Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Füllen von Kunststoffschläuchen mit sterilen, flüssigen Fiillgiitern, insbesondere keimfreier Milch
Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Füllen von Kunststoffschläuchen mit sterilen, flüssigen Füllgütern, insbesondere keimfreier Milch, während des Schlauchbildungsvorganges durch Heissverformung des Kunststoffes. Derart gefüllte Schläuche werden üblicherweise anschliessend in Einzelpackungen unterteilt.
Das Hauptpatent hat vorgeschlagen, bei Anlegung des ersten Verschlusses des Schlauches vor Beginn des kontinuierlichen Füllen und Abpackvorganges den Raum innerhalb des gebildeten Schlauchendes, z. B. durch einen einmaligen Dampfschock, zu sterilisieren. Erst dadurch wird die Voraussetzung für die völlige Sterilität der Packungen geschaffen, wenn das Verfahren anschliessend kontinuierlich ohne weitere Sterflisierungsmassnahmen fortgesetzt werden soll.
Die Erfindung schlägt vor, bei der Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent mit Hilfe eines sterilen Druckgases im Füllraum einen konstanten Überdruck aufrechtzuerhalten. Unter Füllraum wird hierbei derjenige Bereich des kontinuierlich erzeugten Schlauches verstanden, der von der Ringspritzdüse des Extruders bis zu der Zone reicht, in welcher der Schlauch mittels durch Schweissung hergestellter Quernähte zur Herstellung der Einzelpakkungen unterteilt wird. Es liegt auf der Hand, dass eine Überschreitung des im Schlauchinnern bzw. im Füllraum herrschenden Druckes ein Aufplatzen der noch nicht ausreichend abgekühlten Schlauchwandungen zur Folge haben kann. Auch dann, wenn der Kunststoffschlauch durch eine äussere Papierhülle abgestütz wird, bildet die in diesem Fall unvermeidliche Längsnaht der Papierwandung eine solche Gefahrenquelle.
Ein Unterschreiten eines gewissen Überdruckes dagegen ist infolge der möglichen Entstehung von Unterdrücken mit der Gefahr eindringender Infektion aus der umgebenden Aussenatmosphäre verbunden.
Alle diese Gefahren werden durch die Erfindung beseitigt.
Wird das Verfahren nach dem Hauptpatent mit einer gesonderten Anfangsstexilisation mittels eines Dampfschocks eingeleitet, so kann das Einlassventil für das sterile Druckgas gleichzeitig und vorzugsweise automatisch mit der Sohliessung des Dampfventils geöffnet werden.
Um eine konstante Einhaltung einer bestimmten Druckhöhe des sterilen Druckgases im Füllraum zu gewährleisten, das zweckmässig aus einer Pressgasflasche unter Zwischenschaltung eines Feindruckminderers bezogen wird, kann die Zuleitung des sterilen Druckgases hinter dem Feindruckminderer mit einer Zweigleitung verbunden werden, die in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter (Wassermanometer) in einem solchen Abstand unterhalb des Flüssigkeitsspiegels austritt, dass die Höhe der auf diese Weise im Ende der Zweigleitung gebildeten Flüssigkeitssäule den Maximaldruck des sterilen Druckgases begrenzt. Da Gas über den Feindruckminderer kontinuierlich nachströmt, kann im Füllraum kein schädlicher Unterdruck entstehen.
Bei vorübergehendem geringfügigem Unterdruck wird die Flüssigkeit in der Zweigleitung etwas höher steigen. Überschüssiges Gas strömt durch das Wassermanometer hindurch ins Freie aus.
Damit liefern gleichzeitig die Bewegungen der Wassersäule in der Zweigleitung, die vorzugsweise ebenso wie der Behälter des Druckreglers aus Glas oder anderem durchsichtigen Material hergestellt werden, eine wünschenswerte Anzeige über die ord nungsmässige Arbeitsweise der Anlage oder etwa austretende Störung.
Solche und andere Überlegungen sprechen auch für die Notwendigkeit einer Konstanthaltung des Füllniveaus des kontinuierlich nachströmenden sterilen Verpackungsgutes. Stärkere Schwankungen desselben könnten ebenfalls die Druckverhältnisse und anderweitige Faktoren der vollautomatischen Packungserzeugung ungünstig beeinflussen.
Die Niveauregelung des flüssigen Abfüllgutes im Füllraum erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Thermoelementes, das z. B. mit Hilfe einer Bügelfeder in der gewünschten Niveauhöhe von aussen gegen die Schlauchwandung gedrückt wird. Die Temperatur des gewöhnlich bereits abgekühlten Füllgutes ist niedriger als die der Schlauchwandung, die aus dem voraufgegangenen Schlauchbildungsprozess trotz Abkühlung mittels Luftstromes noch sehr heiss ist und erst im Bereich des Füllgutes wesentlich herabgekühlt wird. Die Temperatur der Schlauchwandung gibt damit dem Thermoelement einen Anhaltspunkt für die Niveauhöhe des Füllgutes. Durch das Thermoelement kann entsprechend über ein Regelventil der Zufluss des sterilen flüssigen Füllgutes vergrössert bzw. verringert oder auch vorübergehend ganz abgeschaltet werden.
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In diesen sind:
Fig. 1 die schematische Gesamtansicht einer aus Extruder, Extruderkopf und Verpackungsmaschine bestehenden Gesamtanlage mit einem für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Extruderkopf;
Fig. 2 ein Schnitt durch den Extruderkopf, auf welchem gleichzeitig einige weitere zur Durchführung des Verfahrens dienende Einrichtungen teils im Schnitt, teils in Ansicht dargestellt sind;
Fig. 2a, 2b und 2c vergrösserte Schnitte nach den Linien a-a, b-b und c-c in Fig. 2, und
Fig. 3 ein schematisoher Schnitt durch ein Stück des nach Sterilisierung bereits geschlossenen und mit flüssigem, sterilen Füllgut gefüllten Schlauches zwischen dem unteren Ende des Extruderkopfes und der darunter angeordneten Verpackungsmaschine.
Fig. 1 veranschaulicht den Gesamtaufbau einer Anlage zur Durchführung der Erfindung nach dem Hauptpatent. Die Gesamtanlage besteht aus einem an sich bekannten Extruder 20, der in bekannter Weise dazu dient, den über den Trichter 21 aufgegebenen Kunststoff aufzubereiten und zu verflüssigen, so dass er über die Austrittsöffnung 22 in den Extruderkopf 1 in flüssigem Zustand unter Pressdruck eintreten kann. Nachdem die Schlauchbildung in an sich bekannter Weise erfolgt ist, tritt der mit dem flüssigen, sterilen Füllgut gefüllte fertige Schlauch 29 in die Verpackungsmaschine 30 ein.
Diese Packungsmaschine 30 kann bekannter Art sein. Sie stellt aus dem kontinuierlich erzeugten und mit Füllgut gefüllten Schlauch laufend Einzelpakkungen von beutel-. tetraederförmiger oder sonstiger Gestalt her.
Das Fundament des Extruders 20 ist mit 40 bezeichnet und trägt beispielsweise eine Schalttafel 41 mit den notwendigen Anzeigeskalen, Schaltern usw.
Wie Fig. 2 erkennen lässt, weist der Extruderkopf 1 einen beheizten Kanal 6 auf, der in einer Ringschlitzdüse 9 zur Erzeugung des Kunststoffschlauches oder einer Kunststoffkaschierung auf der Innenseite eines Papierschlauches endet. Der Papiervorrat zur Bildung eines solchen äusseren Papierschlauches befindet sich auf einer Vorratsrolle 16, dessen zur Bildung eines Schlauchquerschnites übereinandergelegte Kanten durch eine Schweissvorrichtung 7 laufen.
Eine Leitung 2, die zentral durch den Kanal 6 und die Schlauchbildungsdüse 9 hindurchgeführt ist, ist mit einem automatisch betätigten Ventil 3 für den Zutritt des sterilen Füllgutes, beispielsweise keimfreier Milch, aus einem Vorratsbehälter 50 (Fig. 1) sowie mit einem Ventil 5 für den Zutritt hochge spannten oder überhitzten Sterilisierdampfes versehen. Das zentrale Rohr 2 ist durch einen Hohlmantel 13 umgeben, der in einem Anschlussrohr 19 endet. Dieses trägt ein von Hand oder automatisch betätigtes Dampfablassventil 15 für den Sterildampf und ist ausserdem über ein Ventil 14 mit einer Sterilgasquelle, beispielsweise einer Gasflasche 25, verbunden. Dabei wird der Druck des Gases über ein Reduzierventil 26 und einen Feindruckminderer 27 sowie eine Anschlussleitung 28 dem Einlassventil 14 zugeführt.
Die Zuführungsleitung 28 ist durch eine Leitung 39 mit einem Überdruckregler in Form eines Gefässes 35 mit konstanter Flüssigkeits-, z. B.
Wasserfüllung 36, verbunden. Leitung 28 und Gefäss 39 sind durchsichtig, z. B. aus Glas. Das Rohr 39 endet in einer vorbestimmten Tiefe von vorzugsweise 39 cm unter dem konstanten Niveau 38 der Wasserfüllung 36. Wenn der Druck in der Leitung 28, 39 ein bestimmtes Maximum überschreitet, welches der Höhe der Wassersäule zwischen dem Ende 37 des Rohres 39 und dem Niveau 38 der Wasserfüllung 36 entspricht, kann das überschüssige Gas durch den Flüssigkeitsverschluss 35, 36 entweichen.
Die Länge des Rohrschenkels 37 verhindert, dass im Fall des etwa auftretenden Unterdruckes Flüssigkeit in das Rohrsystem 28, 19 usw. aus dem Behälter 35 eingesaugt werden kann. Die Bewegungs- und die jeweilige Höhenlage des Niveaus der Flüssigkeit im Rohrschenkel 37 zeigt das ordnungsmässige Arbeiten oder etwaige Störungen an.
Die Arbeitsweise ist nun folgende:
Von einer Papierrolle 16 wird eine zur Schlauchbildung bestimmte Papierbahn um den unteren Teil des Extruderkopfes 1 schlauchartig herumgelegt. Die zur Schlauchbildung zusammentreffenden beiden Kanten der Papierbahn werden durch die Schweissvorrichtung 7, z. B. unter Verwendung einer Kunststoffeinlage als Schweissmaterial, der Länge nach verbunden, wodurch ein Papierschlauch entsteht.
Dieser Papierschlauch lässt sich knapp über das un terste Ende des Extruderkopfes 1 schieben, was durch den Führungsring 17 unterstützt werden kann.
Aus dem Extruder 20 wird nun thermoplastisches Material, z. B. Polyäthylen, durch den beheizten Kanal 6 über die Ringschlitzdüse 9 gegen die innere Wandung des stetig vorbeilaufenden Papierschlauches gedrückt und verbindet sich mit diesem ähnlich einer Kaschierung, vorzugsweise mit Unterstützung des weiter unten beschriebenen Gasüberdruckes im Schlauchinnern. Der so aus einem Papiermantel mit innerer Kunststoffwandung gebildete Schlauch 29 wird sodann weiter hinuntergezogen und in die bereits laufende Abzugs-, Packungsformungs- und Verschliessmaschine 30 eingefädelt. Diese weist in bekannter Weise Schweiss- und Schneidvorrichtungen auf, mit deren Hilfe der Schlauchquerschnitt zur Bildung der Einzelpackungen in zweckentsprechenden Abständen geschlossen und unterteilt wird.
Bevor nun das sterile Füllgut, z. B. keimfreie Milch, aus dem Behälter 50 durch das Ventil 3 in den kunststoffkaschierten Schlauch 29 abgefüllt werden kann, müssen die Milchleitung 2, der Hohlmantel 13 und die sich am Abfüllende 18 im Inneren des kontinuierlich laufenden Schlauches 29 befindliche Luft sterilisiert werden. Das geschieht, indem hochgespannter oder überhitzter Dampf durch das Ventil 5 in die Milchleitung 2 eingelassen wird. Damit dieser Dampf in dem vom frisch gebildeten Schlauch umschlossenen Raum 18 die Luft zuverlässig in kurzer Zeit sterilisieren kann, muss durch Verengung des Schlauchquerschnittes eine Dampfstauung erfolgen, die den erforderlichen Hitzeschock ermöglicht.
Zu diesem Zweck dienen zwei Formteile 10, die um den fortlaufend neu gebildeten und sich in Richtung auf die Packungsmaschine fortbewegenden Schlauch 29 unterhalb der Düse 9 aus der gestrichelt gezeichneten in die ausgezogen gezeichnete Lage durch Verschwenkung oder Versohiebung zusammengeschlossen werden können. Diese Formteile 10 stützen die Wandung des gebildeten Verpackungsschlauches 29 gegen den Druck des Sterilisierdampfes. Sie besitzen vorzugsweise am oberen Ende einen halbrunden rinnenartigen Querschnitt (Fig. 2a), der sich entsprechend der allmählichen Zusammenquetschung des Schlauchquerschnittes immer mehr verflacht (Fig. 2b), bis der Schlauch schliesslich zwischen den an den Enden der Formteile angebrachten Rollen 11 in Form eines flachen Bandes (Fig. 2c) ausläuft.
In den Fig. 2a bis 2c bedeutet die strichpunktierte Linie 29a die Aussenwandung des Schlauches aus Papier und die gestrichelte Linie 29b die durch Kunststoff gebildete Schlauchinnenwandung. Aufgabe der Rollen 11 ist es, den zusammengedrückten Schlauch ohne Reibung passieren zu lassen, da ja die Bildung des mit Kunstoff kaschierten Papierschlauches während der Sterilisation kontinuierlich weiterläuft. Der nicht mehr durch die Rollen 11 des zusammengelegten Schlauchquerschnittes hindurchtretende Dampf kann seinen Ausgang über den ringförmig um das Milchrohr 2 angeordneten Hohlmantel 13 und das Ventil 15 ins Freie finden.
Nach Beendigung der Hitzeschocksterilisation von z. B. 10 Sekunden werden das Dampfaustrittsventil 15 und das Dampfeintrittsventil 5 geschlossen. Da der den Extruderkopf und den Raum 18 füllende Dampf unmittelbar kondensiert und dadurch der frisch gebildete Schlauch im Raum 18 bzw. im Bereich der Klappen 10 zusammenklappen würde, muss gleichzeitig mit dem Schliessen des Ventils 5 automatisch oder von Hand das Ventil 14 geöffnet werden, durch das der Raum 18 unterhalb der Kunststoffspritzdüse 9 und zwischen den Klappen 10 sowie die übrigen Leitungsquerschnitte des Extruderkopfes 1 mit sterilem Druckgas gefüllt werden. Die Schliessung der Ventile 15 und 5 kann selbsttätig mit der Öffnung des Ventils 14 gekuppelt sein.
Dann bleibt das Ventil 14 offen, um den Raum 18 mit Hilfe des oben beschriebenen Druckreglers konstant unter einem vorbestimmten geringen Überdruck des sterilen Gases zu halten. Durch diesen im Inneren des Raumes 18 herrschenden Druck wird gleichzeitig die Aufkaschierung des mit Hilfe der Düse 9 gebildeten Kunststoffschlauches auf der Innenseite des Papierschlauches und eine feste Verbindung dieser beiden Schläuche miteinander unterstützt. Die Aufrechterhaltung eines geringen Überdruckes innerhalb des frisch geformten Verpackungsschlauches, insbesondere auch oberhalb des Niveaus des später zutretenden Füllgutes, gibt gleichzeitig Gewissheit dafür, dass im Fall etwaiger lokaler Undichtheiten keine bakteriellen Infektionen in das Schlauchinnere eintreten können.
Es ist selbstverständlich, dass der Sterilisierungsvorgang so durchgeführt werden muss, dass davon auch die Leitungen 28, 39 und die Druckminderventile 26, 27 erfasst werden.
Nun wird die zu verpackende keimfreie Milch durch das Ventil 3 in den sterilisierten Raum 18 eingelassen. Die Milch wird den sterilisierten Raum 18 bis zu einem bestimmten Niveau füllen. Das Milchniveau im Raum 18 wird mit Hilfe eines automatisch arbeitenden Regelventils konstant gehalten.
Eine solche Einrichtung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt und besteht beispielsweise aus einem Thermo Element 40, das mit Hilfe einer Bügelfeder 41 oder dergleichen gegen die Wandung des gefüllten Schlauchquerchnittes an eine Stelle gedrückt wird, bis zu der der ständig nachgebildete Schlauch während des Abpackvorganges gefüllt gehalten werden soll. Diese Anordnung macht von der Tatsache Gebrauch, dass die Wandung des Schlauches infolge des mit der Düse 9 aufkaschierten Kunststoffes eine verhältnismässig hohe Temperatur besitzt, die durch Füllung des Schlauches mit kalter keimfreier Milch im Bereich des gefüllten Querschnittes plötzlich stark herabgesetzt wird.
Das Thermo-Element ist nun mit einem elektropneumatisch gesteuerten Regelventil 3 so verbunden, dass das Ventil bei steigender Temperatur mehr oder weniger geöffnet, bei fallender Temperatur der Berührungsstelle zwischen Thermo Element 40 und Schlauchwandung 19 aber mehr oder weniger bzw. vollständig geschlossen wird, so dass dadurch automatisch das Milchniveau auf dem gewunschten, durch die Lage des Thermo-Elementes bestimmten Niveau gehalten wird. Eine Berührung der heissen Teile des Extruderkopfes im Bereich der Ringschlitzdüse 9 mit der Milch wird hierdurch ausgeschlossen und eine gleichbleibende Füllung der anschliessend geformten und abgetrennten Einzelpakkungen sichergestellt.
Jetzt werden die Formteile 10 mit den Rollen 11 voneinander getrennt (punktierte Stellung der Teile in Fig. 2) und damit ist der endgültige Betriebszustand erreicht. Ohne Fortsetzung oder Wiederholung der Sterilisierungsmassnahmen kann nun der Schlauchbildungs-, Schlauchfüllungs- und Abpackvorgang durch Unterteilung des gefüllten Schlauches in Einzelpackungen beliebiger Gestalt längs Quer schweissnähten mit der durch die Maschine vorgeschriebenen Abzugsgeschwindigkeit des neu gebildeten Schlauches aus der Schlauchbildungszone 9, 17 fortgesetzt werden.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist darin zu erblicken, dass das sterile Gaspolster, wenn es einmal gesetzt ist, kaum einer Nachspeisung bedarf, so dass der Verbrauch an Sterilgas aus der Flasche 25 minimal ist.
Wie schon gesagt, hat der Oberdruckregler 35, auch Manometer genannt, gleichzeitig noch eine weitere vorteilhafte Beeinflussung des Arbeitsganges zur Folge. Die unvermeidlichen geringen Druckschwankungen infolge des dauernden Arbeitens des Niveaufühlers, des sich dadurch ständig in geringen Grenzen ändernden Flüssigkeitsniveaus sowie der Pakkungsformung bedingen ständig kleine Niveauschwankungen, die durch das Manometer unschädlich aufgenommen werden. Entweder kann kurzzeitig entstehender Überdruck abblasen oder im umgekehrten Fall, soweit die Nachspeisung über den Feindruckminderer zeitlich nicht ausreicht und der Innendruck des Füllraumes vorübergehend absinkt, die Wassersäule im Manometerrohr auch hochsteigen. Das Wassermanometer liefert auf solche Weise gleichzeitig eine sichere Kontrollanzeige über den Verlauf und das Funktionieren des Füllvorganges.
Beispielsweise würde etwa ein zu hohes Ansteigen der Flüssigkeitssäule im Manometerrohr, insbesondere über 39 cm, anzeigen, dass die Sterilität des Abfüllvorganges gefährdet war.
Natürlich ändert sich an dem beschriebenen Prinzip nichts, wenn an Stelle eines innen mit Kunststoff kaschierten Papierschlauches ein reiner Kunst stoffs chl auch Verwendung findet, der mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten Düse an Stelle der Ringschlitzdüse 9 gegebenenfalls mit zusätzlichen apparativen Mitteln erzeugt wird. Dabei ist natürlich zu beachten, dass dem aus der Schlauchspritzdüse zutretenden Kunststoffschlauch Gelegenheit gegeben werden muss, ausreichend zu erhärten. Es ist auch möglich, beide Arten der Schlaucherzeugung zu kombinieren, indem man zunächst für den Beginn des Verfahrens den beschriebenen Papierschlauch zu Hilfe nimmt, dessen Innenseite kaschiert wird. Wenn das Schlaucherzeugungsverfahren dann angelaufen ist, wird der Papierschlauch fortgelassen, so dass sich nur noch der reine Kunststoffschlauch bildet.