CN101766828A - 一种微波灭菌固态物料的方法及其管式装置 - Google Patents

Abstract

一种微波连续加热灭菌固态物料的方法及其装置。采用多级微波连续加热含水固态物料产生水蒸汽，在对蒸汽封闭的管道中形成0.1017Mpa－1.0015Mpa之间的蒸汽压力，蒸汽压力优选在0.2063Mpa－0.3653Mpa之间；用液压或气压推杆，以可控制方式连续脉动式进料、用弹簧密封阀，以可控制方式连续出料，使管式微波连续加热灭菌固态物料的装置带压运行，将固态物料用微波加热到工艺灭菌温度120℃以上，物料的热解或焦化温度以下，实现含水固态物料的连续灭菌处理。本发明广泛应用于食品、酿造、果品加工、中草药提取及有机肥料生产领域。

Description

一种微波灭菌固态物料的方法及其管式装置

技术领域

一种微波灭菌固态物料的方法及其管式装置涉及生物工程、化工、食品和环境工程中，微波连续加热灭菌固态物料的技术领域。

背景技术

在食品、制药、农副产品加工、酿造、有机废物处理、固态发酵、化工、制造业等诸多领域，经常会遇到固态物料的加热与灭菌处理问题。颗粒、粉粒状等含水固态物料采用微波加热及灭菌与传统的蒸汽加热及灭菌相比，可以明显缩短灭菌时间，具有设备简单、能耗低、容易操作和容易实现自动化的许多优点，不存在环境污染问题。而微波处理各类含水固态物料时，需要加压才能使物料的的温度达到120℃以上，才能达到杀灭细菌芽胞的温度。目前受现有设备制作材料强度、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、电磁特性等的影响与限制，在加热与灭菌处理要求较高或相关工艺较为复杂的情况下，现有技术方法有一定的局限性。

发明内容

针对固态物料加热灭菌处理要求较高或相关工艺较为复杂的情况下，现有微波灭菌技术方法有一定的局限性。本发明提出了一种微波灭菌固态物料的方法及其管式装置。

本发明的目的在于提供一种微波连续加热灭菌固态物料的方法及其装置，用多级微波连续加热含水固态物料产生水蒸汽，在对蒸汽封闭的管道中形成0.1017Mpa--1.0015Mpa之间的蒸汽压力，蒸汽压力优选在0.2063Mpa--0.3653Mpa之间；用液压或气压推杆，以可控制方式连续脉动式进料、用弹簧密封阀，以可控制方式连续出料，使管式微波连续加热灭菌固态物料的装置带压运行，将固态物料用微波加热到工艺灭菌温度120℃以上，物料的热解或焦化温度以下，实现含水固态物料的连续灭菌处理。

本发明具体提供的管式微波连续加热灭菌固态物料装置由带压固态物料输送系统和微波加热系统及自动控制系统组成。其中，带压固态物料输送系统由进料口、液压或气压缸及推杆、压力站、输料管、弹簧密封阀、出料口组成；加热系统主要由数组微波炉分级加热组成；控制系统主要由安装在微波加热室之间的压力与温度传感器及相关控制装置组成，控制模式视相关企业对生产工艺要求的不同，可以采用简单方式，也可以采用工业微机编程控制。

固态物料的推进力由液压或气压缸及推杆提供，在液压或气压推杆的推动下固态物料由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，固态物料加热灭菌处理量由液压或气压推杆的推进行程长度和往复频率控制；出料端与弹簧密封阀连接，通过密封口压力的调节，可以在控制物料的连续出料量同时保证输料管中有足够的蒸汽压力和灭菌温度。

固态物料在输料管内的推进过程中，由于输料管壁摩擦力的存在，形成了对物料的挤压力，在管壁的摩擦力相对恒定时，挤压力的大小与液压或气压推杆的推力和输料管的长度及出料端弹簧密封阀的阻力(绝对值)成正比，物料所受的挤压力可以通过输料管的长度、出料端弹簧密封阀的阻力及液压或气压缸推杆的推力进行可控调节。

固态物料在输料管中受到足够挤压力后，被压实物料的气密性增强，在微波加热过程中会在输料管的特定区域形成0.1017Mpa--1.0015Mpa之间的蒸汽压力，使物料被加热到120℃以上，物料的热解或焦化温度以下，使固态物料在输料管内的推进过程中被连续加热灭菌。固态物料灭菌后被推出输料管的出料口后，固态物料所受压力骤然消失，这一过程对固态物料有膨爆处理效果，这对固态发酵物料而言有利于物料消化率的提高。整个固态物料的灭菌过程可以控制在较短时间内完成，是一种较好的“高短法”灭菌技术，在实际操作中，可采用热水、导热油对固态物料进行预热，以减少微波加热的电费成本，整个灭菌过程与现有方法相比，将十分经济。由于该方法简化了传统灭菌工艺，没有环境污染或能明显降低环境污染，其推广应用的前景十分乐观。

单根输料管两端经套丝后，可用管箍相互连接成长管，长度视加热灭菌工艺的要求确定。长管可以转向，在转向时应注意弯头必须圆滑，不能有死角。弯度不能太小、太多，否侧会过度加大物料推进阻力。

本发明采用耐压、耐热、微波通透率高的工程材料制备输料管。通常采用聚四氟乙烯、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢制备或上述复合材料制备。制备飞机雷达罩的材料是制备输料管的最好材料，但制作工艺一般要求较高且价格昂贵，在一定程度上限制了该类材料的应用。性价比较好的材料首推聚四氟乙烯，为了将该设备用于食品工业，可以用钢化玻璃管对聚四氟乙烯制备的输料管进行内衬，输料管伸出在微波加热室外的其他部分可以采用不锈钢、铝合金、钢铁等金属材料制作。

微波加热室一般根据所需微波的功率、固态物料的微波吸收特征及加热效果设计，一般设计成圆柱体、立方体或多面体，也可以由多个微波加热谐振腔串联使用，具体的微波加热室设计由相关工艺参数决定。此外加热室必须能够长时间连续工作，其功率可以在线准确调节。

为了使固态物料在加热室中被微波较均匀加热，在采用圆柱形微波谐振腔的微波炉时，最好在三等分圆周点上安装三个功率和相关参数一致的磁控管；在采用方形谐振腔的微波炉时，最好能使微波炉旋转；或者将方形谐振腔的微波炉按等分圆周的方位角，旋转固定安装一组或多组微波炉；例如，采用4个微波炉按4等分圆周的90°角旋转固定安装，6个微波炉按6等分圆周的60°角旋转固定安装，……以此类推，使得固态物料在通过微波加热室时能被类似旋转微波场较为均匀的加热。

微波加热要分级进行，通常分成三级，分别为预热级段、主加热灭菌级段、保温保压级段。也可以根据被加热灭菌的固态物料性质及相关工艺要求，增减预热级段或保温保压级段，将固态物料的微波加热灭菌工艺过程分成多级进行，以适应一些特殊的工艺过程要求；微波加热分级后，温度传感器和压力传感器安放在级与级之间，这样既可以有效避免微波干扰温度传感器和压力传感器正常使用，也可以对整个装置的加热灭菌处理过程进行在线控制，并在装置的内部温度和压力出现异常时及时启动安全保护。

被加热灭菌后的固态物料一般要及时冷却，可以通过热交换装置将固态物料冷却到工艺要求的温度，被加热的冷却剂(如导热油、水、空气等)可用来预热需加热灭菌的固态物料，或用于生产过程中的保温，这样能够大幅降低能量的无效损耗，提高能量的有效利用率。

附图说明

图1是管式微波连续加热灭菌固态物料装置示意图。

图1中：

1-压力站；2-压力管；3-液压缸(或气压缸)；4-进料口；5-推杆；6-输料管；7-预热微波炉；8-第一温度传感器；9-第一压力传感器；10-主加热微波炉；11-第二温度传感器；12-管箍；13-第二压力传感器；14-支架；15-控制柜；16-保温微波炉；17-第三温度传感器；18-出料口；19-弹簧密封阀。

图2是弹簧密封阀示意图。

图2中：

20-压力调节手轮；21-压力调节螺杆；22-弹簧密封阀体；23-弹簧压紧挡板；24-弹簧；25-O型密封圈；26-弹簧密封销；27-螺纹连接；28-输料管；29-出料口；30-手轮固定螺母。

具体实施方式

下面，举实施例说明本发明，但是，本发明并不局限于下述的实施例。

实施例一：

管式微波连续加热灭菌固态物料装置由带压固态物料输送系统和微波加热系统及自动控制系统组成。其中，固态物料输送系统由液压或气压压力站(1)、压力管(2)、液压缸或气压缸(3)、进料口(4)、推杆(5)、输料管(6)、出料口(18)、弹簧密封阀(19)、组成；加热系统主要由数组分级加热微波炉，预热微波炉(7)、主加热微波炉(10)、保温加热微波炉(16)组成；控制系统主要由安装在微波加热室之间的第一温度传感器(8)、第一压力传感器(9)、第二温度传感器(11)、第二压力传感器(13)、第三温度传感器(17)及相关控制装置(15)组成，控制模式视相关企业对生产工艺要求的不同，可以采用简单方式，也可以采用工业微机编程控制。

固态物料的推进力由液压或气压缸及推杆提供，在推杆的推动下固态物料由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，固态物料加热灭菌处理量由液压或气压推杆的推进行程长度和往复频率控制，出料端与弹簧密封阀连接，通过密封口压力的调节，可以在控制物料的连续出料量的同时保证输料管内有足够的蒸汽压力和灭菌温度。

微波加热要分级进行，通常分成三级，分别为预热级段、主加热灭菌级段、保温保压级段。也可以根据被加热灭菌的固态物料性质及相关工艺要求，增减预热级段或保温保压级段，将固态物料的微波加热灭菌工艺过程分成多级进行，以适应一些特殊的工艺过程要求，也可以采用热水、高温导热油对固态物料进行预热，以减少微波加热的电费成本。微波加热分级后，温度传感器和压力传感器安放在级与级之间，这样既可以有效避免微波干扰温度传感器和压力传感器正常使用，也可以对整个装置的加热灭菌处理过程进行在线控制，并在装置的内部温度和压力出现异常时及时启动安全保护系统。

被加热灭菌后的固态物料一般要及时冷却，可以通过热交换装置将固态物料冷却到工艺要求的温度，被加热的冷却剂(如导热油、水等)可用来预热需加热灭菌的固态物料，或用于生产过程中的保温，这样能够大幅降低能量的无效损耗，提高能量的有效利用率。

以上过程利用温度和压力传感器在线进行工艺参数监测，采用液压缸或气压缸及推杆和弹簧密封阀实现装置可控制的带压运行，通过微型计算机在线控制微波加热功率和物料推进速率，容易实现自动化连续操作和固态物料微波连续加热灭菌处理。

实施例二：

在固态发酵生产红曲、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、柠檬酸、乙醇、乳酸、赤霉素、维生素、酱油、食醋、白酒、蛋白饲料、b.t制剂、食用菌等的生产过程中，固态发酵用的培养基需要进行灭菌处理。采用本发明，将需灭菌处理的固态物料由管式微波连续加热灭菌固态物料装置进料口(4)加入，经由推杆(5)推入输料管(6)。固态物料在推杆的推动下由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，固态物料加热灭菌处理量由推进速率控制，出料端与弹簧密封阀连接，可以在控制物料的连续出料量的同时保证输料管中有足够的灭菌温度。固态物料在输料管中行进时，经微波加热室(7)、(10)、(16)被加热灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度调节，杀菌温度视物料性质及灭菌工艺要求选择在120℃-140℃的范围，带压蒸汽的工作压力一般选择在0.2063Mpa-0.3653Mpa之间，灭菌处理时间1-30分钟。被加热灭菌后的固态物料排出后，立即经过冷却，固态物料的整个加热灭菌过程结束。利用该工艺可以实现对上述发酵料的灭菌处理，容易达到相关工艺要求。该方法与传统蒸汽灭菌工艺相比，灭菌时间短，对物料的营养成分破坏程度小，同时可以不需要蒸汽锅炉，明显地简化了处理设备、降低了运行成本及管理成本、减少了对环境的污染与影响，容易实现自动化操作，具有实际应用价值。

实施例三：

采用本发明，在中草药有效成分提取过程中，如白藜芦醇、人参皂甙、麻黄素、甘草酸、紫草素等的提取时，先将原料草粉进行喷水预湿后放置5～30分钟，喷水量根椐相关提取工艺而定，喷水预湿可以使草粉经微波处理时被快速加热，同时也使草粉组织结构被微波破损处理。

将需微波处理的中草药药粉固态物料由进料口(4)经推杆(5)推入输料管(6)，在推杆的推动下固态物料由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，处理温度和处理时间可由微波加热功率和物料推进速度调节，蒸汽的工作压力一般选择在0.020Mpa-0.365Mpa之间，时间0.1-10分钟。被处理后的中草药药粉通过弹簧密封阀从出料口排出。

经以上高温瞬间微波处理，能使中草药有效成分的提取率有显著的提高。除此之外，该方法在植物色素、香精、激素、等有效成分的提取时，对提取率同样有显著的提高。

实施例四：

在有机肥生产领域，通常采用建堆发酵腐熟的生产工艺，所生产的有机肥中难免残存有害微生物和有害小动物，蒸汽灭菌法由于需要锅炉等大型设备，蒸汽灭菌法工艺实施难度较大；采用本发明，将需消毒或灭菌处理的有机肥产品(固态物料)由进料口(4)经由推杆(5)推入输料管(6)，固态物料加热灭菌处理量由推进速率控制，出料端与弹簧密封阀连接，可以在控制物料的连续出料量的同时保证输料管内有足够的灭菌温度。固态物料在输料管中行进时，经微波加热室(7)、(10)、(16)被加热灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度调节，杀菌温度视物料性质及灭菌工艺要求选择在120℃-140℃的范围，物料所产生蒸汽的工作压力一般选择在0.2063Mpa-0.3653Mpa之间，时间1-60分钟。被加热灭菌后的固态物料排出后，立即经过冷却，固态物料的整个加热灭菌过程结束。

对有机肥产品进行消毒灭菌处理，可提高堆肥的堆制质量，可杀灭料堆中的有害微生物及害虫，确保腐熟的有机肥达到国家规定的相关卫生标准，这类有机肥除常规使用外，更适宜用于家庭、宾馆、餐厅的观赏花卉栽培。

实施例五：

在各类浓缩果酱、番茄酱、胡萝卜酱、糖浆的加热灭菌处理过程中，采用本发明，将需灭菌处理的物料由管式微波连续加热灭菌固态物料装置进料口(4)加入，经推杆(5)推入输料管(6)，固态物料在推杆的推动下由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，固态物料加热灭菌处理量由推进速率控制，出料端与弹簧密封阀连接，可以在控制物料的连续出料量的同时保证输料管中有足够的灭菌温度。固态物料在输料管中行进时，经微波加热室(7)、(10)、(16)被加热灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度调节，杀菌温度视物料性质及灭菌工艺要求选择在120℃-140℃的范围，物料所产生蒸汽的工作压力一般选择在0.2063Mpa-0.3653Mpa之间，灭菌处理时间1-30分钟。被加热灭菌后的固态物料排出后，立即经过冷却，固态物料的整个加热灭菌过程结束。利用该工艺可以实现对上述物料的灭菌处理，容易达到相关灭菌工艺要求。

Claims (10)

1.一种利用管式装置采用微波连续加热灭菌固态物料的方法，该方法采用多级微波连续加热含水固态物料产生水蒸汽，在对蒸汽封闭的管道中形成0.1017Mpa——1.0015Mpa之间的蒸汽压力，蒸汽工作压力优选在0.2063Mpa——0.3653Mpa的范围；用液压或气压推杆，以可控制方式连续脉动式进料、用弹簧密封阀，以可控制方式连续出料，使管式微波连续加热灭菌固态物料的装置带压运行，将固态物料用微波加热到工艺灭菌温度120℃以上，物料的热解或焦化温度以下，实现含水固态物料的连续灭菌处理。

2.根据权利要求1所述的管式微波连续加热灭菌固态物料装置，其特征在于：该装置由带压固态物料输送系统和微波加热系统及自动控制系统组成；其中，带压固态物料输送系统由进料口、液压或气压缸及推杆、压力站、输料管、弹簧密封阀、出料口组成；加热系统由数组微波炉分级加热组成；控制系统由安装在微波加热室之间的压力与温度传感器及其控制装置组成。

3.根据权利要求1所述的一种利用管式装置采用微波连续加热灭菌固态物料的方法，其特征在于：固态物料的推进力由液压或气压缸及推杆提供，在液压或气压推杆的推动下固态物料由进料口进入输料管并被推进运行至出料口，固态物料加热灭菌处理量由液压或气压推杆的推进行程长度和往复频率控制；出料端与弹簧密封阀连接，通过密封口压力的调节，在控制物料的连续出料量的同时保证输料管内有足够的蒸汽压力和灭菌温度。

4.根据权利要求2所述的管式微波连续加热灭菌固态物料装置，其特征在于，所述的输料管采用耐压、耐热、微波通透率高的飞机雷达罩材料、聚四氟乙烯、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢、或用所述材料复合制备；输料管用于食品、药品原料加热灭菌时，用钢化玻璃管进行内衬；输料管伸出在微波加热室外的其他部分允许用不锈钢、铝合金、钢铁材料制做。

5.根据权利要求2所述的管式微波连续加热灭菌固态物料装置，其特征在于，所述微波加热要分3级进行，分别为预热级段、主加热灭菌级段、保温级段，根据被加热灭菌的固态物料性质及相关工艺要求，增减预热级段或保温保压级段；微波加热分级后，温度传感器和压力传感器安放在级与级之间，对整个装置的加热灭菌处理过程进行在线控制，并在装置的内部温度和压力出现异常时及时启动安全保护。

6.根据权利要求2所述的管式微波连续加热灭菌固态物料装置，其特征在于：所述的微波炉用圆柱形微波谐振腔时，要在三等分圆周点上安装三个功率和相关参数一致的磁控管；所述的微波炉用方形谐振腔时，要使微波炉旋转；或者将数个加热性能一致的方形谐振腔的微波炉按等分圆周的方位角，旋转固定安装一组或多组，例如，用4个微波炉按4等分圆周的90°角旋转固定安装，6个微波炉按6等分圆周的60°角旋转固定安装，……以此类推，使得固态物料在通过微波加热室时能被类似旋转微波场均匀的加热。

7.根据权利要求2所述的管式微波连续加热灭菌固态物料装置，其特征在于，所述输料管两端经套丝后，可用管箍相互连接成长管，长度视加热灭菌工艺的要求确定；长管可以转向，在转向时，弯头必须圆滑，不能有死角，弯度不能太小、太多。

8.根据权利要求1一种利用管式装置采用微波连续加热灭菌固态物料的方法，在固态发酵生产红曲、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、柠檬酸、乙醇、乳酸、赤霉素、维生素、酱油、食醋、白酒、蛋白饲料、Bt制剂、食用菌、有机肥的生产过程中培养基和产品进行灭菌处理中应用。

9.根据权利要求1一种利用管式装置采用微波连续加热灭菌固态物料的方法，在白藜芦醇、人参皂甙、麻黄素、甘草酸、紫草素中草药有效成分提取过程中的应用。

10.根据权利要求1一种利用管式装置采用微波连续加热灭菌固态物料的方法，在浓缩果酱、番茄酱、胡萝卜酱、糖浆的加热灭菌处理过程中的应用。

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