CC BY
28
УДК 663.4
Принципы инновационного развития
поточных линий для упаковывания напитков
(Часть 2)
Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств
Итак, как отмечалось в предыдущей части настоящей статьи, повышение степени технического совершенства современных комплексных поточных технологических линий для упаковывания напитков и отдельных видов машин, входящих в их состав, обеспечивают за счет использования при их создании прогрессивных организационных и конструктивных принципов. Некоторые из этих принципов были рассмотрены в ранее опубликованной части работы1, а конструктивные особенности, техноло-гические возможности и экономические преимущества некоторых других принципов изложены ниже.
Принцип минимизации контакта напитка с кислородом воздуха,
лежит в основе современной концепции производства пива и напитков, называемой «бескислородная технология». Требования этой концепции распространяются практически на все стадии технологического потока -от приготовления сырья до упаковывания готовой продукции. Учитывая это, при наполнении бутылок на-
Рис. 1. Наполнение бутылки утопленной струей с применением длинной трубки
1 Пищевая промышленность, №11, 2017. -С. 8-11.
питками применяют фасовочные машины, в которых реализуются различные конструктивные решения, обеспечивающие минимальный контакт продукта с кислородом воздуха.
Во-первых, среди наиболее распространенных способов наполнения бутылок - равномерной струей -зонтиком и утопленной струей, предпочтение отдают последнему способу. Наполнение утопленной струей с применением удлиненных трубок (рис. 1), немного не доходящих до дна бутылок, хотя и менее производительно (по сравнению с короткими трубками при наполнении струей - зонтиком), поскольку требует дополнительного времени на манипуляции (введение и извлечение) с наполнительной трубкой, однако имеет важное технологическое преимущество - жидкость заполняет бутылку поршнеобразно снизу вверх, обеспечивая при этом существенно меньшую и неизменную площадь поверхности контакта продукта с газовой фазой. Вследствие этого обеспечивается стабильность качества фасования и минимизация контакта напитка с кислородом воздуха. Поглощение кислорода при фасовании напитков с применением длинной трубки составляет всего 0,03 мг/л, в то время как с применением короткой трубки около 0,08 мг/л.
Во-вторых, в инновационных фасовочных системах перед наполнением бутылок из них удаляют воздух и заполняют диоксидом углерода, иногда повторяя эти процедуры. Осуществляют это так, как показано на диаграмме (рис. 2). Как только бутылка перемещается загрузочной звездочкой с подводящего конвейера на столик карусели, начинается эвакуирование воздуха из бутылки (1) за счет вакууммирования. Затем бутылку продувают диоксидом углерода (2) и вновь повторяют эвакуирование из нее газа (3) с последую-
щим заполнением диоксида углерода (4). Одновременно на этой стадии процесса происходит выравнивание давлений в бутылке и кольцевом коллекторе машины, из которого происходит подача напитка, обеспечивая тем самым изобарический способ фасования газосодержащих напитков. После этого происходит наполнение бутылок напитком (5). На следующем этапе процесса фасования остатки напитка стекают из наполнительного устройства, уровень его в бутылке стабилизируется (6) и давление в ней сбрасывается (7). После этого наполненная бутылка захватывается разгрузочной звездочкой и незамедлительно перемещается на стадию укупоривания. Удельный расход диоксида углерода в таких системах составляет около 700 г/гл пива [1].
В-третьих, с целью предотвращения контакта напитка с кислородом, в наполненную бутылку непосредственно перед ее укупориванием впрыскивают под повышенным давлением тонкую струю стерильной деаэрированной воды в количестве всего около 0,35 мл, что обеспечи-
Рис. 2. Диаграмма фасования напитков в инновационной фасовочной машине:
1 - первое вакууммирование;
2 - продувка ди-оксидом углерода,
3 - второе вакууммирование,
4 - нагнетание диоксида углерода и выравнивание давления,
5 - наполнение, 6 - стабилизация, 7 - сброс давления
а б
Рис. 3. Вариант гигиенического исполнения фасовочной машины: а) крытое опоясывающее уплотнение стойки карусели с поверхностью стола б) скрытое герметичное крепление стойки карусели к поверхности стола (это место на фрагменте а) показано стрелкой)
а б
Рис. 4. Фрагмент фасовочной машины, в которой реализуется конструкторская концепция «без столов» (а) и принципиальное устройство транспортирующей звездочки (б)
Возможность применения различных способов фасования напитков в стеклянные и пластиковые бутылки
Способ фасования напитков Стекло ПЭТ
Холодное фасование с предохранением от посторонней микрофлоры да да
Холодное фасование с последующей тепловой пастеризацией да нет
Асептическое фасование (холодное) нет да
Горячее фасование да да
вает вспенивание напитка, в частности пива, и вытеснение из бутылки остатков воздуха перед ее герметизацией тем или иным укупорочным средством.
Другой важной особенностью создания инновационных фасовочных машин является использование принципа повышения точности фасования напитков. В лучших фа-
совочных системах точность фасования по объему доведена до ±0,4%, а по уровню до ±1,0 мм от номинального значения.
Особое значение при создании инновационных линий упаковывания напитков имеет принцип улучшения производственной санитарии и микробиологической безопасности. Специальные конструктивные
решения в современных фасовочных машинах обеспечивают благоприятные санитарно-гигиенические условия и, следовательно, повышенную микробиологическую безопасность процесса фасования напитков. К таким решениям, в частности, относят гладкие, скошенные вниз, удобные для мойки наружные поверхности, скрытые опоясывающие уплотнения и болтовые соединения (рис. 3) и пр.
Однако, в последнее время появилась новая более прогрессивная концепция гигиенического дизайна машин, входящих в технологические линии упаковывания напитков, в которой конструкторы отказались от применения столов (рис. 4 а). За счет этого сокращаются до минимума площади горизонтальных поверхностей в конструкциях машин и обеспечивается свободный доступ к их механизмам. Перемещение бутылок в таких машинах обеспечивают с помощью специальных транспортирующих звездочек, снабженных захватами для бутылок. Звездочки оснащены индивидуальными закрытыми приводными узлами с применением сервоприводов (рис. 4 б).
Помимо эффективных конструктивных решений, обеспечивающих улучшение производственной санитарии и микробиологической безопасности, в производстве напитков начинают находить применение инновационные технологические принципы, благодаря которым создаются необходимые санитарно-гигиенические условия и минимизируется возможность контакта продукта с посторонней микрофлорой. Особенности и технологические возможности этих инновационных принципов рассмотрены ниже.
В последние годы многократно вырос масштаб фасования и существенно расширился ассортимент напитков, обладающих повышенной чувствительностью к посторонней микрофлоре, например, таких, как фруктовые и овощные соки, холодный чай, молочные напитки, питьевая вода, негазированные прохладительные напитки и пр. Такие напитки требуют применения более жестких санитарно-гигиенических требований к процессам упаковывания. В связи с этим появились и все активнее начинают распространяться специальные концепции фасования напитков, обеспечивающие повышенные требования к асептике процесса, в частности,
основанные на принципах горячего и асептического фасования. Применимость того или иного принципа фасования напитков в стеклянные и пластиковые бутылки приведена в таблице.
Принцип горячего фасования напитков применяют при использовании в производстве как стеклянных, так и полимерных бутылках.
Отличительной особенностью поточных линий для горячего розлива напитков является то, что, помимо типичной комплектации, в их состав дополнительно входят устройство для поворачивания бутылок (из вертикального в горизонтальное положение и обратно), а также туннельный охладитель.
Горячее фасование осуществляют следующим образом: напиток с начальной температурой 12...20 °С предварительно нагревают в теплообменнике до температуры 55.60 °С, при которой происходят деаэрация и гомогенизация продукта. После этого напиток в другом (последующем) теплообменнике дополнительно нагревают до 100 °С (а иногда и более) выдерживают при этой температуре в специальном выдерживателе около 30 с, после чего охлаждают в рекуперационной секции второго (по ходу технологического потока) теплообменника обычно до 85.95 °С и при этой достаточно высокой температуре осуществляют фасование напитка.
Продолжительность наполнения бутылки, в зависимости от ее вместимости, составляет обычно 2 - 6 с. После наполнения бутылки укупоривают продезинфицированными пробками и выдерживают в вертикальном положении около 60 с. Затем бутылки поворачивают в горизонтальное положение и выдерживают около 30 с, при этом горячий напиток с температурой 85.95 °С начинает контактировать с внутренней поверхностью горлышка бутылки и пробки. Таким образом, происхдит дополнительная тепловая обработка, обеспечиваю-
Рис. 5. Полимерные бутылки с вакуумными панелями для горячего фасования напитков
щая надежное обеззараживание всей внутренней полости бутылки.
После этих манипуляций бутылки возвращают в вертикальное положение, контролируют уровень заполнения в инспекционном устройстве и направляют в туннельный охладитель, который по конструктивному устройству напоминает туннельный пастеризатор - в нем так же тепловые режимы обеспечивают благодаря орошению наполненных и укупоренных бутылок водой с различной температурой. В его первой секции осуществляется выдерживание упакованного напитка при повышенной температуре, то есть по сути продолжается тепловая обработка продукта (пастеризация), а в последующих секциях, количество которых может составлять от 2 до 8, осуществляется постепенное охлаждение продукта в течение примерно 120 с до конечной температуры около 30 °С.
Фасование напитков в горячем виде способствует снижению до минимума количества микроорганизмов, обеспечивая тем самым повышенный срок хранения продукта. Стойкость напитков после горячего фасования, в зависимости от свойств продукта, сохраняется до 12 месяцев.
Однако в ряде пищевых технологий этот принцип имеет ограничение применения, вследствие ухудшения органолептических показателей при фасовании соков и некоторых других продуктов. Кроме того, его применение возможно только фасовании спокойных напитков, например, сладких и полусладких вин, при использовании стеклянных и специальных полимерных бутылок, обладающих термостойкостью.
Последнее обстоятельство объясняется следующим. Стеклянные бутылки, имеющие по своей природе жесткую структуру, в процессе горячего фасования напитков не вызывают особых проблем. В то время как полимерные бутылки при изменяющихся условиях рабочего цикла, могут деформироваться - при фасовании и последующем выдерживании они растягиваются, вследствие теплового расширения материала бутылки и повышенного давления в ней после укупоривания, а при охлаждении -сжимаются, вследствие вакуумми-рования, вызванного конденсацией паров внутри сосуда.
Поэтому к полимерным бутылкам для горячего фасования предъявляют особые требования - они должны иметь более жесткую структуру
и обеспечивать наилучшее сохранение формы при повышенной температуре, внутреннем избыточном давлении и вакууме. Полимерные бутылки для горячего фасования отличаются от обычных ПЭТ бутылок специальными свойствами некоторых критических (с точки зрения условий процесса) поверхностей, а именно:
• горлышко бутылки у них более тяжелое, а полимер, образующий его, имеет высокую степень кристалличности, что позволяет выдерживать повышенную термическую нагрузку на площадь поверхности горлышка;
• корпус бутылок изготавливают с, так называемыми, вакуумными панелями, обеспечивающими защиту сосуда от гидростатического давления в процессе наполнения и компенсацию деформаций при вакууме (рис. 5);
• они имеют более высокую кристалличность стенок, что способствует повышению теплового сопротивления корпуса бутылок;
• их ребристые донышки содержат большую порцию аморфного материала, для обеспечения их повышенной жесткости;
• высокая степень растяжения материала плечиков бутылки (переходной участок от корпуса к горлышку) обеспечивает повышенную жесткость; также возможно изготавливать их ребристыми.
Даже при изготовлении полимерных бутылок для горячего фасования имеются специфические особенности - охлаждение их внутренней полости по окончании формования осуществляют непосредственно в прессформах, благодаря высокоскоростным воздушным потокам, нагнетаемым из отверстий полых вытягивающих штоков выдувной машины.
Продолжение в следующем номере.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоренко ,Б. Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование от-расли - СПб.: Профессия, 2009. - 1000 с.
REFERENCES
1. Fedorenko B.N. Pivovarennaya in-zheneriya: tekhnologicheskoe oborudovanie otrasli [Brewing Engineering: Technology Equipment Industry]. St. Petersburg, Professiya Publ., 2009. 1000 p.
Принципы инновационного развития поточных линий для упаковывания напитков (Часть 2)
Ключевые слова
жизненный цикл оборудования, линии упаковывания напитков, технологический поток, укупоривание, фасование, этике-тирование
Реферат
Современный уровень технического оснащения комплексных поточных линий для упаковывания напитков достаточно высок, тем не менее, техническое совершенство таких линий и отдельных видов машин, входящих в их состав постоянно повышается. Прежде всего это происходит благодаря применению при их конструировании прогрессивных принципов инновационного развития, среди которых: принцип масштабирования; принцип агрегатирования машин; принцип блочного строения поточных линий; принцип модульного строения оборудования; принцип комбинирования рабочих органов машин; принцип минимизации контакта напитка с кислородом воздуха; принцип энергоэкономичности; принцип повышения точности фасования напитков; принцип улучшения производственной санитарии и микробиологической безопасности; принцип асептического фасования напитков; принцип горячего фасования напитков; принцип обеспечения безопасности фасования напитков; принцип повышения надежности контроля фасования напитков; принцип снижения стоимости жизненного цикла оборудования. Инновационные особенности перечисленных технологических, конструктивных и экономических принципов кратко рассмотрены в настоящей статье. Инновационные поточные линии, созданные на основе перечисленных принципов, обеспечивают очень высокие производительности и требуют существенно меньших производственных площадей, благодаря своей компактности, вследствие агрегатирования и блочной компоновки, а также сокращению накопителей между технологическими стадиями. При эксплуатации такие линии обеспечивают повышенную функциональную гибкость - быстрый и легкий переход не только на новый формат сосудов, но и на новое укупорочное средство, благодаря применению комбинированных укупорочных механизмов. Этому способствует и модульное строение этикетировочных машин, благодаря которому происходит быстрый переход на другие типы этикеток и методы их нанесения. Конструктивные особенности машин, входящих в инновационные поточные линии, позволяют в лучшей степени обеспечить соблюдение жестких требований производственной санитарии и микробиологической безопасности. В инновационных линиях сокращается стоимость их жизненного цикла, повышается надежность контроля выпускаемой продукции и реализуются прогрессивные технологические приемы фасования напитков, позволяющие существенно повысить их стабильность.
Principles of innovative Development
for Flow Lines of Beverages Packaging (Part 2)
Key words
beverages packaging lines, technological line, packaging, closing, labeling, equipment service life
Abstracts
The technicalequipments modern levelofcomplexflowlinesofbev eragespackagingis high enough, however, thetechnicalperfectionof such linesand individual typesofmachines, included in such lines, isconstantlyincreasing. First of all, thisis due totheuse in theirconstructionof progressive principlesof innovative development, amongwhich: theprincipleofscaling; principleofmachineassembly; the principle of block structure of flow lines; the principle of modular equipment structure; the principle of combining the working element of machines; the principle of minimizing the contact of the beverage with the oxygen in the air; the principle of energy efficiency; the principle of increasing the accuracy of beverage filling; the principle of improving industrial sanitation and microbiological safety; the principle of aseptic beverage dispensing; the principle of hot beverage dispensing; the principle of ensuring the safety of beverage packaging; principle of improving the reliability of the control of beverage packaging; principle of reducing the cost of the equipment life cycle. Innovative features of the listed technological, constructive and economic principles are briefly considered in this article. Innovative production lines based on these principles ensure very high productivitylevel, require significantly smaller production areas due to their compactness, due to aggregation, and block layout, as well as reduction of storages between technological stages. In use, such lines provide increased functional flexibility - a quick and easy transition not only to the new vessel format, but also to a new closure, due to the use of combined closures. This is facilitated by the modular structure of labeling machines, due to this -it is a rapid transition to other types of labels and methods for their application. The design features of the machines included in the innovative flow lines make it possible to better meet the stringent requirements of industrial sanitation and microbiological safety. In innovative lines, the cost of their life cycle is reduced, the reliability of the output control is increased and progressive technological methods of beverage dispensing are implementing, which significantly increase their stability.
Авторы
Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Россия, Москва, Волоколамскоешоссе, 11. borisfedorenko@gmail.com
Authors
Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Moscow State University of food production, 11, Volokolamsk Highway,. Moscow, 125080 borisfedorenko@gmail.com
