包装机文献综述

生物与农业工程学院

毕业设计文献综述

题目 立式无菌包装机设计

专业：包装工程 学号：45060321 学生姓名：王伟 指导教师姓名：齐迎春 指导教师职称：

日期： 2010年 3 月 22 日

1、前言

包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。随着时代的发展，技术的进步，包装机械在包装领域中正起着越来越大的作用。包装机械是随着新包装材料的出现，和包装技术的不断革新而发展的。中国发明的造纸技术，在历史上为纸包装的产生提供了条件。1850年世界纸价大跌，纸包装开始用于食品。1852年美国的沃利发明出制纸袋机，从而出现纸制品机械。1861年德国建立了世界上第一个包装机械厂，并于1911年生产了全自动成形充填封口机。 1890年美国开始生产液体灌装机，1902年又生产了重力式灌装机。20世纪初，英国的杜兰德采用金属容器保存食物，从而出现各种罐头包装食品。 二十世纪60年代以来，新材料逐渐代替传统的包装材料，特别是采用塑料包装材料后，包装机械发生重大变革。超级市场的兴起，对商品的包装提出了更新的要求。为保证商品输送快捷安全，集装箱应运而生，集装箱体尺寸也逐渐实现了标准化和系列化，从而促使包装机械进一步完善和发展。

无菌包装是指根据产品要求，在无菌状态下，把经过灭菌处理的物料，装进事先灭菌或经无菌处理的包装容器内，让其储存于不透风、不透气甚至不透光的特定环境中，在常温下无需冷藏也能保持较长的时期而品质不变。可见无菌包装，原是对一种特殊的包装方法的简称。但是，随着时间的推移，现已发展成为一个领域或者说一个系统工程。它至少包括无菌包装技术、无菌包装工艺、无菌包装材料、无菌处理设备、无菌包装机械装备等。无菌加工和包装技术应用于食品工业已有多年的历史。最早的工业化无菌充填包装系统可以追溯到1950年Jams Dole公司开发的产品。由于无菌充填包装技术能较好地保持产品的色、香、味, 不需冷藏, 节约能源, 连续化生产、降低了生产成本因而被广泛采用。从当初仅能包装液体状、粘稠状食品, 发展到现在可以包装含固形物80%左右, 固体颗粒最大达25mm的食品。而且包装形式多样, 盒装、袋装、盒中袋, 瓶、罐等形式均有。容量从10~15ml的小包装至37850l（1万加仑）的大包装, 灵活性极大。同时由于包装技术和相应食品加工技术的发展,数年前主要用于牛奶和乳制品的无菌充填加工技术, 今天已可应用于各种各样食品的加工。

无菌包装机的种类繁多，根据被容物、成型器、灭菌的方法等可以划分很多类。例如，单头无菌液体软包装机、双头液体无菌包装机、利乐砖无菌包装机、饮料无菌纸盒包装机、立式无菌包装机、卧式无菌包装机等种类。这里主要介绍一下立式袋无菌包装机。

进入九十年代, 随着包装材料的不断更新,商品的软包装将领导着包装的主要潮流。在可进行软包装的自动化机械中,立式袋无菌包装机的应用最广。立式袋成型包装机是一种高效的、优秀的软包装机械。立式袋成型包装机是指在同一

台设备上、同一竖直方向上完成包装袋成型、物料的充填、封口等工序的多功能包装机械。在该类机器上可独立完成对液体、粘流体、粉体、颗粒状物料的包装。所用的包装材料是具有可热封层的塑料单膜及各种复合膜等。在这类机器上可成型枕形袋、三边封口袋、四边封合袋、直立袋、盒形袋等多种袋形。而立式无菌包装机的其中主要一个环节为包装环境和包装产品的灭菌。目前国内外灭菌的方法种类繁多。（参见表1）

目前最常采用的是过氧化氢灭菌法。尤其是此法被美国FDA认可后, 此法在世界范围内获得了广泛的应用。如瑞典Tetra Pak公司的TBA系列利乐包无菌灌装包装机即采用这种方式。过氧化氢浓度在20~70%范围内, 浓度越高, 杀菌效果越好。但浓度太高, 可能造成过氧化氢在包装材料上的残留过高。因此FDA规定, 用于无菌包装系统的过氧化氢浓度应低于35%, 内容物中过氧化氢浓度(以水为充填试验)应低于0.5ppm。在常温下, 过氧化氢杀菌力较弱, 一般加温至70~80℃以上使用。如果用紫外线与过氧化氢并用, 则可大大提高过氧化氢的杀菌效力。使用的过氧化氢浓度可以从35%降至0.5~2.5%。Thimonier公司的新无菌包装系统就采用了这种方式。

采用过热蒸汽对空罐、罐盖进行杀菌已有四十多年的历史。一般采用220~226℃的过热蒸汽灭菌45~90秒。Jams Dole公司就采用这种方式。铝罐可缩短20%的杀菌时间。塑料胶粒在挤压成形时, 温度可达180~230℃ , 熔化过程持续约3分钟, 因此可用于挤压成型的塑料容器的灭菌。但温度分布不均匀, 仅适用于酸性食品的包装容器的灭菌。放射线杀菌在商业上使用的主要是由钻60产生的r射线, 现主要用于大容量盒中袋(bag in box)塑料袋的灭菌。

由于生活水平的提高，人们对生活质量的追求也发生了深刻的变化，因此对于无菌包装技术的要求越来越高，为解决这一课题，一些国外先进国家早在70年代就开始研究开发无菌包装机;我国在80年代初开始引进这一设备，多数是德国、瑞典、芬兰制造的，至今已有上千条线在国内运行，其不足之处是:由于进口设备内装有多个电机作为驱动机械，结构均比较复杂，以气动封切为主，要求高，中小企业不能掌握，而且价格都比较昂贵，如芬兰生产的依莱克思德，无菌包装机的价格是44万美元，法国百利包装机价格是300多万人民币，不具备相当实力的企业是无法接受的;更主要的是维修不便，配件不及时一直困扰着这些企业的发展和生产，如今一些企业的设备运行二十来年，面临着更换的状况，因此，无菌包装机还有待于进一步开发和研制。

2、机械的主要机构

一般立式无菌包装机由支架、传动机构及供膜装置、杀菌装置、拉膜装置、夹膜装置、成型装置、纵封装置、走膜装置、横封装置等组成。其中成型装置的种类繁多。成型器的结构有翻领形成型器、三角形成型器、U形成型器、象鼻形成型器、缺口导板成型器等结构。成型器对包装袋的形式、尺寸、产品包装质量、机器的布局等均有直接的影响，是塑料薄膜材料折叠成各种袋型的专用装置。 立式无菌包装机的工作原理：

预先印刷有产品商标、图案等内容的复合塑料薄膜1绕制于膜卷2中，其一端经导辊3，薄膜打字装置5和双氧水浸泡槽6进入辐射杀菌区7杀菌，然后进入无菌作业区8内，由若干对导辊引导其曲折经过该区，并采用无菌的热风干燥薄膜1；在所述的的无菌作业8的前部中设置有拉膜器9；所述的拉膜器9系由设置在拉膜架91上的拉膜辊筒92和与之相连的气缸10构成；其中所述的气缸10设置在无菌作业区8外，与其活塞杆相连的拉杆11穿经无菌作业区8的壁体12与拉膜架91相连接。在所述的压膜器9的拉膜架91上设置有两根拉杆11，在无菌作业区8的壁体12外的拉杆周围设置有无油滑动轴承13；在两拉杆的另一端经连杆14与两只气缸10相连接。在所述的拉膜器9的后侧设置有由压辊41、设于其上的压杆42和与之相连并设于无菌作业区8的壁体12外的气缸10所构成的压膜器4。在压杆42穿经无菌作业区8的壁体12外的外侧设置有无油滑动轴承13，其内侧设置有密封圈15；在两拉杆的另一端经连杆14与气缸10

相连接。

上述诸机构的输送、运行主要采用光电传感20感知印制与薄膜上的色标，并控制输送中的薄膜停止移动，薄膜打字装置5开始打字，薄膜1处于停止不动状态；然后，气缸在预设程序的控制下，驱动连杆14和设于其上的压杆42，由压杆42穿经无菌作业区8的壁体12和无油滑动轴承13及其内侧设置有密封圈15带动压辊41压住薄膜1；同时，设于其旁的另两只气缸10受控下拉动由不锈钢制成的拉膜辊筒92将薄膜1从膜卷2中适量的供给；然后，再经无菌作业区8内的后续象鼻成型器17，折叠器18，立角热合封口19和两侧边封口21，制成并灌装成所需的立体无菌包装袋。（参照图1）

图1

2.1、执行机构

由于无菌室中的主要污染源来自空气,无菌室的设计主要集中在怎样保证无菌室中的空气无菌及防止外部的空气进入及执行部件造成的污染。通入无菌室中的空气经过过滤使之达到商业无菌,同时,无菌空气在无菌室中形成正压差,使外部的空气不能进入;再开机前,对无菌室进行清洗并进行高温蒸气杀菌

剂双氧水喷雾。保证了无菌包装的要求。

图为象鼻袋装充填-封口成型装置，可以完成纵缝对接封口，装填封口及切断工作。该机构由象鼻成型器2、加料斗3、匀速回转的辊式纵封器4、不等速回转的横封器5、回转切刀6等组成。其工作原理是：单张卷筒薄膜经多道导辊和光电管被引入象鼻成型

器，将薄膜卷折成圆筒状，被连续会装的纵封辊加热加压热封定型，包装料袋自上而下的连续移动，就是这纵封辊连续回转牵引薄膜的结果。横封器不等速的回转，分别将上、下两袋的袋口和袋低封合，纵封器的转轴轴线与横封器回转轴线成空间垂直，因而获得枕式袋，被包装物料经计量后由导料槽落入袋内，封好口的连续袋由下面回转切刀与固定切刀接触时切断分开。

如图所示，柱塞式充填的计量和充填过程是：当柱塞推杆7向上移动时，由于物料的自重或粘滞阻力，使进料活门5向下压缩弹簧6，于是物料从活门5与柱塞顶盘3的环隙进入柱塞下部缸体2的内腔中，当柱塞4向下移动时，活门5在弹簧的作用下关闭环隙，柱塞4下部的物料被柱塞压出并充填到容器中去。该装置的计量时通过柱塞4的往复运动，在柱塞两

极限位置间形成的一定空间的容腔来计量物料的。 2.2 传动机构

本机构由凸轮5、热风摆杆2、复位弹簧8、支承轴3、13、曲柄10、滑套11、定量泵摆杆12、连杆14组成，热封摆杆2及定量泵摆杆12分别固定于两端有轴承座17、18，并固定于机架的支撑轴3、13上，热封摆杆2的两端可分别固定横封热合器9、竖封热合器1。复位弹簧8一端连接于热封摆杆2，另一

端固定于机架。凸轮5装配于轴承座7的主轴6上，并与热封摆杆2配合，其配合处可装滚体4，如顶珠等。曲柄10为可调整偏心量的偏心曲柄，其装配于主轴6的一端，并与定量泵摆杆12上的滑套11铰链，定量泵摆杆12一端与连杆14一端铰链，连杆14另一端铰接定量泵杆15。（参图2）

图2

包装等过程的虚拟样机仿真：

运用ADAMS软件建立贴标机转位凸轮各工作段的运动仿真模型，分析在贴标过程中理论轨迹和实际轨迹的轨迹误差和运动误差是否满足要求，对设计结果进行仿真验证；最后建立一个总体的运动模型，验证凸轮轮廓的接续是否满足从动件运动的要求。

3、国内外发展现状

在国家科技政策宏观调控下! 国内厂商投入大量资金和人力生产无菌包装机!

近几年来在上海、杭州、北京、广州等地形成激烈竞争的良好态势。国内厂商走过了由借鉴国外先进经验进行仿制到逐步转

为自行设计生产的过程! 对我国牛奶无菌包装技术的发展起到了很好的促进作用。杭州中亚食品包装设备公司、北京航空制造工程研究所、上海张堰轻工设备有限公司、香港德建食品机械公司等国内厂商作为我国无菌包装机生产的先锋!克服国产设备普遍存在的无菌化性能不稳定、自动化程度不高、生产能力低等问题!正在趟出一条无菌包装机国产化生产的新路子。我们知道，无菌软包装生产线形式有多种，其主要原理是：被加工的液体原料经过超高温灭菌设备后，

在无菌状态下进行包装，各加工环节具有较高的自动化程度和完善安全的无菌保障! 各个程序经过科学编排设定后，由各种不同配件组合成联合体，步调和谐地工作。

纵观国内外，无菌充填包装技术的新进展有： ㈠加入固形物的低酸性食品的无菌加工。

新开发的用于含固形物食品的无菌加工新技术有电阻加热、RF波（无线电波周波段）电波加热、微波加热和超高压处理。

电阻加热是将低频交流电（50或者60HZ）或通过连续流动的食品, 利用电阻热效应产生的热量, 对食品进行加热。可以快速加热固体颗粒25mm以下, 固形物含量80%以下的食品。产品升温速度快、加热均匀, 固形物中心的温度和外表面基本一致。无传热面, 产品不会结焦。在欧州和日本已经实现了工业化生产, 用于处理含颗粒的水果制品（如整只草葛、称猴桃片等）、含颗粒的肉制品、蔬菜制品（如色拉等）、调味品（番茄沙司、面条调味料等）、浓缩汤料、糖渍品等。RP波加热适用于鸟肉、马铃薯、炒蛋等固形物含量高的食品。食品通过一个塑料制成的管。管外侧安装电极, 发射RP波进行加热。由于高周波的诱电性能量, 使食品中水分子振动,由于与被加热食品的形状、大小无关使固形物能均匀快速地加热。微波加热比传统的加热方式加热速度快, 产品质量保存好。超高压处理不采用加热的方法, 食品的风味、色泽、结构、营养成份保持好。现这两种技术在无菌加工中的应用尚未完全成熟。目前研究开发十分盛行。 ㈡成型的聚脂瓶无菌充填包装系统

近年欧州、日本、加拿大和美国已成形的聚脂瓶无菌充填包装系统已投入运转。用于非碳酸清凉饮料、酸乳饮料、调味品的无菌充填包装。这类产品若采用热灌装或灌装后杀菌均会造成瓶的变形, 无菌灌装解决了这个问题。 ㈢可用于微波加热的复合纸盒容器

随着加入固形物食品的无菌包装制品的增加, 对能采用微波加热的容器的需求也日益强烈。由于传统的纸盒复合材料中含有铝箔作为气密性材料, 妨碍了微波的透过。因此开发能取代铝箔的气密性材料的研究也开始了激烈的竞争。Combibloc公司已开发出此类材料并申请了专利。

4、总结：

综上所述，无菌包装机是一种新型包装机，并且拥有较高的技术和严格的工艺设备。因此，就包装机械而言，它应属于一种特殊类型的专业机械，是完成全部或部分包装过程的执行手段，包装的实际需要决定它的生存价值。它是一门综合性科学，它涉及到材料、工艺、设备、电子、电器、自动控制等多种学科，要求各相关学科同步、协调地发展，任何学科的问题都将影响包装机械的整体性能。因此，包装机械的发展将有力地促进相关学科的进步。另外，为适应包装机械高速包装的需要，其相关的前后工序也势必与之适应，也就推动了相关工序的同步发展。

参照以上描述，我构想一种小袋无菌包装机，这种包装机具有成本低、体积小、结构简单等特点。具有液体、包装材料杀菌，成形，灌装，封合以及切分等功能。它是由机体，杀菌装置，成型、灌装、封切装置组成，它是用不透气板与机体面板和顶盖一起围成无菌室，机体面板上与包装行为有关的工作装置均置于无菌室内，该无菌室的顶部及侧部密封，小袋包装后的输出端敞开，无菌发生器通过若干根无菌空气进气管与无菌室相通。此包装机是在现有小袋全自动液体软包装机的基础上改进而成的。在成型、灌装、封切工位上加装无菌室罩，使原包装机的成型器、纵封器及横封器组件置于无菌室罩之内，与包装机的前面板一起组成无菌室。并使杀菌后的包装材料直接进人无菌室，以及后续的成型、纵封、灌装、横封等工作全部在无菌室内的无菌环境下完成。

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