CN102648042A - 使用微波辐射用于处理流体的设备 - Google Patents

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Abstract

一种使用微波辐射用于处理流体流的设备，所述设备包含：具有侧壁和限定大体上为圆柱形的室的相反的第一和第二端壁的容器，所述第一端壁设置为相隔第二端壁一预定的距离d1；用于使流体流动通过的管线，所述管线通过第一端壁朝向容器的第二端壁，所述室和所述管线大体上共轴，并且所述管线大体上可穿透微波辐射；和在容器的侧壁中的微波辐射入口，用于允许波长λ的微波辐射进入室，其中所述距离d1大体上等于λ/2的整数倍，因此所述室为微波共振器。

Description

使用微波辐射用于处理流体的设备
技术领域
本发明涉及一种用于处理流体、浆料、半固体和悬浮液的微波设备和方法。所述处理包括例如加热、熔融、灭菌、巴氏杀菌、蒸煮、刺激化学反应和分馏。
背景技术
使用微波辐射用于处理、灭菌和巴氏杀菌流体的设备和方法为已知的。典型地，这些涉及难以制造和构造并且昂贵的复杂的元件，通常需要波导管和辐射能量的高能源，如在RU2087084中举例说明的。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种使用微波辐射用于处理流体流的设备，所述设备包含：具有侧壁和限定大体上圆柱形室的相反的第一和第二端壁的容器，所述第一端壁设置为相隔第二端壁一预定的距离d1；用于使流体流动通过的管线，所述管线通过第一端壁朝向容器的第二端壁，所述室和所述管线大体上共轴，并且所述管线大体上可穿透微波辐射；和在容器的侧壁中的微波辐射入口，用于允许波长λ的微波辐射进入室，其中所述距离d1大体上等于λ/2的整数倍，因此所述室为微波共振器。
本发明的设备提供了一种将微波辐射能量从微波辐射源转移至待处理的流体的高度有效的装置。
术语“处理”、“处理”、“使用微波辐射处理”及其相关形式可包括热处理、非热处理，并且包括蒸煮、巴氏杀菌、灭菌、凝结、分馏和生物分子和/或其他分子物类(如病毒和/或原生动物)的部分或大体上完全失活或破坏中的任一种。
本发明的微波辐射处理关于蛋白质流体(例如血液和牛奶)特别有效。所述处理可导致蛋白质流体的某些组分的分馏或破坏。
对于给定的微波辐射源，典型地为磁控管，具有给定的操作频率，得到的微波辐射的波长(λ)在一定程度上取决于共振器室及其内含物的参数。因此，例如，虽然2.45GHz磁控管在真空中可提供具有λ＝12.2cms的微波辐射，典型地在本发明的设备的室中，得到具有λ＝13.0cms左右的微波辐射。
容器室提供的微波共振器的效率对在容器的相反的端壁之间的距离d1敏感，灵敏度取决于d1相应于λ/2的倍数。该效率对d1的偏差非常高度地敏感，低至λ/2的±1％，但是对d1的偏差明显地不太敏感，高达λ(＝2×λ/2)的±10％。此外，效率随着λ/2的倍数的提高而降低。λ的倍数越大，则设备变得越笨重。因此，期望d1是λ/2的1-3倍，有利地为λ/2的1或2倍。最优选d1大体上等于λ(＝2×λ/2)。
比起长度d1，容器室的内径d2不是那么关键。然而，期望选择所述直径d2不大于2λ并且不小于0.6λ。期望地，d2为1-2λ。
容器室壁应通常为导电材料或涂有导电材料，期望地，具有高导电性的金属，优选不锈钢、铜、铝、黄铜等。方便地，室壁为镀银或镀金。通常选择材料使得从所述容器室的内部微波辐射的泄漏或通过容器室壁微波辐射的吸收最小化。
任何方便的微波辐射源可用于本发明。可使用标准市售可得的磁控管，例如用于微波蒸煮设备的。这些广泛可得，相对廉价并且可容易地结合到本发明的设备。这种磁控管典型地产生频率为2.3-2.7GHz的微波，例如约2.45GHz或2.6GHz(相应于典型地在室中提供微波辐射的波长(λ)为13.04-11.11cms，例如，约12.24或11.54cms)。
通过所述容器室的侧壁，经由微波辐射入口，将微波辐射引入到容器室内。优选微波辐射入口相对于室(d1)的纵向范围偏离中心，期望地，所处位置是在该位置沿着中心纵轴的微波能量水平是最大能量水平的30-60％，有利地40-50％。在端壁之间的实际的位置当然取决于d1和λ之间的关系。当时，则合适的位置原则上为从上游端壁到下游端壁d1的10-15％、30-35％、55-60％或75-80％中的任何位置。但是，最优选微波辐射入口在d1的75-80％。
设置微波辐射入口较接近第二(下游)端壁，流体朝向该第二(下游)端壁流动，在沿着供应最大微波能量的管线达到该点之前，当将流体部分处理时，为流动通过管线的待处理的流体提供更逐步的处理和加热。
当流体存在于管线中时，通常不需要为微波辐射源提供保护，这有助于显著降低制造成本和设备的复杂性。然而，如果需要，可使用防止微波能量显著反射返回源的保护，在这种情况下，也可使用微波辐射入口的其他位置，而没有破坏源的风险。合适的保护装置通常为本领域公知的，并且典型地包括铁素体元件，将其设置为在从磁控管延伸的波导管上充当微波非返回阀。
可使用设备的各种不同的定向，包括例如，具有水平的管线取向的设备和具有垂直的管线取向的设备。通常优选后者，这是由于具有垂直的管线取向的设备使气泡在室的内部被捕集的风险显著地最小化，气泡在室的内部被捕集可能导致对微波辐射源的破坏。然而，也可使用其他排列，例如，具有倾斜的管线。当使用水平取向的管线时，可提供合适的气泡-捕集装置，其各种实例为流体处理领域中众所周知的。例如，管线的下游端可与管子流体连通，该管子的出口在比设备高的高度。提到室的侧壁和端壁相对于在室内管线的排列，而与设备的定向无关。
合适的磁控管微波辐射源通常具有从磁控管的主要主体向外延伸的通常为圆柱形棒的触角，经由该磁控管发射微波辐射。容器室被形成并排列，用于与微波辐射源连接，以形成大体上微波辐射泄漏保护连接。微波辐射源的主体可设置在室侧壁的背部，使得通常长度的触角从微波辐射源的主体延伸朝向并进入容器室。相对于室侧壁和管线，设备的性质对触角的远侧和近侧端的位置相对敏感。
触角的远侧(自由)端可设置在与室侧壁小于或等于λ/4并大于或等于3λ/16的预定的突出距离d3。当d3：λ比率偏离该优选的比率时，由于微波反射返回自身，其可导致破坏磁控管，存在向磁控管提高的传热。这种不期望的能量转移也导致流动流体不太有效的处理。期望地，d3在λ/5的+/-10％内。
还已通过实验发现设备的性质对沿着室的长度d1触角与室的端壁的位置敏感。这些距离称为d4和d5，其中d4为触角与一个端壁的距离，d5为触角与另一个端壁的距离，d4和d5等于d1。
在一个优选的方面，本发明提供了一种包含本发明的流体处理设备的流体处理设备，所述流体处理设备提供有与所述微波辐射入口连接的微波辐射源。
所述设备可提供有用于感测待处理的流体温度的温度感测和监控装置。合适的温度传感器包括，但不限于电阻温度计、热电偶等。这种温度传感器可与可改变提供的微波辐射的强度的微波辐射源控制连接，或者，更方便地，与流体流控制器(例如可变流速泵、流动限制阀等)连接，以防止流体过热。当要处理热敏流体(例如生物学流体、血液、血浆、牛奶等)时，这一点是重要的，并且需要避免流体过热，例如，以防止流体内含物固化或凝结等。这种流体控制在某些应用中也是重要的，使得在这些参数是关键的情况下，能够精确控制温度和暴露时间，例如蒸煮、巴氏杀菌、灭菌、分馏或控制化学反应。
本发明的优点在于，通过微波辐射提供的加热的非接触性质通常提供了流体流局部过热的显著降低的风险，特别是在管线的内壁上。
所述管线优选大体上为微波辐射-可穿透的材料，其不吸收微波能量至任何显著的程度。优选这种材料的介电常数为2-4。合适的材料包括石英、聚乙烯，并优选PTFE(聚四氟乙烯)。
管线壁可具有任何方便的厚度，但是应足够强以承受待通过管线泵送的流体所施加的压力。总的来说，管线的壁厚度为3-10mm，典型地5-8mm。这种管线可在其自身上充当介电触角，以允许微波通过管线材料传播，直至它们被管线中的流体吸收。
由于微波辐射能量提高流动通过管线的流体的温度，流体的介电常数下降并且微波辐射渗透提高。结果是，在管线中心(即，沿着中心纵轴)的流体经受更强烈的处理。有利地，在管线内提供了静态或动态混合机装置，以提高在管线的径向内区域和径向外区域之间的流体流的处理的均匀性。
为了进一步提高微波辐射被流动流体的吸收，所述设备可具有预热装置。这种预热器可具有多种形式，包括基于流体接触的电阻加热元件，换热器等。借助传导由换热流体提供热量通过换热元件，基于其他种类的辐射的能源，例如辐射能量或对流加热器。总的来说，期望进行预热，使得达到流体温度。这对于提高微波能量进入流体的渗透是有利的，由此提高处理过程的效率。当使用预热器时，应小心以避免流体局部过热，以避免凝结等。例如当加热血液时，不应超过40℃的温度。用于冷却磁控管的冷却介质以及可能的其他元件可用作用于预热流体的热源。
可提供泵用于驱动待加热的流体通过管线。多种不同的泵是合适的，包括，但不限于齿轮泵、往复活塞和圆筒型泵、叶轮泵、隔板泵、蠕动泵、以及当作为泵操作的容积式装置、渐进腔泵等。
设备可以具有多个串联互连的本发明的单个设备的模件形式提供，使得流体流可从连续模件的相应的微波辐射源经受微波照射。这样具有以下优点：对于给定的流速能实现更长的处理停留时间，同时保持高流速和/或最佳单个微波处理设备模件结构。在该连接中，连续模件的管线的下-流和上-流端可互连，使得能够大体上不间断经过的流体的流动。作为进一步替代，可并联连接多个模件。
优选地，管线外径d6≥λ/π。例如，当使用λ约等于13cm的微波时，d6优选为41mm-65mm，最优选45mm-50mm，以限制互连模件的微波辐射源的相互作用。通过使容器室互连，当流动通过管线时，流动通过管线的流体可在多个容器室中序贯处理。通过提高连接的容器室的数量，流体的流速可提高，由此促进较大流体体积的处理。可在单个模件之间引入间隔装置，以对于任何给定数量的处理模件，提高管线长度。通过改变处理模件的数量，对于任何给定的温度，流体的保留时间可变化。
可在装置的出口提供压力控制系统，以使得装置中的压力变化。这可有助于促进受到管线材料的物理性质和构造限制的多种处理参数。
当多个容器室互连时，可能存在微波渗透进入相邻的容器室。已发现，当优选的管线外径d6也小于λ/2并且室的端壁为围绕管线的隔膜形式时，在容器室之间微波渗透的发生率降低。典型地，隔膜为金属，例如金、铜或黄铜。也可使用不锈钢作为替代物，但是其可能不太有效。网眼金属也是合适的。然而，这通常比片材金属更昂贵。
优选在容器室的内部和管线的外部之间的环形空间的厚度(d7)(即，d2-d6)等于λ/2±1％。
取决于待处理的流体和通过的微波的渗透，选择管线的内径d8具有合适的尺寸。微波渗透越大，则d8可越大，同时在管线的中心仍提供对流体的有效处理。例如，已知微波可渗透通过约10-12mm水，而在血液中，它们可进一步渗透，当血液的温度提高时，渗透提高。热的血液的渗透上限水平看起来是约15mm。发现具有30mm-32mm内径d8的管线在用于处理血液的设备中是合适的。
本发明人发现，设备的元件的尺寸d1-d8的值可典型地根据以下方法来确定。室的内径d2基于容易得到的标准管子确定，其为适当的尺寸，以提供具有实用的尺寸的设备，并且满足优选的范围不小于0.6λ并且不大于2λ。随后选择管子。如上所述，这使得内径d8适合待处理的流体，而落入优选的范围的外径λ/π≥d6＜λ/2。
d1值通常根据选择的λ/2的倍数预先确定，其余的尺寸d3和d4(因此d5)可容易地通过实验确定。典型地如下进行：对于不同的d3和d4值，通过测量在1分钟时间内经处理的流体和磁控管的温度的提高，期望的值提高，该期望的值为提供最大流体温度和最小磁控管温度的那些。当反射返回磁控管的微波能量的量最小化并因此不被流体吸收时，这种排列提供用于加热流体的最有效的条件。
在本发明其他方面，提供一种使用微波辐射处理流体的方法，所述方法包括以下步骤：提供本发明的流体处理设备；和使所述流体的流通过所述设备的管线，同时使其经受来自所述设备的微波辐射源的微波辐射。
流体流动通过设备的速率可按需变化，这取决于各种因素，例如管线容量、可接受的流体背压、所需的处理强度、保留时间、处理温度、供应的微波辐射能量、流体供应温度、流体性质例如悬浮的固体含量、介电常数、传导率水平、微波渗透、混合程度等。总的来说，合适的流速可通过简单的尝试错误法容易地确定。在至少一些情况下，方便地，通过简单地调节流速使得设备(无论是单室设备或多室模件设备)的下游端实现预定的温度水平，可得到合适的流速。因此，例如，为了使生物学废物流体(例如血液)灭菌的目的，优选控制流速，使得实现在大气压下流体温度为至少98℃。
可提供搅拌装置，使得当流体流动通过设备时，搅拌流体。这样降低了管线由于残余的或凝结的残余物在管线中累积而被堵塞的可能性，并通过降低清洁系统所需的时间而促进设备的维修。当设备操作时，搅拌装置降低“热斑”累积的发生。特别简单和方便的搅拌装置包括细长的棒，例如3-4mm不锈钢棒，或螺旋金属线或金属棒，其沿着管线的长度在中心延伸，并且在一端与旋转驱动装置(方便地，电动机)驱动连接。优选金属线或棒应被具有适当内径的PTFE管覆盖和/或保护。
在稠厚的液体(如血液)中，搅拌装置最好安装在轮毂的一侧，使得搅拌设计与管线壁0.5mm的距离。取决于流体的性质，若干搅拌装置可成对排列在轮毂的相反的侧。旋转速度是关键的，并且取决于待处理的流体和处理的目的。在高蛋白质液体(如血液)的情况下，2800rpm的速度最佳。对于其他液体和应用，最佳速度可通过尝试-错误法确定。
流体在旋转设计之上的流动方向是重要的。通常，当流体粘稠时，流速相对高(17升/分钟)或存在大量的大的悬浮的固体，最好使液体流动远离旋转设计。可通过在处理室的下流端设置旋转单元来实现这一点。当流速低(低于17升/分钟)并且液体粘稠不含大的悬浮的固体时，最好使流体朝向旋转单元流动。可通过在处理室的上游端设置旋转单元来实现这一点。
在某些情况下，特别是当流体非常粘稠并且悬浮的固体的含量高时，有利的是以规则的间隔改变旋转的方向，以确保固体材料在旋转设计上不存在累积。在血液的情况下，这种间隔为10分钟。
取决于待处理的流体的类型和处理温度，可需要将搅拌设计涂布有合适的材料，以避免流体或其组分粘着。这种合适的材料为，但不限于，PTFE和PEEK。在这种情况下，可最好将搅拌设计插入由合适的材料制成的管中。这种管可具有与搅拌设计的外径相同的内径。当使用这种方法时，连接搅拌设计与旋转方法的轮毂应构造成为两半，使得其可用作夹子，以同时将搅拌设计以及其外壳连接到旋转设计。在某些应用中，当搅拌装置的速度低时，可使用备选的材料来有利地替代不锈钢棒或金属丝。这种材料应大体上微波辐射可穿透，并且不应吸收微波能量至任何大的程度。优选这种材料的介电常数为2-4。这种材料包括但不限于，PTFE(聚四氟乙烯)和PEEK(聚醚醚酮)。由这些材料制成的棒的直径通常大于由不锈钢制成的它们的等价物的直径。
多种多样的流体、乳液、悬浮液、在液体中携带的半固体和固体可借助本发明的装置来处理，用于各种目的。因此，在食品行业中使用和加工的许多流体(例如牛奶、血液、果汁、酿酒产物和脂肪)可进行灭菌、巴氏杀菌、蒸煮或熔融。能被流体携带的许多固体(如稻米、碎屑、机械回收的肉)可进行灭菌、巴氏杀菌或蒸煮。许多高蛋白流体特别是生物学流体材料例如体液，包括血液、血浆、淋巴流体以及食品和饮料行业废物中的一种或多种，可通过凝结和/或灭菌来分馏，使得它们可接受地排放至公共下水道或任何其他简单装置。含有若干反应物的流体可经过处理，以增强反应时间和收率。
附图说明
由参考附图举例说明的以下实施例和详细说明，可理解本发明的其他优选的特征和优点，其中：
图1为通过流体处理设备的示意性截面图；
图2为另一种多模件流体处理设备的示意图；
图3为血液废物处理系统的示意性表示；
图4为血液废物处理系统的更详细的表示，和
图5为又一种多模件流体处理设备的示意图。
具体实施方式
图1显示流体处理设备1，其包含具有第一上游端壁3和相反的相隔距离为d1的第二下游端壁4的容器2，和限定为内径d2的大体上圆柱形的室6的侧壁5。由于不锈钢相对廉价和实用，容器的壁为不锈钢的，但是也可使用其他金属，例如金、铜或黄铜，在壁处降低微波能量损失。
磁控管7与侧壁的管状入口8连接，通过该管状入口8磁控管7的触角9延伸进入室6的内部。通过焊接使侧壁入口8与磁控管7的主体11的前面大体上平的面10连接，在容器2和磁控管7之间形成大体上的微波辐射泄漏防护密封。
相对于相互端壁间隔距离d1，磁控管7在偏离中心的位置与容器2连接，使得大体上平行于容器的端壁3，4延伸的触角9在与第一端壁3的距离d4＝10.5cm，并且与容器2的第二端壁4的距离d5＝2.5cm。距离d5可容易地通过实验确定，使得触角9大致位于沿着容器的长度在驻波电场的最大点和最小点之间的中间点。磁控管7的微波输出频率为约2.45GHz，功率输出为1400W，并在室中产生波长(λ)＝约13cm的微波。微波辐射从触角9发射至室6内。触角9的远侧端13突出与室6的侧壁5距离d3。设备的各种或多或少关键的尺寸与波长的关系各自如下：
Figure BDA00001742904200091
Figure BDA00001742904200092
Figure BDA00001742904200093
容器2具有管线14，该管线延伸进入并通过容器2的室6从第一端壁3朝向容器2的第二端壁4。管线14大体上共轴并与圆柱形室6同心。容器端壁3，4由金属(例如铜或黄铜)形成。管线15的壁为PTFE(其大体上可穿透微波辐射)。微波辐射通过管线壁15进入管线16的内部。管线14具有d6≥λ/π(约48mm)的外径和约30mm的内径d8。
待通过设备1处理的流体17以箭头所示的方向流动通过管线14，从容器2的第一端壁3朝向容器2的第二端壁4，并且当其通过管线16的内部通过室6时，经受微波辐射。
在容器室中共振的微波辐射导致改变沿着在容器室的第一和第二端壁之间的管线的纵轴提供的辐射的输入功率水平。当容器室直径d2与长度d1的比率为1-2时，可得到大体上有角度地均匀的能量值。在这种条件下和当微波辐射沿着在容器室的第一和第二端壁之间的管线轴的长度在优选的位置进入容器室时，共振微波辐射在容器室的第一端壁和第二端壁之间的一个或多个位置具有最大强度(取决于d1相应于多少个λ/2单位)，并且在容器端壁具有最小微波强度(并且在最大值之间存在两个或更多个)。
对于图1的设备，共振微波辐射的能量以通常的正弦方式沿着管线14的中心纵轴逐步提高，从在容器2的第一端壁3的最小值到在与容器2的第一端壁3分离的相互-端壁的约25％的最大值。当在75％处提高至另一最大值之前，能量随后降至零，并且当容器的第二端壁4靠近时，最后再次下降。
总的来说，已发现，当d1为λ/2的倍数时，微波辐射能量最大值可在沿着d1的长度等于d1的25％和75％的位置处发现，并且能量最小值在沿着其长度d1的0％、50％和100％处，但是在室内详细的能量分布复杂。在管线内，该分布还取决于其中的流体的性质。例如，比起当要处理流体(例如具有相对低传导率的自来水)，当流体(例如具有高导电性水平的血液)流动通过管线时，微波可进一步向内径向渗透管线。因此，待处理的流体的传导率也是在选择管线的直径中的一个决定性因素。
图2显示流体处理设备18的模件形式，其中多个与图1所示设备类似的单个模件19串联互连。模件19的容器2的上游端壁3与连续(下游)模件19的容器2的下游端壁4连接。容器壁3，4可释放地彼此夹紧，方便地借助可释放的紧固物，例如螺母和螺栓。容器壁3，4由铜或黄铜形成，并且为隔膜形式，其中微波辐射在相邻模件19之间的传播最小化，隔膜和管线20彼此相对密切接触配合。
单一公共的管线20通过单个模件19的容器2，以在每个模件19处提供管线部分21。以箭头所示的方向流动通过管线20的流体17序贯进入连续模件19，每一个模件提供有磁控管7，如图1所示。每一个模件19的磁控管7提供微波辐射，以处理存在于模件19的管线20的相应的部分21中的流体17。当流体17沿着管线20流动时，流体17在序贯模件19中经受连续微波辐射处理。管线20局限于λ/π左右的外径d6，使得限制微波辐射从一个模件191到另一个模件192的室6传播，并且使在互连模件191、192中的磁控管7的相互作用最小化。
在容器2的上游的泵P和两个阀22控制通过管线14的流体的流速。温度传感器23被提供，以读取在容器2的管线14中的待处理的流体的温度。控制单元24监控温度。控制单元24与泵P和磁控管7连接25。控制单元24控制泵P泵送流体通过管线14(和任选的磁控管7的功率输出)的速率，根据流动流体17的温度，以确保流体17足够加热以提供足够的处理，但是防止流体17过热。为了防止来自待处理的流体的沉积物在管线壁15上累积，提供了流动旋转单元26，该流动旋转单元26包含通常刚性的螺旋金属线27，该螺旋金属线驱动与电动机M形式的旋转驱动29连接28。
图3显示血液废物处理系统30，该处理系统包含用于容纳液体血液废物的储存容器31，该液体血液废物通过泵32从中转移。提供预热器33用于将液体血液废物加热至最高约35-37℃，以提高微波辐射处理的效率，同时避免将液体血液废物的温度升高至可能发生凝结的水平的风险。提供微波处理设备34。该微波处理设备具有多个单个模件，例如串联连接(如图2所示)的10个(参考图1所示)。微波处理设备34包括流动旋转单元形式的搅拌装置35，当流体流动通过设备时活化。
该装置通常与图2所示的类似，但是包含两个不锈钢螺旋金属线，每一个直径(金属线本身)为约4mm，扭在一起以形成更刚性和更有效的搅拌器。操作流体旋转单元使得流体旋转有助于防止管线堵塞，并减少清洁系统所需的时间。微波处理设备34的出口36处经处理的血液废物的温度典型地达到80-100℃的温度区间。结果是，通常发生将经处理的血液废物分离成为淤渣和浓缩的液体。将液体部分引入沉降槽37，在合适的沉降时间(典型地30分钟)后，将液相排放至公共下水道38内。
如果需要其他灭菌处理，则可将微波处理的血液废物的液体部分通向其他处理设备39，方便地使用在液体中直接释放的高压脉冲电排放，例如在WO99/47230中所述的，该专利通过引用并入本文作为参考。淤渣可直接用作有机肥料或通过离心机40首先脱水。
为了保持最佳操作，系统30包括温度传感器41，以测量在微波处理设备34的出口36处的血液废物的温度。还提供控制单元42，用于监测和调节血液废物流速，可选地与温度传感器连接，使得适宜地调节流动，使得保持流体流出温度在适当的水平。能量输入单元43用于控制微波辐射设备34的微波辐射源磁控管。
图4更详细地显示与图3所示类似的血液废物处理系统的图。在该图中，箭头指示流体流动的方向。通过粗过滤器52将待处理的液体废物进料至第一储存容器50，该粗过滤器52由放置在3mm网眼过滤器袋上的8mm网眼过滤器袋组成，通过与第一过滤器大体上类似的第二过滤器56，经由泵54，将其从这里泵送至第二储存容器58。通过球阀62和隔膜阀64，经由第二泵60泵送液体废物。球阀62为简单和稳健的装置，但是不能容易地提供流体可调节的和精确的流速，这需要在开启磁控管之前调节流速。隔膜阀64提供该调节。
当设备待清洁时，可在球阀67的控制下经由水入口66将水进料至设备，并通过管子冲洗。待处理的液体废物通过流量计68，该流量计监控和控制流体的流速，并进入两个串联的电预热器69，从这里其流动进入流动旋转单元，如图3所示，并进入第一微波辐射处理反应器72。每一个反应器72包含一系列10个模件，所述模件如图2所述连接。经由连接管73，液体废物流动至四个串联连接并提供有相应的流动旋转单元70的其他处理反应器72。处理后，将经处理的液体在沉降槽74中收集，经由水出口78，从这里将液相泵送(经由泵76)直接进入公共下水道或进入离心机79，用于进一步分离固体和液体组分。液相和固相经由液相出口80和淤渣饼出口82排放。
将来自屠宰场的血液通过具有50个模件的与图4类似的设备，每一个模件分别具有13cm室长度d1和17cm直径d2，经由具有48mm外径d6和30mm内径d8的管线，每一个管线具有1400W磁控管微波源，在室的内部提供波长为12.24cm的微波辐射。以2000升/小时的流速将血液泵送通过设备，由此在设备的每一个室内提供15秒的停留时间，并且总微波照射处理停留时间为12.5分钟。将血液预热，因此在设备的上游端血液的温度为35-37℃，在设备的下游端温度提高至约90℃-98℃。
通过测量通过凝结由血液的分馏得到的固体和液体的比例以及通过分析每一个馏分的组分，证实处理由屠宰场生产的新鲜的血液废物的益处。已发现，实际上所有的蛋白质包含在留在固体馏分中的血液中，该固体馏分占经处理的总量的50-60％，留下主要由水组成的液体(40-50％)，具有大大降低的生物学氧需求(BOD)。该液体的BOD足够低，以能够在常规的下水道系统中简单处理。使用标准程序评价血液的BOD，如根据美国公共卫生协会的“Standard Methods of Water and Waste Water Analysis(水和废水分析的标准方法)”中所述的。当与未经处理的血液相比，经处理的液体的氧需求指数BOD(生物学氧需求)和COD(化学氧需求)典型地降低至20-25分之一。在任何给定的情况下，实现的BOD和COD降低的实际的程度取决于血液的类型、其年龄及其稀释程度等。例如，当处理绵羊血液废物时，BOD从72,000mg/ml降至4,000mg/ml，而当处理小鸡血液，BOD从23,000mg/ml降至918mg/ml。
降低待处理的材料的体积，将浓缩的高蛋白质固体灭菌并且不含任何病原体。如果无菌地填充至灭菌容器中，这使得固体材料能长时间储存。该稳定性使得这些固体能在本行业的其他地方用作高品质蛋白源。
图5显示用于屠宰场的废物处理系统84的一个实例。该系统完全通过计算机控制，使用PLC控制该过程的所有方面。在该实例中，该设计具有“开/关”阀86以允许该过程接近原料血液、具有高度传感器90的原材料储存罐88、使流体打开或关闭的阀92、浸渍器94、泵96、具有高度传感器100的过程储存罐98、包括用于水清洗104的连接点的两通阀102、流量计106(流动控制和体积记录)、换热单元108、根据本发明水平串联组装的三个处理室110、具有高度传感器114的密封的缓冲罐112、螺旋进料容积式泵116、热量回收单元、两通阀118以将部分处理的血液转向返回储存罐88和脱水系统120。
将来自屠宰场的血液进料至原材料罐，并按需通过浸渍器94泵送进入不锈钢过程储存罐98。原材料储存罐88和过程储存罐98各自安装有高度传感器90和100，以提供高-高、高、低和低-低高度指示。当储存罐中的血液达到高点/高度时，PLC系统自动关闭浸渍器94和泵96。储存罐和外部水供应经由两通阀和泵与处理系统连接。在该阶段提供电子流量计，以控制/记录血液的进入体积。
在启动期间，经由两通阀将水引入处理室110。磁控管水-冷却系统随后打开，以冷却磁控管。当流量计指示在系统中存在水时，在处理室110中的所有磁控管的细丝打开，2分钟后，将供应到所有的磁控管的高电压电力序贯打开。水可由屠宰场的主要水供应或具有单独的泵和非返回阀的独立的罐提供。水最初以预设的速率(在本情况下，为1200升/小时)泵送通过。这样确保水的温度快速升高，仍避免过热。当离开最后的处理室的水的温度达到期望的温度(65℃)时，通过两通阀将血液打开，将水关闭。随后将血液泵送通过第一换热器108，在这里将其加热至约39-40℃，随后通向三个处理室110。在任何给定的时间，这些都是在线的，但是每一个可旁过，以允许清洁和除去堵塞，而不会影响操作。通过PLC监控血液的压力和流量以及每一个处理室的入口和出口温度。这使得通过调节泵速度，PLC能控制终端产品温度在期望的水平(95-100℃)。
处理单元的最后的室经由不锈钢管与密封的绝热缓冲罐连接。经由泵与第二密封的水-冷却的换热单元连接，在这里经处理的残余物的温度从100℃降至环境温度。通过利用经处理的材料的温度，热水可返回至屠宰场，作为节能方案的一部分。
在冷却至室温后，将经处理的稠厚的液体进料至脱水系统120，该脱水系统可为在底部具有过滤的水出口的简单的罐或脱水螺杆或离心机(如果认为需要)，在这里使经处理的材料干燥。除去水后，可随后除去固体“饼”并出售。
如果需要灭菌材料，则最终的缓冲罐、泵和脱水系统用无菌热填充管线代替，该无菌热填充管线能使经处理的材料灭菌，以填充进入无菌容器，以保存使用期限。
在任何软的半固体有机材料粘贴于处理室的壁并逐步累积并限制流动的情况下，提供紧急/吹扫模式。通过监控过程压力的任何提高，实现早期检测这种情况。该系统设计为在最高2巴压力下操作，但是通常在约0.4巴下操作。虽然罕见的小的压力提高(0.2巴)指示稍微累积，通过关闭血液并用水冲洗几分钟，可快速除去该小的压力提高。通过调节水的流速保持处理温度。可使用泵速度实现这一点。
在实践中，最易损坏的元件为第三处理室110。在该阶段，液体发粘，并且高度粘稠，含有半固体内含物。半固体颗粒可粘贴于处理室的内壁，并变为半固体形成的累积中心。通过改变旋转装置的方向，同时引入水，可有助于快速除去任何固体累积。
图5的系统能在大气压下，在至少98℃的输出温度下，生产灭菌材料。在98℃或更高的温度(最大测试温度105℃)下任何产品的广泛培养不能证明在来自图5的系统的屠宰场血液输出的材料中任何种属(革兰氏-阳性或阴性芽孢-形成)的任何存活的细菌。对Escherichia coli NCTC 10418、Salmonella enterica sv typhimurium NCTC 74(ATCC 13311)、Salmonellaenterica sv seftenberg NCTC 9959、Clostridium perfringens.NCTC3181或等价物和Enterococcus faecalis NCTC12697进行测试。通过加热至约80-85℃，可容易地杀灭这些细菌中的一些。因此，在革兰氏阴性细菌如Salmonellaenterica和Escherichia coli NCTC 10418的情况下，难以分离微波和热的影响。然而，在Clostridium perfringens NCTC3181的情况下，仅通过热方式完全根除需要大于以上所述的温度、压力和保留时间。因此，在杀灭病原体方面，证明本发明比常规的系统更有效，并且可用于在比单独使用加热所需的低得多的温度下巴氏杀菌和灭菌液体。
使用传热表面，比起传统的热处理方法，微波处理血液废物或其他高蛋白质液体具有显著的优点。将微波能量直接转移至流动通过管线的液体血液废物的主体，使得能够避免与在壁和/或加热元件和待处理的液体的不同部位之间引起的不可避免的大体上温度差异有关的具体的问题。这种差异导致局部过热，引起血液凝结以及固体薄膜或涂层在已加热的表面上沉积。这种沉积具有极低的热传导率，其大体上降低从热源到待加热的液体的传热，导致显著降低的处理效率和加热元件的过热以及它们可能的破坏。在不太极端的情况下，温度差异可引起液体局部燃烧并产生味道变化。
比起已知的系统，本发明更加能量有效。在能从电子元件完全热量回收并且该回收的热量可用于预热进入的液体的情况下，85％-90％的消耗的电能可递送至高度吸收性液体(如血液)。在单个处理室内产生的热量、强电磁场和微波辐射的组合对流体组分的分子结构的影响大于单独的加热。采用多种方式证明这一点。该作用的最显著的证据是温度、压力和保留时间的降低，以实现完全灭菌，在更低的温度和压力下粉碎蛋白以及提高某些化学反应的收率和反应时间。灭菌所需的降低的温度和压力降低了可能的破坏，并且对于一些产品能保存质地。对于食品，这也可使得保存味道，例如在液体食品(如牛奶、鲜榨桔汁等)中。其他优点在于，整个设备占据小空间，并且具有非常低的启动和停车次数，使得低成本待机操作。
本领域技术人员认识到，在不偏离本发明的情况下，所公开的排列的变体是可能的。虽然已描述计算机控制系统作为PLC，但是可使用基于任何合适的计算机或处理器的控制系统。因此，具体实施方式的上述描述仅通过举例的方式进行，而不是用于限制的目的。本领域技术人员清楚，在不显著改变所描述的操作下，可进行少量变化。

Claims (30)

1.一种使用微波辐射用于处理流体流的设备，所述设备包含：
具有侧壁和限定大体上圆柱形室的相反的第一和第二端壁的容器，所述第一端壁被设置为与第二端壁相隔预定的距离d1；
用于使流体流动通过的管线，所述管线通过第一端壁朝向容器的第二端壁，所述室和所述管线大体上共轴，并且所述管线大体上可穿透微波辐射；和
在容器的侧壁中的微波辐射入口，用于允许波长λ的微波辐射进入室，其中所述距离d1大体上等于λ/2的整数倍，因此所述室为微波共振器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中d1为λ/2的1-3倍。
3.根据权利要求2所述的设备，其中d1为λ/2的1或2倍。
4.根据权利要求3所述的设备，其中d1大体上等于λ。
5.前述权利要求中任一项所述的设备，其中d2为0.6λ-2λ。
6.根据权利要求5所述的设备，其中d2为1λ-2λ。
7.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述容器室壁由导电材料制成或涂有导电材料。
8.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含微波辐射源。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述微波源具有频率为2.3-2.7GHz的输出。
10.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述微波辐射入口相对于室(d1)的纵向范围偏离中心。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述微波辐射入口所处位置是在该位置沿着中心纵轴的微波能量水平是最大能量水平的30-60％，有利地为40-50％。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中当d1约等于λ时，则微波辐射入口位置选自从上游端壁到下游端壁d1的10-15％、30-35％、55-60％或75-80％。
13.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含用于防止微波能量反射进入源的装置。
14.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述管线大体上是水平的。
15.根据权利要求1-13中任一项所述的设备，其中所述管线大体上是垂直的。
16.根据权利要求1-13中任一项所述的设备，其中所述管线为倾斜的。
17.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述微波辐射源的主体设定在室侧壁的背部，使得触角从微波辐射源的主体延伸朝向并进入容器室。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述触角的远侧(自由)端设置在与室侧壁小于或等于λ/4并大于或等于3λ/16的预定的突出距离d3。
19.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含用于感测待处理的流体的温度的温度感测和监控装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述温度传感器与微波辐射源控制连接，以改变提供的微波辐射的强度作为感测的温度的函数。
21.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述管线大体上为微波辐射-可穿透的材料。
22.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述管线壁的厚度为3-10mm，典型地5-8mm。
23.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含在管线内的静态或动态混合机或搅拌装置。
24.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含在流体进入管线之前用于加热流体的预热装置。
25.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含用于驱动流体通过管线的泵。
26.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含多个串联或并联连接的模件，使得流体流可从连续模件的相应的微波辐射源经受微波照射。
27.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述管线外径d6≥λ/π。
28.前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包含压力控制系统，以使得装置中的压力变化。
29.前述权利要求中任一项所述的设备，其中在容器室的内部和管线的外部之间的环形空间的厚度大体上等于λ/2。
30.一种使用微波辐射处理流体的方法，所述方法包括以下步骤：提供本发明的流体处理设备；和使所述流体的流通过所述设备的管线，同时使其经受来自所述设备的微波辐射源的微波辐射。
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