食品饮料超高速包装输送链润滑剂研究与应用

摘要:为了解决食品饮料超高速包装线生产过程中的倒瓶率高、输送链微生物滋生和润滑泡沫过多等技术难题，根据输送链运行特点和润滑原理进行配方设计，采用多组正交试验进行配方筛选优化，在超高速包装生产线进行应用验证测试，完成集润滑、抑菌和无泡为一体的食品饮料超高速包装线输送链润滑剂配方产品研发。经试验测试，在 48000 瓶/h 生产线上，对 0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 和 0.5% 应用浓度进行上线测试，各项性能指标随浓度增大而提高。润滑剂浓度为 0.2% 时，平均摩擦拉力为0.541N、倒瓶率为4.3 × 10－ 3% 、润滑残液活菌数 0 /100mL 和实现无泡性能，已完全满足食品饮料超高速包装线生产输送链润滑的要求，解决我国食品饮料超高速包装线输送链润滑的共性技术难题。
近年来食品饮料行业的快速发展，生产方式快速向规模化、集中化、自动化、超高速化转变，单线生产能力达到每小时几万乃至十几万瓶的超高速包装线(灌装速度在 40000 瓶/h 以上)快速增加。食品饮料超高速包装生产线运行具有如下特点:
(1)瓶子与链条之间，链条与链条轨道之间为滑动摩擦;链条节环处为滚动摩擦;
(2)输送链条运行速度快，快速无压力区(如空瓶检验区、灌装区以及贴标区)可达到 3 ～5m/s;变速区速度变化梯度大，链板变速或产品在不同速度链板间切换时极易发生倒瓶，润滑剂的好坏对生产效率起着决定性作用;
(3)倒瓶时挤压或封盖不紧造成饮料或乳品泄露，且由于生产环境高温高湿，适宜微生物滋生;
(4)输送链条的润滑由浸泡式润滑向中央集中分配的喷淋式润滑转变;
(5)无菌冷灌装逐渐成啤酒饮料乳品行业主流。食品工业包装生产线输送链润滑，可减小输送链板的磨损和提高生产线效率，同时防止生产线微物滋生。本文针对食品饮料超高速包装线特点及技术难题，进行了超高速包装线输送链润滑剂配方研制及应用开发的阐述。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料与仪器
黑曲霉(Aspergillus niger)ATCC16404 购自广东微生物研究所;玫瑰红钠琼脂培养基(ＲoseBengal AgarⅡ) 购自广东环凯微生物科技有限公司;脂肪胺、冰醋酸、聚乙二醇、脂肪醇醚、三氯羟基二苯醚、季铵盐、乙醇、封端脂肪醇聚氧乙烯醚、有机硅和聚醚，均为市售工业级化工原料。GM-1 型摩擦系数测定仪 ( 广州标际包装设备有限公司);LDZX-30KBS 型高压蒸气灭菌锅(上海申安医疗器械厂);HH-2 型恒温水浴锅(金坛市富华仪器有限公司);FA1104 型电子分析天平(上海民桥精密仪器有限公司);DＲP-9082 型电热恒温培养箱(上海森信实验仪器有限公司);SW-CJ-5 型超净工作台 ( 上海锦屏仪器有限公司);2151 型标准型罗氏泡沫仪(上海银泽仪器设备有限公司);在线全自动摩擦拉力时时监测系统(自制)。
1.2 试验方法
1.2.1 配方设计
根据食品饮料超高速包装线运行特点，配方设计考虑到:
(1)润滑性能，输送链润滑以边界润滑为主，通过润滑成分在界面吸附形成单分子膜，达到减磨减阻作用，实现润滑;
(2)抑菌性能，食品饮料生产车间环境高温高湿，存在包装破损溢流物等条件下，微生物极易滋生，特别是菌冷灌装生产线，对微生物控制提出严峻挑战，因此抑菌性能成为输送链润滑剂主要性能之一;
(3)泡沫性能，快速运行输送链使润滑液产生大量泡沫，泡沫带入包装箱能使纸箱强度下降破损或霉变、粘附啤酒瓶底或瓶壁，自动光检机则误判为污垢、溢流于车间，引起地面湿滑产生安全隐患等;
(4)水溶性好。润滑系统是采用润滑剂和生产用水瞬时稀释至 200 ～500 倍，连续喷淋冲洗传送带，由于喷淋喷嘴直径只有 0.2 ～ 0.4 mm，必须保证稀释后完全溶解，在硬水中不生成沉淀，否则，长期使用积累下来的不溶物或水垢将会堵塞喷淋器，甚至会堵塞管路，造成集中润滑系统瘫痪;
(5)润滑残液不污染环境。因此本研制配方选用脂肪胺、冰醋酸、聚乙二醇、脂肪醇醚、三氯羟基二苯醚、季铵盐、乙醇、封端脂肪醇聚氧乙烯醚、有机硅和聚醚进行筛选复配。
1.2.2 润滑性能的筛选复配
试验选用脂肪胺、冰醋酸、聚乙二醇和脂肪醇醚为因素，按正交试验表进行配制链条润滑剂，将链条润滑剂∶水为 1︰500 进行稀释后添加于两接触面间，用摩擦系数测定仪测定两摩擦面间的摩擦系数，进行润滑性能配方优化，摩擦系数越小则润滑效果越优异。
1.2.3 抑菌性能试验
试验以 1.2.2 优选配方为基础配方，选用三氯羟基二苯醚、季铵盐和乙醇为因素，按正交试验表进行配制链条润滑剂。取直径为 80mm 的无菌试片放入活浓度约为 200 ～300cfu / mL 孢子悬液中浸泡 5min，取出室温风干，放入链条润滑剂∶水为 1︰500 进行稀释的润滑液中，放置 120min，取出放入培养皿中注入培养基，在 25℃培养 72h，计数存活菌数，同时进行阳性对照，计算抑菌率。并测定其摩擦系数，以抑菌率和摩擦系数为判定依据，进行抑菌性能配方优化。
抑菌率(%) =对照组菌数－试验组菌数对照组平均活菌数× 100
1.2.4 泡沫性能试验
试验以 1.2.3 优选配方为基础配方，选用封端脂肪醇聚氧乙烯醚、聚醚和有机硅为因素，按正交试验表进行配方制链条润滑剂。称取链条润滑剂10g，用蒸馏水溶解，转移至 1000mL 容量瓶中，并稀释到刻度，摇匀。再将溶液置于20 ±0．5℃恒温水浴30min 后，按GB/T13173—2009《洗衣粉》中第 11 章的规定进行。以泡沫高度(1%水溶液，2min)为判定依据，进行无泡配方优化。
1.2.5 生产线应用测试
在线速为48000 瓶/h 的生产线上进行应用测试。对输送链板和润滑液分配系统进行全面清洗后，将润滑剂添加泵吸管插入待测润滑剂中，自动运行30min，待生产线各设备正常运行后，开始测试。(1)摩擦力测试。用自制全自动润滑摩擦力测试装置连续时时监测 900s，取平均值;(2)倒瓶率。在生产线正常运行下，统计 120min 内的倒瓶总数和总灌装瓶数，计算倒瓶率。倒瓶率(%) =倒瓶数/总生产瓶数 ×100;(3)回收润滑液活菌检验。取润滑残液 100mL 用无菌过滤膜进行过滤，用无菌生理盐水冲洗3 次后，将过滤膜贴在平板培养基上在25℃下培养72h，计数存活菌数;(4)泡沫情况。生产线连续稳定运行4h 后，观察输送链板和润滑液回收槽中是否有泡沫积累或溢出。
2 试验结果与讨论
2.1 润滑性能
试验通过采用 4 因素 3 水平正交试验进行配方优化脂肪醇醚对摩擦系数的影响最大，其次是聚乙二醇和脂肪胺，冰醋酸最小。最佳的反应条件是 A1B2C3D3，即脂肪胺2.5%，聚乙二醇 3.0%，冰醋酸 2.0% 和脂肪醇醚 4.0%。在最佳条件下做试验，得出最终摩擦系数为 0.076。
2.2 抑菌性能
试验通过采用 3 因素 3 水平正交试验进行配方优化。
三氯羟基二苯醚对抑菌率的影响最大，其次是季铵盐，乙醇最小，但由于三氯羟基二苯醚水中溶解度较低，水溶液具有弱阴离子特性，添加量大于 0.2% 时，与阳离子表面活性剂特性的脂肪胺和季铵盐产生吉抗作用，对润滑性能有一定影响;脂肪醇醚对三氯羟基二苯醚有封闭作用，通过乙醇对其解封闭。因此综合考虑抑菌率和摩擦系数，选择最佳的反应条件为 A2B2C3，即脂肪胺 2.5%，聚乙二醇 3.0%，冰醋酸 2.0%、脂肪醇醚 4.0%、三氯羟基二苯醚 0.2%，季铵盐0.4% 和乙醇 3.0% 。在最佳条件下做试验，得出最终抑菌率 100%和摩擦系数为 0.076。
2.3 泡沫性能
试验通过采用 3 因素 2 水平正交试验进行配方优化。
封端脂肪醇聚氧乙烯醚对泡沫高度的影响最大，其次是聚醚和有机硅。最佳的反应条件是 A2B2C2，同时 A2B1C2和 A2B2C1均以满足要求，考虑到有机硅的溶解分散性能较差，因此选择 A2B2C1最优配方，即脂肪胺 2.5%，聚乙二醇3.0% ，冰醋酸 2.0% 、脂肪醇醚 4.0% 、三氯羟基二苯醚 0.2%，季铵盐 0.4%、乙醇 3.0%、封端脂肪醇聚氧乙烯醚 0.5%，聚醚 0.3% 和有机硅0.05% 。在最佳条件下做试验，得出最终泡沫高度 0，抑菌率 100%和摩擦系数为 0.075。
2.4 生产线应用测试
在厦门某饮料厂 48000 瓶/h 500mL PET 瓶生产线上对研制链条润滑剂进行应用测试在灌装速度为 48000 瓶/h的 500mL PET 瓶生产线上，润滑剂浓度在 0.1%～ 0.5% 时，摩擦拉力和倒瓶率随浓度的增大而降低，倒瓶率在 0.1% 到 0.2% 阶段快速下降，而后逐渐趋缓。润滑剂浓度为 0.2% 时，摩擦拉力为0.541N，倒瓶率为 43 × 10－ 4%，具有优异的润滑性能;润滑回收液活菌数为 0/100mL，具备了优异的抑菌性能;输送链板表面滑泡沫，润滑液回收槽没泡沫积累，实现无泡性能。
来源：惠合胶体磨设备厂

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