Das Prinzip der Wägetechnik für Vollautomatisches Abfüllen von Flüssigkeiten

Verpackungsprozesse laufen in vielen Branchen automatisiert ab. Da­­bei gibt es unterschiedliche Methoden, um am Ende des Prozes­ses die exakt gewünschte Menge eines Produkts in der entsprechen­den Ver­packung zu haben: Sortieren für Stückgüter, Dosieren für Schüttgüter und Füllen für Flüssigkeiten. Die Herausforderung bei allen Verfahren: In der Verpackung muss sich die angegebene Menge des Produkts befinden. Ist die Füllmenge etwa in Flaschen zu niedrig, ist das ein Verstoß gegen die EU-Fertigpackungsrichtlinie 76/211/ewg und die deutsche Fertigpa­ckungsverordnung (§22 FPackV). Diese legen fest, um wie viel Prozent die angegebene Mindestfüllmenge pro Pro­duktions­charge unterschritten werden darf. „Fehlverhalten“ kann hier zu Strafen bis zur Produktions­schließung führen.

Deshalb überschreiten Hersteller bei der Produktion oftmals die Min­dest­menge in der Verpackung. Doch diese Sicherheitsüberfüllung kann kost­spielig sein: Ein chinesischer Milch­produzent etwa füllt rund 100.000 Flaschen Kokosmilch pro Tag ab. Indem er die Sicherheits­überfüllung der einzelnen Flaschen dank neuer exakter Wägetechnik um wenige Gramm reduzierte, sparte das Unternehmen mehrere Mil­lionen Euro pro Jahr. Hersteller von kompletten Abfüllanlagen sollten deshalb Systeme anbieten, die Füllmengen hoch präzise messen und eine Überfüllung so gering wie möglich halten.

Speziell für Flüssigkeiten haben sich unterschiedliche Methoden zur Füllmengen-Messung entwickelt. Nicht jedes Verfahren ist für alle Flüs­sigkeiten geeignet – und auch bei der Präzision gibt es erhebliche Unterschiede. Alle Produktionsprozesse haben jedoch eines gemein: Flüssigkeiten strömen nie mit gleichmäßigem Druck durch die Rohr­leitungen der Abfüll­maschine. Die Dichte kann etwa aufgrund von in der Flüssigkeit enthaltenen Bläschen, Temperatur- oder Rezeptur­änderungen schwanken. Des­halb reicht es nicht aus, die kor­rekte Füllmenge anhand der Zeit zu bestimmen.

Es gibt vier gängige Methoden zur Füllmengen-Messung:

Ein Verfahren, das auf die Füllhöhe in der Flasche abzielt, ist die Pegel­sonden-Methode. Dabei wird eine Pegelsonde in die Flaschen­öffnung eingeführt und die Flasche so lange befüllt, bis der Flüssig­keitsstand die Sonde erreicht. Geeignet sind dafür nur Produkte mit elektrischer Leitfähigkeit, also Flüssigkeiten mit einem Mindestsalz­gehalt. Pflanzen- oder Mineralöle etwa enthalten zu wenig Salz. Das Pegel­sonden-Verfahren ist das ungenaueste Mess­ver­fah­ren, mit einer großen Ergebnisstreuung bei der Bestimmung der Füllmenge, denn das Behältervolumen – besonders von Glasflaschen – schwankt erheblich. Des­halb kommen Pegel­son­den fast ausschließ­lich bei güns­tigen und leitfähigen Produkten zum Einsatz. Ein weiterer ent­schei­dender Nachteil: Die Sonde kommt mit dem Produkt in Berühr­ung, trägt also einen Teil des Produkts von Flasche zu Flasche weiter – deshalb ist diese Messmethode für hygienisches Abfüllen ungeeignet.

Ideal ist Füllmengen-Messung per Pegelsonde für isoba­risches Füllen, wenn in der Rohrleitung und in der Flasche die gleichen Druckver­hältnisse von zum Beispiel drei Bar bei der Bierabfüllung herrschen müssen. Carbonierte – also kohlen­säure­haltige – Flüssig­keiten benötigen eine solche Umgebung, sonst verlieren sie ihren Kohlensäuregehalt. Zudem ermöglicht diese Methode, einen optisch gleichen Füllstand bei der Befüllung von Ge­trän­kekästen zu erzeugen – ein wichtiges, vom Kunden gewün­sch­tes Kriterium insbesondere bei der Abfüllung von Bier oder Mineral­wasser.

Die Durchfluss-Messung erfasst die Menge an Flüssigkeit, die durch das Abfüllventil strömt. Hier wird das Volumen der Flüssigkeit in der Flasche mittels eines magnetisch-induktiven Verfahrens gemessen. Dabei teilt ein Magnetfeld die Ionen der durchströmenden Flüssigkeit, so dass an den Messelektroden eine Spannung entsteht. Diese Span­nung lässt sich messen und daraus der Volumendurchfluss berechnen. Das Verfahren eignet sich nur für leitfähige Flüssigkeiten. Zudem muss die Füllmaschine auf jede Flüssig­keit einzeln kalibriert werden, weil jedes Produkt unterschiedlich viele Ionen enthält.

Die Massestrom-Messung macht sich das Prinzip der Corioliskraft zunutze. Hier fließt die Flüssigkeit durch zwei zum Schwingen ange­regte Rohre in die Flasche, wobei die an dem Rohrpaar wirkende Corioliskraft eine Phasenverschiebung dieser Schwingung erzeugt. Damit lässt sich errechnen, welche Masse an Flüssigkeit durch die Rohre geflossen ist. Diese Methode ist auch für nicht-leitende Flüssigkeiten geeignet. Sie ist jedoch sehr teuer in der Anschaffung, denn sie erfordert einen hohen Kalibrier­aufwand während der Sensorfertigung.

Wägefüllen ist ein Füllverfahren, das für nahezu jede Flüssigkeit geeignet ist – unabhängig von Leitfähigkeit, Feststoffgehalt und Fließgeschwindigkeit. Mit Wägefüllen lassen sich Inhaltsmengen äußerst präzise bestimmen. Kostspielige Sicherheitsüberfüllungen können damit auf ein Minimum reduziert werden. Speziell bei hochwertigen Produkten wie Kosmetika oder Ölen sind so erhebliche Einsparungen möglich. Auch bei Produkteigenschaften, die den Abfüllprozess erschweren, wie hohe Viskosität oder ein hoher Feststoffanteil in der Flüssigkeit, bietet das gravimetrische Messprinzip mittels Wägezelle eine deutlich höhere Ergebnissicherheit als andere Messmethoden.

Wer die steigende Nachfrage nach Aseptik-Fillern bedienen will, hat nur noch die Wahl zwischen der Massestrom-Messung und dem gravimetrischen Wägefüllen. Im direkten Vergleich bietet das gravimetrische Messprinzip entscheidende Vorteile: Aufgrund höherer Hygiene ist es die einfachste Art, ohne Pasteurisierung kaltaseptisch abzufüllen. Zudem ist Wägefüllen deutlich präziser und günstiger als die Massestrom-Messung. Für Hersteller von Abfüllanlagen ist gravimetrisches Wägefüllen somit das ideale Prinzip, um wettbewerbsfähige Filler-Systeme zu entwickeln.