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充氮熱灌工藝在PET瓶飲料生產(chǎn)中的應(yīng)用
發(fā)布日期 2025-11-17
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摘要
PET瓶熱灌裝工藝具有安全性高，操控性能好，投資少等優(yōu)點(diǎn)，在飲料生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但飲料從熱態(tài)到常溫過程中體積收縮產(chǎn)生負(fù)壓，給瓶體設(shè)計(jì)造成一定局限性，必須利用呼吸板塊吸收負(fù)壓，同時(shí)瓶體需采用厚加強(qiáng)筋以提高強(qiáng)度。充氮熱灌裝工藝是在傳統(tǒng)熱灌裝工藝的灌裝工序后，旋蓋前向瓶體內(nèi)部注射液氮，通過氮?dú)庠跓釕B(tài)和常溫下的壓力變化來消除負(fù)壓，去除呼吸板塊的設(shè)計(jì)限制；同時(shí)，通過液氮?dú)饣黾悠矿w內(nèi)壓進(jìn)而提高瓶體抗壓強(qiáng)度，打破加強(qiáng)筋過厚的約束，大幅提高了PET瓶體設(shè)計(jì)的自由度。
充氮熱灌工藝關(guān)鍵控制技術(shù)
充氮熱灌工藝是在傳統(tǒng)熱灌裝工藝的基礎(chǔ)上，在灌裝后、旋蓋前增加了液氮注入工序，利用液氮消除熱灌裝瓶體冷卻產(chǎn)生的負(fù)壓。圖1和圖2分別為傳統(tǒng)熱灌裝和充氮熱灌裝工藝流程，從圖中可以看到：充氮熱灌裝是在傳統(tǒng)熱灌裝工藝基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)注氮工序，可以在現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱灌裝平臺(tái)上進(jìn)行改造，改造費(fèi)用低、時(shí)間短。并且改造后可以靈活的在傳統(tǒng)熱灌裝工藝和充氮熱灌裝工藝之間進(jìn)行切換，大大拓展生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，提升了生產(chǎn)線的利用。
圖1 傳統(tǒng)熱灌裝工藝流程
圖2 充氮熱灌裝工藝流程
充氮熱灌工藝過程中的壓力控制
氮?dú)獾膲毫刂剖浅涞獰峁喙に囍凶铌P(guān)鍵技術(shù)，液氮注入瓶體后會(huì)影響到整個(gè)產(chǎn)品的生命周期，其中有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力至關(guān)重要，分別是：P1—注氮旋蓋后的熱態(tài)內(nèi)壓，P2—瓶體常溫冷卻后的冷態(tài)內(nèi)壓，P3—生產(chǎn)24h后瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓，P4—貨架期后瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓。P1和P2主要用于生產(chǎn)過程控制，P3和P4是產(chǎn)品呈獻(xiàn)給消費(fèi)者的最終狀態(tài)。
圖3 壓力與時(shí)間周期關(guān)系圖
為確保消費(fèi)者飲用冷藏產(chǎn)品前，瓶體仍然具有一定的內(nèi)壓，應(yīng)滿足P4（4℃下）>=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓+P保險(xiǎn)值，P3=P4+P貨架期內(nèi)泄露量；P3值確定后，根據(jù)阿伏伽德羅定律P=NRT/V推算P2和P1，并通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定最優(yōu)內(nèi)壓控制參數(shù)。圖3為各個(gè)點(diǎn)壓力與時(shí)間周期的關(guān)系示意圖，從圖中可以看出，雖然隨著瓶體放置時(shí)間的增加，瓶體內(nèi)壓呈下降趨勢(shì)，但生產(chǎn)24h后和12個(gè)月時(shí)瓶體在常溫/4℃下的內(nèi)壓變化很小。不同PET瓶?jī)?nèi)壓控制參數(shù)不同，當(dāng)瓶體或者生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，內(nèi)壓控制參數(shù)要進(jìn)行一定調(diào)整。壓力測(cè)算時(shí)構(gòu)建的壓力測(cè)算數(shù)學(xué)模型如表1所示，其中黃色部分是與工況相關(guān)的輸入?yún)?shù)。
表1內(nèi)壓控制參數(shù)一覽表
PET瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
充氮熱灌工藝降低了PET瓶重量，大大提高了瓶型設(shè)計(jì)自由度，優(yōu)化了瓶體性能[12-15]。充氮熱灌工藝中PET瓶設(shè)計(jì)需注意以下事項(xiàng)[16-18]：
瓶底設(shè)計(jì)
充氮熱灌工藝要求瓶底設(shè)計(jì)時(shí)需采用底部強(qiáng)度高、不易變形的碳酸底設(shè)計(jì)[19]，或在碳酸底的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化（如圖4所示）。由于PET瓶在熱態(tài)下（85℃左右）要承受0.2MPa以上的壓力，只有高強(qiáng)度瓶底才能保持瓶底形狀；瓶底強(qiáng)度不夠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致瓶底凸出，瓶體無法站立。
瓶身溝槽設(shè)計(jì)
PET瓶身溝槽最佳深度在0.3mm以內(nèi)（如圖4所示），否則，在熱態(tài)下溝槽產(chǎn)生塑性拉伸，冷卻后無法恢復(fù)，致使溝槽變淺，瓶高加長(zhǎng)。
圖4傳統(tǒng)熱灌與充氮熱灌工藝中瓶體結(jié)構(gòu)形式對(duì)比
瓶體形狀設(shè)計(jì)
PET瓶盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以保證瓶體的穩(wěn)定性；非對(duì)稱結(jié)構(gòu)瓶體在高溫高壓下易產(chǎn)生不均勻變形，冷卻后瓶高增加，甚至出現(xiàn)兩側(cè)高矮不均的“香蕉瓶”。
PET瓶生產(chǎn)過程控制
PET瓶生產(chǎn)過程中，瓶體結(jié)晶度和瓶底溫度控制至關(guān)重要。結(jié)晶度直接影響瓶體強(qiáng)度，同時(shí)也影響瓶體玻璃化溫度[20]。瓶體結(jié)晶度越高，在相同溫度下強(qiáng)度越好，同時(shí)玻璃化溫度越高，如圖5所示。
圖5 溫度對(duì)PET瓶硬度影響
瓶底厚度遠(yuǎn)大于瓶身，冷卻速度低于瓶身，瓶底是瓶體離開吹瓶機(jī)后溫度最高的部位，因此當(dāng)瓶體材料和吹瓶工藝確定時(shí)，降低灌裝時(shí)瓶底的溫度成為避免瓶底變形的關(guān)鍵因素[21-23]。充氮熱灌裝時(shí)，將吹瓶模具的底膜熱油冷卻改為底膜冷水冷卻[24]，同時(shí)增加3道瓶底冷卻工序，不但加快了吹瓶的底膜冷卻速度，而且保證瓶體在進(jìn)入冷道前不發(fā)生變形[25]，具體如圖6所示。
圖6充氮熱灌裝中PET瓶體冷卻工藝示意圖
由于瓶底冷卻會(huì)造成瓶體降溫，為確保“倒瓶殺菌”的工藝效果，需要提高灌裝溫度0.5℃～1℃以保證倒瓶殺菌效果，具體提高溫度根據(jù)實(shí)際工況確定。
瓶體內(nèi)壓的精度和穩(wěn)定性控制
瓶體內(nèi)壓的精度和穩(wěn)定性，主要取決于兩個(gè)方面：一是液氮的注射精度，由液氮注射設(shè)備能力決定；二是液氮從注射到瓶體封口時(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量和精度，即余留的氮?dú)饬亢途?。余留的氮?dú)饬亢途热Q于：（1）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于吹灌旋一體機(jī)而言一般在95%以上；（2）氮?dú)庾⑸鋰娮旖Y(jié)構(gòu)以及噴嘴和瓶口之間的距離，距離越近越好；（3）瓶體從注入液氮到旋蓋完成的時(shí)間，時(shí)間間隔越短越好；（4）灌裝車間環(huán)境溫度及穩(wěn)定性，一般灌裝車間都是恒溫控制在25℃；（5）瓶體的液位控制及精度即頂隙空間的大小和精度。
液氮注射方法
液氮注射的方法有三種，一種是讓液氮不斷流出，由于瓶體間的間隙大，有效注射量=瓶口直徑/灌裝機(jī)節(jié)距（以φ38瓶體為例，一般為38mm/93mm=40%），造成很大浪費(fèi)，速度變化還會(huì)造成壓力波動(dòng)；第二種是間斷式注射，即每瓶注入定量液氮；第三種是由計(jì)算機(jī)控制可在任何速度（0～2400cpm）連續(xù)注射或者間斷注射，控制精度達(dá)±1.5%。
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瓶體灌裝的液位控制，即瓶體容量與灌裝量之間的關(guān)系，決定了瓶體頂隙空間的大小。頂隙空間會(huì)影響產(chǎn)品效果：液位太低，降低消費(fèi)者舒適度；液位太高，氮?dú)饬可?，不但?huì)增大內(nèi)壓波動(dòng)，還會(huì)造成瓶體內(nèi)壓低，冷卻后出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。圖7為不同瓶體內(nèi)壓下瓶?jī)?nèi)液位頂隙空間對(duì)比情況，因此不同瓶體需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試方能確定合適液位。
圖7 不同瓶體內(nèi)壓下瓶?jī)?nèi)液位頂隙空間對(duì)比
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，表明了瓶體內(nèi)壓與注氮量、液位的關(guān)系。如圖8所示：當(dāng)液位高度一定時(shí)，瓶體內(nèi)壓隨著注氮量的增加而增加，當(dāng)注氮量超過瓶體可以容納的氮?dú)饬繒r(shí)，瓶體內(nèi)壓將達(dá)到一個(gè)峰值，且不再增加。如圖9所示：保持注氮量不變，瓶體內(nèi)壓隨著液位的升高而增加，到達(dá)一個(gè)峰值后，瓶體內(nèi)壓隨著液位的升高而降低。
注氮時(shí)間/ms
圖8 瓶體內(nèi)壓與注氮量、液位的關(guān)系（灌裝液位不變）
瓶體容量/mL
圖9 瓶體內(nèi)壓與注氮量、液位的關(guān)系（注氮量不變）
雖然影響因素多，但是氮?dú)獾奶畛淞考捌渚冗€是可以很好地被控制。經(jīng)過反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，找到合適液位后，可以很好地控制瓶體容量、灌裝液位、頂隙空間、內(nèi)壓和瓶高拉伸變長(zhǎng)等指標(biāo)。圖10和圖11是一組600mL瓶體的測(cè)試數(shù)據(jù)：圖10瓶體容量為602.5+1mL，冷卻后瓶體高度222.8+0.4mm，圖11冷卻后內(nèi)壓0.46+0.10bar。
圖10 600mL瓶體容量、冷卻后瓶體高度及冷卻后內(nèi)壓測(cè)試數(shù)據(jù)
圖11 600mL瓶體容量、冷卻后瓶體高度及冷卻后內(nèi)壓測(cè)試數(shù)據(jù)
充氮熱灌裝工藝對(duì)瓶底強(qiáng)度的影響及措施
即使充氮熱灌時(shí)瓶底采用碳酸底設(shè)計(jì)仍會(huì)出現(xiàn)瓶底開裂現(xiàn)象（如圖12所示），主要由兩個(gè)方面的原因造成：（1）材料應(yīng)力開裂，與PET料性能、吹瓶工藝以及瓶體內(nèi)液體PH值等因素相關(guān)，發(fā)生幾率很低，但一旦發(fā)生將是普遍性和災(zāi)難性的。新材料、新工藝或新產(chǎn)品首次生產(chǎn)前，取瓶體樣品30支，在0.2%NaOH溶液中浸泡3h，無開裂視為合格。（2）外力沖擊造成的開裂，具有隨機(jī)性，主要是由于瓶底抗沖擊性能不足所導(dǎo)致。為此，需調(diào)整吹瓶工藝，增加瓶體底部中心小花瓣處的厚度以增加瓶底強(qiáng)度，減薄瓶底和瓶身接合處大花瓣的厚度以起到緩沖的作用。定期取樣，自2.5米高度，瓶口向上，并使瓶體軸線與水平方向成60°，自由落體跌至水泥地面，瓶不破裂為合格。
圖12 瓶底開裂
充氮熱灌工藝應(yīng)用案例分析
達(dá)能（中國(guó)）食品飲料有限公司2017年“天方茶談”項(xiàng)目將充氮技術(shù)融入到傳統(tǒng)熱灌生產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)了天方茶談產(chǎn)品快速上市，生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)良好，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。
周期短，投資少
實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)的突破。項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)僅用時(shí)6個(gè)月；產(chǎn)能32000瓶/h的生產(chǎn)線改造費(fèi)用約一百萬元，僅占一條全新熱灌線投資的8%，而投資相同產(chǎn)品的一條無菌生產(chǎn)線是熱灌線投資的150%。
產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定
無氮?dú)獠蛔阍斐傻南嚓P(guān)投訴，產(chǎn)品在貨架期時(shí)內(nèi)壓依然滿足要求，如表2所示：
表2 產(chǎn)品內(nèi)壓跟蹤測(cè)試結(jié)果（對(duì)比大氣壓強(qiáng)）
注：P1為旋蓋后，熱態(tài)；P2為冷卻后，常溫；P3為24h后，常溫；P4為12個(gè)月后（常溫，4℃）
生產(chǎn)過程穩(wěn)定，生產(chǎn)效率無明顯損失，氮?dú)庀某杀镜?/font>
全年充氮熱灌產(chǎn)品生產(chǎn)效率約為95%，比熱灌裝產(chǎn)品低2%左右，主要由于氮?dú)獯祾咴斐?。每瓶瓶體的液氮注入量為0.2g，氮?dú)饩C合利用率為60%，氮?dú)獬杀炯s為0.5元/千瓶。
結(jié)論
充氮熱灌裝工藝是對(duì)傳統(tǒng)熱灌裝技術(shù)的拓展，投資少，見效快，大大增加了生產(chǎn)線的柔性，具有很好的投資經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單，與熱灌裝技術(shù)具有相同的食品安全性保障。國(guó)內(nèi)充氮熱灌工藝尚未廣泛使用，充氮熱灌裝工藝具有廣闊的應(yīng)用空間。充氮熱灌工藝可以有效的突破傳統(tǒng)熱灌工藝的局限，充分利用現(xiàn)有產(chǎn)能，如通過充氮，突破熱灌裝對(duì)瓶型的限制，實(shí)現(xiàn)不同瓶型的熱灌產(chǎn)品生產(chǎn)；利用氮?dú)庾鳛椴换顫姎怏w的特性，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有效保護(hù)，助力氧氣敏感性產(chǎn)品的生產(chǎn)；通過充氮，增加產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度，可有效降低熱灌產(chǎn)品瓶體重量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約增效，減少碳排放，保護(hù)環(huán)境；更可以支持新型PET材料（如：Bio-PET）的使用，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，助力循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
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