DE102007009798A1

DE102007009798A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zum Sterilisieren von Verpackungsmaterial

Info

Publication number: DE102007009798A1
Application number: DE102007009798A
Authority: DE
Inventors: Thomas Matheyka
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: CN101616696A; WO2008104246A1; US20100221146A1; JP2010519140A; EP2129404A1; DE102007009798B4; RU2009135757A

Abstract

Verfahren zum Sterilisieren von Verpackungsmaterial, insbesondere zum Sterilisieren von Folien oder dergleichen flexiblen Hüllstoffen, bei welchem die Beaufschlagung des Verpackungsmaterials mit mechanischer Ultraschall-Energie zur Abtötung von Mikroorganismen durch mechanische Energie und/oder thermische Behandlung erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 15.
U. a. auch beim Abfüllen von Getränken, Lebensmitteln oder anderen beispielsweise leicht verderblichen Produkten in Beutel ergeben sich in der Praxis zunehmend Anforderungen dahingehend, die Haltbarkeit des abgepackten Produktes zu verlängern. Dies gilt in besonderem Maße auch für das sogenannte aseptische Abfüllen (Kalt- oder Warmabfällen) von Produkten, bei dem (Abfüllen) auf eine thermische Sterilisation nach dem Füllprozess verzichtet wird, und zwar u. a. mit dem Vorteil einer verbesserten Produktqualität, einer Reduzierung des erforderlichen Anlagen- und Maschinenparks, einer Reduzierung von Fertigungsverlusten durch Ausschuss sowie einer verbesserte Haltbarkeit. Vorraussetzung für die in Steril- oder Reinräumen vorgenommene aseptische Beutelabfüllung ist u. a. die Vermeidung von Verschmutzungen bzw. Verkeimungen der Verpackungen durch Mikroorganismen.
Insbesondere dann, wenn das Verpackungsmaterial von einer Vorratsrolle abgezogen wird und diese außerhalb des Steril- oder Reinraumes angeordnet ist, um bei einem Ersetzen einer verbrauchten Vorratsrolle durch eine neue Vorratsrolle die Sterilität des Reinraumes nicht stören zu müssen, ist es erforderlich, das Verpackungsmaterial beim Zuführen in den Steril- oder Reinigungsraum und damit vor dem Zuführen an die in diesem Raum angeordnete Verpackungsmaschine zu Sterilisieren.
Bekannt ist das Sterilisieren von Verpackungsmaterial mit Peressigsäure, mit Wasserstoffperoxyd (H₂O₂) oder aber mit UV-Strahlung. Diese bekannten Verfahren haben erhebliche Nachteile. So sind Verfahren, die Peressigsäure oder Wasserstoffperoxyd verwenden kostenintensiv und auch zeitaufwendig, und zwar allein schon deswegen, weil jeweils eine für die Sterilisation notwendige Aktivierungszeit eingehalten werden muss. Mit diesen Verfahren sind daher, sofern eine wirksame Sterilisation erreicht werden soll, nur sehr geringe Leistungen bzw.
Durchsätze möglich. Nachteilig ist auch, dass die bei diesen Verfahren verwendeten Medien Peressigsäure oder Wasserstoffperoxyd gesundheitliche Gefahren für das Bedienungspersonal bedingen und dass in der Regel gewisse Restmengen der verwendeten Medien am Verpackungsmaterial verbleiben.
Die Bestrahlung des Verpackungsmaterials mit UV-Strahlung oder UV-Licht ist kostengünstiger und bei entsprechender Ausbildung und Handhabung der verwendeten Vorrichtungen grundsätzlich auch ungefährlich. Allerdings lassen sich mit der Behandlung mit UV-Strahlung nur sehr unzureichende Sterilisationseffekte bzw. -raten erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches unter Vermeidung von Peressigsäure, Wasserstoffperoxyd oder dergleichen flüssigen Medien eine hochwirksame Sterilisation von Verpackungsmaterial ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 14.
Bei der Erfindung erfolgt die Sterilisation des in der Regel bahnförmigen Verpackungsmaterials durch Behandlung mit Ultraschall-Energie, und zwar speziell dadurch, dass auf der Oberfläche des Verpackungsmaterials befindliche Mikroorganismen durch mechanische, aber auch thermische Zerstörung ihrer Zellwände, durch Eiweiskoagulation und letztlich durch Denaturierung ihrer DNA abgetötet bzw. unschädlich gemacht werden.
Das mit dem so behandelten Verpackungsmaterial verpackte Produkt, beispielsweise das in aus dem Verpackungsmaterial hergestellten Beuteln abgefüllte Produkt (insbesondere auch Getränk oder Lebensmittel) ist zuverlässig vor Verderben geschützt, d. h. die Qualität und Haltbarkeit des Produktes ist gegenüber bisherigen Vorgehensweisen deutlich verbessert.
Bei der Sterilisation des Verpackungsmaterials durch Ultraschall-Behandlung entstehen keine schädlichen Nebenprodukte und es verbleiben auf dem sterilisierten Verpackungsmaterial auch keine Reste von Behandlungsmedien, wie dies bei bekannten Verfahren unter Verwendung von Peressigsäure oder Wasserstoffperoxyd der Fall ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das für die Ultraschall-Behandlung verwendete wenigstens eine Ultraschall-System selbstreinigend ist und dass das Verpackungsmaterial in seinen Eigenschaften durch die Ultraschall-Behandlung nicht oder im Wesentlichen nicht verändert wird und verarbeitungsfähig bleibt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die bei der Ultraschall-Behandlung erfolgte Erwärmung des Verpackungsmaterials für einen nachfolgenden thermischen Verarbeitungsprozess zu nutzen. Die Ultraschall-Behandlung erfolgt beispielsweise mit einer Ultraschall-Frequenz im Bereich zwischen 20 000 Hz und 1 GHz, vorzugsweise aber im Bereich zwischen 20 000 Hz und 35 000 Hz.
Für die Ultraschall-Behandlung sind an der Bewegungsbahn des bahnförmigen Verpackungsmaterials eine oder aber auch mehrere Ultraschall-Einheiten vorgesehen, die dann beispielsweise zeitgleich oder aber auch zeitversetzt betrieben bzw. zur Abgabe der Ultraschall-Energie an das Verpackungsmaterial aktiviert werden, im letzteren Fall aber derart, dass es zu einer zeitweisen Überlappung der Aktivierungen kommt und so Lücken in der Sterilisation des Verpackungsmaterials wirksam vermieden sind.
Die jeweilige Ultraschall-Einheit besteht z. B. aus einem elektrisch betriebenen Generator, der als elektromechanischer Wandler eine mechanische Ultraschall-Schwingung erzeugt, aus einer mechanischen Resonanzeinheit bzw. einem Verstärker zur Schwingungsverstärkung und aus einem Ultraschallkopf bzw. einer Sonotrode. Für die Ultraschall-Behandlung wird das Verpackungsmaterial unter mechanischer Spannung über diese Sonotrode bzw. deren Schalldruckzone gezogen und somit zum Abtöten vorhandener Keime oder Mikroorganismen mit der Ultraschall-Energie beaufschlagt. Dabei kann das Verpackungsmaterial direkt, also ohne Abstand, aber mit Berührung über die Sonotrode geführt werden. Ebenfalls ist es möglich, das Verpackungsmaterial mit Abstand, also ohne Berührung der Sonotrode über selbige zu führen. Die Art und Weise der Führung des Verpackungsmaterials mit oder ohne Abstand von der Sonotrode kann je nach den, im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Parametern gewählt werden.
Durch Änderung der mechanischen Spannung des Verpackungsmaterials, des Anstellwinkels der Sonotrode, aber auch durch die Wahl der Sonotrodengeometrie kann die Intensität der Ultraschall-Behandlung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden, insbesondere auch derart, dass ohne eine Zerstörung des Verpackungsmaterials die angestrebte Sterilisationsrate bzw. der angestrebte Sterilisationsgrad erreicht werden.
Da die Leitung der Ultraschall-Schwingungen in Luft nur relativ schwach ist, kann es auch notwendig sein, Feuchtigkeit oder Flüssigkeit gleichmäßig auf das Verpackungsmaterial aufzubringen, und zwar beispielsweise vor und/oder während der Ultraschallbehandlung. Das Aufbringen kann dabei z. B. durch Aufkondensieren erfolgen. Die Einleitung der Ultraschall-Energie in das Verpackungsmaterial kann auf diese Weise um ein Vielfaches erhöht werden. Die thermische Wirkung der Ultraschall-Behandlung bewirkt dann beispielsweise auch ein beschleunigtes Trocknen des für die Behandlung befeuchteten Verpackungsmaterials.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Sterilisieren eines bahnförmigen Verbackungsmaterials in Form einer Verpackungsfolie;
2 in schematischer Darstellung die Vorrichtung der 1 bei Verwendung mit einer Verpackungsmaschine;
3 in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf das von einer Vorrats- bzw.
Folien rolle abgezogene Verpackungsmaterial zusammen mit einem Ultraschallsystem mit mehreren Ultraschalleinheiten.
In der 1 ist 1 ein bahnförmiges Verpackungsmaterial in Form einer Verpackungsfolie (z. B. Schrumpffolie), die einem Reinraum 2 zugeführt wird und hierbei an einer den Einlass zum Reinraum 2 bildenden Schleuse eine Ultraschalleinheit 3 passiert, an der das Verpackungsmaterial 1 mit mechanischer Ultraschall-Energie beaufschlagt wird, und zwar zur Sterilisation bzw. zur Abtötung von auf dem Verpackungsmaterial 1 vorhandenen Keimen oder Mikroorganismen. Die Ultraschalleinheit 3 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einem beispielsweise mit Netzspannung betriebenen Ultraschallerzeuger oder Konverter 4 zur Erzeugung der mechanischen Ultraschall-Schwingung mit einer Frequenz beispielsweise im Bereich zwischen 20 000 und 35 000 Hz, aus einem die mechanische Ultraschallschwingung verstärkenden Verstärker bzw. Buster 5 sowie aus einem Ultraschallkopf, auch Sonotrode 6, die eine sich über die gesamte Bahnbreite des Verpackungsmaterials 1 erstreckende Anlage- oder Kontakffläche bildet. Über diese ist das Verpackungsmaterial 1 gespannt geführt, wobei die Sonotrode 6 beispielsweise gegen das Verpackungsmaterial 1 angepresst anliegt.
Durch eine motorische Vorabrollung 7 wird das Verpackungsmaterial 1 über die Sonotrode 6 gezogen (Förderrichtung A). Ebenso wie die Ultraschalleinheit 3 ist auch die motorische Vorabrollung 7 im Reinraum 2 angeordnet, welcher beispielsweise mit Sterilluft unter Laminarflow steht.
Durch Änderung der mechanischen Spannung des Verpackungsmaterials 1 und/oder durch Änderung des Anstellwinkels der Sonotrode 6 und/oder durch Wahl der Geometrie der Sonotrode und/oder durch Aufbringen von Flüssigkeit auf das Verpackungsmaterial 1 vor dem Passieren und/oder während des Passierens der Sonotrode 6 kann die Intensität der Ultraschall-Behandlung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Das Aufbringen der die Ultraschall-Behandlung beeinflussenden oder unterstützenden Flüssigkeit oder eines die Ultraschall-Behandlung beeinflussenden oder unterstützenden gasförmigen Mediums erfolgt z. B. über entsprechende Düsen, die in Förderrichtung A vor der Sonotrode 6 angeordnet und auf die Kontakffläche der Sonotrode 6 anliegende Seite, d. h. bei der Darstellung der 1 gegen die Unterseite des Verpackungsmaterials 1 gerichtet sind, oder aber über die Sonotrode 6 selbst.
Die 2 zeigt nochmals die im Wesentlichen von der Ultraschalleinheit 3 gebildete Vorrichtung zum Sterilisieren des Verpackungsmaterials 1 in Verbindung mit weiteren Komponenten einer nur teilweise und sehr schematisch dargestellten, eine Verpackungsmaschine aufweisenden Anlage, in der aus dem Verpackungsmaterial 1 Verpackungen, beispielsweise Beutel gefertigt und das aseptische Verpacken eines Produktes in diese Verpackungen erfolgt.
Dargestellt ist in der 2 eine außerhalb des Reinraums 2 angeordnete Vorratsrolle 8, von der über verschiedene Umlenkrollen das bahnförmige Verpackungsmaterial 1 abgezogen wird (Förderrichtung A) und zwar unter Spannung über die Sonotrode 6 der wiederum am Einlass zum Reinraum 2 bzw. in der dortigen Schleuse angeordneten Ultraschalleinheit 3.
Nach dem Passieren der Sonotrode 6 und der motorischen Vorabrollung gelangt das Verpackungsmaterial über ein von mehreren Walzen gebildetes Puffer 9 an die eigentliche, in der 2 nicht dargestellte und im Reinraum 2 untergebrachte Verpackungsmaschine.
Bevorzugt erfolgt das Abziehen des Verpackungsmaterials 1 mit der motorischen Vorabrollung über die Sonotrode 6 kontinuierlich. Das Abziehen erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der, mit der Ultraschalleinheit 3 dem Verpackungsmaterial 1 zugeführten Ultraschall-Energie die angestrebte sterilisierende Wirkung bzw. den angestrebten Sterilisationsgrad sicherstellt. Nach dem Speicher 9 erfolgt z. B. eine diskontinuierliche Vorschubbewegung des Verpackungsmaterials 1 an die Verpackungsmaschine.
3 zeigt nochmals eine Draufsicht auf das, von der Vorratsrolle 8 in Förderrichtung A, abgezogene Verpackungsmaterial 1. Zum Sterilisieren dieses Materials sind bei dieser Ausführungsform insgesamt 6 Ultraschalleinheiten 3 vorgesehen, und zwar mit jeweils einer Sonotrode 6. Die Sonotroden 6, über die das Verpackungsmaterial wiederum mit mechanischer Spannung gezogen wird, sind in einer Gruppierung für eine flächendeckende Behandlung des Verpackungsmaterials angeordnet, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform in vier quer zur Förderrichtung A orientierten Reihen, von denen die in Förderrichtung A erste und zweite Reihe jeweils in der Bahnmitte des Verpackungsmaterials 1 eine mit ihrer Längserstreckung senkrecht zur Förderrichtung A orientierte Sonotrode 6 und die zweite sowie vierte Reihe jeweils zwei mit ihrer Längserstreckung senkrecht zur Förderrichtung A orientierte Sonotroden 6 an den Randbereichen der Bahn des Verpackungsmaterials aufweisen. Die Gruppierung ist weiterhin so gewählt, dass sich die Sonotroden 6 benachbarter Reihen überlappen. Die einzelnen Ultraschalleinheiten 3 werden beispielsweise zeitgleich betrieben oder aber es erfolgt ein wechselweiser Betrieb der Ultraschalleinheiten 3, um insbesondere auch eine Überlastung dieser Einheiten und/oder des Verpackungsmaterials 1 durch eine zu hohe Ultraschallenergie zu vermeiden. Der Betrieb der Ultraschalleinheiten erfolgt dann aber auf jeden Fall so, dass Lücken in der Sterilisation des Verpackungsmaterials 1 vermieden sind. Vorzugsweise ist zu jedem Zeitpunkt einer Überlappung der Aktivierung der Ultraschalleinheiten 3 gegeben.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne dass der die Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.

1: Verpackungsmaterial bzw. Folie
2: Reinraum
3: Ultraschalleinheit
4: Konverter bzw. Ultraschallschwingungserzeuger
5: Verstärker bzw. Buster
6: Sonotrode
7: motorische Abrollung
8: Vorratsspule
9: Puffer
A: Förderrichtung

Claims

Verfahren zum Sterilisieren von Verpackungsmaterial, insbesondere zum Sterilisieren von Folien oder dergleichen flexiblen Hüllstoffen, gekennzeichnet durch die Beaufschlagung des Verpackungsmaterials (1) mit mechanischer Ultraschall-Energie zur Abtötung von Mikroorganismen durch mechanische und/oder thermische Energieeinwirkung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpackungsmaterial (1) unter mechanischer Spannung über wenigstens einen Ultraschallkopf (6) zumindest einer Ultraschalleinheit (3) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallkopf (6) wenigstens einen leistenartigen, sich quer zur Bahn des bandförmigen Verpackungsmaterials (1) erstreckenden Kontaktbereich für das Verpackungsmaterial bildet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpackungsmaterial kontinuierlich über den Ultraschallkopf (6) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Ultraschallbehandlung durch Änderung des Einwirkwinkels der Ultraschall-Schwingungen oder -energie auf das Verpackungsmaterial (1) und/oder durch die Wahl der Geometrie des wenigstens einen Ultraschalkopfes (6) und/oder durch die Anpresskraft des Verpackungsmaterials gegen den wenigstens einen Ultraschallkopf (6) veränderbar sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel des Ultraschallkopfes (6) einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Verpackungsmaterial (1) vor und/oder während der Ultraschall-Behandlung ein diese Behandlung unterstützendes Medium aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium eine Flüssigkeit und/oder ein Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Ultraschall-Behandlung unterstützende Medium eine die Übertragung der Ultraschall-Energie von dem wenigstens einen Ultraschallkopf (6) auf das Verpackungsmaterial (1) verbesserndes Medium ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Ultraschall-Behandlung unterstützende Medium über den wenigstens einen Ultraschallkopf (6) auf das Verpackungsmaterial (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Behandlung durch mehrere Ultraschallköpfe (6) oder Ultraschalleinheiten (3) erfolgt, und zwar zeitgleich oder zeitlich versetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallbehandlung mit einer Frequenz im Bereich zwischen etwa 20 000 und 1 GHz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallbehandlung mit einer Frequenz im Bereich zwischen etwa 20 000 und 35 000 Hz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallenergie in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit gesteuert wird, mit der das Verpackungsmaterial (1) den wenigstens einen Ultraschallkopf (6) passiert.
Vorrichtung zum Sterilisieren von Verpackungsmaterial (1), insbesondere von Folien oder dergleichen flexiblen Hüllstoffen, gekennzeichnet durch wenigstens ein Ultraschallsystem mit mindestens einer Ultraschalleinheit (3) mit einem Ultraschallkopf (6), über den das bahnförmige Verpackungsmaterial (1) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ultraschallkopf (6) zumindest eine quer zur Bahn des Verpackungsmaterials (1) verlaufende leistenartige Anlagefläche für das Verpackungsmaterial (1) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung, mit der das Verpackungsmaterial (1) gegen den Ultraschallkopf (6) bzw. dessen Kontaktbereich anliegt, einstellbar ist.