DE10220695A1

DE10220695A1 - Vorrichtung zum Entfernen von Sauerstoff aus Getränkebehältern

Info

Publication number: DE10220695A1
Application number: DE10220695A
Authority: DE
Inventors: Jens H Poepplau
Original assignee: Alplas GmbH
Current assignee: Alplas GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-27
Also published as: WO2003095353A1; US20050180900A1; AU2003240608A1; EP1507740A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Entfernen von O¶2¶ aus luftgefüllten Behältern (1) vor deren Befüllung mit einem Getränk ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (2) vorgesehen ist, die den Behälter (1) mit einer zu einem für Lebensmittel unbedenklichen Oxidationsprodukt oxidierbaren Substanz beschickt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Art.

Getränke, wie z. B. Bier, Limonaden und dergleichen werden vom im Getränk enthaltenen Sauerstoff (O₂) durch Oxidation geschädigt. Dies führt insbesondere zu Geschmacksveränderungen. Beim Abfüllen von Getränken muß daher für einen niedrigen O₂-Anteil Sorge getragen werden. Ein weiterer wichtiger Punkt beim Abfüllen von Getränken ist die Sterilität. Es muß vermieden werden, daß biologische Keime in das Getränk geraten, da diese sich im Getränk vermehren, insbesondere bei nicht mit Kohlensäure angereicherten Getränken sowie bei stark zuckerhaltigen Getränken, wie z. B. Eistee. Auch Keime beschränken daher die Haltbarkeit des Getränks wesentlich.

Auch wenn Getränke hochwertig vorbereitet, also O₂-frei und keimfrei zur Abfüllung gelangen, kommt es beim Abfüllvorgang stets zu einer Anreicherung mit O₂ durch die vor dem Befüllen im Behälter befindliche Luft. Gattungsgemäße Vorrichtungen verhindern die Sauerstoffanreicherung beim Befüllen durch Entfernen des O₂ aus dem luftgefüllten Behälter.

Im Stand der Technik sind dazu verschiedene Vorrichtungen bekannt. Der Sauerstoff kann aus dem Behälter durch Evakuieren vor dem Befüllen entfernt werden oder durch Spülen des Behälters mit Inertgas, wie z. B. CO₂. Es ist auch bekannt, in einem mit Inertgas gefüllten Raum zu befüllen. Alle bekannten Vorrichtungen dieser Art bedingen jedoch einen erheblichen apparativen Aufwand und können das Problem der Keimkontamination nur mit zusätzlichen aufwendigen Sterilisiereinrichtungen lösen, die beispielsweise mit einem elektrisch erzeugten Plasma arbeiten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion eine langfristige Haltbarkeit des Getränks gewährleistet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Innenraum des Behälters mit einer oxidierbaren Substanz beschickt. Diese verbraucht den vorhandenen Sauerstoff durch Oxidation. Auf einfache Weise kann der Sauerstoff dadurch restlos entfernt werden. Da es sich bei dem Oxidationsvorgang um einen exothermen Prozeß handelt, entsteht Wärme, durch die die vorhandenen Keime abgetötet werden. Mit einer konstruktiv sehr einfachen Vorrichtung, die im einfachsten Fall lediglich ein Rohr zum Einführen von z. B. Wasserstoffgas benötigt, können gleichzeitig die beiden wesentlichen Prozesse der Sauerstoffentfernung und der Entkeimung durchgeführt werden, die für langfristig haltbare Getränke erforderlich sind. Dabei erfolgt beim Beschicken des Behälters mit einem oxidierbaren Gas oder Staub (z. B. Kohlestaub) eine gleichmäßige Verteilung im Volumen des Behälters praktisch von selbst durch Verwirbelung, so daß das Volumen des Behälters gleichmäßig und restlos behandelt wird.

Die Substanz kann hochreaktiv, also selbstzündend sein. Dazu können z. B. hochreaktive Stäube, wie sehr feiner Kohlenstoffstaub verwendet werden. Vorteilhaft sind jedoch die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Mit der Zündeinrichtung können auch nicht selbstzündende Substanzen verwendet werden und es läßt sich gezielt die Zündung auf einen betriebstechnisch passenden Zeitpunkt legen. Es wird also ein konstruktiver Freiheitsgrad geschaffen. Dabei kann vorteilhaft gemäß Anspruch 3 eine Funkenstrecke im Behälter angeordnet werden, die nach Art einer Kfz-Zündkerze arbeitet.

Beim Ablauf des Oxidationsvorganges, zumindest, wenn dieser mit ausreichender Reaktionsgeschwindigkeit abläuft, entsteht im Innenraum der Flasche eine ein Plasma ausbildende chemische Flamme. Deren Energiegehalt kann zur restlosen Vernichtung vorhandener Keime zu gering sein. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Damit wird das Plasma elektrisch nachgeheizt, womit sich die thermische Energie vergrößern läßt. Mit der Strombeaufschlagung des chemisch erzeugten Plasmas kann auch die Form des Plasmas beeinflußt werden, so daß z. B. das Plasma gezielt in die Nähe der Innenwände des Behälters geführt werden kann, um diese zu sterilisieren.

Vorteilhaft kann dazu gemäß Anspruch 5 mit HF-beaufschlagten Elektroden Energie in das Plasma gepumpt bzw. dieses in gewünschter Weise geformt werden.

Alternativ dazu kann gemäß Anspruch 6 durch mit hochspannungsbeaufschlagten Spitzenelektroden ein aufheizender Strom durch das Plasma geschickt werden.

Bei Verwendung von hochspannungsbeaufschlagten Spitzenelektroden können diese vorteilhaft gemäß Anspruch 7 mit einer zum Zünden ausreichenden Spannung betrieben werden, so daß eine gesonderte Zündeinrichtung entfällt.

Die oxidierende Substanz kann in geringerer oder größerer Menge zugegeben werden. Danach würde nach Ablaufen der Reaktion noch Sauerstoff oder Substanz übrigbleiben. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 8 vorgesehen. Bei Zugabe der Substanz in stöchiometrischem Verhältnis zum im Behälter vorhandenen O₂ erfolgt eine restlose Umsetzung, so daß nur das für Lebensmittel unbedenkliche Reaktionsprodukt in der Flasche verbleibt, z. B. Wasser.

Als oxidierende Substanz sind z. B. Stäube, wie insbesondere Kohlenstoffstaub geeignet, der zu CO₂ oxidiert. CO₂ ist ohnehin in den meisten Getränken enthalten und daher unbedenklich. Vorteilhaft sind jedoch die Merkmale des Anspruches 9 vorgesehen. Aus H₂ und O₂ ergibt sich als Endprodukt Wasser. Die sich ergebende Knallgasreaktion ist außerdem sehr hochenergetisch und gut zur Beseitigung von Keimen geeignet sowie zur Ausbildung eines elektrisch aufheizbaren Plasmas.

Alternativ kann gemäß Anspruch 10 CO verwendet, daß zu CO₂ oxidiert. Alternativ kann vorteilhaft gem. Anspruch 11 CH₄ (Methan) verwendet werden, das zu CO₂ und Wasser reagiert und sehr kostengünstig verfügbar ist. Auch höhere Kohlenwasserstoffe sind zu diesem Zweck verwendbar.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann gemäß Anspruch 12 vorteilhaft eine oxidierbare Substanz verwendet werden, die ein als Wandbeschichtungsmaterial geeignetes Oxidationsprodukt ergibt. Vorteilhaft gemäß Anspruch 13 ist dazu SiH₄ (Silan) geeignet, das als Gas gut im Behälter verteilbar ist und zu SiO₂ reagiert, einem Material, das hervorragend zur Beschichtung der Innenwand von Kunststoffflaschen geeignet ist und dieser eine höhere Sperrwirkung gegen den Durchtritt von Gasen vermittelt. Auch andere üblicherweise bei der Herstellung von Kunststoffgetränkebehältern für die Bildung von Barriereschichten verwendete flüssige Substanzen, wie HMDSO, TEOS, TMOS können in zerstäubter Form für diese Zwecke verwendet werden. Derart behandelte Kunststoffflaschen halten langfristiger die in Bier und Limonaden enthaltene Kohlensäure und sperren gegen den Eintritt von Sauerstoff.

Ein ähnlicher Effekt kann alternativ mit den Merkmalen des Anspruches 14 erhalten werden, durch Beigabe einer zu einem Wandbeschichtungsmaterial reagierenden Hilfssubstanz. Als Hilfssubstanz können Monomere verwendet werden, die bei der Oxidationsreaktion der oxidierbaren Substanz zu Polymeren, wie z. B. Polystyrol reagieren. Die sich ergebenden Polymere schlagen sich auf der Innenwand des Behälters nieder und ergeben auf diesem wiederum eine Erhöhung der Gassperrwirkung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sollte dafür Sorge tragen, daß die erfindungsgemäße Sauerstoffbefreiung und Entkeimung des Innenraumes des zu befüllenden Behälters nicht durch von außen eindringende verunreinigte Frischluft wieder aufgehoben wird. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 15 vorgesehen. Arbeitet die Erfindungsgemäße Vorrichtung in einem mit Inertgas gefüllten Raum, so wird jede nachträgliche Verunreinigung des Behälters vermieden.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 16 vorgesehen. Wird vor der Zugabe der oxidierbaren Substanz der Innenraum des Behälters mit einem Inertgas gespült, so wird dadurch bereits der Sauerstoffgehalt im Behälter verringert. Es muß daher anschließend nur eine geringere Menge oxidierbarer Substanz zugegeben werden und verringert sich der Energiegehalt der ablaufenden chemischen Reaktion. Auf diese Weise läßt sich der Verbrauch an oxidierbarer Substanz verringern, und es läßt sich die Wärmeerzeugung bei der chemischen Reaktion verringern. Auf diese Weise wird in dem ablaufenden Prozeß ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Einflußnahme gewonnen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Schnitt durch einen Behälter und
Fig. 2 in Ansicht gem. Fig. 1 eine Ausführungsvariante.
Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der an dem Behandlungsplatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nicht dargestellten Haltemitteln angeordnet ist. Es handelt sich beispielsweise um eine heute übliche Kunststoffflasche aus PET.
Die dargestellte Vorrichtung weist ein Beschickungrohr 2 auf, das mit seiner Mündung 3 in den Innenraum der Flasche 1 bläst. Über ein Ventil 4 steuerbar kann das Beschickungsrohr 2 aus einem nicht dargestellten Druckvorrat eine Substanz in Richtung der Pfeile in die Flasche 1 blasen.
Geeignete Substanzen müssen oxidierbar sein, und zwar zu einem Oxidationsprodukt, das für Lebensmittel unbedenklich ist. Es komme in Frage z. B. Stäube, insbesondere feiner Kohlenstoffstaub, der zu für Getränke unschädlichem CO₂ oxidiert. Ferner sind eine Reihe von Gasen, wie insbesondere H₂ (Wasserstoff), CO (Kohlenmonoxid) und CH₄ (Methan) geeignet, die zu Wasser, CO₂ bzw. CO₂ und Wasser oxidieren, also zu für Getränke völlig unbedenklichen Substanzen. Auch geeignete oxidierbare Flüssigkeiten können in zerstäubter Form verwendet werden.
Der Behälter 1 ist in der dargestellten Vorrichtung offen aufgestellt und mit Luft gefüllt. Er enthält somit einen Anteil von O₂ (Sauerstoff). Bei Einblasen der Substanz entsteht ein reaktives Gemisch, wobei durch das Einblasen eine gute Vermischung im gesamten Innenvolumen der Flasche 1 entsteht.
Die Oxidationsreaktion kann, z. B. im Fall der Knallgasreaktion (O₂ mit H₂) gezündet werden. Dazu weist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eine Zündeinrichtung auf, mit einem einen Hochspannungsimpuls erzeugenden Zündgenerator 5, der über ein Zündkabel 6 zwei im Innenraum der Flasche 1 angeordnete Elektroden 7 mit einem Zündspannungsimpuls beaufschlagt. Durch geeignete Steuerung der Zündeinrichtung kann die Zündung auf einen prozeßtechnisch geeigneten Zeitpunkt gelegt werden.
Beim Ablauf der Oxidationsreaktion wird der in der Flasche 1 enthaltene Sauerstoff verbraucht. Das Ventil 4 im Beschickungsrohr 2 ist dabei insbesondere derart zu steuern, daß die Substanz in einer Menge zu gegeben wird, die dem stöchiometrischen Verhältnis zum in der Flasche 1 enthaltenen Sauerstoff entspricht. Dann werden sowohl Substanz wie auch Sauerstoff restlos verbraucht.
Die ablaufende exotherme Oxidationsreaktion ergibt z. B. bei der Knallgasreaktion eine sehr starke Aufheizung des Gases in der Flasche mit Plasmabildung. Dadurch werden in der Flasche enthaltene biologische Keime zerstört. Reicht die chemische Energie hierfür nicht restlos aus, so kann, wie in Fig. 1 dargestellt, das Plasma elektrisch nachgeheizt werden.
Dazu sind zu beiden Seiten der Flasche 1 Elektroden 8 angeordnet, die über die dargestellten Leitungen an einen Hochfrequenzgenerator 9 angeschlossen sind. Ist dieser während des Ablaufes der Oxidationsreaktion eingeschaltet, so wird Hochfrequenzenergie in das Plasma gepumpt und heizt dieses zusätzlich zur chemischen Umsetzungsenergie auf. Das angelegte Hochfrequenzfeld kann jedoch auch anstelle zur Aufheizung z. B. zur Formung des chemisch erzeugten Plasmas im Behälter verwendet werden, um das Plasma beispielsweise in Richtung auf die Behälterwände zu lenken, um dort einen sterilisierenden Effekt zu erzielen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der soweit möglich dieselben Bezugszeichen, wie in Fig. 1 verwendet werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung beschickt wiederum die Flasche 1 über das Beschickungsrohr 2 mit oxidierbarer Substanz. Es sind jedoch über- bzw. unterhalb der Flasche Spitzenelektroden 10 angeordnet, die über die dargestellten Leitungen an einen Hochspannungsgenerator 11 angeschlossen sind. Dieser kann mit sehr hoher Spannung einen Zünddurchschlag ergeben, mit dem die Reaktion, z. B. die Knallgasreaktion gezündet wird. Außerdem kann der Generator 11 dazu verwendet werden, dem Plasma der ablaufenden Oxidationsreaktion durch Stromfluß zwischen den Spitzenelektroden 10 elektrische Energie zum Aufheizen oder zur Formsteuerung des Plasmas zuzuführen.
Wie Fig. 2 zeigt, endet das Beschickungsrohr 2 bei dieser Ausführungsform oberhalb des Randes des Behälters 1. Zum Behälterwechsel muß das Beschickungsrohr 2 also nicht angehoben werden. Diese Ausführungsform kann auch bei der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion verwendet werden.
Außer den bereits erwähnten Substanzen, wie z. B. Kohlenstaub, Wasserstoff, CO und dergleichen können auch oxidierbare Substanzen verwendet werden, die zu einem Oxidationsprodukt reagieren, welches als Beschichtungsmaterial geeignet ist. Insbesondere kann dazu SiH₄ (Silan) verwendet werden, das zu SiO₂ und Wasser reagiert. Das SiO₂ setzt sich nach Bildung auf der Innenwand des Behälters 1 ab und erhöht deren Gassperrwirkung. Das gefüllte Getränk wird dadurch also besser gegen eindringenden Sauerstoff und gegen Entweichen von CO₂ geschützt. Für diese Zwecke können in entsprechender Weise auch andere geeignete Substanzen, wie z. B. die Flüssigkeiten HMDSO, TEOS oder TMOS verwendet werden, die in zerstäubter Form zugegeben werden können.
Zur Erreichung desselben Zwecks kann auch zu einer der eingangs erwähnten oxidierbaren Substanzen, wie z. B. H₂ oder CO, die selbst nicht zu einem Wandbeschichtungsmaterial reagieren, eine Hilfssubstanz zugeführt werden, beispielsweise durch ein zweites Einführrohr 12, das in Fig. 2 dargestellt ist. Die Hilfssubstanz kann beispielsweise ein Monomer sein, das in der ablaufenden Oxidationsreaktion zu einem Polymer reagiert. Das Polymer setzt sich wiederum auf der Innenwand des Behälters 1 ab und verbessert dessen Gassperrwirkung.
In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird der Behälter 1 offen bearbeitet. Dabei kann von außen mit Sauerstoff und Keimen angereicherte Frischluft nachträglich in den Behälter einströmen. Um dies zu vermeiden kann in nicht dargestellter Weise die Vorrichtung in einem Raum angeordnet sein, der mit sterilem Inertgas gefüllt ist.
In den bisher dargestellten Ausführungsformen weist der Behälter 1 vor Zugabe der oxidierbaren Substanz in seinem Innenraum normale Luft auf, mit einem Sauerstoffanteil von etwa 20%, wie er in der normalen Atmosphäre herrscht. Es muß also in entsprechender stöchiometrischer Menge oxidierbare Substanz zugegeben werden und es läuft dann, gegebenenfalls nach Zündung, die Oxidationsreaktion ab. Dabei wird in durch den natürlichen Sauerstoffanteil vorgegebener Menge die oxidierbare Substanz verbraucht, und es entsteht bei dem ablaufenden exothermen Prozeß eine entsprechende Menge Wärme, die zu einer starken Aufheizung führt. Dabei wird viel oxidierbare Substanz verbraucht, und die entstehende Wärme kann zu Schädigungen, beispielsweise des Behälters, führen bzw. zu starken Explosionsdrücken.
Um diese Verhältnisse steuernd beeinflussen zu können, kann in einer Ausführungsvariante eine Spüleinrichtung vorgesehen sein, die den Behälter 1 zunächst mit einem Inertgas, wie beispielsweise CO₂, spült. Als Spüleinrichtung kann das Beschickungsrohr 2 verwendet werden, das in nicht dargestellter Weise über ein Umschaltventil außer an den Vorrat oxidierbarer Substanz auch an einen Vorrat von Inertgas angeschlossen ist.
Durch die vorherige Spülung des Behälters wird der Sauerstoffanteil im Innenraum verringert, beispielsweise von 20% auf 5%. Dazu reicht eine verhältnismäßig kurze Spülzeit. Anschließend wird durch das Beschickungsrohr 2 nach Umstellen des Umschaltventils in der zuvor beschriebenen Weise oxidierbare Substanz eingegeben, und zwar in einer Menge, die im stöchiometrischen Verhältnis auf den nach der vorhergehenden Spülung im Behälter verbleibenden Sauerstoffanteil abgestimmt ist. Es verringert sich der Verbrauch an oxidierbarer Substanz und auch die bei der exothermen Reaktion anfallende Energie.

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen von O₂ aus luftgefüllten Behältern (1) vor deren Befüllung mit einem Getränk, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (2) vorgesehen ist, die den Behälter (1) in einer über das Volumen des Behälters gleichmäßigen Verteilung mit einer zu einem für Lebensmittel unbedenklichen Oxidationsprodukt oxidierbaren Substanz beschickt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Volumen des Behälters (1) wirkende Zündeinrichtung (7, 10) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung eine innerhalb des Behälters (1) angeordnete Funkenstrecke (7) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (8, 10) zur elektrischen Strombeaufschlagung des beim Oxidationsvorgang entstehenden Plasmas vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung außerhalb des Behälters (1) angeordnete HF-beaufschlagbare Elektroden (8) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung äußere, mit Hochspannung beaufschlagbare Spitzenelektroden (10) aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung (des Generators 11) zur Zündung ausreichend gewählt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz im stöchiometrischen Verhältnis zum enthaltenen O₂ zugegeben wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz H₂ ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz CO ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz CH₄ ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zu einem als Wandbeschichtungsmaterial geeigneten Oxidationsprodukt oxidierbar ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz SiH₄ ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oxidierbaren Substanz eine bei der Oxidationsreaktion zu einem Wandbeschichtungsmaterial reagierende Hilfssubstanz beigegeben wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) von einem mit Inertgas gefüllten Raum umgeben ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spüleinrichtung (2) vorgesehen ist, die den Behälter (1) vor Beschickung mit der oxidierbaren Substanz mit Inertgas spült.