НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ СПЕКТРА "С" ПРИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БУТЫЛОК
CONTINUOUS PACKAGING PROCESS USING ULTRAVIOLET LIGHT TO STERILIZE BOTTLES

Цель изобретения
Настоящее изобретение относится к способу непрерывной упаковки, в котором используется источник излучения ультрафиолета С (УФС) в асептических условиях для стерилизации всей внутренней поверхности бутылок, которые предназначены для хранения пищевых продуктов, косметических и лекарственных средств.
Помимо стерилизации с помощью УФС-излучения, описанный здесь способ непрерывной упаковки включает этап предварительной подготовки и/или формовки бутылок, а также конечные этапы розлива и закупоривания бутылок в асептических условиях.
Уровень техники изобретения
Хотя асептическая упаковка пищи, косметики, лекарств и т.д. за последние двадцать лет обрела большое значение, ее возникновение датируется началом двадцатого века (1914), когда для прозрачных жидкостей были разработаны фильтры стерилизации. В конце Первой мировой войны технологию асептической упаковки стерилизованного молока с применением ранее неизвестного способа успешно освоили в Дании.
В 1940-х была начата работа, которая привела к разработке промышленной системы для упаковки банок с их стерилизацией перегретым паром. В 1962 году в эксплуатацию была введена первая упаковочная установка Tetra Pak (Тетра Пак), и с тех пор эта система распространилась по всему миру и использовалась в течение почти 40 лет.
Устройства для упаковки бутылок из ПЭТ (полиэтилентерефталата), ПЭ (полиэтилена), ПП (полипропилена), стекла и т.д. играют важную роль на современном рынке ввиду экономических, маркетинговых факторов и потребительских предпочтений, поэтому существует необходимость разработать безопасные и надежные способы асептической упаковки.
За прошедшие годы было исследовано множество способов стерилизации упаковки и тарного материала; некоторые из них применяются на практике в настоящее время. Эти способы подразделяются на химические и физические, и также могут быть комбинированными.
Один из наиболее часто применяющихся химических способов - это использование погружных ванн, аэрозолей, пара перекиси водорода (H2O2) при концентрациях выше 20% и температурах 80-85°С, и/или использование перуксусной кислоты (СН3СОООН) при концентрации 0,01-1%. Предпринимаются дальнейшие попытки заменить эти химические вещества сушкой и нагревом.
Использование химических веществ, таких как H2O2 и СН3СОООН, представляет большой риск как для потребителей, так и для операторов установок. Здоровье потребителей подвергается опасности, если перекись водорода и/или перуксусная кислота не удалены, и после них остается осадок, будь то в большом или малом количестве. Они опасны для работников и людей, обращающихся с оборудованием, поскольку эти вещества являются токсичными и вызывают раздражение при рабочих концентрациях (30-35%). Более того, присутствует потенциальный риск для окружающей среды в части хранения, обращения и наличия осадка, а также в части использования.
Еще один отрицательный аспект химических способов стерилизации, в частности способа с применением перекиси водорода, заключается в том, что со временем они негативно воздействуют на многие материалы и компоненты (такие как соединения, системы электронных цепей и т.д.) как в самой упаковочной технике, так и в находящемся поблизости оборудовании. Другим отрицательным аспектом является то, что данные дезинфицирующие вещества имеют способность к окислению пищи (жиры, витамины), что может повлиять на питательную ценность и органолептические качества (запах, вкус и цвет) упаковываемых пищевых продуктов.
Кроме того, эффективность этих химических дезинфицирующих средств является относительной и ограниченной ввиду того, что время воздействия должно быть очень коротким по причинам полезности; доза или концентрация дезинфицирующих веществ также ограничена, чтобы их можно было полностью и быстро удалить на последующих этапах. Санитарно-гигиенические требования к качеству перекиси водорода, присутствующего в продукте, например, требования FDA (Управление США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) не допускают концентрацию более 0,1 ч./млн. (частей на миллион).
Вдобавок к этому, в химической стерилизации используются особые способы, такие как применение озона для упаковки стерилизованного вина, и применение растворов хлора или йода для стерилизации стационарных и передвижных баков для хранения. Менее радикальные способы используются только в том случае, если упаковываемые пищевые продукты или лекарственные средства имеют степень кислотности ниже 4,5 (pH≤4,5) и, следовательно, не подвержены воздействию спорогенных бактерий.
Что касается физической обработки упаковочных материалов, в особенности пластмассовых бутылок, сухой или влажный нагрев (водяным паром) имеет ограниченное практическое применение, так как он должен осуществляться при температурах ниже 90°С (в зависимости от материала, из которого изготовлена бутылка, т.е. ПЭТ, ПЭ, ПП) в силу присущих им проблем деформации. Таким образом, УФС-излучение в настоящее время только дополняет химическую обработку в некоторых способах асептической упаковки.
Бактерицидное действие УФС-излучения на микроорганизмы в вегетативной и споровой форме известно уже более 100 лет. В предыдущем столетии (1910) было обнаружено, что генетический материал микроорганизмов может поглощать максимум 260 нм УФС-излучения. Производство ламп совершенствовалось с 1940-х годов, и уже в 1955 году были разработаны первые лампы из кварца с длиной волны 254 нм, которые были по-настоящему эффективными. В начале 1980-х в качестве низкозатратной и безопасной альтернативы УФС-излучение стало широко использоваться в очистке воды для пищевых продуктов и напитков, тем самым улучшив их вкусовые качества и запах. К середине 1990-х оборудование УФС-излучения с лампами среднего давления начали устанавливать в системах питьевой воды и применять для дезинфекции воздуха.
Хотя считается, что УФС-излучение обладает бактерицидным действием, оно влияет практически на все типы микроскопических организмов (вирусы, бактерии, водоросли, грибы, дрожжи и простейшие). Дезинфицирующие свойства УФС-излучения связаны с его действием на ДНК клеток, снижая их дыхательную активность, блокируя процессы синтеза, а также препятствуя или замедляя митоз. Более того, действие УФС-излучения на два смежных тиминовых или цитозиновых (пиримидиновых) основания в той же цепочке ДНК или РНК приводит к образованию димерных молекул или димеров, которые предотвращают дупликацию ДНК или РНК микроорганизмов, тем самым сдерживая их размножение. Процессы реактивации и репарации могут осуществляться путем фотореактивации с помощью фотоактивирующего фермента, который обращает димеризацию. Однако это обычно выполняется в экстремальных лабораторных условиях, таких как длительное воздействие высоких температур и излучения с длиной волны 300 нм. Таким образом, это невозможно в процессах розлива, закупоривания и упаковки бутылок, равно как и при хранении любого упакованного пищевого продукта.
Механизм действия УФС-излучения очень интересен в том, что касается предотвращения сопротивляемости микроорганизмов обработке. Он также препятствует сублетальному поражению и образованию пораженных микроорганизмов, что имеет место в других способах бактерицидной обработки, которые дают ложноотрицательные результаты, так как со временем поражение может быть устранено, а микроорганизмы могут расти и размножаться, тем самым приводя к изменениям и загрязнению пищи. Эти особенности описаны в других способах уничтожения микроорганизмов - физических (нагрев, давление и т.д.) и, прежде всего, химических способах (перекись водорода, дезинфицирующие вещества и т.д.).
2
2
2
Бактерицидное действие УФС-излучения зависит от интенсивности и применяемой дозы. Интенсивность (I) или плотность энергии - это количество УФ-энергии на единицу площади, измеряемое в микроваттах на квадратный сантиметр (мкВт/см). Применяемая доза рассчитывается путем умножения интенсивности на время (доза = интенсивность × время воздействия) и выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м), или эквивалентна микроватт-секунде на квадратный сантиметр (мкВт с/см).
Другая особенность способа применения УФС-излучения состоит в том, что бактерицидное действие увеличивается с течением времени (доза).
В настоящее время технология производства УФ-ламп позволяет производить три основных типа ртутных газоразрядных ламп, в основном выполненных в трубчатой форме:
1) Ртутные лампы с горячим катодом НД (низкого давления);
2) Амальгамные ртутные лампы НДВС (низкого давления, высокой светоотдачи);
3) и ртутные лампы СД (среднего давления).
УФ-лампы обычно не теряют своей способности генерировать излучение. Тем не менее, после 8000 часов использования их стекло поляризуется и не пропускает длину волны 254 нм в достаточной мере, таким образом, теряется 25-30% общего УФ-излучения. Это представляет собой недостаток, поскольку необходимо соответствующее профилактическое обслуживание, например замена лампы, частота которого зависит от длительности использования и которое обычно выполняется раз в год.
УФ-лампы, также известные как бактерицидные, по своей конструкции похожи на люминесцентные лампы. УФ-излучение образуется в результате протекания тока (фотогальваническая дуга) через пары ртути низкого давления между электродами лампы, и большая часть такого излучения имеет длину волны 254 нм. Бактерицидная лампа имеет корпус из горного хрусталя. Это основное различие между УФ-лампой и токовыми люминесцентными лампами. Горный хрусталь обеспечивает высокую пропускаемость УФ-излучения. Для сравнения, люминесцентные лампы имеют стеклянное покрытие с внутренней фосфорной пленкой, которое преобразует УФ-излучение в видимый свет. Кварцевая трубка для УФ-излучения пропускает примерно 95% УФ-энергии, в то время как стекло не пропускает более 65% и быстро поляризуется.
Компании, которые разрабатывают этот вид ламп, далеко продвинулись в техническом плане, и теперь создают лампы с высокой электрической входной мощностью и крайне высоким выходом в форме УФС (длина волны 254 нм). Тем не менее, одна из главных проблем или недостатков использования этих ламп заключается в том, что у них есть определенные слепые пятна, такие как концы (электроды). Эти концы не пропускают свет и, таким образом, оставляют затененные участки, которые не получают необходимого облучения.
Для того чтобы устранить это ограничение, были разработаны U-образные лампы, соединения которых находятся на одном конце, тем самым исключая наличие слепого пятна на другом конце. Слепые пятна представляют собой проблему в том, что касается УФ-облучения внутри бутылок.
Другим преимуществом U-образных ламп является то, что их мощность (плотность энергии) можно увеличить без необходимости увеличения их длины, что дает более короткое время воздействия с тем же уровнем уничтожения бактерий.
Основная проблема, присущая этим U-образным лампам, состоит в том, что в силу проблематичности гибки горного хрусталя имеющиеся на данный момент промышленные лампы очень толстые, и это означает, что их невозможно вводить в узкие горлышки бутылок.
2
По этой причине, после значительных усовершенствований способов и технологии производства УФС-ламп (изогнутый кварц) были получены лампы с особыми характеристиками и конструкцией, которые достаточно мощны и обладают необходимой производительностью мкВт/см, причем их конструкция приспособлена к подвижным механизмам (роботизированные руки), длина или траектория достаточна для покрытия всей поверхности стеклянных или пластмассовых (ПЭТ, ПЭ, ПП и т.д.) бутылок в промышленном применении, а слепые пятна или зоны отсутствуют. В частности, это применимо и к успеху ламп с достаточно малым диаметром для ввода в промышленные бутылки, которые удобны для потребителей с эстетической точки зрения и имеют внутренний диаметр 25-30 мм.
До настоящего времени применение УФС-ламп в бутылках с «узким» горлышком в процессе розлива ограничивалось простым облучением их наружной поверхности.
Как правило, пластмассовые и стеклянные бутылки стерилизуются растворами H2O2 при высоких температурах и в течение достаточного длительного времени воздействия, чтобы продезинфицировать всю поверхность. Таким образом, для этой цели обычно применялись растворы 30-35% H2O2 при температурах примерно 80-85°С и в течение времени воздействия как минимум 20 секунд.
2
Известный уровень техники показал, что концентрацию H2O2 можно снизить примерно с 0,25 до 5%, и одновременно применять другие способы обеззараживания. К примеру, результаты, полученные в заявке США №4289728, указывают на то, что может быть достигнуто логарифмическое сокращение спор Bacillus subtilis, большее или равное 4 log КОЕ/см, когда такая суспензия спор в H2O2 при 0,25% подвергается воздействию УФС-облучения на протяжении 30 секунд с последующим нагревом при 85°С в течение 60 секунд. Однако этот способ требует 90 секунд на обработку. Другим примером является заявка GB 1570492, в которой описано, что плоский упаковочный материал (полистирольные ленты) могут стерилизоваться с помощью стерилизующего средства, образуемого H2O2 (>20%) и СН3СОООН (0,01-0,5%) в водном растворе. Кроме того, в данной заявке указано, что сокращение на 6 логарифмических единиц спор В. Subtilis может быть достигнуто, когда раствор H2O2/СН3СОООН наносится на поверхность упаковочного материала с последующей обработкой горячим воздухом (при 65-86°С) в течение дополнительных 2-12 секунд.
Такие высокие уровни кислот H2O2 и температуры наряду с относительно большим временем воздействия необходимы для достижения эффективной стерилизации поверхности, чтобы соблюсти нормы микробиологической чистоты в операциях асептической упаковки. Но поскольку упакованный продукт может иметь итоговые высокие уровни H2O2, в пищевой промышленности постоянно ведется поиск мер борьбы и/или лучших альтернатив для решения этой проблемы.
Описание изобретения
С учетом вышеупомянутых недостатков и ограничений, настоящее изобретение предусматривает способ непрерывной упаковки в асептических условиях, который включает ряд этапов, направленных на упаковку пищевых продуктов, косметических и лекарственных средств в пластмассовые или стеклянные бутылки с их соответствующими колпачками.
Инновационный способ по настоящему изобретению, среди прочего, включает этап, на котором стерилизуются внутренние и наружные поверхности бутылок с узким горлышком и плечиками, причем эти бутылки изготовлены из стекла или пластмассы.
На этапе стерилизации бутылки подвергаются воздействию прямого облучения изнутри с помощью источника УФС-излучения.
Применяются инновационные U-образные лампы последнего поколения, которые имеют высокую выходную мощность. Они вводятся через горлышко бутылки и облучают всю внутреннюю поверхность.
Настоящее изобретение предпочтительно предусматривает способ, в котором не применяются химические методы, а именно не используется H2O2 или СН3СОООН.
В способе по настоящему изобретению используется УФС-излучение для стерилизации внутренней части колпачков и бутылок, которые предназначены для пищевых продуктов, косметических и лекарственных средств. Данный способ включает следующие последовательные этапы:
a) этап предварительной подготовки и/или формовки бутылок;
b) ввод бутылок с колпачками в канал или камеру, где они подвергаются воздействию потока микрофильтрованного сжатого воздуха под давлением не менее 50 кПа (≥0,5 бар) в ламинарном режиме, а несколько УФС-ламп облучают всю внутреннюю поверхность бутылок;
c) снятие колпачков роботизированной или механической рукой;
d) ввод лампы УФС-излучения в каждую бутылку, причем данная лампа имеет небольшую толщину для облучения всей наружной и внутренней поверхности бутылок во избежание наличия слепых пятен;
e) заполнение бутылки пищевым продуктом, косметическим или лекарственным средством с помощью асептического водонепроницаемого клапана;
f) облучение внутренней поверхности колпачков по мере того, как они перемещаются по открытому каналу;
g) закупоривание бутылок облученными колпачками с помощью роботизированной или механической руки.
Один из вариантов способа отличается тем, что этап предварительной подготовки а) включает дутье и отливку заготовок для формования и изготовления бутылок. Этот вариант предусматривает возможность ввода линии формования и изготовления бутылок, которая предшествует линии асептической упаковки пищевых продуктов, косметических и лекарственных средств.
Другой вариант осуществления данного способа заключается в том, что этап предварительной подготовки а) включает термообработку бутылок с колпачками сжатым паром в автоклаве.
Способ по настоящему изобретению предусматривает следующие преимущества в данной области техники:
2
2
3
- неиспользование дезинфицирующих химических веществ, таких как НО и СНСОООН, тем самым устраняя риск присутствия химических остатков в емкости или упаковке;
- облучение источником УФ-излучения типа С, которое применяется в способе по настоящему изобретению, воздействует на всю внутреннюю поверхность и основание бутылки, тем самым предотвращая возникновение слепых пятен или зон;
- наружный диаметр лампы УФ-излучения типа С способствует ее вводу через узкие отверстия пластмассовых или стеклянных бутылок, которые обычно используются в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности;
- микробиологическое загрязнение предотвращается, и благодаря этому снижается микробиологическая нагрузка на емкость для упаковки пищи, лекарственного средства и т.д. и колпачок;
- присутствие вегетативных форм и спор микроорганизмов сокращается;
- и количество микроорганизмов в сухом и влажном состоянии снижается.
Описание чертежей
На фигуре 1 представлен ввод U-образной УФС-лампы (2) в бутылку для облучения ее внутренней поверхности.
Настоящее изобретение описано ниже с учетом следующих примеров осуществления.
Пример 1
В этом примере способ начинается с предварительной обработки бутылок с колпачками, предназначенных для хранения пищевого продукта. Эти бутылки проходят следующие последовательные этапы:
1.a) бутылки с колпачками подвергаются термообработке сжатым паром в автоклаве;
1.b) бутылки с колпачками вводятся в асептический канал или камеру, где они остаются до конца процесса (закупоривание), после чего подается поток микрофильтрованного сжатого воздуха под давлением не менее 50 кПа (≥0,5 бар) в ламинарном режиме, а вся внутренняя поверхность камеры или канала и вся наружная поверхность бутылок облучается несколькими УФС-лампами;
1.c) снятие колпачков бутылок роботизированной или механической рукой;
2
1.d) ввод УФС-лампы (2) в каждую бутылку (1), причем лампа имеет U-образную форму во избежание наличия слепых пятен и обладает выходной мощностью не менее 3 мкВт/см с диаметром не более 35 мм, приспосабливаясь под роботизированные или механические руки;
1.e) заполнение бутылки пищевым продуктом с помощью асептического водонепроницаемого клапана;
1.f) облучение внутренней поверхности колпачков по мере того, как они перемещаются по открытому каналу;
1.g) закупоривание бутылок облученными колпачками с помощью роботизированной или механической руки.
Пример 2
В этом примере способ по настоящему изобретению начинается с того, что бутылки с колпачками, которые ранее подверглись дутью, отливке, формовке и закупориванию, завершают внешний подпроцесс. Эти бутылки предназначены для хранения лекарственного средства и проходят следующие последовательные этапы:
2. а) бутылки с колпачками вводятся в асептический канал или камеру, после чего подается поток микрофильтрованного сжатого воздуха под давлением не менее 50 кПа (≥0,5 бар) в ламинарном режиме, а вся внутренняя поверхность камеры или канала и вся наружная поверхность бутылок облучается несколькими УФС-лампами;
2.b) снятие колпачков бутылок роботизированной или механической рукой;
2
2.c) ввод УФС-лампы (2) в каждую бутылку (1), причем лампа имеет U-образную форму во избежание наличия слепых пятен, и обладает выходной мощностью (выходным облучением) не менее 3 мкВт/см с диаметром не более 35 мм, приспосабливаясь под роботизированные или механические руки;
2.d) заполнение бутылки лекарственным средством с помощью асептического водонепроницаемого клапана;
2.e) облучение внутренней поверхности колпачков по мере того, как они перемещаются по открытому каналу;
2.f) закупоривание бутылок облученными колпачками с помощью роботизированной или механической руки.
Пример 3
3.a) Третий пример предусматривает этап предварительной формовки бутылок, которые предназначены для хранения косметического средства. На этом этапе заготовки, с поверхности которых путем очистки воздухом под давлением удаляются потенциальные твердые частицы, подвергаются дутью горячим воздухом под давлением и термической отливке для получения бутылок.
Когда бутылки сформированы, они проходят ряд следующих этапов в непрерывном процессе:
3.b) ввод теплых бутылок в асептический канал или камеру, где они остаются до конца процесса (закупоривание), с применением тех же параметров, что и на этапах 1b (пример 1) и 2а (пример 2):
3.c) снятие колпачков бутылок роботизированной или механической рукой;
2
3.d) ввод УФС-лампы (2) в каждую бутылку (1), причем лампа имеет U-образную форму во избежание наличия слепых пятен, и обладает выходной мощностью не менее 3 мкВт/см с диаметром не более 35 мм, приспосабливаясь под роботизированные или механические руки;
3.e) заполнение бутылки косметическим средством с помощью асептического водонепроницаемого клапана;
3.f) облучение внутренней поверхности колпачков по мере того, как они перемещаются по открытому каналу;
3.g) закупоривание бутылок облученными колпачками с помощью роботизированной или механической руки.
Чтобы продемонстрировать эффективность настоящего изобретения и, в частности, этапа, на котором лампа УФС-излучения вводится в бутылки, что является наиболее эффективным этапом из всех, которые включены в способ по настоящему изобретению, была изучена выживаемость или смертность разных микроорганизмов (бактерии и плесневые грибы), а также различные физиологические состояния (вегетативное и спорулирующее) для получения полной репрезентативной пробы их поведения или выживания при воздействии УФ-излучения на внутреннюю поверхность бутылок. Испытуемые штаммы были представлены следующими:
- Штамм Staphylococcus aureus СЕСТ 534
- Штамм Escherichia coli СЕСТ 405
- Штамм Listeria innocua СЕСТ 910
- Штамм Lactobacillus helveticus СЕСТ 414
- Штамм Pseudomonas fluorescens СЕСТ 378
- Штамм Bacillus subtilis СЕСТ 4002 (споры)
- Штамм Aspergillus niger СЕСТ 2574 (споры)
2
Эти штаммы засевались равномерно по всей внутренней поверхности бутылок из ПЭТ (полиэтилентерефталата) и ПП (полипропилена) и колпачков из ПЭВП (полиэтилена высокой плотности), причем в зависимости от микроорганизма достигались концентрации 106-108 КОЕ/см. Внутренние поверхности сушились в стерильных условиях в течение как минимум 6 часов.
2
УФ-лампа полностью вводилась в бутылки на разное время - 3, 6, 12, 30, 60 и 120 секунд. Выходное расстояние и мощность УФС-излучения градуировались для получения следующих значений плотности энергии: 2,5, 5,0, 7,2, 10,5, 19 и 35 мкВт/см соответственно. Все испытания проводились при комнатной температуре.
Эффективность этапа, на котором УФС-излучение подавалось внутрь бутылок, показана в таблицах 1-8, которые включают полученные результаты.
По результатам применения способа по настоящему изобретению были сделаны следующие наблюдения:
Данные, включенные в таблицы (1-8) выше, представляют краткое описание следующих наиболее значимых результатов:
- Смертность увеличивается линейно и пропорционально увеличению времени воздействия, как минимум в пределах первых 3-12 секунд.
2
- При более высокой интенсивности воздействия смертность увеличивается линейно и пропорционально, как минимум в пределах 2,5-10,5 мкВт/см.
2
- Когда излучение подается с интенсивностью 19 мкВт/см в течение 6-12 секунд, достигается смертность (сокращение) вегетативных бактерий в размере 2-7 логарифмических единиц (log), в то время как у микроорганизмов, которые наиболее устойчивы к воздействию УФ-излучения, например споры В. subtilis и A. niger, была достигнута смертность в размере 2-4 log и 0,5-2 log соответственно.
- Испытуемая емкость или упаковочный материал, а именно ПЭТ, ПП и ПЭВП, не представлял каких-либо ограничений в плане получения удовлетворительных результатов.
2
2
- Что касается относительно «чистых» бутылок и колпачков, понятие «относительно чистые» означает бутылки и колпачки с нагрузками менее 120 КОЕ/см, а облучение на протяжении 6-12 секунд (при интенсивности 19 мкВт/см) более чем достаточно для получения асептической упаковки или как минимум асептических условий.