屋顶式包装机实现液态无菌包装机理

随着科学技术水平的不断提高与发展，无菌包装技术的应用范围逾来逾广泛。特别是近年来我国的乳品工业得到了迅猛的发展，乳类产品特别是液态奶的消费增长迅速。但由于我们国家液态奶的生产与消费存在着极大的不平衡，城市中的消费量比较大，生产基本上都在一些偏远的农村及牧场。因此，近年来各乳品厂纷纷对液态奶进行塑料膜无菌包装，这就大大延长了液态奶的保质期。但这种包装形式消费者饮用起来不方便、不卫生，而且大大增加了“白色污染”，不利于环保。属于一种最低档次的包装形式。液态奶的屋顶盒包装，消费者饮用起来非常方便、卫生，而且外型美观适合于超市的货架销售。包装盒是纸质型的包装材料，属于环保型的包装材料，有很大的发展前景。但由于乳品厂的液态奶屋顶盒包装没有实现无菌包装。不但它的保质期短，而且必须进行冷链销售。这就增大了它的销售成本，使它的销售价很高。目前只在一些大的宾馆、饭店里有一些消费，阻碍了这种包装形式的推广使用，使我国的液态奶的包装水平停滞在一个低的水平上，使乳品厂的屋顶盒包装机的使用率很低。如果能将无菌包装技术应用于鲜奶的屋顶盒包装，也就是在乳品厂现有的屋顶盒包装机上加上一套无菌处理设备，就能实现屋顶盒的无菌包装。大大降低屋顶盒装鲜奶的销售价格，这种方便饮用而且符合绿色包装的包装形式很快就会推广起来，并且能够带动液态奶的销售。推动我国乳品工业的发展，带动相关行业如畜牧业、包装机械、包装材料的发展。 1 屋顶盒包装机上实现无菌包装的技术关键 1．1 包装材料的灭菌 由于屋顶盒的包装材料是具有预制线的方筒形片状纸塑复合纸板材料，聚乙烯-纸板-聚乙烯，这类材料虽然在复合加工时的温度达到200℃左右，相当于对包装材料进行了一次灭菌处理，但在印刷、方筒型制作加工、贮运过程中又会产生微生物细菌的污染，因此在无菌包装时必须对包装材料进行杀菌处理。 包装材料的杀菌方法主要有物理方法和化学方法2种。物理方法主要有加热处理、紫外线辐射、高频电场处理等。由于屋顶盒为纸塑材料，进行加热处理，就会破坏屋顶盒的聚乙烯涂层，影响封接效果。高频电场处理在包装生产线上使用，安全性不易保证。紫外线杀菌就是用波长为250~270μm的紫外线照射包装材料，杀死包装材料上的细菌，使用紫外线杀菌虽然能起到一定的杀菌效果，但不能将包装材料上的细菌完全杀死。 化学方法主要有过氧化氢(H2O2)溶液灭菌。采用过氧化氢溶液对包装材料进行浸渍或喷淋，即可对包装材料进行灭菌。目前，各种单独使用双氧水进行杀菌的包装机一般采用30％~35％浓度的双氧水，并将温度加热至120℃左右，H2O2就分解成氧和水。新生态的[O]氧极为活泼，有较强的杀菌能力。但由于所使用双氧水浓度较高，包装材料上双氧水的残留量不易控制，从而影响包装物的质量。 但如果将紫外线照射与双氧水结合使用就会产生惊人的杀菌效果，图1所示为双氧水加紫外线与单独紫外线或单独双氧水杀菌效果的比较。低浓度的双氧水溶液(<1％)加上高强度的紫外线，只须在常温下就会产生很强的杀菌能力，比两者单独使用(即使在高温下用高浓度的双氧水)效果也要高百倍。 因此，在屋顶盒包装机中要对包装盒进行灭菌，就采用双氧水加紫外线相结合的方法。由于屋顶盒是一个个单独的片状纸盒，就不能象卷筒材料那样用双氧水进行浸泡。必须首先将片状纸盒用真空吸盘打开成方筒型、再将底部成型封接后，用浓度为0．1％过氧化氢溶液对其进行喷淋，结合使用一定的湿润剂，提高它的灭菌效果，一般需3~5s就能杀死细菌。同时辅以90~100℃的无菌热空气喷射，一方面增强过氧化氢溶液分解出的新生态氧的灭菌效能，另一方面蒸发掉屋顶盒内的残余过氧化氢溶液及水。同时，在纸盒输送链道的上方安装波长为250μm的强紫外线等对包装盒内外进行辐射杀菌，这样就保证包装材料即屋顶盒的无菌。 1．2 无菌室的形成 包装盒经灭菌后，如果将它置于空气中，空气中的微生物细菌就会对它进行2次污染。另外在灌装及屋顶盒的顶部封接过程中空气里的微生物细菌就会加入被灌装的牛奶或其它被灌装物中，形成污染。就需要杀菌后的纸盒输送区及牛奶的灌装区是无菌的，如果给这些区域送入无菌空气，也就是这些区域充满无菌空气，而且区域内无菌空气的压力大于外部的大气压，外部的空气不能侵入这些区域，那么这些区域就成为无菌室。 空气中含有大量的微生物细菌，如城市室外空气中一般含有103~105／m3左右的微生物，其中大部分是细菌如革兰氏阴性杆菌、芽孢杆菌、褐色球形固氮菌、金黄色葡萄球菌、过氧化氢酶阳性球菌、过氧化氢酶阴性球菌等，杆菌的宽度一般为0．4~1．0μm，长度为1~5μm；球菌的直径一般为0．4~2．0μm。还有约占10％的霉菌、酵母菌，它们的直径一般为1~10μm。它们都会对牛奶及其它被包装物产生污染，引起被包装物的腐败、变质。而这些细菌及霉菌的的直径最小为0．4μm，如果对这些空气进行粗、中、精三级膜过滤，精过滤膜孔径为0．25~0．3μm，经过滤后的无菌空气中不会含有直径大于0．3μm的粒子，也就是说不会含有污染被包装物的微生物。这些空气由鼓风机经过滤后再经过加热器的加热，变为热空气连续地送入无菌室，无菌空气在无菌室内形成20~30Pa的正压，这样，无菌室外的含有微生物的空气就不能进入。保证了经杀菌后的屋顶盒在灌装、顶部成型、顶部封接的整个过程中不会受到空气中的微生物的污染。另外，经过加热后的热无菌空气加速了喷在屋顶盒内的双氧水的氧化，也就是增强了它的杀菌能力及盒内水份及残余双氧水的蒸发。 1．3 CIP(Cleaning in Piace)清洗系统 对于无菌包装，CIP清洗系统非常重要，屋顶盒包装的主要是鲜奶或是果汁、饮料等，这些物料特别容易滋生细菌。每次生产结束后，必须对设备进行彻底的清洗，特别是料缸及灌装阀，根据选定的最佳清洗工艺，预先设定好清洗程序输入PLC控制器内，生产结束后机器就会自动运行清洗程序。为了保证清洗的干净，无菌包装机的管路、料缸及灌装阀采用以下的清洗程序： 1)用水预冲洗5~8min，将管道及料缸、灌装阀内剩余的鲜奶或饮料顶出。 2)用75~80℃的碱性洗涤剂(浓度为1．2％~1．5％的氢氧化钠溶液)冲洗15~20min。 3)用水冲洗5min。 4)用65~70℃的酸性洗涤剂(浓度为0．8％~1．0％的硝酸溶液或2．0％的磷酸溶液)冲洗15~20min。 5)用水冲洗5min。 每次清洗结束后，再用蒸汽进行杀菌。灌装头处的零件清洗干净后，应在50％~70％的酒精溶液中浸泡保存。 生产开始前，首先用消毒液或酒精擦拭纸盒架、心轴、底部成型器等部件，再用蒸汽对管道、料缸、灌装阀等进行蒸汽杀菌，然后对整个无菌区用双氧水进行喷雾杀菌。这样就保证了生产开始前整个机器的无菌。 2 屋顶型包装机的工作流程 如图2是作者对普通屋顶型包装机进行改造设计的屋顶型无菌包装机，它的各执行部件及工作流程如下： 1)储盒架。已预制好的片状纸盒储放在由几根立柱组成的盒架内，等待吸盘取下。 2)盒片打开。真空吸盘将盒片自盒架上取下并打开成方筒形盒，再由推板推入心轴。 3)心轴。套入纸盒内部，间歇运动至纸盒底部封接的各执行部件下，完成纸盒的底部封接。 4)底部加热。经加热至550℃的热空气由出风盒伸至底部张开的方盒内，将盒底内部四壁的聚乙烯膜加热熔化(不加热盒子的其余部分)。 5)底部折叠成型。当心轴转至底部成型器下时，推钩及成型板分别从纵横2个方向将盒底部折叠成型。 6)底部封接。压头压向已成型折叠好的盒底，并施加一定的压力，将盒底部已熔化的聚乙烯粘接在一起，完成了屋顶盒底部的封接。 7)取盒入链道。真空吸头将已完成底部封接的屋顶盒自心轴上取下放入链道中，由链道输送至完成后边的工艺。 8)输送链。将底部封接好的盒子间歇的向前输送至无菌区，无菌区内充满着经过滤的具有一定正压的热无菌空气。 9)双氧水喷淋。喷淋器将双氧水溶液和润湿剂的混合溶液喷洒在屋顶盒内部，对屋顶盒进行杀菌。 10)第1次紫外线杀菌。一定波长的紫外线对屋顶盒内部进行紫外线照射杀菌。 11)第2次紫外线杀菌—紫外线继续对盒子进行杀菌，同时，无菌区内的热空气加速了盒内的双氧水溶液的分解，并将盒内的水分蒸发。 12)顶部预折。折叠器将盒子的顶部折处一定的印痕，以备后边的顶部封接。 13)灌装头。活塞阀将牛奶自活塞腔中推出灌入经杀菌后的纸盒中，为了防止在灌装中牛奶在盒内产生泡沫污染盒顶，在加热时产生糊焦味，灌装阀下有一个灌装跟随装置，灌装过程中，屋顶盒随盒内液面的升高而下降，保持盒内液面在整个灌装过程中与灌装头的距离一定，减少了泡沫的产生。 14)顶部加热。火炉将加热至500℃左右的热空气吹向盒顶内壁，将盒顶内壁表面的聚乙烯层熔化。 15)顶部密封及日期打印。盒顶已熔化的屋顶盒在该处被封口钳加紧、密封，并由日期打印钳在此处压印出日期。这样，就完成了整个屋顶盒的包装程序。成品就出无菌区，送往装箱入仓库。 16)料缸。储存待灌装的牛奶，保持料缸内液面的基本恒定。 17)CIP清洗管道。生产结束后料缸、灌装阀及管道进行清洗，防止微生物的生长。 3 结 语 从上面的工艺过程可以看到，在现有的屋顶型包装机上加上无菌空气过滤器生成一个无菌区，再加上双氧水喷淋及紫外线的照射杀菌，实现了屋顶盒包装机的无菌包装。这样包装好的屋顶盒就不需要进行