Verfahren und Vorrichtung zum sterilen Verpacken von sterilem Verbrauchsgut
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sterilen Verpacken von sterilem Verbrauchsgut, bei welchem aus Verpackungsmaterial in einer Abfüll- und Verpackungsmaschine ein Tubus geformt, dieser mit dem zu verpackenden Gut teilweise gefüllt und durch Zusammendrücken quer zu seiner Längsrichtung zu geschlossenen Behältern geformt wird, wobei die Innenseite des geformten Tubus an einer oberhalb des eingefüllten Gutes befindlichen Stelle durch Wärmeeinwirkung sterilisiert wird.
Das geschilderte Verfahren ermöglicht, jede vorgängig dem Formen des Tubus stattfindende Sterilisierung des Verpackungsmaterials wegzulassen. Damit vereinfacht sich das ganze Abfüll- und Verpackungsverfahren ausserordentlich gegenüber einer Arbeitsweise, bei welcher das Verpackungsmaterial vor seinem Einführen in die Maschine sterilisiert wird und wo auf dem Wege in die Maschine und bis s zum Bilden der geschlossenen Packung dauernd für eine sterile Atmosphäre gesorgt werden muss, z. B. durch Erzeugen einer unter geringem Über- druck stehenden sterilen Atmosphäre im Inneren einer den Weg des Verpackungsmaterials und die Teile zum Formen der Packung und zum Füllen derselben umschliessenden Kammer.
Eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung des geschilderten Verfahrens besteht beispielsweise darin, im Inneren des Tubus oberhalb des eingefüllten Gutes eine Heizeinrichtung anzuordnen, die zur Erhitzung der Tubusinnenseite auf Sterilisationstemperatur dient. Die Heizeinrichtung kann z. B. als elektrischer Strahler ausgebildet sein.
Demgegenüber besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass der Energietransport zur Erhitzung der Tubusinnenseite von der Tubusaussenseite her durch die Tubuswand hindurch erfolgt. Es kann somit eine Heizeinrichtung im Inneren des Tubus wegfallen, was besonders beim Herstellen kleiner Packungen von Vorteil ist, bei denen von einem Tubus geringen Durchmessers ausgegangen wird. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass wesentlich grössere Freiheit in der Wahl der Erhitzungsart bzw. des als Wärmeträger benützten Mediums besteht. Ferner sind die Abmessungen der zur Erhitzung dienenden Einrichtung nicht auf den Durchmesser des Tubus beschränkt.
Zweckmässig kann die Tubusaussenseite durch Wärmestrahlung erhitzt werden; unter Umständen kann es sich aber auch als vorteilhaft erweisen, die Tubus aussenseite mit Hilfe eines strömungsfähigen Wärmeträgers zu erhitzen, der in Berührung mit der Tubusaussenseite gebracht wird. Es wäre aber auch möglich, die Erhitzung auf elektrischem Wege mit Hilfe eines hochfrequentischen Feldes vorzunehmen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens kann zusätzlich eine Wärmeeinwirkung von der Tubusinnenseite her erfolgen; diese Massnahme erlaubt, bei Erhitzung der Tubusaussenseite die Intensität der auf die Aussenseite gerichteten Wärmeeinwirkung zu vermindern.
Aus dem gleichen Grunde kann schliesslich das Verpackungsmaterial mindestens auf der später die Innenseite der Packungen bildenden Materialseite vor der Wärmeeinwirkung einer Behandlung mit einem schädigend auf vorhandene Keime wirkenden chemischen Mittel unterzogen werden.
Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine ausserhalb des Tubus oberhalb des eingefüllten Gutes befindliche Energiequelle zur Erhitzung der Tubusinnenseite.
Zweckmässig kann die Energiequelle als Wärmestrahler ausgebildet sein oder in einer anderen Aus führungsform Mittel zum Beaufschlagen der Tubusaussenwand mit einem strömungsfähigen Wärmeträger aufweisen. Die Erhitzung kann aber auch auf elektrischem Wege erfolgen; zu diesem Zweck können Mittel vorgesehen sein zum Erzeugen eines die Tubuswand durchsetzenden elektrischen Hochfrequenzfeldes. Weiter kann eine zusätzlich im Tubusinneren angeordnete Heizeinrichtung vorhanden sein; da diese nicht die für die Sterilisierung notwendige gesamte Heizleistung aufbringen muss, können ihre Abmessungen klein sein.
Zur bereits erwähnten chemischen Vorbehandlung können zweckmässig Mittel vorgesehen sein, mit deren Hilfe mindestens die später die Innenseite der Packungen bildende Materialseite des Verpackungsmaterials mit einem chemisch wirkenden Stoff in Berührung gebracht wird.
Schliesslich kann zweckmässig neben dem Einfüllrohr für das abzufüllende Gut ein weiteres Rohr durch das offene Tubusende ragen, dessen Ende sich oberhalb des eingefüllten Gutes befindet, wobei Mittel vorgesehen sind, um durch das Rohr ein steriles, gasförmiges Medium in das Tubusinnere einzuführen. Diese Ausführungsform dient dazu, eine das Eindringen von Umgebungsluft in das Tubusinnere verhindernde Gasströmung zu erzeugen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Abfüll- und Verpackungsmaschine,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Heizvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Vorrichtung, jedoch mit einer anderen Ausführungsform der Heizeinrichtung,
Fig. 4 mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zusammenarbeitende Mittel zum Vorbehandeln des Verpackungsmaterials,
Fig. 5 eine Ausführungsform mit zusätzlicher Heizeinrichtung im Tubusinneren, und
Fig. 6 eine Ausführungsform für dielektrische Erhitzung der Tubuswand.
Die gezeichnete Abfüll- und Verpackungsmaschine weist ein Gehäuse 1 auf, das mit einem trägerartigen Aufsatz 2 versehen ist. Die laufend von einer nicht gezeichneten Rolle abgezogene und der Verpackungsmaschine zugeführte Bahn 5 besteht aus einseitig mit einem Kunststoff - z. B. Polyäthylen beschichtetem Papier und wird derart in einen Ring 3 geführt, dass sich ein Tubus 5' bildet, und zwar bildet die beschichtete Seite die Innenwand des Tubus. Die Seitenkanten der Bahn 5 überlappen sich und bilden Mantellinien des geformten Tubus. Ein am Träger 6 befestigter Heizschuh 7 liegt unter Druck auf der überlappten Partie der Bahn 5 auf und bewirkt durch Erwärmen des Kunststoffbelages ein Zusammenkleben. Auf der Innenseite des geformten Tubus ist die überlappte Partie im Bereich des Heizschuhes 7 mit Hilfe einer nicht gezeichneten Rolle abgestützt.
Der Heizschuh 7 ist elektrisch beheizt.
Im Inneren des Gehäuses 1 sind zum Zusammendrücken des Tubus 5' dienende Pressorgane angeordnet. Diese sind als elektrisch beheizte Pressbackenpaare 10 und 11 ausgebildet, welche auf den in sich geschlossenen Ketten 12 und 13 befestigt sind und im Betrieb der Einrichtung mit diesen umlaufen.
Die Ketten 12 und 13 laufen über die Führungsräder 14 und 15 bzw. 16 und 17, von denen die Räder 14 und 17 durch nicht gezeichnete Antriebsmittel in Richtung der Pfeile 18 bzw. 19 in Drehung versetzt werden können. Weitere, nicht gezeichnete Pressbackenpaare arbeiten senkrecht zur Zeichenebene, derart, dass der laufend nach unten geführte Tubus abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen zusammengedrückt wird. Die Bewegung der jeweils in Arbeitsstellung befindlichen Pressbacken bewirkt einen Transport der Bahn 5 und des Tubus 5' nach unten. Durch das Zusammendrücken mit Hilfe der beheizten Pressbacken wird der Tubus 5' in geschlossene Behälter 20 abgeteilt.
Das abzufüllende Gut, z. B. auf hier nicht näher geschilderte Weise entkeimte Milch, wird der Einrichtung durch das Einfüllrohr 21 zugeführt. Dieses ist auf später beschriebene Weise am Träger 4 befestigt und wird über einen Teil seiner Länge von der Wärmeisolierung 65 umschlossen. Die Zufuhr von Milch wird mit Hilfe des Schwimmers 9 so reguliert, dass sich im Inneren des Tubus ein auf gleicher Höhe verbleibender Flüssigkeitsspiegel 22 bildet.
Im oberen Teil des freien Tubusinneren befindet sich ein Verschlusskörper 33, welcher sich im Betrieb der Vorrichtung gegen die Innenwand des Tubus 5' anlegt. Der Verschlusskörper wird von einem Mantel 37 getragen, der nach oben aus dem Tubus ragt und am Einfüllrohr 21 befestigt ist. Ferner weist der Verschlusskörper 33 eine Vertiefung 38 auf, und zwar an der Durchdringungsstelle des Einfüllrohres.
Die Vertiefung 38 dient zum Auffangen von Schwitzwasser, das sich allenfalls auf der Aussenseite des Einfüllrohres 21 bildet. Der rohrartige Mantel 37 ist am Träger 4 befestigt.
Ausserhalb des Tubus 5' ist erfindungsgemäss eine als Ganzes mit 61 bezeichnete Heizvorrichtung angeordnet, welche oberhalb des Spiegels 22 auf die Tubusaussenseite einwirkt. Die Heizvorrichtung besteht aus einem Quarzrohr 62, das in Achsrichtung verlaufende und über den Umfang verteilte Hohlräume 63 aufweist, in deren Inneren elektrische Heizspiralen 64 angeordnet sind. Die Stromzufuhr zu den Heizspiralen erfolgt über die Leitung 65.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Quarzrohr 62 und den Tubus 5'.
Im Betrieb der geschilderten Einrichtung wird bei vorerst ausgeschalteter Zufuhr des abzufüllenden Gutes aus der Bahn 5 der Tubus 5' geformt und dieser durch Zusammendrücken mit Hilfe der Pressbacken 10 und 11 zu vorläufig leeren Behältern geformt. Gleichzeitig wird die Heizeinrichtung 61 eingeschaltet und unter dem Einfluss der von ihr auf die Tubusaussenseite einwirkenden Wärmestrahlung wird die Tubusinnenseite auf Sterilisationstemperatur erhitzt. Ferner wird vorteilhaft bei immer noch abgeschalteter Zufuhr des abzufüllenden Gutes vorübergehend aus einer nicht gezeichneten Quelle Heissluft oder ein anderer geeigneter Wärmeträger durch das Rohr 21 geführt. Auf diese Weise wird das Rohr selbst und die übrigen im Inneren des Tubus befindlichen Organe wie Schwimmer 9, Verschlusskörper 33 und Mantel 37 durch die nach oben entweichende Heissluft sterilisiert.
Gleichzeitig werden allfällig im Luftraum des Tubus befindliche Keime ebenfalls vernichtet.
Hierauf wird die Zufuhr von Heissluft in das Rohr 21 unterbrochen und das abzufüllende Gut z. B. sterile Milch - durch das Rohr 21 in das Tubusinnere eingeführt. Die durch die Pressbacken 10, 11 erzeugten verschlossenen Packungen sind vollständig mit dem Gut gefüllt.
Durch die Wärmeeinwirkung der Heizeinrichtung 61 auf die Tubusaussenseite fliesst Wärme durch die Tubuswand auf die Tubusinnenseite und bewirkt einen solchen Temperaturanstieg der anschliessend mit dem abzufüllenden Gut in Berührung kommenden Innenwand des Tubus, dass auf ihr befindliche Keime mit Sicherheit vernichtet werden. Hierzu genügt beispielsweise eine Erhitzung der Tubusinnenseite auf eine Temperatur von etwa 100 bis 3000, je nach Tubusgeschwindigkeit.
Die zwischen Verschlusskörper 33 und dem Flüssigkeitsspiegel 22 gefangene Luft erhitzt sich derart während des Betriebes der Vorrichtung, dass allfällig von oben durch die Tubusöffnung 36 zwischen Tubusinnenseite und Verschlusskörper 33 nach unten vordringende Keime ebenfalls vernichtet werden.
Fig. 3 zeigt eine der Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechende Verpackungs- und Abfüllmaschine, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Tubusaussenseite wird jedoch nicht durch Wärmestrahlung erhitzt, sondern in Berührung mit einem strömungsfähigen Wärmeträger gebracht. Zu diesem Zweck ist ein im Betrieb der Maschine den Tubus 5' umschliessendes Mantelrohr 28 vorhanden, das mit dem Tubus 5' einen Spalt 29 bildet. Im Mantelrohr ist eine Öffnung 30 vorhanden, welche vom ringförmigen Verteilkanal 31 umschlossen ist, in welchen die Leitung 32 mündet.
Diese ist über ein Ventil 43 an den Ventilator 44 angeschlossen, der Umgebungsluft ansaugt. In der Leitung 32 ist eine z. B. als elektrische Heizwicklung 45 ausgebildete Erhitzungsvorrichtung angeordnet.
In Strömungsrichtung der angesaugten Luft ist nach der Erhitzungsvorrichtung 45 ein Filter 47 angeordnet, das von der angesaugten Luft mitgeführte Keime zurückhält; auf seine Bedeutung wird später eingegangen. Die geschilderte Anordnung ermöglicht, im Betrieb in den Spalt 29 zwischen Tubus 5' und Mantelrohr 28 erhitzte Luft mit einer Temperatur von z. B. 3000 C einzuführen. Die Erhitzung der Tubusaussenseite lässt Wärme durch die Tubuswand hindurchtreten, so dass die Tubusinnenseite auf eine zur Sterilisierung ausreichende Temperatur erhitzt wird.
Weil sich das Mantelrohr 28 über das Ende des Einfüllrohres 21 hinaus bis in den Bereich der Pressbacken 10, 11 erstreckt, ist sein Unterteil flexibel ausgebildet. Zu diesem Zweck ist an dem aus Metall bestehenden Oberteil 28a ein Schlauch 28b mit Hilfe des Ringes 28c aufgeschraubt. Der Schlauch 28b besteht vorzugsweise aus hitzebeständigem Kunststoff, z. B. aus einem Polymerisationsprodukt von Tetrafluoräthylen.
Das Einfüllrohr 21 für die abzufüllende Flüssigkeit ist von einem am unteren Ende offenen Rohr 53 umschlossen, das über die Leitung 54 mit der Leitung 42 in Verbindung steht. In der Leitung 54 befindet sich das Ventil 55, ferner ein Filter 57 zum Zurückhalten mitgeführter Keime und eine Erhitzungsvorrichtung 56, die ebenfalls als elektrische Heizwicklung ausgebildet ist. Schliesslich ist die Leitung 54 über die Leitung 58 mit dem Einfüllrohr 21 verbunden; die Leitung 58 weist ein Absperrventil 59 auf. In der Einfülleitung 21 ist das Absperrventil 51 angeordnet.
Zur Inbetriebnahme der geschilderten Vorrichtung wird vorerst durch die Leitung 32 erhitzte keimfreie Luft mit einer Temperatur von beispielsweise 3000 C in den vom Mantelrohr 28 umschlossenen Raum eingeführt. Desgleichen wird eine Teilmenge der vom Ventilator geförderten Luft bei eingeschalteter Heizwicklung 56 durch die Leitung 54 dem Einfüllrohr 21 und dem Rohr 53 zugeführt.
Beide Massnahmen dienen der Anfangs sterilisierung der Vorrichtung, und zwar werden so einerseits das Innere des Einfüllrohres 21 und des Rohres 53 und anderseits die von der Heissluft im Inneren des Mantelrohres 28 umspülten Teile wie die Aussenseite des freien Unterteiles des Einfüllrohres 21 und die Schwimmervorrichtung 9 sterilisiert.
Nachdem Gewähr besteht, dass alle später im Inneren des Tubus 5'befindlichen Teile sterile Oberflächen aufweisen, wird der Heizschuh 7 eingeschaltet, und die Bahn 5 auf geeignete Weise eingeführt und innerhalb des Mantelrohres 28 nach unten gestossen, bis der Tubusanfang von den umlaufenden Pressbacken 10, 11 erfasst und durch deren Bewegung nachgezogen wird, wobei die zur Ober- lappung gebrachten Seitenränder der Bahn unter Bildung einer Längsnaht verschweisst werden. Der Tubus steht nunmehr einzig durch seine Öffnung 36 mit der Aussenluft in Verbindung.
Die so gebildeten Packungen sind mit Luft gefüllt. Um ein Ansaugen von keimhaltiger Umgebungsluft zu verhindern, kann vor dem Einführen des Tubusanfanges in das Mantelrohr 28 zweckmässig die Heizwicklung 56 abgeschaltet werden, so dass bei geöffneten Ventilen 59 und 60 sterile Kaltluft in die Leitung 54 und weiter durch die Rohre 21 und 53 in das Tubusinnere strömt. Die vorerst gebildeten Packungen sind also mit steriler Luft gefüllt. Die im Überschuss zugeführte sterile Kaltluft strömt aufwärts gegen die Tubusöffnung 36. Auf diese Weise wird eine das Eindringen von Umgebungsluft in das Tubusinnere verhindernde Gasströmung erzeugt.
Mit Hilfe des Ventils 60 kann die dem Rohr 53 zugeführte Luftmenge zweckmässig so dosiert werden, dass im Betrieb zwischen Aussenseite des Rohres 53 und Tubusinnenseite eine nur kleine Luftgeschwindigkeit entsteht, um eine unerwünschte Kühlung der Tubusinnenseite zu verhindern. Unter Umständen kann auch die Heizwicklung 56 durch Regelung des ihr zugeführten Stromes dauernd so betrieben werden, dass die dem Inneren des Rohres 53 zugeführte Luft eine erhöhte Temperatur aufweist.
Nach der geschilderten Anfangs sterilisierung wird nun das Ventil 59 geschlossen und das Ventil 21 geöffnet, derart, dass an Stelle von steriler Luft nun das abzufüllende sterile Gut, z. B. Milch, eingeführt wird. Die durch die Pressbacken 10, 11 erzeugten verschlossenen Packungen sind vollständig mit dem abzufüllenden Gut gefüllt. Ein Eindringen von Keimen wird durch die aus dem unteren Ende des Rohres 53 austretende und im Tubusinneren nach oben steigende sterile Luft verhindert. An Stelle von Luft könnte auch Stickstoff oder ein anderes inertes Gas durch das Rohr 53 in das Tubusinnere geführt werden. Stickstoff von Raumtemperatur ist spezifisch schwerer als die Umgebungsluft, so dass im Tubusinneren ein bleibendes Gaspolster erzeugt werden kann.
Das geschilderte Verfahren setzt eine gewisse Widerstandsfähigkeit des Verpackungsmaterials gegen erhöhte Temperaturen voraus. Besonders geeignet erweist sich beispielsweise Verpackungsmaterial, das als dünne Metallfolie ausgebildet ist oder aber auf einer Papierseite oder zwischen zwei Papierlagen eine Metallfolie aufweist. Für verhältnismässig empfindliche Verpackungsmaterialien - z. B. bei gewissen Papierarten - kann unter Umständen die notwendige Wärmeeinwirkung nachteilige Folgen haben. Es empfiehlt sich dann z. B. eine chemische Vorbehandlung des Verpackungsmaterials, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Hier durchläuft das bahnförmige Verpackungsmaterial 71 ein Flüssigkeitsbad 72, bevor es in die Abfüll- und Verpackungsmaschine 73 eintritt. Im Flüssigkeitsbad 72 befindet sich eine chemische Lösung, z.
B. 15prozentige Wasserstoffperoxydlösung, die eine schädigende Wirkung auf Keime ausübt, so dass zur restlosen Vernichtung der Keime eine niedrigere Temperatur als ohne Verwendung dieses Flüssigkeitsbades angewendet werden kann.
An Stelle der geschilderten chemischen Vorbehandlung könnte aber auch zusätzlich im Tubusinneren eine Heizeinrichtung angeordnet sein, welche zusätzlich zum Energietransport von der Tubusaussenseite her zur Erhitzung der Tubusinnenseite beiträgt. Eine entsprechende Ausführungsform ist in Fig. 5 veranschaulicht. In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein Mantelrohr 81 vorhanden, wobei über die Leitung 82 in den zwischen Tubus 83 und Mantelrohr 81 befindlichen Spalt 84 Heissluft oder ein anderer Wärmeträger eingeführt werden kann. Zusätzlich zu dieser Wärmeeinwirkung von der Tubusaussenseite her ist am Einfüllrohr 85 eine in Form eines elektrischen Strahlers ausgebildete Heizeinrichtung 86 vorhanden, deren Wärmestrahlung direkt zur Erhitzung der Tubusinnenseite beiträgt.
Die Zufuhr des elektrischen Heizstromes erfolgt über Leiter 87, die nach oben aus dem offenen Tubusende herausgeführt sind. Weil die Heizeinrichtung 86 nur einen Teil der zur Sterilisierung nötigen Wärme abgeben muss, kann sie entsprechend klein ausgebildet sein, so dass sie auch bei geringen Tubusdurchmessern noch Platz findet.
Fig. 6 veranschaulicht schliesslich eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Erhitzung der Tubusinnenseite auf elektrischem Wege erfolgt.
Zu diesem Zweck wird der Tubus von zwei zylinderförmigen Schalen 91 und 92 aus einem elektrisch leitenden Metall umschlossen. Zwischen den beiden Schalen 91 und 92 wird mit Hilfe der an einen Hochfrequenz-Generator gekoppelten Leiter 93 und 94 ein hochfrequentes Kondensatorfeld erzeugt, z. B. mit einer Frequenz von 15 MHz. Auf diese Weise wird durch Energietransport von der Tubusaussenseite her eine dielektrische Erwärmung der Tubuswand und damit der Tubusinnenseite erreicht. Anstelle zweier äusserer Halbschalen 91 und 92 könnte beispielsweise auch ein den Tubus umschliessender Hohlzylinder vorgesehen sein, wobei das elektrische Feld zwischen ihm und einer im Tubusinneren befindlichen Elektrode erzeugt wird; als Innenelektrode könnte unter Umständen direkt das Einfüllrohr benutzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr könnten auch anders ausgebildete, auf die Tubusaussenseite einwirkende Heizvorrichtungen oder andere Wärmeträger benützt werden. Bei metallischer Tubuswand bzw. bei Verpackungsmaterial, das eine Metallfolie neben Papier- oder Kunststoffschichten aufweist, kann eine Erhitzung auch auf induktivem Wege erfolgen, z. B. mit Hilfe einer den Tubus umschliessenden Spule, die ein elektrisches Feld mittlerer oder hoher Frequenz erzeugt. In der Metallschicht werden dann Wirbelströme erzeugt, die zu einer Erwärmung führen.
Auch kann die geschilderte Vorrichtung zum Abfüllen und Verpacken anderer fliessfähiger Verpackungsgüter als Milch dienen, z. B. auch von fliessfähigen Pulvern.