Dolum sırasında üretilen plastik kaplar (termoforming)
Dolum aşamasında üretilen plastik kaplar bobin halindeki plastik materyalden ısıl yolla şekillendirilerek elde edilirler.
FFS (Form Fill Seal yani şekil verme-doldurma-kapatma) olarak tanımlanan bu sistemde dolum öncesi kapların sterilizasyonu, ya ısıl yolla ya da hidrojen peroksit uygulaması ile gerçekleştirilir.
Isıl yöntemde; plastik materyale form verme sırasında uygulanan 140-200ºC sıcaklığa ek olarak, bunu izleyen aşamada kapların içine yaklaşık 150ºC’de doymuş buhar enjeksiyonu uygulanır.
Hidrojen peroksit ile muamelede ise, kap üretilecek olan bobin halindeki malzeme önce %35’lik H2O2 banyosundan geçirilir. Bunu izleyen termoform istasyonunda bardaklara şekil verilirken uygulanmakta olan ısı yardımıyla H2O2’nin etkisi güçlendirilerek gerekli sterilite sağlanır. Bazı sistemlerde ise; H2O2 banyosundan sonra doğrudan steril sıcak hava üflenerek önce sterilizasyon sağlanmakta ve daha sonra ısıl yolla form verilmektedir.
Plastik malzemenin şekillenmesi, dolumu ve kapatılmasını gerçekleştirebilen “termoform aseptik ambalajlama” sisteminde; makinenin bir ucundaki yerine takılan bobinden bant haline çekilen plastik malzeme (PS, PP, HDPE, sert PVC vb.) makinedeki ilerleyişi sırasında elektrikli ısıtıcılarla şekil verilebilecek derecede yumuşatılır. Yumuşamış levha, makinenin şekilleme istasyonunda, yukarıdan verilen basınçlı hava ya da alttan vakumla bulunduğu kalıp içinde şekillendirilir. Şekillenen ve soğuyarak sertleşen kaplara daha sonra dolum yapılır ve ikinci bir bobinden çekilen plastik kaplamalı alüminyum folyo ya da sadece plastik film, endüksiyon ısıtma yöntemiyle kapların üstüne yapıştırılarak kapama işlemi tamamlanır. Sonra özel bir bıçak aracılığıyla kapların birbirinden ayrılmasını sağlayacak kesme işlemi yapılır. Bu sistemde kap ve kapak malzemesi ısıl ışıma yöntemiyle sterilize edilir (Şekil 16.19).
1. Plastik folyo bobini
2.Isıtma ve şekillendirme istasyonu
3. Dolum bölümü
4. Kapak folyosu
5. Kaynak istasyonu
6. Kesim
Şekil 16.19. Dolum aşamasında üretilen (termoform) plastik kaplara ambalajlama sistemi
Bu sistemin en gelişmişlerinden olan “Benhil” sisteminde (Şekil 16.20); rulodan çekilen plastik levha, üzerindeki mikroorganizmaların inaktivasyonu amacıyla önce H2O2 banyosundan geçilir. Sonra plastik film, steril hava filtrelerinden geçirilmiş veya yüksek sıcaklıkta sterilize edilmiş hava içeren steril bir tünele gönderilir. Bu tünel, dışarıdan hava aracılığıyla herhangi bir mikroorganizma bulaşmasını önlemek amacıyla, hafif yüksek basınç altında tutulmaktadır. Bundan sonraki diğer işlemlerin tümü bu tünel içinde gerçekleştirilir. Burada ilk önce plastik film, üzerinde kalan H2O2’yi uzaklaştırmak ve filmin şekillendirilebilmesi için ısıtılır. Sonraki aşamalarda kap şekillendirilir, doldurulur ve H2O2 ile muamele edilip steril sıcak hava kurutulmuş üst folyo ile kapatılır.
Şekil 16.20. Ambalaj sterilizasyonu H2O2 ile gerçekleştirilen bir şekil verme-doldurma-kapatma makinesinin şematik görünümü
Dolum sırasında üretilen plastik şişeler
Plastik şişeler genellikle PVC, PP, LDPE, HDPE ve PET gibi plastiklerden tek ya da iki aşamalı yöntemlerle üretilir. Bu amaçla: Ya enjeksiyon veya ekstrüzyonla kalıplama gibi çeşitli işleme teknikleriyle bir deney tüpü veya boru halinde elde edilen preformlar, iki tarafı kapanan kalıba alınıp kalıp içine hava üflenerek henüz yumuşak olan plastiğin kalıbın şeklini alması sağlanır. Ya da iki aşamalı üretimde olduğu gibi preform kazanıldıktan sonra soğutulur, sonra depolanır ve gereksinim duyulduğunda tekrar ısıtılarak son şeklini alması için içerisine hava üflenerek şişirilir. Veya ayrı makinelerde gerçekleşen şişe üretim ve dolum kapama işlemleri tek bir makinede gerçekleştirilir. Kısaca belirtilen yöntemlerle üç farklı tip uygulama yapılır:
a) Steril olmayan şişeler
Şişirilerek elde edilen şişeler hemen, steril hava ile oluşturulmuş hafif bir pozitif basınçla korunan bir steril odayı alınır. Sonra şişeler baş aşağı çevrilir ve iç ve dış yüzeylerine hidrojen peroksit ya da perasetik asit çözeltisi püskürtülür. Dolum işlemine başlanılmadan önce şişeler bir sıcak hava tünelinden geçirilerek H2O2’nin buharlaşması sağlanır. Perasetik asit ile sterilize edilen şişeler ise steril su ile çalkalanıp durulanır ve ardından ürün doldurulur.
b) Steril şişeler
Ekstrüde edilen, steril hava ile kalıp içinde form verilmek üzere şişirilen ve içsel steriliteyi sağlayıp koruyan koşullar altında boş olarak kapatılan şişeler, hafif pozitif basıncın etkin olduğu bir steril odaya alınır, ya da aseptik dolum tesisleri, steril haldeki kapalı şişeleri temin ederler. Dolum sırasında şişeler önce bir sterilant banyosundan geçirilerek örneğin H2O2 püskürtülerek dış yüzeyi de sterilize edilir. Sonra kapağı aseptik koşullar altında kesilip atılır ve doldurulur. Dolu şişelerine ağzına bu sırada otomatik olarak steril bir folyo kapak koyulabilir veya ısıl kaynaklanabilir kapatma uygulanabilir. Folyo kapak üzerine çevir aç (twist-off) kapak, kesip açma halkalı (cutting ring) kapak veya euro kapak gibi hermetik kapatmayı sağlayabilen çeşitli kapak tipleri kullanılabilir.
c) Şekillendirme, doldurma ve kapatma işlemlerinin bir arada yapıldığı uygulamalar
Bu yönteme ilişkin işlem basamakları Şekil 16.21’de gösterilmiştir:
a. Şişe üretiminde kullanılacak olan plastik madde granürleri bulundukları depodan (1) ekstrüdere (2) iletilir. Burada, yüksek basınç ve sıcaklık (120-200ºC) etkisiyle bir boru (4) halinde ekstrüde edilir.
b. Sonra bu sıcak plastik boru (4) şişe kalıplarıyla (5-6) her iki taraftan sarılır ve daha sonra boru üstten kesilerek (7) ayrılır.
c. Bunu izleyen aşamada kalıp, şişirme ve doldurma başlığı (8) altına itilir ve burada plastik boru steril hava aracılığıyla soğutulmuş kalıp duvarlarına doğru şişirilir.
d. Doldurma başlığı şişenin içine doğru yönelir ve üç yollu vana (11) değiştirildikten sonra şişelenecek ürün (9) pistonlu dozlayıcı (10) aracılığıyla şişeye doldurulur. Diğer yandan şişede bulunan hava dışarı boşaltılır (14).
e. Şişenin öteki bölümlerine göre henüz sertleşmemiş olan boyun kısmı, su ile soğutulan düzenekle (6) kuşatılır, şekillendirilir ve kapatılır.
f. Şişe kafası yeterince soğuduktan sonra kalıp sistemi açılır. Dolmuş ve ağzı kapatılmış olan şişe serbest hale geçer.
Bu sistemde şişe üretimi, doldurma ve kapatma işlemleri bir arada yapıldığı ve uygulamada 350 bar basınç ve 120-200ºC sıcaklıktan yararlanıldığı için, önceden de denildiği gibi, herhangi bir mikrobiyal bulaşma söz konusu olmamakta ve birkaç küçük ek önlemle tam aseptik dolum yapmak mümkün olabilmektedir.
Şekil 16.21. Plastik şişelerin üretilmesi ve doldurulup kapatılması (Kessler, 1976 ve Spreer, 1988)
1) Şişirme başlığı
2) Kesici
3) Tutucu çeneler
4) ve 5) Şişe kalıbı
6) Plastik boru
7) Doldurma başlığı (miktar ayarlayıcı)
8) Doldurma kanalı (ürün girişi)
9) Hava boşaltma borusu
10) Doldurma borusu
Şekil 16.22. Plastik şişe yapımı ve aseptik doldurma aşamaları (Voss, 1974 ve klupsch, 1984)
a) Pos. I: Granür halindeki plastiklerden plastik boru üretilir.
b) Pos. II: Basınçlı hava yardımıyla plastik boru şişe biçimine dönüştürülür ve ürün doldurulur.
c) Pos. III: Şişenin boyun kısmı şekillendirilir ve ağzı kapatılır.
d) Pos. IV: Kalıp açılır ve serbest hale geçer (Şişenin üretilmesi, doldurulması ve kapatılması işlemleri yaklaşık 10-12 saniyede tamamlanır)
Şekil 16.23. Şişirme ve doldurma başlığının sürekli çalışan steril hava duşu yardımıyla kontaminasyondan korunması; vakumla şişe kafasının biçimlendirilmesi ve şişe ağzının kaynaklanması (Zimmermann, 1981)
Şekil 16.24. Plastik şişe üretim basamakları; bir parison ve 2 litrelik PET şişe
Şekil 16.25. UHT-spiral tüpsel sterilizatörle aseptik ürün işleyen, üfleme kalıplama (döküm) yöntemi ile plastik şişe üreten ve aseptik dolum yapan bir tesisin şematik görünümü (Anon, 1996 c)
1. Plastik hammadde silosu
2.Üfleme kalıplama (blow moulding) yöntemi ile plastik şişe üreten makine
3. Pnömatik plastik hammadde besleme ve üretim artığı ıskarta plastikleri karıştırma sistemi
4. Plastik şişe deposu
5. Plastik şişeleri sıraya sokan düzen
6. Aseptik doldurucu ve şişe ağzına folyo kapak sıvama aygıtı
7. UHT spiral tüpsel sterilizasyon düzeni
8. Şişelere plastik kapak yerleştirme ünitesi
9. Etiketleme makinesi
10. Shrinkleme makinesi
11. Paletleyici
Günümüzde hem aseptik ürün işleyen hem de plastik şişe üretip aseptik dolum yapan entegre tesisler (Şekil 16.25) yaygınlaşmıştır. Nitekim, şekilde gösterilen böyle bir tesiste; spiral tüpsel sterilizatör yardımıyla UHT tekniği uygulanarak başta süt olmak üzere pek çok gıdanın aseptik üretimi yapılmakta ve aynı zamanda üfleme kalıplama (blow moulding) yöntemi ile paslanmaz çelik kalıplarda (Şekil 16.26) HDPE veya PP esaslı şişeler üretilerek, aseptik koşullarda dolum ve kapama işlemleri gerçekleştirilebilmektedir. Bu sistemde düşük ve yüksek viskoziteli ürünler plastik şişelerin yanı sıra, plastik kaselere ve cam kavanozlara da doldurulabilmektedir.
Yüksek yoğunluklu polietilen veya polipropilen şişeler tek ya da çok katlı (monolayer-multilayer) olmak üzere (Şekil 16.27) 0.2 litreden 3.0 litreye kadar olan hacimlerde üretilmektedir. Böyle bir sistemin şişe üretim kapasitesi; ½ litrelik şişeler için 8400 ad./saat, 1/1 ℓ için 5500 ad./saat ve 1 ½ ℓ için ise 3800 ad./saat’tir.
Üç katlı olarak üretilen polietilen şişelerin ışık bariyer özellikleri üstündür. Böylece ışığa duyarlı olan içme sütlerinin kalitelerinin bu bağlamda korunabilmesi mümkün olabilmektedir. Ancak; ketçap, meyve suları, vitaminlerle zenginleştirilmiş süt, sporcular için özel formüle edilmiş içecekler ve tıbbi gıdalar gibi pek çok ürün, ışığın yanı sıra oksijene de çok duyarlı oldukalrı için; üç katlı plastik şişeler bu tür ürünlerin kalitelerinin uzun süre korunabilmeleri bakımından yeterli olamamaktadır. Fakat söz konusu ürünlerin ambalajlanmasında başarılı sonuçlar veren bariyer katmanlı yeni tip şişeler geliştirilmiştir. Bu tip şişelerin üretiminde, PVdC ve EVOH (Etilen vinil alkol kopolimer) gibi bariyer nitelikleri, özellikle O2 geçirmezliği son derece iyi ve aynı zamanda adhezyon (yapışma) özelliği de mükemmel olan plastiklerden yararlanılmaktadır. Bu tür şişeler altı katlı üretilmektedir.
Şekil 16.26. HDPE süt şişesi üretiminde kullanılan paslanmaz çelik kalıp
Şekil 16.27. Çok katlı plastik şişe örneği
Cam şişeler
Aseptik ambalajlamada son zamanlarda cam şişeler de kullanılmaya başlanmıştır. Cam şişelerin iç yüzeylerinin mikroorganizmalardan arındırılması UV-uygulaması pek olumlu sonuç vermemektedir. Özellikle şişe dışından yapılan ışınlama işleminde, kuvvetli UV-absorpsiyonu nedeniyle, gereken etkinlik düzeyine ulaşılamamaktadır. Işın kaynağının şişe ağzından uygulanması durumunda ise, quarz lambalarının kırılma olasılığının fazla olması nedeniyle sorunlarla karşılaşılmaktadır.
Ancak hidrojen peroksit cam şişeler kolaylıkla uygulanabilmektedir. Nitekim, şişe yüzeylerini derişik H2O2 ile çalkalayan ve sonra sıcak havayla kurutan yöntemler vardır. Bu tekniklerden en iyisi, Bosch firmasının geliştirdiği H2O2 kondensasyon (yoğunlaşma yani gaz evreden sıvı evreye geçiş) yöntemidir. Söz konusu bu yöntemde, derişik H2O2 şişe yüzeylerinde yoğunlaştırılmakta ve sonra ısısal yolla uzaklaştırılmaktadır.
Doymuş buhar ile sterilizasyon tekniklerini cam şişelere de uygulamak olanaklıdır. Bu amaçla şişelerin havası boşaldıktan sonra 5 bar basınçta doymuş buhar ile 1-2 saniye süreyle muamele edilmektedir. Alman Holstein-Kappert firması, cam şişelerin doymuş buharla sterilizasyonunu yapan yöntemler geliştirmiştir. Cam şişelerin aseptik doldurulmalarını sağlayan döner tablalı doldurma yönteminde; şişeler önce bir ön ısıtma işlemine tabi tutulmakta, sonra özel bir hücreye iletilerek (Şekik 16.28) burada buharla sterilize edilmekte, doldurulmakta ve çevreden kontamine olmaksızın kapatılabilmektedir.
Cam ambalajların doymuş buharla sterilizasyonunda sorun, kapların kırılma tehlikesidir. Ancak günümüzde bu sorun büyük ölçüde aşılmıştır. Nitekim sterilizasyon işleminde şok ısıl uygulama yapılmayıp, önce bir ön ısıtma uygulanmakta ve sonra şişe ve kavanozlar 125-130ºC’e 1.5-2 saniye süreyle sterilize edilmektedir. Başka bir yöntemde ise, cam şişeler kademeli olarak buharla sterilize edilmekte veya infrared ışınlamaya 180ºC’ye ısıtılıp, bunu izleyen aşamalarda buharla 2.5 dakika süreyle sıcak tutulmaktadır Ayrıca cam kapların, NaOH+kuarterner amonyum bileşikleri gibi dezenfektan maddelerle muamele edilmeleri ve bu dezenfektanlardan arındırmak için de steril su ile çalkalanmaları da önerilen yöntemler arasındadır.
Metal kutular, variller ve aerosol kutular
Konserve üretiminde gıdanın konserve kabına konulmadan önce ısıtılması ve soğutulması yöntemi, kap içerisinde ısıtmanın yol açtığı olumsuzlukların önlenebilmesi bağlamında önemli bir seçenektir. Bu durum, aseptik konserveciliğin, yani aseptik yöntemlerle konserve üretiminin temel ilkesini oluşturur. Aseptik konservelemede üç ana aşama bulunur. Bunlar; ürünün sterilizasyonu, kapların ve kapakların sterilizasyonu ve steril dolumdur. Buna göre gıda maddesi, yüksek sıcaklıkta kısa süreli bir ısıl işlemle sterilize edilir, steril koşullarda hızla soğutulur ve sterilize edilip soğutulmuş kaplara, steril koşullarda doldurulduktan sonra, steril kapaklarla hermetikli olarak kapatılır.
Şekil 16.28. Cam şişelerin özel bir hücrede buharla sterilizasyonu ve doldurulması (Gem-Nird yöntemi)
Aseptik konservecilikte halen en yaygın sistem “Dole Aseptik Sistemi” dir. Bu sistem kutu ve kavanozlara aseptik dolum için geliştirilmiştir. Söz konusu bu sistemde kullanılan ambalajların sterilizasyon yöntemi üç aşamadan oluşur:
a) Boş kutular aşırı kızgın buhar ile ısıtılan tünellerden geçirilir. Bu sırada kutular, metal sıcaklığı 220ºC’ye ulaşacak şekilde ısınır ve bu derecede 40 saniye tutulur. Alüminyum kaplar ise, ısı iletkenlikleri daha yüksek olduğu için, ısıl uygulamada %20 daha az süreye gereksinim gösterirler. Ancak, metal kutuları önce dezenfeksiyon maddeleri ile muamele eden ve sonra bu maddeleri buharlaştırarak sterilizasyonu gerçekleştiren teknikler de uygulanmaktadır.
b) Kutu içine steril su püskürtülerek soğutulur.
c) Kapaklar da kutularda olduğu gibi sterilize edilir.
Doldurma ve kapatma sırasındaki aseptiklik ise, bu işlemlerin yapıldığı hücreye doymuş buhar veyahut buhar ve steril bir gazdan oluşan bir karışım verilerek içeride pozitif bir basınç oluşturularak sağlanır.
Dole sistemde yakın zamana değin 3 litrelik teneke kutulara kadar dolum yapılırken, günümüzde bu değer 7.5-22.5 litreye yükselmiştir.
Dole sisteminde dolum bölümünde iki tip doldurucu yer alır. Bunlardan ilki hareketli parça içermez. Bunda bir dolum yarığı bulunur. Flanşları ile doldurucuyu kavramış olan boş kutulara, yarık altında iken, sürekli bir katman halinde soğuk steril ürün doldurulur. Diğer tip ise çok sayıda döner doldurma başlıklarından oluşur. Dönme sırasında doldurma başlıklarının lobları bir noktada kutu flanşını kavrayarak kapatır ve dolum başlar.
Doldurma ve kapatma bölümleri ile bunların bağlantıları, yukarıda da denildiği gibi, kızgın buhar veya steril gaz ile sürekli steril tutulur. Sistemde işlemlerin atmosfer basıncı altında yapılması, karmaşık ve pahalı basınç oluşturucu düzenek gereksinimini ortadan kaldırmıştır.
Aseptik yöntemde fıçı ve varil dolumları da geniş ölçüde kullanılmaktadır. Bunlar Cherry-Burrell şirketinin “No-Bac Fifty-Five” dolum sistemi örnek gösterilebilir. Bu sistemde, firmanın patenti altındaki borulu, buhar püskürtmeli ve sıyırıcılı (kazıyıcılı) tip ısı değiştiricilerde sterilize edilen ürün, soğutuculardan geçtikten sonra dolduruculara gelir. Soğutulan ürün, elektrolitik kalaylı 250 litrelik varillere vakum altında doldurulur. Dolum sisteminin adı varillerin hacminden (55 galon) kaynaklanmaktadır.
Dolum işlemi basınca dayanıklı bir bölmede yapılır. Variller 7 kg/cm²’lik basınçlı buharla sterilize edilir. Dolum 30 mm kadar tepe boşluğu kalana dek vakum altında yapılır.
Aseptik dolumda varil kullanan diğer iki sistem, “Fron Rica” ve “Hambart” sistemleridir. Fron Rica dolum sisteminde variller 1 barlık doygun buharla 1.5 dakika kadar sterilize edilir. Sürekli basınç altında tutulan varillere buhar uygulamasının kesilmesinden sonra ürün doldurulur.
Hambart sistemi ancak asit gıdalar için uygun olan bir sistemdir. Çünkü burada variller, atmosferik basınç altında düşük sıcaklıktaki buharla sterilize edilirler.
Ayrıca aerosol kutulara da dolum yapılmaktadır. Nitekim günümüzde çarpma (dövme) kremalar, pasta garnitürleri, sürülebilir peynirler, çikolata şurupları, mayonez, marmelat, jöle, kızartma sosları, limon ve domates suyu gibi çeşitli ürünler aerosol kutular içinde de tüketime sunulmaktadır. Bu tip kutularda korunan süt mamullerinin dayanma süresi 1-3 ay, kahve ekstraktanın 3 ay ve şuruplarının ise 6 ay kadardır. Kutular genellikle alüminyum (10-180 ml) veya epoksi laklı tenekeden (180-600 ml) ya da cam (10-210 ml) ve çeşitli plastiklerden (150 ml) yapılmaktadır. Tek hücreli standart tip ve iki hücreli imal edilen kutularda itici gaz olarak, CO2, N2, ve N2O gibi gazlardan yararlanılmaktadır.
Aerosol kutuların dolum ilkesi Şekil 16.29’da gösterilmiştir. Dolum işleminden önce kutular sterilize edilir. Bu amaçla kızgın buhar (225ºC’de 45 saniye), sıcak hava (230ºC’de 20 dakika), etilen oksit veya hidrojen peroksitten yararlanılır. Sonra steril kutular yaklaşık 37ºC’ye soğutulur. Ürün doldurulur. Daha sonra ya havası alınarak ya da itici gaz kullanılarak, tepe boşluğundaki hava uzaklaştırılır. Ve nihayet valf yerleştirilir ve kutu, basınç altında bulunan sıvılaştırılmış itici gaz ile tamamen doldurulur. Boyutları 65x157 mm olan 250 ml’lik bir kutuya 8 g (9,6 bar) azot oksit (N2O) yeterlidir.
Prof. Dr. Mustafa ÜÇÜNCÜ
Bu yazı ASD-Ambalaj Sanayicileri Derneği tarafından yayınlanan Gıda Ambalajlama Teknolojisi isimli kitaptan alınmıştır. Daha ayrıntılı bilgi için www.ambalaj.org.tr
