Ein Vakuumfüller ist eine Abfüllmaschine zur Abfüllung pastöser Massen. Die Bewegung der pastösen Massen wird mit Hilfe eines Flügelzellenförderwerkes unter Vakuumeinfluss erzeugt.
Problemstellung Die Gewichtsegalisierung von Fertigpackungen auf dem Lebensmittelmarkt, insbesondere im Bereich viskoser bzw. pastöser Produkte, stellt höchste Ansprüche an eine reproduzierbare Genauigkeit von Füll- und Portioniersystemen. Um dies zu realisieren, müssen technische oder technologische Aspekte, aber auch produktspezifische Eigenschaften beachtet werden. Neben den genannten Gegebenheiten sind Anforderungen an die Qualität eines Endproduktes ausschlaggebend für die Auswahl oder Umsetzung einer technischen Prozesslösung. Mit der Entwicklung von VakuumfüllmaschinenFüllmaschine. duden.de; abgerufen am 29. Mai 2020 ist es gelungen, die Anforderungen technischer und qualitativer Art aufeinander abzustimmen.
Im Lebensmittelbereich wird die Bewegung oder der Transport von Fluiden technisch mit Hilfe von Pumpen realisiert. Umgangssprachlich wird dies als Füllen, Befüllen oder Portionieren bezeichnet. Es werden unterschiedliche Typen von Pumpen, je nach Art der zu bewegenden Füllgüter, eingesetzt. Für viskose Massen finden häufig Vakuumfüller mit Flügelzellenförderwerken und Vakuumzuführung Anwendung. Mit Hilfe eines Fülltrichters mit Zuführeinrichtung, eines Flügelzellenförderwerks unter Vakuumeinfluss und entsprechender Volumenverdrängung im Pumpengehäuse wird der Transport der Massen realisiert. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um ein volumetrisches Förderprinzip. Dies bedeutet, dass ein bestimmtes Gewicht über ein Volumen definiert wird. Neben den Flügelzellenförderwerken, auch Drehschieberpumpen genannt, gibt es auch Schneckenförderwerke mit Förderkurven, Zahnradförderwerke oder evakuierte Hubzylinder. Bei allen wird der Transport über Volumenverdrängung unter Vakuumeinfluss realisiert.
Vakuumfüller sind traditionell in der Fleischverarbeitung, aber auch in anderen Lebensmittelbereichen zu finden. Auch im Nichtlebensmittelbereich gibt es Anwendungen. Generell sind über Vakuumfüller pastöse und kompressible Massen füllbar."Checkliste zum Betrieb einer Füllmaschine". Abgerufen am 29. Mai 2020
Geschichte Der erste Vakuumfüller wurde vermutlich bereits in den frühen 1960er Jahren entwickelt. Aus den frühen 1970er Jahren sind Patente wie das der „Hydraulisch arbeitende Wurstfüll- und Abdrehmaschine“ bekannt. Ein Jahr früher wurde bereits für den Vakuumfüller die Fördereinrichtung patentiert. Und aus 1972 ist ein Patent zur Regelung des Förderdrucks bekannt.
Voraussetzungen/Einflüsse Die Pumpfähigkeit viskoser oder pastöser Massen hat einen entscheidenden Einfluss auf die zuverlässige Funktion eines Vakuumfüllers. Füllgüter im Lebensmittelbereich können mit Hilfe unterschiedlicher Eigenschaften hinsichtlich ihrer Pumpfähigkeit („Füllbarkeit“) charakterisiert werden. Diese sind unmittelbar physikalisch messbar oder beschreiben sensorische Merkmale.
Gasanteil/Dichte Der Gasanteil wird auch mit „Luftgehalt“ bezeichnet. Dieser Luftgehalt eines Fluids ist der prozentuale Anteil der bei Zerkleinerungs- oder Mischvorgängen eingetragenen Luft. Er ist mit speziellen Hilfsmitteln messbar und steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Dichte eines Fluids.
Kompressibilität Die Kompressibilität ist abhängig vom Luftgehalt eines Fluids. Hohe Kompressibilität geht einher mit einem hohen Gasanteil des Fluids.
Viskosität Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger, hochviskoser (weniger fließfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger, niedrigviskoser (fließfähiger) ist es. Hochviskose Füllgüter in der Lebensmittelverarbeitung sind vor allem im Fleisch-, Backwaren- oder Conveniencebereich zu finden. Landläufig werden hochviskose Medien auch als pastös bezeichnet.
Die Fließfähigkeit ist Grundvoraussetzung für die Pumpfähigkeit eines Fluids. Die Viskosität kann auch mit entsprechenden rheologischen Messgeräten bestimmt werden. Im Lebensmittelbereich ist die Viskosität in erster Linie abhängig vom Flüssigkeitsgehalt des Füllgutes.
Temperatur Die Temperatur ist für die Pumpfähigkeit entscheidend, da diese die Viskosität, aber auch die Produktqualität direkt beeinflusst.
Stückigkeit, Faserigkeit, Dimension der Einlagepartikel Spezifische sensorische Eigenschaften eines Füllgutes haben großen Einfluss auf die Beurteilung der Füllbarkeit und der Einhaltung des genauen Gewichts.
Gewichtsgenauigkeit Mit Hilfe der modernen Abfülltechnik im Lebensmittelbereich ist ein genaues Portionieren bis zu 1 % Abweichung, bezogen auf das geförderte Volumen einer Portion, möglich.
Funktionsweise Das zentrale Element eines Vakuumfüllers ist das Vakuumfüllprinzip. Die Zuführung des Füllgutes in das Förderwerk erfolgt einerseits mechanisch"Checkliste zum Betrieb von Kipp- und Hebeeinrichtungen". Abgerufen am 29. Mai 2020 über einen Trichter mit aktiv angetriebener Zuführkurve, andererseits über einen vertikalen „Vakuumsog“. Vorevakuierte Kammern eines Flügelzellenförderwerks bewegen sich unter den Fülltrichter. Der durch das Evakuieren entstandene Druckunterschied relativ zum Umgebungsdruck (Unterdruck) sorgt für die Befüllung der Kammern mit Masse. Bewegt sich das Förderwerk kontinuierlich, so kann ein kontinuierlicher Füllstrom erzeugt werden.
Die Portionierung erfolgt durch getaktete Bewegungen des Förderwerkes. Jede Kammer des Förderwerkes besitzt ein bestimmtes Volumen. Die Portion wird durch den Rotationsweg des Rotors definiert. Die Einstellung eines Portionsvolumens erfolgt somit durch die Multiplikation des Rotationsweges des Rotors mit der Anzahl der darin enthaltenen Förderwerkskammern innerhalb der Steuerung. Das Portionsgewicht muss mit Hilfe einer Waage über den Parameter Portionsvolumen an der Steuerung ermittelt werden.
Aufbau und technische Voraussetzungen Vakuumfüller werden hauptsächlich im Lebensmittelgewerbe und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Für die konstruktive Auslegung einer Maschine im Lebensmittelbereich gelten aufgrund entsprechender Hygieneansprüche bzw. Hygienevorschriften besondere Kriterien. Hierzu zählen z. B. leichte Zerlegbarkeit, ebene Flächen, hinterspülbare Dichtungen, Vermeidung von Toträumen, ergonomische Formen, geringe Teilevielfalt oder detektierbare bzw. lebensmittelechte Werkstoffe. Hinzu kommen relativ aggressive Umgebungsbedingungen, wie z. B. reaktive Reinigungsmittel, reaktive bzw. abrasive Füllmedien, intensive Hochdruckreinigung oder extreme Umgebungstemperaturen.
Vakuumfüller sind deshalb zu einem hohen Anteil aus Edelstahl in sehr robuster Konstruktionsweise gefertigt. Bewegliche Teile sind leicht zerlegbar und können einzeln gereinigt werden.
Neben den mechanischen oder konstruktiven Aspekten sind auch komplexe elektronische Komponenten in einem Vakuumfüller zu berücksichtigen.
Förderwerk mit Fülltrichter Das FörderwerkFörderwerk. In: duden.de; abgerufen am 21. Mai 2012 besteht im Wesentlichen aus einem starren Pumpengehäuse mit aufgelegter Seitenscheibe, die am schwenkbaren Trichter befestigt ist, und einem herausnehmbaren Rotor mit Pumpenflügeln und Spannexzenter. Je nach Maschinengröße gibt es unterschiedliche Förderwerksgrößen mit entsprechend maßlich angepassten Teilen. Zur Reinigung und Zerlegung der mit Füllgut in Kontakt tretenden Flächen und Teile kann der Trichter abgeklappt werden. Im Pumpengehäuse befindet sich der angetriebene Rotor mit entsprechender Anzahl an Schlitzen, in denen Pumpenflügel bei geschlossener Maschine, abgestützt durch den Spannexzenter, sogenannte Kammern oder Zellen mit definierten Volumina bilden. Eingeleitet durch die Rotorbewegung beim Start der Maschine, bewegen sich die Kammern in Richtung Förderwerksauslauf und sorgen somit für einen definierten Volumenstrom. Die Gewichtsgenauigkeit eines Förderwerks ist unter anderem von der Fertigungspräzision der Teile beziehungsweise deren Verschleiß abhängig.
Vakuumsystem Die Befüllung der Kammern erfolgt durch Evakuierung des Förderwerkes. Über den Ansatz von Vakuum über eine VakuumpumpeVakuumpumpe. In: duden.de; abgerufen am 21. Mai 2012 werden die Füllgüter schonend aus dem Trichter in das Förderwerk gesogen, sobald sich eine evakuierte Kammer unter den Fülltrichter bewegt. Geschützt wird die Vakuumpumpe durch einen integrierten Wasserabscheider. Die Vakuumhöhe ist je nach Füllgut einstellbar.
Neben dem Effekt der Zuführung wird das Füllgut gleichzeitig zu einem gewissen Grad evakuiert (etwa 2–4 %). Das heißt, der Luftanteil des Füllgutes sinkt, das Füllgut wird dichter.
Zuführung Unter Zuführung im Zusammenhang mit Vakuumfüllern versteht man die aktive Förderung der Füllmedien in Richtung Trichterunterteil zur Unterstützung des Vakuumansatzes innerhalb des Fülltrichters. Realisiert wird die Zuführung durch den Einsatz sogenannter beweglicher Zuführkurven mit Schaber bzw. starren Gegenhaltekurven. Die Zuführkurve wird synchron zur Rotation des Rotors angetrieben. Bedingt durch die spezielle Geometrie beider Kurven und die parallele Rotationsbewegung, wird das Füllmedium vertikal in Richtung Förderwerk bewegt. Die notwendige Intensität der Zuführung ist abhängig von der Viskosität der zu füllenden Medien. Bei niederviskosen Medien ist eine geringere aktive Zuführung notwendig als bei hochviskosen. Somit gibt es verschiedene Kombinationen oder Ausführungen der zuführenden Teile.
Maschinenständer Die Basis eines Vakuumfüllers ist der sogenannte Maschinenständer. Dieser ist komplett aus Edelstahl nach hygienischen Gesichtspunkten gefertigt. Der kompakte Maschinenständer ist so ausgelegt, dass ein einfacher Transport mit Hubgeräten möglich ist.
Hebevorrichtung Hebevorrichtungen dienen der Beschickung des Fülltrichters mit Normwagen. Diese können entweder fest an den Vakuumfüller angebaut sein oder aber als Masthebevorrichtung separat neben dem Vakuumfüller platziert sein. Hebevorrichtungen können hydraulisch oder elektrisch betrieben sein.
Steuerung und Antriebe Für den Betrieb eines Vakuumfüllers ist eine computergestützte Steuerung für unterschiedliche Aufgaben notwendig. In der Regel sind in Vakuumfüllern mehrere Antriebe für die unterschiedlichsten Anwendungen verbaut. Bei den modernsten Vakuumfüllergenerationen sind die Antriebe über Servomotoren und entsprechende Bus-Systeme realisiert.
Verschlusseinrichtungen Für die Produktion von Einzelportionen aus einer homogenen Masse über ein Förderwerk ist immer eine synchron mit dem Portionsausstoß angesteuerte, portionstrennende „Verschlusseinrichtung“ am Förderwerksauslass notwendig. Dies können Abdreheinrichtungen für Würstchen, Clipmaschinen für Portionswürstchen, Dosierventile für Becher oder Dosen, Abschneideeinrichtungen für Teige oder auch Formeinrichtungen für Klößchen sein.
Weitere Förderwerksprinzipien Vakuumfüller können generell mit unterschiedlichen Förderwerken ausgestattet sein. Der grundsätzliche Maschinenaufbau mit Trichter, Vakuumsystem, Zuführeinrichtung, Maschinenständer, Hebevorrichtung, Steuerung und Verschlusseinrichtung ist jedoch prinzipiell sehr ähnlich. Je nach Anwendung haben die Förderwerkstypen Vor- und Nachteile.
Schneckenförderwerk mit Förderkurven Bei einem Schneckenförderwerk bilden zwei gegenläufige Schnecken innerhalb eines Gehäuses Kammern, die bei Rotation der Schnecken in Pumprichtung bewegt werden. Das Füllgut wird hier ebenfalls mit Hilfe von Vakuum und mechanischen Zuführeinrichtungen in das Schneckenförderwerk bewegt.
Zahnradförderwerk Ein äußerer Zahnkranz wird angetrieben und dreht ein Innenzahnrad mit. Die Zahnräder bilden gegeneinander Kammersegmente. Der Kammerinhalt wird durch die Verzahnung transportiert und im Auslassbereich verdrängt und ausgestoßen.
Förderung über Hubzylinder