百冠研發多功能無菌灌裝生產線

高郁林

2002 年匯源果汁集團巨資引進PET 瓶無菌冷灌裝生產線算起，國內已有20 年無菌冷灌裝技術的使用、研發、積累、突破經驗。

廊坊百冠包裝機械有限公司根據技術趨勢和客戶需求，于2019 年推出30000～36000b/h GWJX×HP 系列多功能無菌吹灌旋生產線，滿足多種產品生產需求，把無菌灌裝技術提升到了新高度。截至2021 年9 月底共售出21臺套?？蛻衄F場設備使用情況良好，無菌保持性穩定可靠，滿足了客戶多品類生產的需求。

一、PET 瓶無菌灌裝產品分類和定義

A）物料PH 值劃分：高酸產品，PH 值≤4.5。

低酸產品，PH值＞4.5，其中PH值在6～7之間定義為中性產品。

B）物料內容物劃分：清汁、濁汁、低粘度、高粘度、含纖維、含果粒等。

C）灌裝方式劃分：接觸式灌裝、非接觸式灌裝。

D）包裝形式劃分：碳酸產品、非碳酸產品。

百冠認為多功能無菌灌裝技術的定義是：一套無菌灌裝生產線同時滿足灌裝中性產品，滿足多內容物兼容灌裝能力，滿足接觸式與非接觸式灌裝且可快速切換，兼容含氣與不含氣產品的灌裝技術。

百冠 GWJX 生產線實現上述多功能灌裝，設備質量和無菌安全性達到國內先進水平，無菌生產周期達到120小時。該線集成專用的無菌混比系統，無菌工藝流程采用百冠成熟的“濕法殺菌”平臺研發，該平臺在國內有超過60 套的成熟應用，微生物安全性和機械穩定性可靠。該線完全兼容碳酸、非碳酸生產，并可延伸至敏感型非碳酸中性產品，兼容含果粒灌裝、含纖維灌裝、高低粘度物料灌裝。

二、百冠多功能無菌生產工藝要求

無菌灌裝生產技術的關鍵是保證灌裝、旋蓋后的飲料內部微生物控制在允許范圍內，即達到“商業無菌”。

為了保證無菌灌裝的成功，生產線必須滿足以下基本要求：

A）無菌料液 — UHT 殺菌及無菌罐保存，無菌保持周期≥120 小時。

B）無菌環境建立 — 灌裝主機無菌區域，通過標準COP、CIP、SIP、SOP 程序建立無菌環境。

C）無菌環境維持 — 初高效過濾環境空氣，保持正壓維持無菌環境。

D）空瓶和蓋子無菌 — 通過PAA 濕法殺菌達到包材無菌狀態。

E）無菌壓縮氣/無菌CO2— 無菌級過濾器過濾處理。

F）無菌水 — UHT 殺菌處理。

G）物料與CO2混比 — 無菌混比過程實現。

三、生產工藝流程圖

圖1.多功能無菌灌裝流程圖（碳酸生產示例）

圖1.是標準的多功能無菌灌裝生產工藝流程，滿足傳統常規無菌灌裝和碳酸無菌灌裝要求，在原標準無菌灌裝工藝流程中，增加CO2無菌處理、物料與CO2無菌混比過程，同時無菌灌裝主機灌裝系統采用多功能無菌灌裝閥，可實現非碳酸非接觸式灌裝和碳酸接觸式灌裝過程。同時，無菌線采用標準的中性培養基驗證方案，需要驗證無菌混比系統、無菌灌裝機系統、無菌罐系統的無菌性能，要求滿足120 小時的驗證標準。

四、GWJX25HP 設計要求

非碳酸吹灌旋主機速度達到40000 b/h（500ml）。碳酸吹灌旋主機速度：36000 b/h（500ml）。瓶型適用容量250 ～ 1500ml，直徑50 ～ 100 mm，瓶高150 ～300 mm。瓶坯材料PET，瓶口28mm。

五、項目設計無菌工藝參數

表1.無菌灌裝工藝參數

無菌灌裝安全性、穩定性最關鍵的工藝參數就是對設備的無菌狀態建立和殺菌保持，百冠通過多年的經驗積累，采用目前安全的濕法殺菌方式，對包材和機臺環境，進行徹底的殺菌，穩定達到表1 的殺菌強度要求。

六、主要結構和技術創新

生產線主要包括潔凈型吹瓶、空瓶殺菌、無菌水沖瓶、多功能灌裝、伺服旋蓋和蓋殺菌等單元。輔機部分包括無菌水制備、消毒液制備、無菌閥組控制、無菌緩存、CIP在線清洗、尾氣中和排放等單元，以及化學品供應中心等設備。集成多功能無菌灌裝閥、隔離式瓶提升系統、灌裝過程控制系統、無菌型混比系統、空瓶噴沖殺菌、蓋子殺菌沖洗與輸送、無菌水沖洗、無菌高速伺服旋蓋、灌裝無菌氣路分離、產品回路無菌保持、空瓶噴沖壓力檢測、無菌型氣液混合等多項自行研發新技術。

1.多功能無菌灌裝閥

無菌灌裝系統及灌裝閥是關鍵的部件。多功能灌裝閥結構設計的合理性關系到無菌灌裝過程是否穩定、可靠，并實現多功能灌裝的重要保障。百冠創新地進行了灌裝閥結構設計，研發出基于標準中心柱式灌裝技術的多功能無菌灌裝閥。見圖2。

灌裝方式采用碳酸產品接觸式等壓灌裝/非碳酸產品非接觸式非等壓灌裝方式；灌裝閥具有粗/精雙速灌裝方式，確保灌裝容量高精度；灌裝閥背壓和瓶內泄壓采用獨立回路系統設計，這種相互隔離的結構設計確保無菌安全性；同步兼容碳酸/非碳酸產品灌裝，無需任何換型件（瓶口尺寸相同）。灌裝閥中心柱“伸縮密封件”采用進口復合材料制造，保證關鍵零部件質量穩定可靠。灌裝閥可灌裝纖維或 3× 3×3 果粒產品（非接觸）。該灌裝閥在滿足無菌灌裝工藝性要求下，可進行標準的CIP 清洗/SIP 殺菌流程，各關鍵密封件/彈簧件等均達到年度維保時間≥6000 小時的標準要求。

2.隔離式瓶提升系統

圖2.多功能無菌灌裝閥

圖3.隔離式瓶提升系統

該部件在灌裝過程中，要滿足其上下往復升降運動，同時也要實現無菌灌裝機滑動部位的內/外機械隔離功能。該機構和多功能灌裝閥集成一體，維護簡單，全自動提升機構設計方案。根據產品特性自動設定“提升/不提升”狀態，完成碳酸產品接觸式灌裝，非碳酸產品非接觸式灌裝功能。灌裝隔離罩外部設有獨立驅動系統，實現上下升降動作，并通過動態“伸縮密封”實現內外非接觸隔離。

3.產品灌裝過程控制工藝

圖4.灌裝過程

碳酸灌裝過程：空瓶進-充氣等壓-慢速灌裝-快速灌裝-慢速灌裝-關閥靜置-排氣-靜置-排氣-實瓶出。根據物料產品配方特性，灌裝過程可以調整為“快速灌裝-慢速灌裝”或“全部快速灌裝”方式。

非碳酸灌裝過程：空瓶進-慢速灌裝-快速灌裝-慢速灌裝-關閥靜置-實瓶出。同樣根據物料產品配方特性，灌裝過程可以調整為“快速灌裝-慢速灌裝”或“全部快速灌裝”方式。

碳酸灌裝方式與非碳酸灌裝方式，通過程序可以實現一鍵切換產品品類和產品配方的在線轉換（接觸式灌裝與非接觸式灌裝的快速轉換）。各工位設定時間可根據產品物料特性，在人機界面上實現方便的參數調整，實現穩定的灌裝過程。

4.無菌型混比系統（碳酸無菌）

圖5.無菌型混比系統

該無菌碳酸生產過程的重要設備首先需要實現內部物料通道的無菌化設計，還要按氣液混合要求完成CO2自動在線混合，系統設有混合后物料無菌儲罐。關鍵混比核心硬件采用質量流量計控制CO2混合精度。根據客戶需求，可選配無菌型CO2在線監測儀，標配管式換熱降溫系統，集成獨立專用的CIP 清洗和SIP 殺菌功能，達到設備無菌工藝性要求。該系統標配快速灌裝產品切換裝置。CO2含量3-8.4 g/L( 6-12℃）。混比精度≤ ±0.1 vol。

5.空瓶噴沖殺菌單元

瓶內殺菌。標準雙大盤濕法噴沖殺菌，累計時間＞10s，耐腐蝕高分子材料噴嘴具有強勁的機械沖刷力，提高了殺菌劑化學效果，可以輕松去除冷污點。噴嘴可伸到瓶子內部，降低沖洗死角并提高滅菌效率，殺菌強度保證≥6 log。噴嘴噴沖壓力檢測傳感器具有低壓“監測報警”功能，保證壓力＞2.5 bar。

瓶外殺菌。定制角度扇形噴嘴具有強勁的機械和化學處理能力，對瓶口、瓶頸、瓶身和瓶底各外部全面徹底殺菌。上中下3 層均布置多道噴嘴，實現殺菌強度≥5 log。目前，采用濕法殺菌方式，瓶內殺菌強度可以非?？煽康倪_到所需要的殺菌強度，設備設計需要關注的是消毒液的殘留控制技術。

圖6.瓶外殺菌

6.蓋子殺菌、沖洗與輸送單元

螺旋盤式輸送浸泡噴沖殺菌時間＞60s，蓋殺菌槽內部配置多組噴嘴，保證強勁的機械和化學處理效果，保證蓋子達到全面的殺菌，殺菌強度≥6 log。并通過無菌水噴沖段、無菌氣吹氣瀝水和輸送段，最終保證蓋子的過氧化物殘留＜0.5 ppm。

圖7.蓋子殺菌、沖洗與輸送

同時，該系統配置“管式換熱管”，控制蓋子的溫度在45℃左右，保證消毒升溫在合理范圍內，避免過熱變形，影響后期旋蓋質量。

7.無菌水沖洗單元

獨特設計的螺旋噴嘴保證無菌水噴射水流均勻分布，噴沖壓力＞2.5 bar。多段間歇式噴沖，瓶內沖凈效率高且耗水量較低，保證過氧化物殘留＜0.5 ppm。噴嘴堵塞時，系統及時報警。

百冠研發專用高速噴沖壓力檢測傳感器系統，具有高低壓“監測報警”功能。

圖8.高速無菌型伺服旋蓋系統

8.高速無菌型伺服旋蓋系統

國內首創“高速無菌型伺服旋蓋”系統，配制一體式伺服電機及控制器+無菌隔離技術+無菌型旋蓋頭。相比傳統機械式旋蓋，無菌區死角少，利于COP 清洗和SOP消毒。更換蓋子時設備調整簡單方便。碳酸非碳酸產品切換時，旋蓋扭矩調整簡單方便，保證扭矩和不同蓋子匹配。內外無菌隔離采用電熱阻隔技術：旋蓋升降臂配置電加熱線圈，實現高溫無菌隔離，電加熱屏障溫度＞100℃，保證微生物滅活徹底，并具有低溫報警功能。自主研發伺服旋蓋軟件控制程序，具有生產過程“旋蓋扭矩異?！北O控報警和“旋蓋配方”快速切換功能。

七、GWJX 生產線優勢和前景

濕法殺菌是成熟穩定的殺菌技術。確保瓶內和蓋子殺菌能力 ≥ 6 log。確保無菌空間殺菌能力 ≥ 6 log。確保瓶子外部殺菌能力 ≥ 5 log。多功能無菌灌裝閥，滿足多種灌灌裝方式的無菌安全性。包材過氧化物殘留＜0.5 ppm。

兼容碳酸非碳酸、高酸低酸、高粘度、果粒（3×3×3）,快速產品換型和快速無菌切換。

高低酸產品連續生產周期最長達120 小時，期間無需短殺菌，生產效率≥95 %。

2020 年5 月首臺樣機在安徽滁州元氣工廠開始安裝，經過近兩個月的生產線連線、無菌灌裝系統調試，于同年7 月一次性通過120 小時中性培養基驗證，并順利投入生產。無菌灌裝產品包括系列氣泡水、加氣100%果汁、燃茶等產品，實現無菌灌裝的多功能生產。經檢測產品品質達到客戶的認可，產量、能耗等主要技術指標國內領先或超越國際同類產品。

目前，百冠GWJX 系列提供三種生產線，滿足客戶不同的速度需求，25HP（非碳酸40000 b/h 、碳酸36000 b/h）、15HP（ 非碳酸24000 b/h 、 碳酸20000 b/h）、10HP（非碳酸灌裝18000 b/h 、碳酸12000 b/h）。

2021 年9 月，百冠參與承擔國家“十三五”重點科研項目順利通過驗收，其中36000b/h 多功能無菌線被科技部專家委員會評定為“屬國內首創、技術國際一流、可替代進口”。