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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abfüllen von Flüssigkeiten und von einer Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Zum
Abfüllen
von Flüssigkeiten
sind unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt geworden. Zum einen
kann eine Dosiervorrichtung, welche die Flüssigkeit bereitstellt, unmittelbar
an einem Übergabepunkt
bei einem zu befüllenden
Gefäß angeordnet sein.
Zum anderen, insbesondere bedingt durch Anforderungen beispielsweise
an eine einfache Reinigungsmöglichkeit
und/oder Sterilisiermöglichkeit, kann
die Dosiervorrichtung von dem zu befüllenden Gefäß getrennt sein, wobei die
erforderliche Fluidverbindung zwischen der Dosiervorrichtung und
dem zu befüllenden
Gefäß beispielsweise über einen
flexiblen Schlauch hergestellt ist.
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Die
bekannten Abfüllvorrichtungen
haben besonders bei hohen Abfüllgeschwindigkeiten und/oder
größeren Öffnungs-Querschnitten
der eingesetzten Füllnadeln
den Nachteil, dass im Anschluss an den Abfüllvorgang ein unkontrolliertes Nachtropfen
der Flüssigkeit
auftreten kann. Das Nachtropfen führt zu einem Verlust von Flüssigkeit und
gegebenenfalls zu einer Verunreinigung der Abfüllvorrichtung und/oder des
zu befüllenden
Gefäßes. Das
Nachtropfen kann weiterhin zu einer Verschlechterung der Abfüllgenauigkeit
führen.
Dadurch kann sich die Ausschussrate erhöhen und entsprechend die Wirtschaftlichkeit
des Abfüllprozesses
verschlechtern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abfüllen von
Flüssigkeiten
und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens anzugeben, bei denen die Gefahr des Nachtropfens der
Flüssigkeit
vermindert ist.
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Die
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale jeweils gelöst.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäßen Vorgehensweisen zum
Abfüllen
von Flüssigkeiten,
bei welchen die abzufüllende
Flüssigkeit
von einer Dosiervorrichtung über
eine Fluidverbindung zu einer Abfüllungsnadel gelangt, sieht
nach Abschluss des Abfüllvorgangs eine
Volumenerhöhung
in der Fluidverbindung zur Vermeidung eines Nachtropfens der Flüssigkeit
aus der Abfüllnadel
vor.
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Die
Volumenerhöhung
in der Fluidverbindung führt
dazu, dass die Flüssigkeit
in die Abfüllnadel
zurückgezogen
wird. Dadurch wird verhindert, dass eine Flüssigkeits-Kalotte aus der Füllnadelspitze herausragt, die
mit der Gefahr eines Nachtropfens verbunden wäre.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
Ausgestaltung sieht die Volumenerhöhung durch eine Längenänderung
einer flexiblen Fluidverbindung vor. Hierbei wird eine vorgegebene
Positionsänderung
der Abfüllnadel
während
des Abfüllvorgangs
ausgenutzt. Vorausgesetzt wird eine flexible Fluidverbindung. Nach
Abschluss des Abfüllvorgangs
ist eine Verlängerung
der flexiblen Fluidverbindung vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine
Volumenerhöhung,
bezogen auf das normale Volumen der flexiblen Fluidverbindung während des
Abfüllvorgangs.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht die Volumenerhöhung durch Verringerung einer
Quetschung einer flexiblen Fluidverbindung nach dem Abfüllvorgang
vor. Hierbei wird ebenfalls eine flexible Fluidverbindung vorausgesetzt.
Während
des Abfüllvorgangs wird
die Fluidverbindung teilweise gequetscht, wodurch eine Volumenverringerung
auftritt, die nach Abschluss des Abfüllvorgangs durch eine Aufhebung der
Quetschung rückgängig gemacht
wird, verbunden mit einer relativen Volumenerhöhung.
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Eine
Weiterbildung sieht eine gezielte Erhöhung der Kapillarwirkung in
der Abfüllnadel
vor. Dadurch wird das Zurückziehen
der Flüssigkeit
aufgrund der Volumenerhöhung
der Fluidverbindung unterstützt.
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Die
Erhöhung
der Kapillarwirkung kann vorzugsweise mit einem Innenkörper vorgenommen werden,
welcher in der Abfüllnadel
angeordnet ist. Eine andere Möglichkeit
zur Erhöhung
der Kapillarwirkung sieht eine Faltung der Abfüllnadelspitze vor. Eine weitere
Möglichkeit
zu Erhöhung
der Kapillarwirkung sieht die Aufteilung der einen Abfüllnadelspitze
in wenigstens zwei getrennte Abfüllnadelspitzen
vor.
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Zusätzlich oder
alternativ zu den beschriebenen konstruktiven Maßnahmen kann eine gezielte Auswahl
für das
Material der Abfüllnadel
und/oder eine gezielt herausgebildete Oberflächenstruktur der inneren Wandung
der Abfüllnadel
die Kapillarwirkung erhöhen.
Zusätzlich
oder alternativ kann eine Beschichtung der inneren Wandung der Abfüllnadel
zur Erhöhung
der Kapillarwirkung vorgesehen sein.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt
schematisch eine Abfüllvorrichtung, 2a und 2b zeigen
zwei unterschiedliche Positionen der in 1 gezeigten
Abfüllvorrichtung, 3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Abfüllvorrichtung, 4a-4c zeigen
unterschiedliche Positionen der in 3 gezeigten
Abfüllvorrichtung, 5 zeigt
eine Ausgestaltung einer Abfüllnadel, 6a und 6b zeigen
Schnitte durch die in 6 gezeigte Abfüllnadel, 7a und 7b zeigen
unterschiedliche Positionen von Flüssigkeits-Endoberflächen in
der Abfüllnadel
und 8-10 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen
von Abfüllnadeln.
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1 zeigt
eine Abfüllvorrichtung 10,
die zum Abfüllen
einer Flüssigkeit 11 in
ein Gefäß 12 vorgesehen
ist. Die Flüssigkeit 11 wird
in einer Fluidverbindung 13 von einer Dosiervorrichtung 14 zu
einer Abfüllnadel 15 geführt.
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Die
Fluidverbindung 13 ist mittels eines Fixierelements 16 mit
einem Träger 17 fest
verbunden. Die Fluidverbindung 13 ist weiterhin mit einem
zu positionierenden Teil 18 verbunden, das von einem Verstellantrieb 19 in
eine Tropfstopp-Richtung 20 sowie in eine Abfüll-Richtung 21 verstellt
wird.
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Die
abzufüllende
Flüssigkeit 11 weist
in einer Austrittöffnung 22 einer
Abfüllnadelspitze 23 eine Flüssigkeits-Endoberfläche 24 auf.
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Ein
Steuergerät 25 stellt
der Dosiervorrichtung 14 ein Dosier-Steuersignal 26 und
dem Verstellantrieb 19 ein Positions-Verstellsignal 27 zur
Verfügung.
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2a und 2b zeigen
die erfindungsgemäße Abfüllvorrichtung 10 in
zwei verschiedenen Positionen. Diejenigen in den 2a und 2b gezeigten
Teile, die mit den in 1 gezeigten Teilen übereinstimmen,
tragen jeweils dieselben Bezugszeichen.
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2a zeigt
die Abfüllvorrichtung 10 in
einer Tropfstopp-Position 30 und 2b in
einer Abfüll-Position 31.
Die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 ist in 2a in
die Abfüllnadel 15 eingezogen.
In 2b findet stattdessen eine Abstrahlung 32 der Flüssigkeit 11 statt.
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3 zeigt
eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abfüllvorrichtung 10.
Diejenigen in 3 gezeigten Teile, die mit den
in den vorhergehenden Figuren gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen jeweils
dieselben Bezugszeichen. Die Abfüllvorrichtung 10 enthält eine
Quetschvorrichtung 40, welche die Fluidverbindung 13 entweder
nicht oder teilweise quetscht. Die Quetschvorrichtung 40 wird von
einem Quetsch-Verstellantrieb 41 betätigt. Das Steuergerät 25 stellt
dem Quetsch-Verstellantrieb 41 ein Quetsch-Verstellsignal 42 zur
Verfügung.
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Die 4a-4c zeigen
die in 3 gezeigte Abfüllvorrichtung 10 in
unterschiedlichen Positionen während
des Abfüllvorgangs. 4a zeigt eine
Position, bei welcher die Dosiervorrichtung 14 geschlossen
und die Quetschvorrichtung 40 geöffnet ist. 4b zeigt
eine Position, bei welcher die Dosiervorrichtung 14 geschlossen
und die Quetschvorrichtung 40 teilweise quetscht und 4c zeigt
eine Position, bei welcher die Dosiervorrichtung 14 geöffnet ist
und die Quetschvorrichtung 40 teilweise quetscht.
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5 zeigt
eine Ausgestaltung der Abfüllnadel 15.
Im Bereich der Abfüllnadelspitze 23 ist
ein Innenkörper 50 angeordnet.
Der Innenkörper 50 weist eine
Verjüngung 51 in
Richtung Abfüllnadelspitze 23 auf.
Zwischen dem Innenkörper 50 und
einer inneren Wandung 52 der Abfüllnadel 15 entsteht
ein Ringsspalt 53.
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6a zeigt
einen Schnitt durch die Abfüllnadel 15 entlang
der in 5 gezeigten Linie A'-A'' und 6b zeigt
einen Schnitt durch die Abfüllnadel 15 entlang
der in 5 gezeigten Linie B'-B''.
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7a und 7b zeigen
unterschiedliche Positionen der Flüssigkeits-Endoberfläche 24 der in 5 gezeigten
Abfüllnadel 15,
wobei in 7a die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 aus
der Abfüllnadelspitze 23 herausgedrückt ist
und in 7b innerhalb der Abfüllnadel 15 liegt.
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Die 8-10 zeigen
verschiedene Ausgestaltungen der Abfüllnadelspitze 23. 8 zeigt eine
gefaltete Ausgestaltung, 9 zeigt eine Ausgestaltung,
bei welcher die Abfüllnadelspitze 23 schlitzförmig ist
und 10 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher wenigstens
zwei getrennte Abfüllnadelspitzen 23a, 23b, 23c vorgesehen
sind.
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Erfindungsgemäß wird folgendermaßen vorgegangen:
Die
erfindungsgemäße Abfüllvorrichtung 10 verhindert
oder verringert zumindest ein unkontrolliertes Nachtropfen der abzufüllenden
Flüssigkeit 11 nach Beendigung
des Abfüllvorgangs,
bei welchem das Gefäß 12 mit
der abzufüllenden
Flüssigkeit 11 befüllt wird.
Erreicht wird dieses Ergebnis durch eine Erhöhung des für die abzufüllende Flüssigkeit 11 zur Verfügung gestellten
Volumens in der Fluidverbindung 13 zwischen der Dosiervorrichtung 14 und
der Abfüllnadel 15.
Dadurch wird nach Beendigung des Abfüllvorgangs die abzufüllende Flüssigkeit 11 in
die Abfüllnadel 15 zurückgezogen,
sodass die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 nach
der Volumenerhöhung innerhalb
der Abfüllnadel 15 liegt.
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Die
Erhöhung
des Volumens der Fluidverbindung 13 kann beispielsweise
durch das Bereitstellen eines zusätzlichen Volumens erfolgen,
in welches die Flüssigkeit 11 nach
Beendigung des Abfüllvorgangs strömen kann.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird vorausgesetzt,
dass die Fluidverbindung 13 flexibel ist. Eine derartige
flexible Fluidverbindung 13 kann beispielsweise mit einem
Schlauch, beispielsweise einem Siliconschlauch, realisiert werden. Die
Volumenänderung
der Fluidverbindung 13 wird bei diesem Ausführungsbeispiel
durch das Verändern
der Position des zu positionierenden Teils 18 mit dem Positionier-Verstellantrieb 19 erzielt,
der das zu positionierende Teil 18 in Tropfstopp-Richtung 20 und in
Abfüll-Richtung 21,
bezogen auf den Träger 17,
positioniert. Die Volumenänderung
kommt dadurch zustande, dass bei einer in Tropfstopp-Richtung 20 gezogenen
Fluidverbindung 13 eine Zunahme des Volumens und umgekehrt
bei einer in Abfüll-Richtung 21 entspannten
Fluidverbindung 13 eine Volumenabnahme auftritt.
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Bei
dem in 2a gezeigten Betriebszustand
der Abfüllvorrichtung 10 ist
das zu positionierende Teil 18 in der Tropfstopp-Position 30 gezeigt, bei
welcher die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 in
der Abfüllnadel 15 liegt.
In dieser Position kann das zu befüllende Gefäß 12 ausgetauscht
werden. In der Tropfstopp-Position 30 wird ein Nachtropfen
der abzufüllenden
Flüssigkeit 11 verhindert.
Die Dosiervorrichtung 14 ist geschlossen. Die Dosiervorrichtung 14 kann
im einfachsten Fall als ein Ventil betrachtet werden, das zur Vorgabe
einer bestimmten Dosiermenge geöffnet
und geschlossen wird, wobei der Druck der Flüssigkeit und die freie Querschnittsfläche der Fluidverbindung 13 zu
berücksichtigen
sind. Die Volumenerhöhung
tritt durch eine Verlängerung
der Fluidverbindung 13 mittels des Positionier-Verstellantriebs 19 auf,
die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch
die flexible Ausgestaltung der Fluidverbindung 13 möglich ist.
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Bei
dem in 2b gezeigten Betriebszustand
der Abfüllvorrichtung 10 ist
das zu positionierende Teil 18 in der Abfüll-Position 31 gezeigt,
bei welcher die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 nicht
vorhanden ist. Stattdessen findet die Abstrahlung 32 der abzufüllenden
Flüssigkeit 11 in
das Gefäß 12 statt. Die
Dosiervorrichtung 14 ist hierbei geöffnet.
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Bei
dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Volumenänderung
mit der Quetschvorrichtung 40 erzielt. Der Positionier-Verstellantrieb 19 kann
zusätzlich
vorgesehen sein. In diesem Fall kommt dem Positionier-Verstellantrieb 19 lediglich die
Aufgabe zu, die Abfüllnadel 15 anzuheben,
damit das zu befüllende
Gefäß 12 ausgetauscht
werden kann. Das Fixierelement 16 entfällt, da eine Längenänderungen
der Fluidverbindung 13 nicht vorgesehen ist.
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Die
Quetschvorrichtung 40 ist derart ausgelegt, dass maximal
lediglich eine Teilquetschung der Fluidverbindung 13 vorgenommen
wird, sodass auch bei quetschender Quetschvorrichtung 40 stets
eine Strömung
der Flüssigkeit 11 möglich ist.
Die Volumenänderung
der Fluidverbindung 13 wird durch das Öffnen der Quetschvorrichtung 40 und
das teilweise Schließen
der Quetschvorrichtung 40 erzielt.
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Die 4a-4c zeigen
verschiedene Betriebszustände
des Ausführungsbeispiels
der Abfüllvorrichtung 10 gemäß 3.
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Bei
dem in 4a gezeigten Betriebszustand
ist die Dosiervorrichtung 14 geschlossen und die Quetschvorrichtung 40 inaktiv.
Der abzufüllenden Flüssigkeit 11 steht
das maximale Volumen der Fluidverbindung 13 zur Verfügung. Die
Flüssigkeits-Endoberfläche 24 befindet
sich vollständig
in der Abfüllnadel 15.
Der Positionier-Verstellantrieb 19 hat das zu positionierende
Teil in die Tropfstopp-Position 30 gebracht,
wobei aber eine gegebenenfalls auftretende Längenänderung der Fluidverbindung 13 keine
Rolle spielt.
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Bei
dem in 4b gezeigten Betriebszustand
ist die Dosiervorrichtung 14 weiterhin geschlossen und
die Quetschvorrichtung 40 aktiviert, sodass das Volumen
in der Fluidverbindung 13 vermindert ist. Aus diesem Grund
tritt die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 aus
der Abfüllnadel 15 aus.
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Bei
dem in 4c gezeigten Betriebszustand
ist die Dosiervorrichtung 14 geöffnet und die Quetschvorrichtung 40 aktiviert.
An der Abfüllnadelspitze 23 findet
die Abstrahlung 32 der Flüssigkeit 11 statt.
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Sobald
die vorgegebene Füllmenge
erreicht ist, wird der Abfüllvorgang
beendet. Hierzu schließt die
Dosiervorrichtung 14, sodass die Strömung in der Fluidverbindung 13 abreißt. Der
Betriebszustand entspricht wieder dem in 4b gezeigten
Zustand.
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Durch
das Inaktivschalten der Quetschvorrichtung 40 erweitert
sich bei weiterhin geschlossener Dosiervorrichtung 14 das
Volumen der Fluidverbindung 13 und die Flüssigkeit 11 zieht
sich in die Abfüllnadel 15 zurück. Dieser
Betriebszustand entspricht wieder dem in 4a gezeigten
Zustand. Jetzt kann das Gefäß 12 ohne
Gefahr eines Nachtropfens von Flüssigkeit 11 gewechselt
und anschließend
der neue Abfüllvorgang
gestartet werden.
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Die
beschriebene Reihenfolge kann gegebenenfalls modifiziert und zur
Beschleunigung des gesamten Prozesses überlappend durchgeführt werden.
Durch die Quetschvorrichtung 40 ist der Vorgang von anderen
Prozessen entkoppelt.
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Mit
den in den 5 sowie 8-10 gezeigten
Ausführungsbeispielen
von Ausgestaltungen der Abfüllnadel 15 wird
eine Erhöhung
der Kapillarwirkung in der Abfüllnadel 15 erzielt.
Eine Erhöhung der
Kapillarwirkung unterstützt
das Zurückziehen
der Flüssigkeit 11 in
der Abfüllnadel 15.
Die Kapillarwirkung ist umgekehrt proportional zur der Flüssigkeit 11 zur
Verfügung
stehenden Oberfläche.
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Bei
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Erhöhung der
Kapillarwirkung durch den Innenkörper 50 erzielt,
der mit der inneren Wandung 52 der Abfüllnadel 15 den Ringsspalt 53 bildet. Der
in 6a gezeigte Schnitt entlang der in 5 gezeigten
Linie A'-A'' zeigt eine größere Querschnittsfläche des
Innenkörpers 50 als
der in 6b gezeigte Schnitt entlang
der in 5 gezeigten Linie B'-B'', sofern die Verjüngung 51 des
Innenkörpers 50 zur
Abfüllnadelspitze 23 hin
vorgesehen ist. Die Verjüngung 51 erhöht die Kapillarwirkung,
wenn die Flüssigkeit 11 innerhalb
der Abfüllnadel 15 liegt.
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In 7a ist
ein Betriebszustand der Abfüllnadel 15 mit
dem Innenkörper 50 gezeigt,
bei welchem ein Abfüllvorgang
gestartet wird, sodass die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 aus
der Abfüllnadelspitze 23 herausragt.
Im Gegensatz dazu zeigt 7b den
Betriebszustand der Abfüllnadel 15 mit dem
Innenkörper 50,
bei welchem das Volumen der Fluidverbindung 13 zur Verhinderung
eines Nachtropfens erhöht
ist, sodass die Flüssigkeits-Endoberfläche 24 innerhalb
der Abfüllnadel 15 im
Ringsspalt 53 liegt.
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Dem
in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt eine gefaltete
Abfüllnadelspitze 23 zugrunde,
wobei sich die zur Verfügung
stehende Oberfläche
der inneren Wandung 52 erheblich erhöht. Bei dem in 9 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist die Abfüllnadelspitze 23 schlitzförmig oder
spaltförmig ausgestaltet.
Hierdurch erhöht
sich ebenfalls die zur Verfügung
stehende Oberfläche
der inneren Wandung 52 erheblich.
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Bei
dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind anstelle einer Abfüllnadelspitze 23 wenigstens
zwei Abfüllnadelspitzen 23a-23c vorgesehen.
Durch die Verteilung der Flüssigkeit 11 auf
mehrere Abfüllnadelspitzen 23 erhöht sich
ebenfalls die zur Verfügung
stehende Oberfläche
der inneren Wandung 52 der Abfüllnadelspitze 23 erheblich.
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Die
Kapillarwirkung wird weiterhin durch die Auswahl des Materials der
Abfüllnadel 15 und
die Ausgestaltung der Oberfläche
der inneren Wandung 52 beeinflusst. Durch eine gezielte
Auswahl des Materials und/oder eine gezielte Ausgestaltung der Oberfläche der
inneren Wandung 52 kann die Kapillarwirkung ebenfalls erhöht werden.
Das Material und/oder die Oberfläche
können
zumindest teilweise abschnittsweise gezielt festgelegt sein. Alternativ oder
zusätzlich
kann eine zumindest abschnittsweise Beschichtung der inneren Wandung 52 vorgesehen sein.
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Die
Auswahl des Abfüllnadel-Materials,
die Ausgestaltung der Oberfläche
der inneren Wandung 52 und/oder die Auswahl des Beschichtungs-Materials
hängen
von der Polarität
und/oder der Viskosität und/oder
der jeweiligen Oberflächenspannung
der verwendeten Flüssigkeit 11 ab.
Die Oberfläche
der inneren Wandung 52 kann zumindest abschnittsweise unterschiedlich
stark aufgeraut werden. Als Beschichtungsmaterial kann beispielsweise
pharmazeutisch unbedenkliches Material wie Silizium-Dioxid SiO2
oder Parylene vorgesehen sein.