EP0979207B1 - Verfahren und vorrichtung zum füllen von gebinden - Google Patents

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EP0979207B1
EP0979207B1 EP98920505A EP98920505A EP0979207B1 EP 0979207 B1 EP0979207 B1 EP 0979207B1 EP 98920505 A EP98920505 A EP 98920505A EP 98920505 A EP98920505 A EP 98920505A EP 0979207 B1 EP0979207 B1 EP 0979207B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filling
gas
product
barrel
liquid
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98920505A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0979207A1 (de
Inventor
Volker Till
Hans-Jürgen WALL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KHS Till GmbH
Original Assignee
KHS Till GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19741254A external-priority patent/DE19741254C2/de
Application filed by KHS Till GmbH filed Critical KHS Till GmbH
Publication of EP0979207A1 publication Critical patent/EP0979207A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0979207B1 publication Critical patent/EP0979207B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/30—Filling of barrels or casks
    • B67C3/32—Filling of barrels or casks using counterpressure, i.e. filling while the container is under pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for filling containers, especially kegs, with liquids in which at least one Gas is dissolved, the container before filling the Liquid is biased with a biasing gas, then the Container via a connected to a supply line Filling valve fed to a filling station and during liquid of the filling process, the biasing gas contained in the container is dissipated, and a device for performing this Procedure.
  • Carbonated beverages such as beer, only keep their CO 2 in solution if the partial pressure of the gas CO 2 above the liquid is at least as high as the saturation pressure in the liquid. If the gas pressure above the liquid is below the saturation pressure, the liquid loses CO 2 , but if the gas pressure is significantly higher, there is a risk that additional CO 2 will dissolve.
  • the gas absorption is dependent on the differential pressure between the saturation pressure in the liquid and the partial pressure above the liquid, the time available for gas exchange, which is usually equivalent to the filling time of the container, and the size of the gas exchange surface, i.e. the Liquid surface. Due to the turbulence in the liquid during the filling process, the risk of gas absorption during filling is considerably increased.
  • the gas exchange between the liquid and the superimposed gas atmosphere affects not only the CO 2 , but also other gases present in the gas atmosphere, in particular oxygen, which is absorbed by the liquid according to the same laws.
  • oxygen is an important factor for the quality of the product in liquids that can be damaged by microorganisms or whose durability is endangered by the oxidation of liquid components.
  • a differential pressure between the supply line and the inside of the container is a differential pressure between the supply line and the inside of the container.
  • the size of the Differential pressure determines the inflow speed of the Product.
  • the product is used to avoid Surface enlargement caused by turbulence initially filled lower speed, which then slowly increased becomes.
  • the container is prestressed with a gas pressure, which is significantly above the saturation pressure of the in the liquid dissolved gas.
  • the liquid to be bottled itself by tanks or pumps also at this pressure level held and fed to the filling machine. After tempering of the container to the pressure of the liquid supplied a connection between the container and the feed of the filling material manufactured.
  • the preload pressure to be set is determined by experience.
  • the product is said to lose CO 2 due to turbulence that results in local negative pressures. This creates a deliberate artificial foam on the surface of the liquid, the bubbles of which only contain the released CO 2 and thus protect the product from contact with the oxygen-containing gas atmosphere above.
  • the turbulence and with it the local negative pressure disappear.
  • the product absorbs CO 2 again during the remaining filling time. The trick is, depending on the CO 2 content, temperature, container size and calculated filling time, to achieve a balance between CO 2 loss and recovery.
  • the container In addition to the fact that the container must be biased far above the saturation pressure in the return gas control and the draining must be carried out in a controlled manner in order to achieve a controlled filling speed, the reduction of the filling speed in the last filling section is problematic. If the liquid inlet pressure remains constant, the flow rate can only be reduced if the differential pressure is reduced. In the known methods, the gas outlet is throttled (or, in extreme cases, prevented) and waited until the rising fill level has increased the back pressure to the desired value by compressing the remaining gas volume in the container. This period can be significant, especially for beer kegs. A 50 1 keg usually has an inlet cross-section DN21 and a maximum filling speed of 2.5 l / sec at a differential pressure of 0.8 bar.
  • N 2 and CO 2 have completely different solubilities and saturation pressure curves. While CO 2 easily dissolves and is difficult to get out of solution, it is extremely difficult to get N 2 into solution at all and very easy to remove N 2 even with the slightest turbulence. The balance between degassing at the start of filling and resumption of the lost gas during filling is almost impossible to find in 2-gas systems. The quality of the product to be filled is therefore fluctuating. Attempts are made to compensate for this by keeping the ratio of the gas atmosphere CO 2 to N 2 different from the proportion of the dissolved gases. However, this compromise is only valid for one temperature or one container size and only for one product supply pressure. It is impossible to master these many factors and their tolerances in terms of control technology.
  • Another disadvantage of the return gas control is that the container has to be prestressed with gas, usually CO 2 , far beyond the saturation pressure in order to achieve a pressure drop that is still above the saturation pressure even during the maximum lowering of the internal pressure during the filling process of the gas. Since the gas is then released into the atmosphere, this also results in increased consumption of the greenhouse gas CO 2 in addition to energy consumption. Furthermore, the operating personnel are burdened by the high CO 2 emissions.
  • gas usually CO 2
  • GB-A-2 116 530 is a generic method known, with the filling of the kegs with down reversed connection fitting, the liquid through the carbonic acid valve of the connection fitting flows in and that displaced gas is discharged through the epee. Does that work Finally, beer over the top of the riser is that Full barrel.
  • the one for the individual The desired volume of the filling phases can be set using a setpoint be specified.
  • To the different filling volumes To achieve in the individual filling phases is in the Fast filling phase switched on another filling line.
  • the basis of the known method is therefore the provision of two parameterizable volume limit values when they are reached switched between a large and a smaller filling line can be.
  • the flow rate in the Product supply line is not regulated.
  • the object of the invention is therefore to a gentle filling enable and reduce the consumption of bias gas.
  • the first, cold product flowing into the hot keg brings Residual quantities of atmospheric sterile vapor in the container sudden condensation.
  • the previously used pressure modulating Procedures could not do this pressure collapse settle fast enough.
  • the new process solves this task without difficulty and a controlled slow Flow towards the product, prerequisite for a gentle Bottling is guaranteed.
  • the Preload pressure within the container according to the Saturation pressure set after filling is the fact that beer kegs before the filling for sterilization can be steamed and the cold Product is filled into the still hot container.
  • a mixing and equalizing temperature which is the temperature of the product in the container by approx. 4 ° C compared to the supply temperature elevated.
  • this changes the Saturation pressures of the dissolved gases so that according to the invention value to be set to that of the product in the filled Containers must correspond. This question has been asked in the past never posed because the back pressure is always significantly above the saturation pressure.
  • An apparatus for performing the above Procedure with a filling station which is via a feed line product liquid to be filled into the container and from the escaping from the container via a return gas line
  • bias gas is removed
  • Filling station a flow meter to determine the flow rate in the feed line of the filling station and an adjustable orifice to adjust the product volume flow on.
  • the product volume flow is based on a regulator the flow rate determined by the flow meter as actual value and one preferably to the container size, Fitting type, product temperature and / or proportion of propellant gas Product coordinated, in a data processing unit stored filling curve regulated as setpoint.
  • the Aperture cross-section can be changed continuously according to the invention.
  • Return gas line provided an overflow valve through which the Return gas is discharged.
  • the filling station 30 shown in Fig. 1 builds on that in the Master application DE 197 18 130.9, the content of which also for Subject of the present application is made described Principle of low gas back pressure in the too ventilating container.
  • the filling station 30 consists in essentially from a filling valve 2, via a supply line 3 a liquid, such as beer, dissolved in the gases are fed.
  • a container on the filling valve 2 in particular a keg 4 placed with the product liquid should be filled.
  • One of the individual filling stations 1 is located in the feed line 3 assigned flow meter 31 for determining the flow rate of the product through the line section 8 and an infinitely variable orifice 32, for example a membrane control valve, intended.
  • the one in front or behind the aperture 32 Arranged flow meter 31 provides the data obtained of the product flow to an actual value processing 33 which the current flow rate (speed) as actual value a control device (34) passes on.
  • a riser pipe 9 is provided, which with a Return gas line 10 of the filling valve 2 is connected.
  • the Return gas line 10 leads to an overflow valve 11, via the access to a return gas outlet 12 is controlled.
  • a bias gas line 13 is connected, which can be shut off via a valve 14.
  • the biasing gas in particular CO 2 .
  • the biasing gas can also be a composition of several gases, such as CO 2 and N 2 .
  • the preload pressure in the keg 4 is only at a partial pressure corresponding to the saturation pressure of the CO 2 (or N 2 ) in the beer or slightly above (e.g. 1.4 bar), which is below the product pressure in front of the filling valve 2 (e.g. 2nd , 5 bar) lies in the line section 8 of the supply line 3.
  • the back pressure of the biasing gas in the keg 4 corresponds to the saturation pressure of the dissolved gas after the keg 4 has been filled, ie in the filled container. It is taken into account here that the beer filled at a temperature of approximately 3 ° C. warms by approximately 4 ° C. in the keg 4 which is usually steamed before filling and is therefore hot at approximately 100 ° C. The change in saturation pressure caused by this is already taken into account when setting the original preload pressure.
  • the control device 33 compares that of the Flow meter 31 delivered actual value with a constant one on the container size, fitting type, product temperature, Propellant gas proportion or the like. Parameters coordinated in one Data processing unit stored filling curve set Setpoint and changes the flow rate if necessary. To this end the infinitely variable aperture 32 is used, whose Cross-section through a linear drive (manipulated variable: stroke) can be varied so that a given one at any time Flow rate (controlled variable) can be generated.
  • manipulated variable manipulated variable: stroke
  • the influencing variables for the definition of the filling curves are in Fig. 2 shown.
  • new product / container constellations optimized for self-learning Filling profiles can be designed and processed. It can also be provided, the filling curves on graphically interactive To change systems during the production process.
  • the filling valve 2 After closing the bias gas valve 14, the filling valve 2 opened, so initially only a small amount of product occurs on. Injecting the product is despite the pressure difference thereby avoided that the supply amount is targeted is reduced. Then the filling speed becomes slow increased so as not to cause excessive turbulence.
  • the bias gas escapes through the overflow valve 11 in the return gas outlet 12.
  • the specified return gas pressure is, for example, a constant 1.5 bar.
  • An essential aspect of the invention is that the pretension in the keg 4 only has to be set to a partial pressure corresponding approximately to the saturation pressure of the CO 2 (or N 2 ) in the beer and is thus far below the conventionally set pretension pressure.

Landscapes

  • Filling Of Jars Or Cans And Processes For Cleaning And Sealing Jars (AREA)
  • Vacuum Packaging (AREA)
  • Basic Packing Technique (AREA)
  • Devices For Dispensing Beverages (AREA)
  • Special Conveying (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen von Gebinden, insbesondere Kegs, mit Flüssigkeiten, in denen wenigstens ein Gas gelöst ist, wobei das Gebinde vor dem Einfüllen der Flüssigkeit mit einem Vorspanngas vorgespannt wird, dann dem Gebinde über ein an eine Zufuhrleitung angeschlossenes Füllventil einer Füllstation Flüssigkeit zugeführt und während des Füllvorgangs das im Gebinde enthaltene Vorspanngas abgeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Kohlensäurehaltige Getränke, wie Bier, halten ihr CO2 nur dann in Lösung, wenn der über der Flüssigkeit liegende Partialdruck des Gases CO2 mindestens so hoch ist wie der Sättigungsdruck in der Flüssigkeit. Liegt der Gasdruck über der Flüssigkeit unterhalb des Sättigungsdruckes, so verliert die Flüssigkeit CO2, liegt der Gasdruck aber wesentlich darüber, besteht die Gefahr, daß zusätzliches CO2 in Lösung geht. Die Gasaufnahme ist hierbei abhängig von dem Differenzdruck zwischen dem Sättigungsdruck in der Flüssigkeit und dem Partialdruck über der Flüssigkeit, der für den Gasaustausch zur Verfügung stehenden Zeit, die in der Regel mit der Füllzeit des Gebindes gleichzusetzen ist, und der Größe der Gasaustauschfläche, also der Flüssigkeitsoberfläche. Aufgrund der während des Füllvorganges auftretenden Turbulenzen in der Flüssigkeit ist die Gefahr einer Gasaufnahme während des Füllens erheblich vergrößert. Der Gasaustausch zwischen Flüssigkeit und der überlagerten Gasatmosphäre betrifft jedoch nicht nur das CO2, sondern auch andere in der Gasatmosphäre vorhandene Gase, insbesondere Sauerstoff, der nach den gleichen Gesetzen von der Flüssigkeit aufgenommen wird. Sauerstoff ist aber bei Flüssigkeiten, die durch Mikroorganismen geschädigt werden können oder deren Haltbarkeit durch Oxidation von Flüssigkeitsbestandteilen gefährdet ist, ein wesentlicher Faktor für die Qualität des Produktes.
Um das Produkt durch ein Ventil in das Gebinde, sei es eine Flasche oder ein Faß, zu bekommen, ist ein Differenzdruck zwischen Zuleitung und Gebindeinnerem notwendig. Die Größe des Differenzdrucks bestimmt die Einströmgeschwindigkeit des Produktes. Üblicherweise wird das Produkt zur Vermeidung von Oberflächenvergrößerungen durch Turbulenzen mit anfänglich niedriger Geschwindigkeit gefüllt, die dann langsam gesteigert wird. Hierzu wird das Gebinde mit einem Gasdruck vorgespannt, der erheblich über dem Sättigungsdruck des in der Flüssigkeit gelösten Gases liegt. Die abzufüllende Flüssigkeit selbst wird durch Tanks oder Pumpen ebenfalls auf diesem Druckniveau gehalten und der Füllmaschine zugeführt. Nach dem Vorspannen des Gebindes auf den Druck der zugeführten Flüssigkeit wird eine Verbindung zwischen Gebinde und Zuleitung des Füllgutes hergestellt. Durch kontrolliertes Ablassen des im Gebinde vorhandenen Vorspanngases wird das Einfließen des Füllgutes in das Gebinde ermöglicht. Hierbei bestimmt der sich aufbauende Differenzdruck die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Es ist ferner bekannt, daß gegen Ende der Befüllung der Gasaustritt gedrosselt wird und dadurch der Differenzdruck zwischen Gebindeinnerem und Zuleitung abnimmt. Dies bewirkt gegen Ende des Füllvorgangs eine Reduzierung der Einfüllmenge pro Zeiteinheit, wodurch ein genaues Abschalten bei Erreichen einer Sollmenge ermöglicht wird. Dieses bekannte Verfahren wird als "Rückgasregelung" bezeichnet. Der Vorteil dieser Regelung liegt darin, daß der Gasdruck über der Flüssigkeit zu jeder Zeit über dem Sättigungsdruck des Produktes liegt.
Der einzustellende Vorspanndruck wird durch Erfahrung ermittelt. Am Anfang der Befüllung soll das Produkt durch Turbulenzen, die lokale Unterdrücke zur Folge haben, CO2 verlieren. Dadurch entsteht ein gewollter künstlicher Schaum auf der Flüssigkeitsoberfläche, dessen Blasen ausschließlich das freigewordene CO2 enthalten und somit das Produkt vor Kontakt mit der darüberliegenden sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre schützen. Während des weiteren Füllvorgangs verschwinden die Turbulenzen und damit die lokalen Unterdrücke. Das Produkt nimmt während der restlichen Füllzeit wieder CO2 auf. Die Kunst besteht also darin, abhängig von CO2-Gehalt, Temperatur, Gebindegröße und kalkulierter Füllzeit ein Gleichgewicht zwischen CO2-Verlust und -Wiederaufnahme zu erreichen.
Abgesehen davon, daß das Gebinde bei der Rückgasregelung weit über den Sättigungsdruck vorgespannt werden muß und das Ablassen zum Erreichen einer kontrollierten Füllgeschwindigkeit gesteuert vorgenommen werden muß, ist die Reduzierung der Füllgeschwindigkeit im letzten Füllabschnitt problematisch. Bei konstantem Zulaufdruck der Flüssigkeit kann die Fließgeschwindigkeit nur reduziert werden, wenn der Differenzdruck verringert wird. Bei den bekannten Verfahren wird hierzu der Gasaustritt gedrosselt (bzw. im Extremfall unterbunden) und abgewartet, bis der steigende Füllstand durch Kompression des im Gebinde vorhandenen restlichen Gasvolumens eine Erhöhung des Gegendrucks auf den gewünschten Wert erreicht hat. Dieser Zeitraum kann insbesondere bei Bierfässern erheblich sein. So hat ein 50 1-Keg üblicherweise einen Zulaufquerschnitt DN21 und eine maximale Einfüllgeschwindigkeit von 2,5 l/sec bei einem Differenzdruck von 0,8 bar. Ist das Keg mit 35 l gefüllt, so müssen zur Reduktion der Geschwindigkeit 15 l Gasraum um 0,7 bar komprimiert werden. Hierfür werden 15 x 0,7 = 10,5 l Flüssigkeit und aufgrund der sich reduzierenden Füllgeschwindigkeit ca. 8 Sekunden Füllzeit benötigt. Eine schnelle, genaue Regelung ist, insbesondere bei möglicherweise schwankenden Zulaufdrücken, also nicht möglich. Noch kritischer ist die Situation, wenn in dem Produkt nicht nur ein Gas (beispielsweise CO2), sondern zwei Gase (beispielsweise CO2 und N2) bewußt gelöst sind. N2 wird heutzutage deshalb dem Bier zugesetzt, weil es schaumstabilisierend wirkt. Bestes Beispiel dafür ist Stout-Bier, dessen cremiger, lang anhaltender Schaum durch das gelöste, beim Zapfen freiwerdende N2 verursacht wird. N2 und CO2 haben jedoch völlig verschiedene Löslichkeiten und Sättigungsdruckkurven. Während CO2 leicht in Lösung geht und nur schwer aus der Lösung zu bringen ist, ist es äußerst schwierig, N2 überhaupt in Lösung zu bringen und schon bei geringsten Turbulenzen sehr einfach, N2 wieder zu entfernen. Die Balance zwischen Entgasen bei Füllbeginn und Wiederaufnahme des verlorenen Gases während der Füllung ist bei 2-Gas-Systemen nahezu nicht zu finden. Die Qualität des abzufüllenden Produktes ist daher schwankend. Es wird versucht, dies dadurch zu kompensieren, daß das Verhältnis der Gasatmosphäre CO2 zu N2 anders gehalten wird als der Anteil der gelösten Gase. Dieser Kompromiß ist jedoch immer nur für eine Temperatur oder eine Gebindegröße und jeweils nur für einen Produktzufuhrdruck gültig. Eine regelungstechnische Beherrschung dieser vielen Faktoren und ihrer Toleranzen ist unmöglich.
Ein weiterer Nachteil der Rückgasregelung liegt darin, daß das Gebinde weit über den Sättigungsdruck hinaus mit Gas, in der Regel CO2, vorgespannt werden muß, um eine Druckabsenkung zu erreichen, die auch während des maximalen Absenkens des Innendrucks beim Füllprozeß immer noch über dem Sättigungsdruck des Gases liegt. Da das Gas anschließend in die Atmosphäre entlassen wird, ist neben dem Energiekonsum auch ein erhöhter Verbrauch des Treibhausgases CO2 die Folge. Ferner wird das Bedienungspersonal durch den hohen CO2-Ausstoß belastet.
Aus der GB-A-2 116 530 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem die Befüllung der Kegs mit nach unten gekehrter Anschlußarmatur erfolgt, wobei die Flüssigkeit durch das Kohlensäureventil der Anschlußarmatur einströmt und das verdrängte Gas durch den Stechdegen abgeführt wird. Läuft das Bier schließlich über den oberen Rand des Steigrohres, ist das Fass voll gefüllt. Um eine verwirbelungs- und schaumarme sowie vor allem dauerhaft messgenaue Einfüllung von Bier in die Kegs zu ermöglichen, ist vorgesehen, das Füllen in 3 Phasen durchzuführen, wobei in einer Anlaufphase ein erstes vorbestimmtes Flüssigkeitsvolumen abgemessen und langsam in das Keg eingeführt wird, in der nachfolgenden Schnellfüllphase ein zweites vorbestimmtes Flüssigkeitsvolumen abgemessen und schnell in das Keg eingeführt wird und wobei in der abschließenden Vollfüllphase ein drittes vorbestimmtes Flüssigkeitsvolumen abgemessen und langsam in das Keg eingeführt wird. Die jeweils in das Keg eingefüllten Flüssigkeitsvolumina werden über einen induktiven Messwertgeber an der Flüssigkeitsleitung erfasst und an eine Auswert- und Schaltelektronik weitergleitet, innerhalb der die Messpannung digitalisiert und einem in "Liter" geeichten Messwertanzeiger für das Gesamtvolumen des Kegs zugeleitet wird. Die für die einzelnen Füllphasen gewünschten Volumina können über einen Sollwerteinsteller vorgegeben werden. Um die unterschiedlichen Füllvolumina in den einzelnen Füllphasen zu erreichen, wird in der Schnellfüllphase eine weitere Fülleitung zugeschaltet. Grundlage des bekannten Verfahrens ist somit das Vorsehen von zwei parametrierbaren Volumengrenzwerten, bei deren Erreichen zwischen einer großen und einer kleineren Fülleitung umgeschaltet werden kann. Die Durchflussgeschwindigkeit in der Produktzuführleitung wird nicht geregelt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine schonende Füllung zu ermöglichen und den Verbrauch an Vorspanngas zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Vorspanngas im Gebinde lediglich auf einen etwa dem Sättigungsdruck eines der in der abgefüllten Flüssigkeit gelösten Gase entsprechenden Partialdruck vorgespannt wird und daß die Durchflußgeschwindigkeit in der Produktzufuhrleitung gemessen und durch eine Anpassung des Produktvolumenstroms direkt geregelt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das anfangs langsame Einströmen des Produktes und die Steigerung der Fließgeschwindigkeit zum Ende der Füllung nicht mehr indirekt durch Modulierung des Keginnendrucks geregelt, sondern es erfolgt eine direkte Regelung des Produkt-Volumenstroms.
Ein wesentlicher Vorteil dieses neuen Verfahrens besteht darin, daß auf die bisher notwendige Installation von Produktdrucksensoren völlig verzichtet werden kann, da diese Drücke für die Erzeugung der Fließgeschwindigkeit nicht mehr bestimmend sind. Hierdurch werden der Einsatz dieser hochgenauen und empfindlichen Sensoren sowie deren meßtechnischer Kalibrierabgleich nicht mehr erforderlich.
In einem mit Gegendruckgas befüllten Behälter kann nur sehr träge auf Produktdruckschwankungen reagiert werden, indem der Druck des relativ großen Gasvolumens durch Sperren oder Freigeben des Gasauslasses erhöht bzw. erniedrigt wird. Die Druckänderung hängt von dem langsam ansteigenden Produktniveau im Gebinde ab. Bei der vorliegenden Erfindung läßt sich hingegen trotz sich ändernder Produkt- oder Gasgegendrücke durch Veränderung des Durchflußquerschnittes die Durchflußgeschwindigkeit des Produktes in das Keg hinein stabil auf dem vorgegebenen gewünschten Wert halten.
Das in das heiße Keg einströmende erste, kalte Produkt bringt Restmengen atmosphärischen Sterildampfes im Gebinde zur plötzlichen Kondensation. Die bisher angewendeten druckmodulierenden Verfahren konnten diesen Druckzusammenbruch nicht schnell genug ausregeln. Das neue Verfahren löst diese Aufgabe ohne Schwierigkeiten und ein kontrolliertes langsames Anströmen des Produktes, Voraussetzung einer schonenden Abfüllung, ist gewährleistet.
In Weiterbildung der Erfindung können in einer Datenverarbeitungseinheit unterschiedliche Füllkurven hinterlegt werden, die bestimmten Gebindegrößen, Fittingarten, unterschiedlichen Produkttemperaturen und/oder bestimmten Treibgasanteilen Rechnung tragen. Die Gestaltung dieser Kurven geschieht durch Algorithmen, die errechnet oder empirisch gewonnen werden und den erwähnten Gebindekomponenten oder Produktzuständen entsprechende Fließgeschwindigkeiten automatisch zuordnen. Neue Produkt-Gebindekonstellationen können damit in diesem System selbstlernend optimierte Füllprofile gestalten und abarbeiten. Die Füllkurven werden als Sollwerte der Regelung des Produktvolumenstroms zugrundegelegt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens können die Füllkurven, bspw. mit graphisch interaktiven Systemen, während der Produktion graphisch verändert und angepaßt werden.
Das Gas im Gebindeinneren kann dann über ein einfaches Überströmventil durch das einströmende Produkt herausgedrückt werden. Die bisher üblichen teuren regelungstechnischen Apparate sind hierfür nicht mehr notwendig. Bei Flüssigkeiten mit mehreren gelösten Gasen kann die optimale Gaszusammensetzung innerhalb des Gebindes eingestellt werden, da während des Füllvorgangs über die gesamte Zeit ein gleicher Druck im Gebindeinneren herrscht. Bei der herkömmlichen Rückgasregelung hatten die wechselnden Drücke im Gebindeinneren während des Füllvorgangs in den unterschiedlichen Füllphasen unterschiedliche Gasaustauschverhalten und damit eine Beeinflussung der Produktqualität zur Folge. Dies ist durch die Erfindung vollständig behoben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Vorspanndruck innerhalb des Gebindes entsprechend dem Sättigungsdruck nach der Befüllung eingestellt. Hintergrund dieses Erfindungsgedankens ist die Tatsache, daß Bierkegs vor der Befüllung zur Sterilisation gedämpft werden und das kalte Produkt in das noch heiße Gebinde eingefüllt wird. Hierbei werden in ca. 12 kg Metall einer Temperatur von 100°C 50 l Bier einer Temperatur von ca. 3°C eingefüllt. Es stellt sich eine Misch- und Ausgleichstemperatur ein, die die Temperatur des Produktes im Gebinde um ca. 4°C gegenüber der Zufuhrtemperatur erhöht. Dies verändert selbstverständlich die Sättigungsdrücke der gelösten Gase, so daß erfindungsgemäß der einzustellende Wert demjenigen des Produktes im abgefüllten Gebinde entsprechen muß. Diese Frage hat sich in der Vergangenheit nie gestellt, weil der Gegendruck stets erheblich über dem Sättigungsdruck gelegen hat.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens mit einer Füllstation, der über eine Zufuhrleitung in das Gebinde einzufüllende Produktflüssigkeit zugeführt und aus der über eine Rückgasleitung aus dem Gebinde entweichendes Vorspanngas abgeführt wird, weist erfindungsgemäß an der Füllstation einen Strömungsmesser zur Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung der Füllstation und eine regelbare Blende zur Anpassung des Produktvolumenstroms auf. Hierdurch kann der Volumenstrom an jeder Füllstation in Abhängigkeit von der Füllmenge oder Füllhöhe völlig unabhängig vom Zufuhrdruck des einzufüllenden Produktes und unabhängig von den an der Füllmaschine ggf. vorgesehenen anderen Füllstationen individuell eingestellt werden. In vielen Fällen ergibt sich außerdem eine Vereinfachung der den Füllmaschinen üblicherweise vorgeschalteten Drucktanks und deren Regelung, da diese ebenfalls ohne Produktbeeinflussung auf das optimale Gasgemisch entsprechend der Verhältnisse bei Sättigungsdruck eingestellt werden können.
Der Produktvolumenstrom wird durch einen Regler auf der Basis der von dem Strömungsmesser ermittelten Durchflußgeschwindigkeit als Istwert und einer vorzugsweise auf die Gebindegröße, Fittingart, Produkttemperatur und/oder Treibgasanteile des Produktes abgestimmten, in einer Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Füllkurve als Sollwert geregelt. Hierzu ist der Blendenquerschnitt erfindungsgemäß stufenlos veränderbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Rückgasleitung ein Überströmventil vorgesehen, über das das Rückgas abgeführt wird.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer Füllstation gemäß der Erfindung,
Fig. 2
schematisch die Einflußgrößen für die Festlegung der Füllkurven und
Fig. 3a,b
eine Gegenüberstellung der herkömmlichen Rückgasregelung und der erfindungsgemäßen Regelung.
Die in Fig. 1 dargestellte Füllstation 30 baut auf dem in der Stammanmeldung DE 197 18 130.9, deren Inhalt auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, beschriebenen Prinzip des niedrigen Gasgegendrucks im zu belüftenden Gebinde auf. Die Füllstation 30 besteht im wesentlichen aus einem Füllventil 2, dem über eine Zufuhrleitung 3 eine Flüssigkeit, wie Bier, in der Gase gelöst sind, zugeführt wird. Auf das Füllventil 2 ist ein Gebinde, insbesondere ein Keg 4 aufgesetzt, das mit der Produktflüssigkeit gefüllt werden soll.
In der Zufuhrleitung 3 ist ein der einzelnen Füllstation 1 zugeordneter Strömungsmesser 31 zur Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit des Produktes durch den Leitungsabschnitt 8 und eine stufenlos regelbare Blende 32, bspw. ein Membranregelventil, vorgesehen. Der vor oder hinter der Blende 32 angeordnete Strömungsmesser 31 liefert die gewonnenen Daten des Produktdurchflusses an eine Istwert-Verarbeitung 33, die die aktuelle Durchflußmenge(-geschwindigkeit) als Istwert an eine Regeleinrichtung (34) weitergibt.
In dem Keg 4 ist ein Steigrohr 9 vorgesehen, das mit einer Rückgasleitung 10 des Füllventils 2 verbunden ist. Die Rückgasleitung 10 führt zu einem Überströmventil 11, über das der Zugang zu einem Rückgasauslaß 12 gesteuert wird. An die Rückgasleitung 10 ist außerdem eine Vorspanngasleitung 13 angeschlossen, die über ein Ventil 14 absperrbar ist.
Zum Füllen des Gebindes 4 wird dieses zunächst über die Vorspanngasleitung 13 und die Rückgasleitung 10 mit einem Vorspanngas, insbesondere CO2, vorgespannt. Bei bestimmten Flüssigkeiten, beispielsweise Stout-Bier kann das Vorspanngas auch eine Zusammensetzung mehrerer Gase, wie CO2 und N2 sein. Der Vorspanndruck im Keg 4 liegt hierbei lediglich auf einem etwa dem Sättigungsdruck des CO2 (oder N2) im Bier entsprechenden Partialdruck oder leicht darüber (bspw. 1,4 bar), der unterhalb des vor dem Füllventil 2 anliegenden Produktdruckes (bspw. 2,5 bar) in dem Leitungsabschnitt 8 der Zufuhrleitung 3 liegt. Der Gegendruck des Vorspanngases im Keg 4 entspricht dem Sättigungsdruck des gelösten Gases nach Füllen des Kegs 4, d.h. im abgefüllten Gebinde. Hierbei wird berücksichtigt, daß sich das mit einer Temperatur von etwa 3°C eingefüllte Bier in dem üblicherweise vor dem Füllen gedämpften und daher etwa 100°C heißen Keg 4 um ca. 4°C erwärmt. Die hierdurch bewirkte Änderung des Sättigungsdruckes wird bei der Einstellung des ursprünglichen Vorspanndruckes bereits berücksichtigt.
Beim Füllen vergleicht die Regeleinrichtung 33 den von dem Strömungsmesser 31 gelieferten Istwert ständig mit einem durch eine auf die Gebindegröße, Fittingart, Produkttemperatur, Treibgasanteil oder dgl. Parameter abgestimmten in einer Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurve festgelegten Sollwert und ändert ggf. die Durchflußmenge. Zu diesem Zweck kommt die stufenlos veränderbare Blende 32 zum Einsatz, deren Querschnitt durch einen Linearantrieb (Stellgröße: Hub) derart variiert werden kann, daß zu jeder Zeit eine vorgegebene Durchflußgeschwindigkeit (Regelgröße) erzeugt werden kann. Hierdurch können auch übliche Druckschwankungen in den Produktleitungen oder dem Gasraum ausgeglichen und durch die sehr kurze Regelstrecke ohne Zeitverzögerung kompensiert werden. In Verbindung mit einem konstant am Sättigungsdruck gehaltenen Gegendruck können ohne weitere Beeinflussung des Produktinnendruckes in der zuführenden Leitung mit großer Präzision vorgegebene Füllkurven nachgefahren werden.
Die Einflußgrößen für die Festlegung der Füllkurven sind in Fig. 2 dargestellt. Zusätzlich zu dem über errechnete oder empirisch ermittelten Algorithmen festgelegten und in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurven, können bei neuen Produkt-/Gebindekonstellationen selbstlernend optimierte Füllprofile gestaltet und abgearbeitet werden. Es kann auch vorgesehen sein, die Füllkurven auf graphisch interaktiven Systemen während des Produktionsablaufes zu verändern.
Die Fig. 3a, b zeigen eine Gegenüberstellung der herkömmlichen "Rückgasregelung" und der erfindungsgemäßen Regelung. Während die indirekte Druckregelung immer gegenläufig zur Fließgeschwindigkeit erfolgt, wobei sich an den Kreuzungspunkten erhebliche Regelungsprobleme ergeben, verlaufen bei der erfindungsgemäßen direkten Regelung Strömungsquerschnitt (Volumenstrom) und Fließgeschwindigkeit parallel. Auf Druckveränderungen kann sehr schnell reagiert werden.
Wird nach Schließen des Vorspanngasventils 14 das Füllventil 2 geöffnet, so tritt zunächst nur eine kleine Produktmenge ein. Ein Einspritzen des Produktes wird trotz des Druckunterschiedes dadurch vermieden, daß die Zufuhrmenge gezielt reduziert wird. Dann wird die Füllgeschwindikgeit langsam gesteigert, um keine übergroßen Turbulenzen zu verursachen. Das aus der Zufuhrleitung 8 durch den Ringspalt 15 im Füllventil 2 in das Keg 4 hineingeförderte Bier drückt das im Keg 4 enthaltene Vorspanngas durch das Steigrohr 9 aus dem Keg 4 heraus. Das Vorspanngas entweicht über das Überströmventil 11 in den Rückgasauslaß 12. Der durch das Überströmventil 11 festgelegte Rückgasdruck beträgt bspw. konstant 1,5 bar.
Wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß die Vorspannung im Keg 4 lediglich auf eine etwa dem Sättigungsdruck des CO2 (oder N2) im Bier entsprechenden Partialdruck eingestellt werden muß und somit weit unter dem herkömmlicherweise eingestellten Vorspanndruck liegt. Über die jeder einzelnen Füllstation 30 zugeordnete Regelungseinheit 31-39 ist es möglich, die Füllgeschwindigkeit im Keg 4 verzögerungsfrei zu steuern, so daß eine Befüllung mit bisher unerreichbarer Produktschonung ermöglicht wird. Eine Schädigung durch ungewollten Verlust oder Aufnahme von CO2 oder die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Vorspanngas wird vermieden und die Produktqualität bei um 40% reduziertem Vorspanngasverbrauch wesentlich verbessert.
Bezugszeichenliste:
2
Füllventil
3
Zufuhrleitung
4
Keg
8
Leitungsabschnitt
9
Steigrohr
10
Rückgasleitung
11
Überströmventil
12
Rückgasauslaß
13
Vorspannleitung
14
Ventil
15
Ringspalt
30
Füllstation
31
Strömungsmesser
32
Blende
33
Istwert-Verarbeitung
34
Regler

Claims (10)

  1. Verfahren zum Füllen von Gebinden (4), insbesondere Kegs, mit Flüssigkeiten, in denen wenigstens ein Gas gelöst ist, wobei das Gebinde (4) vor dem Einfüllen der Flüssigkeit mit einem Vorspanngas vorgespannt wird, dann dem Gebinde (4) über ein an eine Zufuhrleitung (3, 8) angeschlossenes Füllventil (2) einer Füllstation (30) Flüssigkeit zugeführt und während des Füllvorgangs das im Gebinde (4) enthaltene Vorspanngas abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspanngas im Gebinde (4) lediglich auf einen etwa dem Sättigungsdruck eines der in der abgefüllten Flüssigkeit gelösten Gase, insbesondere CO2 oder N2, entsprechenden Partialdruck vorgespannt wird, und daß die Durchflußgeschwindigkeit in der Produktzufuhrleitung gemessen und durch eine Anpassung des Produktvolumenstroms direkt geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung (8) auf der Basis einer vorher festgelegten, in einer Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Füllkurve geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche Gebindegrößen, Fittingarten, Produkttemperaturen und/oder Treibgasanteile des Produktes entsprechende Füllkurven bestimmt und in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkurven bspw. mit Hilfe von graphisch interaktiven Systemen während der laufenden Produktion anpaßbar sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Gebinde (4) vorgesehene Vorspanngas durch das einströmende Produkt aus dem Gebinde (4) herausgedrückt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspanndruck in dem Gebinde (4) so eingestellt wird, daß er etwa dem Sättigungsdruck des gelösten Gases in dem gefüllten Gebinde (4) entspricht.
  7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Füllstation (30) mit einer Zufuhrleitung (3, 8), über die in ein auf der Füllstation (30) vorgesehenes Gebinde (4) einzufüllende Produktflüssigkeit zugeführt wird, und mit einer Rückgasleitung (10), über die aus dem Gebinde (4) entweichendes Vorspanngas abgeführt wird, wobei an der Füllstation (30) ein Strömungsmesser (31) zur Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung (8) der Füllstation (20) und eine regelbare Blende (32) zur Anpassung des Produktvolumenstroms vorgesehen sind, gekennzeichnet durch einen Regler (34), der das Öffnen und Schließen der Blende (32) auf der Basis der von dem Strömungsmesser (31) ermittelten Durchflußgeschwindigkeit als Istwert und einer in einer Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurve als Sollwert regelt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenverarbeitungseinheit eine Vielzahl von Füllkurven für unterschiedliche Gebindegrößen, Fittingarten, Produkttemperaturen und/oder Treibgasanteile des Produktes hinterlegt sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (32) ein Membranregelventil ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückgasleitung (10) ein Überströmventil (11) vorgesehen ist, über das das Rückgas abgeführt wird.
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