2/ Les machines d`embouteillage (suite) 2.2 Les

Gilles MORVAN – http://gmorvan.wordpress.com
2/ Les machines d’embouteillage (suite)
2.2 Les remplisseuses ou doseuses
Si les bouteilles, cannettes ou gobelets sont stockés ou livrés, une rinceuse en amont de la remplisseuse est
obligatoire.
Les remplisseuses sont des machines linéaires à 1 ou plusieurs couloirs pour les cadences faibles à
moyennement élevées. Pour les cadences élevées, les remplisseuses sont rotatives en continue avec un
carrousel dont le nombre de becs peut varier de 4 à plus de 100.
Le choix de la remplisseuse s’effectue selon les critères principaux:
- La cadence de production à atteindre selon me volume de la bouteille
- La technologie de remplissage ou le type de bec (voir ci-dessous)
- Le pas de la machine, c'est-à-dire la distance entre 2 becs de remplissage qui détermine le plus petit et
le plus grand diamètre de bouteille possible pour la circulation dans la machine.
D’autres critères sont importants (cf. cdc remplisseuse) comme l’encombrement, la maintenabilité, le
pilotage et la traçabilité du remplissage, en particulier en milieu aseptique.
Le soutirage pourra être protégé par un caisson de surpression d’air stérile ou une salle blanche
Pour toutes les remplisseuses, il est important d’avoir des temps de remplissage optimisés et un dosage
précis. Une bonne régulation du niveau de produit dans la cuve (hauteur de charge) est donc primordiale. En
effet, il faut éviter les grandes variations de hauteur de charge de produit dans la cuve car la vitesse
d’écoulement du liquide à travers les becs de remplissage va varier d’autant et donc la précision du dosage.
On parle ainsi de « queue de chute », la quantité de liquide entre la sortie du bec de la machine et l’arrivée
dans la bouteille, varie en fonction de la vitesse d’écoulement :
débit du bec = vitesse d’écoulement variable selon la hauteur de charge dans la cuve x section fixe du bec
L’arrivée du produit à doser se fait par un tube inox avec une « vanne produit » à fermeture rapide tout ou
rien, de type vanne à clapet inox avec siège téflon (éviter les vannes à boule trop lentes et les vannes papillon
moins nettoyables à cause de la portée de joint). Cette vanne d’arrivée de produit est généralement pilotée par
de l’air comprimé et elle est normalement fermée par un ressort pour éviter un débordement en cas de
coupure d’air comprimé.
Si la machine est rotative, le carrousel est alimenté par un « joint tournant » qui met en relation la tuyauterie
d’alimentation fixe avec la cuve en rotation. Ce joint tournant est une pièce délicate pour l’étanchéité et la
maintenance car les lavages en température et les produits de nettoyage sollicitent les joints.
Dans la cuve, une régulation de niveau permet de détecter un manque de produit (cuve vide), une hauteur de
charge en production à réguler en ouvrant et fermant la vanne de produit et un niveau d’alarme trop haut pour
éviter le débordement.
Pour détecter un niveau, plusieurs techniques sont possibles :
Voir le livre
« GUIDE PRATIQUE TECHNIQUE
POUR UN PROJET AGRO ALIMENTAIRE, COSMETIQUE,
ou PHARMACEUTIQUE »
AUTEUR GILLES MORVAN
Sur certains types de machines, la cuve peut fonctionner en étant pleine de liquide et la régulation de la
charge se fait par un « ballon » intermédiaire au dessus équipé de sa sonde.
Sur d’autres types de machines, la cuve peut être saturée d’azote dans la partie supérieure (le volume libre de
la cuve pleine de liquide) et c’est la pression d’azote qui régule la poussée le temps de remplissage.
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Pour les bouteilles en verre qui ont des variations dimensionnelles, la bouteille devra être maintenue par le
col et le corps tout le long de sa circulation dans la remplisseuse avec des systèmes de compensation à
ressorts.
Par contre pour les bouteilles en PET dont les dimensions du col sont constantes, elles sont maintenues
uniquement par le goulot, ce qui supprime les pièces de changement de formats par exemple lors du passage
½ litre au 1,5 litre.
Cinématique d’une machine linéaire. Exemple pour le remplissage de gobelets
cadence maximum 6000 bph
La machine déroule les opérations sur le récipient par séquence avec un arrêt pour chaque opération.
L’opération la plus longue (généralement le remplissage) détermine la cadence de production de la machine.
1/ Dépileur de gobelets et rinçage par buses d’eau stérile
2/ Retourneur
3/ Remplissage débitmétrique
4/ Bobine de film avec bac de traitement
5/ Poinçon de prédécoupe de la capsule
6/ Découpe finale de la capsule et sellage sur le gobelet
7/ Thermo-sellage final de la capsule
8/ Evacuation du gobelet rempli et sellé sur une table de sortie inox
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Cinématique d’une machine rotative avec carrousels
Cette machine peut être monobloc en intégrant en amont de la remplisseuse une rinceuse et en aval un
carrousel de bouchage :
Cinématique d’une remplisseuse seule : Etoile d’entrée, carrousel de dosage, étoile de sortie
1 carrousel au diamètre de circulation de 1080 mm avec 24 becs de dosage donne un pas (distance entre 2
axes de bec) de : Pi x diamètre 1080 = pas de 141 mm.
Ceci déterminera le diamètre maximum de l’emballage admis par ce type de carrousel.
Cinématique d’une remplisseuse boucheuse : Etoile d’entrée, carrousel de dosage, étoile de tranfert, carrousel
de bouchage et étoile de sortie
Note : Il existe aussi des machines 3 axes : Rinceuse de bouteilles/ doseuse / boucheuse
1/ Convoyeur d’arrivée des bouteilles dont la vitesse linéaire est 10% supérieur à celle du carrousel pour
générer une poussée des bouteilles vers la vis d’entrée.
2/ Vis de synchronisation des bouteilles pour les mettre au pas de la machine. Pour les vis à section carré, une
double vis en face à face doit être prévue pour bien les séparer ; Pour les bouteilles très hautes, une double vis
verticale doit être prévue.
3/ Un portillon d’entrée situé sur le coté du convoyeur juste avant la vis d’entrée et constitué d’un bras
pivotant ou d’une étoile bloquante, permet de contrôler l’entrée des bouteilles dans la remplisseuse. Il se
ferme :
- sur pilotage de l’opérateur par exemple en fin de production
- sur demande automatique de la cellule de détection des bouteilles amont pour générer une
accumulation de bouteilles vide suffisante pour une bonne poussée dans la vis d’entrée.
- Sur demande automatique de la cellule de détection des bouteilles pleines en sortie si la longueur de
convoyeur pour purger la remplisseuse est insuffisante à cause d’une remontée de l’accumulation due
à un arrêt étiqueteuse.
Le système convoyeur d’entrée, portillon et vis de synchronisation doit être réglable en hauteur en cas de
circulation par le goulot et de changement de format de bouteilles de différentes hauteurs (2 types de
bouteilles PET)
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4/ L’étoile d’entrée, débrayable en cas de bourrage de bouteille ; Elle transfère les bouteilles sur le carrousel
de remplissage.
5/ Le carrousel de remplissage : le nombre de becs multiplié par le pas machine donne le diamètre de
circulation. Par exemple 30 becs au pas de 113 mm donne une circonférence de 30x113= 3391 mm, soit un
diamètre de 1080 mm
Le carrousel a une vitesse de rotation suffisante pour que le débit des becs permette un remplissage de la
bouteille dans l’angle de remplissage disponible entre l’étoile d’entrée et l’étoile de sortie.
Une cellule de détection des bouteilles avant l’entrée sur le carrousel permet d’autoriser l’ouverture du bec de
remplissage. Si il n’y a pas de bouteille (creux dans la file), le bec ne doit pas s’ouvrir.
L’axe du carrousel est une pièce complexe car il doit permettre une montée et une descente de la cuve pour
s’adapter à la hauteur de la bouteille s’il n’y a pas de circulation par le goulot (cas des bouteilles en verre).
Cet axe supporte aussi la cuve pleine avec son joint tournant et un collecteur électrique multipiste qui
transmet les signaux des sondes de niveau de la cuve ou de mesure des becs à l’automate.
L’accès sous cet axe de carrousel est important pour la maintenance et explique le choix de certains
techniciens d’avoir une machine haute avec un plan de circulation des bouteilles (hauteur de chaine de
convoyeur) à 1200 mm par rapport au sol.
Temps de remplissage moyens sur machines à clapets commandés
Volume
cm3
250
500
1000
1500
2000
3000
5000
10000
20000
Diamètre
intérieur
goulot
21
21
21
28
30
30
32
45
45
Eau
2,0 s
2,5 s
4,0 s
4,5 s
5,0 s
7,0 s
11,0 s
12,0 s
23,0 s
Produits
Peu
moussant
2,5 s
3,0 s
4,8 s
5,5 s
6,0 s
8,4 s
13,0 s
14,0 s
28,0 s
Viscosité en Cpo
Moussants
100 à 500
500 à 1000
3,2 s
4,0 s
6,5 s
7,5 s
8,0 s
11,0 s
17,0 s
18,0 s
34,0 s
2,0 s
2,5 s
4,0 s
4,5 s
5,0 s
7,0 s
12,0 s
13,0 s
26,0 s
2,0 s
2,5 s
3,5 s
3,8 s
4,0 s
6,0 s
10,0 s
11,0 s
20,0 s
Valeurs indicatives et variant selon chaque constructeur, pour des produits homogènes et sans pulpe dans des
emballages ayant au moins 5% de la capacité en marge de sécurité.
Voir en annexe : Exemple de tableau de cadences calculées par les constructeurs de soutireuses :
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6/ L’étoile de sortie du carrousel doit elle aussi être débrayable et elle transfère les bouteilles remplies vers le
carrousel de bouchage ou directement vers le convoyeur d’évacuation par exemple pour des flacons en verre
que l’on doit fermer avec un bouchon Twist off.
La vis d’entrée, les étoiles et les carrousels sont entrainés et synchronisés par un train de pignons et motorisés
par 1 moteur électrique avec son réducteur. Ce réducteur doit être équipé d’un disque de débrayage (système
billes- ressort ou magnétique) en cas de blocage par une bouteille d’un des éléments entrainés.
7/ Le convoyeur de sortie peut être court puis repris par une série de convoyeur ou poumons.
Il est important de bien considérer la fonction purge de la remplisseuse, en particulier pour le remplissage à
chaud ou aseptique ou gazeux ou avec un azotage avant bouchage. Car une bouteille remplie doit être
bouchée très rapidement. Il est donc important lors d’une demande d’arrêt machine par la fermeture du
portillon d’entrée (hors arrêt d’urgence) de calculer le nombre de bouteilles qu’il faut finir de remplir et sortir
pour terminer le cycle et donc avoir la bonne longueur de convoyeur de sortie.
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a/ Remplissage à froid & technologie
Le soutirage par niveau constant est la technologie la plus utilisée car très robuste et peu chère.
Principe de fonctionnement : La bouteille vide est positionnée sur une sellette. Cette sellette monte puis elle
descend en suivant le parcours d’une came. En montant, le goulot de la bouteille vient s’appuyer sur le joint
d’étanchéité du bec de remplissage et ouvre le bec pour l’écoulement par compression d’un ressort. Lors de
la montée, la bouteille est pénétrée par une canule (tube inox) au centre du bec dont la longueur correspond à
la hauteur de dégarni souhaité pour le niveau haut de liquide dans la bouteille. Le liquide de la cuve s’écoule
ainsi dans la bouteille puis remonte par la canule pour être réinjectée dans un bac de reprise ou directement
dans la cuve de la soutireuse, selon la nature du produit à conditionner et sa température.
Les produits à pulpes ou fibres trop longues peuvent poser problème sur ce type de bec de remplissage. Pour
les produits sensibles à la contamination bactérienne, ce type de technologie doit aussi être évité, car il est
préférable d’utiliser des becs tout inox sans joint (voir ci-dessous).
Schéma de principe
.
La débitmétrie est une technologie en fort développement.
Avantages : La machine est simplifiée mécaniquement car il n’y a pas de montée de bouteilles avec des
sellettes et pas contact avec la bouteille pour éviter des risques de contamination. Les becs (ou robinets) sont
tout inox sans joint à fermeture magnétique et sans canule pour éviter la recirculation ou la perte de produit.
Un système électronique de mesure de la dose permet une traçabilité à la
bouteille sur ordinateur.
Il existe 2 types de débitmètre : le volumique pour les liquides
conducteur électriquement et le massique en cas de non conductivité.
Le massique est plus cher que le volumique. Dans les 2 cas, la précision
est excellente, de l’ordre de 0,5% de la consigne.
Inconvénient : Cette technologie est souvent un peu plus chère à l’achat
que le niveau constant ou le volumétrique.
L’électronique prend place dans la machine et impose un minimum de
connaissances à l’équipe de maintenance. Ceci dit, il en est de même avec
les autres machines de la ligne : souffleuse et étiqueteuse.
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Le dosage pondéral, est une technologie adapté aux produits à fortes valeur ajoutée car le dosage est très
précis, de l’ordre de 0,5% de la consigne. Les becs sont souvent tout inox et sans contact avec la bouteille, ce
qui limite les risques d’une contamination.
Cette technologie est aussi intéressante pour les produits moussants.
Le dosage pondéral est intéressant car il permet de faire un tarage de la bouteille vide avant remplissage pour
augmenter la précision, en particulier pour les bouteilles en verre dont la variation de poids due au moulage
est réelle.
L’électronique associée au balances permet d’avoir une traçabilité complète pour les dossiers qualité et de
suivi de production. Le logiciel développé pour faire la mesure de poids et contrôler l’ouverture et la
fermeture du bec, doit prendre en compte :
- une correction de la force de Coriolis due à la rotation de la machine qui influe la pesée et donc la précision
de dosage.
- une correction statistique de la « queue de chute », c'est-à-dire la quantité de produit en train de s’écouler
entre le bec et le niveau dans la bouteille et qui finalement pèsera dans la bouteille remplie.
Bec avec O/F
Queue de chute
Bouteille
Platine balance
Le dosage volumétrique, est une technique simple et toute mécanique. Le principe est celui d’un piston, ou
une seringue, qui aspire une dose dans la cuve supérieure de la machine et la ré-injecte dans la bouteille par
un clapet de sortie. Une came plus ou moins inclinée par des manivelles ou un moteur électrique permet de
régler cette dose. La maintenance est importante pour les jeux de galets et les joints de pistons. Le système
permet d’avoir des canules pour le remplissage par le fond, en particulier pour les produits visqueux qui
peuvent faire des strates dans le récipient rempli et transparent.
Il faut aussi faire attention à la variation de volume avec la température car le volume injecter peut varier par
exemple lorsque le process est froid le matin puis chaud en fin de journée.
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b/ Remplissage à chaud & technologie
L’avantage du remplissage à chaud est qu’il stérilise le contenu et le contenant, c'est-à-dire par transfert
thermique du jus chaud, généralement à 85°C, sur l’intérieur de la bouteille et du bouchon.
Attention en remplissage à chaud, le volume du jus est plus élevé que le volume à froid. C’est un avantage
pour stériliser le haut de la bouteille et diminuer le taux d’oxygène dans le volume libre de la bouteille ;
cependant, le volume total de la bouteille doit être calculé pour éviter tout débordement.
Les technologies disponibles pour le remplissage à chaud sont :
- le niveau contant par canule avec recyclage du jus dans un bac réchauffeur
- la débitmétrie
- le dosage pondéral
Dans tous les cas, la cuve doit être calorifugée.
Le remplissage volumique par piston à chaud est possible, en particulier pour les produits visqueux, mais
évité pour les produits liquides à cause de la sensibilité aux variations de température lors de la répétabilité
des doses.
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La réception technique d’une remplisseuse
Lors de la réception technique, il sera important de vérifier les points suivants , de préférence chez le
fabricant en usine avant livraison :
- Conformité de tous les points du cahier des charges lié à la commande : voir annexe ‘Cahier des
charges machine’
- Suivre le parcours de la bouteille et observer tous les organes de la machine
- La vis d’entrée a-t-elle du faux rond ? Est elle réglable en position pour ajuster la pression sur la
bouteille ? Est elle débrayable en cas de bouteille couchée ? Le passage des bouteilles de la vis à
l’étoile d’entrée est elle sans à coup à petite et à grande vitesse ?
- Etoile débrayable
- Les cellules accumulation minimum et maximum sur le convoyeur d’entrée sont elles avec
suffisament de câble pour permettre un réglage en usine ?
- Si une bouteille manque dans la vis d’entrée (possible en accumulation minimum), que se passe t’il
sur le dosage et le bouchage ? Provoquer cet évènement en enlevant une bouteille dans la vis d’entrée.
- L’accéssibilité au codeur et synchro machine est il possible ? Comment se fait le comptage de
bouteille et de vitesse (moyenne ou instantanée ?)
- Les étoiles entrée et sortie sont elles débrayables et la sensibilité est elle réglable aisement ?
- Provoquer des arrêts de machine (portes, arrêt d’urgence, cellule aval), le dosage et le bouchage des
bouteilles en cours est il correct ?
- Vérifier la possibilité de nettoyage de la cuve sans zone de rétention ainsi que la possibilité de régler
la hauteur de charge de produit dans la cuve.
Il est possible de faire un test des zones nettoyées avec la procédure suivante :
voir livre « GUIDE PRATIQUE TECHNIQUE
POUR UN PROJET AGRO ALIMENTAIRE, COSMETIQUE, PHARMACEUTIQUE »
AUTEUR GILLES MORVAN
-
Fiabilité joint tournant pour son entretien et sa possibilité de nettoyage
Le changement de format diamètre hauteur minimum et maximum acceptable sur la machine et sa
plage de réglage.
Tester un arrêt d’urgence et une ouverture de porte de sécurité ou de trappe pour vérifier la procédure
de redémarrage
Tester des bouteilles avec des couleurs différentes ou de légères variantes sur la nuance pour vérifier
la sensibilité des cellules de détection.
Faire tourner la machine au moins 20 minutes et écouter la mécanique continue
Vérifier les câblages électriques et pneumatiques et les composants conforment aux schémas fournis
avec la machine
Vérifier dans la notice le calendrier horaire de maintenance et la description des pièces de
maintenance.
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ANNEXE
Exemple de tableau des cadences d’une remplisseuse
Bouteilles en PET de 100 cl, diamètre de goulot 21 mm
Produit
Spécificité du Temps de Production
bec
remplissage
bph
Eau plate
Eau plate
Eau plate
Eau plate
Eau plate
Eau plate
Eau plate
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
Sans perte d'eau
5,4
5,4
5,4
5,4
5,4
5,4
5,4
Eau gazeuse
Eau gazeuse
Eau gazeuse
Eau gazeuse
Eau gazeuse
Eau gazeuse
Mixte
Mixte
Mixte
Mixte
Mixte
Mixte
7,8
7,8
7,8
7,8
7,8
7,8
Cadences en bph (bouteilles par heure)
Temps de remplissage par bouteille en seconde
Production
théorique
Pas
mm
Angle de
travail
Nbre de
becs
Nbre de
Nbre de
becs morts becs utiles
7 100
9 800
12 400
16 700
15 000
19 300
17 600
7 541
10 395
13 151
17 584
15 862
20 403
18 551
125,70
125,70
125,70
100,50
125,70
100,50
125,70
204
234
254
271
268
275
278
20
24
28
35
32
40
36
8,6
8,4
8,2
8,7
8,2
9,5
8,2
10,7
14,7
18,6
25,1
22,5
29,0
26,4
3 900
5 500
7 200
8 300
9 900
12 300
4 120
5 869
7 585
8 746
10 470
13 037
157,10
157,10
157,10
125,70
125,70
125,70
211
238
256
255
267
281
20
24
28
32
36
42
8,3
8,2
8,2
9,5
9,4
9,4
8,5
11,9
15,6
18,0
21,5
26,7