一、前言
当前饮料市场上饮料种类繁多，同时随着人们生活水平的不断提高，保健意识日益增强，各种果汁、茶类及功能性保健饮料应运而生，消费逐年增长。在饮料品种迅速发展和包装技术日益提高的同时，饮料灌装技术也得到了极大的提高，如无菌冷灌装和热灌装技术。虽然无菌冷灌装是一项新型的包装技术，包装材料的费用相对低一些，但对工艺性、生产过程中的卫生环境、设备管理以及员工的要求都较高，设备投入大，并且饮品的质量难以控制。而目前热灌装技术较为成熟，所需资金和设备投入相对较少，甚至还可利用企业已有的资源，只需增加部分关键设备就可实现；更重要的是饮料的品质易于控制，货架寿命长、经济效益好。因此，热灌装技术已被广泛采用，深受市场欢迎。
本文介绍南京轻机厂设计生产的CGN50RA热灌装机相关部分的设计
二、热灌装机的组成
PET瓶热灌装机是热灌装生产线中主要设备之一。CGN50RA是由冲瓶、灌装、拧盖三位一体机组成，同时还配有物料回流罐和循环系统，该设备结构紧凑，体积小，占地面积小；冲瓶与灌装部分无需输送带连接，星轮传送。该机全自动控制，操作简单方便，易于灌装间设备布置以及卫生环境的控制和生产管理。
三、热灌装原理
PET瓶热灌装的物料与普通水或含气饮料物料的成分差异较大，灌装方式以及灌装流程也不同。因此，热灌装机的结构与普通的灌装机在灌装缸、灌装阀以及管理系统等方面的结构大不相同。
1. 由于热灌装物料的成分如果汁、茶类，咖啡奶以及功能性保健饮料的成分各不相同，有的含糖量较高，有的甚至含有果胶、茶碱，有的介质粘度大，有的在灌装时容易起泡。为了保证饮品有较长的货架寿命和稳定的品质，因此要求高温灌装，温度通常在88℃左右。同时还要求灌装缸内部结构光滑，易于清洗，无CIP清洗死角，与物料接触的零件材料均为0Cr19Ni9优质不锈钢，内外表面光滑，要求粗糙度Ra≤0.8。
2. CGN50RA热灌装机采用的是重力灌装、负压回流的灌装方式，物料经UHT超高温杀菌后，通过输送泵送到灌装机的上缸与待灌装的PET瓶口保持一定的水头落差，物料经灌装阀上部的管路及灌装阀注入PET瓶内。同时在工作台内配有抽风机，其吸入口与缓冲罐相连，灌装时抽风机启动，通过缓冲罐、下缸和灌装阀的回流管将PET瓶内的空气快速吸走并形成一定的负压，加快灌装速度，并在瓶内高液位时将瓶口泡沫吸走并快速补进物料形成PET瓶的高液位或满瓶灌装。
这种通过重力灌装、负压回流的灌装方式一是可以避免高位罐（罐的高度4m～5m）或压力灌装时产生的瓶身鼓胀，引起PET瓶在出灌装机时瓶口产生物料外溢现象。二是在相同灌装阀数的情况下能增加灌装机的灌装能力。
3. 对灌装后PET瓶内高液位的要求
热灌装要求PET瓶灌装后有较高的液位或满瓶，以减少瓶口空隙残存空气中的氧成分对饮料品质产生影响。同时，瓶口物料的热气也可将空气置换出来一些，这样有利于后道工序的倒瓶对瓶口和瓶盖内侧顶面进行杀菌，进一步确保饮料品质。
四、灌装机部分的结构设计
1. 热灌装机必须配有物料回流的控制系统，控制物料的回流。
2. 灌装缸分上缸和下缸两部分，两缸均与设备同步回转。上、下缸内部结构应光滑，无清洗死角，易于清洗。在上缸配有液位控制检测元件，控制上缸液位。
3. 灌装阀
有瓶时，外操纵杆旋转，开启灌装阀进行灌装；无瓶时，灌装阀为关闭状态，仅少量的物料经阀内通路进入下缸，而不至于使阀内物料温度降低，也减少了物料的回流量，在一定程度上减少了物料反复加热引起饮品口味改变的可能性。
阀内无弹簧、无清洗死角、阀套与中心管的密封无O形圈，易于CIP清洗，也不会出现O形圈掉入瓶内而影响饮料品质的现象。与灌装阀连接的进液管和回流管均采用优质不锈钢管，避免了用金属护套软管连接出现的“水袋”而导致在CIP清洗时出现清洗液的残留，影响CIP清洗效果的现象，也不需要经常更换由于高温造成老化的软管。
4. 由于热灌装是高液位或满瓶灌装，在瓶的输送方式上与普通的玻璃瓶和含气PET瓶输送不同，采用卡瓶口输送技术，避免了传统的星轮拨瓶身而对PET瓶身挤压导致瓶内物料外溢的现象。
5. PET瓶清洗消毒系统
（1）在进瓶螺杆前装有冲瓶消毒装置，用消毒水冲洗瓶身。
（2）冲瓶机冲洗瓶内壁，用消毒水或无菌水冲洗消毒。
（3）在进冲瓶机的星轮和进拧盖机的星轮上分别装有瓶口冲洗装置，一是对瓶口螺纹部分消毒，二是可以将瓶口螺纹部分的物料冲洗干净，避免旋盖后一段时间内瓶口螺纹部分出现霉斑而影响饮品的质量。
6. 各控制阀门均用卫生型的气动阀，管道均用0Cr19Ni9内外抛光的优质不锈钢卫生管，管道内外表面光滑，粗糙度Ra≤0.8。管道配管应无死角、无“水袋”，设置必要的排放口或取样口，最大限度地减少物料在管道和阀门内的残留，以利于CIP清洗。
7. 二次灌装技术
当PET瓶进入灌装机的对中装置后，随着凸轮的上升， PET瓶口与灌装阀密封垫接触，并顶开阀套，同时开阀气缸动作，旋转阀上部的外操纵杆开启灌装阀，开始第一次灌装；当物料到达阀套管下端时，灌装阀和PET瓶随着灌装机旋转至某个位置时，PET瓶和对中装置下降一定高度，灌装阀开始第二次灌装，以补充中心管在瓶内占据的容积，达到高液位灌装的要求。
8. 密封件的结构及材料的选用
由于是高温灌装，要求管道，阀门及灌装阀中的密封件材料不仅要符合食品卫生要求，还需要耐腐蚀，耐高温，耐磨擦。建议在不与物料接触的地方可采用丁腈橡胶，与物料接触的地方可用硅橡胶，三元乙丙，PTFE等;而像灌装阀内有相对运动的地方则需要特殊设计的密封圈，既密封又耐磨，能有效地提高灌装阀的使用寿命。
9. 缓冲罐是热灌装机的重要部分，它与灌装机的下缸、回流泵、抽风机相连接，罐上方装有液位传感器，控制回流泵的开和停。
缓冲罐必须具备有一定的容积空间，可供灌装过程中回收的泡沫存积后除泡，在物料送回UHT的平衡罐和CIP清洗过程中起到平衡缓冲的作用。
五、回流技术和回流量的控制
根据热灌装物料的特性，要求高温热灌机在灌装过程中必须具备有回流功能，同时还必须能有效地控制回流量。如CGN50RA三位一体的热灌装机就具有三种回流功能。
1. 设备外部的回流
当物料经UHT杀菌后送到灌装机前，如果物料的温度低于设定值T时，物料从阀门V4外管道返回到UHT重新加热杀菌，有效地控制了灌装温度，这一过程称之为外部回流。
2. 灌装过程中的回流
在热灌装过程中，不同的物料灌装状态和稳定性各不相同，既影响灌装速度，又容易产生半瓶现象。CGN50RA灌装机则是通过抽风机产生一定的负压，在灌装过程中迅速将瓶内的空气和泡沫吸走，既提高了灌装速度，又解决了半瓶现象，同时还有效地避免了其它灌装方式所产生的瓶身鼓胀和物料外溢现象。
3. 无瓶状态下的灌装阀内回流
在灌装过程中因各种原因而停机，可能会引起上缸和阀内物料温度的降低。此时通过灌装阀内部的回流通路物料仍能以一定的流量按灌装过程流动，使上缸和灌装阀内有新的物料补充，以使上缸和灌装阀内物料的温度保持在所要求的范围内，达到真正热灌装的要求。
4. 回流量的控制
回流量的控制是热灌装机的一个非常重要和关键的技术，不可缺少。回流量太大会造成物料反复加热杀菌引起饮品的口感和风味的改变，甚至会影响饮品的内在质量。
在CGN50RA灌装机中，通过灌装阀上的外操开阀气缸，闭阀凸轮、抽风机和电气控制系统来控制回流量。当有瓶时开阀气缸动作，旋转外操纵杆开启灌装阀，在瓶内物料达到所需液位要求后，闭阀凸轮关闭灌装阀，停止灌装；无瓶时气缸不动作，灌装阀不灌装。而且闭阀凸轮还可根据物料特性和灌装状态调整闭阀位置，真正有效地控制灌装过程中的回流量。
六、结束语
上述介绍的仅为南京轻机厂设计生产的能力为1.8～2万瓶/时的CGN50RA三位一体的热灌装机，目前该机型已在多家用户使用。随着灌装技术的不断发展和提高，各种形式和能力的PET瓶热灌装机将会不断问世。
2/14/2007
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