持注氮量不變，瓶體內(nèi)壓隨著液位的升高而增加，到達(dá)一個(gè)峰值后，瓶體內(nèi)壓隨著液位的升高而降低。1.5吹瓶工藝參數(shù)影響即使充氮熱灌時(shí)瓶底采用碳酸底設(shè)計(jì)仍會(huì)出現(xiàn)瓶底開(kāi)裂現(xiàn)象（如圖12所示），主要由兩個(gè)方面的原因造成：（1）材料應(yīng)力開(kāi)裂，與PET料性能、吹瓶工藝以及瓶體內(nèi)液體PH值等因素相關(guān)，發(fā)生幾率很低，但一旦發(fā)生將是普遍性和災(zāi)難性的。新材料、新工藝或新產(chǎn)品首次生產(chǎn)前，取瓶體樣品30支，在0.2%NaOH溶液中浸泡3h，無(wú)開(kāi)裂視為合格。（2）外力沖擊造成的開(kāi)裂，具有隨機(jī)性，主要是由于瓶底抗沖擊性能不足所導(dǎo)致。為此，需調(diào)整吹瓶工藝，增加瓶體底部中心小花瓣處的厚度以增加瓶底強(qiáng)度，減薄瓶底和瓶身結(jié)合處大花瓣的厚度以起到緩沖的作用。定期取樣，自2.5米高度，瓶口向上，并使瓶體軸線(xiàn)與水平方向成60°，自由落體跌至水泥地面，瓶不破裂為合格。2生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行指標(biāo)達(dá)能（中國(guó)）食品飲料有限公司2017年“天方茶談”項(xiàng)目將充氮技術(shù)融入到傳統(tǒng)熱灌生產(chǎn)線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)了天方茶談產(chǎn)品快速上市，生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)良好，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：2.1生產(chǎn)線(xiàn)改造費(fèi)用項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)僅用時(shí)6個(gè)月；產(chǎn)能32000瓶/h的生產(chǎn)線(xiàn)改造費(fèi)用約四百萬(wàn)元，僅占一條全新熱灌線(xiàn)投資的8%，而投資相同產(chǎn)品的一條無(wú)菌生產(chǎn)線(xiàn)是熱灌線(xiàn)投資的150%。2.2產(chǎn)品屬性的穩(wěn)定性無(wú)氮?dú)獠蛔阍斐傻南嚓P(guān)投訴，產(chǎn)品在貨架期時(shí)內(nèi)壓依然滿(mǎn)足要求，如表2所示：2.3氮?dú)獯祾咴斐裳b產(chǎn)品不穩(wěn)定全年充氮熱灌產(chǎn)品生產(chǎn)效率約為95%，比熱灌裝產(chǎn)品將低2%左右，主要由于氮?dú)獯祾咴斐?。每瓶瓶體的液氮注入量為0.2g，氮?dú)饩C合利用率為60%，氮?dú)獬杀炯s為0.5元/千瓶。3熱灌工藝的發(fā)展充氮熱灌裝工藝是對(duì)傳統(tǒng)熱灌裝技術(shù)的拓展，投資少，見(jiàn)效快，大大增加了生產(chǎn)線(xiàn)的柔性，具有很好的投資經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單，與熱灌裝技術(shù)具有相同的食品安全性保障。國(guó)內(nèi)充氮熱灌工藝尚未廣泛使用，充氮熱灌裝工藝具有廣闊的應(yīng)用空間。充氮熱灌工藝可以有效的突破傳統(tǒng)熱灌工藝的局限，充分利用現(xiàn)有產(chǎn)能，如通過(guò)充氮，突破熱灌裝對(duì)瓶型的限制，實(shí)現(xiàn)不同瓶型的熱灌產(chǎn)品生產(chǎn)；利用氮?dú)庾鳛椴换顫姎怏w的特性，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有效保護(hù)，助力氧氣敏感性產(chǎn)品的生產(chǎn)；通過(guò)充氮，增加產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度，可有效降低熱灌產(chǎn)品瓶體重量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約增效，減少碳排放，保護(hù)環(huán)境；更可以支持新型PET材料（如：Bio-PET）的使用，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，助力循環(huán)經(jīng)濟(jì)。雖然影響因素多，