CN106061516B - 包含温度测量设备、与辐射强度相关的温度的用于电子束灭菌的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于通过电子束照射对包装容器(60)进行灭菌的电子束灭菌装置，所述电子束灭菌装置(10)包括壳体(12)，所述壳体(12)围绕内部空间(14)以及被布置在所述内部空间(14)中用于产生电子束的电子束发生器(20)，其中所述壳体(12)包括电子出射窗(30)，并且其中设置温度测量设备(50)，其用于测量在所述电子束的移动路径中的温度。

Description

包含温度测量设备、与辐射强度相关的温度的用于电子束灭 菌的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于通过电子束照射对包装容器或包装材料进行灭菌的装置和方法。

背景技术

在例如食品工业中，通常将液态和半液态食物产品包装在包装容器中，所述包装容器由诸如PET之类的聚合物材料制成，或者由包含纸芯层或纸板芯层以及一或多个例如聚合物材料或铝箔的阻隔层的包装层压材料制成。一种包装类型是在灌装机中制造的“纸板罐(carton bottle)”，在所述灌装机中上述包装层压材料的包装坯料被成形并密封成套筒。所述套筒在一端处闭合，因为热塑性材料的顶部被直接注塑在所述套筒末端部分。可从包装层压材料的储料卷筒(magazine reel)切割包装层压材料的片材。

当其顶部完成时，所述包装容器准备好通过仍开口的底部灌装产品，然后密封，最后折叠。在所述灌装操作之前，对所述包装容器进行处理。如果要在冷藏温度下进行分销和储藏，则对所述包装容器进行消毒，然而如果要在室温下进行分销和储藏，则需要对包装容器进行灭菌。术语灭菌是指消灭或杀死微生物生命的任何方法，所述微生物包括诸如真菌、细菌、病毒和孢子之类的传染性媒介，其可存在于所述包装材料的表面之上或产品之内。在(食品)包装工业中，这通常被称为无菌包装，即，将灭菌产品封装在经灭菌的包装容器中，即，使所述产品和所述包装容器不含活菌和微生物，使得无需特殊的冷却必要条件就可保持所述产品的鲜度，也就是，使得尽管包装容器在室温下储藏，但是可在所述包装容器内部保持无菌。在此背景中，术语“商业上无菌”也通常被使用，并且通常指不含能在常规无冷却条件下在所述食品中生长的微生物，所述食品在制造、分销和储存期间很可能被保持在所述常规无冷却条件下。在本专利申请中，术语“无菌的”是指至少为商业上无菌的条件。

对这样的包装容器进行灭菌的一种方法是用从电子束发射器发射的低电压电子束对其进行照射。通过电子束对准备灌装的包装容器进行线性照射的实例公开于国际专利公开号WO 2005/002973中。照射包装容器(在这些例子中为PET瓶)的其它实例描述于例如WO 2011/011079和EP 2 371 397中，后者描述了一种旋转系统。在这些系统中，使用的发射器具有足够小尺寸以通过瓶的颈部的直径。低电压电子束也可用于对包装材料卷材进行灭菌。在两个相对的电子束发射器之间传送所述卷材，所述电子束发射器的电子出射窗面向所述卷材的表面。例如在国际专利公开号W02004/11 0868中描述了卷材灭菌。

电子束灭菌装置或者发射器是已知的，其可插入包装容器中，对所述包装容器内部进行灭菌。而且，已有电子束灭菌装置用于对包装容器外部表面进行灭菌。

为了监控电子束发射器的正确操作，且从而能保证无菌，通常进行放射量测定试验。在电子束发射器的使用期限内，定期(通常是每日)进行这些试验。通常，放射量测定试验包括将放射量测定器装置(即在辐射照射量上发生反应的贴片(patch))添加入包装容器中，以测量是否在辐射期间获得正确的吸收剂量。同时，在所述电子束发射器中测定电压和电流。通过将供给所述灯丝的电流和离开所述灯丝的电流进行比较来测定在所述灯丝上的电流。通过这种方法，可测定从所述灯丝发射的电子的量。此外，测定在电子出射窗与灯丝之间的电压，即电势。然后电压和电流的测定值在包装容器的生产期间被用作为设定值。在生产期间连续监测电流和电压，并且只要所述数值不低于所述设定值，就推定所述包装容器接收正确的剂量。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于对包装容器或包装材料卷材进行灭菌的允许有尤其可靠的灭菌的电子束灭菌装置和方法，其中对所述电子束灭菌装置功能的在线测定和控制得到改进。

根据本发明的所述电子束灭菌装置适于通过电子束照射对包装容器或包装材料卷材进行灭菌，且其包括壳体，所述壳体围绕内部空间和被布置在所述内部空间中用于产生电子束的电子束发生器。所述壳体包括电子出射窗。所述电子束灭菌装置还包括温度测量设备，其用于测量或检测在所述电子束的移动路径中的至少一个温度。所述温度是由所述电子束灭菌装置递送的电子能的量度。

根据本发明的所述方法是用于通过电子束照射对包装容器或包装材料卷材进行灭菌的方法。所述方法包括以下步骤：在壳体中产生电子束，使所述电子束通过电子出射窗离开所述壳体，以及测量所述电子束移动路径中的温度，其作为所述电子束产生的电子能的量度。本发明的所述方法可通过本发明的电子束灭菌装置来实施。

为了获得适当的灭菌，电子束灭菌装置的照射剂量应保持在给定的范围内。如果递送的剂量过低，灭菌可能不充分。如果所述剂量过高，所述包装材料可能受到不利的影响。因此通常期望的是，在操作所述电子束灭菌装置时，测定所述照射剂量，尤其是电子束灭菌装置的电子束强度。

本发明的基本构思是提供用于测定所述电子束的照射剂量或强度(输出剂量/电子束能量输出)或电子束灭菌装置的电子束递送的电子能的装置和方法。通过所述电子束的移动路径中温度的测量来确定所述照射剂量或电子束剂量。当所述电子束，即由所述电子束发生器发射的电子，撞击物体时，产生热量并加热所述相应的物体。通过将所述物体的温度与所述电子束灭菌装置的输出剂量相关联，所述温度测量设备可用作为所述电子束灭菌装置的剂量传感器。在运行所述电子束灭菌装置期间，即在产生电子束以及所述电子束通过所述电子出射窗时，进行所述温度测量。所述电子束路径尤其是从所述电子束发生器朝向待灭菌的所述包装容器或包装材料卷材延伸的路径，即从所述电子束发生器朝向并经过所述电子出射窗的路径。

通常可在所述移动路径(电子束路径)的任意位置，例如在所述电子束发生器与所述电子出射窗之间，测量所述温度。然而，在一或多个实施方式中，在所述电子出射窗处测量所述温度，并且所述测量设备适用于测量所述电子出射窗的温度或者在所述电子出射窗处的温度。电子出射窗的温度取决于所述电子能或照射剂量或束流强度，因此，可通过确定所述电子出射窗的温度来确定所述照射剂量。当所述电子束经过所述电子出射窗时，所述电子束的能量被部分传递至所述电子出射窗。因此，在上述电子束灭菌装置运行时，所述电子出射窗变热，并且所述电子出射窗的温度直接与由所述电子束灭菌装置(发射器)发射的所述照射剂量相关，尤其是与电流或电子能量有关。因此，所述电子出射窗的温度的测量提供了简单的测定所述照射剂量的方法。因此，所述温度测量设备可用于监控所述照射剂量。

在本发明的一或多个实施方式中，所述温度测量设备包括设置在所述电子出射窗处的温度传感器。所述温度传感器可以是例如热电偶，其优选接触所述电子出射窗并检测所述电子出射窗的至少一个指定位置的温度，尤其是通过直接接触来实施。所述温度测量设备可包括一或多个温度传感器。为了检测在整个电子出射窗的电子束的均匀度，所述温度传感器可定位在所述电子出射窗的不同位置。

在本发明的一或多个实施方式中，所述温度测量设备位于所述壳体的内部空间，在所述电子的移动路径中，即，在所述电子发生器和所述电子出射窗之间。所述温度测量设备至少部分地被适于在受到电子撞击时产生热的媒介覆盖。所述媒介可以是陶瓷材料。类似的温度设备可用在所述电子出射窗的外部，在所述温度设备不直接接触所述电子出射窗的位置，其仍处于所述电子的移动路径中。

在本发明的一个实施方式中，所述电子出射窗包括支撑结构和能透射电子的箔片，并且所述温度测量设备，尤其是所述温度传感器，适于测量所述支撑结构和/或所述箔片的温度。该实施方式是基于以下事实：由所述电子束灭菌装置或发射器递送的所述能量部分地且线性地被吸收在所述真空窗(箔片)和其支撑结构上。因此，对这些物项上温度的测量提供了简单的确定其自身电子电流的方法。所述支撑部件可以尤其是类似栅格的结构，例如由铜制成的类似栅格的结构，其具有所述电子可从其中通过的多个自由空间或孔。所述箔片能透过电子，并且可以是金属箔片，例如钛箔片。所述箔片的厚度可以是在4-12微米的范围内。所述箔片覆盖所述支撑结构。为了所述支撑结构和/或所述箔片的温度的测量，所述测量设备或温度传感器的探测头在一个实施方式中可直接接触所述支撑结构和/或所述箔片。

在本发明的另一实施方式中，所述温度测量设备，尤其是所述温度传感器，被设置在所在支撑结构之上和/或之内。在所述支撑结构上和/或之内的温度传感器的定位允许非侵入性原位剂量/温度测量，尤其是如果所述温度传感器不进入所述支撑结构的自由空间。优选布置所述温度传感器，使得其不干扰或阻碍所述电子束通过所述支撑结构的自由空间。所述温度测量设备，尤其是温度传感器，被布置在面向所述内部空间的表面上或在与所述内部空间相对的表面上的所述支撑结构的表面上，以便防止阻塞所述支撑结构中的自由空间。在另一实施方式中，所述温度传感器还可被嵌入所述支撑结构的材料中。

为了获得所述测量的温度和所述照射剂量之间的尤其可靠的和/或可预见的关系，设置所述温度测量设备(尤其是所述温度传感器)，以便测量在所述电子出射窗的中心部分中的温度。特别地，如果所述电子出射窗相对于所述中心部分或中心点是实质上对称的，则在该点的温度是所述电子电流的可靠量度。在本发明的一实施方式中，所述电子出射窗是圆形的。

在本发明的另一实施方式中，所述温度测量设备适于在所述电子出射窗的至少两个不同位置测量温度。通过在所述电子出射窗的超过一个位置处进行温度测量，可提高所述发射的电子照射剂量测定的可靠性。所述温度测量设备可包括用于在所述电子出射窗的不同位置处测量温度的两个或两个以上独立温度传感器。如果提供温度传感器的场所，也可确定所述电子束灭菌装置的空间辐射分布概况。

在本发明的一实施方式中，所述温度测量设备包括热电偶。热电偶提供本申请需要的充足准确性以及测量温度的可靠且有成本效益的方法。

在本发明的另一实施方式中，所述温度测量设备包括用于测量所述电子出射窗的温度的非接触式温度传感器。例如，可使用用于测量热辐射的温度计。所述热辐射用于测定电子出射窗的温度。这种类型的已知设备是高温计。所述高温计可以例如被放置在所述电子束灭菌装置的壳体外部，且使得其通过在连续的包装容器灭菌之间的电子束灭菌装置。所述电子束灭菌装置优选在连续的灭菌之间保持运行，使得提供在所述电子出射窗处的稳定温度，即，所述电子出射窗的温度随着时间的推移实质上是恒定的。

基于仅部分电子出射窗的温度测量的电子照射剂量测定的可靠性还取决于由电子通过所述电子出射窗时所产生的电子出射窗温度分布概况。所述温度分布概况越是可预见的且越分布均匀，所述电子照射剂量的测定就越准确。因此，根据本发明优选的是使用具有可预见的和/或均匀的电子发射分布概况的电子束发生器。

在本发明的一实施方式中，所述电子束灭菌装置包括用于基于所述测量的温度计算电子照射剂量(尤其是电子电流)的电子照射剂量计算器。所述电子照射剂量计算器使用定义所述测量的温度(尤其是在所述电子出射窗的特定位置测量的温度)与从所述电子出射窗发出的电子照射剂量之间的关系的校准数据。

在本发明的又一实施方式中，所述电子束灭菌装置包括显示器，其用于显示所述测量的温度和/或用于显示基于所述测量的温度确定的电子照射剂量。所述显示器可操作地连接至所述温度传感器和/或所述电子照射剂量计算器。

另一实施方式由报警设备所限定，所述报警设备适用于在所述测量的温度超过或低于预定阈值时触发报警信号。所述报警设备可操作地连接至所述温度测量设备，且可适于发出声音报警信号和/或可视报警信号。在所述电子出射窗的最高温度可以是300℃至400℃。或者，如果所述温度下降至低于选择的温度阈值，则产生反馈信号并发送至照射控制模块。照射控制模块是控制关于所述灭菌的各种过程的模块。一些反馈信号可被设置成产生适当的应采取的措施。

在根据本发明的所述方法的一或多个实施方式中，基于测量的温度确定电子照射剂量。所述电子照射剂量的确定优选使用指示所述测量的温度(尤其是在所述电子出射窗的特定位置处测量的温度)与所述电子出射窗的总电子照射剂量之间的关系的校准数据。在所述电子束灭菌装置运行期间，即，在所述电子束通过所述电子出射窗时，进行所述温度的测量。

附图说明

在下文中，将结合附图进一步描述本发明，在附图中：

图1：显示了根据本发明的电子束灭菌装置的实施方式；

图2：显示对包装容器内部体积进行灭菌的灭菌方法；

图3：显示根据本发明的电子束灭菌装置的另一实施方式；

图4：显示用于基于电子出射窗处测量的温度确定电子电流的校准曲线。

图5：显示圆形电子出射窗和长方形电子出射窗以及一些温度传感器的位置。

在所有图中以相同附图标记命名同样的或相应的部件。只要技术上可能，可将关于不同附图描述的特征组合。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的电子束灭菌装置10，其用于对包装容器60(尤其是药品或食品容器)的内部灭菌。

所述电子束灭菌装置10包括壳体12，所述壳体12围绕内部空间14，尤其是真空空间或真空腔室。电子束发生器20被设置在所述壳体12中，即，在所述内部空间14中。在所述壳体12的端面设置电子出射窗30，其可透过或可透射电子。所述壳体12具有配备有所述电子发生器20的第一部分12a，以及配备有所述电子出射窗30的第二部分12b。通过提供在所述电子束灭菌装置10和包装容器之间的相对移动，对所述包装容器的内部表面进行灭菌。因此，所述第一部分12a具有比所述第二部分12b大的直径，并且所述第二部分12b具有足够小的直径，以插入穿过所述包装容器的开口。

所述电子束发生器20包括灯丝24，在灯丝24被加热至高温(尤其是大约2000℃)时，会导致灯丝24发射电子云。灯丝24可例如由钨制成。通过在所述灯丝24(阴极)和所述电子出射窗30(阳极)之间的电压电势，所述电子在电子加速区26中被加速朝向所述电子出射窗30。由于所述电子的能量，所述电子通过所述电子出射窗30并朝向靶区域。在该实例中，所述靶区域是待灭菌的包装容器60的内部，参见图2。通过在所述电子束发生器20和所述电子出射窗30之间的高压场，实现所述电子在所述电子加速区26中的加速(图1)。在所述高压场中的电势差可以是大约75kV至150kV。所述灯丝24通过连接器28耦合至高压电源。

所述壳体12具有实质上纵向形状，以被至少部分地插入待灭菌的包装容器60中，如图2中所示。所述电子束灭菌装置10可例如穿过所述包装容器60的开口顶端或开口底端，被插入所述包装容器60中。在如图2中所示的实施方式中，所述包装容器60具有上侧62，下侧64，以及在所述上侧62和所述下侧64之间实质上为管状形状的侧壁66。所述电子束灭菌装置10穿过所述包装容器60的开口下侧64，被插入所述包装容器60中。或者，然而所述电子束灭菌装置还可穿过所述包装容器60的上侧62中的开口，被插入所述包装容器60。所述上侧62可以是喷口，如图2中所示，其在灌装之后可被例如螺旋盖封闭。

所述电子出射窗30(最佳参见图3)具有圆形形状，并且包括类似栅格的支撑结构32(例如由铝或铜制成的)以及可透射电子的金属箔38。所述金属箔38由所述支撑结构32支撑，并且可具有大约4至12微米的厚度。所述支撑结构32(例如栅格或多孔板)包括多个肋材34和在所述肋材34之间的多个孔36。所述肋材34至少部分在所述电子出射窗30的径向方向上延伸。所述电子出射窗30具有面向所述壳体12的内部空间14或内部的内侧40以及在使用时面向待灭菌的包装容器60的外侧42。

为了测量在所述电子出射窗30的至少一个位置处的温度，所述电子束灭菌装置10包括温度测量设备50。所述温度测量设备50包括温度传感器52，例如热电偶，其位于所述电子出射窗30的支撑结构32处。在图3实施方式中，所述温度传感器52被设置在所述支撑结构32的肋材34中一个(优选在径向方向上延伸的肋材34)的位置处或之内。为了不阻塞所述支撑结构32的孔36，所述温度传感器52可与所述肋材34之一成为一体，或者被设置在肋材34的表面上，优选在所述电子出射窗30的外侧42或内侧40或所述支撑结构32上。或者，以及如图1中所示，所述温度传感器52可部分延伸穿过孔36和肋材34。

所述温度测量设备50进一步包括用于将所述温度传感器52连接至信号转换器(尤其用于将电压值转换为温度值)的电缆54。所述电缆54沿着壳体14的侧壁16布线，例如如图1中所示，其中所述电缆54被图示为虚线。可以从图1看出，侧壁16由内壁17和外壁18组成，所述电缆54布线穿过所述内壁17和所述外壁18之间的内部空间。然而，其它布置方式亦是可能的。

图3显示了其中所述温度测量设备50的温度传感器52在所述支撑结构32处或之内延伸的实施方式。其在所述电子出射窗30的中心部分44和所述支撑结构32的外部支撑环33之间的径向方向上延伸。所述温度传感器52包括热电偶，所述热电偶如本领域中公知的包括两种不同的金属。所述热电偶的直径可以是在15至35微米的范围内，尤其是20至30微米。所述热电偶的测量点被设置在所述电子出射窗30的中心区域(中心部分44)，并接触所述支撑结构32和/或所述箔片38。为了产生在所述电子出射窗30的均匀温度分布概况，所述支撑结构32的肋材34可在所述支撑结构32的中心部分44和所述支撑结构32的径向外部部分之间具有不同的厚度。

图4显示了用于校准所述温度测量设备50的校准曲线。在x坐标上，显示了电子电流I(mA)，以及在y坐标上，显示了温度(℃)。所述温度和所述电子电流(照射剂量)之间具有线性关系。可以看出，所述箔片的温度通常高于所述支撑结构的温度。通过该校准曲线，可基于测量的温度确定所述电子电流和/或所述照射剂量。

提供电子照射剂量计算器70，用于基于测量的温度计算照射剂量或束流强度。测量的温度和/或照射剂量可在显示器72上显示。设置报警设备74，用于在如果所述测量的温度超过或低于预定阈值温度时提供报警信号。

本发明提供确定用于对(尤其是在药品或食品工业使用的)包装容器进行灭菌的电子束发射器的电子电流的有效方法。所述设备具有鲁棒性(robust)，并且可以低成本制造。可使用薄的热电偶，并按照要求对温度变化敏感。所述测量的温度直接与所述电子电流相关，使得所述温度是所述照射剂量的直接量度。可使用简单的校准确定所述照射剂量。因此，所述温度测量设备可用作为剂量传感器和/或报警监视器。

示例的温度测量设备50可包括分布在所述电子出射窗上的一些温度传感器52，以便还可检测所述电子束的均匀性以及所述均匀性的任意不规则性。

图5的上视图以图解的方式显示了圆形电子出射窗30。温度测量设备50包括设置在所述电子出射窗处或之中的八个温度传感器52，并且能测量在所述窗的八个不同位置的温度。所述温度传感器沿着所述电子出射窗的圆周均等分布设置，并指向朝向所述电子出射窗30中心的方向。它们并非总是到达所述中心，而是在距所述中心一定距离处测量。对于环形电子束，即在所述电子束的中心强度小于在所述电子束圆周附近的强度时，这是一个适当的示例布置。图5的下视图显示了长方形电子出射窗30以及一些温度传感器52实质上均等分布在所述窗的长度上方的位置。

已描述了可在用于对包装容器内部表面进行灭菌的电子束灭菌装置中提供温度测量设备。应理解的是，本发明的所述温度测量设备也适用于用于对所述包装材料卷材或包装容器外部表面进行灭菌的电子束灭菌装置。这样的灭菌描述于例如国际公开号W02004/110868中。在国际公开号W02013/004565中显示了适用于卷材灭菌和包装容器的外部表面灭菌的电子束发射器的一个实例。在所述支撑结构中装配一或多个温度测量设备。所述支撑结构可以是在国际公开号W02011/096874中描述的所述类型的支撑结构。

附图标记：

10 电子束灭菌装置

12 壳体

14 内部空间

16 侧壁

17 内壁

18 外壁

20 电子束发生器

24 灯丝

26 电子加速区

28 连接器

30 电子出射窗

32 支撑结构

33 支撑环

34 肋材

36 孔

38 箔片

40 内侧

42 外侧

44 中心位置

50 温度测量设备

52 温度传感器

54 电缆

60 包装容器

62 上侧

64 下侧

66 侧壁

68 灌装孔

70 电子照射剂量计算器

72 显示器

74 报警设备

Claims (11)

1.用于通过电子束照射对包装容器(60)或包装材料卷材进行灭菌的电子束灭菌装置，所述电子束灭菌装置(10)包括：

壳体(12)，其围绕内部空间(14)和被布置在所述内部空间(14)中用于产生电子束的电子束发生器(20)，

其中所述壳体(12)包括电子出射窗(30)，

其中温度测量设备(50)被提供用于测量在所述电子束的移动路径中的温度，所述温度是所述电子束递送的电子能的量度，

所述温度测量设备(50)包括至少两个位于所述电子出射窗的不同位置的温度传感器，每个所述温度传感器适于测量温度且位于所述电子束的移动路径。

2.如权利要求1所述的电子束灭菌装置，其特征在于，所述温度测量设备(50)适于测量所述电子出射窗(30)的温度。

3.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，所述温度测量设备(50)包括被布置在所述电子出射窗(30)处的至少一个温度传感器(52)。

4.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

所述电子出射窗(30)包括支撑结构(32)和能透射电子的箔片(38)，以及

所述温度测量设备(50)适于测量所述支撑结构(32)和/或所述箔片(38)的温度。

5.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

所述电子出射窗(30)包括用于支撑能透射电子的箔片(38)的支撑结构(32)，以及

所述温度测量设备(50)被布置在所述支撑结构(32)之上和/或之内。

6.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

设置所述温度测量设备(50)，以便测量所述电子出射窗(30)中心部分的温度。

7.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，所述温度测量设备(50)包括至少一个热电偶。

8.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

所述温度测量设备(50)包括至少一个非接触式温度传感器(52)，所述非接触式温度传感器(52)用于测量所述电子出射窗(30)的温度。

9.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

提供电子照射剂量计算器(70)，其用于基于所述测量的温度计算电子照射剂量。

10.如权利要求1或2所述的电子束灭菌装置，其特征在于，

提供报警设备(74)，其适于在所述测量的温度超过或低于预定阈值时触发报警信号。

11.用于通过电子束照射对包装容器(60)或包装材料卷材进行灭菌的方法，采用如权利要求1-10中任一项所述的电子束灭菌装置(10)实施所述方法，

其中所述方法包括以下步骤：

在壳体中产生电子束，

使所述电子束通过电子出射窗射出(30)所述壳体，以及

测量所述电子束移动路径中的温度，作为所述电子束递送的电子能的量度，其中温度的测量在位于所述电子出射窗的不同位置的所述至少两个温度传感器中的每一个中进行。

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