Установка для розлива напитков
BEVERAGE DISPENSING APPARATUS

Изобретение относится к устройствам наполнения и закрытия бутылок, происходящих в стерилизуемой среде.
В первых установках контейнеры наполнялись и укупоривались в не асептических устройствах, а затем формованные контейнеры были перенесены в "чистую комнату", по меньшей мере, разливочную машину и укупорочную машину.
Причем "обычная" асептическая линия розлива предусматривает:
- формование контейнера, начинающегося с заготовки из термопластичного материала или преформы;
- химическая стерилизация формованного контейнера или преформы;
- наполнение и укупорка заполненного контейнера, которое должно выполняться в чистом помещении.
"Чистая комната" - это контролируемая комната для загрязнений, которая содержит все наполняющие устройства, включая обе технологические зоны, в которых контейнеры эффективно заполнены/закрыты, и вспомогательные зоны, в которых действуют средства перемещения машины для наполнения/укупорки.
Поэтому главный недостаток "чистой комнаты" представлен ее значительным объемом, где требуются длительные и дорогие процедуры стерилизации. Также имеется значительная потеря рабочих жидкостей, например, санитационных жидкостей и стерильного воздуха, а также явления износа, например, фильтров, необходимых для очистки воздуха, предназначенных для создания избыточного давления в чистом помещении с тем, чтобы предотвратить попадание загрязняющих веществ из внешней среды. Еще один недостаток использования "чистой комнаты" связан с трудностями при выполнении операций по изменению формата, обслуживанию или настройке узлов машины из-за риска загрязнения, которые подразумевают такие операции. Поэтому доступ к "чистой комнате" оператором также особенно важен.
Эволюция асептической технологии ушла в сторону уменьшения объемов, которые должны быть стерильными.
Поэтому современная концепция линии асептического розлива предусматривает:
- стерилизацию заготовки для контейнера с использованием химических агентов или радиационную стерилизацию;
- "асептическое" формование контейнера, начиная со стерилизованной заготовки; заполнение и укупорка заполненного контейнера, которые должно выполняться в стерильной среде.
Известна активная зона стерилизации для наполнения контейнеров, (см., патент US №9296600 В2 МПК В67С 3/00, 3/22, публикация от 29.03.2016), содержащая первый модуль, который промывает и стерилизует пустые контейнеры и доставляет стерилизованные контейнеры ко второму модулю, который заполняет и закрывает контейнеры в активной зоне стерилизации, используя блок стерилизации электронного луча.
Данная система предусматривает разбивку установки розлива на блоки, т.е. стерилизация контейнера происходит в одном блоке, стерилизация крышки в другом, наполнение и укупорка в третьем. Обеззараживание производится посредством облучения, но не исключает обработку стерилизующей смесью. Это само по себе приводит к сложности конструкции, обслуживания, герметизации установки.
2
2
Известна установка для розлива налитков для асептического жидкого наполнения бутылок (см., патент US №7404276 В2 МПК F16J 15/40, 15/42, публикация от 29.07.2008), содержащая стерильную "чистую комнату" с заданной концентрацией пероксида водорода (HO), которая отделяется от нестерильной комнаты или пространства сифонным уплотнением.
Сущность данного устройства состоит в отделении и уплотнении двух различных комнат. Используется сложный жидкостной барьер и сильфоны, что приводит к сложности изготовления и его дороговизне, а также к сложному обслуживанию.
2
2
Известно устройство для стерильного наполнения жидкостями в бутылках (см., заявка US №20090071104 А1 МПК A61L 2/22, В65В 55/10, В67С 7/00, публикация от 19.03.2009), содержащий стерилизатор для стерилизации бутылки перекисью водорода НО и удаления его из контейнера стерильным воздухом, кроме того, предусмотрены устройства для наполнения и для закрытия бутылок, причем используют температуру выше точки росы, чтобы обеспечить очень быструю стерилизацию из-за термически повышенных скоростей реакции.
Устройство предполагает газонепроницаемость всей системы, в том числе стерилизационного тоннеля. Достигается это за счет сложной герметизации. Кроме того, камеры, где обрабатывается контейнер и происходит его наполнение, также герметично разделяются. Все это вызывает сложность в изготовлении и использовании установки.
Известна асептическая машина для розлива и запечатывания (см., заявка JP №2018047944А МПК A61L 2/18, 2/20, В65В 55/04, 55/10, В67С 7/00, публикация от 29.03.2018), включающая герметично закрытый контейнер, нагревательное устройство для нагрева стерильного воздуха и впрыск через воздуховыпускное сопло, а также генератор стерилизационного газа для ввода через распылительные сопла в герметично закрытый контейнер.
Изобретение относится к классической асептике, с разнесением зон стерилизации и розлива. Требуется поддержание герметичности со всеми вытекающими сложностями в работе и обслуживании.
Известна система асептического наполнения упаковок жидкими продуктами (см., заявка US №20040222224 А1 МПК В67С 7/00, публикация от 11.11.2004), исключающая специализированные машины и требования к стерильным воздушным пространствам существующих систем асептического наполнения, предусматривающая использование мембран над заполняющим отверстием упаковки, которая позволяет улавливать и поддерживать стерильное содержимое даже при транспортировке в нестерильных воздушных пространствах.
Работа системы построена на специальных гибких мембранах, которые вставляются в бутылку и удерживают стерилизующую и стерильную среду внутри контейнера. Несомненным достоинством этой установки является то, что можно использовать обычное, не асептическое оборудование, но появляется дополнительный расходный материал, который приведет к удорожанию единицы продукции, и кроме того доставит неудобство потребителю при открывании напитка и как показывает практика, продукты со вставками спросом не пользуются.
2
2
Известна система для стерилизации бутылок с газообразным стерилизатором (см., патент US №9802726 В2 МПК A61L 2/208, В65 В55/02, 55/10, 55/18, публикация от 31.10.2017), содержащая источник газообразного стерилизатора гидравлически соединенный с инжекторами перемещающимися вместе с бутылками, для дезактивации которых применен испаренный пероксид водорода (НО).
Запатентованная установка является сложным ротационным устройством, т.к. заполнение стерилизующей смесью и выдув осуществляются одновременно вместе с проходом бутылок по каруселям. Это несомненно вызывает дороговизну и сложность изготовления. Во время стерилизации устройство впрыска опускается глубоко внутрь бутылки, что требует точного позиционирования бутылки под впрыскивающим устройством. Стерилизация, выдув смеси расположены в разных камерах, причем закрытые каналы между камерами, а также сплошной корпус требуют качественной герметизации установки. Для приготовления стерильного воздуха используются дорогостоящие фильтры.
Известно устройство для стерилизации (см., патент US №4797255А МПК A61L 2/20, В65В 55/10, публикация от 10.01.1989), включающее создание перекиси водорода, транспортируемая воздухом, нагретым до температуры, которая равна либо превышает температуру поверхности испарения предмета, подлежащего стерилизации.
Данное техническое решение делает упор именно на приготовление смеси пероксида водорода и воздуха, а целью является снижение его потребления. Несмотря на это приводится вариант установки, где также больше упор делается именно на обеззараживание контейнера. Зона впрыска выделена в отдельную камеру, а зона выдува не отгораживается от зоны наполнения продуктом. Кроме того не уделяется внимания тому, как поддерживается стерильная или стерилизующая атмосфера во время розлива. Используется дополнительно ультрафиолет, для обеззараживания контейнеров. Судя по чертежу и несмотря на отсутствие в описании патента информации, можно сделать заключение, что такая установка потребует качественной герметизации с вентиляцией.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для стерилизации и наполнения упаковочных контейнеров (см., патент US №6351924 В1 МПК A61L 2/186, В65В 55/10, В67С 7/00, публикация от 05.03.2002), который подвергают воздействием стерилизующего агента во время транспортировки с контролируемой синхронизацией в технологической линии через различные обрабатывающие станции, который затем удаляют стерильным горячим воздухом без дорогостоящей "чистой комнаты" и технически простым способом.
Однако изобретение имеет ряд существенных технических недостатков:
1. Конвейер, по которому, двигаются бутылки, имеет прерывистый привод, позиционирование бутылки под обеззараживающей станцией, для осуществления данной установки должно быть очень точным.
2. Отсутствие стерилизации крышки, однако, патентовладелец уточняет: снабжая стерильным укупорочным средством (нанесение стерильного закрытия на упаковочный контейнер), в этой установке используется уплотняющая пластина. Это дополнительный расходный материал, кроме того, который не популярен у потребителя.
2
2
3. Отсутствие обработки перекисью водорода (НО) передающих звезд, причем бутылка держится не за горло, а используется особая конструкция со специальными нестандартными захватами, оборудованными пластинами и стержнями для индивидуального размещения и поддержки каждого контейнера, что усложняет конструкцию установки и удорожает процесс розлива, кроме того обеззараживание которых не производится.
4. Процесс оттока "отработанного пероксида", производится путем частичного отсасывания из бутылки. Для этого в каждой станции обеззараживания предусмотрен специальный кольцевой зазор, через который отработанная смесь удаляется из бутылки в специальный отводящий канал. Это существенно усложняет конструкцию каждой станции обеззараживания.
5. В описании сказано, что камера для стерилизации/розлива представляет собой "трубу" с открытыми торцами спереди и сзади. Давление внутри трубы повышенное, следовательно, должна быть реализована вентиляция, от большего давления к меньшему, а сама камера иметь полную, герметичность, для предотвращения выхода стерилизующей смеси наружу. Такое решение требует определенных затрат на создание герметичности.
6. Так как конвейер линейный, а увеличение производительности установки достигается увеличением количества обрабатывающих станций, расположенных в ряд (в техническом решении их восемь, т.е. одновременно могут обрабатываться восемь контейнеров), то это приводит к удорожанию установки.
7. На графическом изображении показано, что бутылка входит горлом вверх, а на обработку, т.е. на держатель заходит горлом вниз. Следовательно, требуется дополнительно переворачивающее устройство, но про него в материалах патента ничего не сказано.
8. Также создателями патента оговорено, что общая система вентиляции осуществляется стандартными, ранее известными способами, блоки которой находятся сверху установки розлива. Также должно быть осуществлен безопасный вход и выход бутылок из камеры обеззараживания/розлива, исключающий выход стерилизующей смеси за пределы установки розлива, т.к. установка не имеет двухконтурности.
9. Кроме того создатели технического решения оговаривают, что для достижения этого метода обеззараживания, а. именно подачи стерилизующей смеси под повышенным давлением и одновременного его удаления через вентиляционный канал (тоже самое с продувкой воздухом), контейнер предпочтительно должен иметь форму бутылки, так как распределение потоков входа/выхода смеси эффективно только в этом случае из-за геометрических особенностей.
Техническим результатом предложенного решения является повышение надежности, упрощение и удешевление процесса розлива за счет создания стерилизатора пероксида водорода разумной структуры, обеспечивающей требуемую высокую биологическую чистоту разливаемого напитка, происходящего в стерилизующей среде.
Другим преимуществом решения является создание установки для розлива напитков, в котором объемы, подлежащие стерилизации и время, необходимое для выполнения операций стерилизации, существенно уменьшаются по отношению к известным решениям.
2
2
Технический результат достигается тем, что установка для розлива напитков, содержащая изолятор, внутреннее пространство которого, состоящее из стерилизующей смеси, включающая горячий воздух и распыленную мелкодисперсную перекись водорода, пероксида - НО, причем установка выполнена на двухконтурных негерметичных корпусах под различными внутренними давлениями пространства, соответственно, внутренний негерметичный изолятор - при давлении выше атмосферного, а внешний негерметичный корпус - под давлением ниже атмосферного, причем вентилятор вытяжки внешнего негерметичного корпуса переносит при дросселировании технологических окон отработанный газообразный пероксид из негерметичного корпуса наружу, кроме того во внешнем негерметичном корпусе введены кольцевые сопла горячего стерильного воздуха для разогрева бутылок и форсунки стерилизующей смеси для обработки извне и изнутри бутылок, и для обеззараживания передающих звезд, а во внутреннем негерметичном изоляторе установлены форсунки стерилизующей смеси для дезактивации пространства, укупорочных крышек, а также кольцевые (щелевые) сопла для продува горячим стерильным воздухом бутылок и укупорочных крышек.
Сущностью решения является то, что установка для розлива напитков реализована на двухконтурных негерметичных корпусах: внешний негерметичный корпус и внутренний негерметичный изолятор, имеющих в своем составе два контура ограждения с двумя внутренними зонами-пространствами, которые находятся под различными внутренними давлениями заполняющей среды.
2
2
Причем пространство внутреннего негерметичного изолятора, созданное посредством положительного давления постоянного присутствия стерилизующей смеси, включающей горячий воздух и распыленную мелкодисперсную перекись водорода,. пероксид - НО, нагнетаемые кольцевыми (щелевыми) сопло и форсунками.
Для удаления стерилизующей смеси из бутылок, а также с поверхности крышек используют направленный интенсивный поток горячего воздуха, стерильность которого достигается за счет его нагрева до температуры 300°С, а затем охлаждением до 70-80°С, выброс которого направляется через кольцевые (щелевые) сопла.
2
2
Кроме того, стерильность достигается за счет поддержания в негерметичном изоляторе концентрацию пероксида НО достаточной для обеспечения стерильности пространства контура негерметичного изолятора,
Циркуляцию отработанной стерилизующей смеси осуществляют через технологические окна входа бутылок и укупорочных крышек, выхода готового продукта, входа-выхода открытого пространства в изоляторе передающих звезд.
Во внешнем негерметичном корпусе низкое давление поддерживается посредством регулирования скорости работы вентиляционной вытяжки по сигналу от датчика давления, установленного внутри корпуса.
При этом операция дросселирования проводится при пуско-наладочных работах, подбирается площадь, при которой поддерживается постоянное требуемое давление внутри контура негерметичного изолятора, создаются условия для необходимого расхода стерилизующей смеси, причем установка сформирована на обычной линии розлива с относительно небольшими и недорогими модификациями оборудования.
Сравнение предлагаемого решения с известными, техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с уже известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Изобретение проиллюстрировано графическими материалами, где на фиг. 1 приведена установка для розлива напитков.
Состав предложенного объекта:
1. Подача бутылок;
2. Впрыск стерилизующей смеси в бутылку;
3. Впрыск стерилизующей смеси в негерметичный изолятор;
4. Впрыск стерилизующей смеси для обработки передающих звезд;
5. Впрыск стерилизующей смеси для обработки укупорочной крышки;
6. Участок продува бутылок горячим стерильным воздухом 70-80°С от остаточного пероксида;
7. Участок продува укупорочных крышек горячим стерильным воздухом 70-80°С от остаточного пероксида;
8. Заполнение бутылки горячим стерильным воздухом;
9. Клапаны розлива стерилизованного продукта (на. чертеже не изображены);
10. Негерметичный внутренний изолятор;
11. Технологические отверстия (окна), выход пероксида;
12. Внешний негерметичный корпус;
13. Участок розлива напитка; •
14. Участок укупорки бутылок;
15. Вход укупорочной крышки;
16. Укупорочные головки (на чертеже не изображены);
17. Выход готовой продукции;
18. Вентиляционная вытяжка;
19. Трубопровод подачи стерилизованного продукта;
20. Передающие звезды.
Работа двухконтурного устройства розлива осуществляется следующим образом.
Двухконтурная установка розлива в отличие от "классического" оборудования не имеет ограничений по защите контуров внутреннего негерметичный изолятора 10 и внешнего негерметичного корпуса 12 от попадания обычного воздуха извне, а принцип работы основан на свободном перемещении воздуха через технологические отверстия (окна) 11 этих контуров за счет созданной разности давлений у них внутри. Контуры внутреннего негерметичный изолятора 10 и внешнего негерметичного корпуса 12 являются не барьерами от проникновения среды извне, а наоборот, преградами от выхода стерилизующего агента 3 наружу в пространство вокруг установки. Важнейшей отличительной особенностью предлагаемого технического решения от классического метода является использование установки розлива двухконтурной системы: контур внешнего негерметичного. корпуса 12 находится под давлением ниже атмосферного, что блокирует выход агрессивного стерилизующего агента 3 в пространство вокруг установки.
2
2
Особенностью конструкции установки является то, что асептический режим розлива напитков происходит в стерильном негерметичном изоляторе 10, при этом стерильность достигается за счет поддержания в негерметичном изоляторе 10 концентрации смеси горячего воздуха и перекиси водорода - пероксида НО 3, достаточной для обеспечения стерильности.
Установка розлива является максимально закрытым пространством с отверстиями для входа пустых бутылок 1 и укупорочных крышек 15 и выхода готовой продукции 17. Внутри установки, розлива имеется стерильный негерметичный изолятор 10, где производится наполнение бутылок предварительно пастеризованным напитком, который подается по трубе подачи стерилизованного продукта 19. Для обеспечения нормальной работы в установке поддерживается разрежение по отношению к. окружающей среде (-50-100 Ра) за счет принудительной вытяжной вентиляций 18. Негерметичный изолятор 10 находится внутри установки розлива и является максимально закрытой зоной с отверстиями для входа бутылки и крышки 11 и выхода готовой продукции 17. В изоляторе 10 поддерживается избыточное по отношению к окружающей среде давление (+100 Ра) за счет поддува стерильного воздуха через форсунки 6, 7 и стерилизующей смесью - форсунки 3, 5, которые позволяют поддерживать в изоляторе 10 концентрацию пероксида, необходимую для поддержания стерильности пространства внутри негерметичного изолятора 10. Внутри установки розлива имеются форсунки для обработки входящих бутылок 1, укупорочных крышек 15, звезды, подающей в негерметичный изолятор 10 бутылки и звезды, выводящей бутылки из негерметичного изолятора 10. Все форсунки подают стерилизующую смесь, разогретую до 70-80° под давлением 3 бар. Стерилизованной смесью бутылки 1 и укупорочные крышки 15 обрабатываются со всех сторон извне и изнутри, за счет этого убиваются все микроорганизмы, находящиеся на их поверхности. Бутылки 1, укупорочные крышки 15, попадающие в негерметичный изолятор 10 и приводные механизмы предварительно обработаны стерилизующей смесью и за счет этого они полностью стерильны. Внутри негерметичного изолятора 10, поступающие бутылки 1 и укупорочные крышки 15 (предварительно обработанные стерилизующей смесью) обдуваются стерильным горячим воздухом (70-80°) под давлением 3 бар через каскады форсунок стерильного воздуха 6, 7, 8. Обдув бутылок стерильным воздухом производится через каскад форсунок 6, от момента попадания бутылки 1 в негерметичный изолятор 10 до момента постановки бутылки 1 под клапан розлива 9. Обдув крышек 15 стерильным воздухом производится каскадом форсунок 7 от момента входа в негерметичный изолятор 10 до захвата укупорочной крышки 15. укупорочной головкой 16. В результате обдува стерильным воздухом 6, 7, 8 подавляющая часть пероксида, находящаяся на внутренних стенках бутылок 1 и укупорочных крышек 15 удаляется потоком этого воздуха, остатки пероксида разлагаются под воздействием высокой температуры. Это позволяет достигнуть минимальной концентрации пероксида в готовом продукте 17 в соответствии с требованиями продуктовой безопасности.
Процесс работы можно, представить последовательностью выполнения операций:
1. Стерилизующая смесь 3, 4, 5 заполняет негерметичный изолятор 10 и создает у него внутри избыточное давление (выше давления воздуха вокруг установки).
2. Из негерметичного изолятора 10 стерилизующая смесь переходит в пространство во внешний контур 12. Контур 10 имеет технологические отверстия 11 через которое давление будет пытаться выровняться с давлением за его пределами, тем самым, создавая поток среды из негерметичного изолятора 10 наружу - в контур внешнего негерметичного корпуса 12. Технологические отверстия 11, методом дросселирования, отрегулированы таким образом, что избыточное давление всегда поддерживается на постоянном требуемом уровне.
3. С помощью вентиляционной вытяжки 18, смонтированной в установке 12, воздушная смесь из пространства внешнего контура 12 вытягивается и подается в систему вентиляции, по которой, в свою очередь, удаляется за пределы помещения. Скорость вентилятора регулируется, тем самым позволяя подобрать нужное количество отводимого потока и создать заданное разряжение внутри внешнего негерметичного корпуса 12 с внешним контуром..
4. За счет того, что во внешнем контуре негерметичного корпуса 12 поддерживается давление ниже давления воздуха, окружающего установку, во внешний контур 12 поступает воздух снаружи, который в свою очередь удаляется вытяжкой 18 из внешнего контура негерметичного корпуса 12.
5. За счет вытяжки 18 из внешнего контура негерметичного корпуса 12 реализована структура потоков стерилизующей смеси из негерметичного изолятора 10 и воздуха, попадающего в аппарат извне, таким образом, который исключает попадание агрессивной стерилизующей смеси в пространство вокруг установки розлива, тем самым предохраняя операторов, работающих с установкой, от вредного воздействия стерилизующей смеси.
2
2
Так как отрицательное давление внутри внешнего контура негерметичного корпуса 12 полностью исключает выход его атмосферы за его пределы, то это. полностью гарантирует защиту от попадания агрессивного составляющего, стерилизующей смеси, а именно, пероксида НО во внешнее пространство негерметичного корпуса 12 и в зону работы оператора.
Причем результаты проведенных тестов по обеззараживанию и наполнению бутылок отражают органолептические показатели качества процесса, обеспечивающего получение конкурентоспособного готового продукта, единица измерения концентрации которого (остаточный уровень пероксида) - ppm (parts per million) - миллионная доля, составляет величину равную 0,3 ppm, что ниже общепринятых мировых стандартов.
Технико-экономическим достоинством предложенного технического решения является повышение надежности, упрощение и удешевление процесса розлива при требуемой высокой биологической чистоте разливаемого напитка, причем при выполнении в непрерывных асептических условиях и существенно экономичны для реализации и снижения эксплуатационных расходов при улучшении экологического бремени.