一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置、電源電路及控制方法與流程

本發明涉及冷殺菌技術領域，具體是一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置、電源電路及控制方法。

背景技術：

目前市場上存在著巴氏殺菌、歐姆殺菌等多種殺菌方式，這些殺菌方式主要是基于微生物對于溫度的耐受性差異，通過溫度變化達到殺菌目的。這些殺菌方式中，有的因微生物對溫度的存活溫度不同，在殺菌后會有部分殘留；有的殺菌方式因為溫度過高，導致食品的風味改變、質地變軟、色澤暗淡、維生素損失。冷殺菌技術作為一種新型的食品殺菌技術，引起越來越多的關注，并得到了較為廣泛的應用。為了彌補熱力殺菌的不足，滿足人們的需求，一些對食品品質影響小，并且可以迅速而有效的殺死存在于食品中的有害微生物、節省能源、提高食品營養和感官質量、達到產品指標要求的冷殺菌技術應運而生。目前冷殺菌技術主要有超高壓殺菌、化學殺菌、紫外線殺菌、膜過濾法殺菌、微波殺菌、生物防腐技術等。

這些殺菌方法主要存在以下不足：(1)熱力殺菌法需要對物體加熱，耗能、耗時、易破壞食品風味、形態及營養特性，并帶來副作用；(2)超高壓殺菌間歇操作，設備龐大，應用不方便，很難做到大批量處理；(3)膜過濾法成本高，膜孔易堵塞，對車間的衛生要求高；(4)紫外線穿透力弱，僅適用于空氣、水、薄層流體制品及包裝容器表面的殺菌；(5)脈沖強光能殺死大部分微生物，但只能用于食品表面的殺菌；(6)輻射法方便快捷，可先包裝后殺菌，但這種方法對人體有損害作用，應用受到了限制；(7)化學法處理后有殘留，尤其對于食品，會造成污染，已被禁止；(8)微波殺菌高效實用，但溫升高其殺菌機理仍然是熱作用；(9)臭氧法具有殺菌力強、作用時間短、殺菌徹底、無殘留等優點，但附屬設備較大、投資大、電耗大、尾氣處理不好易造成空氣污染。

高壓脈沖電場是最具工業發展前景的非熱殺菌技術之一，高壓脈沖電場的殺菌機理是利用高壓脈沖電源產生的脈沖電場進行殺菌，用瞬時、高壓處理放置在兩電極之間的冷處理食品。脈沖電場首次被證明對微生物具有破壞力是在20世紀60年代，saleandhamilton等學者率先對高壓脈沖電源殺菌技術進行了研究，他們證明電場強度達到25kv/cm會使一些細菌死亡，并且證明了脈沖殺菌作用并非電解產物也非熱力學原因，證明了該技術的非熱效應。傳統的加熱殺菌對食品營養及功能性具有一定的破壞，而能夠滿足人們對食品營養、風味、理化性質等要求的高壓脈沖電場殺菌技術備受關注。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的問題，提供一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置、電源電路及控制方法，解決現有冷殺菌技術使用不方便、殺菌效果不好、易造成污染等問題。

本發明的發明目的通過以下技術方案來實現：

一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置，該裝置包括絕緣外殼、陽極和陰極，所述絕緣外殼上設有介質入口和介質出口，所述陽極和陰極設在絕緣外殼內，陽極與陰極之間形成電極腔，從介質入口進入的介質經過電極腔后從介質出口送出，所述陽極接入高壓脈沖電源，所述陰極接地。

進一步的，所述陰極為空心柱狀體，所述陽極與陰極同軸，所述絕緣外殼包裹住陽極和陰極，所述陰極在對應介質入口和介質出口處各開一通孔。

進一步的，所述陽極包括高壓接線端和陽極本體，所述陽極本體為空心柱狀體，所述高壓接線端的一端連接陽極本體、另一端穿出絕緣外殼。

進一步的，所述陽極和陰極均由不銹鋼材質制成。

進一步的，絕緣外殼與陽極、絕緣外殼與陰極的連接處設置密封構件。

進一步的，所述介質入口設在絕緣外殼的下端，介質出口設在絕緣外殼的上端，介質入口和介質出口在絕緣外殼上豎向錯開。

一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置的電源電路，該電路包括低壓處理單元、高壓變壓器和高壓脈沖發生器，外接電源經低壓處理單元整流、逆變、調壓后送入高壓變壓器，經高壓變壓器獲得的高壓電源送入高壓脈沖發生器，經高壓脈沖發生器獲得的高壓脈沖電源送入反應裝置的陽極。

進一步的，所述高壓脈沖發生器包括整流電路、限流電阻r1、限流電阻r2、脈沖電容c1、脈沖電容c2、脈沖電容c3、開關s1和開關s2，所述整流電路的一端連接限流電阻r1、另一端連接限流電阻r2，所述脈沖電容c2與脈沖電容c3串聯后再與脈沖電容c1并聯在限流電阻r1、限流電阻r2之間，反應裝置的陽極連接在脈沖電容c2與脈沖電容c3之間，所述開關s1連接在反應裝置的陰極與限流電阻r1之間，所述開關s2連接在反應裝置的陰極與限流電阻r2之間。

一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置的控制方法，該方法包括：控制開關s1和開s2交替導通與關斷，形成平均電場強度為15kv/cm的雙極性脈沖電場，脈沖寬度為1.5μs，脈沖前沿為100ns；控制介質以設定速度通過反應裝置，以使介質經過數十個脈沖的高壓電場處理。

與現有技術相比，本發明殺菌效果好、殺菌速度快；對食物的主要指標的損傷率只有幾個百分點甚至為零；殺菌后易處理，殺菌后溫度變化小，脈沖處理后可立即進行封裝；能耗低，研究表明脈沖電場殺菌耗能為熱處理的40％；對環境無二次污染及三廢問題。

附圖說明

圖1為高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置的側面視圖；

圖2為圖1所示裝置的俯瞰視圖；

圖3為圖2所示裝置的a-a剖面圖；

圖4為圖1所示裝置的正面視圖；

圖5為圖4所示裝置的b-b剖面圖；

圖6為高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置的部分電路示意圖。

附圖標記說明：

1為電極腔，2為陰極，3為絕緣外殼，31為介質入口，32為介質出口，4為陽極，5為高壓接線端，6為接地連接端，7為密封墊片，8為陽極本體。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

本發明提供一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置，如圖1～圖6所示，由裝置本體和電源電路兩部分組成，該裝置本體包括絕緣外殼3、陽極4和陰極2。絕緣外殼3上設有介質入口31和介質出口32。陽極4和陰極2設在絕緣外殼3內，陽極4與陰極2之間形成電極腔1(即處理室)，從介質入口31進入的介質經過電極腔1后從介質出口32送出，陽極4接入高壓脈沖電源，陰極2接地。

介質入口31設在絕緣外殼3的下端，介質出口32設在絕緣外殼3的上端，介質入口31和介質出口32在絕緣外殼上豎向錯開。

絕緣外殼3與陽極4、絕緣外殼3與陰極2的連接處設置密封構件7。

本發明涉及的部件的具體說明分別如下：

(1)電極

電極陽極包括高壓接線端5和陽極本體8。陽極本體8為空心柱狀體，在本實施例中為一個細長的圓柱筒體，外徑r1為10mm，壁厚3mm，采用不銹鋼材質。高壓接線端5的一端連接陽極本體8、另一端穿出絕緣外殼3。露出外殼的高壓接線端5作為高壓線連接用。

陰極2為空心柱狀體，在本實施例中是一個與陽極同軸的不銹鋼圓環，內徑r2為17mm，壁厚3mm，陰極2的接地連接端6與高壓電源接地端連接，陰極在對應介質入口和介質出口處各開一通孔。

此同軸電極方式可以形成不均勻電場，根據資料表明不均勻電場能夠獲得更好的殺菌效果。殺菌效果的差異主要是內外電極直徑的差異造成電場分布不均勻，內電極電場強度呈輻射狀指向外電極，且內側的電場強度大于外側的電場強度。電極材料選用不銹鋼，具有高導電性，合適的線膨脹系數及高強度，電極表面光滑，以盡可能的減少電子的逸出而避免電弧放電影響處理效果。

(2)絕緣外殼

處理室必須保持本身無菌，食品加工過程中必須對容器本身進行消毒，主要采用干熱和濕熱兩種極為方便的處理方式。所以容器絕緣材料必須選用耐高溫，絕緣強度好，可塑性強，且不易分解。與食品液體不會發生化學反應的材料，所以絕緣外殼選用樹脂玻璃。絕緣外殼將同軸電極兩頭密封起來，介質在兩電極之間流動。

(3)密封墊片

在各部件連接處容易發生泄漏的地方需設置密封構件，密封構件保證介質在高流速情況下不泄漏。在此反應裝置中，處理液在絕緣外殼與電極之間連接處均有可能發生泄漏。所有的密封，均采用壓力密封。密封墊片7選擇非金屬的柔性石墨材料。

(4)進料機構

處理室內外兩電極之間形成高壓電場腔，介質由高壓水泵以設定流速快速流過處理室高壓電場腔，經高壓電場處理滅菌。

電源電路與電極處理腔的有效匹配是提高高壓脈沖電場殺菌器殺菌效率與壽命的前提，電源電路的高度集成和一體化是高壓脈沖電場殺菌器微型化的保證，因此電源電路是系統設計的關鍵。本實施例還提供一種高壓脈沖電場冷殺菌反應裝置的電源電路，如圖6所示，該電路包括低壓處理單元(圖未示)、高壓變壓器t和高壓脈沖發生器，外接電源經低壓處理單元整流、逆變、調壓后送入高壓變壓器，經高壓變壓器獲得的高壓電源送入高壓脈沖發生器，外界電源接入之后，先進入低壓處理單元處理，進行整流、逆變、調壓各環節，獲得又穩定波形的電源；低壓處理單元處理之后的電源接入高壓變壓器獲得高壓電源；高壓電源接入高壓脈沖發生器，經高壓脈沖發生器獲得的高壓脈沖電源送入反應裝置的陽極。

高壓脈沖發生器包括整流電路(由二極管d1、d2、d3、d4構成)、限流電阻r1、限流電阻r2、脈沖電容c1、脈沖電容c2、脈沖電容c3、開關s1和開關s2。整流電路的一端連接限流電阻r1、另一端連接限流電阻r2。脈沖電容c2與脈沖電容c3串聯后再與脈沖電容c1并聯在限流電阻r1、限流電阻r2之間，反應裝置的陽極連接在脈沖電容c2與脈沖電容c3之間。開關s1連接在反應裝置的陰極與限流電阻r1之間。開關s2連接在反應裝置的陰極與限流電阻r2之間。脈沖電容c1、c2、c3為自感很小、壽命較長的高壓脈沖電容器，脈沖電容c1、c2、c3的參數分別為30kv/2μf、30kv/0.25μf、30kv/0.25μf。通過開關s1、s2交替導通、關斷獲得陡前沿、窄脈寬的高壓脈沖電源，并施加于電極系統之上，脈沖電壓的幅值可以調節。開關的速度直接控制著脈沖電場的頻率，脈沖寬度，脈沖前沿等參數。此設計的特點是采用了脈沖電容c2、c3交替對電極系統放電，形成雙極性高壓脈沖電場，相較于單極性高壓脈沖電場，殺菌效率及效果更好。

本實施例中：用于高壓脈沖電場冷殺菌器的電源頻率1khz時，脈沖電容c2、c3儲能電容上施加10kv電壓，在高頻開關交替導通與關斷情況下，交替對處理室施加脈沖電壓，形成平均電場強度為15kv/cm的雙極性脈沖電場，脈沖寬度為1.5μs，脈沖前沿為100ns。以設定速度流經處理室的情況下，介質經過數十個脈沖的高壓電場處理，達到最終的殺菌效果。

介質經過高壓泵送入高壓脈沖電場處理室，較大的流速可以保證介質的處理時間極短，可以保證溫升很小，且能夠保證處理殺菌效果。高壓脈沖電源選用高頻率，窄脈沖的高品質電源，可以保證處理脈沖個數，又可以保證處理時間短的問題。

細胞和它周圍環境半透明膜屏障作用的細胞膜，在極高的電場強度的作用下喪失了不可修復的功能。研究表明殺菌率與電場強度和作用時間的對數成正比，并且，電場強度比作用時間的效果更顯著。本發明采用的脈沖電源電壓為幾十千伏級別的，并配合合理的電極結構設計，能提供滿足要求的高電場強度，以保證殺菌效果。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，應當指出的是，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。