液體飲料PET無菌灌裝工藝與裝備研發進展

陳金定 楊舒喬 高彥祥

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terepthalat，PET)是熱塑性聚酯中最主要的品種[1]，PET瓶是指以PET聚酯為原料，經注塑、吹制而成的塑料包裝瓶。與玻璃瓶、金屬易拉罐等包裝形式相比，PET瓶具有美觀、輕便、韌性強、可塑性強、滲透率低、可回收等優點，被廣泛應用于飲料包裝行業[2-3]，并成為食品飲料領域發展速度最快的包裝材料[4]。近年來，全球飲料的年均消費量快速增長，與此同時，飲料市場的PET包裝用量也在不斷增長，且2020年前，年均增長率達到8%[5-6]。

PET無菌灌裝技術是集光機電一體化技術、現代化學、物理學、微生物學、自動控制、計算機通訊等多項高新技術為一體的現代化飲料灌裝生產技術[7-8]。2001年北京匯源果汁集團將PET無菌灌裝生產線引入中國，推動了中國飲料工業的快速發展，促使中國飲料的生產技術及裝備向國際先進水平發展。近年來，PET無菌灌裝技術不斷創新發展、產業鏈不斷完善，已經逐步發展成為茶、果汁、蛋白飲料等產品的主要生產方式[5,9]，目前中國飲料行業中進口無菌灌裝生產線超過260條，且逐年增加。文章擬對PET無菌灌裝技術進行概述，并對PET無菌灌裝工藝及裝備的研發進展進行分析，以期為飲料生產企業PET無菌灌裝技術的應用及優化提供依據。

1 PET無菌灌裝技術

傳統的非無菌灌裝技術是將產品灌裝至包裝容器，密封后進行殺菌，使產品達到商業無菌狀態，主要用于玻璃瓶及易拉罐包裝產品的滅菌；無菌灌裝技術誕生于20世紀30年代，是指將產品及包裝容器分別進行滅菌后，在無菌環境下進行灌裝，并完成密封，使產品免受微生物污染、延長產品貨架期的生產加工技術[7]；二者區別如圖1所示。

圖1 非無菌灌裝與無菌灌裝區別Figure 1 Difference between non-aseptic and aseptic filling

PET無菌灌裝技術對液體飲料采用超高溫瞬時殺菌(UHT)，熱處理時間一般不超過30 s，能夠最大程度地保留產品的風味和熱敏性營養物質，如維生素等；在無菌的環境下進行灌裝與密封，產品中無需添加防腐劑即可達到延長產品貨架期的目的，保證產品的安全性[10]；無菌灌裝溫度為常溫，相對于傳統熱灌裝方式，更加節約能源，生產成本更低[11-14]，此外，PET無菌灌裝技術具有更廣泛的產品適用性，且包裝形式更加多樣化[15-16]。

2 PET無菌灌裝工藝與裝備發展現狀

隨著科技水平發展，PET無菌灌裝生產線向更加智能、更高產能、更加靈活等方向發展，并趨于成熟。從產能來說，2000—2010年，PET無菌灌裝生產線產能普遍為36 000瓶/h(500 mL)；2010—2020年，PET無菌灌裝生產線產能提高至48 000瓶/h，最高可達72 000瓶/h。

目前國外生產PET無菌灌裝線的廠家主要有意大利GEA PROCOMAC公司，產能36 000瓶/h，2002年匯源集團引進該技術，在北京及上海工廠各有一條生產線，此外還有廈門銀鷺集團食品有限公司、康師傅(西安)飲品有限公司等；德國KRONES公司，產能48 000瓶/h，中國使用的廠家有康師傅飲品有限公司、匯源集團等；法國SIDEL公司(2013年被瑞典的利樂拉伐集團收購)，中國使用廠家有今麥郎飲品股份有限公司(產能60 000瓶/h)、農夫山泉股份有限公司(產能36 000～54 000瓶/h)、統一集團、伊利集團等；德國KHS公司，中國使用的廠家有康師傅飲品有限公司(產能72 000瓶/h)、農夫山泉股份有限公司(48 000瓶/h)等；日本DNP公司(大日本印刷株式會社與日本三菱重工業株式會社合作)，中國使用廠家有農夫山泉股份有限公司[17]。

中國PET無菌灌裝生產線雖然與國外技術仍有一定差距，但隨著中國科技創新水平的提升和國家“十三五”重點研發計劃資助(編號：2018YFD0400900)，現有國產PET無菌生產線的產能及技術指標已接近國際先進水平，并在中國多家飲料企業投入使用，如廊坊百冠包裝機械有限公司，使用廠家有元氣森林科技集團有限公司(含氣飲料30 000瓶/h、茶飲料36 000瓶/h)等；此外還有廣州達意隆包裝機械股份有限公司、南京保利隆包裝機械有限公司等。

2.1 PET無菌灌裝工藝

PET無菌灌裝工藝通常包括在線吹瓶、瓶子及瓶蓋的殺菌、飲料殺菌及灌裝、旋蓋等，典型工藝流程如圖2所示。

圖2 PET無菌灌裝典型工藝Figure 2 Typical process of PET aseptic filling

PET無菌灌裝技術的關鍵是保證灌裝旋蓋后的產品達到商業無菌，保證其貨架期內品質質量。為了確保無菌灌裝的成功，必須滿足4個基本條件：液體食品無菌、包裝材料無菌、環境及介質無菌[11-13]，即液體食品調配后經UHT殺菌達到商業無菌狀態；包裝材料如PET瓶子及瓶蓋經滅菌后采用無菌水清洗，達到無菌狀態；將無菌的液體食品在無菌環境下灌裝至無菌的PET瓶中，旋蓋后即得到無菌產品。

2.1.1 飲料、介質與環境滅菌 飲料的殺菌方式有巴氏殺菌、高溫短時殺菌、超高溫瞬時殺菌等，其中超高溫瞬時殺菌是PET無菌灌裝工藝中最常用的方式，將飲料在瞬間加熱至120～150 ℃，持續4～30 s使飲料達到商業無菌的狀態。

PET無菌灌裝生產過程中無菌介質主要指無菌氣體，包括無菌壓縮空氣、無菌蒸汽等，其無菌化主要通過無菌過濾系統實現[12]。環境無菌主要指設備表面、管道等無菌，包括CIP、COP以及SIP、SOP系統，即對相關設備的外表面及管道進行清洗(CIP、COP)及消毒(SIP、SOP)。無菌灌裝需建立無菌灌裝生物潔凈室，先通過HEPA高效過濾器過濾塵埃的方式去除空氣中附著在塵埃表面的微生物，此外還需采取消毒的方式殺滅潔凈室中的微生物[12，18]。

2.1.2 包裝材料滅菌 包裝材料滅菌是PET無菌灌裝工藝中最關鍵的一步，要求滅菌過程既要有效地殺滅包裝材料上的微生物，清洗后無化學試劑殘留，還要求滅菌過程對于包裝材料的物理、化學性質無影響。

PET無菌灌裝生產過程中包裝材料殺菌方式主要有化學殺菌方式(過氧乙酸濕法殺菌、過氧化氫殺菌)和物理殺菌方式(高能電子束輻照殺菌、脈沖強光殺菌等)。

圖3 常見PET包裝材料殺菌方式Figure 3 Sterilization methods of PET packaging materials

過氧乙酸濕法殺菌是指采用1 800～2 200 mg/kg過氧乙酸溶液對包裝材料進行殺菌的方式，通常對PET空瓶進行噴淋灌注，內外持續噴射過氧乙酸溶液進行殺菌，HDPE瓶蓋則采用過氧乙酸溶液浸泡殺菌，殺菌后用無菌水將瓶子及瓶蓋沖洗至過氧乙酸含量0.5 mg/kg以下，殺菌對數值內部可達到6 log，外部達到5 log。傳統PET無菌灌裝生產線多采用過氧乙酸濕法殺菌，該方法殺菌效率高，但容易造成溶劑殘留，且需要用大量無菌水沖洗，能耗較高。

過氧化氫具有非常強的氧化性，可形成具有強氧化能力的自由羥基以及活性衍生物，通過破壞微生物外部結構，使微生物細胞滲透壓改變而死亡，同時破壞微生物細胞內部DNA使其死亡而達到殺菌作用[19]。作為一種綠色環保的殺菌劑，液態過氧化氫殺菌應用的研究已經有超過100年的歷史，但液態過氧化氫需要較高的濃度和較長的接觸時間才能殺死微生物，相比之下，氣態過氧化氫具有更高的殺菌效率，在較低的濃度下就可以殺滅微生物。

PET無菌灌裝工藝中過氧化氫殺菌方式分為汽化過氧化氫干法(Vaporized Hydrogen Peroxide)殺菌和濕法過氧化氫蒸汽(Hydrogen Peroxide Vapour)殺菌。汽化過氧化氫干法殺菌工藝所需殺菌濃度低，但殺菌過程需要將環境條件控制在汽化過氧化氫冷凝點以上，以保證在氣態下進行滅菌，濕法過氧化氫蒸汽殺菌所需的殺菌濃度較高，對環境條件無特殊限制，但殺菌過程中在物體表面形成微冷凝薄膜，從而延長排放時間，且有微量殘留的風險[20]。

汽化過氧化氫干法殺菌技術采用氣態過氧化氫進行殺菌，不僅可以實現瓶子/瓶坯內外部同時殺菌，且無需無菌水清洗，幾乎無廢水產生，能耗降低。有關氣態過氧化氫對PET瓶坯、PET瓶殺菌效果的研究較多[19-22]，均證實其對PET瓶坯、PET瓶子具有很好的殺菌效果。

過氧化氫干法殺菌包括瓶子干法殺菌及瓶坯干法殺菌，瓶子干法殺菌即將瓶坯加熱吹瓶后，對瓶子采用氣態過氧化氫進行殺菌[23]，如日本三得利公司發明了一種PET瓶殺菌的裝置及方法，對PET瓶進行離子除塵后，注入氣態過氧化氫進行殺菌，注入熱空氣促使氣態過氧化氫排出及揮發，以溫水清洗后進行無菌灌裝[24]。日本DNP發明了一種采用氣態過氧化氫對飲料包裝材料殺菌的方法及裝置(見圖4)[25-27]。瓶坯干法殺菌即對瓶坯進行過氧化氫干法殺菌，與瓶子殺菌方式相比，避免了瓶子收縮的風險，且在瓶坯殺菌過程中，殺菌效率遠大于瓶子的，滅菌工藝更加可靠和穩定[15]。

圖4 PET 瓶子過氧化氫干法殺菌Figure 4 H2O2 Sterilization in bottle of PET

瓶坯干法殺菌分預熱前殺菌和預熱后殺菌，如德國KRONES公司在瓶坯進入加熱爐加熱后，高溫下采用氣態過氧化氫進行殺菌，然后在無菌條件下吹瓶、灌裝，避免了冷凝水的產生，同時加速氣態過氧化氫的揮發，實現PET瓶坯無菌化處理，其殺菌過程如圖5所示；法國SIDEL公司在瓶坯進入加熱爐加熱前采用氣態過氧化氫進行殺菌，殺菌后進入加熱爐加熱，節約了過氧化氫用量，且無需額外熱源防止瓶坯溫度降低，節約能源，其殺菌過程如圖6所示[28-29]。

圖5 瓶坯干法殺菌(烘爐后注入過氧化氫)Figure 5 Dry sterilization of preforms

圖6 瓶坯干法殺菌(烘爐前注入過氧化氫)Figure 6 Dry sterilization of preforms

高能電子束輻照殺菌及脈沖強光殺菌又稱物理殺菌，已被廣泛應用于食品包材殺菌方面[30]。張國宏等[31]

研究了高能電子束對PET瓶子上枯草芽孢桿菌的殺菌效果，結果表明使用高能電子束對PET瓶進行殺菌，對指示菌芽胞的殺菌對數值可以達到6 log；嚴杰能等[32]研究發現，包裝飲用水瓶蓋最佳滅菌條件為脈沖電壓7 kV，照射距離9 cm，閃爍間隔0.8 s，閃爍次數2次，并通過重現性試驗驗證表明此條件穩定，可用于實際生產。

江蘇新美星包裝機械股份有限公司發明了將電子束殺菌應用于PET瓶坯[33]、瓶子[34]、瓶蓋[35]以及吹灌旋一體化裝置[36]，通過電子束直接對傳送星輪上的瓶坯進行照射，在瓶坯傳送過程中完成對瓶坯內外表面的殺菌，同時通過設置翻轉導軌對瓶蓋進行翻轉，用一臺電子束發生機構實現對瓶蓋的正反兩面進行殺菌，節省了電子束能耗并降低了使用成本。此外，江蘇新美星包裝機械股份有限公司還發明了一種PET空瓶的脈沖強光裝置[37]，通過在傳送星輪上方設置脈沖強光系統和反射系統，采用脈沖強光對PET空瓶進行滅菌，將脈沖強光滅菌方式應用于PET瓶殺菌。以上均為物理殺菌方式在PET包裝材料殺菌中應用的實用新型專利，但未見該公司相關技術在商業化生產線上的實際應用。

與常規無菌生產線相比，采用物理方式殺菌的生產線，水、化學品及蒸汽能源消耗量降至最低，且無廢水產生，更加節能環保[38]。但由于投資成本較高，在PET無菌灌裝生產線中應用相對較少。目前，德國KRONES公司的瓶坯電子束殺菌無菌灌裝機組將高能電子束殺菌技術應用于無菌灌裝線，瓶坯外部采用3.5 kW平面發射的高能電子束處理，瓶坯內部采用22 kW浸入式指狀發射電子束處理，適用于低酸及高酸飲料產品，滅菌對數值可達到6 log，產能達24 000瓶/h[39-40]。

2.2 PET無菌灌裝裝備

PET無菌灌裝生產裝備包括瓶坯儲存、理坯及輸送裝置，瓶坯除塵裝置，瓶坯加熱裝置，瓶坯(瓶子)殺菌裝置、吹塑成形裝置，瓶輸送裝置，灌裝裝置，瓶蓋儲存，理蓋及輸送裝置，瓶蓋清洗或殺菌裝置，旋蓋裝置，灌裝和旋蓋區域空氣凈化處理裝置以及CIP、SIP系統等。

第一代PET無菌灌裝生產線中的裝備主要是分體式吹瓶機及灌裝機；第二代將吹瓶機及灌裝機進行整合，實現了吹灌旋一體化，但吹瓶后需要通過化學藥劑(過氧乙酸等)對瓶子進行殺菌、清洗；第三代已將吹灌旋一體機實現無菌化，無菌吹灌旋一體機是指對無菌PET瓶坯連續完成吹瓶、無菌灌裝、旋蓋等工序的設備[41]，可在計算機程序控制下完成所有飲料管線在線清洗(CIP)及在線滅菌(SIP)，使吹瓶、灌裝以及旋蓋均在無菌環境中完成，目前已被廣泛應用于PET無菌灌裝生產線[42-43]。無菌吹灌旋裝備從無菌PET瓶坯直接吹瓶并在線無菌灌裝，減少了包裝物的運輸和儲存，使其在最大限度地避免細菌污染的同時進一步降低生產成本，并延長飲料產品的生產周期，第二代吹灌旋一體化對低酸產品生產周期最長為48 h，高酸產品生產周期最長為72 h，其中管道及設備的清洗消毒時間約為4.5～5.0 h，第三代無菌吹灌旋一體機可將低酸產品生產周期延長至96 h，高酸產品生產周期延長至120 h，清洗時間縮短至3 h。

PET瓶無菌吹灌旋一體機將瓶坯的吹塑成形、殺菌—沖洗、灌裝和旋蓋設計成3臺獨立的旋轉式機型，由星形轉輪將其連接為組合機，并被包封在正壓無菌室中，其中灌裝—旋蓋區的潔凈度達100級，生產開始前及結束后通過COP/SOP及CIP/SIP系統進行清洗及消毒。PET瓶無菌吹灌旋過程中，吹瓶機將經過紅外加熱爐加熱至90～120 ℃的瓶坯，通過拉伸吹塑，使瓶坯在壓力和溫度條件下吹制成合格瓶子[1]，吹瓶機根據其結構形式可分為旋轉式和直線式[44]；瓶子經殺菌后(或瓶坯在吹瓶前進行殺菌)通過過渡星輪輸送至灌裝機，將經過殺菌的飲料灌注至瓶子中，灌裝機采用重力灌裝方式進行灌裝；灌裝飲料后瓶子再次通過過渡星輪輸送至旋蓋機，旋蓋機上的止旋刀卡住瓶頸部位，保持瓶子直立并防止旋轉，旋蓋頭在旋蓋機上保持公轉并自轉，在凸輪作用下實現抓蓋、套蓋、旋蓋、脫蓋等動作，完成整個封蓋過程，整個吹灌旋的流程為瓶坯→紅外加熱→殺菌→轉盤模具→拉伸預吹→吹瓶→排氣→成品瓶→過渡星輪→灌裝→旋蓋→產品，其中包裝材料的殺菌工藝根據需求可在紅外加熱前、紅外加熱后或吹瓶后進行。

吹灌旋一體機的關鍵技術在于灌裝閥的灌裝方式、與灌裝容器的無縫連接、包裝材料殺菌系統以及CIP/SIP系統等。近年來，隨著需求的增加，關于灌裝閥、灌裝機及灌裝線的專利技術研究逐漸增加，如反壓灌裝機系統[45]、用于灌裝碳酸飲料的灌裝系統[46-47]、可用于多種產品灌裝的多路灌裝裝置[48-51]、用于灌裝單元的磁流變促動器/磁力驅動系統[52-53]、灌裝機中防灑裝置[54]、灌裝機中反串氣裝置[55]、非接觸式灌裝設備[56]、無菌灌裝裝置及凈化方式[57-61]等。

法國SIDEL公司磁力驅動灌裝閥由外部非接觸式磁力驅動，取消膜片或動態密封，將無菌與非無菌區域進行隔離，避免了由于產品管路經受高強度的化學藥劑及高溫處理導致膜片或波紋管破損而引發產品污染的風險。

性能優良的無菌灌裝技術裝備是現代制造和控制技術的集中體現，也是一個企業整體技術水平的綜合表現。近年來，隨著科技水平的進步，中國產PET無菌灌裝裝備產能提高，故障率及損耗降低，并得到迅速的推廣及使用，同時改變了中國無菌灌裝領域依靠進口裝備的現狀。

3 PET無菌灌裝技術相關執行標準

PET無菌灌裝生產線整線的標準主要有2009年發布并實施的GB/T 24571—2209《PET瓶無菌冷灌裝生產線》，2011年由中國輕工業聯合會提出的QB/T 4213—2011《飲料機械 聚酯(PET)瓶裝飲料無菌冷灌裝生產線》，前者規定了PET無菌冷灌裝生產線中的術語、定義以及無菌工作條件等要求，后者對PET無菌冷灌裝生產線組成、工作條件以及生產過程中技術要求進一步細化，對于PET無菌灌裝生產的實施起到規范與指導作用。

PET無菌灌裝生產線中，PET瓶吹瓶機標準在2013年發布并實施的GB/T 29648—2013《全自動旋轉式PET瓶吹瓶機》，規定了全自動旋轉式PET瓶吹瓶機的術語、定義、基本參數及工作條件、技術要求等，該標準適用于采用二步法制瓶工藝吹制飲料、酒類、調味品、食品、日化、醫藥等行業包裝用PET瓶的全自動旋轉式PET瓶吹瓶機。此外，中國輕工機械協會，在相關標準的基礎上發布了團體標準T/CLIMA002-2021《無菌吹灌旋一體機驗收標準》，規定了PET瓶無菌吹灌旋一體機的工作條件、技術要求以及試驗方法、驗收前準備、驗收結果判定及處理，為無菌吹灌旋一體機的驗收提供了指導作用。同時，2021年由中國食品和包裝機械工業協會發布的團體標準T/CFPMA 0020—2021《PET瓶無菌灌裝生產線無菌性驗證規范》以滿足市場和創新需要為目標，進行試驗論證，對PET瓶無菌灌裝生產線的無菌性驗證的方法、要求以及結果處理等進行了規定。

PET無菌灌裝生產線的產能、工藝及裝備均處于飛速發展階段，但PET無菌灌裝生產線的標準相對較少，尤其是灌裝線整線的標準僅有2009年發布實施的GB/T 24571—2209《PET瓶無菌冷灌裝生產線》，較為滯后，故為了滿足對現有技術的指導與規范，相關標準更新至關重要。

4 結論與展望

PET無菌灌裝技術已逐漸發展成為液體食品包裝的主要趨勢，為了滿足日益增長的消費需求，必然要求更高的產能及更長的生產周期，降低飲料生產成本；其次設備的智能化及可追溯化是符合PET無菌灌裝技術發展的必然趨勢，設備的智能化發展，實現智能化工廠，減少生產過程中人工參與對設備和無菌環境的污染風險，同時通過可追溯化實現數據監控、設備遠程診斷以及程序維護等功能；消費者對于產品多樣化需求日益增加，要求未來的PET無菌灌裝生產線具有更好的靈活性，適應更廣的產品范圍、更多的瓶型以及更快更換瓶型的速度。此外，低能耗、無污染的新型物理殺菌技術，更加符合可持續發展，也必然是PET無菌灌裝技術發展的重要方向。