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充氮熱灌工藝在PET瓶飲料生產中的應用
發布日期 2025-11-17
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摘要
PET瓶熱灌裝工藝具有安全性高，操控性能好，投資少等優點，在飲料生產領域應用廣泛，但飲料從熱態到常溫過程中體積收縮產生負壓，給瓶體設計造成一定局限性，必須利用呼吸板塊吸收負壓，同時瓶體需采用厚加強筋以提高強度。充氮熱灌裝工藝是在傳統熱灌裝工藝的灌裝工序后，旋蓋前向瓶體內部注射液氮，通過氮氣在熱態和常溫下的壓力變化來消除負壓，去除呼吸板塊的設計限制；同時，通過液氮氣化增加瓶體內壓進而提高瓶體抗壓強度，打破加強筋過厚的約束，大幅提高了PET瓶體設計的自由度。
充氮熱灌工藝關鍵控制技術
充氮熱灌工藝是在傳統熱灌裝工藝的基礎上，在灌裝后、旋蓋前增加了液氮注入工序，利用液氮消除熱灌裝瓶體冷卻產生的負壓。圖1和圖2分別為傳統熱灌裝和充氮熱灌裝工藝流程，從圖中可以看到：充氮熱灌裝是在傳統熱灌裝工藝基礎上，增加了一個注氮工序，可以在現有的傳統熱灌裝平臺上進行改造，改造費用低、時間短。并且改造后可以靈活的在傳統熱灌裝工藝和充氮熱灌裝工藝之間進行切換，大大拓展生產線的生產能力，提升了生產線的利用。
圖1 傳統熱灌裝工藝流程
圖2 充氮熱灌裝工藝流程
充氮熱灌工藝過程中的壓力控制
氮氣的壓力控制是充氮熱灌工藝中最關鍵技術，液氮注入瓶體后會影響到整個產品的生命周期，其中有4個節點的壓力至關重要，分別是：P1—注氮旋蓋后的熱態內壓，P2—瓶體常溫冷卻后的冷態內壓，P3—生產24h后瓶體在常溫/4℃下的內壓，P4—貨架期后瓶體在常溫/4℃下的內壓。P1和P2主要用于生產過程控制，P3和P4是產品呈獻給消費者的最終狀態。
圖3 壓力與時間周期關系圖
為確保消費者飲用冷藏產品前，瓶體仍然具有一定的內壓，應滿足P4（4℃下）>=標準大氣壓+P保險值，P3=P4+P貨架期內泄露量；P3值確定后，根據阿伏伽德羅定律P=NRT/V推算P2和P1，并通過反復實驗，最終確定最優內壓控制參數。圖3為各個點壓力與時間周期的關系示意圖，從圖中可以看出，雖然隨著瓶體放置時間的增加，瓶體內壓呈下降趨勢，但生產24h后和12個月時瓶體在常溫/4℃下的內壓變化很小。不同PET瓶內壓控制參數不同，當瓶體或者生產工藝發生變化，內壓控制參數要進行一定調整。壓力測算時構建的壓力測算數學模型如表1所示，其中黃色部分是與工況相關的輸入參數。
表1內壓控制參數一覽表
PET瓶結構設計
充氮熱灌工藝降低了PET瓶重量，大大提高了瓶型設計自由度，優化了瓶體性能[12-15]。充氮熱灌工藝中PET瓶設計需注意以下事項[16-18]：
瓶底設計
充氮熱灌工藝要求瓶底設計時需采用底部強度高、不易變形的碳酸底設計[19]，或在碳酸底的基礎上進行優化（如圖4所示）。由于PET瓶在熱態下（85℃左右）要承受0.2MPa以上的壓力，只有高強度瓶底才能保持瓶底形狀；瓶底強度不夠時，會導致瓶底凸出，瓶體無法站立。
瓶身溝槽設計
PET瓶身溝槽最佳深度在0.3mm以內（如圖4所示），否則，在熱態下溝槽產生塑性拉伸，冷卻后無法恢復，致使溝槽變淺，瓶高加長。
圖4傳統熱灌與充氮熱灌工藝中瓶體結構形式對比
瓶體形狀設計
PET瓶盡量采用對稱結構，以保證瓶體的穩定性；非對稱結構瓶體在高溫高壓下易產生不均勻變形，冷卻后瓶高增加，甚至出現兩側高矮不均的“香蕉瓶”。
PET瓶生產過程控制
PET瓶生產過程中，瓶體結晶度和瓶底溫度控制至關重要。結晶度直接影響瓶體強度，同時也影響瓶體玻璃化溫度[20]。瓶體結晶度越高，在相同溫度下強度越好，同時玻璃化溫度越高，如圖5所示。
圖5 溫度對PET瓶硬度影響
瓶底厚度遠大于瓶身，冷卻速度低于瓶身，瓶底是瓶體離開吹瓶機后溫度最高的部位，因此當瓶體材料和吹瓶工藝確定時，降低灌裝時瓶底的溫度成為避免瓶底變形的關鍵因素[21-23]。充氮熱灌裝時，將吹瓶模具的底膜熱油冷卻改為底膜冷水冷卻[24]，同時增加3道瓶底冷卻工序，不但加快了吹瓶的底膜冷卻速度，而且保證瓶體在進入冷道前不發生變形[25]，具體如圖6所示。
圖6充氮熱灌裝中PET瓶體冷卻工藝示意圖
由于瓶底冷卻會造成瓶體降溫，為確保“倒瓶殺菌”的工藝效果，需要提高灌裝溫度0.5℃～1℃以保證倒瓶殺菌效果，具體提高溫度根據實際工況確定。
瓶體內壓的精度和穩定性控制
瓶體內壓的精度和穩定性，主要取決于兩個方面：一是液氮的注射精度，由液氮注射設備能力決定；二是液氮從注射到瓶體封口時間內的蒸發量和精度，即余留的氮氣量和精度。余留的氮氣量和精度取決于：（1）設備運行穩定性，對于吹灌旋一體機而言一般在95%以上；（2）氮氣注射噴嘴結構以及噴嘴和瓶口之間的距離，距離越近越好；（3）瓶體從注入液氮到旋蓋完成的時間，時間間隔越短越好；（4）灌裝車間環境溫度及穩定性，一般灌裝車間都是恒溫控制在25℃；（5）瓶體的液位控制及精度即頂隙空間的大小和精度。
液氮注射方法
液氮注射的方法有三種，一種是讓液氮不斷流出，由于瓶體間的間隙大，有效注射量=瓶口直徑/灌裝機節距（以φ38瓶體為例，一般為38mm/93mm=40%），造成很大浪費，速度變化還會造成壓力波動；第二種是間斷式注射，即每瓶注入定量液氮；第三種是由計算機控制可在任何速度（0～2400cpm）連續注射或者間斷注射，控制精度達±1.5%。
氮氣充填量及其精度控制
瓶體灌裝的液位控制，即瓶體容量與灌裝量之間的關系，決定了瓶體頂隙空間的大小。頂隙空間會影響產品效果：液位太低，降低消費者舒適度；液位太高，氮氣量少，不但會增大內壓波動，還會造成瓶體內壓低，冷卻后出現負壓現象。圖7為不同瓶體內壓下瓶內液位頂隙空間對比情況，因此不同瓶體需要進行反復測試方能確定合適液位。
圖7 不同瓶體內壓下瓶內液位頂隙空間對比
現場測試結果，表明了瓶體內壓與注氮量、液位的關系。如圖8所示：當液位高度一定時，瓶體內壓隨著注氮量的增加而增加，當注氮量超過瓶體可以容納的氮氣量時，瓶體內壓將達到一個峰值，且不再增加。如圖9所示：保持注氮量不變，瓶體內壓隨著液位的升高而增加，到達一個峰值后，瓶體內壓隨著液位的升高而降低。
注氮時間/ms
圖8 瓶體內壓與注氮量、液位的關系（灌裝液位不變）
瓶體容量/mL
圖9 瓶體內壓與注氮量、液位的關系（注氮量不變）
雖然影響因素多，但是氮氣的填充量及其精度還是可以很好地被控制。經過反復現場測試，找到合適液位后，可以很好地控制瓶體容量、灌裝液位、頂隙空間、內壓和瓶高拉伸變長等指標。圖10和圖11是一組600mL瓶體的測試數據：圖10瓶體容量為602.5+1mL，冷卻后瓶體高度222.8+0.4mm，圖11冷卻后內壓0.46+0.10bar。
圖10 600mL瓶體容量、冷卻后瓶體高度及冷卻后內壓測試數據
圖11 600mL瓶體容量、冷卻后瓶體高度及冷卻后內壓測試數據
充氮熱灌裝工藝對瓶底強度的影響及措施
即使充氮熱灌時瓶底采用碳酸底設計仍會出現瓶底開裂現象（如圖12所示），主要由兩個方面的原因造成：（1）材料應力開裂，與PET料性能、吹瓶工藝以及瓶體內液體PH值等因素相關，發生幾率很低，但一旦發生將是普遍性和災難性的。新材料、新工藝或新產品首次生產前，取瓶體樣品30支，在0.2%NaOH溶液中浸泡3h，無開裂視為合格。（2）外力沖擊造成的開裂，具有隨機性，主要是由于瓶底抗沖擊性能不足所導致。為此，需調整吹瓶工藝，增加瓶體底部中心小花瓣處的厚度以增加瓶底強度，減薄瓶底和瓶身接合處大花瓣的厚度以起到緩沖的作用。定期取樣，自2.5米高度，瓶口向上，并使瓶體軸線與水平方向成60°，自由落體跌至水泥地面，瓶不破裂為合格。
圖12 瓶底開裂
充氮熱灌工藝應用案例分析
達能（中國）食品飲料有限公司2017年“天方茶談”項目將充氮技術融入到傳統熱灌生產線上，實現了天方茶談產品快速上市，生產線運行穩定，各項指標良好，具體表現在如下幾個方面。
周期短，投資少
實現了產品包裝設計的突破。項目從設計到生產僅用時6個月；產能32000瓶/h的生產線改造費用約一百萬元，僅占一條全新熱灌線投資的8%，而投資相同產品的一條無菌生產線是熱灌線投資的150%。
產品質量穩定
無氮氣不足造成的相關投訴，產品在貨架期時內壓依然滿足要求，如表2所示：
表2 產品內壓跟蹤測試結果（對比大氣壓強）
注：P1為旋蓋后，熱態；P2為冷卻后，常溫；P3為24h后，常溫；P4為12個月后（常溫，4℃）
生產過程穩定，生產效率無明顯損失，氮氣消耗成本低
全年充氮熱灌產品生產效率約為95%，比熱灌裝產品低2%左右，主要由于氮氣吹掃造成。每瓶瓶體的液氮注入量為0.2g，氮氣綜合利用率為60%，氮氣成本約為0.5元/千瓶。
結論
充氮熱灌裝工藝是對傳統熱灌裝技術的拓展，投資少，見效快，大大增加了生產線的柔性，具有很好的投資經濟性；同時技術成熟、操作簡單，與熱灌裝技術具有相同的食品安全性保障。國內充氮熱灌工藝尚未廣泛使用，充氮熱灌裝工藝具有廣闊的應用空間。充氮熱灌工藝可以有效的突破傳統熱灌工藝的局限，充分利用現有產能，如通過充氮，突破熱灌裝對瓶型的限制，實現不同瓶型的熱灌產品生產；利用氮氣作為不活潑氣體的特性，可以對產品進行有效保護，助力氧氣敏感性產品的生產；通過充氮，增加產品的抗壓強度，可有效降低熱灌產品瓶體重量，實現節約增效，減少碳排放，保護環境；更可以支持新型PET材料（如：Bio-PET）的使用，實現綠色環保，助力循環經濟。
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