Opakowania w przemyśle spożywczym służą dwóm różnym celom: przechowywaniu i konserwacji. Przechowywanie ma charakter logistyczny, natomiast konserwacja – naukowy. Zastanawiając się nad tym, czym jest hermetyczne zamknięcie, należy mieć świadomość, że jest to kluczowa koncepcja łącząca przedłużanie okresu przydatności do spożycia z bezpieczeństwem żywności.

Dla producentów proszków, żywności sterylizowanej w retortach oraz napojów mechanizm tworzenia szczelnego zamknięcia nie jest kwestią wyboru. Stanowi on podstawową barierę oddzielającą produkt nadający się do sprzedaży od produktu, który może stać się źródłem odpowiedzialności. Niniejszy przewodnik omawia definicje techniczne, wymagania dotyczące materiałów oraz procesy maszynowe niezbędne do uzyskania prawdziwego szczelnego zamknięcia w warunkach przemysłowych.

Czym jest uszczelnianie hermetyczne w przemyśle spożywczym?

W marketingu konsumenckim termin „hermetyczny” jest powszechnie używany zamiennie z pojęciem „szczelnego zamknięcia”, podczas gdy w inżynierii przemysłowej i naukach o żywności różnica ta ma istotne znaczenie. Pierwszym krokiem w kierunku właściwego wyboru infrastruktury opakowaniowej jest dokładne zrozumienie tej definicji.

Plastikowy pojemnik z zatrzaskową pokrywką wydaje się być zamknięty dla przeciętnego konsumenta, ponieważ zawiera wodę. Jest to uszczelnienie hermetyczne. Jest to uszczelnienie hermetyczne. Nie pozwala ono na przepływ powietrza ani płynów w znacznych ilościach. Jednak na poziomie molekularnym uszczelnienia hermetyczne są zazwyczaj przepuszczalne. Cząsteczki gazu mogą dyfundować przez powierzchnię styku uszczelnienia lub przez materiał w ciągu tygodni lub miesięcy, co może prowadzić do powolnego wycieku.

Dla porównania, uszczelnienie hermetyczne (lub gazoszczelne) tworzy barierę nieprzepuszczalną dla czynników zewnętrznych. Zapobiega przedostawaniu się gazów (tlenu, azotu), pary wodnej i mikroorganizmów. Prawdziwe zamknięcie hermetyczne pozwala zachować niezmieniony stan wewnętrzny opakowania przez cały czas, niezależnie od zmian wilgotności lub ciśnienia na zewnątrz.

Inżynierowie oceniają tę integralność za pomocą dwóch głównych wskaźników:

• Współczynnik przepuszczalności tlenu (OTR): Jest to wskaźnik przepływu tlenu w ciągu 24 godzin. W przypadku produktów wrażliwych, takich jak mleko w proszku, wskaźnik OTR powinien być bliski zeru.
• Współczynnik przepuszczalności pary wodnej (WVTR): Jest to miara przenikania wilgoci. Wysoka wartość WVTR powoduje zbrylanie się proszków lub utratę świeżości przez suche produkty spożywcze.

Ponieważ zarówno suszone przyprawy, jak i wędliny poddane obróbce termicznej są poddawane działaniu wysokich temperatur w celu ich sterylizacji, standardem branżowym jest hermetyczne zamknięcie opakowania, aby zagwarantować, że produkt opuszczający fabrykę jest tym samym produktem, który trafia do konsumenta.

Dlaczego integralność hermetyczna ma znaczenie w przypadku opakowań do żywności

Inwestycja w maszyny zapewniające hermetyczne zamknięcie — takie jak zgrzewarka podwójna lub zgrzewarka indukcyjna — wiąże się ze znacznymi nakładami kapitałowymi. Zwrot z tej inwestycji jest jednak uzasadniony faktem, że zapewnia ona ochronę przed degradacją biologiczną i chemiczną.

Właśnie dlatego szczelność nie podlega negocjacjom w przypadku nowoczesnych linii produkcyjnych żywności:

• Zapobieganie utleniającemu się jełczeniu: Tlen jest głównym wrogiem tłuszczów i olejów. Kontakt z nim powoduje szybkie utlenianie, co prowadzi do powstawania niepożądanych smaków i zapachów zjełczałości, zwłaszcza w orzechach, smażonych przekąskach i proszkach mlecznych. Hermetyczne zamknięcie zapobiega tej reakcji chemicznej.
• Zachowanie wartości odżywczych: Wrażliwe składniki odżywcze, takie jak witamina C i witamina A, ulegają zniszczeniu w kontakcie z tlenem. Hermetyczne zamknięcie ma na celu zapewnienie, że suplementy diety i preparaty dla niemowląt zachowują wartości odżywcze podane na etykiecie przez cały okres przydatności do spożycia.
• Bezpieczeństwo mikrobiologiczne (kontrola patogenów): W przypadku produktów o niskiej kwasowości (pH > 4,6) przedostawanie się mikroorganizmów, w tym Clostridium botulinum, stanowi krytyczny punkt kontroli bezpieczeństwa. W procesie konserwowania uszczelnienie pomaga zapobiegać zanieczyszczeniom po zakończeniu sterylizacji, zapewniając całkowitą sterylność.
• Kontrola wilgotności: Tworzy całkowitą barierę chroniącą przed wilgocią. Pomaga to zapobiegać zbrylaniu się suchych proszków oraz sprawia, że chrupiące produkty nie tracą swojej chrupkości, co pozwala zachować ich konsystencję i świeżość.
• Optymalizacja łańcucha dostaw: Produkty o długim okresie przydatności do spożycia (12 miesięcy lub dłuższym) umożliwiają producentom dostęp do rynków eksportowych bez konieczności korzystania z kosztownej logistyki łańcucha chłodniczego. Pozwala to również zminimalizować liczbę zwrotów od detalistów spowodowanych przedwczesnym wygaśnięciem terminu przydatności do spożycia z powodu pleśni lub zepsucia.

Typowe materiały i technologie stosowane w produkcji hermetycznie zamkniętej żywności

Aby uzyskać hermetyczne uszczelnienie, konieczne jest połączenie odpowiedniego materiału barierowego z odpowiednią technologią uszczelniania. Chociaż cel jest ten sam, proces ten znacznie różni się w przypadku opakowań elastycznych i sztywnych.

Materiały w opakowaniach hermetycznie zamkniętych

Opakowania elastyczne: Ten rodzaj opakowań obejmuje saszetki, woreczki i opakowania typu stick pack. Opierają się one na wielowarstwowych laminatach (które mogą zawierać folię aluminiową lub metalizowany PET), zapewniających właściwości barierowe. Proces zgrzewania odbywa się niemal wyłącznie metodą zgrzewania termicznego. Maszyna wykorzystuje ciepło i ciśnienie do zgrzania ze sobą wewnętrznych warstw materiału uszczelniającego (zazwyczaj PE lub PP). Chociaż podczas laminowania czasami stosuje się standardowe kleje, samo zgrzewanie opiera się na procesie topienia. Chociaż zgrzewy elastyczne sprawdzają się w przypadku przekąsek i produktów o niewielkiej wadze, są one zazwyczaj bardziej podatne na przebicie i obciążenia mechaniczne w porównaniu ze zgrzewami sztywnymi.

Opakowania sztywne: Opakowania sztywne są standardowym wyborem w przypadku produktów o dużej wartości, ciężkich lub wymagających długotrwałej wytrzymałości. Obejmują one metalowe zamknięcia stosowane w puszkach (z blachy białej lub aluminium), szklanych słoikach oraz sztywnych pojemnikach z tworzyw sztucznych.

• Puszki metalowe: Wymagają one mechanicznego połączenia (podwójnego zgrzewu). Uszczelnienie powstaje w wyniku fizycznego odkształcenia metalu pokrywy i korpusu puszki. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku puszek i opakowań blaszanych o hermetycznym zamknięciu.
• Butelki/słoiki: W takich opakowaniach często stosuje się zgrzewanie indukcyjne, polegające na zgrzaniu folii wewnętrznej z krawędzią pojemnika.

Sztywne opakowania zapewniają doskonałą ochronę fizyczną podczas transportu i często stanowią jedyne realne rozwiązanie w przypadku pakowania próżniowego oraz pakowania z przepłukaniem azotem, gdzie różnice ciśnień mogłyby spowodować zgniecenie elastycznego woreczka.

Rodzaje technik uszczelniania i ich zastosowania

Zastosowana technika decyduje o tym, jaki sprzęt będzie potrzebny na linii produkcyjnej.

• Mechaniczne podwójne zgrzewanie (sztywny metal/materiał kompozytowy)
  • Wymagane maszyny: Puszki do zgrzewania (maszyny do zgrzewania).
  • Warianty maszyn: Należą do nich półautomatyczne zgrzewarki (w których operator wkłada puszkę) w przypadku produkcji rzemieślniczej oraz szybkobieżne zgrzewarki obrotowe (systemy wielogłowicowe) w przypadku produkcji masowej.
  • Zastosowanie: Produkty spożywcze w puszkach, napoje oraz wyroby przemysłowe wymagające sztywności konstrukcyjnej i szczelności typu 100%. W ten sposób powstaje klasyczna puszka hermetyczna.
• Zgrzewanie indukcyjne nakładek (twarde tworzywo sztuczne/szkło)
  • Wymagane maszyny: Indukcyjne zgrzewarki do nakładek.
  • Warianty maszyn: Zazwyczaj są to systemy indukcyjne typu inline, montowane na taśmie przenośnikowej. Zamykają one butelki poruszające się z dużą prędkością. Istnieją również modele ręczne przeznaczone do badań laboratoryjnych lub mikroprodukcji.
  • Zastosowanie: Butelki na leki, masło orzechowe, produkty mleczne i środki chemiczne, w przypadku których najważniejsze są zabezpieczenie przed wyciekiem i ochrona przed manipulacją.
• Oczyszczanie próżniowe i przepłukiwanie azotem (atmosfera modyfikowana)
  • Wymagane maszyny: Maszyny do zgrzewania puszek próżniowych lub Maszyny do zgrzewania z przepłukiwaniem azotem.
  • Warianty maszyn: Te specjalistyczne zgrzewarki wyposażone są w zamkniętą komorę. Maszyna wytwarza próżnię i wtryskuje obojętny azot tuż przed rozpoczęciem procesu podwójnego zgrzewania.
  • Zastosowanie: Mleko modyfikowane dla niemowląt, kawa w proszku i orzechy — produkty, w przypadku których utlenianie prowadzi do utraty wartości.
• Bezpośrednie zgrzewanie (elastyczne): Polega na wykorzystaniu podgrzewanych szczęk lub kółek do zgrzewania warstw tworzywa sztucznego. Chociaż nie można tej metody stosować w przypadku sztywnych puszek, jest to standardowa technika w przypadku torebek.
  • Wymagane maszyny: Pionowa maszyna do formowania, napełniania i zgrzewania (VFFS) maszyny, Maszyny do pakowania w folię, albo Zgrzewarki worków.
  • Zastosowanie: Chipsy ziemniaczane, batoniki i saszetki na jedną porcję.

Zasady działania hermetycznego uszczelniania puszek metalowych

W przypadku producentów konserw, takich jak tuńczyk, preparaty dla niemowląt itp., najważniejszym procesem technicznym w fabryce jest podwójne zgrzewanie. Zgrzewanie puszek opiera się na zasadach fizyki (odkształceniu), w przeciwieństwie do zgrzewania termicznego, które opiera się na zasadach chemii (topieniu). Nie wymaga ono użycia kleju ani substancji wiążącej. Polega na precyzyjnym wygięciu metalu w celu utworzenia labiryntu, przez który bakterie ani zanieczyszczenia nie są w stanie się przedostać.

Urządzeniem służącym do tego celu jest zgrzewarka do puszek. Aby zapewnić kontrolę jakości, konieczne jest zrozumienie zasady jej działania.

Wyjaśnienie procesu podwójnego zgrzewania

A podwójny szew jest to hermetyczne zamknięcie powstałe w wyniku zazębienia krawędzi korpusu puszki i jej pokrywy. Jest to dwuetapowy proces, realizowany przez rolki i uchwyt zgrzewarki.

Anatomia szwu:

• Haczyk do ciała: Kołnierz cylindra puszki jest zagięty w dół.
• Haczyk na okładkę: Zagięta część pokrywy jest podwinięta do góry pod haczykiem korpusu.
• Masa uszczelniająca: Warstwa gumy lub lateksu na wewnętrznej stronie zawinięcia pokrywy. Działa ona jako uszczelnienie kompresyjne; jest dociskana w momencie zazębienia się metalowych haczyków, wypełniając mikroskopijne szczeliny między warstwami metalu, co zapewnia gazoszczelne zamknięcie.

Operacja dwuetapowa:

1. Pierwsza operacja („The Curl”): Pierwsza rolka dociska zawinięcie pokrywy pod kołnierz puszki. Luźno zwija oba elementy metalowe. W tym momencie powstaje zgrzew, ale nie jest on szczelny. Wygląda na zaokrąglony.
2. Druga operacja (prasowanie): Drugi wałek służy do dociskania i zagęszczania szwu przy użyciu dużego nacisku. Powoduje to ściśnięcie masy uszczelniającej i wymusza zetknięcie się haczyka korpusu z haczykiem pokrywy, tworząc solidne uszczelnienie.

Typowe wady szwów i sposoby ich zapobiegania

Ponieważ proces podwójnego zgrzewania zależy od precyzji maszyny, wszelkie drobne błędy w jej kalibracji mogą spowodować uszkodzony uszczelniacz. W przypadku hermetycznie zamkniętych puszek nawet mikroskopijna szczelina oznacza wadę.

To nie operator jest przyczyną tych wad, lecz sama maszyna. Niskiej jakości zgrzewarki, charakteryzujące się wąskimi tolerancjami lub wykorzystujące miękkie materiały, takie jak zwykły mosiądz lub miedź, w obszarach narzędziowych narażonych na duże obciążenia (zamiast stali hartowanej), mogą wibrować podczas pracy, co skutkuje nierównomiernym dociskiem. Rozwiązaniem jest zastosowanie precyzyjnych zgrzewarek do puszek, wyposażonych w stabilne narzędzia wykonane z hartowanych gatunków stali, które nie zmieniają swoich ustawień nawet po milionach cykli pracy.

Zapewnienie hermetycznych zamknięć w butelkach i słoikach

Puszki opierają się na odkształcaniu metali, ale sztywne butelki (plastikowe i szklane) wiążą się z innym wyzwaniem: współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Szklane i metalowe pokrywki rozszerzają się i kurczą pod wpływem ciepła w różnym tempie, co może powodować poluzowanie uszczelnień.

Kolejnym mitem panującym w branży jest przekonanie, że mocno dokręcona nakrętka stanowi hermetyczne zamknięcie. Jest to nieprawda. Działanie zwykłej nakrętki śrubowej opiera się na połączeniu momentu obrotowego i tarcia między gwintem nakrętki a szyjką butelki. Niemniej jednak tworzywa sztuczne wykazują zjawisko zwane pełzaniem (pływaniem na zimno), co oznacza, że pod stałym naciskiem ulegają one pełzaniu. Z upływem czasu lub pod wpływem wibracji podczas transportu zakrętka mikroskopijnie się poluzowuje. Powoduje to przerwanie uszczelnienia i przedostawanie się powietrza. Dlatego w przypadku takich produktów, jak masło orzechowe, leki i przyprawy, zamykanie za pomocą momentu obrotowego nie jest techniką hermetycznego uszczelniania. Jest to jedynie metoda zamykania.

Aby zapewnić prawdziwe hermetyczne zamknięcie sztywnej butelki, producenci muszą stosować indukcyjne zamykanie nakrętek.

Technologia ta pozwala uzyskać połączenie, które nie zależy od momentu dokręcania nakrętki. Odbywa się to dzięki zastosowaniu w nakrętce specjalnej wkładki, wykonanej z tektury celulozowej, wosku, folii aluminiowej oraz polimerowej warstwy zgrzewalnej. Podczas przechodzenia zakręconej butelki przez maszynę indukcyjną wytwarzane jest pole elektromagnetyczne.

Pole to nie ogrzewa plastikowej nakrętki, ale wywołuje prądy wirowowe w warstwie folii aluminiowej. Folia szybko się nagrzewa, a znajdująca się pod nią warstwa polimerowa topi się. Warstwa ta zostaje bezpośrednio zgrzana z krawędzią butelki (wargą). Jednocześnie ciepło topi wosk, a folia odrywa się od nakrętki. Po ostygnięciu butelki folia zgrywa się z otworem pojemnika, tworząc całkowitą barierę dla tlenu i wilgoci. Stanowi to również dowód na próbę manipulacji; konsument musi fizycznie otworzyć plombę, aby uzyskać dostęp do produktu.

Kontrola jakości i dobór odpowiednich maszyn do pakowania próżniowego

Aby przejść do etapu produkcji, należy wybrać odpowiedni sprzęt i opracować procedury weryfikacyjne. Wybrany sprzęt będzie miał decydujący wpływ na wydajność, wskaźnik braków oraz koszty pracy.

Weryfikacja: Testowanie uszczelnienia

Nie można po prostu zakładać, że uszczelnienie jest hermetyczne; należy to udowodnić. Istnieją dwie główne metody:

• Test bańkowy (niszczący): Często przytaczane w ASTM D3078. Komora próżniowa jest wypełniona wodą, a szczelnie zamknięte opakowanie zanurza się w niej. W miarę wytwarzania próżni ciśnienie wewnątrz opakowania staje się wyższe niż ciśnienie zewnętrzne. W przypadku nieszczelności pojawi się strumień pęcherzyków. Jest to metoda tania i łatwa, ale powoduje zniszczenie próbki.
• Rozpad próżniowy (metoda nieniszcząca): Wykorzystując standardy takie jak ASTM F2338. Czujnik służy do sprawdzania poziomu ciśnienia w komorze, w której znajduje się opakowanie. Gdy po wytworzeniu próżni ciśnienie ulega zmianie (spada), oznacza to, że gaz ulatnia się z opakowania. Jest to metoda dokładna i odpowiednia w przypadku produktów odżywczych lub farmaceutycznych o wysokiej wartości.

Kryteria doboru maszyn

W ramach doradztwa w zakresie architektury liniowej bierzemy pod uwagę trzy aspekty:

1. CPM (puszki/pojemniki na minutę): Szybkość wpływa na koszty.
   1. Nowo powstała firma może potrzebować maszyny o wydajności 15–20 CPM.
   2. W przypadku fabryki o ugruntowanej pozycji na rynku może być konieczne zastosowanie systemu obrotowego o wydajności 50 lub więcej CPM.
   3. Porada: Kupuj z myślą o swojej prognozie na najbliższe 3 lata, a nie o obecnej sytuacji.
2. Wszechstronność kontenerów: Czy zgrzewacie tylko jedną średnicę puszek hermetycznych, czy pięć? Istnieją maszyny, w których można szybko wymieniać uchwyt i rolki, a są też takie, które są przeznaczone wyłącznie do jednego rozmiaru. Jeśli macie szeroki asortyment produktów o małej wielkości produkcji, warto rozważyć zakup maszyn z łatwo wymienialnym osprzętem.
3. Zgodność materiałów: Butelki z PE i PET wymagają różnych ustawień częstotliwości, aby można je było zgrzewać za pomocą zgrzewarki indukcyjnej. Zgrzewarka do puszek aluminiowych wymaga nacisku rolek innego niż w przypadku zgrzewarki do hermetycznych puszek z blachy białej.

Poziomy automatyzacji

• Półautomatyczny: Operator wkłada puszkę do urządzenia i uruchamia cykl. Rozwiązanie to najlepiej sprawdza się w przypadku marek niszowych, testów laboratoryjnych lub specjalistycznych serii produkowanych w niewielkich ilościach. Jest bardzo elastyczne, ale wymaga dużego nakładu pracy.
• W pełni automatyczny: Produkt jest podawany za pomocą przenośników. Maszyna automatycznie przesuwa, zgrzewa i wyładowuje produkt. Jest to niezbędne w procesie pakowania na wagę. Obecne linie automatyczne często wyposażone są w funkcje przepłukiwania azotem oraz próżniowania w stacji zgrzewania.

Zapewnienie bezpieczeństwa produktów dzięki zaawansowanej technologii uszczelniania

Ostatecznie najważniejszym elementem kontroli na linii produkcyjnej jest hermetyczne zamknięcie. Stanowi ono ostatnią barierę między produktem a otoczeniem, gwarantując, że produkt wytrzyma ekstremalne warunki podczas transportu i przechowywania. Awaria w tym zakresie niweluje całą wartość dodaną uzyskaną na etapach zaopatrzenia, przetwarzania i napełniania. Niezawodność nie jest luksusem – to podstawowy wymóg operacyjny.

Właśnie w tym momencie współpraca z wyspecjalizowanym producentem staje się strategiczną korzyścią.

Levapack Od ponad 14 lat doskonali rozwiązania techniczne w zakresie zgrzewania puszek i automatyzacji pakowania. Nie ograniczamy się jedynie do sprzedaży standardowych urządzeń; projektujemy rozwiązania dostosowane do konkretnych warunków przestrzennych zakładu i celów produkcyjnych. Niezależnie od tego, czy prowadzisz małą firmę potrzebującą solidnej półautomatycznej zgrzewarki, czy też duży zakład wymagający linii do pakowania próżniowego z azotem o wydajności 40 puszek na minutę, nasze urządzenia są budowane z wykorzystaniem najwyższej jakości komponentów firm Siemens i Schneider, co gwarantuje stałą, hermetyczną szczelność. Dzięki 16-miesięcznej gwarancji oraz możliwościom dostosowania oprzyrządowania pomagamy Ci zapewnić jakość produktów i reputację marki.

Nie narażaj integralności swojego produktu. Jeśli nie masz pewności, która technologia uszczelniania jest odpowiednia dla Twojego opakowania lub wydajności produkcyjnej, skontaktuj się już teraz ze specjalistą technicznym. Skontaktuj się z nami, aby uzgodnić indywidualne opakowanie dostosowane do Twoich potrzeb w zakresie okresu przydatności do spożycia i bezpieczeństwa.