百冠研發(fā)多功能無菌灌裝生產(chǎn)線

高郁林

2002 年匯源果汁集團(tuán)巨資引進(jìn)PET 瓶無菌冷灌裝生產(chǎn)線算起，國內(nèi)已有20 年無菌冷灌裝技術(shù)的使用、研發(fā)、積累、突破經(jīng)驗(yàn)。

廊坊百冠包裝機(jī)械有限公司根據(jù)技術(shù)趨勢(shì)和客戶需求，于2019 年推出30000～36000b/h GWJX×HP 系列多功能無菌吹灌旋生產(chǎn)線，滿足多種產(chǎn)品生產(chǎn)需求，把無菌灌裝技術(shù)提升到了新高度。截至2021 年9 月底共售出21臺(tái)套。客戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用情況良好，無菌保持性穩(wěn)定可靠，滿足了客戶多品類生產(chǎn)的需求。

一、PET 瓶無菌灌裝產(chǎn)品分類和定義

A）物料PH 值劃分：高酸產(chǎn)品，PH 值≤4.5。

低酸產(chǎn)品，PH值＞4.5，其中PH值在6～7之間定義為中性產(chǎn)品。

B）物料內(nèi)容物劃分：清汁、濁汁、低粘度、高粘度、含纖維、含果粒等。

C）灌裝方式劃分：接觸式灌裝、非接觸式灌裝。

D）包裝形式劃分：碳酸產(chǎn)品、非碳酸產(chǎn)品。

百冠認(rèn)為多功能無菌灌裝技術(shù)的定義是：一套無菌灌裝生產(chǎn)線同時(shí)滿足灌裝中性產(chǎn)品，滿足多內(nèi)容物兼容灌裝能力，滿足接觸式與非接觸式灌裝且可快速切換，兼容含氣與不含氣產(chǎn)品的灌裝技術(shù)。

百冠 GWJX 生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)上述多功能灌裝，設(shè)備質(zhì)量和無菌安全性達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，無菌生產(chǎn)周期達(dá)到120小時(shí)。該線集成專用的無菌混比系統(tǒng)，無菌工藝流程采用百冠成熟的“濕法殺菌”平臺(tái)研發(fā)，該平臺(tái)在國內(nèi)有超過60 套的成熟應(yīng)用，微生物安全性和機(jī)械穩(wěn)定性可靠。該線完全兼容碳酸、非碳酸生產(chǎn)，并可延伸至敏感型非碳酸中性產(chǎn)品，兼容含果粒灌裝、含纖維灌裝、高低粘度物料灌裝。

二、百冠多功能無菌生產(chǎn)工藝要求

無菌灌裝生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵是保證灌裝、旋蓋后的飲料內(nèi)部微生物控制在允許范圍內(nèi)，即達(dá)到“商業(yè)無菌”。

為了保證無菌灌裝的成功，生產(chǎn)線必須滿足以下基本要求：

A）無菌料液 — UHT 殺菌及無菌罐保存，無菌保持周期≥120 小時(shí)。

B）無菌環(huán)境建立 — 灌裝主機(jī)無菌區(qū)域，通過標(biāo)準(zhǔn)COP、CIP、SIP、SOP 程序建立無菌環(huán)境。

C）無菌環(huán)境維持 — 初高效過濾環(huán)境空氣，保持正壓維持無菌環(huán)境。

D）空瓶和蓋子無菌 — 通過PAA 濕法殺菌達(dá)到包材無菌狀態(tài)。

E）無菌壓縮氣/無菌CO2— 無菌級(jí)過濾器過濾處理。

F）無菌水 — UHT 殺菌處理。

G）物料與CO2混比 — 無菌混比過程實(shí)現(xiàn)。

三、生產(chǎn)工藝流程圖

圖1.多功能無菌灌裝流程圖（碳酸生產(chǎn)示例）

圖1.是標(biāo)準(zhǔn)的多功能無菌灌裝生產(chǎn)工藝流程，滿足傳統(tǒng)常規(guī)無菌灌裝和碳酸無菌灌裝要求，在原標(biāo)準(zhǔn)無菌灌裝工藝流程中，增加CO2無菌處理、物料與CO2無菌混比過程，同時(shí)無菌灌裝主機(jī)灌裝系統(tǒng)采用多功能無菌灌裝閥，可實(shí)現(xiàn)非碳酸非接觸式灌裝和碳酸接觸式灌裝過程。同時(shí)，無菌線采用標(biāo)準(zhǔn)的中性培養(yǎng)基驗(yàn)證方案，需要驗(yàn)證無菌混比系統(tǒng)、無菌灌裝機(jī)系統(tǒng)、無菌罐系統(tǒng)的無菌性能，要求滿足120 小時(shí)的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

四、GWJX25HP 設(shè)計(jì)要求

非碳酸吹灌旋主機(jī)速度達(dá)到40000 b/h（500ml）。碳酸吹灌旋主機(jī)速度：36000 b/h（500ml）。瓶型適用容量250 ～ 1500ml，直徑50 ～ 100 mm，瓶高150 ～300 mm。瓶坯材料PET，瓶口28mm。

五、項(xiàng)目設(shè)計(jì)無菌工藝參數(shù)

表1.無菌灌裝工藝參數(shù)

無菌灌裝安全性、穩(wěn)定性最關(guān)鍵的工藝參數(shù)就是對(duì)設(shè)備的無菌狀態(tài)建立和殺菌保持，百冠通過多年的經(jīng)驗(yàn)積累，采用目前安全的濕法殺菌方式，對(duì)包材和機(jī)臺(tái)環(huán)境，進(jìn)行徹底的殺菌，穩(wěn)定達(dá)到表1 的殺菌強(qiáng)度要求。

六、主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新

生產(chǎn)線主要包括潔凈型吹瓶、空瓶殺菌、無菌水沖瓶、多功能灌裝、伺服旋蓋和蓋殺菌等單元。輔機(jī)部分包括無菌水制備、消毒液制備、無菌閥組控制、無菌緩存、CIP在線清洗、尾氣中和排放等單元，以及化學(xué)品供應(yīng)中心等設(shè)備。集成多功能無菌灌裝閥、隔離式瓶提升系統(tǒng)、灌裝過程控制系統(tǒng)、無菌型混比系統(tǒng)、空瓶噴沖殺菌、蓋子殺菌沖洗與輸送、無菌水沖洗、無菌高速伺服旋蓋、灌裝無菌氣路分離、產(chǎn)品回路無菌保持、空瓶噴沖壓力檢測(cè)、無菌型氣液混合等多項(xiàng)自行研發(fā)新技術(shù)。

1.多功能無菌灌裝閥

無菌灌裝系統(tǒng)及灌裝閥是關(guān)鍵的部件。多功能灌裝閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到無菌灌裝過程是否穩(wěn)定、可靠，并實(shí)現(xiàn)多功能灌裝的重要保障。百冠創(chuàng)新地進(jìn)行了灌裝閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出基于標(biāo)準(zhǔn)中心柱式灌裝技術(shù)的多功能無菌灌裝閥。見圖2。

灌裝方式采用碳酸產(chǎn)品接觸式等壓灌裝/非碳酸產(chǎn)品非接觸式非等壓灌裝方式；灌裝閥具有粗/精雙速灌裝方式，確保灌裝容量高精度；灌裝閥背壓和瓶內(nèi)泄壓采用獨(dú)立回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種相互隔離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保無菌安全性；同步兼容碳酸/非碳酸產(chǎn)品灌裝，無需任何換型件（瓶口尺寸相同）。灌裝閥中心柱“伸縮密封件”采用進(jìn)口復(fù)合材料制造，保證關(guān)鍵零部件質(zhì)量穩(wěn)定可靠。灌裝閥可灌裝纖維或 3× 3×3 果粒產(chǎn)品（非接觸）。該灌裝閥在滿足無菌灌裝工藝性要求下，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的CIP 清洗/SIP 殺菌流程，各關(guān)鍵密封件/彈簧件等均達(dá)到年度維保時(shí)間≥6000 小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.隔離式瓶提升系統(tǒng)

圖2.多功能無菌灌裝閥

圖3.隔離式瓶提升系統(tǒng)

該部件在灌裝過程中，要滿足其上下往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)無菌灌裝機(jī)滑動(dòng)部位的內(nèi)/外機(jī)械隔離功能。該機(jī)構(gòu)和多功能灌裝閥集成一體，維護(hù)簡(jiǎn)單，全自動(dòng)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)產(chǎn)品特性自動(dòng)設(shè)定“提升/不提升”狀態(tài)，完成碳酸產(chǎn)品接觸式灌裝，非碳酸產(chǎn)品非接觸式灌裝功能。灌裝隔離罩外部設(shè)有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上下升降動(dòng)作，并通過動(dòng)態(tài)“伸縮密封”實(shí)現(xiàn)內(nèi)外非接觸隔離。

3.產(chǎn)品灌裝過程控制工藝

圖4.灌裝過程

碳酸灌裝過程：空瓶進(jìn)-充氣等壓-慢速灌裝-快速灌裝-慢速灌裝-關(guān)閥靜置-排氣-靜置-排氣-實(shí)瓶出。根據(jù)物料產(chǎn)品配方特性，灌裝過程可以調(diào)整為“快速灌裝-慢速灌裝”或“全部快速灌裝”方式。

非碳酸灌裝過程：空瓶進(jìn)-慢速灌裝-快速灌裝-慢速灌裝-關(guān)閥靜置-實(shí)瓶出。同樣根據(jù)物料產(chǎn)品配方特性，灌裝過程可以調(diào)整為“快速灌裝-慢速灌裝”或“全部快速灌裝”方式。

碳酸灌裝方式與非碳酸灌裝方式，通過程序可以實(shí)現(xiàn)一鍵切換產(chǎn)品品類和產(chǎn)品配方的在線轉(zhuǎn)換（接觸式灌裝與非接觸式灌裝的快速轉(zhuǎn)換）。各工位設(shè)定時(shí)間可根據(jù)產(chǎn)品物料特性，在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)方便的參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的灌裝過程。

4.無菌型混比系統(tǒng)（碳酸無菌）

圖5.無菌型混比系統(tǒng)

該無菌碳酸生產(chǎn)過程的重要設(shè)備首先需要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部物料通道的無菌化設(shè)計(jì)，還要按氣液混合要求完成CO2自動(dòng)在線混合，系統(tǒng)設(shè)有混合后物料無菌儲(chǔ)罐。關(guān)鍵混比核心硬件采用質(zhì)量流量計(jì)控制CO2混合精度。根據(jù)客戶需求，可選配無菌型CO2在線監(jiān)測(cè)儀，標(biāo)配管式換熱降溫系統(tǒng)，集成獨(dú)立專用的CIP 清洗和SIP 殺菌功能，達(dá)到設(shè)備無菌工藝性要求。該系統(tǒng)標(biāo)配快速灌裝產(chǎn)品切換裝置。CO2含量3-8.4 g/L( 6-12℃）?；毂染取?±0.1 vol。

5.空瓶噴沖殺菌單元

瓶內(nèi)殺菌。標(biāo)準(zhǔn)雙大盤濕法噴沖殺菌，累計(jì)時(shí)間＞10s，耐腐蝕高分子材料噴嘴具有強(qiáng)勁的機(jī)械沖刷力，提高了殺菌劑化學(xué)效果，可以輕松去除冷污點(diǎn)。噴嘴可伸到瓶子內(nèi)部，降低沖洗死角并提高滅菌效率，殺菌強(qiáng)度保證≥6 log。噴嘴噴沖壓力檢測(cè)傳感器具有低壓“監(jiān)測(cè)報(bào)警”功能，保證壓力＞2.5 bar。

瓶外殺菌。定制角度扇形噴嘴具有強(qiáng)勁的機(jī)械和化學(xué)處理能力，對(duì)瓶口、瓶頸、瓶身和瓶底各外部全面徹底殺菌。上中下3 層均布置多道噴嘴，實(shí)現(xiàn)殺菌強(qiáng)度≥5 log。目前，采用濕法殺菌方式，瓶內(nèi)殺菌強(qiáng)度可以非?？煽康倪_(dá)到所需要的殺菌強(qiáng)度，設(shè)備設(shè)計(jì)需要關(guān)注的是消毒液的殘留控制技術(shù)。

圖6.瓶外殺菌

6.蓋子殺菌、沖洗與輸送單元

螺旋盤式輸送浸泡噴沖殺菌時(shí)間＞60s，蓋殺菌槽內(nèi)部配置多組噴嘴，保證強(qiáng)勁的機(jī)械和化學(xué)處理效果，保證蓋子達(dá)到全面的殺菌，殺菌強(qiáng)度≥6 log。并通過無菌水噴沖段、無菌氣吹氣瀝水和輸送段，最終保證蓋子的過氧化物殘留＜0.5 ppm。

圖7.蓋子殺菌、沖洗與輸送

同時(shí)，該系統(tǒng)配置“管式換熱管”，控制蓋子的溫度在45℃左右，保證消毒升溫在合理范圍內(nèi)，避免過熱變形，影響后期旋蓋質(zhì)量。

7.無菌水沖洗單元

獨(dú)特設(shè)計(jì)的螺旋噴嘴保證無菌水噴射水流均勻分布，噴沖壓力＞2.5 bar。多段間歇式噴沖，瓶內(nèi)沖凈效率高且耗水量較低，保證過氧化物殘留＜0.5 ppm。噴嘴堵塞時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警。

百冠研發(fā)專用高速噴沖壓力檢測(cè)傳感器系統(tǒng)，具有高低壓“監(jiān)測(cè)報(bào)警”功能。

圖8.高速無菌型伺服旋蓋系統(tǒng)

8.高速無菌型伺服旋蓋系統(tǒng)

國內(nèi)首創(chuàng)“高速無菌型伺服旋蓋”系統(tǒng)，配制一體式伺服電機(jī)及控制器+無菌隔離技術(shù)+無菌型旋蓋頭。相比傳統(tǒng)機(jī)械式旋蓋，無菌區(qū)死角少，利于COP 清洗和SOP消毒。更換蓋子時(shí)設(shè)備調(diào)整簡(jiǎn)單方便。碳酸非碳酸產(chǎn)品切換時(shí)，旋蓋扭矩調(diào)整簡(jiǎn)單方便，保證扭矩和不同蓋子匹配。內(nèi)外無菌隔離采用電熱阻隔技術(shù)：旋蓋升降臂配置電加熱線圈，實(shí)現(xiàn)高溫?zé)o菌隔離，電加熱屏障溫度＞100℃，保證微生物滅活徹底，并具有低溫報(bào)警功能。自主研發(fā)伺服旋蓋軟件控制程序，具有生產(chǎn)過程“旋蓋扭矩異?！北O(jiān)控報(bào)警和“旋蓋配方”快速切換功能。

七、GWJX 生產(chǎn)線優(yōu)勢(shì)和前景

濕法殺菌是成熟穩(wěn)定的殺菌技術(shù)。確保瓶內(nèi)和蓋子殺菌能力 ≥ 6 log。確保無菌空間殺菌能力 ≥ 6 log。確保瓶子外部殺菌能力 ≥ 5 log。多功能無菌灌裝閥，滿足多種灌灌裝方式的無菌安全性。包材過氧化物殘留＜0.5 ppm。

兼容碳酸非碳酸、高酸低酸、高粘度、果粒（3×3×3）,快速產(chǎn)品換型和快速無菌切換。

高低酸產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)周期最長達(dá)120 小時(shí)，期間無需短殺菌，生產(chǎn)效率≥95 %。

2020 年5 月首臺(tái)樣機(jī)在安徽滁州元?dú)夤S開始安裝，經(jīng)過近兩個(gè)月的生產(chǎn)線連線、無菌灌裝系統(tǒng)調(diào)試，于同年7 月一次性通過120 小時(shí)中性培養(yǎng)基驗(yàn)證，并順利投入生產(chǎn)。無菌灌裝產(chǎn)品包括系列氣泡水、加氣100%果汁、燃茶等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)無菌灌裝的多功能生產(chǎn)。經(jīng)檢測(cè)產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到客戶的認(rèn)可，產(chǎn)量、能耗等主要技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)領(lǐng)先或超越國際同類產(chǎn)品。

目前，百冠GWJX 系列提供三種生產(chǎn)線，滿足客戶不同的速度需求，25HP（非碳酸40000 b/h 、碳酸36000 b/h）、15HP（ 非碳酸24000 b/h 、 碳酸20000 b/h）、10HP（非碳酸灌裝18000 b/h 、碳酸12000 b/h）。

2021 年9 月，百冠參與承擔(dān)國家“十三五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目順利通過驗(yàn)收，其中36000b/h 多功能無菌線被科技部專家委員會(huì)評(píng)定為“屬國內(nèi)首創(chuàng)、技術(shù)國際一流、可替代進(jìn)口”。