Was ist Heißblasformen und wie funktioniert es?
Das Heißblasformen – auch als Wärmeformung bezeichnet – ist eine Variante des Standard-ISBM-Verfahrens. Es ermöglicht die Herstellung von PET-Flaschen, die sich bei Temperaturen von 85–95 °C mit heißem Produkt befüllen lassen, ohne sich zu verformen. Der Hauptunterschied zum Standard-ISBM-Verfahren liegt in der Temperatur der Blasform: Beim Standard-ISBM (Kaltfüllung) wird die Blasform bei 8–12 °C betrieben, um die Flasche nach dem Blasvorgang schnell abzukühlen. Beim Heißblasformen hingegen wird die Blasform bei 100–130 °C betrieben, um während des Blasvorgangs eine partielle Kristallisation der PET-Flaschenwand zu bewirken. Diese Kristallisation – die sogenannte Wärmeformung – verleiht der Flasche Dimensionsstabilität bei Heißfülltemperaturen.
Warum Standard-PET-Flaschen nicht heiß abgefüllt werden können
Standardmäßige, im Kaltabfüllverfahren (ISBM) hergestellte amorphe PET-Flaschen sind oberhalb von ca. 60–65 °C – der Glasübergangstemperatur (Tg) von PET – formstabil. Oberhalb der Tg erweichen die amorphen Polymerketten in der Flaschenwand und können sich unter dem Innendruck und der Schwerkraft eines heiß abgefüllten Produkts verformen. Eine standardmäßige, kalt abgefüllte PET-Flasche, die mit 90 °C heißem Saft befüllt wird, schrumpft, wirft Falten und verformt sich innerhalb von Sekunden nach dem Befüllen, wodurch sie kommerziell unbrauchbar wird. Für Heißabfüllungen werden entweder wärmebehandelte PET-Flaschen, HDPE- oder PP-Flaschen (die oberhalb der Tg von Natur aus thermisch stabiler sind als amorphes PET) oder Glasflaschen benötigt.
Wie das Hitzefixieren funktioniert
Die Wärmefixierung ist die gezielte, begrenzte Kristallisation der PET-Flaschenwand durch Anpressen der geblasenen Flasche an eine heiße Formoberfläche für eine definierte Zeit. PET kristallisiert, wenn es für eine ausreichende Zeit oberhalb seiner Kristallisationstemperatur (ca. 130–140 °C) gehalten wird. Beim wärmefixierten ISBM-Verfahren wird die Blasform auf 100–130 °C erhitzt und die geblasene Flasche 2–6 Sekunden länger an die Formwand gedrückt als bei der Standard-Kaltabfüllung. Während dieser Haltezeit erreicht die PET-Flaschenwand einen Kristallinitätsgrad von 25–351 TP3T, der mittels Dichte- oder DSC-Analyse gemessen wird.
Kristallisiertes PET weist aufgrund der durch die Kristallstruktur bedingten Einschränkungen der Kettenbeweglichkeit eine um etwa 10–15 °C höhere Glasübergangstemperatur (Tg) auf als amorphes PET. Wichtiger noch: Die kristallisierten Bereiche erweichen oberhalb der Tg nicht so schnell wie amorphe Bereiche. Dies verleiht der wärmebehandelten Flasche eine Dimensionsstabilität bei Abfülltemperaturen, die eine Standard-Kaltabfüllflasche verformen würden. Wärmebehandelte Flaschen können bis zu 90–95 °C (abhängig vom Wärmebehandlungsgrad) ohne signifikante Dimensionsänderung abgefüllt werden. Allerdings schrumpfen sie beim Abkühlen von der Abfülltemperatur auf Raumtemperatur noch geringfügig (1–31 TP3 TT des Flaschenvolumens). Dies muss durch eine entsprechende Flaschenkonstruktion mit Vakuumplatten oder ausreichendem Kopfraum kompensiert werden.
ISBM-Prozessparameter für die Heißfüll-Wärmeformherstellung – die Blasformtemperatur ist der entscheidende Parameter, der die Heißformherstellung von der Kaltfüll-ISBM-Herstellung unterscheidet.
Produkte, die im Heißabfüllverfahren abgefüllt werden
Heißabfüllung wird für Getränke und Lebensmittel verwendet, die während der Abfüllung zur Pasteurisierung oder Sterilisation eine Wärmebehandlung benötigen:
- Saftgetränke: Orangensaft, Apfelsaft, tropische Saftmischungen (Abfülltemperatur 85–92 °C)
- Tee und trinkfertiger Tee: Schwarzer Tee, grüner Tee, Eistee (Fülltemperatur 85–90 °C)
- Sport- und isotonische Getränke: Elektrolytgetränke, Vitamingetränke (Abfülltemperatur 85–90 °C)
- Milchgetränke: aromatisierte Milch, Mahlzeitenersatzgetränke (Abfülltemperatur 80–90 °C)
- Gewürze und Saucen: Ketchup, Salsa, Nudelsauce, Salatdressing (Fülltemperatur 75–90 °C)
Maschinenanforderungen für Heißfüll-ISBM
Für die Heißabfüllung auf einer ISBM-Maschine sind Modifikationen der Standardkonfiguration für die Kaltabfüllung erforderlich:
| Komponente | Standard-Kaltabfüllung | Heißfüllanforderung |
|---|---|---|
| Kühlkreislauf für Blasformmaschinen | Gekühltes Wasser bei 8–12 °C | Heißes Wasser oder Thermoöl mit einer Temperatur von 100–130 °C |
| Blasformmaterial | Aluminium (Standard) | Berylliumkupfer oder Stahl (bessere Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung) |
| Blaszeit in Form | 2–4 Sekunden | 4–8 Sekunden (verlängert für die Hitzebehandlung) |
| Vorformgewicht | Standard | Typischerweise ist 10–20% schwerer als ein gleichwertiges Kaltfüllmaterial mit gleichem Volumen. |
| Flaschendesign | Standard | Vakuumpaneele oder Griffzonen erforderlich, um die Schrumpfung nach dem Befüllen aufzunehmen |
Wärmeverpressen vs. Kaltverpressen: Welches Verfahren ist das richtige für Ihre Anwendung?
Die Wahl zwischen wärmebehandeltem und kaltabgefülltem ISBM hängt von der Abfülltemperatur ab. Wird das Produkt bei Umgebungstemperatur oder unter 60 °C abgefüllt, ist standardmäßiges kaltabgefülltes ISBM geeignet. Bei Abfüllung bei 65–95 °C zur Pasteurisierung (z. B. bei den meisten Säften, Tees, Soßen und Milchgetränken) ist wärmebehandeltes ISBM erforderlich. Produkte, die über 95 °C abgefüllt werden (Retortensterilisation), eignen sich nicht für PET in ISBM und benötigen Behälter aus Glas oder retortengeeignetem PP/HDPE.
Es ist nicht möglich, eine Standard-ISBM-Kaltfüllform für Heißfüllanwendungen zu verwenden, indem man einfach die Fülltemperatur erhöht. Der Kühlkreislauf der Form und das Material müssen von Anfang an für Heißfüllung ausgelegt sein. Wenn Sie auf derselben Maschine sowohl Kalt- als auch Heißfüllung planen, informieren Sie Ever-Power bitte bei der Bestellung, damit beide Formensätze korrekt konstruiert und der Kühlkreislauf der Maschine für den Wechsel zwischen Heiß- und Kaltfülltemperaturen zwischen den Produktionsläufen konfiguriert werden können.
Planen Sie eine Produktionslinie für Heißabfüllung von PET-Flaschen?
Ever-Power konfiguriert EP-HGY-Maschinen und entwickelt wärmehärtende Formsätze für Heißabfüllanwendungen von 250 ml bis 2 Litern. Senden Sie uns Ihre Abfülltemperatur, das Flaschenvolumen und das Jahresvolumen – wir erstellen Ihnen innerhalb von 24 Stunden eine Maschinen- und Formempfehlung.
Siehe die Anwendungen für Wasser- und Getränkebehälter Beispiele finden Sie auf der Seite oder durchsuchen Sie die komplettes Maschinenprogramm für technische Spezifikationen.
Häufig gestellte Fragen
Kann ich auf derselben ISBM-Maschine sowohl Heißabfüllung als auch Kaltabfüllung durchführen?
Ja, sofern die Maschine für beide Formtemperaturregime ausgelegt ist. Der Kühlkreislauf der Blasform muss zwischen Kaltwasser (für Kaltabfüllung) und Heißwasser oder Thermoöl (für Heißabfüllung) umschaltbar sein. Selbst bei gleichem Behältervolumen werden für Kalt- und Heißabfüllung unterschiedliche Formsätze benötigt, da sich die Flaschenkonstruktion unterscheidet (Heißabfüllflaschen benötigen Vakuumplatten oder Griffe; Kaltabfüllflaschen nicht). Die Maschinenkonfiguration für die duale Heiß-/Kaltabfüllung sollte bei der Bestellung angegeben werden.
Beeinträchtigt das Erhitzen die Klarheit der Flasche?
Ja, geringfügig. Die durch die Wärmebehandlung hervorgerufene partielle Kristallisation führt zu einer minimalen Trübungszunahme im Vergleich zu einer kaltabgefüllten ISBM-Flasche aus demselben PET-Typ. Standardmäßig wärmebehandelte Flaschen weisen eine akzeptable Klarheit für Saft- und Teegetränke auf (Lichtdurchlässigkeit typischerweise 80–871 TP3T im Vergleich zu 88–921 TP3T bei kaltabgefüllten Flaschen). Für Anwendungen, bei denen neben der Heißabfüllbarkeit maximale Klarheit entscheidend ist, können PETG oder spezielle, trübungsarme, heißabfüllbare PET-Typen verwendet werden, allerdings zu höheren Materialkosten.
Worin besteht der Unterschied zwischen Heißabfüllung und aseptischer Abfüllung?
Bei der Heißabfüllung wird die Temperatur des Produkts selbst genutzt, um den Behälterinhalt zu pasteurisieren und ihn beim Verschließen durch Dampfsterilisation zu versiegeln. Das Produkt wird heiß (85–95 °C) abgefüllt und in der verschlossenen Flasche abgekühlt. Bei der aseptischen Abfüllung wird der Behälter separat sterilisiert (typischerweise mit Wasserstoffperoxiddampf oder Elektronenstrahlbehandlung) und das handelsübliche sterile Produkt in einer sterilen Umgebung bei Raumtemperatur in den sterilen Behälter abgefüllt. Die aseptische Abfüllung benötigt keine vorbehandelte Flasche und verwendet handelsübliche ISBM-PET-Kaltabfüllbehälter. Heiß- und aseptische Abfüllung werden beide für Säfte und Tees eingesetzt, erfordern jedoch unterschiedliche Investitionen in Abfüllanlagen und unterschiedliche betriebliche Anforderungen.
Design der Heißabfüllflasche: Vakuumpaneele und Griffmerkmale
Heißabgefüllte PET-Flaschen erfordern spezielle Konstruktionsmerkmale, die bei kaltabgefüllten Flaschen nicht notwendig sind. Der Grund dafür ist, dass die gefüllte und verschlossene Flasche nach dem Verschließen von der Abfülltemperatur (85–95 °C) auf Umgebungstemperatur (20–25 °C) abkühlt. Dadurch verringert sich das Gasvolumen im Inneren der Flasche, und es entsteht ein Teilvakuum. Ohne entsprechende Konstruktionsmerkmale würde die Flaschenwand während der Abkühlung einsinken oder sich verformen – ein inakzeptables Erscheinungsbild für ein Einzelhandelsprodukt.
Vakuumplatten sind flache oder konkave Bereiche in der Flaschenwand, die sich beim Abkühlen durch das entstehende Vakuum kontrolliert und symmetrisch nach innen biegen. Ihre Größe und Position sind auf die zu erwartende Volumenverringerung je nach Behältergröße und Abfülltemperatur abgestimmt. Sie verleihen der fertigen Flasche ihr charakteristisches Aussehen: Die meisten Heißabfüllflaschen für Saft und Tee weisen sichtbare, flache Plattenbereiche auf, die sich mit griffigen, gewölbten Bereichen am Flaschenumfang abwechseln. Griffige Elemente (vertiefte oder erhabene Bereiche am Flaschenkörper) dienen sowohl der strukturellen Verstärkung (sie erhöhen die Widerstandsfähigkeit der Flaschenwand gegen das Zusammenfallen der Platten) als auch der Ergonomie (sie erleichtern das Halten und Ausgießen).
Die Konstruktion von Heißabfüllflaschen ist eine anspruchsvolle Ingenieursaufgabe, die genaue Kenntnisse über Abfülltemperatur, Abfüllvolumen, Kopfraumvolumen, Verschlussmoment und zu erwartende Kühlbedingungen erfordert. Das Werkzeugkonstruktionsteam von Ever-Power bietet Ihnen Beratung zur Konstruktion von Heißabfüllflaschen und führt im Rahmen der Machbarkeitsstudie für Heißabfüllanwendungen Finite-Elemente-Analysen zur Leistung von Vakuumplatten durch. Die Blasformkonstruktion für die Heißabfüllproduktion unterscheidet sich hinsichtlich Material und Konstruktion von Kaltabfüllformen: Anstelle von Aluminium werden Einsätze aus Berylliumkupfer oder hochwärmeleitfähigem Werkzeugstahl verwendet, und die Form muss für ein Heißwasser- oder Thermoöl-Heizsystem anstelle des Kaltwasser-Kühlsystems einer Standard-Blasform ausgelegt sein.
Aseptisch vs. Heißabfüllung vs. Kaltabfüllung: Das richtige Verfahren für Ihr Produkt auswählen
Getränke- und Lebensmittelhersteller, die sich für ein PET-Behälter-Produktionsverfahren entscheiden, müssen die Behälterspezifikation auf die verwendete oder geplante Abfülltechnologie abstimmen. Die drei gängigen Verfahren sind Kaltabfüllung (Abfüllung bei Umgebungstemperatur), Heißabfüllung (Abfüllung bei 85–95 °C) und aseptische Abfüllung (sterilisierter Behälter, abgefüllt mit handelsüblich sterilem Produkt bei Umgebungstemperatur). Jedes Verfahren erfordert ein anderes Behälterdesign und, im Falle der Heißabfüllung, eine andere Maschinenkonfiguration.
Die Kaltabfüllung ist der einfachste Fall: Der Behälter wird bei Umgebungstemperatur mit einem Produkt befüllt, das keine Wärmebehandlung während der Abfüllung benötigt (z. B. stilles Wasser, Getränke für die Abfüllung bei Umgebungstemperatur, Öl, separat pasteurisierte Soßen). Eine Standard-ISBM-Kaltabfüllflasche ohne Vakuumplatten ist ausreichend. Die Heißabfüllung wird für Produkte verwendet, die während der Abfüllung thermisch behandelt werden, um Sterilität oder eine längere Haltbarkeit zu erreichen – z. B. Säfte, Tee, Sportgetränke und Soßen, die bei 85–95 °C abgefüllt werden. Hierfür ist eine wärmebehandelte ISBM-Flasche mit Vakuumplatten erforderlich. Bei der aseptischen Abfüllung werden Behälter und Produkt getrennt behandelt und in einer sterilen Umgebung zusammengeführt. Der Behälter muss keine erhöhten Abfülltemperaturen aushalten und es wird eine Standard-ISBM-Kaltabfüllflasche verwendet. Die Abfüllanlage und die Behälterhandhabung müssen jedoch den Sterilitätsstandards für pharmazeutische Produkte entsprechen.
Für Hersteller, die ISBM-Einstufenmaschinen für Heißabfüllung einsetzen möchten, muss die Maschinenbestellung Folgendes enthalten: eine wärmehärtende Blasform (Temperaturregelung mit Heißwasser oder Thermoöl statt Kaltwasser); Blasformmaterial, das für wiederholte Temperaturzyklen bei 100–130 °C geeignet ist; und eine verlängerte Blaszeit (4–8 Sekunden gegenüber 2–4 Sekunden bei Kaltabfüllung), um eine ausreichende Wärmehärtung zu gewährleisten. Die Vorformlinge für Heißabfüllung sind typischerweise 10–201 TP3T schwerer als die entsprechenden Vorformlinge für Kaltabfüllung bei gleichem Behältervolumen, um eine höhere Wandstärke für bessere Hitzebeständigkeit zu erzielen. Ever-Power bietet auf Anfrage komplette Konfigurationen für Heißabfüllmaschinen und -formen an. Bitte geben Sie bei Kontaktaufnahme mit unserem Anwendungsteam Ihre Abfülltemperatur, den Produkttyp und das gewünschte Flaschenvolumen an.
