EP3812344A1 - Vorrichtung und verfahren zum befüllen eines behälters mit einem füllprodukt - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum befüllen eines behälters mit einem füllprodukt Download PDF

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EP3812344A1
EP3812344A1 EP20203035.9A EP20203035A EP3812344A1 EP 3812344 A1 EP3812344 A1 EP 3812344A1 EP 20203035 A EP20203035 A EP 20203035A EP 3812344 A1 EP3812344 A1 EP 3812344A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filling
product
viscosity
pressure
filling pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20203035.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schuhbeck
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.)
Krones AG
Original Assignee
Krones AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krones AG filed Critical Krones AG
Publication of EP3812344A1 publication Critical patent/EP3812344A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • B67C3/007—Applications of control, warning or safety devices in filling machinery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B31/00—Packaging articles or materials under special atmospheric or gaseous conditions; Adding propellants to aerosol containers
    • B65B31/04—Evacuating, pressurising or gasifying filled containers or wrappers by means of nozzles through which air or other gas, e.g. an inert gas, is withdrawn or supplied
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B3/00—Packaging plastic material, semiliquids, liquids or mixed solids and liquids, in individual containers or receptacles, e.g. bags, sacks, boxes, cartons, cans, or jars
    • B65B3/04—Methods of, or means for, filling the material into the containers or receptacles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B57/00—Automatic control, checking, warning, or safety devices
    • 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
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
    • B67C3/22—Details
    • B67C3/28—Flow-control devices, e.g. using valves
    • B67C3/286—Flow-control devices, e.g. using valves related to flow rate control, i.e. controlling slow and fast filling phases

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for filling a container with a filling product, preferably a food.
  • the invention is particularly directed to the filling of viscous filling products.
  • Viscous filling products in the food industry are mostly filled in free-jet filling machines with a rotary design.
  • an optimal flow rate specific for the filling product must be maintained.
  • the flow rate can be determined empirically by filling tests or directly on the filling machine with the respective filling product.
  • the flow rate is regulated by an excess gas pressure in the product storage container, whereby the gas can be sterile-filtered compressed air or another gas, mostly inert gas.
  • the higher the viscosity of the filling product the greater the gas overpressure in the product storage container must be in order to set the target flow rate, and vice versa.
  • Viscosity measurements can be carried out in the laboratory with so-called rheometers.
  • the viscosity depends, among other things, on the shear rate with which the product is applied and the temperature. The measurements therefore normally take place at given shear rates and temperatures.
  • the measurement results have little relation to practice, i.e. to the conditions prevailing in ongoing production, for example with regard to temperature and temperature fluctuations, behavior of non-Newtonian fluids (e.g. thixotropy), etc., so that the values determined in the laboratory are often unsuitable for practice . For example, they are at least insufficient for creating a filling print matrix as a function of a determined product viscosity.
  • predetermined start filling pressures are usually stored for the types of filling product, which, however, relate to a specific viscosity of the filling product. Since the viscosity of the filling products can vary greatly depending on the temperature and from batch to batch, one or more filling tests are usually carried out when starting up or even during production on the filling machine in order to determine the filling pressure required for the currently prevailing viscosity conditions and / or to correct it accordingly .
  • the ideal filling pressure can shift in comparison to the last filling pressure set by the pressure control for many products with thixotropic flow properties, i.e. a time-dependent viscosity, or due to temperature-dependent viscosity fluctuations.
  • the restart of production will therefore usually not proceed optimally, and some time and fillings will pass before the pressure is adjusted to the optimal flow rate again.
  • the filling accuracy is impaired under certain circumstances, and it can lead to underfilled but also overfilled containers that have to be sorted out, resulting in product loss.
  • the product in the filling machine can experience a temperature change (cooling or warming) during the time in which the filling tests are carried out, so that the values determined from the filling tests may already be out of date or only briefly when production is restarted correct and therefore need to be corrected depending on the temperature. Any corrections or checks of the same can again result in time-consuming filling tests.
  • underfilling of the filling pressure can occur if the filling pressure is too low and overfilling of the container if the filling pressure is too high.
  • Underfilled and overfilled containers have to be sorted out, which leads to a loss of product.
  • filling product escapes from the containers This can lead to contamination of the container as well as the filling machine and any other components of the filling line. In this case, the system has to be cleaned in the meantime, which in turn leads to a loss of time and thus to a deterioration in efficiency and also to the use of cost-intensive cleaning media.
  • a change in viscosity as a source of error or disruption of the filling process was identified in the DE 10 2013 100 702 A1 recognized. It is proposed therein to monitor the viscosity of the medium on the basis of the filling characteristic and the pressure curve and to check whether the viscosity is within a specified expected range. Consideration of the viscosity is also known from other filling processes, for example from WO 97/00224 A1 .
  • an object of the present invention is to provide an improved device and an improved method for filling a container with a filling product, preferably a food, in particular to improve the performance and / or reduce the product loss.
  • the device according to the invention also referred to herein as a "filling device", is used to fill containers with a filling product.
  • the filling device is particularly suitable for filling filling products with a comparatively high and / or variable viscosity.
  • the filling device is particularly preferably used in the food industry, for example for filling sauces, for example ketchup or mayonnaise, viscous beverages such as fruit juices or smoothies, syrup and the like.
  • viscous products from other industrial areas such as paints, varnishes and the like, can also be filled with the filling device set out herein.
  • the filling device has a product path for transporting and introducing the filling product into the container.
  • the product path here is the path through which the filling product flows from the last treatment step of a product preparation or product processing to the Introducing the filling product referred to in the container.
  • the device has a viscosity determination device for determining a viscosity of the filling product in the product path.
  • the viscosity-determining device can be implemented in different ways, as is set out below in relation to preferred embodiments.
  • the device also has a filling pressure setting device for setting a filling pressure under which the filling product is introduced into the container. The flow rate of the filling product depends on its viscosity.
  • the filling device also has a control device which is communicatively coupled to the viscosity determination device and the filling pressure setting device.
  • the coupling can be wireless or wired and is used to transmit data, for example measurement data or data derived therefrom, control commands and the like in one or in both directions.
  • the control device is set up to determine a target filling pressure from the viscosity of the filling product determined by the viscosity determining device using a viscosity-filling pressure relationship, which is a functional relationship between the viscosity and the filling pressure, and to use the filling pressure setting device to adjust the ( actual) filling pressure to control the target filling pressure.
  • the control device determines a suitable or optimal filling pressure from the currently determined viscosity of the filling product in the product path, using a predetermined viscosity-filling pressure relationship, and regulates this filling pressure.
  • filling tests at the start of production or when restarting the system after an interruption in production can be dispensed with, since the control device determines and sets a suitable filling pressure from the viscosity-filling pressure relationship immediately before the first container is filled.
  • filling tests after strong or abrupt changes in the viscosity of the filling product for example due to temperature fluctuations or different batch properties, can be dispensed with.
  • filling tests can be dispensed with due to the data collected (viscosities, densities, etc.), for example by comparing them with the current filling product data and the resulting optimal filling pressures in practice.
  • a filling pressure optimized in this way also contributes to a reduction or avoidance of overfilled and thus possibly contaminating containers, whereby machine stops, cleaning times and restart situations are minimized.
  • Product losses can also be minimized through the optimization of the filling pressure described here.
  • the materials required for filling tests - filling product, container and the like - usually have to be discarded for reasons of hygiene and quality. By eliminating filling tests, material loss can be minimized. Furthermore, the containers rejected due to overfilling or underfilling can be minimized.
  • the filled containers are salable from the first round of filling, which further improves the performance of the filler.
  • a further technical contribution of the invention lies in an improvement of the filling accuracy through always optimal flow rates set via the viscosity-dependent filling pressure regulation. Even slight fluctuations in viscosity with simultaneous impairment of the filling accuracy can be responded to quickly, almost immediately. Substantially constant filling conditions result in a reduction in soiled containers.
  • the product path preferably has a product inlet, a product tank in fluid connection therewith and one or more filling elements in fluid connection therewith, the product inlet being set up to guide the filling product into the product tank, and the filling elements being set up to feed the product tank to introduce the filling product in the container accordingly.
  • the product tank serves, for example, as an intermediate buffer for the filling product in order to ensure continuous and reliable filling operation.
  • the product tank provides the filling product to be filled to the filling organs via corresponding product lines.
  • the filling members are preferably each equipped with a filling valve through which the containers to be filled are filled with the filling product. In this case, the filling product is preferably introduced into the corresponding container in a free jet.
  • the filling device is preferably constructed in a rotary design, in which case the filling elements are installed on a carousel and the product tank can be designed as a stationary or co-rotating central boiler.
  • the product tank preferably has a head space above the filling product which is filled with gas, preferably sterile air or an inert gas.
  • the filling pressure can be modified by changing the gas pressure in the head space of the product tank.
  • the filling device preferably has a pressure regulator which is communicatively coupled to the control device and which is set up to regulate the gas pressure in the head space of the product tank.
  • a pressure sensor can be provided which is communicatively coupled to the control device and is set up to measure the gas pressure in the head space of the product tank and the To transmit control device, whereby the regulation of the filling pressure to the target filling pressure can be carried out efficiently.
  • the product tank set out above is part of the product path and, together with the pressure regulator, forms a preferred, mechanically simple and reliable implementation of the filling pressure setting device by regulating the filling pressure via the gas pressure in the head space. It should be pointed out that the filling pressure can, if necessary, also be technically set and regulated in other ways, for example by means of a pump, vacuum device or the like.
  • the filling device preferably has a fill level sensor for determining, for example, the current fill level of the filling product in the product tank and / or a temperature sensor for determining, for example detecting, the filling product temperature in the product tank. These data can be transmitted to the control device for further processing and optimization of the filling process.
  • the viscosity determination device preferably has a flow measuring device and / or an inline viscometer for determining the viscosity of the filling product in the product inlet and / or a process viscometer for determining the viscosity of the filling product in the product tank.
  • the flow measuring device can be or comprise, for example, a Coriolis flow measuring device.
  • the flow measuring device can also be a combined measuring device which, in addition to the mass flow in the product feed to the product tank, determines or detects other variables, such as the temperature, the specific density and / or viscosity of the filling product.
  • the flow measuring device can send direct data about the viscosity to the control device.
  • data of equivalent physical quantities or quantities from which the viscosity can be derived or calculated can be transmitted to the control device.
  • the volume flow or mass flow can be detected by the flow measuring device and sent to the control device, the control device deriving the viscosity therefrom, for example using the Hagen-Poiseuille law.
  • the viscosity determination device preferably has at least two pressure sensors, which are set up to detect the pressure occurring during a flow of filling product at at least two different points in the product path, the control device being set up to measure the pressure difference between the two pressure sensors to use as a measure of the viscosity of the filling product or to calculate such from the pressure difference.
  • a pressure difference-filling pressure relationship can be stored in the control device, so that an explicit determination, i.e. calculation or detection, of the viscosity can be dispensed with.
  • a pressure difference-viscosity relationship can be stored with which, in an intermediate step, a viscosity associated with the pressure difference is first determined, which is then used in a second step to determine the filling pressure.
  • the control device is preferably set up to calculate the target filling pressure at the start of production and / or after an interruption in production and / or in the case of a viscosity change exceeding a threshold value from the viscosity of the filling product determined by the viscosity determining device using the viscosity-filling pressure relationship to determine.
  • Such special phases of the filling process - start of production, interruption of production, strong or abrupt changes in viscosity, etc. - are linguistically different from a regular operation in which the filling device produces with little or no fluctuations in viscosity.
  • the regulation of the filling pressure from the viscosity set out here is particularly suitable for the irregular phases mentioned, in which, for example, an alternative regulating method cannot keep the flow rate within a predetermined window, or only with difficulty.
  • regulation can also take place via the viscosity-filling pressure relationship; however, an alternative regulation can also be carried out, for example by comparing a measured or otherwise determined current flow rate with a target flow rate. Since inflexible maintenance of a preset filling pressure can lead to the flow rate fluctuating unintentionally when the viscosity changes, the filling pressure can be adjusted during ongoing production so that the actual flow rate is kept within a permissible range of the target flow rate.
  • the viscosity-filling pressure relationship is preferably determined empirically or experimentally. It is, for example, a product-specific, empirically determined function that indicates an optimal or at least suitable filling pressure as a function of the viscosity.
  • a product database with empirically determined viscosity-filling pressure relationships can be stored in the control device, or the control device can access such a database.
  • the functional relationship between viscosity and filling pressure can be stored or displayed in any way.
  • a tabular representation is just as possible, for example, as an analytical expression, if known. In addition to an experimental or empirical determination of the viscosity-filling pressure relationship, this can also be obtained, for example, from model calculations or simulations, provided the data determined in this way are suitable for practice.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for filling a container with a filling product, preferably a food.
  • the method comprises: transporting the filling product along a product path and introducing the filling product into the container; Determining a viscosity of the filling product in the product path by means of a viscosity determining device; Determining a target filling pressure from the viscosity of the filling product determined by the viscosity determining device using a viscosity-filling pressure relationship which is a functional relationship between the viscosity and the filling pressure; and regulating or setting the filling pressure, under which the filling product is introduced into the container, by controlling a filling pressure setting device, so that the filling pressure adapts to the target filling pressure.
  • the product path preferably has a product inlet, a product tank in fluid connection therewith and one or more filling elements in fluid connection therewith, the filling product being transported or conducted via the product inlet into the product tank, from the product tank to the filling elements, and the filling elements Pour the filling product into the container accordingly.
  • the product tank preferably has a head space above the filling product filled with gas, preferably sterile air or an inert gas, the gas pressure in the head space in this case being regulated by a pressure regulator, whereby the filling pressure is set, preferably taking into account Measured values from a pressure transducer that measures the gas pressure in the head space of the product tank.
  • the viscosity determining device preferably has a flow measuring device and / or an inline viscometer, which determine the viscosity of the filling product in the product feed, i.e. measure it directly or derive it from other physical quantities.
  • the viscosity determination device has a process viscometer which determines the viscosity of the filling product in the product tank.
  • the viscosity determination device preferably has at least two pressure sensors which detect the pressure occurring during a flow of filling product at at least two different points in the product path, the pressure difference between the two pressure sensors being used as a measure of the viscosity of the filling product or such is calculated from the pressure difference.
  • the target filling pressure at the start of production and / or after an interruption in production and / or in the case of a viscosity change exceeding a threshold value is preferably determined from the viscosity of the filling product determined by the viscosity determination device using the viscosity-filling pressure relationship determined.
  • the filling pressure is preferably regulated in a regular filling operation by an alternative control without taking into account the viscosity-filling pressure relationship, preferably by comparing the actual flow rate with a target flow rate.
  • the viscosity of the filling product is preferably determined by the viscosity determination device in regular filling operation - this can be done continuously or at regular or uneven time intervals - with corrective action being taken in the alternative control mentioned, for example in the event of strong or abrupt changes in viscosity.
  • the viscosity-filling pressure relationship is preferably determined empirically or experimentally.
  • a product-specific function can be determined and / or a database can be created that specifies a suitable or optimal filling pressure as a function of the viscosity.
  • a device 10 for filling containers also referred to herein as a "filling device", according to one embodiment is shown schematically in FIG Figure 1 shown.
  • the filling device 10 is particularly suitable for filling filling products of variable viscosity.
  • the containers to be filled are not shown in the figures.
  • the filling device 10 has a product tank 1 and a plurality of filling members 2 in fluid communication therewith.
  • the filling device 10 is preferably constructed in a rotary design, in which case the filling elements 2 are installed on a carousel and the product tank 1 can be designed as a stationary or co-rotating central boiler.
  • the product tank 1 provides the filling product to be filled to the filling organs 2 via corresponding product lines.
  • the filling members 2 are each equipped with a filling valve through which the containers to be filled are filled with the filling product, preferably in a free jet process.
  • the containers to be filled are received in container receptacles, not shown in the figures, and placed with the container mouths below the filling valves of the filling elements 2 so that the product can be introduced into the container in a free jet.
  • the container mouths can be pressed against corresponding outlet openings of the filling members 2, so that a liquid-tight and / or gas-tight contact is established between them.
  • the product tank 1 is supplied with the filling product to be filled into the container to be filled via a product inlet 7.
  • the product inlet denotes a path through which the filling product flows to the product tank 1, including all areas touched by the finished, fillable filling product, ie from the last treatment step of product preparation to the entry into the product tank 1.
  • the path through which the fill product flows from the last treatment step of product preparation to The outlet of the corresponding filling element 2 is also referred to herein as a “product path”.
  • the filling product is preferably a viscous fluid from the food sector, such as sauces, thick drinks, syrups and the like.
  • sauces for example ketchup or mayonnaise
  • seasoning sauces for example ketchup or mayonnaise
  • viscous products from other industrial sectors such as paints, varnishes and the like, can also be filled with the filling device 10 set out herein.
  • the product tank 1 has a head space 1a above the filling product, in which there is a gas atmosphere, the pressure and / or composition of which can change in the course of the regular operation of the filling device 10, i.e. during the filling process.
  • a gas atmosphere in which there is a gas atmosphere, the pressure and / or composition of which can change in the course of the regular operation of the filling device 10, i.e. during the filling process.
  • a gas feed line, a gas discharge line and a pressure regulator 9 coupled thereto are provided, which is set up to regulate the gas pressure in the head space 1a.
  • the gas pressure in the head space 1a of the product tank 1, thus also the filling pressure, i.e. the pressure under which the filling product is fed to the filling members 2 and filled, can be measured via a pressure sensor 3.
  • the filling device 10 preferably also has a fill level sensor 4 for determining, for example detecting, the current fill level of the fill product in the product tank 1 and / or a
  • Temperature sensor 5 for determining, for example detection, the filling product temperature in the product tank 1.
  • the product tank 1 set out above is part of the product path and implements a filling pressure setting device in that the filling pressure is regulated via the gas pressure in the head space 1a. It should be pointed out that the filling pressure can, if necessary, also be technically set or regulated in other ways, for example by means of a pump, vacuum device or the like.
  • the product tank 1 together with the pressure regulator 9 is thus a preferred technical implementation of the filling pressure setting device, but not necessarily the only possible one.
  • the flow measuring device 8a can be or comprise, for example, a Coriolis flow measuring device.
  • the flow measuring device 8a can be a combined measuring device which, in addition to the mass flow or volume flow in the product inlet 7, determines or detects other variables, such as the temperature, the specific density and / or directly the viscosity of the filling product.
  • the various pickups, sensors, actuators, electronic devices and the like communicate with a control device 6. This can be done wirelessly or by wire.
  • the flow measuring device 8 a is set up to transmit the measurement data to the control device 6. If equipped accordingly, the flow measuring device 8 a can send direct data on the viscosity to the control device 6. Alternatively, data of equivalent physical quantities or quantities from which the viscosity can be derived or calculated can be transmitted to the control device 6. It is thus possible for the volume flow or the mass flow to be detected by the flow measuring device 8a and corresponding data to be sent to the control device 6, the control device 6 deriving the viscosity therefrom, for example using the Hagen-Poiseuille law.
  • the flow measuring device 8a if it is set up to detect or otherwise determine the viscosity, or otherwise the combination of the flow measuring device 8a and the control device 6 are referred to herein as “viscosity determining device” 8. This applies in an analogous manner to the design variants set out below.
  • the viscosity detected in this way is used by the control device 6 as a basis for determining the filling pressure. This takes place on the basis of a viscosity-filling pressure relationship, preferably an empirically determined product database and the product-specific function (s) of the necessary, suitable or optimal filling pressure derived therefrom as a function of the viscosity.
  • Such a functional viscosity-filling pressure relationship is in the Figure 5a shown.
  • the filling pressure is plotted on the x-axis and the viscosity is plotted on the y-axis.
  • the desired filling pressure can be read off therefrom, as indicated by dashed arrows in FIG Figure 5a is shown in order to finally achieve the required target flow rate.
  • the filling pressure obtained in this way is set by the pressure regulator 9 in the product tank 1.
  • the gas pressure in the head space 1a of the product tank 1 is measured and transmitted to the control device 6.
  • the control device 6 can now approximate and set the gas pressure in the head space 1a to the previously determined starting pressure by means of a suitable control algorithm.
  • Such a control based on the viscosity-filling pressure relationship is preferably carried out for the starting filling pressure when starting, restarting or after an interruption in production
  • the viscosities determined by means of the flow measuring device 8 are used in the control device 6, for example, once, several times, continuously or at specific, uniform or non-uniform time intervals, in order to determine regulations or corrections of the filling pressure based on the viscosity-filling pressure relationship to pass on to the pressure regulator 9, so that optimal production conditions are maintained.
  • the flow rate of the filling product through the filling elements 2 can be determined, for example by the control device 6, and compared with a target flow rate stored in the control device 6. If the target flow rate matches the current average flow rate, the filling pressure can be maintained; when the target flow rate If it deviates beyond the specified limits, the filling pressure can be readjusted: Flow rate too high -> filling pressure is reduced, and vice versa.
  • the pressure regulation is preferably carried out using a viscosity-filling pressure relationship by means of the flow measuring device 8 only at the start of production, during longer interruptions and / or with strongly changing viscosities, until the desired flow rate is reached. In this case, the filling pressure is then further regulated by the specified flow rate.
  • the pressure regulation can also be carried out using a viscosity-filling pressure relationship by means of the flow measuring device 8 over the entire operation, including regular and irregular conditions.
  • the Figure 2 shows a filling device 10 according to a further embodiment, which differs from that of the Figure 1 The difference is that instead of a flow measuring device 8a, an inline viscometer 8b is installed in the product inlet 7.
  • the inline viscometer 8b detects the viscosity of the filling product in the product inlet 7 to the product tank 1 and transmits the detected viscosity data to the control device 6, which controls the filling pressure based on a viscosity-filling pressure relationship, as in relation to the embodiment of FIG Figure 1 described.
  • the Figure 3 shows a filling device 10 according to a further embodiment, which differs from that of the Figure 1 differs in that a process viscometer 8c is installed in the process tank 1 instead of a flow measuring device 8a. While an inline viscometer 8b is installed in the product inlet 7, ie in a transport line, the process viscometer 8c is set up to detect the viscosity of the filling product in the process tank 1.
  • the control of the filling pressure in particular the starting filling pressure and / or any corrections during the filling process or after interruptions, takes place as in relation to the exemplary embodiment of FIG Figure 1 described.
  • the Figure 4 shows a filling device 10 according to a further exemplary embodiment, in which the viscosity-dependent pressure drop in systems with a flow is used to determine and control the filling pressure.
  • two pressure sensors 8d and 8e are installed in the product inlet 7, which measure the pressure occurring there during the flow at two different points in the product inlet 7.
  • the pressure difference thus determined between the pressure sensors 8d and 8e, assuming a laminar flow through the product inlet 7, is directly proportional to the product viscosity. The assumption is generally justified in the case of comparatively highly viscous products and the flow velocities occurring here.
  • Dp 1/2 denote the pressure loss between the two pressure sensors 8d and 8e
  • the density p of the filling product v the mean flow velocity
  • ⁇ the pipe friction factor L is the length of the pipeline, ie the distance between the two pressure sensors 8d and 8e
  • d is the Inner diameter of the pipeline and Pressure loss coefficients.
  • Re ⁇ vd ⁇
  • a pressure difference-filling pressure relationship can be stored in the control device 6, so that an explicit determination, ie calculation or detection, of the viscosity can be dispensed with.
  • a pressure difference-viscosity relationship can be stored with which, in an intermediate step, a viscosity associated with the pressure difference is first determined, which is then determined in a second step for Determination of the filling pressure is used, as in relation to the embodiment of FIG Figure 1 explained.
  • viscosity determination Both approaches and associated technical devices fall under the terms “viscosity determination”, “viscosity determination device” and the like herein.
  • an explicit determination of the viscosity in a physical unit of viscosity is dispensed with; however, since the pressure difference between the pressure sensors 8d and 8e is proportional to the viscosity, the pressure difference can be viewed and used as a physical measure for the viscosity. Because of this, the Figure 5b
  • the pressure difference-filling pressure relationship shown is also referred to as "viscosity-filling pressure relationship”.
  • Controlling the filling pressure through the viscosity of the filling product determined in the product path enables the efficiency of the filling device 1 to be increased. This is achieved on the one hand by eliminating filling tests at the start of production or when restarting after a production interruption. On the other hand, filling tests after strong or abrupt changes in the viscosity of the filling product, for example due to temperature fluctuations or due to different batch properties. Furthermore, when new, previously unknown filling products are put into operation, filling tests can be dispensed with due to the data collected (viscosities, densities, etc.), for example by comparing them with the current filling product data and the resulting optimal filling pressures in practice.
  • a filling pressure optimized in this way also contributes to a reduction or avoidance of overfilled and thus possibly contaminating containers, whereby machine stops, cleaning times and restart situations are minimized.
  • Product losses can be minimized by optimizing the filling pressure as described here.
  • the materials required for filling tests - filling product, container and the like - usually have to be discarded for reasons of hygiene and quality. By eliminating filling tests, material loss can be minimized. Furthermore, the containers rejected due to overfilling or underfilling can be minimized.
  • the filled containers are salable from the first round of filling, which optimizes the performance of the filler.
  • Another technical contribution consists in improving the filling accuracy by means of always optimal flow rates set via the viscosity-dependent filling pressure control. Even slight fluctuations in viscosity with simultaneous impairment of the filling accuracy can be responded to quickly, almost immediately. The almost constant filling conditions result in a reduction in soiled containers.

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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Vorrichtung (10) und Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel, wobei die Vorrichtung (10) aufweist: einen Produktpfad (1, 2, 7) zum Transportieren und Einleiten des Füllprodukts in den Behälter; eine Viskositätsermittlungseinrichtung (8) zur Ermittlung einer Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad (1, 2, 7); eine Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) zum Einstellen eines Abfülldrucks, unter dem das Füllprodukt in den Behälter eingeleitet wird; und eine Steuereinrichtung (6), die mit der Viskositätsermittlungseinrichtung (8) und der Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) kommunikativ gekoppelt und eingerichtet ist, um aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Viskosität und dem Abfülldruck ist, einen Soll-Abfülldruck zu bestimmen und die Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) zur Angleichung des Abfülldrucks an den Soll-Abfülldruck zu steuern.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel. Die Erfindung ist insbesondere auf das Abfüllen viskoser Füllprodukte gerichtet.
    • Stand der Technik
  • Viskose Füllprodukte in der Lebensmittelindustrie, wie beispielsweise Ketchup oder Mayonnaise, werden zumeist in Freistrahl-Abfüllmaschinen in Rundläuferbauweise abgefüllt. Um sauber und mit hoher Genauigkeit abfüllen zu können, ist eine für das Füllprodukt spezifische optimale Fließleistung einzuhalten. Die Fließleistung kann empirisch durch Abfülltests oder direkt an der Abfüllmaschine mit dem jeweiligen Füllprodukt ermittelt werden. Die Fließleistung wird dabei durch einen Gasüberdruck im Produktvorhaltebehälter geregelt, wobei das Gas steril filtrierte Druckluft oder ein anderes Gas, zumeist Inertgas, sein kann. Je höher die Viskosität des Füllprodukts, desto größer muss der Gasüberdruck im Produktvorhaltebehälter sein, um die Soll-Fließleistung einzustellen, und umgekehrt.
  • Aus der Erfahrung sind verschiedene mehr oder weniger geeignete Fließleistungen für eine große Auswahl an Produkten bekannt. Ebenfalls sind in Laborversuchen Fließzeiten für unterschiedliche Produkte empirisch ermittelt worden und stehen als Richtwerte für die Auslegung neuer Abfüllmaschinen und Grundeinstellung für Abfüllprogramme bzw. -prozesse zur Verfügung.
  • Viskositätsmessungen können im Labor mit sogenannten Rheometern durchgeführt werden. Die Viskosität ist abhängig unter anderem von der Scherrate, mit der das Produkt beaufschlagt wird, und der Temperatur. Die Messungen finden somit normalerweise bei vorgegebenen Scherraten und Temperaturen statt. Die Messergebnisse haben jedoch nur wenig Bezug zur Praxis, also zu den in der laufenden Produktion vorherrschenden Bedingungen, beispielsweise bezüglich Temperatur und Temperaturschwankungen, Verhalten nichtnewtonscher Fluide (etwa Thixotropie) usw., so dass die im Labor ermittelten Werte für die Praxis oft wenig geeignet sind. So sind sie beispielsweise zur Erstellung einer Abfülldruckmatrix in Abhängigkeit einer ermittelten Produktviskosität zumindest unzureichend.
  • Je Produktionsprogramm in der Abfüllmaschine sind in der Regel vorgegebene Start-Abfülldrücke für die Füllproduktsorten hinterlegt, die sich jedoch auf eine konkrete Viskosität des Füllprodukts beziehen. Da die Viskosität der Füllprodukte temperaturabhängig und von Batch zu Batch stark schwanken kann, werden beim Anfahren oder sogar während der Produktion an der Abfüllmaschine zumeist ein oder mehrere Fülltests durchgeführt, um den nötigen Abfülldruck für die aktuell vorherrschenden Viskositätsverhältnisse zu ermitteln und/oder entsprechend zu korrigieren.
  • Auch bei längeren Stopps der Abfüllmaschinen kann sich bei vielen Produkten mit thixotropen Fließeigenschaften, d.h. einer zeitabhängigen Viskosität, oder durch temperaturbedingte Viskositätsschwankungen der ideale Abfülldruck im Vergleich zum letzten, durch die Druckregelung eingestellten Abfülldruck verschieben. Der Neustart der Produktion wird daher in aller Regel nicht optimal verlaufen, und es werden einige Zeit und Abfüllungen vergehen, bis der Druck wieder auf die optimale Fließleistung eingeregelt ist. Dabei wird unter Umständen die Füllgenauigkeit beeinträchtigt, und es kann zu unter- aber auch überfüllten Behältern kommen, die aussortiert werden müssen, wodurch es zu einem Produktverlust kommt.
  • Die Durchführung von Fülltests zur Ermittlung des viskositätsabhängigen optimalen Start-Abfülldrucks nimmt Zeit in Anspruch, die von der reinen Produktionszeit abzuziehen ist. Die Fülltests senken den Wirkungsgrad der Anlage.
  • Es kommt hinzu, dass das Produkt in der Abfüllmaschine während der Zeit, in der die Fülltests durchgeführt werden, eine Temperaturänderung (Abkühlung oder Erwärmung) erfahren kann, so dass die aus den Fülltests ermittelten Werte bei Wiederanfahren der Produktion bereits überholt sein können oder nur kurzzeitig stimmen und somit temperaturbedingt nachkorrigiert werden müssen. Etwaige Korrekturen oder Überprüfungen derselben können wieder zeitaufwendige Fülltests nach sich ziehen.
  • Falls keine Fülltests zur Ermittlung des viskositätsabhängigen optimalen Abfülldrucks durchgeführt werden, etwa zum Zweck der Wirkungsgradsteigerung der Abfüllanlage, können bei einem zu niedrigen Abfülldruck eine Unterfüllung und bei einem zu hohen Abfülldruck eine Überfüllung der Behälter auftreten. Unter- und überfüllte Behälter müssen aussortiert werden, was zu einem Produktverlust führt. Außerdem kann es bei einer Überfüllung vorkommen, dass Füllprodukt aus den Behältern austritt. Dies kann zu einer Verschmutzung der Behälter sowie der Abfüllmaschine und etwaigen weitern Komponenten der Abfülllinie führen. In diesem Fall muss die Anlage zwischengereinigt werden, was wiederum zu einem Zeitverlust, damit zur Verschlechterung des Wirkungsgrades und ferner zum Einsatz kostenintensiver Reinigungsmedien führt.
  • Da die Viskosität temperaturabhängig ist und von Batch zu Batch schwanken kann, führen ein starrer, unflexibler Abfülldruck und eine schwankende Viskosität zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Abfüllgenauigkeit.
  • Eine Änderung der Viskosität als Fehlerquelle oder Störung des Abfüllprozesses wurde in der DE 10 2013 100 702 A1 erkannt. Darin wird vorgeschlagen, die Viskosität des Mediums anhand der Füllkennlinie und des Druckverlaufs zu überwachen und zu überprüfen, ob die Viskosität innerhalb eines vorgegebenen Erwartungsbereiches liegt. Eine Berücksichtigung der Viskosität ist auch aus anderen Abfüllprozessen bekannt, so etwa aus der WO 97/00224 A1 .
    • Darstellung der Erfindung
  • Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel, bereitzustellen, insbesondere die Leistungsfähigkeit zu verbessern und/oder den Produktverlust zu reduzieren.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, hierin auch als "Füllvorrichtung" bezeichnet, dient zum Befüllen von Behältern mit einem Füllprodukt. Die Füllvorrichtung ist insbesondere zum Abfüllen von Füllprodukten vergleichsweise hoher und/oder veränderlicher Viskosität geeignet. Die Füllvorrichtung kommt besonders bevorzugt in der Lebensmittelindustrie zur Anwendung, etwa zur Abfüllung von Saucen, beispielsweise Ketchup oder Mayonnaise, viskosen Getränke, wie etwa Fruchtsäften oder Smoothies, Sirup und dergleichen. Allerdings können auch viskose Produkte aus anderen industriellen Bereichen, wie etwa Farben, Lacke und dergleichen, mit der hierin dargelegten Füllvorrichtung abgefüllt werden.
  • Wenn Bezeichnungen wie "Behälter", "Füllorgan" und andere hierin im Singular verwendet werden, geschieht dies in erster Linie der sprachlichen Einfachheit halber. Der Plural ist mitumfasst, sofern dieser nicht ausdrücklich oder technisch ausgeschlossen ist.
  • Die Füllvorrichtung gemäß der Erfindung weist einen Produktpfad zum Transportieren und Einleiten des Füllprodukts in den Behälter auf. Als Produktpfad sei hierin der vom Füllprodukt durchströmte Pfad vom letzten Behandlungsschritt einer Produktzubereitung oder Produktaufbereitung bis zum Einleiten des Füllprodukts in den Behälter bezeichnet. Die Vorrichtung weist eine Viskositätsermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad auf. Die Viskositätsermittlungseinrichtung kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein, wie dies weiter unten in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen dargelegt ist. Die Vorrichtung weist ferner eine Fülldruckeinstelleinrichtung zum Einstellen eines Abfülldrucks, unter dem das Füllprodukt in den Behälter eingeleitet wird, auf. Die Fließleistung des Füllprodukts ist abhängig von dessen Viskosität. Um eine optimale Fließleistung einzustellen und während der Produktion beizubehalten, steht daher eine Fülldruckeinstelleinrichtung zur Verfügung, die den Abfülldruck ändern kann. Die Füllvorrichtung weist ferner eine Steuereinrichtung auf, die mit der Viskositätsermittlungseinrichtung und der Fülldruckeinstelleinrichtung kommunikativ gekoppelt ist. Die Kopplung kann drahtlos oder drahtgebunden sein und dient der Übermittlung von Daten, etwa Messdaten oder davon abgeleiteten Daten, Steuerbefehlen und dergleichen in einer oder in beide Richtungen.
  • Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Viskosität und dem Abfülldruck ist, einen Soll-Abfülldruck zu bestimmen und die Fülldruckeinstelleinrichtung zur Angleichung des (tatsächlichen) Abfülldrucks an den Soll-Abfülldruck zu steuern. In anderen Worten, die Steuereinrichtung bestimmt einen geeigneten oder optimalen Abfülldruck aus der aktuell ermittelten Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad, unter Anwendung einer vorgegebenen Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, und regelt diesen Abfülldruck ein.
  • Dies ermöglicht in mehrerer Hinsicht eine Steigerung des Wirkungsgrads der Füllvorrichtung. Zum einen können Fülltests bei Produktionsbeginn oder beim Wiederanfahren der Anlage nach einer Produktionsunterbrechung entfallen, da die Steuereinrichtung aus der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung sofort, noch bevor der erste Behälter befüllt wird einen geeigneten Abfülldruck bestimmt und einstellt. Zum anderen kann auf Fülltests nach starken bzw. abrupten Viskositätsänderungen des Füllprodukts, beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder durch unterschiedliche Batch-Eigenschaften, verzichtet werden. Weiterhin können Fülltests bei Inbetriebnahme neuer, bisher unbekannter Füllprodukte aufgrund gesammelter Daten (Viskositäten, Dichten, usw.) entfallen, etwa durch einen Abgleich mit den aktuellen Füllproduktdaten und daraus in der Praxis resultierenden optimalen Abfülldrücken.
  • Ein so optimierter Abfülldruck trägt ferner zu einer Reduktion oder Vermeidung überfüllter und somit eventuell die Anlage verschmutzender Behälter bei, wodurch Maschinenstopps, Reinigungszeiten und Wiederanfahr-Situationen minimiert werden.
  • Auch Produktverluste lassen sich durch die hierin dargelegte Optimierung des Abfülldrucks minimieren. Die bei Fülltests benötigten Materialien - Füllprodukt, Behälter und dergleichen - müssen in der Regel aus hygienischen und qualitativen Gründen verworfen werden. Durch den Wegfall von Fülltests kann der Materialverlust somit minimiert werden. Ferner lassen sich die wegen Über- oder Unterfüllung aussortierten Behälter minimieren. Im Idealfall sind die abgefüllten Behälter ab der ersten Füllerrunde verkaufsfähig, wodurch die Leistungsfähigkeit des Füllers weiter verbessert wird.
  • Ein weiterer technischer Beitrag der Erfindung liegt in einer Verbesserung der Abfüllgenauigkeit durch stets optimale, über die viskositätsabhängige Abfülldruckregelung eingestellte Fließleistungen. Auf selbst geringfügige Viskositätsschwankungen bei gleichzeitiger Beeinträchtigung der Abfüllgenauigkeit kann schnell, nahezu unmittelbar reagiert werden. Durch im Wesentlichen konstante Abfüllbedingungen ergibt sich eine Verringerung verschmutzter Behälter.
  • Vorzugsweise weist der Produktpfad einen Produktzulauf, einen damit in Fluidverbindung stehenden Produkttank und ein oder mehrere mit diesem in Fluidverbindung stehende Füllorgane auf, wobei der Produktzulauf eingerichtet ist, um das Füllprodukt in den Produkttank zu leiten, und die Füllorgane eingerichtet sind, um das im Produkttank befindliche Füllprodukt entsprechend in Behälter einzuleiten. Der Produkttank dient etwa als Zwischenpufferung für das Füllprodukt, um einen kontinuierlichen und zuverlässigen Füllbetrieb zu gewährleisten. Der Produkttank stellt das abzufüllende Füllprodukt den Füllorganen über entsprechende Produktleitungen bereit. Die Füllorgane sind vorzugsweise jeweils mit einem Füllventil ausgestattet, durch welche die zu befüllenden Behälter mit dem Füllprodukt befüllt werden. Das Füllprodukt wird hierbei vorzugsweise im Freistrahl in die entsprechenden Behälter eingeleitet.
  • Die Füllvorrichtung ist vorzugsweise in Rundläuferbauweise aufgebaut, wobei in diesem Fall die Füllorgane an einem Karussell installiert sind und der Produkttank als stationärer oder mitrotierender Zentralkessel ausgebildet sein kann.
  • Vorzugsweise weist der Produkttank einen mit Gas, vorzugsweise Sterilluft oder einem Inertgas, gefüllten Kopfraum oberhalb des Füllprodukts auf. In diesem Fall kann durch Verändern des Gasdrucks im Kopfraum des Produkttanks der Abfülldruck modifiziert werden. Zu diesem Zweck weist die Füllvorrichtung vorzugsweise einen mit der Steuereinrichtung kommunikativ gekoppelten Druckregler auf, der zur Regulierung des Gasdrucks im Kopfraum des Produkttanks eingerichtet ist. Ferner kann ein Druckaufnehmer vorgesehen sein, der kommunikativ mit der Steuereinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um den Gasdruck im Kopfraum des Produkttanks zu messen und der Steuereinrichtung zu übermitteln, wodurch die Regelung des Abfülldrucks auf den Soll-Abfülldruck effizient durchfahrbar ist.
  • Der vorstehend dargelegte Produkttank ist Teil des Produktpfads und bildet gemeinsam mit dem Druckregler eine bevorzugte, maschinenbaulich einfache und zuverlässige Realisierung der Fülldruckeinstelleinrichtung, indem der Abfülldruck über den Gasdruck im Kopfraum reguliert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Abfülldruck gegebenenfalls technisch auch auf andere Weise eingestellt und reguliert werden kann, beispielsweise über eine Pumpe, Vakuumeinrichtung oder dergleichen.
  • Vorzugsweise weist die Füllvorrichtung einen Füllstandsaufnehmer zur Ermittlung, etwa Detektion, des aktuellen Füllstands des Füllprodukts im Produkttank und/oder einen Temperaturaufnehmer zur Ermittlung, etwa Detektion, der Füllprodukttemperatur im Produkttank auf. Diese Daten können der Steuereinrichtung zur Weiterverarbeitung und Optimierung des Abfüllprozesses übermittelt werden.
  • Vorzugsweise weist die Viskositätsermittlungseinrichtung eine Durchflussmesseinrichtung und/oder ein Inline-Viskosimeter zur Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts im Produktzulauf und/oder ein Prozess-Viskosimeter zur Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts im Produkttank auf. Auf diese Weise kann die Viskosität des Füllprodukts auf maschinenbaulich einfache und zuverlässige Art und Weise ermittelt werden. Die Durchflussmesseinrichtung kann beispielsweise ein Coriolis-Durchflussmessgerät sein oder umfassen. Die Durchflussmesseinrichtung kann auch ein kombiniertes Messgerät sein, das neben dem Massendurchfluss im Produktzulauf zum Produkttank weitere Größen ermittelt oder detektiert, wie etwa die Temperatur, die spezifische Dichte und/oder Viskosität des Füllprodukts. Sofern entsprechend ausgestattet, kann die Durchflussmesseinrichtung direkte Daten über die Viskosität an die Steuereinrichtung senden. Alternativ können Daten äquivalenter physikalischer Größen oder Größen, aus denen die Viskosität ableitbar oder berechenbar ist, an die Steuereinrichtung übermittelt werden. So kann beispielsweise der Volumenstrom oder Massenstrom von der Durchflussmesseinrichtung detektiert und an die Steuereinrichtung gesendet werden, wobei die Steuereinrichtung daraus die Viskosität ableitet, beispielsweise unter Verwendung des Gesetzes von Hagen-Poiseuille.
  • Eine alternative Methode zur Ermittlung der Viskosität, die ohne eine Messung des Massen- oder Volumenstroms auskommt, nutzt den im Produktpfad auftretenden Druckabfall. Zu diesem Zweck weist die Viskositätsermittlungseinrichtung vorzugsweise zumindest zwei Druckaufnehmer auf, die eingerichtet sind, um an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen im Produktpfad den während einer Durchströmung mit Füllprodukt auftretenden Druck zu detektieren, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckaufnehmern als Maß für die Viskosität des Füllprodukts heranzuziehen oder ein solches aus der Druckdifferenz zu berechnen.
  • Bei dieser Methode kann i) anstelle einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung eine Druckdifferenz-Abfülldruck-Beziehung in der Steuereinrichtung hinterlegt sein, so dass auf eine explizite Ermittlung, d.h. Berechnung oder Detektion, der Viskosität verzichtet werden kann. Alternativ kann ii) eine Druckdifferenz-Viskositäts-Beziehung hinterlegt sein, mit der in einem Zwischenschritt zunächst eine zur Druckdifferenz zugehörige Viskosität ermittelt wird, die dann in einem zweiten Schritt zur Bestimmung des Abfülldrucks herangezogen wird. Beide Herangehensweisen und zugehörigen technischen Einrichtungen fallen hierin unter die Bezeichnungen "Viskositätsermittlung", "Viskositätsermittlungseinrichtung" und dergleichen. Zwar wird im ersteren Fall i) auf eine explizite Ermittlung der Viskosität in einer physikalischen Einheit der Viskosität verzichtet; da die Druckdifferenz zwischen den Druckaufnehmern jedoch proportional zur Viskosität ist, kann die Druckdifferenz als physikalisches Maß für die Viskosität angesehen und verwendet werden. Aus diesem Grund fällt die genannte Druckdifferenz-Abfülldruck-Beziehung hierin auch unter die Bezeichnung "Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung".
  • Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um den Soll-Abfülldruck zu Beginn einer Produktion und/oder nach einer Unterbrechung der Produktion und/oder im Fall einer einen Schwellwert übersteigenden Viskositätsänderung aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung zu ermitteln. Solche besonderen Phasen des Abfüllprozesses - Beginn einer Produktion, Unterbrechung der Produktion, starke bzw. abrupte Viskositätsänderungen usw. - seien sprachlich von einem regulären Betrieb, in dem die Füllvorrichtung ohne oder nur mit geringen Schwankungen der Viskosität produziert, unterschieden.
  • Die hierin dargelegte Regelung des Abfülldrucks aus der Viskosität ist insbesondere für die genannten irregulären Phasen, in denen beispielsweise ein alternatives Regelverfahren die Fließleistung nicht oder nur schwer in einem vorgegebenen Fenster halten kann, geeignet.
  • Im regulären Betrieb der Füllvorrichtung kann die Regelung ebenfalls über die Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung erfolgen; es kann aber auch eine alternative Regelung durchgeführt werden, beispielsweise durch Abgleich einer gemessenen oder anderweitig ermittelten aktuellen Fließleistung mit einer Soll-Fließleistung. Da ein unflexibles Beibehalten eines voreingestellten Abfülldrucks dazu führen kann, dass bei Viskositätsänderungen die Fließleistung ungewollt schwankt, kann der Abfülldruck während der laufenden Produktion angepasst werden, so dass die tatsächliche Fließleistung in einem zulässigen Bereich der Soll-Fließleistung gehalten wird.
  • Vorzugsweise wird die Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung empirisch oder experimentell ermittelt. Sie ist beispielsweise eine produktspezifische, empirisch ermittelte Funktion, die einen optimalen oder zumindest geeigneten Abfülldruck in Abhängigkeit der Viskosität angibt. So kann in der Steuereinrichtung eine Produktdatenbank mit empirisch ermittelten Viskositäts-Abfülldruck-Beziehungen hinterlegt sein, oder die Steuereinrichtung kann auf eine solche zugreifen. Der funktionale Zusammenhang zwischen Viskosität und Abfülldruck kann auf beliebige Weise hinterlegt bzw. darstellbar sein. Eine tabellarische Repräsentation ist beispielsweise ebenso möglich, wie ein analytischer Ausdruck, sofern bekannt. Neben einer experimentellen bzw. empirischen Ermittlung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung kann diese beispielsweise auch aus Modellrechnungen oder Simulationen gewonnen werden, sofern die so ermittelten Daten für die Praxis tauglich sind.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel, gelöst. Das Verfahren umfasst: Transportieren des Füllprodukts entlang eines Produktpfads und Einleiten des Füllprodukts in den Behälter; Ermitteln einer Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad mittels einer Viskositätsermittlungseinrichtung; Bestimmen eines Soll-Fülldrucks aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Viskosität und dem Abfülldruck ist; und Regeln bzw. Einstellen des Abfülldrucks, unter dem das Füllprodukt in den Behälter eingeleitet wird, durch Steuern einer Fülldruckeinstelleinrichtung, so dass sich der Abfülldruck an den Soll-Abfülldruck angleicht.
  • Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Vorrichtung beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren.
  • So weist der Produktpfad vorzugsweise einen Produktzulauf, einen damit in Fluidverbindung stehenden Produkttank und ein oder mehrere mit diesem in Fluidverbindung stehende Füllorgane auf, wobei das Füllprodukt über den Produktzulauf in den Produkttank, vom Produkttank an die Füllorgane transportiert bzw. geleitet wird und die Füllorgane das Füllprodukt entsprechend in Behälter einleiten. Der Produkttank weist aus den oben genannten Gründen vorzugsweise einen mit Gas, vorzugsweise Sterilluft oder einem Inertgas, gefüllten Kopfraum oberhalb des Füllprodukts auf, wobei der Gasdruck im Kopfraum in diesem Fall über einen Druckregler reguliert wird, wodurch der Abfülldruck eingestellt wird, vorzugsweise unter Berücksichtigung von Messwerten eines Druckaufnehmers, der den Gasdruck im Kopfraum des Produkttanks misst.
  • Vorzugsweise weist die Viskositätsermittlungseinrichtung aus den oben genannten Gründen eine Durchflussmesseinrichtung und/oder ein Inline-Viskosimeter auf, welche die Viskosität des Füllprodukts im Produktzulauf ermitteln, d.h. direkt messen oder aus anderen physikalischen Größen ableiten. Alternativ oder zusätzlich weist die Viskositätsermittlungseinrichtung ein Prozess-Viskosimeter auf, das die Viskosität des Füllprodukts im Produkttank ermittelt.
  • Vorzugsweise weist die Viskositätsermittlungseinrichtung aus den oben genannten Gründen zumindest zwei Druckaufnehmer auf, die an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen im Produktpfad den während einer Durchströmung mit Füllprodukt auftretenden Druck detektieren, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckaufnehmern als Maß für die Viskosität des Füllprodukts herangezogen oder ein solches aus der Druckdifferenz berechnet wird.
  • Vorzugsweise wird aus den oben genannten Gründen der Soll-Abfülldruck zu Beginn einer Produktion und/oder nach einer Unterbrechung der Produktion und/oder im Fall einer einen Schwellwert übersteigenden Viskositätsänderung aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung ermittelt.
  • Vorzugsweise wird aus den oben genannten Gründen in einem regulären Füllbetrieb der Abfülldruck durch eine alternative Regelung ohne Berücksichtigung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung geregelt, vorzugsweise durch Vergleich der tatsächlichen Fließleistung mit einer Soll-Fließleistung.
  • Vorzugsweise wird aus den oben genannten Gründen die Viskosität des Füllprodukts im regulären Füllbetrieb durch die Viskositätsermittlungseinrichtung ermittelt - dies kann kontinuierlich oder in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Zeitabständen erfolgen -, wobei korrigierend in die genannte alternative Regelung eingegriffen wird, beispielsweise bei starken oder abrupten Viskositätsänderungen.
  • Vorzugsweise wird aus den oben genannten Gründen die Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung empirisch oder experimentell ermittelt. So kann etwa eine produktspezifische Funktion ermittelt und/oder eine Datenbank erstellt werden, die einen geeigneten oder optimalen Abfülldruck in Abhängigkeit der Viskosität angeben.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Füllvorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt;
    Figur 2
    eine schematische Füllvorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    Figur 3
    eine schematische Füllvorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    Figur 4
    eine schematische Füllvorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    Figur 5a
    ein Diagramm, das die Viskosität als Funktion des Abfülldrucks zeigt; und
    Figur 5b
    eine Sequenz von Diagrammen zur Bestimmung des Abfülldrucks.
    Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
  • Eine Vorrichtung 10 zum Befüllen von Behältern, hierin auch als "Füllvorrichtung" bezeichnet, gemäß einer Ausführungsform ist schematisch in der Figur 1 gezeigt. Die Füllvorrichtung 10 ist insbesondere zum Abfüllen von Füllprodukten veränderlicher Viskosität geeignet. Die zu befüllenden Behälter sind in den Figuren nicht gezeigt.
  • Die Füllvorrichtung 10 weist einen Produkttank 1 und mehrere damit in Fluidverbindung stehende Füllorgane 2 auf. Die Füllvorrichtung 10 ist vorzugsweise in Rundläuferbauweise aufgebaut, wobei in diesem Fall die Füllorgane 2 an einem Karussell installiert sind und der Produkttank 1 als stationärer oder mitrotierender Zentralkessel ausgebildet sein kann.
  • Der Produkttank 1 stellt das abzufüllende Füllprodukt den Füllorganen 2 über entsprechende Produktleitungen bereit. Die Füllorgane 2 sind jeweils mit einem Füllventil ausgestattet, durch welche die zu befüllenden Behälter mit dem Füllprodukt befüllt werden, vorzugsweise in einem Freistrahlprozess. Die zu befüllenden Behälter werden zu diesem Zweck in Behälteraufnahmen, in den Figuren nicht gezeigt, aufgenommen und mit den Behältermündungen entsprechend unterhalb der Füllventile der Füllorgane 2 platziert, so dass das Produkt im Freistrahl in die Behälter eingeleitet werden kann. Alternativ können die Behältermündungen gegen entsprechende Auslauföffnungen der Füllorgane 2 gedrückt werden, so dass ein flüssigkeits- und/oder gasdichter Kontakt dazwischen hergestellt wird.
  • Über einen Produktzulauf 7 wird der Produkttank 1 mit dem in die zu befüllenden Behälter einzufüllenden Füllprodukt versorgt. Der Produktzulauf bezeichnet hierin einen vom Füllprodukt durchströmten Pfad zum Produkttank 1, umfassend alle vom fertigen, abfüllbaren Füllprodukt berührten Bereiche, d.h. vom letzten Behandlungsschritt der Produktaufbereitung, bis zum Einlauf in den Produkttank 1. Der vom Füllprodukt durchströmte Pfad vom letzten Behandlungsschritt der Produktaufbereitung bis zum Auslauf des entsprechenden Füllorgans 2 ist hierin auch als "Produktpfad" bezeichnet.
  • Bei dem Füllprodukt handelt es sich vorzugsweise um ein viskoses Fluid aus dem Lebensmittelbereich, wie etwa Saucen, dickflüssige Getränke, Sirup und dergleichen. Insbesondere Würzsoßen, beispielsweise Ketchup oder Mayonnaise, kommen in Betracht. Allerdings können auch viskose Produkte aus anderen industriellen Bereichen, wie etwa Farben, Lacke und dergleichen, mit der hierin dargelegten Füllvorrichtung 10 abgefüllt werden.
  • Der Produkttank 1 weist einen Kopfraum 1a oberhalb des Füllprodukts auf, in dem sich eine Gasatmosphäre befindet, deren Druck und/oder Zusammensetzung sich im Verlauf des regulären Betriebs der Füllvorrichtung 10, d.h. während des Abfüllprozesses, ändern kann. Vorzugsweise befindet sich im Kopfraum 1a Sterilluft oder ein Inertgas.
  • Zur Regulierung der Gasatmosphäre im Kopfraum 1a des Produkttanks 1 sind eine Gaszuleitung, eine Gasableitung und ein damit gekoppelter Druckregler 9 vorgesehen, der eingerichtet ist, um den Gasdruck im Kopfraum 1a zu regulieren. Über einen Druckaufnehmer 3 kann der Gasdruck im Kopfraum 1a des Produkttanks 1, somit gleichermaßen der Abfülldruck, d.h. jener Druck, unter dem das Füllprodukt den Füllorganen 2 zugeleitet und abgefüllt wird, gemessen werden.
  • Vorzugsweise weist die Füllvorrichtung 10 ferner einen Füllstandsaufnehmer 4 zur Ermittlung, etwa Detektion, des aktuellen Füllstands des Füllprodukts im Produkttank 1 und/oder einen
  • Temperaturaufnehmer 5 zur Ermittlung, etwa Detektion, der Füllprodukttemperatur im Produkttank 1 auf.
  • Der vorstehend dargelegte Produkttank 1 ist Teil des Produktpfads und realisiert eine Fülldruckeinstelleinrichtung, indem der Abfülldruck über den Gasdruck im Kopfraum 1a reguliert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Abfülldruck gegebenenfalls technisch auch auf andere Weise eingestellt bzw. reguliert werden kann, beispielsweise über eine Pumpe, Vakuumeinrichtung oder dergleichen. Der Produkttank 1 gemeinsam mit dem Druckregler 9 ist somit zwar eine bevorzugte technische Realisierung der Fülldruckeinstelleinrichtung, jedoch nicht unbedingt die einzig mögliche.
  • Die Füllvorrichtung 10 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine Durchflussmesseinrichtung 8a am Produktzulauf 7 auf, die eingerichtet ist, um den Massendurchfluss oder Volumenstrom im Produktzulauf 7 detektiert. Die Durchflussmesseinrichtung 8a kann beispielsweise ein Coriolis-Durchflussmessgerät sein oder umfassen. Die Durchflussmesseinrichtung 8a kann ein kombiniertes Messgerät sein, das neben dem Massendurchfluss oder Volumenstrom im Produktzulauf 7 weitere Größen ermittelt oder detektiert, wie etwa die Temperatur, die spezifische Dichte und/oder direkt die Viskosität des Füllprodukts.
  • Die verschiedenen Aufnehmer, Sensoren, Aktuatoren, elektronischen Einrichtungen und dergleichen kommunizieren mit einer Steuereinrichtung 6. Dies kann drahtlos oder drahtgebunden erfolgen.
  • So ist die Durchflussmesseinrichtung 8a eingerichtet, um die Messdaten an die Steuereinrichtung 6 zu übermitteln. Sofern entsprechend ausgestattet, kann die Durchflussmesseinrichtung 8a direkte Daten über die Viskosität an die Steuereinrichtung 6 senden. Alternativ können Daten äquivalenter physikalischer Größen oder Größen, aus denen die Viskosität abgeleitet oder berechnet werden kann, an die Steuereinrichtung 6 übermittelt werden. So ist es möglich, dass der Volumenstrom oder der Massendurchfluss von der Durchflussmesseinrichtung 8a detektiert wird und entsprechende Daten an die Steuereinrichtung 6 gesendet werden, wobei die Steuereinrichtung 6 daraus die Viskosität ableitet, beispielsweise unter Verwendung des Gesetzes von Hagen-Poiseuille.
  • Die Durchflussmesseinrichtung 8a, sofern sie zur Detektion oder anderweitigen Ermittlung der Viskosität eingerichtet ist, oder andernfalls die Kombination aus der Durchflussmesseinrichtung 8a und der Steuereinrichtung 6 werden hierin als "Viskositätsermittlungseinrichtung" 8 bezeichnet. Dies gilt auf analoge Weise für die weiter unten dargelegten Ausführungsvarianten.
  • Die so erfasste Viskosität wird von der Steuereinrichtung 6 als Grundlage zur Ermittlung des Abfülldrucks herangezogen. Dies erfolgt anhand einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, vorzugsweise einer empirisch ermittelten Produktdatenbank und daraus hergeleiteten produktspezifischen Funktion(en) des notwendigen, geeigneten oder optimalen Abfülldrucks in Abhängigkeit von der Viskosität.
  • Eine solche funktionale Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung ist in der Figur 5a gezeigt. Auf der x-Achse ist hierbei der Abfülldruck aufgetragen, und auf der y-Achse ist die Viskosität aufgetragen. Ausgehend von einer ermittelten Viskosität im Produktzulauf 7 kann daraus der gewünschte Abfülldruck abgelesen werden, wie es durch gestrichelte Pfeile in der Figur 5a dargestellt ist, um schließlich die erforderliche Soll-Fließleistung zu erzielen.
  • Selbstverständlich kann der funktionale Zusammenhang zwischen Viskosität und Abfülldruck auch auf andere Weise gewonnen und ausgedrückt werden. Eine tabellarische Repräsentation ist beispielsweise ebenso möglich, wie ein analytischer Ausdruck, sofern bekannt. Die funktionale Abhängigkeit kann empirisch, experimentell oder beispielsweise auch aus einer Modellrechnung oder Simulation ermittelt werden.
  • Der so gewonnene Abfülldruck wird durch den Druckregler 9 im Produkttank 1 eingestellt. Zu diesem Zweck wird der Gasdruck im Kopfraum 1a des Produkttanks 1 gemessen und an die Steuereinrichtung 6 übermittelt. Die Steuereinrichtung 6 kann nun mittels eines geeigneten Steueralgorithmus den Gasdruck im Kopfraum 1a an den zuvor ermittelten Startdruck annähern und einstellen. Eine solche auf der Viskosität-Abfülldruck-Beziehung beruhende Steuerung erfolgt vorzugsweise für den Start-Abfülldruck bei einem Start, Neustart oder nach einer Unterbrechung der Produktion
  • Nach dem Start des Abfüllvorgangs werden somit beispielsweise einmalig, mehrmalig, kontinuierlich oder in bestimmten, gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Zeitabständen die mittels der Durchflussmesseinrichtung 8 ermittelten Viskositäten in der Steuereinrichtung 6 genutzt, um anhand der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung Regelungen oder Korrekturen des Abfülldrucks zu bestimmen und an den Druckregler 9 weiterzugeben, so dass optimale Produktionsbedingungen beibehalten werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Fließleistung des Füllprodukts durch die Füllorgane 2 etwa durch die Steuereinrichtung 6 ermittelt und mit einer in der Steuereinrichtung 6 hinterlegten Soll-Fließleistung verglichen werden. Wenn die Soll-Fließleistung mit der aktuellen Durchschnittsfließleistung übereinstimmt, kann der Abfülldruck beibehalten werden; wenn die Soll-Fließleistung über vorgegebene Grenzen hinaus abweicht, kann der Abfülldruck nachgeregelt werden: Fließleistung zu hoch -> Abfülldruck wird verringert, und umgekehrt.
  • Vorzugsweise wird die Druckregelung anhand einer Viskosität-Abfülldruck-Beziehung mittels der Durchflussmesseinrichtung 8 nur zum Start der Produktion, bei längeren Unterbrechungen und/oder bei stark wechselnden Viskositäten durchgeführt, bis die gewünschte Fließleistung erreicht ist. Anschließend wird in diesem Fall der Abfülldruck durch die vorgegebene Fließleistung weitergeregelt. Allerdings kann die Druckregelung anhand einer Viskosität-Abfülldruck-Beziehung mittels der Durchflussmesseinrichtung 8 auch über den gesamten Betrieb, umfassend reguläre und irreguläre Bedingungen, durchgeführt werden.
  • Die Figur 2 zeigt eine Füllvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das sich von dem der Figur 1 darin unterscheidet, dass statt einer Durchflussmesseinrichtung 8a ein Inline-Viskosimeter 8b im Produktzulauf 7 installiert ist. Das Inline-Viskosimeter 8b detektiert die Viskosität des Füllprodukts im Produktzulauf 7 zum Produkttank 1 und übermittelt die detektierten Viskositätsdaten an die Steuereinrichtung 6, welche eine Steuerung des Abfülldrucks anhand einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung durchführt, wie in Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.
  • Die Figur 3 zeigt eine Füllvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das sich von dem der Figur 1 darin unterscheidet, dass statt einer Durchflussmesseinrichtung 8a ein Prozess-Viskosimeter 8c im Prozesstank 1 installiert ist. Während ein Inline-Viskosimeter 8b im Produktzulauf 7, d.h. in einer Transportleitung, installiert ist, ist das Prozess-Viskosimeter 8c eingerichtet, um die Viskosität des Füllprodukts im Prozesstank 1 zu detektieren. Die Steuerung des Abfülldrucks, insbesondere des Start-Abfülldrucks und/oder etwaiger Korrekturen während des Abfüllprozesses oder nach Unterbrechungen, erfolgt wie in Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.
  • Die Figur 4 zeigt eine Füllvorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem der viskositätsabhängige Druckabfall in durchströmten Systemen zur Ermittlung und Steuerung des Abfülldrucks verwendet wird. Zu diesem Zweck sind im Produktzulauf 7 zwei Druckaufnehmer 8d und 8e installiert, die an zwei unterschiedlichen Stellen im Produktzulauf 7 den während der Durchströmung dort auftretenden Druck messen. Die dabei ermittelte Druckdifferenz zwischen den Druckaufnehmern 8d und 8e ist unter der Annahme einer laminaren Durchströmung des Produktzulaufs 7 direkt proportional zur Produktviskosität. Die Annahme ist in der Regel bei vergleichsweise hochviskosen Produkten und den hier auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten berechtigt.
  • Die Druckdifferenz und die Viskosität stehen nach Darcy-Weisbach in folgender strömungsmechanischer Beziehung:
    Figure imgb0001
  • Hierbei bezeichnen Δp 1/2 den Druckverlust zwischen den beiden Druckaufnehmern 8d und 8e, p die Dichte des Füllprodukts, v die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, λ die Rohrreibungszahl, l die Länge der Rohrleitung, d.h. den Abstand zwischen den beiden Druckaufnehmern 8d und 8e, d den Innendurchmesser der Rohrleitung und
    Figure imgb0002
    Druckverlustbeiwerte.
  • Für die laminare, voll ausgebildete Strömung im kreisrunden Rohr gilt nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille: λ = 64 / Re
    Figure imgb0003
  • Hierbei bezeichnet Re die Reynolds-Zahl: Re = λvd η
    Figure imgb0004
  • Diese ist abhängig von der dynamischen Viskosität η. Daraus folgt: → Δp 1 2 = 32 η d + ρv 2 2 Σς i
    Figure imgb0005
     → Δ p 1 / 2 ∼ η , ρ
    Figure imgb0006
  • Bei konstanter Durchströmungsgeschwindigkeit v des Systems und bei einem konstanten Durchströmungsdurchmesser d und Widerstandsbeiwerten
    Figure imgb0007
    ist die Produktviskosität demnach proportional zum Druckabfall bzw. zur Druckdifferenz Δp 1/2 zwischen den beiden Druckaufnehmern 8d und 8e. Zwar haben Dichteänderungen ebenfalls einen Einfluss auf den Druckverlust, doch können diese in der Regel vernachlässigt werden.
  • So kann mit den in der Figur 5b dargestellten Beziehungen der Abfülldruck über den Druckverlust dargestellt und aufgefunden werden, beispielsweise als Start-Abfülldruck sowie für etwaige Korrekturen, wie in Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 dargelegt.
  • Es kann hierbei i) anstelle einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung eine Druckdifferenz-Abfülldruck-Beziehung in der Steuereinrichtung 6 hinterlegt sein, so dass auf eine explizite Ermittlung, d.h. Berechnung oder Detektion, der Viskosität verzichtet werden kann. Alternativ kann ii) eine Druckdifferenz-Viskositäts-Beziehung hinterlegt sein, mit der in einem Zwischenschritt zunächst eine zur Druckdifferenz zugehörige Viskosität ermittelt wird, die dann in einem zweiten Schritt zur Bestimmung des Abfülldrucks herangezogen wird, wie in Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 erläutert.
  • Beide Herangehensweisen und zugehörigen technischen Einrichtungen fallen hierin unter die Bezeichnungen "Viskositätsermittlung", "Viskositätsermittlungseinrichtung" und dergleichen. Zwar wird im ersteren Fall i) auf eine explizite Ermittlung der Viskosität in einer physikalischen Einheit der Viskosität verzichtet; da die Druckdifferenz zwischen den Druckaufnehmern 8d und 8e jedoch proportional zur Viskosität ist, kann die Druckdifferenz als physikalisches Maß für die Viskosität angesehen und verwendet werden. Aus diesem Grund fällt die in der Figur 5b gezeigte Druckdifferenz-Abfülldruck-Beziehung auch unter die Bezeichnung "Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung".
  • Es sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich Kombinationen der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele möglich sind. Durch Anwendung mehrerer Techniken zur Viskositätsermittlung kann beispielsweise die Genauigkeit der Bestimmung des Abfülldrucks verbessert oder die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert werden.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Verfahren zur Bestimmung des Start-Abfülldrucks bei Produktionsbeginn oder Produktionswiederaufnahme nach längerem Produktionsstopp sowie zur viskositätsabhängigen Regelung des Abfülldrucks während der Produktion dargelegt:
    Ermittlung eines Start-Abfülldrucks bei Produktionsbeginn oder Produktionswiederaufnahme nach einem Produktionsstopp oder einer Produktionsunterbrechung:
    1. 1. Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts während des Anfüllens des Produkttanks 1 der Füllvorrichtung 10, beispielsweise im Produktzulauf 7 oder im Produkttank 1, über dazu geeignete Messgeräte, beispielsweise mittels einer Durchflussmesseinrichtung 8a mit der Möglichkeit der Viskositätsmessung, eines Inline- oder Prozess-Viskosimeters 8b, 8c oder mittels zumindest zweier Druckaufnehmer 8d, 8e zur Ermittlung des Druckabfalls im durchströmten Produktzulauf 7;
    2. 2. Weitergabe der Viskositätsdaten, umfassend einen etwaig detektierten Druckabfall, an die Steuereinrichtung 6;
    3. 3. Ermittlung des viskositätsabhängigen Start-Abfülldrucks aus einer in der Steuereinrichtung 6 hinterlegten Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung;
    4. 4. Einstellen des Start-Abfülldrucks an der Füllvorrichtung 10, d.h. des Gasdrucks im Kopfraum 1a des Produkttanks 1, beim Anlauf oder nach einer Unterbrechung der Produktion mittels des Druckreglers 9 und des Druckaufnehmers 3;
    5. 5. Gegebenenfalls Übernahme der Druckregelung durch ein System, das die aktuelle Fließleistung mit einer Soll-Fließleistung abgleicht und den Gasdruck im Kopfraum 1a entsprechend weiterregelt;
    6. 6. Gegebenenfalls bei festgestellter Viskositätsänderung, Einstellen eines neuen Abfülldrucks im Kopfraum 1a, wenn ein unter Schritt 5 beschriebenes System zur Druckregelung nicht innerhalb einer parametrierbaren Zeit einen neuen Abfülldruck einregeln kann.
  • Viskositätsabhängige Regelung des Abfülldrucks während der regulären Produktion:
    1. 1. Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts, beispielsweise im Produktzulauf 7 oder im Produkttank 1, über dazu geeignete Messgeräte, beispielsweise mittels einer Durchflussmesseinrichtung 8a mit der Möglichkeit der Viskositätsmessung, eines Inline- oder Prozess-Viskosimeters 8b, 8c oder mittels zumindest zweier Druckaufnehmer 8d, 8e zur Ermittlung des Druckabfalls im durchströmten Produktzulauf 7;
    2. 2. Weitergabe der Viskositätsdaten, umfassend einen etwaigen Druckabfall, an die Steuereinrichtung 6;
    3. 3. Ermittlung des viskositätsabhängigen Abfülldrucks, beispielsweise aus einer in der Steuereinrichtung 6 hinterlegten Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung;
    4. 4. Einstellen des Abfülldrucks an der Füllvorrichtung 10, d.h. des Gasdrucks im Kopfraum 1a des Produkttanks 1, mittels des Druckreglers 9 und des Druckaufnehmers 3;
    5. 5. Wiederholung der Schritte 1 bis 4 bis Produktionsende;
  • Je nach Umsetzung der Steuersoftware und/oder Steuerhardware der Steuereinrichtung 6 sind Abweichungen und/oder Ergänzungen der vorstehend dargelegten Prozesse möglich.
  • Die Steuerung des Abfülldrucks durch die im Produktpfad ermittelte Viskosität des Füllprodukts ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads der Füllvorrichtung 1. Dies wird zum einen durch einen Wegfall von Fülltests bei Produktionsbeginn oder beim Wiederanfahren nach einer Produktionsunterbrechung erzielt. Zum anderen kann auf Fülltests nach starken bzw. abrupten Viskositätsänderungen des Füllprodukts, beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder durch unterschiedliche Batch-Eigenschaften, verzichtet werden. Weiterhin können Fülltests bei Inbetriebnahme neuer, bisher unbekannter Füllprodukte aufgrund gesammelter Daten (Viskositäten, Dichten, usw.) entfallen, etwa durch einen Abgleich mit den aktuellen Füllproduktdaten und daraus in der Praxis resultierenden optimalen Abfülldrücken.
  • Ein so optimierter Abfülldruck trägt ferner zu einer Reduktion oder Vermeidung überfüllter und somit eventuell die Anlage verschmutzender Behälter bei, wodurch Maschinenstopps, Reinigungszeiten und Wiederanfahr-Situationen minimiert werden.
  • Produktverluste lassen sich durch die hierin dargelegte Optimierung des Abfülldrucks minimieren. Die bei Fülltests benötigten Materialien - Füllprodukt, Behälter und dergleichen - müssen in der Regel aus hygienischen und qualitativen Gründen verworfen werden. Durch den Wegfall von Fülltests kann der Materialverlust somit minimiert werden. Ferner lassen sich die wegen Über- oder Unterfüllung aussortierten Behälter minimieren. Im Idealfall sind die abgefüllten Behälter ab der ersten Füllerrunde verkaufsfähig, wodurch die Leistungsfähigkeit des Füllers optimiert wird.
  • Ein weiterer technischer Beitrag besteht in einer Verbesserung der Abfüllgenauigkeit durch stets optimale, über die viskositätsabhängige Abfülldruckregelung eingestellte Fließleistungen. Auf selbst geringfügige Viskositätsschwankungen bei gleichzeitiger Beeinträchtigung der Abfüllgenauigkeit kann schnell, nahezu unmittelbar reagiert werden. Durch nahezu konstante Abfüllbedingungen ergibt sich eine Verringerung verschmutzter Behälter.
  • Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
    • Bezuqszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem Füllprodukt
    1
    Produkttank
    1a
    Kopfraum des Produkttanks
    2
    Füllorgan
    3
    Druckaufnehmer
    4
    Füllstandsaufnehmer
    5
    Temperaturaufnehmer
    6
    Steuereinrichtung
    7
    Produktzulauf
    8
    Viskositätsermittlungseinrichtung
    8a
    Durchflussmesseinrichtung
    8b
    Inline-Viskosimeter
    8c
    Prozess-Viskosimeter
    8d
    Druckaufnehmer
    8e
    Druckaufnehmer
    9
    Druckregler

Claims (15)

  1. Vorrichtung (10) zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel, wobei die Vorrichtung (10) aufweist:
    einen Produktpfad (1, 2, 7) zum Transportieren und Einleiten des Füllprodukts in den Behälter;
    eine Viskositätsermittlungseinrichtung (8) zur Ermittlung einer Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad (1, 2, 7);
    eine Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) zum Einstellen eines Abfülldrucks, unter dem das Füllprodukt in den Behälter eingeleitet wird; und
    eine Steuereinrichtung (6), die mit der Viskositätsermittlungseinrichtung (8) und der Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) kommunikativ gekoppelt und eingerichtet ist, um aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Viskosität und dem Abfülldruck ist, einen Soll-Abfülldruck zu bestimmen und die Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9) zur Angleichung des Abfülldrucks an den Soll-Abfülldruck zu steuern.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktpfad (1, 2, 7) einen Produktzulauf (7), einen damit in Fluidverbindung stehenden Produkttank (1) und ein oder mehrere mit diesem in Fluidverbindung stehende Füllorgane (2) aufweist, wobei der Produktzulauf (7) eingerichtet ist, um das Füllprodukt in den Produkttank (1) zu leiten, und die Füllorgane (2) eingerichtet sind, um das im Produkttank (1) befindliche Füllprodukt in Behälter einzuleiten.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Produkttank (1) einen mit Gas, vorzugsweise Sterilluft oder einem Inertgas, gefüllten Kopfraum (1a) oberhalb des Füllprodukts aufweist, wobei ferner ein mit der Steuereinrichtung (6) kommunikativ gekoppelter Druckregler (9) vorgesehen ist, der zur Regulierung des Gasdrucks im Kopfraum (1a) eingerichtet ist, wodurch der Abfülldruck einstellbar ist, wobei vorzugsweise ein Druckaufnehmer (3) vorgesehen ist, der kommunikativ mit der Steuereinrichtung (6) gekoppelt und eingerichtet ist, um den Gasdruck im Kopfraum (1a) des Produkttanks (1) zu messen und der Steuereinrichtung (6) zu übermitteln.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) eine Durchflussmesseinrichtung (8a) und/oder ein Inline-Viskosimeter (8b) zur Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts im Produktzulauf (7) und/oder ein Prozess-Viskosimeter (8c) zur Ermittlung der Viskosität des Füllprodukts im Produkttank (1) aufweist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) zumindest zwei Druckaufnehmer (8d, 8e) aufweist, die eingerichtet sind, um an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen im Produktpfad den während einer Durchströmung mit Füllprodukt auftretenden Druck zu detektieren, wobei die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, um die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckaufnehmern (8d, 8e) als Maß für die Viskosität des Füllprodukts heranzuziehen oder ein solches aus der Druckdifferenz zu berechnen.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, um den Soll-Abfülldruck zu Beginn einer Produktion und/oder nach einer Unterbrechung der Produktion und/oder im Fall einer einen Schwellwert übersteigenden Viskositätsänderung aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung zu ermitteln, und den Abfülldruck andernfalls vorzugsweise durch Abgleich einer aktuellen oder durchschnittlichen Fließleistung mit einer Soll-Fließleistung zu regeln.
  7. Vorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung empirisch oder experimentell ermittelt ist, vorzugsweise eine produktspezifische, empirisch ermittelte Funktion oder Datenbank ist, die einen geeigneten oder optimalen Abfülldruck in Abhängigkeit der Viskosität angibt.
  8. Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise einem Lebensmittel, wobei das Verfahren umfasst:
    Transportieren des Füllprodukts entlang eines Produktpfads (1, 2, 7) und Einleiten des Füllprodukts in den Behälter;
    Ermitteln einer Viskosität des Füllprodukts im Produktpfad (1, 2, 7) mittels einer Viskositätsermittlungseinrichtung (8);
    Bestimmen eines Soll-Fülldrucks aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung einer Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung, die eine funktionale Beziehung zwischen der Viskosität und dem Abfülldruck ist; und
    Einstellen des Abfülldrucks, unter dem das Füllprodukt in den Behälter eingeleitet wird, durch Steuern einer Fülldruckeinstelleinrichtung (1a, 9), so dass sich der Abfülldruck an den Soll-Abfülldruck angleicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktpfad (1, 2, 7) einen Produktzulauf (7), einen damit in Fluidverbindung stehenden Produkttank (1) und ein oder mehrere mit diesem in Fluidverbindung stehende Füllorgane (2) aufweist, das Füllprodukt über den Produktzulauf (7) in den Produkttank (1), vom Produkttank (1) an die Füllorgane (2) transportiert wird und die Füllorgane (2) das Füllprodukt entsprechend in Behälter einleiten, wobei
    der Produkttank (1) einen mit Gas, vorzugsweise Sterilluft oder einem Inertgas, gefüllten Kopfraum (1a) oberhalb des Füllprodukts aufweist, und
    der Gasdruck im Kopfraum (1a) über einen Druckregler (9) reguliert wird, wodurch der Abfülldruck eingestellt wird, vorzugsweise unter Berücksichtigung von Messwerten eines Druckaufnehmers (3), der den Gasdruck im Kopfraum (1a) des Produkttanks (1) misst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) eine Durchflussmesseinrichtung (8a) und/oder ein Inline-Viskosimeter (8b) aufweist, welche die Viskosität des Füllprodukts im Produktzulauf (7) ermitteln, und/oder die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ein Prozess-Viskosimeter (8c) aufweist, das die Viskosität des Füllprodukts im Produkttank (1) ermittelt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) zumindest zwei Druckaufnehmer (8d, 8e) aufweist, die an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen im Produktpfad den während einer Durchströmung mit Füllprodukt auftretenden Druck detektieren, und die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckaufnehmern (8d, 8e) als Maß für die Viskosität des Füllprodukts herangezogen oder ein solches aus der Druckdifferenz berechnet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Abfülldruck zu Beginn einer Produktion und/oder nach einer Unterbrechung der Produktion und/oder im Fall einer einen Schwellwert übersteigenden Viskositätsänderung aus der durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelten Viskosität des Füllprodukts unter Anwendung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung ermittelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem regulären Füllbetrieb der Abfülldruck durch eine alternative Regelung ohne Berücksichtigung der Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung geregelt wird, vorzugsweise durch Vergleich einer aktuellen oder durchschnittlichen Fließleistung mit einer Soll-Fließleistung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Füllprodukts im regulären Füllbetrieb durch die Viskositätsermittlungseinrichtung (8) ermittelt wird und korrigierend in die alternative Regelung eingegriffen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositäts-Abfülldruck-Beziehung empirisch oder experimentell ermittelt wird, vorzugsweise eine produktspezifische Funktion oder Datenbank ermittelt wird, die einen geeigneten oder optimalen Abfülldruck in Abhängigkeit der Viskosität angibt.
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