Обнаружение утечки воздуха в упакованных продуктах: технологии, методы и отраслевое практическое руководство

1. Опасности утечки воздуха в упакованных продуктах и ​​важность ее обнаружения

   
   

Утечка воздуха из упакованных в пакеты продуктов питания — распространённая и серьёзная проблема в пищевой промышленности. Нарушение герметичности пакета приводит к газообмену между внутренней и внешней частями пакета, что приводит к окислению, появлению влаги, плесени и даже порче продукта, серьёзно влияя на качество и безопасность продукта. Для потребителей утечка может представлять опасность для здоровья, а для производителей — привести к отзыву продукции, ущербу репутации бренда и финансовым потерям.

Утечка воздуха из упаковки пищевых продуктов происходит в основном по двум причинам: плохие барьерные свойства упаковочного материала, неспособного эффективно блокировать проникновение внешнего кислорода и влаги, и ненадлежащая герметизация в процессе производства готовой упаковки, в частности, дефекты термосварки. В реальных условиях производства чрезмерная или низкая прочность термосварки, а также неравномерная прочность термосварки могут легко привести к утечке воздуха. Это особенно актуально для продуктов питания с воздухосодержащими наполнителями, таких как картофельные чипсы и воздушные продукты, где колебания содержания газа внутри пакета могут напрямую влиять на срок годности и вкусовые качества продукта.

Проведение испытаний на герметичность имеет решающее значение для пищевых компаний. Это не только ключевой элемент контроля качества, но и эффективное средство предотвращения дорогостоящих утечек. Благодаря научным исследованиям компании могут оперативно выявлять дефекты герметизации, получая ориентир для совершенствования процессов упаковки и, в конечном итоге, повышения общего качества продукции и конкурентоспособности на рынке. Современные технологии испытаний позволяют осуществлять 100%-ный контроль качества упаковки, минимизируя риск протечек при попадании продуктов на рынок.

2 основных метода тестирования и их принципы

2.1 Метод декомпрессии воды (вакуумный метод)

Метод декомпрессии водой в настоящее время является наиболее широко используемым традиционным методом испытаний, основанным, прежде всего, на национальном стандарте «GB/T 15171 Метод испытания герметичности гибких упаковок». Основной принцип этого метода заключается в погружении испытуемого образца в жидкость. При вакуумировании вакуумной камеры создается перепад давления между внутренней и внешней частями образца. Если образец протекает, внутренний газ выходит через отверстие для утечки, образуя непрерывный поток видимых пузырьков, который можно использовать для определения наличия утечки в образце и определения места утечки. Конкретный рабочий процесс включает в себя: впрыск соответствующего количества дистиллированной воды в вакуумную камеру, закрепление образца в приспособлении и полное погружение его в воду; закрытие уплотнительной крышки, закрытие выпускного клапана и запуск вакуумного насоса для вакуумирования камеры; обычно регулировка уровня вакуума до заданного значения (например, 20, 30, 50 или 90 кПа) в течение 30–60 секунд; поддержание уровня вакуума в течение 30 секунд после прекращения откачки, наблюдение за образованием постоянных пузырьков; в заключение открытие впускного клапана для восстановления давления до нормального, извлечение образца и проверка на предмет просачивания воды.

Ключевым моментом этого метода является различение непрерывных и изолированных пузырьков. Только непрерывно образующиеся пузырьки считаются признаком утечки, в то время как изолированные пузырьки могут представлять собой газ, прилипший к поверхности упаковки, и не являются утечкой. Выбор уровня вакуума следует определять с учетом характеристик образца. Чрезмерно высокая разница давлений может привести к разрыву образца или растрескиванию шва, что повлияет на точность испытания.

Несмотря на простоту и дешевизну метода подводной декомпрессии, он является разрушающим испытанием. Испытываемая продукция, как правило, не подлежит продаже. Его чувствительность к незначительным утечкам ограничена, поэтому он используется в основном для отбора проб, а не для комплексных проверок. 2.2 Метод вакуумного распада

Метод спада вакуума – это передовая неразрушающая технология обнаружения микроутечек, основанная на стандарте ASTM F2338, признанном Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в качестве консенсусного стандарта для испытаний на целостность упаковки. Принцип метода заключается в помещении образца в специально разработанную испытательную камеру, откачке воздуха для создания отрицательного давления и контроле изменения уровня вакуума в камере с помощью высокоточного датчика давления. В случае утечки в упаковке газ попадает в камеру через место утечки, вызывая изменение давления внутри камеры. Измеряя значение спада вакуума, можно определить, протекает ли образец, и даже количественно оценить скорость утечки.

По сравнению с методом декомпрессии воды метод вакуумного распада обладает значительными преимуществами: квалифицированная продукция может продолжать продаваться после неразрушающего контроля; высокая чувствительность, позволяющая обнаруживать утечки размером до 1 микрона; высокая степень автоматизации, позволяющая интегрировать метод в производственные линии для проведения поточных испытаний; и количественный результат, позволяющий не только определять наличие утечки, но и рассчитывать её размер. Эти особенности делают его особенно подходящим для требовательных отраслей пищевой и фармацевтической промышленности.

Система испытания на распад вакуума обычно состоит из вакуумного насоса, высокоточного датчика, специальной испытательной камеры и программного обеспечения для обработки данных. В ходе испытания прибор регистрирует изменения вакуума в течение заданного периода времени и использует алгоритм для анализа и определения целостности упаковки. Весь процесс испытания не требует подготовки образцов и не зависит от субъективных суждений оператора, что обеспечивает более объективные и достоверные результаты.

2.3 Технология обнаружения утечек по перепаду давления

Течеискатель с дифференциальным давлением — это ещё один прецизионный метод испытаний, основанный на национальном стандарте «GB/T25752-2010 Течеискатель с дифференциальным давлением». Этот метод использует датчик дифференциального давления в качестве чувствительного элемента для определения наличия и скорости утечки путём сравнения разницы давлений между испытываемым объектом и эталонным объектом.

Во время испытания эталонный объект (эталонный объект той же формы, материала и объёма, что и испытываемый объект, и с пренебрежимо малой утечкой) и испытываемый объект одновременно подключаются к испытательной системе. Оба объекта изначально заполнены газом под одинаковым давлением, и после выравнивания давления с помощью балансировочного клапана начинается фаза испытания. Датчик дифференциального давления непрерывно контролирует разницу давлений между испытываемым объектом и эталонным объектом. При обнаружении утечки разница давлений изменяется, и это изменение рассчитывается для определения состояния утечки.

Течеискатели дифференциального давления можно разделить на пять типов в зависимости от испытательного давления: вакуумные течеискатели (ниже атмосферного давления), микротечеискатели (0–50 кПа), течеискатели низкого давления (50–200 кПа), течеискатели среднего давления (200–700 кПа) и течеискатели высокого давления (выше 700 кПа). Такая классификация позволяет выбирать оборудование в зависимости от требований к испытательному давлению для различных видов упаковки, повышая пригодность и точность обнаружения.

Эта технология обеспечивает высокую чувствительность, а также стабильные и надежные результаты испытаний, что делает ее особенно подходящей для тестирования упаковки пищевых продуктов с высокой добавленной стоимостью, к которой предъявляются чрезвычайно строгие требования по герметизации, например, для тестирования упаковки в модифицированной газовой среде (MAP) для высококачественного сухого молока и кофейных продуктов.

2.4 Методы использования индикаторных газов и новые технологии

Для упаковки с особыми требованиями методы с использованием индикаторного газа предлагают высокочувствительные решения для обнаружения. Среди них метод с использованием индикаторного газа с диоксидом углерода, широко используемый в области упаковки в модифицированной газовой среде. Этот метод заключается в помещении упаковки, содержащей CO2, в испытательную камеру, где создаются вакуум и перепад давления. В случае утечки из упаковки датчик CO2, расположенный в камере, с высокой чувствительностью обнаружит утечку и активирует сигнал тревоги. Этот метод не требует разрушения упаковки, а проверяемый продукт остается сухим и неповрежденным, что позволяет продолжать его продажу. Он особенно подходит для внутрипоточного тестирования пищевых продуктов, упакованных в модифицированной газовой среде.

Кроме того, технология ультразвукового контроля использует характеристики ультразвука в сочетании с технологией визуализации для бесконтактного контроля герметичности гибких упаковочных пакетов. При протечке из упаковки характеристики распространения ультразвуковой волны изменяются, и анализ этих изменений позволяет определить состояние герметичности. Этот метод быстр и легко автоматизируется, но требует специального оборудования и технической поддержки.

В последние годы, благодаря технологическому прогрессу, всё большую популярность приобретают системы автоматического обнаружения утечек, производимые компанией Jinan Maotong. Эти системы, как правило, сочетают в себе несколько технологий, таких как машинное зрение и испытания под давлением, что позволяет обеспечить 100%-ную проверку упакованных продуктов питания на высокоскоростных производственных линиях. Например, некоторые современные системы обнаружения утечек и утечки воздуха способны обрабатывать до 200–400 пакетов в минуту, обеспечивая отбраковку до 99,9%, что значительно повышает эффективность производства и качество продукции.

Таблица: Сравнение методов обнаружения крупных утечек пищевых продуктов из пакетов

3. Распространенное испытательное оборудование и области применения

Оборудование для обнаружения утечек упакованных пищевых продуктов подразделяется на различные типы в зависимости от принципа действия и условий применения. Устройство для испытания герметичности MFY-CM представляет собой типичный подводный декомпрессионный испытательный стенд, состоящий из вакуумной камеры, герметичной крышки, держателя образца, вакуумного насоса и системы управления. Устройство оснащено 7-дюймовым сенсорным экраном и способно достигать уровня вакуума -90 кПа. Оно подходит для использования в таких отраслях, как производство продуктов питания, гибкой пластиковой упаковки, влажных салфеток, фармацевтической продукции и бытовой химии. Пользователи могут устанавливать уровень вакуума и время удержания в зависимости от характеристик продукта, обеспечивая стандартизированные испытания.

Для высокоточных испытаний тестер микроутечек MFY-02A использует технологию вакуумного спада и оснащен высокоточным датчиком давления (разрешение до 1 Па), способным обнаруживать утечки размером ≥1 мкм. Этот прибор подходит для испытания микроутечек в различных типах упаковки, включая флаконы, предварительно заполненные шприцы, пакеты, банки и бутылки. Время испытания составляет всего 5–30 секунд, что обеспечивает высокую эффективность и точность. Устройство оснащено 10-дюймовым сенсорным планшетным компьютером промышленного класса, обеспечивающим интеллектуальную статистику данных и многоуровневое управление разрешениями, что соответствует требованиям к прослеживаемости данных в фармацевтической и пищевой промышленности.

Тестер герметичности WM-230 — многофункциональное устройство, подходящее для мягких пакетов (например, сухого молока, сыра и кофе), полужесткой упаковки (например, охлажденного мяса, фруктовых и овощных салатов, йогурта) и жесткой упаковки (например, бутылок для напитков, бочек для масла и банок). Оснащенный высокоточным цифровым вакуумметром, прибор позволяет устанавливать заданное отрицательное давление и время его удержания, а также автоматически активирует сигнализацию давления при достижении заданного значения. Вакуумная камера изготовлена ​​из высококачественного прозрачного акрилового листа, что облегчает наблюдение за условиями испытания внутри камеры и позволяет настраивать ее под нестандартные размеры.

Что касается системы онлайн-инспекции, современное оборудование для обнаружения утечек и утечек воздуха может быть непосредственно интегрировано в производственную линию, что обеспечивает высокоскоростную автоматическую проверку. Эти устройства обычно включают в себя инспекционный конвейер, механизм обнаружения сжатия и устройство отбраковки дефектной продукции, работающие со скоростью 200-400 упаковок в минуту. Они эффективно обнаруживают и отбраковывают дефектные продукты, такие как протекающие и вздутые упаковки, что значительно повышает эффективность производства. Оборудование обеспечивает широкую совместимость и позволяет обрабатывать упаковки размером от 40×40 мм до 100×100 мм для удовлетворения разнообразных производственных потребностей.

4. Процесс и стандарты тестирования

4.1 Тестирование рабочих процедур

Стандартизированный процесс тестирования имеет решающее значение для обеспечения точности результатов. Если взять в качестве примера наиболее распространённый метод подводной декомпрессии, стандартные этапы тестирования следующие:

Подготовка образца: Случайным образом выберите упаковочные пакеты для испытания и осмотрите поверхность на чистоту и отсутствие явных дефектов. Если на поверхности упаковки есть складки или посторонние предметы, аккуратно протрите её, чтобы не мешать наблюдению. Подготовка оборудования: Заполните вакуумную камеру необходимым количеством дистиллированной воды, убедившись, что уровень воды немного превышает высоту размещения образца. Проверьте целостность уплотнителя вакуумной камеры и герметичность крышки.

Размещение образца: закрепите образец в специальном приспособлении и полностью погрузите его в воду. При этом расстояние между верхней частью образца и поверхностью воды должно составлять не менее 25 мм для обеспечения достаточного давления воды и облегчения наблюдения за пузырьками.

Откачка: Закройте крышку вакуумной камеры, закройте выпускной клапан и откройте вакуумный клапан, чтобы начать откачку. Процесс откачки обычно занимает 30–60 секунд и останавливается по достижении желаемого уровня вакуума (например, от -30 до -90 кПа).

Наблюдение за давлением: Поддерживайте необходимый уровень вакуума в течение 30 секунд, внимательно наблюдая за образованием непрерывных пузырьков на поверхности образца. Обратите внимание, что отдельные пузырьки могут быть вызваны газом, скопившимся на поверхности упаковки, и не должны считаться утечками.

Восстановление давления: Откройте впускной клапан для выхода воздуха из вакуумной камеры в атмосферу. После восстановления давления откройте крышку. Оценка результата: Извлеките образец, протрите поверхность и осмотрите внутреннюю часть упаковки на предмет попадания воды. Если во время вакуумирования и удержания давления не образуются непрерывные пузырьки, а вода не просачивается в упаковку, образец считается герметичным.

4.2 Стандарты и спецификации испытаний

Испытания на герметичность упакованных пищевых продуктов должны соответствовать действующим национальным и отраслевым стандартам для обеспечения единообразных и сопоставимых результатов. GB/T 15171 «Метод испытаний герметичности гибких упаковок» является основным стандартом в Китае для испытаний герметичности гибких упаковок. В нём подробно описаны испытательная аппаратура, условия испытаний и методы оценки результатов для метода водной декомпрессии. Этот стандарт применим к герметичным гибким упаковкам из различных материалов и является наиболее распространённым методом испытаний на пищевых предприятиях.

ASTM D3078, «Стандартный метод испытаний на герметичность гибких упаковок методом пузырьков», — международный стандарт, разработанный Американским обществом по испытаниям и материалам. Он также использует метод пузырьков, обеспечивая унифицированный метод испытаний для международной торговли. Для высокоточных испытаний ASTM F2338, метод спада вакуума, признан Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в качестве консенсусного стандарта для испытаний на целостность упаковки. Помимо стандартов методов испытаний, важнейшее значение имеют также стандарты на соответствующие приборы. Стандарт GB/T25752, «Датчик утечки по дифференциальному давлению», устанавливает технические требования, методы испытаний и правила проверки для течеискателей по дифференциальному давлению, обеспечивающих надежную работу. Стандарт GB/T31473, «Датчик утечки галогенных газов», устанавливает технические требования к течеискателям галогенных газов. Хотя этот метод испытаний реже применяется в пищевой промышленности, он по-прежнему применяется для некоторых специализированных упаковочных материалов.

Компании должны выбрать соответствующие стандарты испытаний на основе характеристик продукта и требований клиентов, а также установить внутренние процедуры контроля качества, включая частоту отбора проб, настройки параметров испытаний и критерии приемки, чтобы сформировать систематическую систему мониторинга утечек.

5. Выбор метода тестирования и перспективы отрасли

5.1 Как выбрать подходящий метод тестирования

При выборе метода обнаружения утечек для упакованных продуктов следует учитывать несколько факторов:

Характеристики продукта и тип упаковки: Для надувной упаковки, такой как воздушные продукты питания, метод подводной декомпрессии более экономически эффективен. Для продуктов с высокой добавленной стоимостью или упаковки в модифицированной газовой среде более подходит метод спада вакуума или метод дифференциального давления. Цель испытаний: Для быстрого и полного контроля производственной линии следует выбирать неразрушающие методы (например, метод спада вакуума). Только для отбора проб для контроля качества метод подводной декомпрессии может быть более экономичным.

Требования к чувствительности: Для продуктов со строгими требованиями к следовым утечкам (например, для упаковки медицинских приборов) требуются высокочувствительные методы (например, метод вакуумного распада или метод с использованием индикаторного газа). Для упаковки обычных пищевых продуктов могут быть достаточными традиционные методы подводной декомпрессии.

Производительность и эффективность: Высокоскоростные производственные линии требуют систем онлайн-инспекции, таких как автоматические системы отслеживания экструзии или системы онлайн-сброса вакуума. В мелкосерийном производстве или лабораторных условиях можно использовать настольное инспекционное оборудование.

Бюджет затрат: Подводное декомпрессионное оборудование стоит относительно недорого, но затраты на рабочую силу высоки. Современное инспекционное оборудование требует больших первоначальных инвестиций, но обеспечивает низкие долгосрочные эксплуатационные расходы и высокую эффективность.

5.2 Тенденции и перспективы развития отрасли

Технологии обнаружения утечек упакованных пищевых продуктов развиваются в сторону интеллектуальных, автоматизированных и высокоточных функций. С развитием концепции «Индустрия 4.0» всё большую популярность будут приобретать онлайн-системы автоматического обнаружения утечек, обеспечивающие 100%-ную проверку вместо случайной выборки. Полная интеграция данных испытаний с корпоративными системами качества обеспечит мониторинг и превентивный контроль качества в режиме реального времени.

В будущем технологии испытаний будут уделять больше внимания неразрушающему контролю, что позволит сократить количество отходов и улучшить контроль качества продукции. Область применения методов неразрушающего контроля, таких как вакуумный анализ, будет расширяться и может стать основной технологией для испытаний пищевой упаковки. Более того, с развитием сенсорных технологий и искусственного интеллекта точность и эффективность испытаний будут продолжать расти, а возможности выявления небольших утечек будут расширяться.

Кроме того, стандартизация и регуляризация также являются важными тенденциями в развитии отрасли. В связи с растущим вниманием к безопасности пищевых продуктов в стране соответствующие стандарты тестирования будут продолжать совершенствоваться, предоставляя компаниям чёткие технические рекомендации. Развитие услуг по независимому тестированию также поможет малым и средним предприятиям пищевой промышленности улучшить контроль качества упаковки и будет способствовать общему повышению качества в отрасли.

Таким образом, обнаружение утечки воздуха в упакованных пищевых продуктах является важным шагом в обеспечении безопасности и качества пищевых продуктов. Компании должны научно выбирать методы тестирования, исходя из характеристик своей продукции и производственных потребностей, а также создавать систематическую систему контроля качества, чтобы получить преимущество в рыночной конкуренции и предоставить потребителям безопасные и надежные пищевые продукты.