WO2006136706A1 - Procede de remplissage a chaud d ' un contenant a paroi mince - Google Patents

Procede de remplissage a chaud d ' un contenant a paroi mince Download PDF

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hot
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liquid
hot filling
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Jean-Tristan Outreman
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TECSOR
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    • B65B55/00—Preserving, protecting or purifying packages or package contents in association with packaging
    • B65B55/02—Sterilising, e.g. of complete packages
    • B65B55/12—Sterilising contents prior to, or during, packaging
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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
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
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    • Y10T428/31786—Of polyester [e.g., alkyd, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a method of hot filling a light-walled, lightweight container, especially polyethylene and filled container thus obtained.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • PET is unbreakable and with good mechanical properties of preservation, permeability, which makes it very attractive and largely explains its very strong use.
  • PET bottles are used for flat liquids such as oils and mineral waters. In this case, the containers undergo only very few mechanical stresses. PET is quite suitable. Indeed, these liquids are filled cold and without pressure.
  • Heat Resistant more commonly referred to by the letters HR that improve the heat resistance of the container that is derived therefrom.
  • a first method known as a wheel makes it possible to reach filling temperatures of 80/88 ° C.
  • a second so-called two-wheel method which makes it possible to condition the liquids at temperatures of 88/95 ° C.
  • a hot-filled bottle undergoes many mechanical stresses during the different phases.
  • the container must withstand the forces generated during the vacuum generated by the cooling of the liquid while the container has been clogged hot, to ensure the sterility of the liquid.
  • the cooling causes a double contraction, that of the liquid and that of the air of the headspace of said bottle. It is for this reason that the profiles are much more complex with panels and beams on the body, belts marked on the body as well as a shoulder between the neck and the body, whose shape is rather bulbous .
  • the advantage of the thickness necessary for the mechanical strength is also to present a greater inertia at the temperature.
  • the manufacture of lightweight PET bottles uses the so-called extrusion / blowing process.
  • This method consists in producing a preform by extrusion, this preform having a tube profile with one end formed to the size and final shape of the neck, the other end being closed.
  • the amorphous material After reheating of this preform, especially by infrared radiation, up to 100/120 0 C, the amorphous material is softened and can be blown from the inside after it has been placed in a suitable mold.
  • This mold is of such dimensions that the removal of the material on cooling is taken into account so that the final container has the desired dimensions.
  • the bottles thus obtained are said to be bi-oriented because they have been stretched in one direction and an omni directional inflation.
  • the macromolecular chains thus oriented in two directions lead to excellent mechanical strength parameters, at room temperature.
  • extrusion blow molding is also used but with more sophisticated and complex driving parameters.
  • the preform is warmed to a higher temperature than in the case of lightweight containers, close to crystallization to minimize this form of PET memory and relax the constraints due to blowing.
  • the initially amorphous material of this container is subjected to heat treatment during and after its forming.
  • the material when stretched after softening generates an induced but reversible crystallinity, the material remaining transparent.
  • the mechanical properties are increased. Then, if the heating is maintained after having generated this induced crystallization, a spherulitic crystallization occurs, causing some crystallinity of the chains already organized by bi-orientation.
  • spherolitic crystallisation posterior to a bi-orientation perfectly retains the transparency of the material.
  • the method achieves higher performance but at the cost of a succession of more complex steps.
  • a volume draft much larger than the volume of the final container is first produced two to three times, therefore with a proportional stretching ratio.
  • This blank is then reheated beyond the glass transition to relax the stresses, which causes a decrease in volume and a return to the dimensions of the preform but has a high rate of spherulitic crystallinity, this in a way proportional to a homothetic container.
  • the high degree of crystallinity gives this container improved resistance to hot filling.
  • the bottles obtained by the HR process have a tendency to absorb water as soon as they were manufactured, which reduces their mechanical strength and therefore temperature resistance characteristics. It is thus possible to obtain a container which initially resists at a temperature of 88 ° C. and which, after taking up water, withstands only 82 ° C. In fact, the transition temperature TG drops.
  • the storage must be reduced to the maximum, the bottles are usually produced at the filling site, for use in just-in-time, which is still a constraint.
  • liquids to be packaged there are several filling methods and different behaviors of the liquids to be packaged.
  • There are light-sensitive liquids such as milk or beer, sensitive to the absorption of oxygen and therefore oxidizable such as fruit or vegetable juices, beer, oil, but also sensitive to water uptake, loss of gas, development of yeast, mold or bacteria.
  • Liquids can include preservatives and are therefore insensitive, however some so-called flat and delicate liquids such as milks, juices, coffee, tea, fruit drinks, certain waters, do not include any preservatives and must nevertheless be packaged in the best conditions.
  • there are two main routes one called “aseptic filling” and the other called “hot filling”.
  • Aseptic filling is simple in theory since it consists in filling the container with a sterilized liquid and clogging said container, the packages being sterilized as the caps, the operation being conducted in its entirety in a sterile environment.
  • a very important disadvantage of this method lies in the impossibility of controlling on-line sterility of the contents in each container. At most, control can be done by sampling.
  • the aim of this cold aseptic filling is to require only thin-walled, low-weight, free-form bottles since the cold filling avoids the deformations due to the temperature.
  • the hot filling also guarantees a quality of asepsis since the temperature control of the content is simple and easy at any time.
  • the bottling line is simple and the treatments of the container and the stopper are limited since the sterilization is obtained by the hot liquid itself, introduced into the container which is immediately closed after filling. A tilting of the bottle also sterilizes the inner face of the plug in contact with the liquid.
  • bottles resistant to the filling temperature between 60 and 95 0 C, more particularly between 80 and 92 ° C depending on the products.
  • the bottles have high weights with substantially identical shapes related resistance constraints, which allows a very low differentiation between the marketed products.
  • FIG. 1 a view of a container before filling
  • FIG. 2 a view of the same container as that of FIG. 1 when filled with a hot liquid before cooling
  • FIGS. 3A and 3B two 90 ° views of the filled container, after cooling and having undergone the phenomenon of collapse,
  • Figure 4 the collapse container of Figures 3 A and 3B after treatment according to the method of the present invention which returns to its original shape.
  • the example given relates to PET bottles but could be applied to any container of polymer material of the same kind and having similar properties.
  • the method consists in performing a hot filling of a thin-walled container, the container having to have suitable characteristics as described below.
  • This container is of cylindrical shape, possibly with grooves to stiffen the body, with a light base like that of the containers for mineral waters flat, but reinforced, the total weight of the container being substantially that of containers used for containers of mineral water , with equal capacity.
  • the reinforced bottom usually consists of a bulging bottom to the neck with reinforcements to prevent its reversal under slight pressure.
  • This container is made from either one or two wheel “HR” treatment methods, depending on the conditioning temperatures.
  • the container is thus able to withstand hot and remains of reduced weight.
  • the container shown in Figure 1, has a simple geometry.
  • the filling is carried out from the tank of a filler of known type, usually by gravity directly into the container, the liquid being carried and maintained at a temperature of 60 to 95 0 C depending on the intended applications.
  • the crystallinity can be improved as indicated in the preamble of the present application, which greatly improves the mechanical strength. It is also known that if the container is used immediately after its manufacture, the moisture uptake is very limited and the initial resistance to temperature is kept almost completely.
  • the bottom having been designed with improved mechanical strength and its treatment "HR" avoids the overturning of the crown of this bottom under the effect of the load and the increase in pressure once said container closed. Indeed, the increase in temperature causes a rapid shrinkage of the volume of the container while the contained liquid, it retains its volume which generates a pressure of the interior of the container.
  • the deformation is localized in the most favorable zone for mechanical deformation such as the walls for example in the case of known containers and for which no particular modification has been made. It is also noted that in the case of a less mechanically resistant zone, the deformation is reproducible on all the identical containers filled under the same conditions.
  • a container is thus obtained with a bottom and a junction belt of the bottom and said body undeformed thanks to the strength of the fold formed at this junction.
  • the container is stable on its bottom but with a deformed body, collapsed according to the word of the trade, which makes it unsuitable for marketing.
  • FIGS. 3A and 3B These are the representations of FIGS. 3A and 3B.
  • the method according to the present invention consists in reducing the volume of the container by causing a reduction in the volume of the container after partial or total cooling of the liquid.
  • the method consists of releasing the frozen constraints so that the container tends to return to its original shape, that of the preform and therefore tends to find a smaller volume. This is the particularly surprising and attractive step of the present invention.
  • the container is subjected to a temperature rise of at least a portion of said container so as to relax the constraints and to irreversibly deform the container on all or part of its surface.
  • the rise in temperature must be rapid so as not to cause the rise in temperature of the liquid, which would cancel the differential necessary to compensate for the depression. Nevertheless, the choice of means to achieve this rise in temperature remains very wide because the ratio of the masses involved is very important.
  • the few grams of PET in a container in front of the hundreds of grams of the content necessarily lead to a faster temperature rise of the envelope than the content.
  • the envelope is the first subjected to infrared radiation and absorbs primarily calories.
  • the volume reduction after cooling is only 3.5% of the liquid volume, so 17 ml.
  • the belt between the labeling zone and the bottom and the shoulder zone being dimensionally stable, it suffices to provide a retraction of 1 to 2 mm from the diameter. It is even possible to provide a slight overpressure to compensate for the possible additional shrinkage when placing in a refrigerator such a container.
  • the bottle so as to systematically conduct this air following a generatrix of said bottle at the top.
  • the method can implement hot air heating because the transmission of calories between the wall and the air is very difficult, the air being very insulating. The calories are concentrated in the wall of said bottle on the area concerned and very quickly causes the desired shrinkage.
  • this heating of the envelope it is also possible to achieve this heating of the envelope as soon as the internal liquid has passed below the transition temperature of the order of 40 to 50 ° C.
  • the process consists in using a container that is able to withstand mechanically without deformation hot-filling of a liquid in a temperature range of a sterilized liquid, generally from 80 to 95 ° C., for example a polyethylene container, said container being made by extrusion / souff loge and having a shape memory before blowing, to fill said container with said hot liquid, to close the filled container and to cool at least below a temperature of freezing of the container, then causing deformation by forming a vacuum inside the container, then heating the container to cause a relaxation of the stresses and a return to the shape before blowing generating a shrinkage and an internal pressurization of the containing at least to compensate for the deformations suffered by the effects of depression.
  • a container that is able to withstand mechanically without deformation hot-filling of a liquid in a temperature range of a sterilized liquid, generally from 80 to 95 ° C., for example a polyethylene container, said container being made by extrusion / souff loge and having
  • a container filled with a pasteurized content which can be guaranteed pasteurization by a simple measurement of filling temperature.
  • the cost of the container for the implementation of the process is no longer detrimental since it is completely comparable to that of containers capable of undergoing aseptic filling.
  • the advantage is to be able to meet the needs of industrial filling rates, need for aseptic guarantee without requiring expensive bottling lines investment, also expensive and complex in operation.
  • the process according to the present invention not only is the cost of raw material for producing a hot-filled container reduced, but this smaller quantity of raw material leads to subsequent recycling costs reduced for the same volume bottled. According to the present invention, it should be noted that provision can be made for a device suitable for implementing the method.
  • One solution is to make shells comprising at least two parts so as to come wrapping the container, said shells being heated by any suitable means to emit the necessary calories.
  • the shells have a substantially conjugated profile of that of the container to emit the calories closer to the walls, or even in a localized area of this wall, these shells being oriented horizontally if the heating is performed on a generator with the air in the upper part. . In this case, it is then possible to cause more intense heating in a particular area.

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Abstract

L'objet de l' invention est un procédé de remplissage à chaud d'un contenant avec un liquide stérilisé, généralement à une température située entre 60 à 95°C, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes : a. disposer d'un contenant réalisé en un matériau et suivant un procédé apte à le rendre résistant au remplissage à chaud dudit liquide, ledit contenant ayant des contraintes résiduelles issues de sa fabrication, b. remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud, c. obturer aussitôt après remplissage ce contenant rempli, d. laisser refroidir au moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant une déformation par formation d'une dépression à l' intérieur du contenant, et e. chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes résiduelles, ce relâchement conduisant à un rétreint et consécutivement générant une mise en pression interne du contenant ce qui compense au moins les déformations subies par les effets de la dépression de l'étape d/.

Description

PROCEDE DE REMPLISSAGE A CHAUD D'UN CONTENANT A PAROI MINCE ET CONTENANT REMPLI AINSI OBTENU
La présente invention concerne un procédé de remplissage à chaud d'un contenant à paroi mince, légère, notamment en polyéthylène et contenant rempli ainsi obtenu.
On connaît un polymère le polyéthylène téréphtalate, PET, fortement utilisé pour la réalisation de contenants pour liquides. Ses principaux atouts sont la transparence, le poids faible, la libération des formes autorisant des profils distinctifs en fonction des produits ou des besoins commerciaux, contrairement aux boîtes métalliques, toutes de même forme et de mêmes dimensions. Il en est de même pour les contenants réalisés à partir de carton dont les formes sont limitées.
Le PET est incassable et avec de bonnes propriétés mécaniques de conservation, de perméabilité, ce qui le rend très attractif et explique en grande partie sa très forte utilisation.
Ces bouteilles en PET sont utilisées pour des liquides plats tels que les huiles, les eaux minérales. Dans ce cas, les contenants ne subissent que très peu de contraintes mécaniques. Le PET est tout à fait adapté. En effet, ces liquides sont remplis à froid et sans pression.
Ces bouteilles ont également utilisées dans le cas des boissons carbonatées et donc susceptibles de mettre en pression le contenant. Des artifices de conception avec des cannelures sur le corps de bouteille ou des fonds dits pétaloïdes permettent de renforcer la résistance mécanique et/ou la résistance à la pression, sans augmenter de façon pénalisante le poids du contenant.
Lorsque les industriels ont besoin de remplir à chaud un contenant, il faut alors recourir à des conceptions différentes qui nécessitent des épaisseurs plus importantes, des géométries différentes incluant des panneaux ménagés sur le corps du contenant pour générer des poutres. Ces éléments nécessaires pour le remplissage à chaud conduisent à des poids élevés avec des fortes consommations de matière, jusqu'à deux fois le poids d'une même bouteille pour liquides remplis à froid. En effet, les caractéristiques mécaniques du PET se dégradent fortement lorsque la température s'élève.
Il existe des procédés dits "Heat Résistant", plus communément désignés par les lettres HR qui permettent d'améliorer la résistance à la chaleur du contenant qui en est issu. Un premier procédé dit à une roue permet d'atteindre des températures de remplissage de 80/880C.
Un second procédé dit à deux roues qui permet de conditionner les liquides à des températures de 88/950C.
Une bouteille remplie à chaud subit en effet de nombreuses contraintes mécaniques lors des différentes phases.
Ainsi le fond doit résister à la pression hydrostatique du liquide chaud lors du remplissage.
Le contenant doit résister aux efforts engendrés lors du vide généré par le refroidissement du liquide alors que le contenant a été bouché à chaud, pour assurer le caractère stérile du liquide. Le refroidissement provoque une double contraction, celle du liquide et celle de l'air de l'espace de tête de ladite bouteille. C'est pour cette raison que les profils sont beaucoup plus complexes avec des panneaux et poutres sur le corps, des ceintures marquées sur le corps également ainsi qu'une épaule entre le goulot et le corps, dont la forme est plutôt en forme de bulbe. L'avantage de l'épaisseur nécessaire à la résistance mécanique est également de présenter une plus forte inertie à la température.
La fabrication de bouteilles légères en PET recourt au procédé dit d'extrusion/soufflage. Ce procédé consiste à réaliser une préforme par extrusion, cette préforme ayant un profil de tube avec une extrémité formée aux dimension et à la forme définitive du goulot, l'autre extrémité étant fermée.
Après réchauffage de cette préforme, notamment par rayonnements infrarouges, jusqu'à 100/1200C, le matériau, amorphe est ramolli et peut subir un soufflage par l'intérieur après qu'elle ait été placée dans un moule adapté. Ce moule est de dimensions telles que le retrait de la matière au refroidissement soit pris en compte pour que le contenant final présente les dimensions souhaitées.
Lors de cette phase de soufflage, il se produit un étirage longitudinal sous l'action d'une tige d'étirage et un gonflage par l'air sous pression ainsi introduit. Plus exactement, l'air est d'abord introduit à basse pression pour assurer une déformation adaptée de la matière durant les fortes amplitudes puis à haute pression pour assurer un plaquage contre les parois du moule en finition et pour de très faibles amplitudes. Les moules sont également refroidis à l'eau afin de dissiper les calories transmises par contact, ce qui a aussi pour effet de figer la bouteille.
De fait les bouteilles ainsi obtenues sont dites bi-orientées car elles ont subi un étirage dans une direction et un gonflage omni directionnel. Les chaînes macromoléculaires ainsi orientées dans deux directions, conduisent à d'excellents paramètres de résistance mécanique, à température ambiante.
L'inconvénient de cette bi-orientation est d'être en partie réversible et la matière retrouve ainsi une certaine liberté dès que la température s'élève. De fait, la matière a tendance à revenir à sa forme initiale dans laquelle elle présente le moins de contraintes.
C'est le phénomène dit de mémoire de forme.
Pour les bouteilles épaisses destinées à être utilisées pour des boissons remplies à chaud, on recourt aussi à l'extrusion soufflage mais avec des paramètres de conduite plus sophistiqués et plus complexes.
En effet, la préforme est réchauffée à une température plus élevée que dans le cas des contenants légers, proche de la cristallisation afin de minimiser cette mémoire de forme du PET et de relâcher les contraintes dues au soufflage.
Dans le cas de fabrication à une roue, de façon à augmenter sa résistance à la température, on fait subir un traitement thermique au matériau initialement amorphe de ce contenant, pendant et après sa mise en forme.
Le matériau lorsqu'il est étiré après ramollissement, génère une cristallinité induite mais réversible, le matériau restant transparent. On augmente les propriétés mécaniques. Ensuite, si la chauffe est maintenue après avoir généré cette cristallisation induite, il se produit une cristallisation sphérolitique, provoquant une certaine cristallinité des chaînes déjà organisées par bi-orientation.
Contrairement à la cristallisation sphérolitique directe du PET, la cristallisation sphérolitique postérieure à une bi-orientation conserve parfaitement la transparence du matériau.
Dans le cas de la fabrication à deux roues, le procédé permet d'atteindre des performances plus élevées mais au prix d'une succession d'étapes plus complexes. En effet, dans ce cas, on élabore d'abord une ébauche de volume beaucoup plus important que le volume du contenant final, deux à trois fois, donc ayec un taux d'étirage proportionnel.
Cette ébauche est ensuite réchauffée au-delà de la transition vitreuse pour relâcher les contraintes, ce qui provoque une diminution du volume et un retour vers les dimensions de la préforme mais a\/ec un fort taux de cristallinité sphérolitique, ceci d'une façon proportionnelle conduisant à un contenant homothétique. Il y a auto-régulation avec le PET.
Lorsque cette ébauche restreinte est en température, une étape de soufflage avec un moule aux dimensions du contenant final à obtenir, aux retraits près, permet de fabriquer le contenant final.
Le fort taux de cristallinité confère à ce contenant une résistance améliorée au remplissage à chaud.
On note qu'un tel procédé est beaucoup plus lourd à mettre en place. Le procédé nécessite une conduite toujours aux limites des valeurs nécessite des nettoyages de moules ainsi qu'un entretien poussé et régulier.
De plus, il est à noter que les bouteilles obtenues par le procédé HR ont une tendance à absorber de l'eau dès qu'elles ont été fabriquées, ce qui diminue leurs caractéristiques de résistance mécanique et donc de résistance en température. On peut ainsi obtenir fabrication un contenant qui résiste initialement à une température de 880C et qui, après reprise d'eau, résiste seulement à 820C. En effet la température de transition TG chute.
Le stockage devant être réduit aux maximum, les bouteilles sont généralement produites sur le site de remplissage, pour une utilisation en flux tendu, ce qui est encore une contrainte.
Une fois ces contenants fabriqués, il existe plusieurs méthodes de remplissage et différents comportements des liquides à conditionner. II existe des liquides sensibles à la lumière tels que le lait ou la bière, sensibles à l'absorption d'oxygène et donc oxydo sensibles tels que les jus de fruits ou de légumes, la bière, l'huile, mais aussi sensibles à la reprise d'eau, à la perte de gaz, au développement de levures, de moisissures ou de bactéries. Les liquides peuvent inclure des conservateurs et sont de ce fait peu sensibles, par contre certains liquides dits plats et délicats comme les laits, jus, café, thé, boissons aux fruits, certaines eaux, n'incluent aucun conservateur et doivent être néanmoins conditionnés dans les meilleures conditions. Pour assurer un tel conditionnement dans des conditions d'hygiène adaptée et avec toute les garanties d'une bonne conservation, on connaît deux voies principales l'une dite "remplissage aseptique" et l'autre dite "remplissage à chaud".
Le remplissage aseptique est simple en théorie puisqu'il consiste à remplir le contenant avec un liquide stérilisé et à boucher ledit contenant, les emballages étant stérilisés tout comme les bouchons, l'opération étant conduite dans sa totalité en ambiance stérile.
Néanmoins, on comprend que la chaîne est complexe à mettre en place, délicate à maintenir toujours dans les mêmes conditions d'aseptique au cours du temps, nécessite une très forte surveillance et une importante maintenance engendrant des coûts élevés. Dans une telle chaîne, il faut recourir à des stérilisations chimiques qui utilisent des produits chimiques avec les traitements qui en découlent, une expertise des personnels, un rendement faible dû aux vitesses peu élevées de traitement. Le rendement est de 40 à 50 % de celui d'une chaîne de remplissage à chaud. Les investissement sont aussi très importants, 2 à 3 fois plus importants que celui d'une chaîne de remplissage à chaud.
Un inconvénient très important de ce procédé réside dans l'impossibilité de contrôler en ligne la stérilité du contenu dans chaque contenant. Tout au plus, le contrôle peut-il être effectué par prélèvement. L'αvαntαge de ce remplissage aseptique à froid est de ne nécessiter que des bouteilles à parois minces, de faible poids, de forme libre puisque le remplissage à froid évite les déformations dues à la température.
L'autre voie, le remplissage à chaud garantit également une qualité d'asepsie puisque le contrôle de la température du contenu est simple et aisé à tout moment.
La ligne d'embouteillage est simple et les traitements du contenant et du bouchon sont limités puisque la stérilisation est obtenue par le liquide chaud lui- même, introduit dans le contenant qui est immédiatement obturé après remplissage. Un basculement de la bouteille assure aussi la stérilisation de la face intérieure du bouchon en contact avec le liquide.
Par contre, il faut recourir à des contenants résistants à la température de remplissage située entre 60 et 950C, plus particulièrement entre 80 et 92°C en fonction des produits. De plus, les bouteilles ont des poids élevés avec des formes sensiblement identiques liées aux contraints de résistance, ce qui n'autorise qu'une très faible différenciation entre les produits commercialisés.
Aussi, on en conclut qu'il existe deux procédés qui présentent des avantages et des inconvénients. Néanmoins, le surcoût engendré par les caractéristiques particulières des contenants actuellement utilisés et nécessaires pour le remplissage à chaud tendent à orienter les industriels concernés vers la mise en service de lignes de remplissage par la voie aseptique.
Il est important de fixer un ordre d'idée des poids de matière. 15 années auparavant, un contenant de 1, 5 litres nécessitait 49g de matière en remplissage à froid et 55g de matière en remplissage à chaud, traitement HR.
Depuis, des gains importants ont été réalisés pour le remplissage à froid venant à 28g tandis que la quantité de matière pour le remplissage à chaud n'a quasiment pas diminué. Le compromis recherché par les industriels consisterait à pouvoir remplir des liquides chauds pour obtenir la garantie d'asepsie mais dans des bouteilles à parois minces destinées au remplissage à froid pour limiter les coûts tant des contenants que de la ligne de conditionnement. C'est ce que propose le procédé selon la présente invention qui est maintenant décrit en détail suivant un mode de réalisation préférentiel, non limitatif. Un jeu de figures permet d'illustrer le procédé de façon schématique, ces figures représentant :
- figure 1 : une vue d'un contenant avant remplissage, - figure 2 : une vue du même contenant que celui de la figure 1 une fois rempli d'un liquide à chaud avant refroidissement,
- figures 3A et 3B : deux vues à 90° du contenant rempli, après refroidissement et ayant subi le phénomène de collapse,
- figure 4 : le contenant collapse des figures 3 A et 3B après traitement selon le procédé de la présente invention qui retrouve sa forme initiale.
L'exemple donné concerne des bouteilles en PET mais pourrait s'appliquer à tout contenant en matériau polymère de même nature et présentant des propriétés similaires.
Le procédé consiste à effectuer un remplissage à chaud d'un contenant à parois minces, ce contenant devant présenter des caractéristiques adaptées telles que décrites ci-après.
Ce contenant est de forme cylindrique, éventuellement avec des cannelures pour rigidifier le corps, avec un fond léger comme celui des contenants pour eaux minérales plates, mais renforcé, le poids total du contenant étant sensiblement celui des contenants utilisés pour les contenants d'eau minérale, à contenance égale.
Le fond renforcé consiste généralement en un fond bombé vers le goulot avec des renforts pour éviter son retournement sous légère pression. Ce contenant est fabriqué à partir de l'une ou l'autre des deux méthodes de traitement dit "HR" une ou deux roues, en fonction des températures de conditionnement.
Le contenant est ainsi capable de résister à chaud et reste d'un poids réduit. De plus, on note l'absence des éléments caractéristiques des bouteilles en PET de l'art antérieur conditionnées à chaud tels que ceinture, bulbe à l'épaule, panneaux. Le contenant, représenté figure 1, dispose d'une géométrie simple. Le remplissage s'effectue à partir du réservoir d'une remplisseuse de type connu, généralement par gravité directement dans le contenant, le liquide étant porté et maintenu à une température de 60 à 950C en fonction des applications visées.
Lorsque le liquide en température pénètre dans le contenant, il se produit trois actions :
- montée en température rapide de la paroi puisque l'épaisseur est faible et que l'inertie correspondante est limitée.
- action de la pression hydrostatique due à la charge résultant de l'écoulement gravitaire, et
- action due à la charge du volume de liquide introduit dans le contenant.
Le contenant se déforme peu sous l'effet de la montée en température sous l'effet du remplissage car le contenant est fabriqué pour répondre à cette montée en température, tout au plus une très légère mise en forme de tonneau au moment de l'obturation. C'est la représentation de la figure 2.
On sait que la cristallinité peut être améliorée comme indiqué dans le préambule de la présente demande, ce qui améliore fortement la résistance mécanique. On sait aussi que si le contenant est utilisé dès après sa fabrication, la reprise d'humidité est très limitée et la résistance initiale à la température est conservée quasiment de façon intégrale. Le fond ayant été conçu avec une résistance mécanique améliorée ainsi que son traitement "HR" évite le retournement du bombé de ce fond sous l'effet de la charge et de l'augmentation de pression une fois ledit contenant obturé. En effet, l'augmentation de la température provoque un rétreint rapide du volume du contenant tandis que le liquide contenu, lui, conserve son volume ce qui génère une mise en pression de l'intérieur du contenant.
De fait, le fond conçu pour résister conserve sa forme tandis que le corps du contenant présente une déformation importante lors du refroidissement du liquide et de l'espace de tête. Il est à noter que cette déformation n'est pas irréversible puisque si le contenant est ouvert, le corps reprend sa forme initiale.
On sait que la déformation se localise dans la zone la plus propice à la déformation mécanique comme les parois par exemple dans le cas des contenants connus et pour lesquels aucune modification particulière n'a été apportée. On constate aussi que dans le cas d'une zone moins résistante mécaniquement, la déformation est reproductible sur tous les contenants identiques remplis dans les mêmes conditions.
Il est donc possible de créer volontairement une zone adaptée dans tout contenant de sorte à faire porter la déformation sur cette zone spécifique et déterminée, de façon reproductible.
On sait qu'un contenant carré ou cylindrique résiste bien à la pression mais résiste mal au vide sauf à prévoir des artifices comme des cannelures ou des plis.
Selon le procédé de l'invention, on obtient donc un contenant avzc un fond et une ceinture de jonction du fond et dudit corps non déformés grâce à la résistance du pli formé à cette jonction. Le contenant est stable sur son fond mais avec un corps déformé, collapsé selon le vocable du métier, ce qui le rend impropre à une mise dans le commerce. Ce sont les représentations des figures 3A et 3B. Le procédé selon la présente invention consiste à réduire le volume du contenant en provoquant une réduction du volume du contenant après refroidissement partiel ou total du liquide.
On a constaté que la bouteille même si elle reçoit un traitement HR "Heat Résistance", permet de minimiser l'effet de mémoire de forme du PET sans pour autant le supprimer intégralement.
Le procédé consiste à relâcher les contraintes figées de sorte que le contenant tende à reprendre sa forme initiale, celle de la préforme et donc tende à retrouver un volume plus réduit. C'est la démarche particulièrement surprenante et attractive de la présente invention.
A cet effet, une fois le liquide introduit à chaud, puis une fois le contenant obturé et un refroidissement partiel ou total opéré, le contenant est soumis à une montée en température d'au moins une partie dudit contenant de sorte à relâcher les contraintes et à déformer de façon irréversible le contenant sur toute ou partie de sa surface.
La montée en température doit être rapide pour ne pas provoquer la montée en température du liquide, ce qui annulerait le différentiel nécessaire pour compenser la dépression. Néanmoins, le choix des moyens pour réaliser cette montée en température reste très large car le ratio des masses mises en jeu est très important. Les quelques grammes de PET d'un contenant face aux centaines de grammes du contenu conduisent nécessairement à une élévation de température plus rapide de l'enveloppe que du contenu. De plus, en cas de chauffage par rayonnement notamment, l'enveloppe est la première soumise aux rayonnements infrarouges et absorbe en premier lieu les calories.
Il convient seulement d'éviter les moyens de chauffage par transmission comme le bain marie ou la pasteurisation. Dans ce cas, il est un autre paramètre qui n'est plus adapté, c'est le temps nécessaire, beaucoup trop long avec ce type de technique.
Un autre préjugé à vaincre est le volume de compensation nécessaire. Au vu du contenant après refroidissement, la déformation laisse à penser qu'il est nécessaire de générer une réduction importante de volume.
Pour une bouteille de 500 ml, la réduction de volume après refroidissement est de 3,5% seulement du volume liquide, donc 17 ml.
De fait sur une telle bouteille, généralement d'environ 60 mm de diamètre pour donner un ordre d'idée, il est possible de prévoir le rétreint sur la hauteur dite d'étiquetage, c'est-à-dire sur la zone d'apposition d'une étiquette.
La ceinture entre la zone d'étiquetage et le fond ainsi que la zone d'épaulement étant indéformable, il suffit de prévoir une rétraction de 1 à 2 mm du diamètre. Il est même possible de prévoir une légère mise en surpression afin de compenser l'éventuelle rétreint supplémentaire lors d'une mise au réfrigérateur d'un tel contenant.
Il est aussi à noter que lors du remplissage à chaud, il subsiste toujours un espace de tête rempli d'air.
Aussi, il est possible de coucher la bouteille de sorte à conduire systématiquement cet air suivant une génératrice de ladite bouteille en partie haute. De fait le procédé peut mettre en oeuvre un chauffage à air chaud car la transmission de calories entre la paroi et l'air est très difficile, l'air étant très isolant. Les calories se concentrent dans la paroi de ladite bouteille sur la zone concernée et provoque très rapidement le rétreint recherché. Afin de ne pas avoir à procéder à une remontée totale en température, il est aussi possible de réaliser ce chauffage de l'enveloppe dès que le liquide intérieur est passé en dessous de la température de transition de l'ordre de 40 à 5O0C. On peut noter aussi que le procédé selon la présente invention permet de réaliser des contenants de section carrée, le rétreint provoquant alors une déformation du contenant par triangulation qui est également compensée lors du relâchement des contraintes et lors du rétreint du contenant. Ainsi selon la présente invention, le procédé consiste à recourir à un contenant apte à résister mécaniquement sans déformation au remplissage à chaud d'un liquide dans une plage de températures d'un liquide stérilisé, généralement de 80 à 950C, par exemple un contenant en polyéthylène, ledit contenant étant réalisé par extrusion/souff loge et présentant une mémoire de forme avant soufflage, à remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud, à obturer ce contenant rempli et à laisser refroidir au moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant alors une déformation par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, puis à chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes et un retour vers la forme avant soufflage générant un rétreint et une mise en pression interne du contenant conduisant au moins à compenser les déformations subies par les effets de la dépression. On obtient ainsi selon la présente invention un contenant empli d'un contenu pasteurisé dont on peut garantir la pasteurisation par une simple mesure de température de remplissage. Le coût du contenant pour la mise en oeuvre du procédé n'est plus préjudiciable puisqu'il est tout à fait comparable à celui des contenants aptes à subir un remplissage aseptique. L'avantage est de pouvoir répondre aux besoins des industriels en cadences de remplissage, aux besoins en garantie d'asepsie sans pour cela nécessiter des lignes d'embouteillage coûteuses en investissement, également coûteuses et complexes en fonctionnement. Ainsi grâce au procédé selon la présente invention, non seulement le coût de matière première pour fabriquer un contenant rempli à chaud est réduit mais cette quantité moindre de matière première conduit à des coûts ultérieurs de recyclage réduits pour un même volume embouteillé. Selon la présente invention, il est à noter que l'on peut prévoir un dispositif adapté pour la mise en œuvre du procédé.
Une solution consiste à réaliser des coquilles comprenant au moins deux parties de façon à venir envelopper le contenant, lesdites coquilles étant chauffées par tout moyen adapté afin d'émettre les calories nécessaires.
Les coquilles ont un profil sensiblement conjugué de celui du contenant pour émettre les calories au plus près des parois, voire dans une zone localisée de cette paroi, ces coquilles étant orientées horizontalement si le chauffage est effectué sur une génératrice avec l'air en partie supérieure. Dans ce cas, il est possible alors de provoquer un chauffage plus intense dans une zone particulière.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de remplissage à chaud d'un contenant asiec un liquide stérilisé, généralement à une température située entre 60 à 950C, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes : a. disposer d'un contenant réalisé en un matériau et suivant un procédé apte à le rendre résistant au remplissage à chaud dudit liquide, ledit contenant ayant des contraintes résiduelles issues de sa fabrication, b. remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud, c. obturer aussitôt après remplissage ce contenant rempli, d. laisser refroidir au moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant une déformation par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, et e. chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes résiduelles, ce relâchement conduisant à un rétreint et consécutivement générant une mise en pression interne du contenant ce qui compense au moins les déformations subies par les effets de la dépression de l'étape d/.
2. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé permettant de rendre le contenant résistant est un procédé d'extrusion/souff lage suivi d'un traitement "HR".
3. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau est du polyéthylène téréphtalate, PET.
4. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on prévoit sur le contenant une zone localisée de rétreint.
5. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone localisée de rétreint est la zone d'étiquetage.
6. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage de l'étape e est poursuivi pour provoquer une mise en pression de l'intérieur du contenant.
7. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage du type à rayonnement infrarouge.
8. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 7, caractérisé en ce que le chauffage du type à rayonnement infrarouge est obtenu par des coquilles chauffées comprenant au moins deux parties de façon à venir envelopper le contenant, afin d'émettre les calories nécessaires.
9. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage du type à air chaud.
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