WO1998049089A1 - Verfahren und vorrichtung zum füllen von gebinden - Google Patents

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WO1998049089A1
WO1998049089A1 PCT/EP1998/002058 EP9802058W WO9849089A1 WO 1998049089 A1 WO1998049089 A1 WO 1998049089A1 EP 9802058 W EP9802058 W EP 9802058W WO 9849089 A1 WO9849089 A1 WO 9849089A1
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gas
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PCT/EP1998/002058
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Volker Till
Hans-Jürgen WALL
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GEA Till GmbH and Co
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GEA Till GmbH and Co
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/30—Filling of barrels or casks
    • B67C3/32—Filling of barrels or casks using counterpressure, i.e. filling while the container is under pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for filling containers, in particular kegs, with liquids in which at least one gas is dissolved, the container being pre-stressed with a biasing gas before filling the liquid, then the container via a filling valve of a filling station connected to a supply line Liquid supplied and the bias gas contained in the container is removed during the filling process, as well as a device for performing this method.
  • Carbonated beverages such as beer, only keep their C0 2 in solution if the partial pressure of the gas C0 2 above the liquid is at least as high as the saturation pressure in the liquid. If the gas pressure above the liquid is below the saturation pressure, the liquid loses C0 2 , but if the gas pressure is significantly higher, there is
  • the gas absorption is dependent on the differential pressure between the saturation pressure in the liquid and the partial pressure above the liquid, the time available for gas exchange, which is usually equivalent to the filling time of the container, and the size of the gas exchange surface, i.e. the Liquid surface. Due to the turbulence in the liquid during the filling process, the risk of gas absorption during filling is considerably increased.
  • the superimposed gas atmosphere affects not only the CO 2 , but also other gases present in the gas atmosphere, in particular oxygen, which is absorbed by the liquid according to the same laws.
  • oxygen is an important factor for the quality of the product in liquids that can be damaged by microorganisms or whose durability is endangered by the oxidation of liquid components.
  • a differential pressure between the supply line and the interior of the container is necessary.
  • the size of the differential pressure determines the inflow speed of the product.
  • the product is filled with turbulence at an initially low speed to avoid increasing the surface area, which is then slowly increased.
  • the container is pretensioned with a gas pressure that is significantly above the saturation pressure of the gas dissolved in the liquid.
  • the liquid itself is also kept at this pressure level by tanks or pumps and fed to the filling machine. After the container has been pretensioned to the pressure of the liquid supplied, a connection is established between the container and the supply line of the filling material.
  • Controlled draining of the prestressing gas in the container enables the filling material to flow into the container.
  • the differential pressure that builds up determines the flow rate of the liquid.
  • the gas outlet is throttled towards the end of the filling, and as a result the differential pressure between the interior of the container and the supply line decreases. Towards the end of the filling process, this results in a reduction in the filling quantity per unit of time, which enables precise switching off when a target quantity is reached.
  • This known method is referred to as "return gas control”.
  • the advantage of this The rule is that the gas pressure above the liquid is always above the saturation pressure of the product.
  • the preload pressure to be set is determined by experience. At the beginning of the filling process, the product should lose C0 2 due to turbulence that results in local negative pressures. This creates a deliberate artificial foam on the liquid surface, the bubbles of which only contain the released C0 2 and thus protect the product from contact with the overlying oxygen-containing gas atmosphere. During the further filling process, the turbulence and with it the local negative pressure disappear. The product resumes C0 2 during the remaining filling time. The trick is to achieve a balance between C0 2 loss and recovery depending on the C0 2 content, temperature, container size and calculated filling time.
  • the container In addition to the fact that the container must be biased far above the saturation pressure in the return gas control and the draining must be carried out in a controlled manner in order to achieve a controlled filling speed, the reduction of the filling speed in the last filling section is problematic. If the liquid inlet pressure remains constant, the flow rate can only be reduced if the differential pressure is reduced. In the known methods, the gas outlet is throttled (or, in extreme cases, prevented) and waited until the rising fill level has increased the back pressure to the desired value by compressing the remaining gas volume in the container. This period can be significant, especially for beer kegs. A 50 1 keg usually has an inlet cross-section DN21 and a maximum filling speed of 2.5 1 / sec at a differential pressure of 0.8 bar.
  • 15 1 must be used to reduce the speed Gas space can be compressed by 0.7 bar.
  • 15 x 0.7 10.5 1 liquid and due to the slowing filling speed about 8 seconds filling time are required.
  • Fast, precise regulation is therefore not possible, particularly in the case of possibly fluctuating inlet pressures.
  • the situation is even more critical if not only one gas (for example C0 2 ) but two gases (for example C0 2 and N 2 ) are deliberately dissolved in the product.
  • N 2 is added to beer because it has a foam-stabilizing effect.
  • Stout beer whose creamy, long-lasting foam is caused by the dissolved N 2 released when tapped.
  • N 2 and C0 2 have completely different solubilities and saturation pressure curves. While C0 2 easily dissolves and is difficult to get out of solution, it is extremely difficult to get N 2 into solution at all and it is very easy to remove N 2 even with the slightest turbulence. The balance between degassing at the start of filling and resumption of the lost gas during filling is almost impossible to find in 2-gas systems. The quality of the product to be filled is therefore fluctuating. An attempt is made to compensate for this by keeping the ratio of the gas atmosphere C0 2 to N 2 different from the proportion of the dissolved gases. However, this compromise is only valid for one temperature or one container size and only for one product supply pressure. It is impossible to master these many factors and their tolerances in terms of control technology.
  • Another disadvantage of the return gas control is that the container must be biased far beyond the saturation pressure with gas, usually C0 2 , in order to achieve a pressure drop that is still above the saturation pressure even during the maximum lowering of the internal pressure during the filling process of the gas. Since the gas is then released into the atmosphere, in addition to energy consumption an increased consumption of the greenhouse gas C0 2 the result. Furthermore, the operating staff is burdened by the high C0 2 emissions.
  • gas usually C0 2
  • the object of the invention is therefore to enable gentle filling and to reduce the consumption of biasing gas.
  • This object is essentially achieved with the invention in that the prestressing gas in the container is only biased to a partial pressure corresponding approximately to the saturation pressure of one of the gases dissolved in the filled liquid and in that the flow rate in the product supply line is measured and regulated directly by adjusting the product volume flow becomes.
  • the initially slow inflow of the product and the increase in the flow rate at the end of the filling are no longer controlled indirectly by modulating the internal pressure, but instead the product volume flow is regulated directly.
  • a major advantage of this new method is that the previously required installation of product pressure sensors can be dispensed with entirely, since these pressures are no longer decisive for the generation of the flow rate. As a result, the use of these highly accurate and sensitive sensors and their calibration calibration adjustment are no longer necessary.
  • the first, cold product flowing into the hot keg brings residual amounts of atmospheric sterile vapor in the container to sudden condensation.
  • the previously used pressure-modulating processes could not correct this pressure collapse quickly enough.
  • the new process solves this task without difficulty and a controlled, slow flow to the product, which is a prerequisite for gentle filling, is guaranteed.
  • different filling curves can be stored in a data processing unit, which take into account certain container sizes, fitting types, different product temperatures and / or certain propellant gas fractions. These curves are designed using algorithms that are calculated or obtained empirically and automatically assign corresponding flow velocities to the container components or product states mentioned.
  • new product-container constellations can design and process optimized filling profiles in a self-learning manner. The filling curves are used as setpoints for regulating the product volume flow.
  • the filling curves for example with graphically interactive systems, can be graphically changed and adapted during production.
  • the pretensioning pressure within the container is set in accordance with the saturation pressure after filling.
  • the background of this inventive concept is the fact that beer kegs are steamed for sterilization before filling and the cold product is filled into the still hot container. In this case, 50 liters of beer at a temperature of about 3 ° C. are filled into about 12 kg of metal at a temperature of 100 ° C.
  • a mixing and compensation temperature is set which increases the temperature of the product in the container by approx. 4 ° C compared to the supply temperature.
  • this changes the saturation pressures of the dissolved gases so that, according to the invention, the value to be set must correspond to that of the product in the filled container. This question has never been asked in the past because the back pressure has always been significantly above the saturation pressure.
  • a device for carrying out the method described above with a filling station which is supplied with product liquid to be filled into the container via a supply line and from which bias gas escaping from the container via a return gas line, has, according to the invention, a flow meter at the filling station for determining the throughput. flow rate in the feed line of the filling station and an adjustable orifice to adjust the product volume flow.
  • the volume flow at each filling station can be set individually, independently of the supply pressure of the product to be filled, and independently of the other filling stations which may be provided on the filling machine, depending on the filling quantity or filling height.
  • the product volume flow is regulated by a controller on the basis of the flow rate determined by the flow meter as the actual value and a filling curve stored in a data processing unit and preferably matched to the container size, fitting type, product temperature and / or propellant gas content of the product.
  • the aperture cross section can be changed continuously according to the invention.
  • an overflow valve is provided in the return gas line, via which the return gas is discharged.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a filling station according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically the influencing variables for determining the filling curves
  • the filling station 30 shown in FIG. 1 builds on the principle of the low gas back pressure in the container to be ventilated, which is described in the parent application DE 197 18 130.9, the content of which is also the subject of the present application.
  • the filling station 30 essentially consists of a filling valve 2, to which a liquid, such as beer, in which gases are dissolved, is supplied via a supply line 3.
  • a container, in particular a keg 4, is placed on the filling valve 2 and is to be filled with the product liquid.
  • the flow meter 31 arranged in front of or behind the orifice 32 supplies the obtained data of the product flow to an actual value processing 33, which forwards the current flow quantity (speed) as an actual value to a control device (34).
  • a riser pipe 9 is provided, which with a
  • Return gas line 10 of the filling valve 2 is connected.
  • the return gas line 10 leads to an overflow valve 11, via the access to a return gas outlet 12 is controlled.
  • a bias gas line 13 is also connected to the return gas line 10 and can be shut off via a valve 14.
  • the biasing gas in particular C0 2 .
  • the biasing gas can also be a composition of several gases, such as C0 2 and N 2 .
  • the preload pressure in the keg 4 is only at a partial pressure corresponding to the saturation pressure of the C0 2 (or N 2 ) in the beer or slightly above (e.g. 1.4 bar), which is below the product pressure in front of the filling valve 2 (e.g. 2nd , 5 bar) lies in the line section 8 of the supply line 3.
  • the back pressure of the biasing gas in the keg 4 corresponds to the saturation pressure of the dissolved gas after the keg 4 has been filled, ie in the filled container. It is taken into account here that the beer filled in at a temperature of about 3 ° C. warms by about 4 ° C. in the keg 4 which is usually steamed before filling and is therefore hot at about 100 ° C. The change in saturation pressure caused by this is already taken into account when setting the original preload pressure.
  • the control device 33 When filling, the control device 33 constantly compares the actual value supplied by the flow meter 31 with a setpoint defined by a filling curve stored in a data processing unit and matched to the container size, fitting type, product temperature, propellant gas percentage and the like and, if necessary, changes the flow rate.
  • the continuously variable orifice 32 is used, the cross section of which can be varied by means of a linear drive (manipulated variable: stroke) in such a way that a predetermined flow rate (controlled variable) can be generated at any time.
  • a linear drive manipulated variable: stroke
  • predetermined flow rate controlled variable
  • the influencing variables for determining the filling curves are shown in FIG. 2.
  • self-learning optimized filling profiles can be designed and processed in new product / container constellations. Provision can also be made to change the filling curves on graphically interactive systems during the production process.
  • the filling valve 2 is opened after the biasing gas valve 14 is closed, only a small amount of product initially occurs. In spite of the pressure difference, injecting the product is avoided by deliberately reducing the supply quantity. Then the filling speed is slowly increased so as not to cause excessive turbulence.
  • the bias gas escapes through the overflow valve 11 into the return gas outlet 12.
  • the return gas pressure defined by the overflow valve 11 is, for example, a constant 1.5 bar.
  • An essential aspect of the invention is that the pretension in the keg 4 only has to be set to a partial pressure corresponding approximately to the saturation pressure of the C0 2 (or N 2 ) in the beer and is thus far below the conventionally set pretension pressure.

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  • Filling Of Jars Or Cans And Processes For Cleaning And Sealing Jars (AREA)
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Abstract

Beim Füllen von Gebinden (4), insbesondere Kegs, mit Flüssigkeiten, in denen wenigstens ein Gas gelöst ist, wird das Gebinde (4) vor dem Einfüllen der Flüssigkeit mit einem Vorspanngas vorgespannt, dann dem Gebinde (4) Flüssigkeit über ein an eine Zufuhrleitung (3, 8) angeschlossenes Füllventil (2) einer Füllstation (1) zugeführt und während des Füllvorgangs das im Gebinde (4) enthaltene Vorspanngas abgeführt. Eine wirtschaftliche und ökologische Produktbehandlung wird dadurch gewährleistet, dass das Vorspanngas im Gebinde (4) lediglich auf einen etwa dem Sättigungsdruck des in der abgefüllten Flüssigkeit gelösten CO>2< oder N>2< entsprechenden Partialdruck vorgespannt wird, und dass die Durchflussgeschwindigkeit in der Produktzufuhrleitung gemessen und durch Anpassen des Produktvolumenstroms direkt geregelt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Füllen von Gebinden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen von Gebinden, insbesondere Kegs, mit Flüssigkeiten, in denen wenigstens ein Gas gelöst ist, wobei das Gebinde vor dem Einfüllen der Flüssigkeit mit einem Vorspanngas vorgespannt wird, dann dem Gebinde über ein an eine Zufuhrleitung angeschlossenes Füllventil einer Füllstation Flüssigkeit zugeführt und während des Füllvorgangs das im Gebinde enthaltene Vorspanngas abgeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Kohlensäurehaltige Getränke, wie Bier, halten ihr C02 nur dann in Lösung, wenn der über der Flüssigkeit liegende Partialdruck des Gases C02 mindestens so hoch ist wie der Sättigungsdruck in der Flüssigkeit. Liegt der Gasdruck über der Flüssigkeit unterhalb des Sättigungsdruckes, so verliert die Flüssigkeit C02, liegt der Gasdruck aber wesentlich darüber, besteht die
Gefahr, daß zusätzliches C02 in Lösung geht. Die Gasaufnahme ist hierbei abhängig von dem Differenzdruck zwischen dem Sättigungsdruck in der Flüssigkeit und dem Partialdruck über der Flüssigkeit, der für den Gasaustausch zur Verfügung stehenden Zeit, die in der Regel mit der Füllzeit des Gebindes gleichzusetzen ist, und der Größe der Gasaustauschfläche, also der Flüssigkeitsoberfläche. Aufgrund der während des Füllvorganges auftretenden Turbulenzen in der Flüssigkeit ist die Gefahr einer Gasaufnahme während des Füllens erheblich vergrößert. Der Gasaustausch zwischen Flüssigkeit und der überlagerten Gasatmosphäre betrifft jedoch nicht nur das C02, sondern auch- andere in der Gasatmosphäre vorhandene Gase, insbesondere Sauerstoff, der nach den gleichen Gesetzen von der Flüssigkeit aufgenommen wird. Sauerstoff ist aber bei Flüssigkeiten, die durch Mikroorganismen geschädigt werden können oder deren Haltbarkeit durch Oxidation von Flüssigkeitsbestandteilen gefährdet ist, ein wesentlicher Faktor für die Qualität des Produktes .
Um das Produkt durch ein Ventil in das Gebinde, sei es eine Flasche oder ein Faß, zu bekommen, ist ein Differenzdruck zwischen Zuleitung und Gebindeinnerem notwendig. Die Größe des Differenzdrucks bestimmt die Einströmgeschwindigkeit des Produktes . Üblicherweise wird das Produkt zur Vermeidung von Oberflächenvergrößerungen durch Turbulenzen mit anfänglich niedriger Geschwindigkeit gefüllt, die dann langsam gesteigert wird. Hierzu wird das Gebinde mit einem Gasdruck vorgespannt, der erheblich über dem Sättigungsdruck des in der Flüssigkeit gelösten Gases liegt. Die abzufüllende Flüssigkeit selbst wird durch Tanks oder Pumpen ebenfalls auf diesem Druckniveau gehalten und der Füllmaschine zugeführt. Nach dem Vorspannen des Gebindes auf den Druck der zugeführten Flüssigkeit wird eine Verbindung zwischen Gebinde und Zuleitung des Füllgutes hergestellt. Durch kontrolliertes Ablassen des im Gebinde vorhandenen Vorspanngases wird das Einfließen des Füllgutes in das Gebinde ermöglicht. Hierbei bestimmt der sich aufbauende Differenzdruck die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Es ist ferner bekannt, daß gegen Ende der Befüllung der Gasaustritt gedrosselt wird und dadurch der Differenzdruck zwischen Gebindeinnerem und Zuleitung abnimmt. Dies bewirkt gegen Ende des Füllvorgangs eine Reduzierung der Einfüllmenge pro Zeiteinheit, wodurch ein genaues Abschalten bei Erreichen einer Sollmenge ermöglicht wird. Dieses bekannte Verfahren wird als "Rückgasregelung" bezeichnet. Der Vorteil dieser Regelung liegt darin, daß der Gasdruck über der Flüssigkeit zu jeder Zeit über dem Sättigungsdruck des Produktes liegt.
Der einzustellende Vorspanndruck wird durch Erfahrung ermittelt. Am Anfang der Befüllung soll das Produkt durch Turbulenzen, die lokale Unterdrücke zur Folge haben, C02 verlieren. Dadurch entsteht ein gewollter künstlicher Schaum auf der Flüssigkeitsoberfläche, dessen Blasen ausschließlich das freigewordene C02 enthalten und somit das Produkt vor Kontakt mit der darüberliegenden Sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre schützen. Während des weiteren Füllvorgangs verschwinden die Turbulenzen und damit die lokalen Unterdrücke. Das Produkt nimmt während der restlichen Füllzeit wieder C02 auf. Die Kunst besteht also darin, abhängig von C02-Gehalt, Temperatur, Gebindegröße und kalkulierter Füllzeit ein Gleichgewicht zwischen C02-Verlust und -Wiederaufnahme zu erreichen.
Abgesehen davon, daß das Gebinde bei der Rückgasregelung weit über den Sättigungsdruck vorgespannt werden muß und das Ablassen zum Erreichen einer kontrollierten Füllgeschwindigkeit gesteuert vorgenommen werden muß, ist die Reduzierung der Füllgeschwindigkeit im letzten Füllabschnitt problematisch. Bei konstantem Zulaufdruck der Flüssigkeit kann die Fließ- geschwindigkeit nur reduziert werden, wenn der Differenzdruck verringert wird. Bei den bekannten Verfahren wird hierzu der Gasaustritt gedrosselt (bzw. im Extremfall unterbunden) und abgewartet, bis der steigende Füllstand durch Kompression des im Gebinde vorhandenen restlichen Gasvolumens eine Erhöhung des Gegendrucks auf den gewünschten Wert erreicht hat. Dieser Zeitraum kann insbesondere bei Bierfässern erheblich sein. So hat ein 50 1-Keg üblicherweise einen Zulaufquerschnitt DN21 und eine maximale Einfüllgeschwindigkeit von 2,5 1/sec bei einem Differenzdruck von 0,8 bar. Ist das Keg mit 35 1 gefüllt, so müssen zur Reduktion der Geschwindigkeit 15 1 Gasraum um 0,7 bar komprimiert werden. Hierfür werden 15 x 0,7 = 10,5 1 Flüssigkeit und aufgrund der sich reduzierenden Füllgeschwindigkeit ca. 8 Sekunden Füllzeit benötigt. Eine schnelle, genaue Regelung ist, insbesondere bei möglicherweise schwankenden Zulaufdrücken, also nicht möglich. Noch kritischer ist die Situation, wenn in dem Produkt nicht nur ein Gas (beispielsweise C02), sondern zwei Gase (beispielsweise C02 und N2) bewußt gelöst sind. N2 wird heutzutage deshalb dem Bier zugesetzt, weil es schaumstabilisierend wirkt. Bestes Beispiel dafür ist Stout-Bier, dessen cremiger, lang anhaltender Schaum durch das gelöste, beim Zapfen freiwerdende N2 verursacht wird. N2 und C02 haben jedoch völlig verschiedene Löslichkeiten und Sättigungsdruckkurven. ährend C02 leicht in Lösung geht und nur schwer aus der Lösung zu bringen ist, ist es äußerst schwierig, N2 überhaupt in Lösung zu bringen und schon bei geringsten Turbulenzen sehr einfach, N2 wieder zu entfernen. Die Balance zwischen Entgasen bei Füllbeginn und Wiederaufnahme des verlorenen Gases während der Füllung ist bei 2-Gas-Systemen nahezu nicht zu finden. Die Qualität des abzufüllenden Produktes ist daher schwankend. Es wird versucht, dies dadurch zu kompensieren, daß das Verhältnis der Gasatmosphäre C02 zu N2 anders gehalten wird als der Anteil der gelösten Gase. Dieser Kompromiß ist jedoch immer nur für eine Temperatur oder eine Gebindegröße und jeweils nur für einen Produktzufuhrdruck gültig. Eine regelungstechnische Beherrschung dieser vielen Faktoren und ihrer Toleranzen ist unmöglich.
Ein weiterer Nachteil der Rückgasregelung liegt darin, daß das Gebinde weit über den Sättigungsdruck hinaus mit Gas, in der Regel C02, vorgespannt werden muß, um eine Druckabsenkung zu erreichen, die auch während des maximalen Absenkens des Innendrucks beim Füllprozeß immer noch über dem Sättigungsdruck des Gases liegt. Da das Gas anschließend in die Atmosphäre entlassen wird, ist neben dem Energiekonsum auch ein erhöhter Verbrauch des Treibhausgases C02 die Folge. Ferner wird das Bedienungspersonal durch den hohen C02-Ausstoß belastet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine schonende Füllung zu ermöglichen und den Verbrauch an Vorspanngas zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Vorspanngas im Gebinde lediglich auf einen etwa dem Sättigungsdruck eines der in der abgefüllten Flüssigkeit gelösten Gase entsprechenden Partialdruck vorgespannt wird und daß die Durchflußgeschwindigkeit in der Produktzufuhrleitung gemessen und durch eine Anpassung des Produktvolumenstroms direkt geregelt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das anfangs langsame Einströmen des Produktes und die Steigerung der Fließgeschwindigkeit zum Ende der Füllung nicht mehr indirekt durch Modulierung des Keginnendrucks geregelt, sondern es erfolgt eine direkte Regelung des Produkt-Volumenstroms.
Ein wesentlicher Vorteil dieses neuen Verfahrens besteht darin, daß auf die bisher notwendige Installation von Produktdrucksensoren völlig verzichtet werden kann, da diese Drücke für die Erzeugung der Fließgeschwindigkeit nicht mehr bestimmend sind. Hierdurch werden der Einsatz dieser hochgenauen und empfindlichen Sensoren sowie deren meßtechnischer Kalibrierabgleich nicht mehr erforderlich.
In einem mit Gegendruckgas befüllten Behälter kann nur sehr träge auf Produktdruckschwankungen reagiert werden, indem der Druck des relativ großen Gasvolumens durch Sperren oder Freigeben des Gasauslasses erhöht bzw. erniedrigt wird. Die Druckänderung hängt von dem langsam ansteigenden Produktniveau im Gebinde ab. Bei der vorliegenden Erfindung läßt sich hingegen trotz sich ändernder Produkt- oder Gasgegendrücke durch Veränderung des Durchflußquerschnittes die Durchflußgeschwindigkeit des Produktes in das Keg hinein stabil auf dem vorgegebenen gewünschten Wert halten.
Das in das heiße Keg einströmende erste, kalte Produkt bringt Restmengen atmosphärischen Sterildampfes im Gebinde zur plötzlichen Kondensation. Die bisher angewendeten druckmodulierenden Verfahren konnten diesen Druckzusammenbruch nicht schnell genug ausregeln. Das neue Verfahren löst diese Aufgabe ohne Schwierigkeiten und ein kontrolliertes langsames Anströmen des Produktes, Voraussetzung einer schonenden Abfüllung, ist gewährleistet.
In Weiterbildung der Erfindung können in einer Datenverarbeitungseinheit unterschiedliche Füllkurven hinterlegt werden, die bestimmten Gebindegrößen, Fittingarten, unterschiedlichen Produkttemperaturen und/oder bestimmten Treibgasanteilen Rechnung tragen. Die Gestaltung dieser Kurven geschieht durch Algorithmen, die errechnet oder empirisch gewonnen werden und den erwähnten Gebindekomponenten oder Produktzuständen entsprechende Fließgeschwindigkeiten automatisch zuordnen. Neue Produkt-Gebindekonstellationen können damit in diesem System selbstlernend optimierte Füllprofile gestalten und abarbeiten. Die Füllkurven werden als Sollwerte der Regelung des Produktvolumenstroms zugrundegelegt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens können die Füllkurven, bspw. mit graphisch interaktiven Systemen, während der Produktion graphisch verändert und angepaßt werden.
Das Gas im Gebindeinneren kann dann über ein einfaches Überströmventil durch das einströmende Produkt herausgedrückt werden. Die bisher üblichen teuren regelungstechnischen Apparate sind* hierfür nicht mehr notwendig. Bei Flüssigkeiten mit mehreren gelösten Gasen kann die optimale Gaszusammensetzung innerhalb des Gebindes eingestellt werden, da während des Füllvorgangs über die gesamte Zeit ein gleicher Druck im Gebindeinneren herrscht. Bei der herkömmlichen Rückgasregelung hatten die wechselnden Drücke im Gebindeinneren während des Füllvorgangs in den unterschiedlichen Füllphasen unterschiedliche Gasaustauschverhalten und damit eine Beeinflussung der Produktqualität zur Folge. Dies ist durch die Erfindung vollständig behoben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Vorspanndruck innerhalb des Gebindes entsprechend dem Sättigungsdruck nach der Befüllung eingestellt. Hintergrund dieses Erfindungsgedankens ist die Tatsache, daß Bierkegs vor der Befüllung zur Sterilisation gedämpft werden und das kalte Produkt in das noch heiße Gebinde eingefüllt wird. Hierbei werden in ca. 12 kg Metall einer Temperatur von 100°C 50 1 Bier einer Temperatur von ca. 3°C eingefüllt. Es stellt sich eine Misch- und Ausgleichstemperatur ein, die die Temperatur des Produktes im Gebinde um ca. 4°C gegenüber der Zufuhrtemperatur erhöht. Dies verändert selbstverständlich die Sättigungsdrücke der gelösten Gase, so daß erfindungsgemäß der einzustellende Wert demjenigen des Produktes im abgefüllten Gebinde entsprechen muß. Diese Frage hat sich in der Vergangenheit nie gestellt, weil der Gegendruck stets erheblich über dem Sättigungsdruck gelegen hat.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens mit einer Füllstation, der über eine Zufuhrleitung in das Gebinde einzufüllende Produktflüssigkeit zugeführt und aus der über eine Rückgasleitung aus dem Gebinde entweichendes Vorspanngas abgeführt wird, weist erfindungsgemäß an der Füllstation einen Strömungsmesser zur Ermittlung der Durch- flußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung der Füllstation und eine regelbare Blende zur Anpassung des Produktvolumenstroms auf. Hierdurch kann der Volumenstrom an jeder Füllstation in Abhängigkeit von der Füllmenge oder Füllhöhe völlig unabhängig vom Zufuhrdruck des einzufüllenden Produktes und unabhängig von den an der Füllmaschine ggf. vorgesehenen anderen Füllstationen individuell eingestellt werden. In vielen Fällen ergibt sich außerdem eine Vereinfachung der den Füllmaschinen üblicherweise vorgeschalteten Drucktanks und deren Regelung, da diese ebenfalls ohne Produktbeeinflussung auf das optimale Gasgemisch entsprechend der Verhältnisse bei Sättigungsdruck eingestellt werden können.
Der Produktvolumenstrom wird durch einen Regler auf der Basis der von dem Strömungsmesser ermittelten Durchflußgeschwindigkeit als Istwert und einer vorzugsweise auf die Gebindegröße, Fittingart, Produkttemperatur und/oder Treibgasanteile des Produktes abgestimmten, in einer Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Füllkurve als Sollwert geregelt. Hierzu ist der Blendenquerschnitt erfindungsgemäß stufenlos veränderbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Rückgasleitung ein Überströmventil vorgesehen, über das das Rückgas abgeführt wird.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Füllstation gemäß der Erfindung,
Fig. 2 schematisch die Einflußgrößen für die Festlegung der Füllkurven und
Fig. 3a, eine Gegenüberstellung der herkömmlichen Rückgas- regelung und der erfindungsgemäßen Regelung.
Die in Fig. 1 dargestellte Füllstation 30 baut auf dem in der Stammanmeldung DE 197 18 130.9, deren Inhalt auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, be- schriebenen Prinzip des niedrigen Gasgegendrucks im zu belüftenden Gebinde auf. Die Füllstation 30 besteht im wesentlichen aus einem Füllventil 2, dem über eine Zufuhrleitung 3 eine Flüssigkeit, wie Bier, in der Gase gelöst sind, zugeführt wird. Auf das Füllventil 2 ist ein Gebinde, insbesondere ein Keg 4 aufgesetzt, das mit der Produktflüssigkeit gefüllt werden soll.
In der Zufuhrleitung 3 ist ein der einzelnen Füllstation 1 zugeordneter Strömungsmesser 31 zur Ermittlung der Durchfluß- geschwindigkeit des Produktes durch den Leitungsabschnitt 8 und eine stufenlos regelbare Blende 32, bspw. ein Membranregelventil, vorgesehen. Der vor oder hinter der Blende 32 angeordnete Strömungsmesser 31 liefert die gewonnenen Daten des Produktdurchflusses an eine Istwert-Verarbeitung 33, die die aktuelle Durchflußmenge ( -geschwindigkeit ) als Istwert an eine Regeleinrichtung (34) weitergibt.
In dem Keg 4 ist ein Steigrohr 9 vorgesehen, das mit einer
Rückgasleitung 10 des Füllventils 2 verbunden ist. Die Rückgasleitung 10 führt zu einem Überströmventil 11, über das der Zugang zu einem Rückgasauslaß 12 gesteuert wird. An die Rückgasleitung 10 ist außerdem eine Vorspanngasleitung 13 angeschlossen, die über ein Ventil 14 absperrbar ist.
Zum Füllen des Gebindes 4 wird dieses zunächst über die Vorspanngasleitung 13 und die Rückgasleitung 10 mit einem Vorspanngas, insbesondere C02, vorgespannt. Bei bestimmten Flüssigkeiten, beispielsweise Stout-Bier kann das Vorspanngas auch eine Zusammensetzung mehrerer Gase, wie C02 und N2 sein. Der Vorspanndruck im Keg 4 liegt hierbei lediglich auf einem etwa dem Sättigungsdruck des C02 (oder N2) im Bier entsprechenden Partialdruck oder leicht darüber (bspw. 1,4 bar), der unterhalb des vor dem Füllventil 2 anliegenden Produktdruckes (bspw. 2,5 bar) in dem Leitungsabschnitt 8 der Zufuhrleitung 3 liegt. Der Gegendruck des Vorspanngases im Keg 4 entspricht dem Sättigungsdruck des gelösten Gases nach Füllen des Kegs 4, d.h. im abgefüllten Gebinde. Hierbei wird berücksichtigt, daß sich das mit einer Temperatur von etwa 3°C eingefüllte Bier in dem üblicherweise vor dem Füllen gedämpf- ten und daher etwa 100°C heißen Keg 4 um ca. 4°C erwärmt. Die hierdurch bewirkte Änderung des Sättigungsdruckes wird bei der Einstellung des ursprünglichen Vorspanndruckes bereits berücksichtigt .
Beim Füllen vergleicht die Regeleinrichtung 33 den von dem Strömungsmesser 31 gelieferten Istwert ständig mit einem durch eine auf die Gebindegröße, Fittingart, Produkttemperatur, Treibgasanteil oder dgl. Parameter abgestimmten in einer Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurve festgelegten Sollwert und ändert ggf. die Durchflußmenge. Zu diesem Zweck kommt die stufenlos veränderbare Blende 32 zum Einsatz, deren Querschnitt durch einen Linearantrieb (Stellgröße: Hub) derart variiert werden kann, daß zu jeder Zeit eine vorgegebene Durchflußgeschwindigkeit (Regelgröße) erzeugt werden kann. Hierdurch können auch übliche Druckschwankungen in den Produktleitungen oder dem Gasraum ausgeglichen und durch die sehr kurze Regelstrecke ohne Zeitverzögerung kompensiert werden. In Verbindung mit einem konstant am Sättigungsdruck gehaltenen Gegendruck können ohne weitere Beeinflussung des Produktinnendruckes in der zuführenden Leitung mit großer Präzision vorgegebene Füllkurven nachgefahren werden.
Die Einflußgrößen für die Festlegung der Füllkurven sind in Fig. 2 dargestellt. Zusätzlich zu dem über errechnete oder empirisch ermittelten Algorithmen festgelegten und in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurven, können bei neuen Produkt-/Gebindekonstellationen selbstlernend optimierte Füllprofile gestaltet und abgearbeitet werden. Es kann auch vorgesehen sein, die Füllkurven auf graphisch interaktiven Systemen während des Produktionsablaufes zu verändern.
Die Fig. 3a, b zeigen eine Gegenüberstellung der herkömmlichen "Rückgasregelung" und der erfindungsgemäßen Regelung. Während die indirekte Druckregelung immer gegenläufig zur Fließ- geschwindigkeit erfolgt, wobei sich an den Kreuzungspunkten erhebliche Regelungsprobleme ergeben, verlaufen bei der erfindungsgemäßen direkten Regelung Strömungsquerschnitt (Volumenstrom) und Fließgeschwindigkeit parallel. Auf Druckveränderungen kann sehr schnell reagiert werden.
Wird nach Schließen des Vorspanngasventils 14 das Füllventil 2 geöffnet, so tritt zunächst nur eine kleine Produktmenge ein. Ein Einspritzen des Produktes wird trotz des Druckunterschiedes dadurch vermieden, daß die Zufuhrmenge gezielt reduziert wird. Dann wird die Füllgeschwindikgeit langsam gesteigert, um keine übergroßen Turbulenzen zu verursachen. Das aus der Zufuhrleitung 8 durch den Ringspalt 15 im Füllventil 2 in das Keg 4 hineingeförderte Bier drückt das im Keg 4 enthaltene Vorspanngas durch das Steigrohr 9 aus dem Keg 4 heraus. Das Vorspanngas entweicht über das Überströmventil 11 in den Rückgasauslaß 12. Der durch das Überströmventil 11 festgelegte Rückgasdruck beträgt bspw. konstant 1,5 bar.
Wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß die Vorspannung im Keg 4 lediglich auf eine etwa dem Sättigungsdruck des C02 (oder N2) im Bier entsprechenden Partialdruck eingestellt werden muß und somit weit unter dem herkömmlicherweise eingestellten Vorspanndruck liegt. Über die jeder einzelnen Füllstation 30 zugeordnete Regelungseinheit 31-39 ist es möglich, die Füllgeschwindigkeit im Keg 4 verzögerungsfrei zu steuern, so daß eine Befüllung mit bisher unerreichbarer Produktschonung ermöglicht wird. Eine Schädigung durch ungewollten Verlust oder Aufnahme von C02 oder die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Vorspanngas wird vermieden und die Produktqualität bei um 40% reduziertem Vorspanngasverbrauch wesentlich verbessert.
Bezugszeichenliste:
2 Füllventil
3 Zufuhrleitung
4 Keg
8 Leitungsabschnitt
9 Steigrohr
10 Rückgasleitung
11 Überströmventil
12 Rückgasauslaß
13 Vorspannleitung
14 Ventil
15 Ringspalt
30 Füllstation
31 Strömungsmesser
32 Blende
33 Istwert-Verarbeitung
34 Regler

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Füllen von Gebinden (4), insbesondere Kegs, mit Flüssigkeiten, in denen wenigstens ein Gas gelöst ist, wobei das Gebinde (4) vor dem Einfüllen der Flüssigkeit mit einem Vorspanngas vorgespannt wird, dann dem Gebinde (4) über ein an eine Zufuhrleitung (3, 8) angeschlossenes Füllventil (2) einer Füllstation (30) Flüssigkeit zugeführt und während des Füllvorgangs das im Gebinde (4) enthaltene Vorspanngas abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspanngas im Gebinde (4) lediglich auf einen etwa dem Sättigungsdruck eines der in der abgefüllten Flüssigkeit gelösten Gase, insbesondere C02 oder N2, entsprechenden Partialdruck vorgespannt wird, und daß die Durchflußgeschwindikgeit in der Produktzufuhrleitung gemessen und durch eine Anpassung des Produktvolumenstroms direkt geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung (8) auf der Basis einer vorher festgelegten, in einer Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Füllkurve geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche Gebindegrößen, Fittingarten, Produkttemperaturen und/oder Treibgasanteile des Produktes entsprechende Füllkurven bestimmt und in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkurven bspw. mit Hilfe von graphisch interaktiven Systemen während der laufenden Produktion anpaßbar sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Gebinde (4) vorgesehene Vorspanngas durch das einströmende Produkt aus dem Gebinde (4) herausgedrückt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspanndruck in dem Gebinde (4) so eingestellt wird, daß er etwa dem Sättigungsdruck des gelösten Gases in dem gefüllten Gebinde (4) entspricht.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Füllstation (30) mit einer Zufuhrleitung (3, 8), über die in ein auf der Füllstation (30) vorgesehenes Gebinde (4) einzufüllende Produktflüssigkeit zugeführt wird, und mit einer Rückgasleitung (10), über die aus dem Gebinde (4) entweichendes Vorspanngas abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Füllstation (30) ein Strömungsmesser (31) zur Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit in der Zufuhrleitung (8) der Füllstation (20) und eine regelbare Blende (32) zur Anpassung des Produktvolumenstroms vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Regler (34), der das Öffnen und Schließen der Blende (32) auf der Basis der von dem Strömungsmesser (31) ermittelten Durchflußgeschwindigkeit als Istwert und einer in einer Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Füllkurve als Sollwert regelt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenverarbeitungseinheit eine Vielzahl von Füllkurven für unterschiedliche Gebindegrößen, Fittingarten, Produkttemperaturen und/oder Treibgasanteile des Produktes hinterlegt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (32) ein Membranregelventil ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückgasleitung (10) ein Überströmventil (11) vorgesehen ist, über das das Rückgas abgeführt wird.
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