DE102004030957A1

DE102004030957A1 - Verfahren zum Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter sowie Sterilisator zum Durchführen des Verfarhens

Info

Publication number: DE102004030957A1
Application number: DE102004030957A
Authority: DE
Inventors: Volker Till
Original assignee: KHS Maschinen und Anlagenbau AG
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2004-06-26
Filing date: 2004-06-26
Publication date: 2006-01-12
Also published as: JP2006006930A; EP1614433A1; US7497237B2; JP4861644B2; EP1614433B1; US20060005896A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Sterilisieren, insbesondere zum H2O2-Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter, insbesondere von temperaturempfindlichen Behältern, beispielsweise PET-Flaschen, wobei das in die Behälter eingebrachte H2O2 durch ein Aktivierungsmedium aktiviert wird. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass das Erhitzen des Aktivierungsmediums auf eine Temperatur erfolgt, welche über einer Grenztemperatur der Behälter (4) liegt, und dass das heiße Aktivierungsmedium impulsartig in den jeweiligen Behälter (4) eingebracht 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. 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, dieses auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen, bzw. diesem eine bestimmte Wärmemenge zuzuführen, welche in der Regel durch ein Aktivierungsmedium auf das H2O2 übertragen wird. Bei diesem Aktivierungsmedium handelt es sich in den meisten Fällen um in die Behälter eingeblasene sterile Warmluft, welche bis auf die gewünschte Aktivierungstemperatur erwärmt wurde.

Im Laufe des Zersetzungsprozesses zerfällt das H2O2 in Wasser und freie Radikale, nämlich atomaren Sauerstoff und HO-Gruppen, welche die eigentliche Sterilisation im Wesentlichen durchführen. 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 und somit während des gesamten Sterilisationsprozesses sicher vermieden werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches es ermöglicht, auch solche Behälter, die insbesondere wegen des verwendeten Behältermaterials temperaturempfindlich sind, d. h. über eine bestimmte Grenztemperatur nicht erhitzt werden dürfen, zuverlässig zu sterilisieren, und zwar mit ausreichend hoher Leistung (Anzahl der behandelten Behälter je Zeiteinheit). Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Aktivierungsmedium auf eine Behandlungstemperatur erhitzt, welche deutlich über der Grenztemperatur der zu behandelnden Behälter liegt. Um eine umfassende und schnelle Aktivierung des H2O2 zu erreichen, aber dennoch eine Beschädigung der Behälter zu vermeiden, erfolgt das Einbringen des heißen Aktivierungsmediums in den jeweiligen Behälter während der Aktivierungsphase impulsförmig, beispielsweise einmalig oder aber mit Unterbrechungen mehrmals, wobei die Abgabedauer, während der das heiße Aktivierungsmedium in den jeweiligen Behälter einströmt, dann jeweils kürzer ist als die Gesamtdauer der Aktivierungsphase.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich für die H2O2-Sterilisation von PET- oder Kunststoffflaschen oder dgl. Behälter, deren kritische Grenztemperatur etwa zwischen 55 und 60°C liegt, wobei die Behälter zur Vermeidung eines Schrumpfens oder Verformens nicht über diese Grenztemperatur hinaus erhitzt werden dürfen.

Die Behandlungs- oder Abgabetemperatur des heißen Aktivierungsmediums liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise im Bereich zwischen 130 und 150°C.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Aktivierungs- bzw. Zerfallsgeschwindigkeit des H2O2 mit steigender Temperatur, bzw. mit steigender Temperatur des Aktivierungsmediums exponentiell wächst, wohingegen der Wärmeeintrag in die Behälter und somit auch deren Temperatur mit der Temperatur des Aktivierungsmediums lediglich linear wächst.

Durch die, im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorgesehene, gepulste Abgabe des hocherhitzten Aktivierungsmediums, wird bei weiterhin optimierter Akti vierungsgeschwindigkeit der Wärmeeintrag in die Behälter weiter vermindert, so dass diese nicht über ihre Grenztemperatur hinaus erhitzt werden.

Ein Sterilisator zum Durchführen des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruches 7.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. 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, welches aus einem Luft-Wasser-Aerosol durch Erhitzen gebildet ist.
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 des H2O2-Luft-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 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 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, welches in die jeweilige Flasche 4 eingebracht wird.
Um eine Beschädigung der Flaschen 4 zu vermeiden und dennoch eine für eine optimale Aktivierung des H2O2 notwendige Wärmemenge hoher Temperatur in die Flaschen 4 einzubringen, erfolgt während des Aktivierungsprozesses eine pulsierende Abgabe des heißen Aktivierungsmediums, wofür durch entsprechendes impulsförmiges Aktivieren der Betätigungseinrichtung 17 beispielsweise die jeweilige Stange 16 mehrfach zwischen ihrer Ausgangsstellung und ihrer aktivierten Stellung bewegt wird. Da weiterhin die Luft über den Anschluss 10 mit Druck zugeführt wird und sich hierdurch insbesondere bei nicht aktiviertem Sterilisatorkopf, d. h. immer dann, wenn sich die Stange 16 in ihrer Ausgangsstellung befindet, im Strömungskanal 7 ein erhöhter Druck aufbaut, ist eine erhöhte Enthalpie bzw. Wärmemenge insbesondere jedoch eine erhöhte Temperatur für das heiße Aktivierungsmedium erzielbar.
Nach den Sterilisieren erfolgt jeweils ein Ausblasen der Flasche 4 zum Entfernen von Kondensat oder Wasserresten. Mit 28 ist noch ein Steuerventil in der Versorgungsleitung der Sprühdüse 11 bezeichnet, mit dem die H2O2-Versorgung an diese Düse unterbrochen werden kann.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So wurde vorstehend beschrieben, dass das Beheizen des Wärmetauschers 5 mittels der elektrischen Heizeinrichtung 13 (Heizpatrone mit Temperaturfühler) erfolgt. Es bestehen aber auch andere Möglichkeiten, beispielsweise ein Beheizen mit Hilfe von Dampf.

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, insbesondere zum H2O2-Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter, insbesondere von temperaturempfindlichen Behältern, beispielsweise PET-Flaschen, wobei das in die Behälter eingebrachte H2O2 durch ein Aktivierungsmedium aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Aktivierungsmediums auf eine Temperatur erfolgt, welche über einer Grenztemperatur der Behälter (4) liegt, und dass das heiße Aktivierungsmedium impulsartig in den jeweiligen Behälter (4) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter PET-Flaschen (4) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Aktivierungsmediums auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 130-150°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Behandlungsdauer das Einleiten des heißen Aktivierungsmediums wenigstens einmal unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des heißen Aktivierungsmediums in die jeweiligen Behälter (4) durch ein in den Behälter (4) eingeführtes Rohr erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Sterilisators (1) mit wenigstens einem Sterilisatorkopf (3) und mit wenigstens einem Wärmetauscher (5) in welchem ein Aktivierungsmedium auf eine über der Grenztemperatur der Behälter (4) liegende Temperatur erhitzt und über einen Auslass (27) impulsförmig in den Innenraum des zu sterilisierenden Behälters (4) eingebracht wird.
Sterilisator zum Behandeln, insbesondere zum H2O2-Sterilisieren von Flaschen oder dgl. Behälter (4), wobei das in die Behälter (4) eingebrachte H2O2 durch ein Aktivierungsmedium aktiviert wird, mit wenigstens einem von dem Aktivierungsmedium durchströmten Heizkanal (7) zum Erhitzen des Aktivierungsmediums auf eine Behandlungstemperatur, sowie mit einer Ventilsteuerung (16, 17, 23, 24, 25) zur zeitlich gesteuerten Abgabe des heißen Aktivierungsmediums über eine Abga beöffnung (27) in das Innere des zu sterilisierenden Behälters (4), wobei die Ventilsteuerung eine Steuerventilanordnung (16, 23, 24, 25) und eine Betätigungseinrichtung (17) aufweist, die für ein impulsförmiges Öffnen und Schließen der Ventilanordnung (16, 23, 24, 25) ausgebildet ist.
Sterilisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (7) für ein Erhitzen des Aktivierungsmediums auf eine Behandlungstemperatur im Bereich zwischen etwa 130–150°C ausgebildet ist.
Sterilisator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (7) ein eine Achse des Sterilisatorkopfes umschließender gewendelter Kanal ist.
Sterilisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (7) in einem Gehäuse (6) eines Wärmetauschers (5) des Sterilisatorkopfes (3) ausgebildet ist.
Sterilisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) ein Kern (8) aufgenommen ist, der an seinem Umfang wenigstens eine den Heizkanal (7) bildende Nut aufweist.
Sterilisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine von der Betätigungseinrichtung (17) in einer Achse parallel zu einer vertikalen Sterilisatorachse zwischen einer Ausgangsposition und einer Arbeitsposition axial bewegbaren Stange (16), in der ein mit der Abgabeöffnung (27) in Verbindung stehender axialer Kanal (24) ausgebildet ist, der an einem der Abgabeöffnung (27) entfernt liegenden Ende wenigstens eine Steueröffnung (25) aufweist, die bei in der Arbeitsposition befindlicher Stange (16) mit dem Heizkanal (7) oder einer mit diesem Kanal verbundenen Kammer (23) in Verbindung steht.
Sterilisator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die Abgabeöffnung (27) bildende Rohr (26) mit einem der Abgabeöffnungen entfernt liegenden Ende an einem Ende der Stange (16) vorzugsweise austauschbar befestigt ist.
Sterilisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung dem Heizkanal (7) vorausgehend eine Sprüheinrichtung (9) zum Einbringen des Wassers über wenigstens eine Sprühdüse (11) vorgesehen ist.
Sterilisator nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (13), beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung oder Heizpatrone zum Beheizen des Heizkanals (7).
Sterilisator nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet, durch mehrere Sterilisatorköpfe (3) am Umfang eines um eine vertikale Maschinenachse umlaufenden Rotors (4).