DE19939521A1 - Verfahren zur sauerstoffarmen Abfüllung von Getränken - Google Patents

Abstract

Es soll ein geeignetes Verfahren zur Befüllung von PET-Flaschen aufgezeigt werden, mit welchem in kürzester Zeit eine Evakuierung der Luft erfolgt und der Unterdruck in der Flasche oberhalb eines Bereiches liegt, in dem ein Inplodieren der PET-Flaschen vermieden wird. DOLLAR A Hierzu wird ein Verfahren zur sauerstoffarmen Abfüllung von Getränken in Behälter wie Kunststoff-Flaschen aufgezeigt, bei der der Flascheninnenraum während des Spülvorganges mit Inertgas mit einer Hoch-Vakuumquelle zum Zwecke der Evakuierung verbindbar ist und vor dieser Hochvakuumquelle eine solche Drosselung der abgehenden Spülgasmenge vorgenommen wird, daß der Druck in der Flasche in einem Bereich geringfügig oberhalb bis geringfügig unterhalb des atmosphärischen Druckes eingestellt ist. DOLLAR A Zusätzlich kann ein Spülgaskanal vorgesehen sein, in dem ein Überdruck herrscht, der unter dem eigentlichen Füllkesseldruck liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung und Füllma­ schine zur sauerstoffarmen Abfüllung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur sauerstoffarmen Abfüllung von Bier in Glasflaschen wird heute in der Regel ein Füllprinzip mit doppelter Vorevakuierung eingesetzt. Dabei wird in den Fla­ schen ein Unterdruck von bis zu 900 mbar erzeugt. In Verbindung mit der Füllung von dünnwandigen PET-Flaschen scheidet diese Methode jedoch aus. Derartige Gebinde implodieren bereits bei Unterdrücken in der Größenordnung von 200-300 mbar. Es ist jedoch davon auszugehen, daß die Vakuumfestigkeit zukünftig durch weitere Materialeinsparungen stetig abnimmt. In Verbindung mit der doppelten Vorevakuierung erreicht man während der Abfüllung in den Glasflaschen pro­ blemlos CO₂-Atmosphären von über 99%. Unter diesen Bedingungen erreicht man Werte für die Sauerstoffaufnahme im Getränk während der Füllung von 0,03 mg/Ltr.

Für die Haltbarkeit der Biere ist es unerläßlich, diese Werte auch bei der Abfüllung von Bier in PET-Flaschen nicht zu überschreiten. Bei den heute unter wirtschaftli­ chen Gesichtspunkten einsetzbaren Flaschenmaterialien ist eine eingeschränkte Diffusion von Sauerstoff durch die Flaschenwandung gegeben. Allein diese Tat­ sache zwingt die Produzenten dazu, die Vorbelastung des Bieres im Produktions­ prozeß mit Sauerstoff auf ein absolutes Minimum einzuschränken. Unter diesem Aspekt sind für die Bierabfüllung von PET-Flaschen Verfahren gefordert, die höchste CO₂-Konzentrationen während der Abfüllung auch ohne die Anwendung der bekannten Vakuumtechnik sicherstellen. Dies aber bei einem noch wirtschaft­ lich vertretbaren Inertgasverbrauch.

Alternativ zur Vakuumtechnik kommen erst einmal nur Spülverfahren in Frage, bei denen die von den leeren Flaschen mitgebrachte Luft durch CO₂ oder ein anderes Inertgas verdrängt wird.

Dabei ist es von besonderer Bedeutung den CO₂-Verbrauch und damit die Be­ triebskosten auf einem vertretbaren Niveau zu halten. Zusätzlich stellt sich bei CO₂ auch die Frage der Entsorgung dieses Emissionsgases.

In Spülversuchen wird nachgewiesen, daß nur in Verbindung mit CO₂- Verbräuchen von über 2000 gr/hl Getränk CO₂-Konzentrationen in den vorge­ spannten Flaschen von über 99% erreichbar sind. Bei diesen Versuchen wurde die Flasche gasdicht am Füllventil abgedichtet. Durch das zentral in der Mündung angeordnete Rückgasrohr erfolgte die Zuführung des Spülgases in die Flasche. Die dabei gewählten Drücke lagen bei 2,5-3,5 bar, also in einem Bereich, der bei der Bierfüllung üblich ist. Das aus den Flaschen beim Spülen abgeführte Gas wurde über eine oberhalb der Flaschenmündung angeordnete großzügig dimen­ sionierte Bohrung in einen unter atmosphärischem Druck stehenden Kanal abge­ führt.

In weiteren Versuchen wurde die gleiche Flaschenspülung über das zentral ange­ ordnete Rückgasrohr vorgenommen. Im Gegensatz zum ersten Versuch erfolgte jedoch keine Anpressung und Abdichtung der Flasche am Füllventil. Das aus der Flasche ausgetriebene Gas konnte somit über die Mündung direkt in die Atmo­ sphäre entweichen. Mit dieser Methode reduzierte sich der beim Spülen in der Flasche aufgebaute Gegendruck deutlich, da das ausströmende Gas über einen großen Querschnitt an der Mündung ungehindert in die Atmosphäre entweichen konnte. Die geforderten CO₂-Konzentrationen wurden auf diese Weise gegenüber dem ersten Versuch mit weniger als 50% der CO₂-Verbräuche bei deutlich kürze­ ren Spülzeiten erreicht.

Diese Ergebnisse zeigen an, daß eine gezielte Abführung des Spülgases aus den Flaschen und die damit erreichte Absenkung des Flascheninnendrucks während der Spülung für den Erfolg des Prozesses von entscheidender Bedeutung sind. Gravierende Nachteile der offenen Spülung sind jedoch zum einen die direkt in die Atmosphäre abgegebenen CO₂-Emissionen und die erhebliche Lärmentwicklung, die beim Eintritt des Spülgases unter Druck in die Flasche entsteht. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die aus der Mündung austretenden Bieraerosole das Umfeld mikrobiologisch belasten. Der für das Wachstum von Mikroorganismen erforderliche Nährboden wird großflächig ausgebreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zur Befüllung von PET-Flaschen aufzuzeigen, mit welchem in kürzester Zeit eine Evakuierung der Luft erfolgt und der Unterdruck in der Flasche oberhalb eines Bereiches liegt, in dem ein Implodieren der PET-Flaschen vermieden wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 vorgesehen ist. Damit eine hierbei eingesetzte Füllmaschine sowohl zum Abfüllen von Getränken in PET-Flaschen wie auch Glasflaschen einsetzbar ist, wird ferner vorgeschlagen, daß der zum Flascheninnenraum führende Vaku­ umkanal (2) mit einer Einrichtung zum Umschalten auf Hochvakuum oder Niedrig­ vakuum ausgebildet ist.

Das neue Verfahren macht sich die Erkenntnis zu Nutze, daß nur in einem Spül­ prozeß, bei dem das Gas möglichst ungehindert aus der Flasche abfließen kann, schnell hohe Inertgaskonzentrationen bei niedrigen Gasverbräuchen erreichbar sind. Dieses findet in einem geschlossenen Prozeß statt, bei dem die Flasche gasdicht am Füllorgan abgedichtet ist. Dabei darf in den Flaschen zu keinem Zeit­ punkt ein Unterdruck entstehen, bei dem die Gefahr besteht, daß die Flasche im­ plodiert.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Füllventil 1 wird in einem Vakuumkanal 2, der mit einer Bohrung 3 oberhalb der Flaschenmündung 4 in Verbindung steht, ein möglichst hoher Unterdruck (ca. 90%) erzeugt. Im Gasweg zu diesem Kanal be­ findet sich beispielsweise ein Rückschlagventil 5, das nur dann öffnet, wenn der Druck in der Flasche 6 oberhalb des Atmosphärischen Druckes oder auf einem Unterdruckniveau liegt, bei dem keine Gefahr besteht, daß die Flasche 6 zusam­ mengedrückt wird. Die Spülgaszuführung erfolgt über das zentral in der Mündung angeordnete Gasrohr 7. Unmittelbar nachdem über ein Ventil diese Verbindung geöffnet wurde, öffnet ein zweites Ventil die Verbindung vom Flaschenhals über das Rückschlagventil 5 in den Vakuumkanal 2. Wegen des unmittelbar hinter dem Rückschlagventil 5 eingestellten hohen Vakuums wird das in die Flasche 6 einge­ blasene Gas schnell abgesaugt. Diese Vorgehensweise begrenzt den während des Spülens in den Flaschen 6 erreichten Druckanstieg. Dadurch erhöht sich die Effizienz der Spülung bei sinkenden CO₂-Verbräuchen.

Das im Rückgasweg angeordnete Rückschlagventil 5 stellt sicher, daß zu keinem Zeitpunkt in der Flasche ein Unterdruck erreicht wird, bei dem der für die Kunst­ stoff-Flasche zulässige Unterdruck unterschritten wird. Nach Abschluß der Spü­ lung wird die Verbindung in den Vakuumkanal 2 durch ein Ventil wieder geschlos­ sen. Anschließend wird die Flasche 6 vorgespannt und der eigentliche Füllprozeß folgt in bekannter Weise.

Anstelle eines Rückschlagventils können die Zu- und Ablaßquerschnitte in Abhän­ gigkeit vom Spüldruck so dimensioniert sein, daß in der Flasche 6 während des Spülens ein bestimmter Druck nicht unterschritten werden kann.

Bei Prozeßbeginn wird erst die Verbindung in das zentrale Spülrohr geöffnet. Un­ mittelbar danach öffnet ein Ventil die Verbindung vom Flaschenhals in den Vaku­ umkanal 2. Am Ende der Spülung schließt das Ventil zuerst die Verbindung in den Vakuumkanal 2 ab. Über die weiter offengehaltene Verbindung über das zentrale Gasrohr 7 in die Flasche 6 erfolgt anschließend die Vorspannung. Auch hier tritt zu keinem Zeitpunkt eine Situation ein, in der in der Flasche 6 der zulässige Un­ terdruck unterschritten wird. Der vorgenannte Prozeß kann aber auch zunächst mit einer Evakuierung beginnen, um Flüssigkeitsreste aus dem System abzusau­ gen.

Grundsätzlich ist das oben beschriebene Verfahren auch auf ein mechanisch ge­ steuertes Füllsystem übertragbar. Hier ist jedoch zu beachten, daß die Spülpro­ zesse und somit auch die CO₂-Verbräuche stark von der gefahrenen Leistung ab­ hängig sind. Bei rechnergesteuerten Füllverfahren wird der Spülprozeß hingegen unabhängig von der Füllerleistung über die Zeit gesteuert.

Nach Abschluß der Füllung und einer vorangegangenen Vorentlastung wird die Flasche 6 durch Öffnen des Ventils in der Verbindung vom Flaschenhals zum Va­ kuumkanal 2 restentlastet. Der Flascheninnendruck fällt dabei auf das am Rück­ schlagventil 5 eingestellte Druckniveau ab. Dieses liegt in der Nähe des Atmo­ sphärendrucks. Die Drosselwirkung des Rückschlagventils 5 sorgt für einen kon­ trollierten Druckabbau.

Im Gegensatz zur häufiger praktizierten ungedrosselten Restentlastung in den Vakuumkanal läuft der Entlastungsprozeß mit dem vorbeschriebenen Verfahren deutlich moderater ab. Die Schaumbildung wir hierdurch weiter minimiert. Durch das Rückschlagventil 5 ist sichergestellt, daß sich in der Flasche 6 kein hohes Va­ kuum einstellen kann. Dies auch nicht bei längeren Öffnungszeiten des betreffen­ den Ventils. Die Öffnungszeit wird über einen rechnergesteuerten Füllprozeß auf die für die jeweilige Abfüllpartie optimale Zeit eingestellt.

Neben der Ausführung mit einer oder mehreren Austrittsbohrungen für das Spül­ gas oberhalb der Mündung ist auch eine Lösung möglich, bei der das Spülgas ebenfalls zentral über ein Röhrchen in die Flasche 6 eingeblasen wird. Das Rück­ gas fließt dabei über einen um das Spülrohr herum angeordneten Ringspalt zu­ rück in den Vakuumkanal 2. Diese Vorgehensweise ist z. B. bei volumetrischen Füllsystemen möglich. Diese Füllsysteme benötigen im Zentrum der Flaschen­ mündung keine Bauteile, die für eine Erfassung der Füllhöhe bei Höhenfüllsyste­ men unerläßlich sind. Ungeachtet dessen ist das Verfahren bei allen bekannten Füllsystemen, z. B. Kurzrohr- oder Langrohrfüller u. dgl. einsetzbar.

Um die eingesetzte Füllmaschine sowohl für die Befüllung von PET als auch von Glasflaschen, die ein wesentlich höheres Vakuum vertragen, einsetzen zu könn­ nen, kann in dem zum Flascheninnenraum führenden Kanal eine Einrichtung zum Umschalten auf Hochvakuum oder Niedrigvakuum vorgesehen sein. Mit dieser kann bei der Befüllung von Glasflaschen eine drosselfreie Verbindung zum Vaku­ umkanal hergestellt werden.

Das nachfolgend beschriebene Füllsystem bietet eine effektive Lösung, bei der die geforderten Inertgaskonzentrationen während der Füllung durch einen geziel­ ten Gasspülprozess erreicht werden. Dies ohne, daß in der Flasche ein für deren Stabilität kritisches Vakuum unterschritten wird. Der Spülprozess kommt dabei mit einer wirtschaftlich vertretbaren Menge an Spülgas aus.

Das volumetrische Füllsystem gemäß Fig. 2 arbeitet beispielsweise auf Basis ei­ ner magnetisch induktiven Durchflußmessung. Bei dieser Art der Füllmengenbe­ stimmung sind im Zentrum der Füllelemente bzw. Füllventile 1 keine Einrichtungen zur Ermittlung des Füllstandes in der Flasche 6 erforderlich. Dies schafft Raum für ein effektiv arbeitendes Spülrohrsystem.

Die pneumatisch gesteuerten Füllventile 1 sind über zwei Stehbolzen an einem Gasverteilerring 9 befestigt.

Das Getränk wird einem über diesem Kanal angeordneten separaten Ringkessel 10 zugeführt. Dieser teilgefüllte Kessel 10 steht unter CO₂-Überdruck. Das zur Spülung erforderliche Frisch-CO₂ wird direkt in diesen Kessel geleitet. Das Ge­ tränk gelangt vom Ringkessel über eine Leitung 11, die für jede Füllstelle über ei­ nen Durchflußmesser 12 führt, in die Füllventile 1.

Der Gasraum 13 des Kessels steht über einen Gaskanal im Gasverteilerring 9 di­ rekt mit den Füllventilen 1 in Verbindung. Über diesen Weg werden die einzelnen Füllventile 1 mit dem Vorspanngas versorgt.

Ein zweiter Gaskanal 14 ist mit einer Vakuumpumpe verbunden und steht unter einem Unterdruck von ca. 0,9 bar.

Über einen dritten Gaskanal 15, der ebenfalls unter Überdruck steht, wird den Füllventilen 1 das Spülgas zugeführt.

In der Mittelachse der Füllventile 1 ist das zentrale Spülrohr 7 angeordnet. Es ragt weit in die Flaschenmündung hinein. Dieses Röhrchen ist wiederum innerhalb ei­ nes zweiten Gasrohres positioniert. Über das zentrale Röhrchen wird ausschließ­ lich das Spülgas in die Flasche 6 hineingeblasen und über den von beiden Gas­ rohren gebildeten Ringspalt wieder aus der Flasche 6 abgeführt. Die Anordnung beider Gaswege im Zentrum der Flaschenmündung in Verbindung mit dem weit in die Flasche hineinragenden Spülgasrohr 7 garantiert einen geordneten Gasfluß, bei dem die Luft schnell aus der Flasche 6 verdrängt und durch Inertgas ersetzt wird. Die Gaswege innerhalb des Füllorgans sind so gestaltet, daß alle für den Spül- und Füllprozess erforderlichen Wege über lediglich 3 Membranzylinder zu steuern sind.

Bei einer zusätzlich vorgesehenen Dampfsterilisation wird der Dampf zusätzlich durch das Spülrohr 7 und, sofern vorgesehen, durch weitere Kanäle, z. B. zur Mündungssterilisation, geleitet.

Claims (7)

1. Verfahren zur sauerstoffarmen Abfüllung von Getränken wie Bier in Behältern, z. B. Kunststoff-Flaschen, wobei die Flaschen zunächst mit einem Inertgas gespült, evakuiert und anschließend auf den zur Befüllung erforderlichen Gegendruck vor­ gespannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flascheninnenraum während des Spülvorgangs mit Inertgas mit einer Hochvakuumquelle zum Zwecke der Eva­ kuierung verbindbar ist und vor dieser Hochvakuumquelle eine solche Drosselung der abgehenden Spülgasmenge vorgenommen wird, daß der Druck in der Flasche (6) in einem Bereich geringfügig oberhalb bis geringfügig unterhalb des atmos­ phärischen Druckes eingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flascheninnen­ raum zunächst mit Inertgas vorgespannt und anschließend die Verbindung zur Hoch-Vakuumquelle hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Anpressen einer Flasche (6) zunächst eine kurzzeitige Evakuierung des Flascheninnenraumes und darauf der Spülvorgang eingeleitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden An­ sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung vom Flascheninnen­ raum zu einem Hochvakuumkanal vorgesehen ist, wobei diese Verbindung ein Drosselelement aufweist, welches derart einstellbar ist, daß bei Zufuhr von Inert­ gas unter Druck in den Flascheninnenraum der Druck in diesem Raum geringfügig oberhalb bis geringfügig unterhalb des atmosphärischen Druckes einregelbar ist.

5. Füllmaschine zum Abfüllen von Getränken in Flaschen mit einem Füllventil und einem Hochvakuumkanal zum Flascheninnenraum, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Flascheninnenraum führende Vakuumkanal (2) mit einer Einrichtung zum Umschalten auf Hochvakuum oder Niedrigvakuum ausgebildet ist.

6. Füllmaschine zum Abfüllen von Getränken in Flaschen mit einem Füllventil und einem Gasverteilerring, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllventile an diesem Gasverteilerring angeordnet sind und der Gasverteilerring mindestens einen Vor­ spanngaskanal, einen Vakuumkanal und einen Spülgaskanal aufweist.

7. Füllmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Spülgaskanal ein Überdruck eingeregelt ist, der deutlich unterhalb des im Füllkessel herrschen­ den Fülldrucks liegt.