CN102698300A

CN102698300A - 液态物质低温灭菌用微波谐振腔

Info

Publication number: CN102698300A
Application number: CN2012101753447A
Authority: CN
Inventors: 曾葆青; 张玉玲
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102698300B

Abstract

该发明属于一种用于液态物质低温灭菌的微波同轴谐振腔。包括谐振腔壳体及设于其底部中心的液态物质输出口，设于谐振腔轴线上的下端为带出液口的圆锥头、上端设于谐振腔壳体外且带进液口的筒形进液腔体，将液态物质输出口与圆锥头出液口连通的导液管，微波耦合器。该发明将原与谐振腔同轴线设置的圆柱形内导体改为腔体形，既作内导体、又作进液腔体用，并在圆锥头上设置一组出液口、在壳体底部开设液态物质输出口，以利用尖端效应有效提高了圆锥头与壳体底部之间间隙区域的场强；从而具有结构简单、体积小，生产成本低，操作、控制方便、能耗低，场强较强的区域集中度高，灭菌快速、效果显著、温升低，可在较小功率下实现低温灭菌等特点。

Description

液态物质低温灭菌用微波谐振腔

技术领域

本发明属于一种微波灭菌装置，特别是一种用于对液态物质进行低温灭菌的微波同轴谐振腔。

背景技术

在工业特别是饮食行业，需要对大量的含菌液体物质和饮料等进行灭菌处理；医药行业中的部分水剂、针剂等也需进行灭菌处理，甚至是低温灭菌处理。目前对液态物质进行灭菌处理大多采用高温或高温高压灭菌，巴氏灭菌及紫外线灭菌；其中：传统的高温或高温高压灭菌虽然具有可靠性高、加热方式多样化、适用范围广等级特点，但却存在能耗高、费时，对液体和饮料中的维生素等营养物质和风味具破坏作用等缺陷；而巴氏灭菌虽然具有灭菌温度较低，但所需时间也较长，因不同液态物质对灭菌温度不尽相同、因而对温度的控制要求也高；此外，由于不同的细菌具有不同的耐热能力，故一般经巴氏灭菌后的液态物质仍保留了小部分有益或无害、较耐热的细菌或细菌芽孢，因而经巴氏菌后其保质期亦较短（如经巴氏灭菌后的牛奶在4°C左右的温度下只能保存3-10天），而且巴氏灭菌的温度一般在60°C以上、时间在30分钟左右；因此该方法仍存在能耗较高、费时、保质期较短等缺陷；而紫外线对液体物质的穿透能力弱、因而用于液态物质灭菌时的效果亦差。

微波灭菌技术是一种较新的技术，微波灭菌已受到人们越来越多的关注。与传统的灭菌方法相比，微波灭菌具有：穿透能力强、能源利用率高、加热和灭菌速度快、整个灭菌过程无机械损伤，对物体的物理性能亦不会造成破坏，经微波灭菌处理后的液态物质保质期长等特点；但目前在国内外基本上仍采用家用微波炉或者是箱式微波炉（灶）对液态物质、固态物体（如公用毛巾、浴巾等）进行大功率、高温加热灭菌，因而仍存在能耗高，对液态物质中的维生素等营养物质和风味的破坏作用大等缺陷。发明人在《同轴结构微波灭菌装置电磁特性模拟》（见《电子科技大学学报》2007年4月，第36卷第2期，P232-234）一文中公开了一种与室内通风系统（或空调）配套用的可对空气进行快速灭菌的微波同轴谐振腔，该微波灭菌装置（谐振腔）的内导体采用顶部为圆锥体的实心金属柱、而壳体两侧柱面采用网状结构，以方便空气穿过谐振腔体的内腔、实现灭菌的目的。该微波灭菌装置虽然可对空气进行灭菌处理；但其结构及灭菌处理方式均不能用于对液态物质的灭菌处理。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种液态物质低温灭菌用微波谐振腔，以达到简化结构、减小其系统体积，控制方便，腔体内场强较强的区域集中度高，实现在较小功率下达到灭菌用电场强度、实现低温灭菌，降低能耗等目的。

本发明的解决方案是根据微波灭菌过程中具有非热效应，即在细胞膜内外由于离子浓度的差异，存在着电位差，在微波的作用下，生物体内虽不产生明显的升温，但细胞膜内、外的电位差将发生较大变化，一旦突破其平衡范围，在细胞膜上会形成不可逆转的孔洞，导致细胞内部物质外泄，使细胞的正常代谢功能受到破坏、致其死亡，也就是生物电磁学上的电穿孔。根据电穿孔理论，当液体区域中电场达到10⁶V/m时，细胞膜上便可形成不可逆转的孔洞，导致细菌死亡、实现灭菌。因此，本发明根据上述微波灭菌原理，在传统圆柱体电容加载同轴谐振腔的基础上，将原与谐振腔同轴线设置的内导体改为腔（筒）体形，使其在起到内导体作用的同时作为待灭菌液态物质的进液腔体，即将该进液腔体（内导体）与壳体（亦称外导体）的短路端延长至壳体外、其端口作为液态物质的进液口、内腔作为进液腔，同时在圆锥头前端的锥体上设置一组出液口作为待灭菌液态物质的出口，从而利用其尖端效应有效提高进液腔体下端（开路端）圆锥头与壳体底部之间间隙区域内的场强，使其达到的10⁶V/m以上、满足灭菌要求；而在腔体内设置耦合器、将微波能量耦合到谐振腔内；为了将灭菌处理后的液态物质顺利输出，在谐振腔壳体底部正对进液腔体圆锥头处开设灭菌处理后的液态物质输出口、并在进液腔体圆锥头与谐振腔壳体底部之间设置一导液管，将进液腔下端锥体上设置的出液口与壳体底部开设的液态物质输出口密封式连通，以输出灭菌处理后的液态物质；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明液态物质低温灭菌用微波谐振腔体包括谐振腔壳体，设于谐振腔轴线上的内导体，微波耦合器，关键在于设于谐振腔轴线上的内导体为下端为圆锥头、上端设于谐振腔壳体外其端口为进液口的筒体形进液腔体，在圆锥头还设有一组与进液腔体内腔连通的出液口，在谐振腔壳体底部正对进液腔体圆锥头处设有（灭菌处理后的）液态物质输出口，在圆锥头与谐振腔壳体底部之间还设有一导液管、以将圆锥头上的出液口与壳体底部开设的液态物质输出口连通，微波耦合器则设于谐振腔内的侧上角或侧顶部；进液腔体上部与谐振腔壳体顶部密封式紧固连接、下端则通过导液管与谐振腔壳体底部密封式紧固连接，微波耦合器内端与谐振腔壳体内壁短路连接、而外端则通过微波输入接头紧固于谐振腔壳体上，以馈入微波能（量）。

上述设于谐振腔内侧上角或侧顶部的微波耦合器的个数为1-3个。而所述进液腔体通过液态物质自身的重力进液或加压进液。所述在圆锥头的锥体上设置一组出液口，出液口的个数为2-6个圆孔或圆弧形孔，设置方式以圆锥头的轴线为中心环形设置。而所述在谐振腔壳体底部正对进液腔体圆锥头处开设（灭菌处理后的）液态物质输出口，液态物质输出口的个数根据单位时间输出液态物质的量不低于进液腔体圆锥头各出液口单位时间输出的总量及其中最大输出口的直径小于输入微波波长的1/25两个条件决定。

本发明由于将原与谐振腔同轴线设置的圆柱形内导体改为腔（筒）体形，使其在起到内导体作用的同时作为进液腔体用，同时在圆锥头前端设置一组出液口作为待灭菌液态物质的出口，以利用其尖端效应有效提高了进液腔体下端圆锥头与壳体底部之间间隙区域的场强，确保其达到的10⁶V/m以上、满足灭菌要求；同时在谐振腔壳体底部开设灭菌处理后的液态物质输出口、并在进液腔体圆锥头与谐振腔壳体底部之间密封式设置导液管，将进液腔下端圆锥头上设置的出液口与壳体底部开设的液态物质输出口连通，以输出灭菌处理后的液态物质，且灭菌处理过程中液态物质的温升可有效控制在5°-20°C范围内。因而本发明具有结构简单、系统体积小，生产成本低，操作、控制方便、能耗低，腔体内场强较强的区域集中度高，灭菌处理效果显著，可达到快速、低温灭菌，实现在较小功率下达到灭菌用电场强度等特点。

附图说明

图1.为本发明液态物质低温灭菌用微波谐振腔结构示意图；

图中：1.谐振腔壳体、1-1.液态物质输出口，2.进液腔体（内导体）、2-1.圆锥头、2-3.出液口，3.导液管，4.耦合器。

图2.为本发明实施方式在频率为2450±50MHz，功率为100W时圆锥头顶点至谐振腔壳体内底部中心区域轴向电场强度分布坐标图，图中：坐标原点（0.0）为进液腔体圆锥头顶点位置，3为谐振腔壳体内底部轴线位置处；

图3.为本发明实施方式在频率为2450±50MHz，功率为100W时进液腔体圆锥头顶点位置横截面上半径为R2.0mm范围内的径向电场分布坐标图，图中：横坐标上0.0为圆锥头位于轴线上的顶点位置。

具体实施方式

本实施方式谐振腔壳体1内径Φ20mm、内腔高25mm、管壁厚3mm、材质为不锈钢，其底部本实施方式设4个直径Φ1.2mm的液态物质输出口1-1、4个液态物质输出口的外口部设一直径Φ3.8mm的液态物质输出汇聚口；进液腔体（内导体）2外径Φ10mm、轴向高为17mm、壁厚1mm，其下端圆锥头2-1轴向高5mm、其上顺轴向对称设置4个直径为Φ1.0mm的出液口2-3，各出液口2-3的中心距中轴线亦为1.0mm，材质为不锈钢；导液管3内径Φ4.0mm、壁厚2.0mm、材质为聚四氟乙烯，其上、下端分别与圆锥头2-1及谐振腔壳体1的内底部密封固定；耦合器4的内导体为铜条并通过标准SMA型接头与谐振腔壳体1的顶部固定连接、以输入微波。

本实施方式经测试：微波输入频率为2450±50MHz、功率为100W，待灭菌液态物质为带大肠杆菌的液体、采用加压输入，流速为10cm/s的条件下大肠杆菌的杀灭率为100%，平均100ml耗时约20秒，带菌液体的温升低于15°C。实现了在较小功率下的快速、低温灭菌。附图2为本实施方式圆锥头顶点至谐振腔壳体内底部中心区域轴向电场强度分布坐标图；附图3为本实施方式圆锥头顶点位置横截面上半径为R2.0mm范围内的径向电场分布坐标图。

Claims

1.一种液态物质低温灭菌用微波谐振腔，包括谐振腔壳体，设于谐振腔轴线上的内导体，微波耦合器，其特征在于设于谐振腔轴线上的内导体为下端为圆锥头、上端设于谐振腔壳体外其端口为进液口的筒体形进液腔体，在圆锥头还设有一组与进液腔体内腔连通的出液口，在谐振腔壳体底部正对进液腔体圆锥头处设有液态物质输出口，在圆锥头与谐振腔壳体底部之间还设有一导液管、以将圆锥头上的出液口与壳体底部开设的液态物质输出口连通，微波耦合器则设于谐振腔内的侧上角或侧顶部；进液腔体上部与谐振腔壳体顶部密封式紧固连接、下端则通过导液管与谐振腔壳体底部密封式紧固连接，微波耦合器内端与谐振腔壳体内壁短路连接、而外端则通过微波输入接头紧固于谐振腔壳体上。

2.按权利要求1所述液态物质低温灭菌用微波谐振腔，其特征在于所述设于谐振腔内侧上角或侧顶部的微波耦合器的个数为1-3个。

3.按权利要求1所述液态物质低温灭菌用微波谐振腔，其特征在于所述进液腔体通过液态物质自身的重力进液或加压进液。

4.按权利要求1所述液态物质低温灭菌用微波谐振腔，其特征在于所述在圆锥头的锥体上设置一组出液口，出液口的个数为2-6个圆孔或圆弧形孔，设置方式以圆锥头的轴线为中心环形设置。

5.按权利要求1所述液态物质低温灭菌用微波谐振腔，其特征在于所述在谐振腔壳体底部正对进液腔体圆锥头处开设液态物质输出口，液态物质输出口的个数根据单位时间输出液态物质的量不低于进液腔体圆锥头各出液口单位时间输出的总量及其中最大输出口的直径小于输入微波波长的1/25两个条件决定。