CN101663051A - Pet容器和瓶的杀菌系统 - Google Patents

Abstract

PET容器和瓶用的一杀菌系统，包括至少一电子流发生器1，一扫描枪2和至少一宜由重金属制成的靶4，因此当部分电子辐射射向所述靶时，可产生反射的X射线辐射，有助于容器杀菌。与电子辐射碰撞时转化为臭氧的一定数量的液态或气态氧气也同样处于辐射状态下，因此更有助于杀菌。

Description

PET容器和瓶的杀菌系统

技术领域

本发明涉及物品表面和气体杀菌，尤其涉及主要通过电子与物品表面和环境的相互作用、以及电子与其中所含或流动的气体或空气的相互作用而实现的杀菌，以及该等杀菌的协同效应。

背景技术

在医药、药品生产和食品加工领域，杀菌在抵抗由有害微生物产生的风险中起着关键作用。现今使用的大多数杀菌(消毒)方法皆需要杀菌剂系统地渗透进待杀菌物品中。这些方法包括通过加热杀菌，其中待杀菌物品需进行加热和加压，例如在一个高压锅中。热量和压力渗透入待杀菌物品中，并在足够时间之后将有害微生物杀死。过氧化氢或环氧乙烷等气体也可用于杀菌物品。气体需要完全渗入整个物品中以进行全面杀菌。另一种杀菌方法使用了电离辐射，如伽马射线、X射线或高能电子。

然而，一些目标物品与杀菌剂接触时，将对物品本身产生有害作用。例如，这些目标物品包括：受热时会融化或退化的物品，会使化学杀菌剂退化或与之产生反应的产品，以及与高能辐射，尤其是致电离辐射接触时会发生有害改变的材料。过去已认识到，如果致电离辐射仅限于在目标物品表面，那么将不会出现所述有害作用。然而，大多数的致电离辐射是由强大的光束发生器产生的，例如加速器，因而所产生的辐射束本身就具有穿透能力。

美国专利(专利号：4801427)公开了一种对医疗设备进行干热灭菌的过程，该医疗设备需在气体环境中进行放电，从而产生活性等离子体。在一实施例中，Jacob公开了如何将物品放置在输送带上，该输送带可将物品带至由环境空气中的电晕放电产生大气压放电的一个缺口处。等离子体是由接地并作为阴极的输送带与作为阳极的复数个针形喷嘴之间的放电形成的，其可分散电离气体；该等气体可为氧化气体如氧气，或还原气体，如氢气。

美国专利(专利号：5,200,158)公开了一种通过使物品与在减压、气体环境中放电产生的气体等离子接触进行杀菌的方法。建议可使用氢气、氧气、氮气和惰性气体来形成等离子。

与本专利所述的高能量方法相反，美国专利(授予S.Nablo的)公开了一种使用低能电子对物品表面进行杀菌的方法，尽管存在特别的高能量起点。低能量电子的其中一个优点是，由于该低能量电子不会渗入物品内部，因此不会改变待杀菌材料的机械特性。

Nablo已在另一美国专利(专利号4652763)中进一步延伸了其想法。该专利公开了使用其能量足以渗入目标材料的外层、但不会通过该材料内层的电子束。

一些专利公开了使用气体等离子获得表面杀菌的方法。在美国专利(专利号3948601)中，Fraser等人公开了使用持续流气体等离子的方法，该持续流气体等离子在非常低的压力下被引入含有待杀菌的目标物品的容器中。可通过将氩气等气体与射频场接触而持续产生冷等离子。之前所设计的装置所遇到的其中一个问题是如何与三维结构连接，如小瓶、小玻璃管和套筒等。有时这些结构具有产生致电离辐射阴影区的轮廓，甚至使扩散放电如电子或反应离子不能到达该区域，从而造成杀菌效果差。一种解决方法是在不同角度旋转或定位待杀菌物品。

在美国专利(专利号6623706B2)要求书中论述了另一种可能的解决方法。该方法包括使用两个电子发生器，其中两个电子发生器分别放在待处理物品的一前一后，从而覆盖对方留下的阴影区。

近来，已有许多关于杀菌方法的论文和专利，例如美国专利(专利号6682696B1，2004)涉及过氧化氢(hydrogen peroxide)的使用；美国专利(专利号2004/022673)提供了过氧乙酸(peracetic acid)和福尔马林等的使用；美国专利(专利号6945013)使用过氧化氢和臭氧；美国专利(专利号2006/0032189)，美国专利(专利号2007/0065335)以及美国专利(专利号6,432,279,2002)提供了臭氧和水溶臭氧(water-dissolved ozone)。

因此，待解决的主要技术问题是实现精细形状的容器杀菌，而无需使容器，如PET容器本身处于温度退化的环境中。

发明内容

本发明的目标旨在为PET容器和瓶提供一个能解决上述问题的杀菌、密封和标示系统。根据权利要求1，可通过PET容器和瓶的杀菌系统来实施该解决方法。

根据本发明的另一方面，所述问题可通过权利要求12的一种杀菌方法解决。

这些从属权利要求公开了本发明的优选实施例，因此构成本发明描述的一个完整部分。

附图说明

通过使用一些非限制性例子及其附图，对PET容器和瓶杀菌、密封和标示系统的优选、非唯一实施例的详细描述，本发明的其它特征和优势将变得更加清楚明了。这些附图包括：

图1显示了通过辐射对容器进行杀菌的示意图。

图2显示了一个与图1类似的结构图，其中待杀菌容器被设置在不同的辐射照射角度。

图3是一示意图，其中待杀菌容器沿着一个外周移动并每次有一个容器接触辐射；

图4显示了一个与上图有关的该等容器辐射的不同结构图；

图5显示了一个杀菌系统的剖视图，着重显示了带轮运送系统和电子流发生器。

图6显示了上图垂直剖面的一部分，着重显示了该等容器以及相应容器内胆、发生器和相应电子加速器的辐射区域；

图7显示了具有开放的屏蔽部件的系统三维视图，其允许显示装载区域附近容器处理系统的部分视图；

图8显示了该系统的另一三维视图，通过该三维视图，可推断出该容器杀菌轮、入口轮和出口轮的位置，所述三部分构成了该处理系统；

图9显示了夹住待杀菌瓶的夹子的一个平面图；

图10显示了上图所示夹子的一个等斜视图。

图11显示了一个容器的精细旋转和清洗系统，该容器具有一个引入待吹扫的该容器中的清洗喷嘴。

图12显示了激活前的系统。

图上的相同参考编号和字母代表相同元件或组件。

本发明优选实施例的详细说明

该创新、灵活、完全计算机化的系统包括一个或多个低压电子发生器1(大约为200-400千电子伏特(200-400KeVs))，磁场发生器或偏转器(deflectors)3以及电子束的可编程后加速段，该系统允许充分利用杀菌场或和聚合场中电子束性能，它们对瓶表面进行密封，并对该瓶进行标记和无菌灌装。

本发明充分利用了PET容器的新塑模、杀菌和灌装系统中电子束的所有性能参数和不同特性的协同作用：通过引进基于大气等离子喷涂(APS)技术的新加热方法而实现的灭菌、臭氧产生、等离子、聚合、加热和X射线产生等，提供了：

1.剂量均匀性的最优化；

2.量级为200-400千电子伏特的电子PC可编程源的使用，包括至少一个扫描触角或枪2，以及一个使电子束以90度角进入的窗口21；

3.偏转散射电子用的PC可编程磁场31的应用；

4.X射线产生部分上PC可编程电子后加速场事件的使用；

5.灵活的、PC可编程光栅或电子束扫描定位；

6.使用由电子束和UV产生的臭氧O₃对设备、环境和容器进行杀菌；

7.使用电子束聚合密封漆；

8.通过电子束聚合日戳和标志等；

9.使用APS技术进行加热。

因此，本发明的目的是提供一个杀菌用的综合、灵活、完全计算机化的系统，尤其是用于食品PET预制件、瓶和容器的综合、灵活、完全计算机化的系统，其使用了致电离辐射(ionizing radiation)，对PET基材没有负面影响。本发明的其中一个主要目标通过直接辐射和其它将公开的所有设备获得一个无菌容器，因而使释放在该容器中的剂量均匀性达到最优化。这种集成和灵活的系统比先前设计的杀菌系统更有效并且花费要低，这是因为将电子束的低能量电子的直接效果和电子束本身产生的X射线、臭氧、等离子的协同效果结合起来，并且引用了热处理和APS技术。

本发明实现了有效杀菌的目的，而无需使用高能量、昂贵的大体积设备，也无需过多昂贵的高电能，以及需符合严格、精细的卫生和许可标准的设备，其只需简单利用电子束与相关的等离子、臭氧、X射线、杀菌和聚合作用的协同效应。

该等协同效应可通过适当和专用设备获得，如：

1)使用适当磁场31所用的一个简洁的电子出口窗口21，尽管该窗口会延伸，如沿着垂直方向，允许直接和同时照射至少两个甚至有不同形状和尺寸的瓶子，从而使单个瓶至少有两条电子束辐射路线，该等瓶子是根据最适当的定位放置的，从而具有最佳的剂量均匀性(图1和图2)。

2)可使用适当定位的PC可编程磁场31(图3和图4)来实现较好的剂量均匀性，该磁场可对从薄钛窗口21输出的电子散射进行导向，该窗口具有一个开口量级宜为0.15-0.05μm的朝向瓶、颈和瓶底阴影区域的开口。

3)相对电子束11的瓶子，通过旋转瓶子，例如，围绕其对称轴，可以实现其其他优点，如剂量均匀性和适当角度，参照图1和2；在电子束下通过两次传输，其优点可以更加有效。

4)实现剂量均匀性的另一关键作用来自扫描光栅的PC编程，从而在适当地点获得适当剂量；

5)在目标物或由极化的重金属如W，Ta和Hf等构成的反射器4的适当位置中进行的布置进一步促成杀菌过程，通过X射线的同步生成，从而传递和产生更有效的散射电子杀菌效果。

6)最后，在电子的影响下，导入瓶中的一滴液态氧生成更有效的臭氧，从而强有力地促成容器内表面的杀菌过程。

为了进一步优化利用电子枪产生的协同效应，该系统进一步提供：

7)沿瓶子路径的位置，这些瓶子涂有微孔密封漆，该密封漆通过电子进行聚合，并当通过电子束时，进一步聚合。

8)同样地，沿瓶子路径设置有一个位置，其中特定标记和日期等涂有电子束聚合的墨水。

本发明提供有利用电子束产生的协同效应的进一步改善，以获得粗加工成品和/或瓶子的整个生产和/或处理系统的杀菌，从而在预备步骤阶段，处理并将电子发生器适当引导到系统的各个部分，而且通过调整电子束能量以及使用可调整磁场以及被适当设置和极化的重金属目标物和液体氧滴，实现预期的杀菌效果。

在本柔性系统中，用于杀菌的电子束技术配以引进的新型加热技术。通过利用APS技术，该加热技术以在被加热元件上直接提供的电阻元件为基础。

该新APS技术可随时用于本创新系统，其便于加热设备和组件并很经济，从而对生产瓶子等的预制件的塑料材料进行杀菌和液化。如何使用该技术的说明可见图1至图4。根据图1，电子束11的发生器1通过角(喇叭型物)2照射在待杀菌的一对瓶子或容器10上。该电子束11可由磁场发生器3产生的磁场31进行适当(引导)导向，从而将该电子束集中在瓶子的所有区域，而后者绕着其对称轴旋转。如图所示，所述极化目标(靶)4用于使所述电子流11朝瓶子区域偏转，这对杀菌过程更为至关重要。

根据图1，图2建议根据电子流11的方向使瓶子10处于不同角度。

图3显示了一个例子，其中，根据上图以及辐射电子流11，瓶子10被放置在不同角度。至少一个瓶子10直接由电子束照射，该电子束可能由所述磁场发生器3进行导向，对其它瓶子在电子束由所述目标或偏转器(反射器)4偏转(反射)后，其可能也已适当进行极化，再进行辐射。

图4显示了磁场发生器3的不同结构图。根据图3，两个瓶子10与直接辐射接触，而其它两个瓶子与偏转(反射)辐射接触。

根据在图5至12所示的杀菌系统的优选实施例，该系统包括一个杀菌轮102，瓶子10通过适当的夹子200附在该杀菌轮102的外周上，并被携带至照射电子流的枪2的口的前部.。

所述杀菌轮102宜与进口轮101和出口轮103相连。

所述轮子所覆盖的整个轮迹被附在一个屏蔽壳中，这是因为需要屏蔽系统周围的环境免遭发生器1的辐射，该辐射可能对人体健康有害。

在瓶10的系统标记着“IN”入口或出口标记着“OUT”处附近，分别设有蜗杆(螺钉)106和107，首先用于隔开附近的瓶子，然后拉出瓶子，从而当需用夹子200夹住瓶颈并在系统内部路径上运送瓶子时，可以使瓶子之间有适当距离。

所述蜗杆螺钉106和107同时旋转至运送系统，包括所述轮子101，102和103。

可设计所述轮子之间的结构和尺寸比，从而使适于使该系统与外部屏蔽的迷宫效应最大化。

IN装料区域和OUT卸料区域为面向外部环境的接口，因而必须形成防止潜在污染空气进入灭菌系统的屏障，因此，完全过滤进入空气后会产生过压，从而保持了级别100。

通过上述的同步蜗杆螺钉或通过传送带，将瓶输送到杀菌系统的进气入口，但也可从外部输送，以便限制系统内污染空气的进入。

利用由与一加速器机器集成在一起的发生器1产生的电子束辐射，进行杀菌处理。

靠近瓶子辐射角型物2的区域保持在过压状态并通过高效滤波器过滤的层流空气中，优先选择等级为100的滤波器，尽管其过压低于IN装载区和OUT装载区的超压。原因是在高效电离下需要排空由电子束产生的臭氧，这样就能避免臭氧进入杀菌系统周围的空气中。

应优先进行待杀菌容器的处理，以便使相同容器在电子束前至少旋转两圈。

由于待杀菌容器表面所有区域的不完全辐射符合杀菌结果，因此会实现所述处理，从而使容器的任何区域受到辐射。光束宽度确定了照射时间，且后者必须在任何情况下适于确保机械运送系统的安全。考虑到安全和完整辐射，旋转速度可能不会高于10圈(转)/秒，即600圈/分，且一次完整照射所需时间约为0.1秒。光束宽度因而与产出量、以及星形处理装置的轮距成比例。在该优选实施例中，若瓶子之间的间距为112.5毫米，则瓶子上光束宽度至少为所述间距的两倍，为250毫米。光束长度应等同于容器最大长度加上边缘效应的补偿量。

例如，对于长350厘米的容器，角型物(扫描角)的长度应不少于400毫米。

将加速器置于邻近辐射区的室内，以便限制受控环境的音量(volume)。在任何情况下，枪安装室应有空气调节并受过压，并与IN装载区有类似特性。

应安装成比例的冷却系统以防止载波系统的瞬时功率将容器塑料接触区的温度提升至超过60摄氏度。还应通过使用制冷液，如低温水流通的管道来限制(调节)辐射区的屏蔽。

该屏蔽系统104用于减少从该系统到系统附近操作员工可接受范围内的发射辐射，如X射线。确实，该危险与发生器1所产生的电子束辐射无关，其是一种被与水密度相同物质的一个毫米一些十分位所吸收的β辐射(Beta radiation)，而不是X射线束能量高分子重量金属的碰撞转换。因此，要求有吸收X射线强并对开放系统有迷宫式几何的材料，如本发明的系统对象。

由于铅作为一种吸收材料的运用是一种普遍限制墙厚度的行为，虽然此种材料应避免出现在加工食品容器的机器里，但作为铅的替代物，在当时更倾向用铁制造且厚度在比例上比用铅要大的屏蔽壳104，因为铁的低密度对X射线的屏蔽效果更差。该屏蔽取决于能量、取决于由屏蔽材料的原子与电子相碰撞引起的光子流、取决于屏蔽材料、取决于机器操作工人能接受的辐射流量。在1MeV能量的情况下，铅的厚度可以估计为相当于350mm；在开放系统的情况下，如瓶子系统，在到达出口前辐射必须被反射3倍，因为每次反射降低辐射能量的99％。

这就解释了包含有上述处理系统的灭菌系统的特殊几何结构，比如通过星型轮，包括上述101、102和103轮协同操作，以此引导该处理路径在俯视图上看起来类似于一Ω。

在瓶子处理过程中用来将瓶子固定在上述轮子上的夹具为安装在所述星形轮上的夹子200.

反射器4，像安装在所述夹具(见图10)上的反射器204位于辐照室内且具有一高原子重量以促进X射线的产生，从而，如上所述，可以提高至少1％的总产量，有助于容器的杀菌。

扫描角型物2的窗口21包括至少一个钛片，该钛片在操作中可以加热，因此其冷却和发生器1以及扫描角型物21的冷却总体是通过一个或多个吹风喷射机实现的，吹风连续从辐照室内循环，然后通过热交换器或来自外部的冷却并进行适当的过滤。

在本发明中的有利变化中，密封舱和容器盖20的杀菌同样也在辐照室内进行。将它们放在辐射目标的容器后，穿过容器的以及介于临近容器之间的残余电子辐射便通过第二个适当带子或星形轮间距和运输系统的受控动作进行利用。所述的第二个处理系统将消过毒的密封舱从辐照室移至封口机处。

作为替代，密封舱的处理可在邻近重金属反射器4的区域进行搬运，以便受益于相对于直接电子辐射间接的X射线。当密封舱暴露在直接的，非常强烈的以及渗透X射线中时，甚至最复杂的密封舱，例如所谓的“sport caps(运动帽)”都可以进行杀菌。

优先达到的剂量总是高于或等于10kGy。考虑到从电子流到X射线流的变换因子1％，密封舱的优选暴露时间约为容器的100倍，例如10秒。

在所述的杀菌系统的优选实施例中，由于暴露持续时间是与发射角的轴对应。第二个运输系统包括一进给螺丝，该进给螺丝位于特定路径的屏蔽壁内，以确保上述的优选暴露时间。按照该方法杀菌的密封舱然后送至使用站，例如送至无菌区的封口机。

使用X射线代替直接的电子束的优点同样也基于事实：密封舱通常由聚丙烯(PP)构成，如果超出电子束的用量这种材料可以轻易破坏，而X射线则不具有如此强大的力量也不如其操作简便。

在容器本身的杀菌过程中可能需要无菌空气或氮气或者另外的气体，以达到下列两个目的：1)辐射前，对容器内部异物的清洁；2)杀菌过程中，对容器臭氧的清除，该臭氧是由电离辐射动作产生的。

具体而言，在输入惰性气体时，电子流产生的臭氧对之后输入容器中且一般是但不仅仅是食物的产品进行的氧化就撤销。

应提供沿杀菌路径自动引入容器中并与容器底部接触的清洗空气或气体进口喷嘴以确保达到好的清洗效果。

如上所述，由于容器辐射应避开屏蔽区是最重要的，因此应提供一专用夹具200。

该夹具包括两个加长部件201和202，相互合作共同固定住瓶颈。该夹力可以通过弹簧203的负载进行调节，该弹簧可以抓住所述的相反方向的部件。在第9和10的实施例中，每个部件都可以绕之本身的支点旋转，分别为211和212。此外，在一段可以加长的上述部件，包括瓶颈的夹持装置210，在另一端它们包括用于开启夹具200的控制装置221和222.

具体而言，所述的持装置210指的是分布在两个加长部件上若干滚轴，该加长部件用于放置在被夹持的瓶颈处，留出前部和后部的位置，以免瓶子没有任何地方被屏蔽辐射。

所述的控制装置221和222是用来开启夹具的，包括若干滚轴，由凸轮驱动的，或者在任何情况下，夹具围绕运送轮动作过程中遇到的面驱动的，以决定夹具的开启和关闭。

滚轴的数量是确定的，以确保瓶子固定中可以使得其围绕本身的旋转轴自由旋转。

有利的是，所述的夹具允许整个瓶子的辐射，而不确定杀菌辐射的任何屏蔽区。

在瓶子的开口处和其顶部，一仿形样板204和夹具集成在一体。该板用来实现双重功能：1反射瓶颈上的电子束，以及将电子束的能量传递至X射线。所述的滚轴210用来固定住瓶颈，允许其围绕本身的旋转轴旋转。

只有在瓶子辐射过程中才需要进行旋转，所述的清洗喷嘴310包括在精密系统300中，该系统具有双重功能：引进喷头至瓶中，以及旋转瓶子。

为此，所述的精密系统300应放置在瓶子的辐射区内。

所述精密系统300包括一个旋转内空杆301，在3011末端包括一个与瓶嘴相配的联轴节，通过降低接触瓶嘴来使瓶子旋转。

清洗喷口310通过旋转杆301的内腔降低，因此当瓶子旋转且被辐射时，其同样会受到吹风的清洁。

旋转杆301可以通过沿外表面的螺纹进行旋转，该外表面与杆的支撑302相协作，从而产生一蜗杆螺钉(涡轮蜗杆)系统。

最后或清洗过程中或结束时，为了实现杀菌，所述的清洗喷头310首先在容器中喷射气态氧或者一滴液态氧气(与容器大小成比例的数量)，以便电子辐射将其转换为臭氧，可以对容器的内壁进行高度杀菌。

关于安装的发生器1的动力，下表给出了屏蔽外壳104的优选尺寸，优化用于和PET容器一起使用的发生器的动力。

具体而言，通过不同屏蔽显示于图中的，关于更低或更高屏蔽度的不同区域得到了保证。因此，带方形屏蔽的A型墙定义为邻近扫描枪2，B型屏蔽墙在中间区域带有六角屏幕，且最终C型部分带45°角开口，该开口靠近装卸区域，即屏蔽辐射所在的区域，包含低能量。每种墙壁的最大和最小厘米厚度的定义因此与发电机1的装机功率(以keVs计)有关，见下表所示。

Claims (14)

1.一种PET容器和瓶用的杀菌、密封和标记系统，包括一个电子发生器(1)和一个扫描枪(2)，用于直接照射所述容器，以及至少一个由重金属制成的靶(4)，用于将至少一部分电子辐射转化为X射线，从而间接辐射所述容器。

2.根据权利要求所述的一系统，包括传输装置(301)，用于引入液态或气态氧气，并使该液态或气态氧气在容器灭菌期间经受所述的直接和/或间接辐射。

3.根据权利要求2所述的一系统，包括偏转器(3)，用于偏转和/或集中在辐射期间容器(10)上的所述电子辐射。

4.根据前述任一权利要求中的所述的一系统，其中，所述扫描枪(2)包括一钛窗口(21)。

5.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，其中，所述至少一个靶(4)用于将0.1％和5％范围内的部分辐射能转化为X射线。

6.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，包括一个处理系统(102，102和103)，该系统附在屏蔽壳(104)中的所述扫描枪(2)，该屏蔽壳用于将灭菌期间容器获得辐射与外部环境屏蔽开；并且还为呈Ω平面形状的容器形成迷宫处理路径。

7.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，包括密封舱和盖(20)用的第二处理装置，用于至少在部分处理期间使容器盖与直接和/或间接施加辐射。

8.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，包括一空气过滤系统，用于在容器引入(IN)和喷出区域(OUT)产生第一过压以及比容器辐射区域第一过压低的第二过压。

9.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，包括带有空气或惰性气体或氧气的容器吹扫装置(301)。

10.根据任一前述权利要求中的所述的一系统，其中，设有一容器(10)用的夹具(200)，包括在辐射期间将容器至少进行部分旋转的旋转装置(301，302，3011)。

11.根据权利要求10所述的一系统，其中，所述旋转工具包括一个与内空杆(301)协作的支撑(302)，它包括一个外丝扣，可通过所述支撑(302)获得一涡轮蜗杆；以及一端部，它包括一适合于待旋转瓶(10)的口部的联轴器(3011)。

12.一种PET容器和瓶用的一种杀菌、密封和标示方法，包括将所述容器与直接电子辐射和间接X射线辐射接触。

13.根据权利要求12所述的一种杀菌方法，包括一与所述接触有关的之前或同时发生的步骤，在该步骤中，液态和/或气态氧气以及待杀菌容器需进行辐射。

14.根据权利要求13所述的一种方法，其中，电子辐射在容器杀菌期间被偏转和集中于该容器上。

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