DE102004030956B4

DE102004030956B4 - Verfahren zum Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter sowie Sterilisator zum Durchführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102004030956B4
Application number: DE102004030956.6A
Authority: DE
Inventors: Volker Till
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2004-06-26
Filing date: 2004-06-26
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2024-06-27
Also published as: ITMI20051121A1; DE102004030956A1

Abstract

Verfahren zum Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter durch Einleiten eines in einem Wärmetauscher (5) erzeugten heiße Luft und H2O2-Dampf enthaltenden Sterilisationsmedium, durch Aktivierung des Sterilisationsmediums sowie durch anschließendes Ausblasen des jeweiligen Behälters (4) mit Luft zum Entfernen von Wasserresten oder H2O2-Kondensat, dadurch gekennzeichnet, dass alle Behandlungsmedien innerhalb des Sterilisationskopfes denselben Strömungsweg über den Wärmetauscher (5) verwenden, wobei beim Ausblasen zur Reduzierung der in den jeweiligen Behälter eingebrachten Wärmemenge und/oder zur Reduzierung der auf den Behälter (4) einwirkenden Maximaltemperatur die den Wärmetauscher (5) durchströmende und in den Behälter eingebrachte Luftmenge erhöht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Sterilisator gemäß Oberbegriff Patentanspruch 7.
Beispielsweise in der Getränkeindustrie, d. h. beim Abfüllen von Getränken in Flaschen oder dgl. Behälter ist es vielfach erforderlich, diese Behälter vor dem Füllen zur Erzielung der erforderlichen Keimfreiheit und damit Haltbarkeit des abgefüllten Produktes an den Innenflächen zu sterilisieren.
Bekannt ist hierbei z. B. die sogenannte H₂O₂-Sterilisation.
So offenbart die DE2435037C1 ein Verfahren zum Sterilisieren von Gegenständen unter Verwendung eines Wasserstoffperoxid-Dampfgemisches. Die DE3235476A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Entkeimen von Verpackungsmaterial, in der H₂O₂-haltiges Sterilisationsmittel eine Heizeinrichtung durchströmt. Die WO2003030950A1 wiederum offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sterilisieren von Flaschen durch Einleiten eines mit Hilfe eines Erhitzers erzeugten Gemisches aus H₂O₂-Dampf und heißer Luft als Sterilisationsmittel.
Bei diesem Verfahren wird flüssiges H₂O₂ zunächst feinverstäubt einem Luftstrom beigemischt, wobei es sich in der Regel um einen Strom steriler Luft handelt. Anschließend wird dieses H₂O₂-Luft-Gemisch einem Verdampfer zugeführt, in welchem das noch flüssige H₂O₂ vollständig verdampft wird. Nachfolgend wird dieses Dampf-Luft-Gemisch in die zu sterilisierenden Behälter eingeleitet, wo das H₂O₂ sofort an den kalten Behälterinnenwandungen kondensiert und dort einen gleichmäßigen Flüssigkeitsfilm bildet. Zur nun folgenden Aktivierung des H₂O₂, d. h. zur Auslösung der Zersetzung des H₂O₂, ist es erforderlich, diesem eine bestimmte Wärmemenge zuzuführen, welche durch in die Behälter eingeblasene Warmluft auf das H₂O₂ übertragen wird. Im Laufe des Zersetzungsprozesses zerfällt das H₂O₂ in Wasser und freie Radikale, nämlich atomaren Sauerstoff und HO-Gruppen. Nach dem Abschluss der Sterilisation werden die Behälter mittels Spül- und/oder Trockenluft ausgeblasen und getrocknet.
Da die Aktivierung des H₂O₂ mit steigender Temperatur des Aktivierungsmediums mit überproportional steigender Geschwindigkeit abläuft, wodurch sich deutliche Reduzierungen der Zykluszeiten erzielen lassen, ist es prinzipiell gewünscht, mit möglichst hohen Temperaturen zu arbeiten.
Speziell bei Flaschen oder Behältern aus Kunststoff, beispielsweise bei PET-Flaschen oder Behältern besteht nun das Problem, dass eine Überhitzung dieser Behälter über eine kritische Temperatur bzw. Grenztemperatur zu einer Zerstörung oder einer Verformung der Behälter führt. Eine Überschreitung dieser Grenztemperatur muss somit sowohl während der eigentlichen Sterilisationsphase, d. h. während der Behandlung mit dem Sterilisationsmedium, als auch bei dem anschließenden notwendigen Ausblasen zum Entfernen von Wasser- oder Kondensatresten vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die sogenannte H₂O₂-Sterilisation aufzuzeigen, bei dem speziell auch eine Überhitzung temperaturempfindlicher Behälter beim Ausblasen in einfacher Weise vermieden wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Sterilisator ist Gegenstand des Patentanspruchs 7.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zum Ausblasen verwendete sterile Luft über den selben Strömungsweg des Sterilisatorkopfes geführt, über den in der jeweils vorausgegangenen Sterilisierphase das Sterilisationsmedium in den Behälter eingebracht wurde, d. h. u. a. ebenfalls über den Wärmetauscher. Durch Erhöhung der Strömungsmenge wird dabei die Temperatur der zum Ausblasen verwendeten Luft derart reduziert, dass während des Ausblasens bzw. der Ausblasphase eine Überhitzung der Behälter ebenfalls nicht eintritt.
Für das Behandeln mit dem Sterilisationsmedium und das anschließende Ausblasen können also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die selben Strömungswege innerhalb des Sterilisatorkopfes verwendet werden, sodass sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einfachen konstruktiven Mitteln realisieren lässt. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf einen um eine vertikale Maschinenachse umlaufenden Rotor eines Sterilisators für Flaschen (Kunststoff-Flaschen, beispielsweise PET-Flaschen) oder dgl. Behälter mit einem am Umfang dieses Rotors vorgesehenen Sterilisator- oder Verdampferkopf;
2 und 3 Schnitte entsprechend den Linien I-I bzw. II-II der 1.
Der in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Sterilisator, von dem lediglich ein um eine vertikale Maschinenachse umlaufend angetriebener Rotor 2 sowie ein Sterilisatorkopf 3 dargestellt ist, dient zum Sterilisieren (H₂O₂-Sterilisation) von temperaturempfindlichen Behältern, nämlich PET-Flaschen 4 mit einem heißen Sterilisationsmedium.
Unter den Sterilisatorköpfen 3, die in gleichmäßigen Winkelabständen am Umfang des Rotors 2 angeordnet sind, ist jeweils ein Behälter- oder Flaschenträger 2.1 vorgesehen, an dem die jeweilige, zu sterilisierende Flasche z. B. hängend gehalten ist, und zwar achsgleich mit einer vertikalen Sterilisatorkopfachse KA, sodass beim Aktivieren des Sterilisatorkopfes 3 ein Strahl des heißen Sterilisationsmedium in den Innenraum der sich unterhalb des Sterilisationskopfes 3 befindlichen zu sterilisierenden Flasche 4 Flasche ausgebracht werden kann.
Der Sterilisatorkopf 3 besteht aus einem Erhitzer oder Wärmetauscher 5 mit einem Gehäuse 6, in welchem u. a. ein die Achse KA schraubenartig umschließender Strömungs- oder Heizkanal 7 ausgebildet ist, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform dadurch, dass in eine kreiszylinderförmige, achsgleich mit der Achse KA ausgebildete durchgehende Öffnung des Gehäuses 6 ein Kern 8 eingesetzt ist, der an seinem Umfang eine den Strömungskanal 7 bildende schraubenförmige Nut aufweist.
Das in den 2 und 3 obere Ende des nach außen hin geschlossenen Strömungskanal 7 steht mit einer Sprüheinrichtung 9 in Verbindung, der über den Anschluss 10 sterile Druckluft zugeführt wird und die eine Sprühdüse 11 besitzt, der über den Anschluss 12 und eine mit diesem Anschluss verbundene, nicht dargestellte Pumpe, beispielsweise einer Membran-Pumpe, H₂O₂ zugeführt wird, welches dann zur Bildung eines Aerosols über die Sprühdüse 11 als fein versprühter Strahl oder Nebel in den die Sprüheinrichtung 9 durchströmenden Luftstrom eingebracht wird, sodass dieses aus Luft und H₂O₂ bestehende Aerosol dann in den Strömungskanal 7 des Wärmetauschers 5 gelangt.
Durch eine Heizeinrichtung 13, die bei der dargestellten Ausführungsform von einer elektrischen Heizpatrone mit Thermofühler gebildet ist, werden der Wärmetauscher 5 und insbesondere auch der Kern 8 beheizt, und zwar auf eine Temperatur, die deutlich über der Grenztemperatur liegt, auf welche die Flaschen 4 ohne ein Beschädigen oder Verformen erhitzt werden dürfen. Mit dem Heizelement 13 erfolgt beispielsweise eine Erhitzung des Kernes 8 auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 130–150°C.
Das untere Ende des Gehäuses 6 ist durch ein Abschlusselement 14 abgeschlossen, mit welchem der jeweilige Sterilisatorkopf 3 bei der dargestellten Ausführungsform auch an dem Rotor 2 befestigt ist und in welchem ein achsgleich mit der Achse KA angeordneter und an der Unterseite des Abschlusselementes 14 offener Führungskanal 15 für eine Stange 16 ausgebildet ist. Diese definiert mit ihrer Achse die Achse KA und ist durch eine Betätigungseinrichtung 17, die oberhalb des Wärmetauschers 5 vorgesehen ist, aus der in den 2 und 3 dargestellten angehobenen Ausgangsstellung gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 18 in Richtung der Achse AK in eine Arbeitsposition nach unten bewegbar.
Die Stange 16 ist weiterhin auch in einer achsgleich mit der Achse KA ausgebildeten Bohrung 19 im Kern 8 geführt, und zwar abgedichtet durch Dichtungen 20 im Bereich der Oberseite des Kernes 8 und durch eine, z. B. von einem O-Ring gebildete Dichtung 21 im unteren Bereich des Kernes 8. Durch eine weitere, bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls von einem O-Ring gebildete Dichtung 22 ist die Stange abgedichtet in der Öffnung 16 geführt. Im unteren Bereich bildet der Kern 8 eine die Stange 16 umschließende Kammer 23, die mit dem unteren Ende des Strömungskanals 7 in Verbindung steht.
In dem unteren Teilbereich der Stange 16 ist ein achsgleich mit der Achse dieser Stange angeordneter und an der Unterseite der Stange offener Kanal 24 gebildet, der an seinem oberen Ende über von Querbohrungen gebildeten Steueröffnungen 25 am Umfang der Stange 16 offen ist. Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Zustand befinden sich die Steueröffnungen 25 innerhalb der Bohrung 19, sodass eine Strömungsverbindung aus der Kammer 23 über die Steueröffnungen 25 in den Kanal 24 nicht besteht. Wird die Stange 16 durch die Betätigungseinrichtung 17 nach unten in ihre aktivierte Stellung oder Arbeitsposition bewegt, so befinden sich die Steueröffnungen 25 in der Kammer 23, wodurch dann eine Strömungsverbindung aus dieser Kammer über die Steueröffnungen 25 in den Kanal 24 besteht.
An dem unteren Ende der Stange 16 ist auswechselbar ein Rohr 26 befestigt, sodass dieses achsgleich mit der Achse der Stange 16 liegt und über die Unterseite des Sterilisatorkopfes 3 bzw. des Abschlusses 14 vorsteht. Nach dem Befestigen des Rohres 26 ist der in dem Rohr ausgebildete Kanal mit dem Kanal 24 verbunden.
Für das Sterilisieren der Flaschen 4 werden zunächst die Wärmetauscher 5 der Wärmetauscherköpfe 3 über ihre elektrischen Heizeinrichtungen 13 auf die erforderliche Behandlungstemperatur, beispielsweise auf die Temperatur zwischen 130 und 150°C erhitzt.
Die zu sterilisierenden Flaschen 4 werden dann an einer Flaschenaufnahme jeweils einzeln an einen Flaschenhalter 2.1 des umlaufenden Rotors 2 übergeben und nach dem Sterilisieren an einem Flaschenauslauf vom Rotor abgenommen bzw. an einer nachgeschaltete Füllmaschine weiter geleitet. Während der Drehbewegung des Rotors zwischen dem Flascheneinlauf und Flaschenauslauf wird gesteuert die jeweilige Betätigungseinrichtung 17 aktiviert, sodass die Stange 26 und mit dieser auch das jeweilige Rohr 26 in die Flasche 4 eingeführt werden, sodass über den dann mit der Kammer 23 über die Öffnungen 25 in Verbindung stehenden Kanal 24 und den im Rohr 26 ausgebildeten Rohrkanal das in der Sprüheinrichtung 9 erzeugte und beim Durchströmen des schrauben- oder wendelartigen Strömungskanals 7 erhitze Sterilisationsmedium, welches nach dieser weiteren Erhitzung aus heißer Luft und insbesondere aus verdampftem H₂O₂ besteht, über die am unteren Ende des Rohres 26 gebildete Abgabeöffnung 27 in die jeweilige Flasche 4 eingebracht wird.
Da für den jeweiligen Wärmetauscher 5 eine relativ hohe Betriebstemperatur gewählt ist (im Bereich von etwa 130–150°C) ist es möglich, den Anteil an H₂O₂, welches über die Sprüheinrichtung 9 in den Luftstrom eingebracht wird, relativ hoch zu halten und damit auch die je Zeiteinheit im Strömungskanal 7 erzeugte Menge an heißem Sterilisationsmedium, d. h. Luft und H₂O₂-Dampf.
Zur anschließenden Aktivierung des an den Behälterinnenwandungen kondensierten H₂O₂-Dampfes wird über den Strömungskanal 7 erwärmte Luft in die Flasche 4 geleitet.
Nach erfolgter Zersetzung des H₂O₂ und abgeschlossener Sterilisation der Innenwandung der Flasche 4 ist es erforderlich, die jeweilige Flasche 4 zum Entfernen von Wasser – welches sich in Folge der chemischen Prozesse neu gebildet hat – und von eventuellen Kondensatresten, aber auch zum Trocknen der Flasche 4 auszublasen.
Dies erfolgt dann z. B. bei durch die Betätigungseinrichtung 17 in die Arbeitsposition abgesenkter Stange 16 dadurch, dass die H₂O₂-Zufuhr an die Sprühdüse 11 unterbrochen wird, und zwar durch Schließen eines in der Versorgungsleitung dieser Sprühdüse angeordneten Steuerventils 28, sodass nur noch sterile Luft den Strömungs- oder Heizkanal 7 durchströmt und über die Kammer 23, die Öffnungen 25, den Kanal 24 und das Rohr 26 an der Abgabeöffnung 27 austritt.
Dabei ist zu beachten, dass die Temperatur des Wärmetauschers 5 aufgrund seiner hohen Masse und der vergleichsweise kurzen Zykluszeiten mit vertretbarem Aufwand nicht auf eine Temperatur unterhalb der behälterbedingten Temperaturgrenzen gebracht werden kann, wodurch die Gefahr einer Überhitzung der Flaschen 4 besteht.
Um einerseits ein vollständiges Ausblasen von Wasser aus der jeweiligen Flasche 4 sicher zu stellen, andererseits aber ein Überhitzen der Flasche 4 vermeiden, wird durch eine entsprechende Ansteuerung die am Anschluss 10 zugeführte Luftmenge erhöht, sodass bei weiterhin auf eine Hochtemperatur, nämlich auf die Temperatur im Bereich zwischen 130–150°C erhitztem Kernes 8 bzw. Wärmetauscher 5 die an der Abgabeöffnung 27 ausströmende Luft eine deutlich niedrigere Temperatur aufweist, die zwar hoch genug ist, um ein optimales Ausblasen der jeweiligen Flasche 4 zu gewährleisten, aber niedrig genug ist, dass die bei diesem Ausblasen in die jeweilige Flasche 4 eingebrachte Wärmemenge nicht ausreicht, um die Flasche 4 auf die kritische Temperatur zu erhitzen.
Die Erhöhung der Strömungsmenge an steriler Luft erfolgt beispielsweise über eine nicht dargestellte Ventilsteuerung dadurch, dass der Druck der sterilen Luft am Anschluss 10 erhöht wird, oder aber dadurch, dass durch entsprechende Wahl der Strömungsquerschnitte in der Zuleitung zum Anschluss 10 sowie innerhalb des Sterilisatorkopfes 3 bereits bei über eine längere Zeitdauer in der unteren Position befindlicher Stange 16 sich ein Luftstrom durch den Wärmetauscher 5 derart einstellt, dass die Wärmetauschertemperatur (beispielsweise im Bereich zwischen 130 und 150°C) nicht mehr ausreicht, um den in die Flasche 4 zum Ausblasen eingebrachten Luftstrom auf eine Temperatur zu erhitzen, die zu einem Überhitzen der Flasche 4 führen könnte.
Das beschriebene Verfahren hat u. a. den Vorteil, dass ein Ausblasen der jeweiligen Flaschen 4 mit heißer Luft möglich ist, und zwar ebenfalls über das Rohr 26 und dessen Abgabeöffnung 27, ohne das eine Beschädigung der Flasche 4 eintritt.
In einer weiteren, überaus vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, den durch den Wärmetauscher 5 geführten Volumenstrom der Spülluft so weit zu steigern, dass die sich einstellende Temperatur der Spülluft so niedrig liegt, dass die Flaschen 4 gekühlt werden. Dabei ist ebenfalls vorgesehen, die Flaschen 4 auf eine Temperatur gekühlt werden, welche unterhalb der im Rahmen des Sterilisationsprozesses erreichten Temperatur liegt. Zusätzlich ist vorgesehen, die Flaschen 4 auf eine solche Temperatur zu kühlen, welche in der Nähe der Temperatur des abzufüllenden Füllgutes liegt, oder aber dieser Temperatur sogar entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Sterilisator
2: Rotor
2.1: Behälterträger
3: Sterilisatorkopf
4: PET-Flaschen
5: Wärmetauscher
6: Gehäuse
7: Strömungskanal
8: Kern
9: Einrichtung
10: Anschluss
11: Düse
12: Anschluss
13: Heizeinrichtung
14: Abschlusselement
15: Führungskanal
16: Stange
17: Betätigungseinrichtung
18: Rückstellfeder
19: Bohrung
20, 21, 22: Dichtung
23: Kammer
24: Bohrung
25: Steueröffnung
26: Rohr
27: Abgabeöffnung
28: Steuerventil
KA: Sterilisatorkopfachse

Claims

Verfahren zum Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter durch Einleiten eines in einem Wärmetauscher (5) erzeugten heiße Luft und H₂O₂-Dampf enthaltenden Sterilisationsmedium, durch Aktivierung des Sterilisationsmediums sowie durch anschließendes Ausblasen des jeweiligen Behälters (4) mit Luft zum Entfernen von Wasserresten oder H₂O₂-Kondensat, dadurch gekennzeichnet, dass alle Behandlungsmedien innerhalb des Sterilisationskopfes denselben Strömungsweg über den Wärmetauscher (5) verwenden, wobei beim Ausblasen zur Reduzierung der in den jeweiligen Behälter eingebrachten Wärmemenge und/oder zur Reduzierung der auf den Behälter (4) einwirkenden Maximaltemperatur die den Wärmetauscher (5) durchströmende und in den Behälter eingebrachte Luftmenge erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmetauschers (5) wesentlich höher liegt als die Grenztemperatur der Behälter.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmetauschers (5) im Bereich zwischen 130 und 150°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Behältern (4), deren Grenztemperatur im Bereich zwischen 55 und 60°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sterilisationsphase H₂O₂ in fein verteilter Form oder als Nebel in den den Wärmetauscher (5) durchströmenden Luftstrom über wenigstens eine Sprühdüse (11) eingebracht wird, und dass während der Ausblasphase die H₂O₂-Zufuhr an die wenigstens eine Sprühdüse (11) unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Wärmetauscher (5) durchströmende Luftstrom so groß ist, dass die sich einstellende Temperatur des Luftstromes so niedrig ist, dass die Behälter (4) durch diesen Luftstrom gekühlt werden.
Sterilisator zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Sterilisatorkopf (3) mit Wärmetauscher (5) mit einer Heizeinrichtung (13) zur Erzeugung eines heißen, Luft und H₂O₂-Dampf enthaltenden und über eine Abgabeöffnung (27) in den jeweiligen Behälter einleitbaren Sterilisationsmedium, mit wenigstens einer Sprühdüse (11) zum gesteuerten Einbringen von H₂O₂ in fein verteilter Form oder als Nebel in den den Wärmetauscher (5) durchströmenden und von einer Luftquelle oder Sterilluftquelle gelieferten Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausblasen des jeweiligen Behälters (4) bei Vermeidung eines den jeweiligen Behälter (4) über seine Grenztemperatur erhitzenden Wärmeeintrags der Volumenstrom des Luftstromes erhöht werden kann.
Sterilisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftquelle für eine Erhöhung des Luftstromes durch den Wärmetauscher (5) steuerbar ist.
Sterilisator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Versorgungsleitung der wenigstens einen Sprühdüse (11) ein Steuerventil (28) vorgesehen ist.