Współczesne puszki na zupę są wykonane głównie z trójwarstwowej stali ocynkowanej (blachy białej), co zapewnia ich integralność strukturalną podczas procesu sterylizacji w wysokiej temperaturze. W odróżnieniu od aluminiowych puszek na napoje czy plastikowych butelek, puszki na zupę wykorzystują wielowarstwowy system zabezpieczeń: stalowy rdzeń zapewniający wytrzymałość, warstwę cyny zapobiegającą rdzewieniu oraz polimerową powłokę bez BPA i NI chroniącą przed korozją kwasową – a wszystko to zabezpieczone hermetycznie zamkniętymi podwójnymi szwami.

Puszka na zupę to nie tylko pojemnik jednorazowego użytku, ale także system przechowywania pod ciśnieniem, który może wytrzymać wieloletnie działanie ekstremalnych szoków termicznych, wewnętrznych sił próżniowych oraz oddziaływania czynników chemicznych.

Puszka na zupę nie jest wykonana z jakiegokolwiek materiału. Jest ona wynikiem złożonego współdziałania metalurgii, chemii polimerów i fizyki obróbki termicznej. Wybierając materiał opakowaniowy, producent nie kupuje jedynie metalu, lecz podłoże, które wytrzyma trudne warunki panujące w komorze sterylizacyjnej retorty.

W niniejszym opracowaniu przeanalizowano rozwiązania techniczne zastosowane przy pakowaniu zupy, wykraczając poza powierzchowne kwestie związane z surowcami i skupiając się na technologiach strukturalnych i chemicznych, które gwarantują bezpieczeństwo żywności.

Poza stalą: Cechy wyróżniające trzyczęściowe puszki

Powszechnie uważa się, że wszystkie metalowe pojemniki na żywność, w tym dawne puszki blaszane, są takie same. Konsumenci zazwyczaj traktują puszki na napoje i puszki na żywność jako jedną kategorię. Jednak z punktu widzenia produkcji i inżynierii są to różne produkty o odmiennych wymaganiach konstrukcyjnych. Zastanawiając się, z czego wykonane są puszki na zupę, należy najpierw przyjrzeć się metodzie ich produkcji.

Różnica między konstrukcją dwuczęściową a trzyczęściową

Puszki na napoje są w praktyce puszkami dwuczęściowymi. Powstają one poprzez wyciąganie i wygładzanie jednego krążka aluminium do kształtu miseczki, a następnie nakładanie na niego wieczka. W ten sposób powstaje pojemnik z integralnym dnem (dno stanowi ciągłą część ścianek). Ścianki są tak cienkie, ponieważ dwutlenek węgla zawarty w napoju wytwarza ciśnienie wewnętrzne, które utrzymuje strukturę puszki.

Puszki na zupę to zazwyczaj puszki trzyczęściowe. Konstrukcja ta składa się z trzech różnych elementów:

1. Ciało: Jest to płaski kawałek blachy, który jest zwijany w cylinder i spawany wzdłuż szwu.
2. Dolna część: Jest to okrągły stalowy krążek, który producent puszek mocuje do cylindra za pomocą zgrzewu.
3. Górna część (pokrywka): Jest to element, który nakłada producent żywności po napełnieniu opakowania.

Dlaczego do produkcji zupy potrzebna jest stal i spoiny

Proces sterylizacji determinuje stosowanie stalowych puszek spożywczych (w przeszłości często nazywanych puszkami blaszanymi) zamiast puszek aluminiowych przy produkcji zup. Zupa jest produktem o niskiej kwasowości lub zakwaszonym, który często wymaga obróbki retortowej. Odbywa się to poprzez umieszczenie metalowych puszek spożywczych w dużym szybkowarze (retorcie), gdzie temperatura jest podnoszona do około 121°C (250°F) w celu zniszczenia szkodliwych patogenów, takich jak Clostridium botulinum.

W trakcie tego procesu zawartość puszki pęcznieje, wytwarzając duże ciśnienie wewnętrzne. Po zakończeniu cyklu sterylizacji i ostygnięciu komory ciśnienie ulega odwróceniu, tworząc w puszce próżnię.

Dwuczęściowe puszki aluminiowe są zazwyczaj na tyle miękkie i plastyczne, że wytrzymują ten gwałtowny cykl ciśnieniowy bez odkształceń. Stal zapewnia wymaganą wytrzymałość na rozciąganie oraz moduł sprężystości (sztywność). Sztywność pionową puszki trójczęściowej zapewnia spawany szew boczny, który pozwala pojemnikowi zachować cylindryczny kształt i średnicę nawet przy gwałtownych zmianach ciśnienia i temperatury.

Wykładziny wewnętrzne: bariery chemiczne i normy dotyczące BPA-NI

Stal jest chemicznie reaktywna, choć zapewnia wytrzymałość konstrukcji. Gdy zupa zostanie wlana do pojemnika wykonanego z surowej stali, żywność wchodzi w reakcję z metalem, co powoduje korozję, a żywność psuje się lub nabiera metalicznego posmaku, co prowadzi do utraty jakości. Najważniejszym elementem nowoczesnej puszki na zupę nie jest metal, lecz mikroskopijna powłoka polimerowa znajdująca się pomiędzy żywnością a stalą.

Ewolucja w kierunku powłok BPA-NI (bez zamierzonego działania) i powłok poliestrowych

Przez dziesięciolecia żywica epoksydowa na bazie bisfenolu A (BPA) stanowiła branżowy standard w zakresie powłok wewnętrznych puszek. Żywica epoksydowa charakteryzowała się doskonałą przyczepnością do metalu oraz odpornością na wysoką temperaturę. Niemniej jednak rosnące obawy dotyczące toksyczności oraz presja ze strony konsumentów na stosowanie „czystszych” składników zmusiły do wprowadzenia ogromnych zmian w łańcuchu dostaw, aby zapewnić optymalne zachowanie wartości odżywczych i bezpieczeństwo.

W branży nastąpiło przejście na powłoki typu BPA-NI (Non-Intent). „Non-Intent” to termin techniczny stosowany w kontekście zgodności z przepisami (przepisy FDA i UE). Oznacza on, że BPA nie jest celowo dodawany do składu chemicznego.

Zastąpienie żywic epoksydowych stanowiło poważne wyzwanie w inżynierii chemicznej. Branża w mniejszym lub większym stopniu skłania się ku dwóm rozwiązaniom:

• Żywice akrylowe: Zazwyczaj stosowano je w przypadku mniej agresywnych produktów spożywczych.
• Żywice poliestrowe: Stosuje się je ze względu na ich wysoką wydajność cieplną.

Te nowoczesne powłoki muszą sprostać trudnemu wyzwaniu utrzymania równowagi. Powinny być na tyle miękkie, by wyginać się wraz z metalem podczas formowania puszki bez pękania, ale jednocześnie na tyle twarde, by zapobiegać ścieraniu podczas napełniania. W przypadku linii produkcyjnej zmiana ta oznacza konieczność wprowadzenia rygorystycznej kontroli jakości. Gdy dysza napełniająca ociera się o dno puszki, może z łatwością przebić powłokę poliestrową – znacznie łatwiej niż starsze powłoki epoksydowe – co prowadzi do miejscowej korozji.

Regulowanie kwasowości w zupach pomidorowych i warzywnych

Produkty o wysokiej kwasowości (np. zupa pomidorowa): Pomidory mają bardzo agresywny wpływ na metalowe puszki. Kwas może przedostać się do mikroskopijnych porów powłoki, powodując pęcznienie wodorowe (gdy puszka się wybrzusza) lub odcynowanie (usuwanie warstwy cyny). Produkty te wymagają powłok o grubszej konsystencji i wysokim stopniu usieciowania, specjalnie opracowanych pod kątem odporności na kwasy.

• Produkty o wysokiej kwasowości (np. zupa pomidorowa): Pomidory mają bardzo niszczący wpływ na metalowe puszki. Kwas może przedostać się do mikroskopijnych porów powłoki, powodując pęcznienie wodorowe (gdy puszka się wybrzusza) lub utratę powłoki cynowej (zdzieranie warstwy cyny). Produkty te wymagają powłok o większej grubości i wysokim stopniu usieciowania, opracowanych specjalnie pod kątem odporności na działanie kwasu.
• Produkty o niskiej kwasowości (np. zupa grzybowa, zupa z makaronem i kurczakiem): Nie są one tak agresywne chemicznie, ale aby były bezpieczne, należy je sterylizować w wyższej temperaturze. Powłoka powinna w tym przypadku charakteryzować się większą stabilnością termiczną niż odpornością na kwasy.

Z punktu widzenia produkcji najważniejsza jest integralność tej powłoki. Linie pakujące powinny być skalibrowane tak, aby mogły obsługiwać duże ilości puszek przy dużej prędkości. Ciągła bariera polimerowa może zostać przerwana przez niewielkie wgniecenie lub zadrapanie wewnątrz formy, spowodowane agresywną pracą napełniacza ślimakowego lub źle ustawionego uchwytu zgrzewającego. Gdy bariera ta zostanie przerwana, rozpoczyna się proces interakcji między roztworem soli a stalową powłoką, co znacznie skraca okres przydatności produktu do spożycia.

Projekt konstrukcyjny: ciśnienie próżniowe i żebra boczne

Zupa może mieć taką postać fizyczną, która nie jest estetyczna. Pierścienie, które zazwyczaj widać na korpusie puszki, są bezpośrednim skutkiem praw fizyki rządzących obróbką termiczną.

Zapobieganie implozji podczas procesu chłodzenia w retorcie

Podczas konserwowania gorącej zupy w przestrzeni nad zawartością znajduje się gorące powietrze i para wodna. Gdy puszka przechodzi proces sterylizacji w retorcie, a następnie jest schładzana, para wodna skrapla się, tworząc kropelki wody. Ilość gazu w przestrzeni nad zawartością drastycznie się zmniejsza.

Powoduje to powstanie silnej próżni wewnętrznej. Ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz puszki jest teraz znacznie większe niż ciśnienie wewnątrz niej. Ciśnienie to próbuje ściśnąć puszkę do wewnątrz – proces ten nazywa się wgniataniem lub implozją.

Wypukłości lub żebra to poziome pierścienie pełniące funkcję wzmocnień konstrukcyjnych. Żebra te zwiększają promieniową wytrzymałość obwodową puszki, podobnie jak blacha falista jest wytrzymalsza od płaskiej blachy. Zapewniają one, że ścianki boczne nie zapadną się do wewnątrz pod wpływem obciążenia próżniowego powstającego podczas procesu chłodzenia.

W jaki sposób ciekły azot pozwala na zmniejszenie grubości ścianek puszek

Współczesne opakowania również zmierzają w innym kierunku: obserwuje się tendencję do stosowania puszek o gładkich ściankach i smukłych bokach oraz zmniejszania grubości blachy w celu oszczędzania zasobów i obniżania kosztów.

Wydaje się, że fizycznie niemożliwe jest usunięcie żeberek wzmacniających stalowej puszki do żywności i jednoczesne zmniejszenie grubości stali pod wpływem sił próżniowych, o których mowa powyżej. Rozwiązaniem jest zmiana procesu: dozowanie ciekłego azotu (LN2).

W tym zastosowaniu kilka milisekund przed zgrzaniem pokrywki do napełnionego pojemnika wtryskiwana jest drobna kropla ciekłego azotu. Ciekły azot (−196°C) natychmiast odparowuje, a jego objętość wzrasta 700-krotnie.

1. Nadciśnienie: Zamiast próżni rozszerzający się gaz wytwarza kontrolowane dodatnie ciśnienie wewnętrzne.
2. Wsparcie strukturalne: Jest to ciśnienie wewnętrzne, które wywiera nacisk na ścianki puszki, nadając cienkiej stali sztywność. Puszka jest praktycznie napompowana, podobnie jak opona.
3. Zapobieganie zapaściom: To nadciśnienie służy do przeciwdziałania zewnętrznemu ciśnieniu atmosferycznemu, dzięki czemu gładkie ścianki nie ulegną odkształceniu nawet przy braku żeber wzmacniających.

Technologia ta pozwala producentom na stosowanie stali o znacznie cieńszych grubościach, co obniża koszty materiałów i masę transportową. Wymaga ona jednak bardzo precyzyjnych dozowników. Nadmiar azotu może spowodować wybrzuszenie lub pęknięcie puszki; jego niedobór prowadzi do powstawania wgnieceń.

Budowa pokrywki i hermetyczne zamknięcie

Górna część lub wieczko puszki z zupą to cudo inżynierii. W przeciwieństwie do puszek z farbą, w których często stosuje się pokrywki oparte na tarciu, puszki z żywnością wymagają hermetycznego podwójnego zgrzewu.

Obecne preferencje konsumentów niemal całkowicie przesunęły się w kierunku opakowań typu „Easy Open Ends” (EOE) – z pokrywkami wyposażonymi w zakładkę do otwierania. Ta wygoda wprowadza do procesu produkcyjnego kluczowy element: linię nacięcia.

Rowek wycięty na pokrywie, który rozrywa się po pociągnięciu za języczek, nazywa się linią nacięcia. Głębokość tego nacięcia ma kluczowe znaczenie.

• Zbyt płytkie: Konsument nie jest w stanie otworzyć puszki albo uchwyt odłamuje się.
• Zbyt głęboko: Metal pozostały na dnie rowka (resztka) jest zbyt cienki, by wytrzymać ciśnienie panujące podczas procesu sterylizacji w retorcie, w wyniku czego puszka pęka podczas sterylizacji.

Tolerancja głębokości rowków jest wyrażana w mikronach. Producenci muszą znaleźć kompromis między łatwością otwierania a odpornością na procesy produkcyjne.

Ponadto na rynkach zup z wyższej półki obserwuje się trend w kierunku stosowania zamknięć typu „Peel-off”. Są one wykonane z cienkiej folii aluminiowej lub membrany kompozytowej, zgrzanej termicznie ze stalowym pierścieniem. Zapewniają one bezpieczniejsze otwieranie (brak ostrych krawędzi) i są lżejsze. Niemniej jednak mają one inne parametry zgrzewania niż sztywne zamknięcia stalowe, co ma na celu zapewnienie, że połączenie nie ulegnie rozpadowi w wyniku tarcia podczas procesu zgrzewania.

Ukryta rola mas uszczelniających w zapewnieniu bezpieczeństwa

Podwójny szew, czyli krawędź, w której pokrywa styka się z korpusem, nie składa się z dwóch połączonych ze sobą wygiętych elementów metalowych. Samo zagięcie metalu nie pozwala na uzyskanie hermetycznego (szczelnego) uszczelnienia; występują w nim mikroskopijne nierówności, przez które mogą przedostać się bakterie.

Od jakości zupy zależy uszczelniacz. Jest to płynny lateks lub syntetyczny materiał na bazie gumy, który wlewa się do zagłębienia pokrywki podczas jej produkcji.

Podczas wykonywania operacji podwójnego zgrzewania przez maszynę pakującą element ten jest ściskany między haczykiem korpusu a haczykiem pokrywy. Pełni on funkcję uszczelki, uszczelniając szczeliny w metalowych zagięciach.

Substancja ta powinna posiadać określone właściwości chemiczne:

1. Odporność: Powinien zachowywać elastyczność nawet po poddaniu go działaniu wysokiej temperatury w procesie retortowym.
2. Odporność chemiczna: Nie powinien się psuć w kontakcie z tłuszczami, olejami i solą zawartymi w zupie.

Uszczelnienie zawodzi, gdy masa pęcznieje lub rozpuszcza się w kontakcie z gorącym olejem roślinnym lub tłuszczem drobiowym. Powoduje to mikroprzecieki, czyli sytuację, w której puszka wydaje się zamknięta gołym okiem, ale pod mikroskopem widoczne są mikroszczeliny, przez które po przetworzeniu mogą przedostawać się zanieczyszczenia zawarte w powietrzu. Podkreśla to znaczenie precyzyjnego działania mechanizmu zgrzewającego; gdy rolki zgrzewające są zbyt mocno dokręcone, mogą wycisnąć masę uszczelniającą ze spoiny; gdy są zbyt luźne, masa nie jest w stanie wypełnić szczeliny.

Przyszłe trendy w zakresie materiałów do pakowania zup zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju

Zrównoważony rozwój środowiskowy i efektywne wykorzystanie materiałów to dwa czynniki, które wyznaczają kierunek rozwoju opakowań do zup.

W branży obserwuje się intensywne dążenie do zmniejszenia grubości ścianek. Obejmuje to stosowanie wytrzymalszych stopów stali, które pozwalają na uzyskanie cieńszych ścianek bez uszczerbku dla parametrów konstrukcyjnych wymaganych podczas procesu retortowania. Jak już wspomniano, często wymaga to zastosowania dodatkowych technologii wspomagających, takich jak dozowanie ciekłego azotu.

Jednocześnie obserwuje się tendencję do stosowania powłok jednoskładnikowych. Tradycyjne laminaty mogą być trudne do recyklingu, ponieważ łączą w sobie różne rodzaje tworzyw sztucznych i metali. Nowe technologie powlekania mają na celu wykorzystanie uproszczonych struktur polimerowych, które łatwiej ulegają spaleniu podczas procesu recyklingu stali, co zwiększa odzysk surowca metalowego.

Wnioski

Współczesna puszka na zupę to zaawansowana konstrukcja inżynieryjna, oparta na trzyczęściowej konstrukcji stalowej i wysokiej jakości powłokach BPA-NI, które zapewniają równowagę między sztywnością konstrukcji a bezpieczeństwem żywności. Jednak dla producentów sama znajomość tych materiałów to dopiero początek; najważniejsze jest zapewnienie, by linie produkcyjne były w stanie dostosować się do tych cieńszych i zmieniających się specyfikacji bez utraty wydajności.

Niezależnie od tego, czy przechodzisz na powłoki bez BPA, czy też rozważasz zastosowanie cieńszej blachy w połączeniu z dozowaniem ciekłego azotu, Twoja linia pakująca musi się do tego dostosować. Sposób, w jaki zaawansowane materiały współdziałają z maszynami do napełniania i zgrzewania, decyduje o tym, czy produkt będzie opłacalny, czy też partia ulegnie uszkodzeniu.

Dzięki ponad 14-letniemu doświadczeniu inżynierskiemu, Levapack specjalizuje się w wysokoprecyzyjnych rozwiązaniach w zakresie konserwowania na rynku globalnym. Rozumiemy, że nowoczesne materiały opakowaniowe — od delikatnych puszek z powłoką bez BPA po konstrukcje o cienkich ściankach wymagające dozowania azotu — wymagają spełnienia rygorystycznych standardów dotyczących maszyn. Nasze zautomatyzowane linie pakujące zostały zaprojektowane z myślą o elastyczności pozwalającej na obsługę różnorodnych specyfikacji materiałów, zapewniając integralność zgrzewu i bezpieczeństwo produktu. Ciesząc się zaufaniem producentów w ponad 30 krajach, Levapack zapewnia niezawodność techniczną, której potrzebuje Państwa linia produkcyjna.

Skontaktuj się z nami aby omówić, w jaki sposób nasz sprzęt radzi sobie z najnowszymi osiągnięciami w dziedzinie technologii materiałów, z których produkowane są puszki na zupę.