PET瓶热灌装工艺具有安全性高，操控性能好，投资少等优点，在饮料生产领域应用广泛，但饮料从热态到常温过程中体积收缩产生负压，给瓶体设计造成一定局限性，必须利用呼吸板块吸收负压，同时瓶体需采用厚加强筋以提高强度。充氮热灌装工艺是在传统热灌装工艺的灌装工序后，旋盖前向瓶体内部注射液氮，通过氮气在热态和常温下的压力变化来消除负压，去除呼吸板块的设计限制；同时，通过液氮气化增加瓶体内压进而提高瓶体抗压强度，打破加强筋过厚的约束，大幅提高了PET瓶体设计的自由度。

关键词：热灌装工艺；PET瓶；饮料生产

图1  传统热灌装工艺流程

图2  充氮热灌装工艺流程

图3  压力与时间周期关系图

为确保消费者饮用冷藏产品前，瓶体仍然具有一定的内压，应满足P4（4℃下）>=标准大气压+P保险值，P3=P4+P货架期内泄露量；P3值确定后，根据阿伏伽德罗定律P= NRT/V推算P2和P1，并通过反复实验，最终确定最优内压控制参数。图3为各个点压力与时间周期的关系示意图，从图中可以看出，虽然随着瓶体放置时间的增加，瓶体内压呈下降趋势，但生产24h后和12个月时瓶体在常温/4℃下的内压变化很小。不同PET瓶内压控制参数不同，当瓶体或者生产工艺发生变化，内压控制参数要进行一定调整。压力测算时构建的压力测算数学模型如表1所示，其中黄色部分是与工况相关的输入参数。

表1 内压控制参数一览表

充氮热灌工艺降低了PET瓶重量，大大提高了瓶型设计自由度，优化了瓶体性能[12-15]。充氮热灌工艺中PET瓶设计需注意以下事项[16-18]：

充氮热灌工艺要求瓶底设计时需采用底部强度高、不易变形的碳酸底设计[19]，或在碳酸底的基础上进行优化（如图4所示）。由于PET瓶在热态下（85℃左右）要承受0.2MPa以上的压力，只有高强度瓶底才能保持瓶底形状；瓶底强度不够时，会导致瓶底凸出，瓶体无法站立。

PET瓶身沟槽最佳深度在0.3mm以内（如图4所示），否则，在热态下沟槽产生塑性拉伸，冷却后无法恢复，致使沟槽变浅，瓶高加长。

图4 传统热灌与充氮热灌工艺中瓶体结构形式对比

PET瓶尽量采用对称结构，以保证瓶体的稳定性；非对称结构瓶体在高温高压下易产生不均匀变形，冷却后瓶高增加，甚至出现两侧高矮不均的“香蕉瓶”。

PET 瓶生产过程中，瓶体结晶度和瓶底温度控制至关重要。结晶度直接影响瓶体强度，同时也影响瓶体玻璃化温度[20]。瓶体结晶度越高，在相同温度下强度越好，同时玻璃化温度越高，如图5所示。

图5  温度对PET瓶硬度影响

瓶底厚度远大于瓶身，冷却速度低于瓶身，瓶底是瓶体离开吹瓶机后温度最高的部位，因此当瓶体材料和吹瓶工艺确定时，降低灌装时瓶底的温度成为避免瓶底变形的关键因素[21-23]。充氮热灌装时，将吹瓶模具的底膜热油冷却改为底膜冷水冷却[24]，同时增加3道瓶底冷却工序，不但加快了吹瓶的底膜冷却速度，而且保证瓶体在进入冷道前不发生变形[25]，具体如图6所示。

图6 充氮热灌装中PET瓶体冷却工艺示意图

由于瓶底冷却会造成瓶体降温，为确保“倒瓶杀菌”的工艺效果，需要提高灌装温度0.5℃～1℃以保证倒瓶杀菌效果，具体提高温度根据实际工况确定。

瓶体内压的精度和稳定性，主要取决于两个方面：一是液氮的注射精度，由液氮注射设备能力决定；二是液氮从注射到瓶体封口时间内的蒸发量和精度，即余留的氮气量和精度。余留的氮气量和精度取决于：（1）设备运行稳定性，对于吹灌旋一体机而言一般在95%以上；（2）氮气注射喷嘴结构以及喷嘴和瓶口之间的距离，距离越近越好；（3）瓶体从注入液氮到旋盖完成的时间，时间间隔越短越好；（4）灌装车间环境温度及稳定性，一般灌装车间都是恒温控制在25℃；（5）瓶体的液位控制及精度即顶隙空间的大小和精度。

液氮注射的方法有三种，一种是让液氮不断流出，由于瓶体间的间隙大，有效注射量=瓶口直径/灌装机节距（以φ38瓶体为例，一般为38mm/93mm=40%），造成很大浪费，速度变化还会造成压力波动；第二种是间断式注射，即每瓶注入定量液氮；第三种是由计算机控制可在任何速度（0～2400cpm）连续注射或者间断注射，控制精度达±1.5%。 

由于液氮沸点为-195.8℃，易造成注氮头结冰堵塞，为此要进行三种氮气吹扫作业：（1）生产前进行30min负压管路吹扫，完成氮气置换，为确保生产过程中的稳定，还要在开关机时对整个系统进行氮气吹扫；（2）生产过程中，每4h进行一次化冰吹扫，每次2min；（3）生产结束时对低氮系统进行保护吹扫30min，消除注氮头的结冰和水汽，确保下次开机可以快速投入使用。

瓶体灌装的液位控制，即瓶体容量与灌装量之间的关系，决定了瓶体顶隙空间的大小。顶隙空间会影响产品效果：液位太低，降低消费者舒适度；液位太高，氮气量少，不但会增大内压波动，还会造成瓶体内压低，冷却后出现负压现象。图7为不同瓶体内压下瓶内液位顶隙空间对比情况，因此不同瓶体需要进行反复测试方能确定合适液位。

图7  不同瓶体内压下瓶内液位顶隙空间对比

现场测试结果，表明了瓶体内压与注氮量、液位的关系。如图8所示：当液位高度一定时，瓶体内压随着注氮量的增加而增加，当注氮量超过瓶体可以容纳的氮气量时，瓶体内压将达到一个峰值，且不再增加。如图9所示：保持注氮量不变，瓶体内压随着液位的升高而增加，到达一个峰值后，瓶体内压随着液位的升高而降低。

注氮时间/ms

图8  瓶体内压与注氮量、液位的关系（灌装液位不变）

瓶体容量/mL

图9  瓶体内压与注氮量、液位的关系（注氮量不变）

虽然影响因素多，但是氮气的填充量及其精度还是可以很好地被控制。经过反复现场测试，找到合适液位后，可以很好地控制瓶体容量、灌装液位、顶隙空间、内压和瓶高拉伸变长等指标。图10和图11是一组600mL瓶体的测试数据：图10瓶体容量为602.5+1mL，冷却后瓶体高度222.8+0.4mm，图11冷却后内压0.46+0.10bar。

图10  600mL瓶体容量、冷却后瓶体高度及冷却后内压测试数据

图11 600mL瓶体容量、冷却后瓶体高度及冷却后内压测试数据

即使充氮热灌时瓶底采用碳酸底设计仍会出现瓶底开裂现象（如图12所示），主要由两个方面的原因造成：（1）材料应力开裂，与PET料性能、吹瓶工艺以及瓶体内液体PH值等因素相关，发生几率很低，但一旦发生将是普遍性和灾难性的。新材料、新工艺或新产品首次生产前，取瓶体样品30支，在0.2%NaOH溶液中浸泡3h，无开裂视为合格。（2）外力冲击造成的开裂，具有随机性，主要是由于瓶底抗冲击性能不足所导致。为此，需调整吹瓶工艺，增加瓶体底部中心小花瓣处的厚度以增加瓶底强度，减薄瓶底和瓶身结合处大花瓣的厚度以起到缓冲的作用。定期取样，自2.5米高度，瓶口向上，并使瓶体轴线与水平方向成60°，自由落体跌至水泥地面，瓶不破裂为合格。

图12  瓶底开裂

达能（中国）食品饮料有限公司2017年“天方茶谈”项目将充氮技术融入到传统热灌生产线上，实现了天方茶谈产品快速上市，生产线运行稳定，各项指标良好，具体表现在如下几个方面。 

实现了产品包装设计的突破。项目从设计到生产仅用时6个月；产能32000瓶/h的生产线改造费用约一百万元，仅占一条全新热灌线投资的8%，而投资相同产品的一条无菌生产线是热灌线投资的150%。 

无氮气不足造成的相关投诉，产品在货架期时内压依然满足要求，如表2所示：

表2  产品内压跟踪测试结果（对比大气压强）

注：P1为旋盖后，热态；P2为冷却后，常温；P3为24h后，常温；P4为12个月后（常温，4℃）

全年充氮热灌产品生产效率约为95%，比热灌装产品将低2%左右，主要由于氮气吹扫造成。每瓶瓶体的液氮注入量为0.2g，氮气综合利用率为60%，氮气成本约为0.5元/千瓶。

充氮热灌装工艺是对传统热灌装技术的拓展，投资少，见效快，大大增加了生产线的柔性，具有很好的投资经济性；同时技术成熟、操作简单，与热灌装技术具有相同的食品安全性保障。国内充氮热灌工艺尚未广泛使用，充氮热灌装工艺具有广阔的应用空间。充氮热灌工艺可以有效的突破传统热灌工艺的局限，充分利用现有产能，如通过充氮，突破热灌装对瓶型的限制，实现不同瓶型的热灌产品生产；利用氮气作为不活泼气体的特性，可以对产品进行有效保护，助力氧气敏感性产品的生产；通过充氮，增加产品的抗压强度，可有效降低热灌产品瓶体重量，实现节约增效，减少碳排放，保护环境；更可以支持新型PET材料（如：Bio-PET）的使用，实现绿色环保，助力循环经济。