CN103945712A - Uv液体灭菌器 - Google Patents

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Abstract

一种流体灭菌器，包括：流体导管，具有提供用于辐照的表面区域的UV透射壁，其中该导管的横截面在1×10-4m2和5×10-2m2之间，并且该导管的厚度限定邻近UV透射壁的流体流的深度不大于50mm；UV辐射源，被设置成穿过UV透射壁对在导管中流动的流体进行辐射，使得入射在导管中的流体上的UV辐射具有一UV功率密度；多个混合级，被配置成在流体中提供湍流并沿着导管的长度隔开，其中位于所述混合级之间的多段导管设置成提供邻近UV透射壁的流动；流动控制装置，被设置成基于导管的长度和UV功率密度控制流体流沿着导管的线性速度，以便在流体在导管中的停留时间期间将用于辐照的所述表面区域的每平方米至少300焦耳UV能量提供至流体。

Description

UV液体灭菌器
技术领域
本发明涉及用于对流体进行消毒的方法和设备，并且具体地，涉及用于对诸如糖浆和浓缩物之类的饮料和食品流体进行消毒的方法和设备。
背景技术
为了确保所有的流体都被适当地辐射，采用紫外线(UV)辐射的消毒要求流体被极其薄地分散和/或它在辐照期间非常彻底地混合。为了实现用于工业过程的实际容积输出速率，同时满足消毒速率(5-对数杀灭或更好)所需要的标准，已经认为采用UV方法在技术上是难以实现的。我们之前的国际专利申请，公开号WO2010/125389公开了用于实现此的有利的方法和系统。
我们已经认识到食品流体的流动特性和与UV光的相互作用基本上不同的问题。我们已经进一步认识到，希望的是最小化所施加的UV功率和辐照时间以增加商用处理设备的能量效率和容积输出量。之前已经认为使流体超速通过UV消毒设备将通过减少辐照时间降低功效。然而，我们现在已经表明，根据流体的特性，有效的流动和可接受的消毒速率是能够实现的。我们现在也已经认识到，某些流体易于生长微生物的聚团(块)，并且这些块中心处的生物体可能未受伤害地旁通常规消毒器，但我们已经处理了此问题。
在进一步的工作之后，我们已经证明通过针对特定流体选择特定尺寸和流量，可以实现消毒的效率和速率的增加，而不需要增加设备的整体尺寸或功率。这种选择使得功率相对低的设备能够实现(和超过)商业上可接受的消毒标准，同时提供足够的吞吐量以满足工业食品制备设施中的操作需求。不希望受理论束缚，认为如果可以实现成薄膜的湍流，则在流体中存在高的剪切应力，这种高的剪切应力促进微生物的聚团的瓦解，使得这些生物体能够更恰当地暴露至UV辐射。
发明内容
我们在本文中提出了一系列示例以展示我们的新方法和根据本文中展示的原理构造的设备的功效。
在一个方面中，提供了一种流体灭菌器，包括并联连接在共用流体源和共用流体出口之间的多个单元，每个单元包括：流体导管，具有提供用于辐照的表面区域的UV透射壁，其中该导管的横截面在1×10-4m2和1×10-3m2之间，并且该导管的厚度限定邻近UV透射壁的流体流的深度；UV辐射源，被设置成穿过UV透射壁对在导管中流动的流体进行辐射，使得入射在导管中的流体上的UV辐射具有一UV功率密度；多个混合级，被配置成在流体中提供湍流并沿着导管的长度隔开，其中位于所述混合级之间的多段导管设置成提供邻近UV透射壁的至少部分层状流；流动控制装置，被设置成基于导管的长度和UV功率密度控制流体流沿着导管的线性速度，以便在流体在导管中的停留时间期间将用于辐照的所述表面区域的每平方米至少300焦耳UV能量提供至流体。本发明的这个和其它示例具有提供实际的商用系统中的食品流体的有效的低温杀菌的优点。
在一些示例中，混合级包括UV透射材料。优选地，其中混合级被设置成使得在混合级填充有UV透射流体时，来自UV源的UV光能够到达混合级的每个内表面。这具有的优点在于，当混合级填充有UV透射流体，如清洁水时，可以用UV光对所述单元进行辐射以对混合级进行杀菌。
在一些可能性中，流动控制装置被配置使得在使用具有小于200厘泊的粘度的流体时，流体导管上的压力降小于8巴。在一些可能性中，混合站包括折流板，折流板以相对于邻近UV透射壁的所述至少部分层状流的方向至少70度的角度设置。优选地，流动控制装置被构造成控制流体沿着导管的流动，使得折流板之间的流体流的平均线性速度在0.6米/秒和1.8米/秒之间，仍然更优选地，在1.0米/秒和1.4米/秒之间。本发明的这些和其它示例具有下述优点：有效地混合流体，而无需以对消费者来说明显的方式修改它们的结构或相容性。
在一个方面中，提供了一种流体处理设备，包括多个相互类似的单元，每个单元包括多个细长管状导管和经由所述多个细长管状导管与流体出口流体连通的流体入口，每个导管具有：
UV透射内壁，与外壁隔开以使得流体流能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动；
多个折流板，沿着导管的长度分布并被设置成大致垂直于流体流的方向；
该流体处理设备还包括流动控制装置，该流动控制装置被配置成控制流体沿着导管的流动使得折流板之间的流体流的平均线性速度在1.0米/秒和1.6米/秒之间。我们已经惊奇地发现，这种线性速度范围对高的容积输出量提供更有效的消毒。不希望束缚于理论，据信以这种线性速度范围，增强流体混合，而不用降低辐照的有效性。
在一种可能性中，导管的内壁的内表面具有至少38.5mm的直径。在一种可能性中，导管的内壁的内表面具有至少39mm的直径。在一种可能性中，导管的内壁的内表面具有至少39.5mm的直径。在一种可能性中，导管的外壁的内表面具有小于54mm的直径。在一种可能性中，导管的外壁的内表面具有小于52mm的直径。在一种可能性中，导管的外壁的内表面具有小于51mm的直径。在一种可能性中，导管的外壁的内表面具有小于50.5mm的直径。
在一个方面中，提供了一种对食品流体进行消毒的方法，包括下述步骤：
将流体提供到流体处理设备中，该流体处理设备包括：
细长管状导管，具有：
导管入口、导管出口和UV透射内壁，该UV透射内壁与外壁隔开以使得果汁能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动，其中流体可以流过的导管的横截面具有至少1×10-4m2且小于1×10-3m2的面积；
多个折流板，所述多个折流板沿着导管的长度分布并被设置成大于垂直于流动方向；
用UV辐射穿过UV透射壁辐射流体；
控制果汁的压力使得导管入口和导管出口之间的压力差小于0.4巴且大于0.05巴。本发明的这些示例具有改善流体在给定辐射功率下的消毒的优点。已经发现这种方面在牛奶和果汁的消毒中特别有效。不希望束缚于理论，认为这些流体的稠度和UV透射特性意味着在通过具有这种尺寸的导管的这些压力差下，提供了非常有效的混合。
优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少2×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少3×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面为至少4×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面为至少6×10-4m2。优选地，流体可以流过的导管的横截面小于9×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面小于8×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面小于7.9×10-4m2。
在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差大于0.08巴，优选地，大于0.1巴。在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差小于0.2巴，优选地小于0.19巴。在一些可能性中，可以采用约0.16巴的压力差。本发明的这些和其它示例具有超过商业上可接受的果汁消毒速率的优点(好于5对数杀灭)。
在一个方面中，提供了一种对食用油进行消毒的方法，包括下述步骤：
将食用油提供到流体处理设备中，该流体处理设备包括：
细长管状导管，具有：
导管入口、导管出口和UV透射内壁，该UV透射内壁与外壁隔开以使得果汁能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动，其中流体可以流过的导管的横截面具有至少1×10-4m2的面积；
多个折流板，所述多个折流板沿着导管的长度分布并相对于流动方面以至少70度的角度设置；
用UV辐射穿过UV透射壁辐射果汁；
控制食用油的压力使得导管入口和导管出口之间的压力差大于0.9巴且小于1.7巴，其中食用油具有至少30cP(mpa.s)且小于70cP(mpa.s)的粘度。本发明的这些示例具有改善食用油在给定辐射功率下的消毒。
优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少2×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少3×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面为至少3.2×10-4m2。优选地，流体可以流过的导管的横截面小于至少6×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面小于至少5×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面小于至少3.4×10-4m2。在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差大于1.3巴，优选地，大于1.4巴。在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差小于1.7巴，优选地小于1.6巴。本发明的这些和其它示例具有超过商业上可接受的食用油消毒速率的优点(好于5对数杀灭)。
在一个方面中，提供了一种对啤酒、牛奶或醋进行消毒的方法，包括下述步骤：
将牛奶提供到流体处理设备中，该流体处理设备包括：
细长管状导管，具有：
导管入口、导管出口和UV透射内壁，该UV透射内壁与外壁隔开以使得果汁能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动，其中流体可以流过的导管的横截面具有至少1×10-4m2的面积；
多个折流板，所述多个折流板沿着导管的长度分布并被设置成大于垂直于流动方向；
用UV辐射穿过UV透射壁辐射流体；
控制牛奶或醋的压力使得导管入口和导管出口之间的压力差大于0.3巴且小于0.9巴。本发明的这些示例具有改善牛奶在给定辐射功率下的消毒的优点。
优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少2×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面为至少3×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面为至少3.2×10-4m2。优选地，流体可以流过的导管的横截面小于至少6×10-4m2，仍然更优选地，流体可以流过的导管的横截面小于5×10-4m2。在一些可能性中，导管的横截面小于3.4×10-4m2。在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差大于0.4巴，优选地大于0.5巴，优选地，压力差对于牛奶是0.62巴，对于醋是0.66巴。
在一些可能性中，导管入口和导管出口之间的压力差小于0.8巴，优选地，小于0.7巴。本发明的这些和其它示例具有下述优点：超过商业上可接受的牛奶和醋消毒速率，同时降低设备对将被消毒的每单位体积流体的功耗。
根据本发明，提供一种流体处理设备，包括：细长管状管道，所述细长管状管道具有位于该细长管状管道相对端部处的流体入口和流体出口；细长UV辐射源，所述细长UV辐射源沿所述细长管状管道纵向延伸；和混合装置，所述混合装置设置在所述管道的相邻纵向部分之间，用于使沿着管道的第一部分流动的所有流体转向而通过装置中的流体混合装置并用于使混合后的流体返回到管道的第二部分。
所有流体的混合能够确保流体的所有部分在充分靠近UV源的范围内。
优选地，所述混合装置限定使流体流动通过的曲折路径，所述流体流沿着通道以提供高度混合。
优选地，流路包括多个90°转弯中的一个，并且优选地，流动通道使流体在管道的相邻纵向部分之间转过至少180°。通过使液体的方向连续转过90°转弯或优选地转过180°转弯可以获得液体的良好混合。通过该技术施加给液体的连续突然速度变化能够确保液体的所有成分被混合。优选地，流路的至少一部分被布置成被所述源发射的UV放射线照射。优选地，管道限定用于流体的流动通道，在所述流动通道中所有流体相距UV源的表面不大于10mm，优选地不大于5mm，所述源形成流动通道的纵向壁的至少一部分。这样，流体作为薄膜在UV源上流动。所述薄膜的表面成分由于混合作用不断变化。
优选地，UV源沿着管道的中心轴线延伸并被流动通道包围。
优选地，UV源包括设置在管内的细长灯，所述管优选地由石英或为UV辐射的良好传输器的其它材料形成。
优选地，所述管被布置成保持管的整体性的材料涂敷或覆盖，以防止管破裂，从而防止管材料的潜在的有害件污染流体。优选地，所述涂敷或覆盖材料包括氟化乙烯丙烯。
优选地，多个所述装置沿着管道的长度设置，使得流体不止被混合一次。
优选地，入口和出口与管道的相对端部处的相应歧管连通。
优选地，UV源延伸到一个或两个歧管中。
此外，根据本发明提供一种流体消毒系统，所述流体消毒系统包括串接连接的多个上述设备以增加消毒效果，或者包括并联连接的多个上述设备以增加被消毒的流体的流量，或者包括这两种方案。
本发明的概括及其益处如下：
·消毒系统没有移动部件-所有部件可以是固定的，因此系统的可靠性高；
·室温(变冷)消毒系统-所述方法基本上为冷处理法；
·可以承受工业清洁压力-所有部件能够承受10巴和更高的压力；
·产生一致的液体薄膜-石英管与管道的内表面之间的间隙提供一致的液体膜厚度；
·持续不断且充分地混合流体；
·沿着设备的长度以一定间隔放置混合装置，从而迫使流体改变方向，由此改变流体速度，从而在流体流动通过系统时确保流体的恒定且充分的混合。
附图说明
以下将仅通过实例及参照附图说明本发明的实施例，其中：
图1显示流体消毒设备的第一实施例的局部剖面的平面图；
图2显示流体消毒设备的第二实施例的局部剖面的平面图；
图3显示流体消毒设备的第三实施例的局部剖面的平面图；
图4显示流体消毒设备的混合装置的分解图；
图5显示流体消毒设备的混合装置的分解图；
图6显示根据本发明的流体消毒设备的剖视图；
图7显示图6的设备的平面图；
图8显示流体消毒设备的一部分的分解图；
图9显示根据本发明的流体消毒设备的一部分的分解图；
图10示出穿过图1中示出的流体消毒设备的截面A-A；
图11示出用于流体灭菌器的膨胀接头；
图12示出管道的数量与受沙门氏菌感染的苹果汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图13示出管道的数量与受cysptsodoridium感染的苹果汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图14示出管道的数量与受枯草菌孢子感染的苹果汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图15示出管道的数量与受嗜酸芽孢杆菌孢子感染的苹果汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图16示出管道的数量与受分支杆菌结核病感染的全脂牛奶中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图17示出管道的数量与受枯草菌孢子感染的全脂牛奶中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图18示出管道的数量与受李斯特氏杆菌感染的全脂牛奶中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图19示出管道的数量与受黑曲霉孢子感染的桔子汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；
图20示出管道的数量与受脂环酸芽孢杆菌孢子感染的桔子汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图；以及
图21示出管道的数量与受大肠埃希氏菌157感染的桔子汁中的对数杀灭率之间的关系的曲线图。
具体实施方式
参照附图中的图1，在流体消毒设备的第一实施例中，反应室1连接在端板2和3之间。优选地，反应室被焊接到端板，而使得焊接处被抛光以提供卫生食品级的密封。
入口歧管4和出口歧管5相邻于反应室定位，所述入口歧管和所述出口歧管通过紧固件6连接到端板2和3。入口歧管4和出口歧管5通过被夹在入口和出口歧管4和5与端板2和3之间的密封件7和8而被形成为不透水。
管状套筒11纵向居中且同心地定位在反应室1内，使得所述管状套筒穿过端板2和3并穿过入口和出口歧管4和5中的孔9和10伸出。
优选地，管状套筒为杀菌波长(220nm-280nm)的良好传输器。
优选地，所述管状套筒由石英制成。
优选地，所述石英套筒涂有大致传送杀菌波长的材料。
优选地，所述涂敷材料基本上实质具有弹性，并且如果石英管断裂则能够容纳所有石英碎屑。
优选地，所述材料为聚四氟乙烯FEP。
设置用于在管状套筒11与反应室的内壁之间形成小的同心间隙12的装置。通过选择管状套筒11的外径尺寸为略微小于反应室1的内径使得产生的间隙12为所述外径与所述内径之间的尺寸差。
设置用于在管状套筒1与入口和出口歧管4和5之间形成不透水密封的装置，所述装置为密封件13和14的形式，所述密封件定位在管状套筒11相邻于入口和出口歧管4和5中的孔9和10的每一个端部处的圆周上。所述密封件被形成入口和出口歧管4和5与管状套筒11之间的不透水密封的夹板15和16压缩。
反应室1、管状套筒11以及入口和出口歧管4和5形成不透水组件，使得液体可以通过入口歧管4流入、穿过间隙12并通过出口歧管5流出。
优选地，密封件13和14由抗UV材料制成。
优选地，所述材料为硅橡胶、氟橡胶、PTFE或聚四氟乙烯FEP。
优选地，密封件13和14被设计成是柔性的，使得能够调节反应室1的主体与管状套筒11之间的任何差动膨胀，同时密封件13和14仍然保持密封。
设置用于将UV杀菌波长(220nm-280nm)辐射到间隙12中的装置，所述装置为定位在管状套筒11内的UV灯17的形式，所述UV灯在被通电时使杀菌波长穿过管状套筒11的壁辐射到所述间隙中。
优选地，灯17纵向居中且同心地定位在管状套筒11内以将一致且均匀的放射线提供到间隙12中。
设置用于在液体通过消毒器时混合所述液体的装置，所述装置为沿着反应室1的主体定位的混合装置18的形式，由此间隙12中的液体流转向混合装置18并通过混合装置18。混合装置18迫使液体穿越使该液体改变方向并因此改变速度的流路，以在流体通过所述装置时使流体充分混合。
优选地，混合装置18没有移动部件。
优选地，混合装置18迫使液体至少以180°弯曲一次。
优选地，混合装置18由基本上抗杀菌辐射的材料制成。
优选地，混合装置18的外部主体由食品级标准材料制成。
优选地，混合装置18的外部主体由316级不锈钢制成。
优选地，混合装置18的内部材料由PTFE或聚四氟乙烯FEP或另外的适当材料制成。
由箭头A和B和插入箭头(intervening arrow)显示大致的流体流。
参照附图中的图5，显示了包括连接到反应室1的主体的圆形法兰2和3的用于所述设备的混合装置。
法兰2具有切入其表面中的浅沟槽，所述浅沟槽用作液体的通道。顶部沟槽4从法兰2的中心垂直升起，接着沿顺时针方向以弧形绕着法兰2的顶面移动一定距离。底部沟槽5从法兰2的中心垂直下降，接着沿顺时针方向以弧形绕着法兰2的底面移动一定距离。
法兰3具有切入其表面中的镜像图案的沟槽(未示出)，使得当所述法兰被紧固在一起时，所述沟槽相互配合。
如前所述，管状套筒11穿过反应室1的中心定位，并且与反应室1一起提供间隙12。具有一连串孔7和8的圆盘6被置于两个法兰之间，所述孔被定位成使得所述孔在组装混合装置时与顺时针方向的弧形的端部对直。圆盘6中的中心孔10紧密配合在管状套筒11上。当组装混合被装置时，圆盘6基本上用作用于间隙12中的液体的偏转器，所述偏转器使所述液体从间隙12偏转出来并进入到沟槽4和5和孔7和8中。
假定液体在反应室1的间隙12中从右侧向左侧移动，圆盘将迫使液体进入到法兰2中的沟槽4中、穿过圆盘6中的孔7和8并沿着法兰3中的镜像沟槽返回并进入到反应室1中的间隙12中。
流动示意图9显示通过装置的流路。
液体将具有通过混合装置的三个完全的流动反向。A-在从间隙12到法兰2上的垂直沟槽的方向上改变90°，B-在从法兰2上的垂直沟槽到法兰2上的顺时针弧形的方向上改变90°，C-在从法兰2上的顺时针弧形到圆盘6中的孔7的方向上改变90°，D-在从圆盘6中的孔7到法兰3中的镜像弧形中的方向上改变90°，E-在从法兰3中的镜像弧形到法兰3中的镜像垂直沟槽的方向上改变90°，F-在从法兰3中的镜像垂直沟槽到间隙12的方向上改变90°。
优选地，圆盘由抗UV材料制成。
优选地，圆盘由PTFE或聚四氟乙烯FEP制成。
混合装置具有额外的特征在于，在CIP(就地清洁-饮料工业标准清洁处理)之后，如果在清洁周期结束时单元填充有水且灯被接通一段时间，则单元进行自动杀菌，从而有足够的放射线通过混合装置反射以对所述单元进行消毒。
图5仅显示一个圆盘6，但是多个圆盘也可以串接定位以增加流体的混合程度。本领域的技术人员将认识到可以通过本发明的整体理论所覆盖的混合装置中的许多不同的曲径图案来达到混合效果。
参照附图中的图2，显示了混合装置设备的第二实施例，所述混合装置设备包括如前所述的多个流体消毒设备，但是所述混合装置设备的入口和出口歧管5和6用作允许流体消毒设备串接连接的管道。
流体从A流入间隙12中，然后流入第一流体消毒设备中的第一混合装置18中，并且沿着间隙12继续流动并进而通过每一个混合装置18，直到所述流体流入出口歧管5中为止。所述流体接着流动通过出口歧管5并流入第二流体消毒设备的间隙12中，接着又流动通过第二流体消毒设备中的每一个混合装置18中，直到所述流体到达第二流体消毒设备的出口歧管19为止。
在许多流体消毒设备连接在一起的情况下重复所述过程。
当流体通过间隙12时，所述流体被从UV灯17辐射并通过管状套筒11的壁的杀菌波长照射，以提供对流体膜非常有效的消毒。
多个这些流体消毒没备阵列可以并联地连接在一起以增加系统的流量处理能力。
参照附图中的图3，显示了流体消毒设备的第三实施例，多个流体消毒设备被构造成使得流体消毒设备串接连接。每一个流体消毒设备将其流体流供给到另一个流体消毒设备中。
每一个流体消毒设备都由刚性地连接在端板2和3之间的反应室1构成。优选地，反应室被焊接到端板，使得焊接处被抛光以提供卫生食品级密封。
入口歧管4和出口歧管5相邻于反应室定位，所述入口歧管和所述出口歧管通过紧固件6连接到端板。入口歧管4和出口歧管5通过被夹在入口和出口歧管4和5与端板2和3之间的密封件7和8而被制成不透水。
管状套筒11纵向居中且同心地定位在反应室内，使得所述管状套筒穿过端板2和3并穿过入口歧管4中的孔9伸出。
优选地，管状套筒为所述杀菌波长(220m-280nm)的良好传输器。
优选地，所述管状套筒由石英制成。
优选地，管状套筒在一个端部28处被封闭。
优选地，石英套筒涂有基本上传送杀菌波长(220nm-280nm)的材料。
优选地，所述涂敷材料基本上实质具有弹性，并且如果石英管断裂则能够容纳所有石英碎屑。
优选地，所述材料为聚四氟乙烯FEP。
设置用于在管状套筒11与混合套筒20的内壁之间形成小同心间隙12的装置。通过选择管状套筒11的外径尺寸为略微小于混合套筒20的内径，使得产生的间隙12为所述外径与所述内径之间的尺寸差。
设置用于在管状套筒11与入口歧管4之间形成不透水密封的装置，所述装置为相邻于入口歧管中的孔9定位在管状套筒11的开口端的圆周上的密封件13的形式。管状套筒11的封闭端由套环21支撑并在套环内自由移动。
通过该布置自动调节反应室1与管状套筒11之间的任何差动膨胀。
在流体压力下，具有封闭的一端的管状套筒11受到用于使管状套筒11在管的开口端的方向上移动的净力。为了防止管状套筒11在压力下移动，保持板22将管状套筒11保持在防止任何移动的位置处。
密封件13被夹板15压缩，从而在入口歧管4与管状套筒11之间形成不透水密封。反应室1、管状套筒11以及入口和出口歧管45形成密封组件，使得流体可以通过入口歧管4流入、穿过间隙12并通过出口歧管5流出。
优选地，密封件13由抗UV材料制成。
优选地，所述材料为硅橡胶、PTFE或FEP或其它抗UV材料。
设置用于将UV杀菌波长(220nm-280nm)辐射到间隙12中的装置，所述装置为定位在管状套筒内的灯17的形式，所述灯在被通电时使杀菌波长穿过管状套筒的壁被辐射到所述间隙中。
设置用于混合间隙12中的液体的装置，所述装置为以不透水方式刚性地固定到反应室1中的混合套筒20的形式。优选地，混合套筒被推压或粘结到反应室1上，从而形成不透水密封。
优选地，为了为流体膜提供额外的混合功能，混合套筒20的相邻于管状套筒11的内表面形成在液体流动通过间隙12时产生湍流并因此在流体膜中进行混合的图案。
优选地，所述灯纵向居中且同心地定位在管状套筒内以将一致且均匀的辐射提供到间隙中。
设置用于在液体通过消毒器时混合所述液体为混合装置18形式的装置，所述混合装置沿着反应室的主体定位，由此间隙12中的液体流转向混合装置并通过混合装置。混合装置18迫使液体流动以穿越使该液体改变方向并因此改变速度的路径，以在流体通过所述装置时使流体充分混合。
优选地，混合装置18没有移动部件。
优选地，混合装置18由基本上抗杀菌辐射的材料制成。
优选地，混合装置18由食品级标准材料制成。
优选地，混合装置18的主体由316标准不锈钢制成。
优选地，混合装置18的内部部件由PTFE、聚四氟乙烯FEP或其它适当材料制成。
设置用于增加额外混合的装置，所述装置为穿过入口和出口歧管中的每一个的壁定位的推进器23的形式。电动机和变速箱24固定到入口和出口歧管中的每一个的壁并由轴承和密封件27支撑。当推进器23被电动机和变速箱24致动时，推进器23在流体流中旋转并产生高水平的混合。
要被消毒的流体经由进入管26通过供给歧管25的壁进入所述设备。
一般流体流由箭头A、B、C和D显示。参照附图中的图4，显示了用于所述设备的混合装置，所述混合装置包括连接到反应室1的主体的圆形法兰23。法兰2和法兰3都具有光滑表面。
如前所述，管状套筒11穿过反应室1的中心定位，并且与反应室1一起提供间隙12。
多个圆盘6被置于两个法兰之间，每一个圆盘都具有从中心径向向外切入圆盘6并绕着圆盘6的圆周等距离定位的一系列槽7。每一个圆盘6都被定位成使得可选圆盘中的槽在处理的圆盘6中的槽之间等间隔，使得当圆盘6被组装在一起时，所述圆盘形成曲径，即，没有直的流路穿过组装好的圆盘。优选地，圆盘图案被制成和组装成使得产生的曲径使流动通过该曲径的流体被强制以180°弯曲。圆盘6中的中心孔10紧密配合在管状套筒11上，从而使得当组装混合装置时，圆盘6的壁9大致用作用于流体的偏转器，所述偏转器使流体从间隙12偏转出并迫使流体通过槽7并通过曲径。
优选地，流体将具有通过混合装置的多个完全反向流，从而使流体充分混合。
优选地，圆盘6由抗UV材料制成。
优选地，圆盘由PTFE或聚四氟乙烯FEP制成。
混合装置具有额外的特征在于，在CIP(就地清洁-饮料工业标准清洁处理)之后，如果在清洁周期结束时所述单元填充有水且灯被接通一段时间，则单元进行自动杀菌，从而有足够的辐射通过混合装置反射以对所述单元进行消毒。
图4仅显示三个圆盘6，但是多个圆盘也可以串接定位以增加流体的混合程度。本领域的技术人员将认识到可以通过本发明的整体理论所覆盖的混合装置中的许多不同的曲径状图案来达到所述混合效果。
应该注意的是公知的静态混合器不会产生逆流，即，180°弯曲：所述静态混合器通过将液体控制到始终沿着正向来混和液体，由此需要纵向上相当大的部件以实现所述混合。本发明中的混合装置通过逆流在短距离上进行混合，由此可以在短距离上采用多个混合装置。
参照附图中的图6和图7，流体处理系统包括并排安装在壳体105中的为图1中公开的类型的二十个流体处理设备99。每一个设备100都包括细长管状管道100和沿着所述细长管状管道100纵向延伸的UV辐射光源104，所述细长管状管道在其相对端部处具有流体入口和出口101，102。为图4或图5中公开类型的多个混合装置103被设置在每一个管道100的相邻纵向部分之间，用于使沿着管道流动的所有流体转向而通过装置103中的流体混合形成部并用于使混合的流体返回到管道。
相邻的设备99的出口和入口101，102通过各自的歧管106相互连接。在使用中，流体从进入管道107向下流动到第一设备100中，然后通过歧管106并向上通过第二设备100等，直到流体从最后一个设备99流出到出口管道108中为止。
参照附图中的图8，流体处理设备包括细长管状管道110，所述细长管状管道110具有沿着细长管状管道110纵向延伸的细长UV辐射光源111。多个混合装置112被密封地装配在管道110的相邻的纵向部分之间，用于使沿着管道110流动的所有流体转向而通过装置112中的流体混合形成部113并用于使混合的流体返回到管道110。
每一个装置112从管道110悬出并整体安装在所述管道中的流动通道114的水平高度之下，以确保不会存在可能会捕集到空气的高点。装置112包括具有进入管道115的流路，所述进入管道垂直于通道114的纵向流动轴线延伸。所述路径接着包括一系列形成部113，所述形成部使流体流转过180°并将该流体流引导到挡流壁处，所述流体流在所述挡流壁处转向到另一个形成部113中，从而确保流体充分混合。流体接着通过流过出口管道117而离开装置112，其中所述出口管道垂直于通道114的下一个部分的纵向流动轴线延伸。
形成部113形成在板118，119的相对表面中，所述板抵靠形成有孔121的中心板120被夹紧在一起，所述孔在成形部113之间连通。板120和/或板119，120可以由传送UV辐射的材料形成，使得通过来自UV源111的辐射对流路进行消毒。
参照附图中的图9，显示了与图8的实施例相似但在结构上更简单的实施例。
本发明因此提供一种尤其用于对饮料进行杀菌的流体处理设备，所述流体处理设备包括细长管状管道和沿管道纵向延伸的细长UV光源。设置在管道的相邻纵向部分之间的混合装置使沿着管道的第一部分流动的所有流体转向而通过装置中的流体混合装置并使混合的流体返回到管道的第二部分。流体在薄环形下部通道中沿管道纵向流动，所述下部通道绕着UV光源延伸。产生的细流体流中的微生物在其到达靠近光源的范围内时被杀死。混合装置使所有流体流充分混合并返回到流动通道。优选沿着管道的长度设置多个混合装置能够增加所有微生物都接收到足够致死剂量的UV辐射的可能性。
我们早期的工作表面可以在各种饮料和液体的薄膜上实现巴氏杀菌(超过5对数杀灭或99.999％杀灭)。现在已经测试的食品流体(选择为在超市货架上发现的代表性的样品)的范围包括大多数稠密、不透明的液体，如浓缩黑醋栗果汁。
采用浓缩黑醋栗果汁利用0.25mm的膜厚度进行透射率测试。发现浓缩黑醋栗果汁在该距离范围内的UV透射率是0.13％。在该示例中，液体的透射率被描述为传播通过该液体的单位距离下载给定波长处损失的光辐射强度的比率。因此，透射率被以数学条件描述为等比级数并且遵循下述公式；
透射率T＝n-1√(l/lo)
其中
n＝该表达式中的条件的数量，
I＝从0.25mm液体膜射出的光强度，
lo＝液体的表面处的光强度。
我们已经认识到，在UV消毒中，透射率是非常重要的，并且可能对由消毒设备中的液体接收的剂量有最大的改性效果。
我们之前对污水的UV消毒的工作表面，如果在液体中引入湍流，则微生物杀灭率明显地增加。认为这种增加是由于液体暴露至UV辐射而出现的。主要的是注意到，早期的Snowball薄膜测试在没有薄膜湍流的情况下载薄膜上进行的。
如果假设2.5mm厚的薄膜暴露至UV光，则当UV光穿过液体远远地进入该液体时，最靠近灯泡的0.25mm液体将首先被消毒。如果这种2.5mm膜随后充分地混合且随后再次暴露至UV光，则新的2.5mm膜形成，并且因此最靠近灯泡产生新的0.25mm膜。每种液体对UV波长将具有不同的光学密度，并且因此消毒液体与液体的比例将改变。
平均而言，当在2.5mm膜中存在10×0.25mm膜时，所述新的0.25mm膜将由90％新的未被消毒的液体和10％的已消毒液体组成。如果重复该技术，则预期液体的微生物消毒率将以可预测的方式以5.5对数杀灭向着全巴氏杀菌上升。然而，我们现在已经根据重复的UV曝光提供令人惊奇的、远超过预测趋势的消毒率的增加。
图10示出穿过图1中示出的流体消毒设备的截面A-A。如图所示，图10中的UV光源是具有外径200的汞合金灯泡17。UV透射管状套筒11具有内径206和外径202。外套筒11具有内径208和外径204。UV透射管状套筒11和外管状套筒1之间的间隙设置用于流体流动的管状导管12。该导管具有由UV透射套筒的外表面和外套筒的内表面之间的距离限定的径向广度。
该导管为混合装置之间的流体的大致层状流的线性路径。这种流体的层状流被以由导管的体积流量和横截面设定的线性速度沿着该导管被泵送。该大致层状流被沿着大致平行于管状导管的轴线的路径引导。诸如折流板9(在图5中示出)之类的混合装置以均匀隔开的间距沿着该导管分布，并被设置成大致垂直于流体流的方向。(沿着导管或其它位置的)流体流不需要是分层的，并且在一些示例中可以部分地或完全地成湍流。
表1详述采用该设备进行的消毒的示例。在这些示例中，采用具有串联连接在一起的20个UV导管/导管布置的过程模块。每个导管具有沿着其长度等间距地定位的9个混合装置18。每个混合装置18与她的邻居隔开固定的间距，该固定的间距是该导管的长度的十分之一。以这种方式，每种流体样品在每个导管中经历9次混合步骤，并且因此每个导管经历10次UV辐照，以及每个模块经历180次混合200次辐照。流体以3000升每小时的速率通过该模块。
用作全脂牛奶的液体受枯草芽孢杆菌孢子感染。
表1
示例1
在示例1中，具有39mm的外径200的UV透射灯泡套筒11与具有4.75cm的内径208的外套筒1一起使用，以提供具有4.25mm的径向广度和5.77cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.44ms-1。
这种结构产生257mJ/cm2的相对大的能量剂量和相对高的线性速度。
示例2
在示例2中，具有40mm的外径200的UV透射灯泡套筒11与具有44.95mm的内径208的外套筒1一起使用，以提供具有2.48mm的径向广度和3.30cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为2.52ms-1。
在该结构中，流体的线性速度比示例中高很多，并且每段的剂量相当低。这种结构产生合理的剂量，但沿着每个导管的压力降由于灯泡套筒和外导管之间的小尺寸间隙而不希望地高。
示例3
在示例3中，具有40mm的外径200的UV透射灯泡套筒11与具有50mm的内径208的外套筒1一起使用，以提供具有5mm的径向广度和7.07cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.18ms-1。
在该结构中，流体的线性速度稍微低于示例1中的线性速度，并且每段的剂量大约相等。这与该导管上的低压力降结合实现出色的剂量。
示例4
在示例4中，UV透射灯泡套筒11具有42mm的外径200。外套筒1具有52mm的内径208以提供具有6mm的径向广度和7.38cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.13ms-1。
在该结构中，流体的线性速度稍微低于示例1中的线性速度，并且每段的剂量大约相等。可以看到，当灯泡套筒开始增加时，剂量开始下降。在该示例中，压力降由于导管的横截面增加而减小。流体的线性速度降低，因此增加保留时间(在灯泡前面的停留时间)。然而，令人惊奇的是，剂量非常明显地降低，因此看起来停留时间的增加不足以补偿由灯泡套筒直径引起的UV强度的损失。
示例5
在示例5中，UV透射灯泡套筒11具有44mm的外径200。外套筒1具有54mm的内径208以提供具有6mm的径向广度和7.7cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.08ms-1。
示例6
在示例6中，UV透射灯泡套筒11具有46mm的外径200。外套筒1具有52.51mm的内径208以提供具有3.26mm的径向广度和5.04cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.65ms-1。
示例7
在示例7中，UV透射灯泡套筒11具有50mm的外径200。外套筒1具有54.79mm的内径208以提供具有2.4mm的径向广度和3.94cm2的总横截面积的管状导管。导管中的流体的线性速度近似为1.65ms-1。
图11示出用在流体灭菌器中的膨胀接头。灭菌器的外套筒1容纳UV透射套筒11。UV灯泡316设置在UV透射套筒内并由连接器314连接至灭菌器的壳体。套筒1通过膨胀接头318连接至端板2。
膨胀接头318包括两部分式支撑件300，310和可伸展套筒304。支撑件的第一部分310固定至端板2。支撑件的第二部分300固定至套筒1。支撑件的第二部分300被构造成紧密地安装在支撑件的第一部分310周围以被保持在合适的位置中，并且使得支撑件的第一部分可以滑入和滑出第二部分。可伸展套筒304连接在端板2和套筒1上的支架308之间。
典型地，UV透射套筒包括诸如石英之类的材料，外套筒1包括诸如不锈钢之类的材料。本案的发明人已经认识到，希望的是采用被加热至近似90℃的水清洁该设备，但与该套筒和UV透射套筒的不同热膨胀相关联的热应力可能引起单元在清洁期间破裂或损坏。
采用受不同病原体感染的苹果汁、全脂牛奶和桔子汁测试该模块。这些测试的结果在示出UV导管的数量与对数杀灭率之间的关系的曲线图的图12至21中示出。每个测试使相关液体受指定微生物以100000cfu/ml的接种感染。
虽然参照食用流体进行了描述，但本文中描述的过程有利地也可以应用于不可食用的流体，并且特别地应用于柴油。类似地，虽然参照圆筒形几何形状进行了描述，但这些仅仅是特别有利的示例，并且可以采用导管和UV光源的其它结果。

Claims (40)

1.一种流体灭菌器，包括：
流体导管，具有提供用于辐照的表面区域的UV透射壁，其中该导管的横截面在1×10-4m2和5×10-2m2之间，并且该导管的厚度限定邻近UV透射壁的流体流的深度不大于50mm；
UV辐射源，被设置成穿过UV透射壁对在导管中流动的流体进行辐射，使得入射在导管中的流体上的UV辐射具有一UV功率密度；
多个混合级，被配置成在流体中提供湍流并沿着导管的长度隔开，其中位于所述混合级之间的多段导管设置成提供邻近UV透射壁的流动；
流动控制装置，被设置成基于导管的长度和UV功率密度控制流体流沿着导管的线性速度，以便在流体在导管中的停留时间期间将用于辐照的所述表面区域的每平方米至少300焦耳的UV能量提供至流体。
2.根据权利要求1所述的流体灭菌器，其中混合级包括UV透射材料。
3.根据权利要求2所述的流体灭菌器，其中混合级被设置成使得在混合级填充有UV透射流体时，来自UV源的UV光能够到达混合级的内表面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的流体灭菌器，其中流动控制装置被配置使得在使用具有小于200厘泊的粘度的流体时，跨过流体导管的压力降小于8巴。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流体灭菌器，包括膨胀接头，该膨胀接头适于减少由于导管的壁的热膨胀在UV透射壁上引起的应变。
6.根据权利要求6所述的流体灭菌器，其中膨胀接头包括用于保持导管的保持装置以及连接在导管的壁和保持装置之间的弹性装置，并且弹性装置被设置成使得弹性装置是能够压缩或者能够伸展的以适应导管的壁相对于UV透射壁的膨胀或收缩。
7.根据权利要求5或6所述的流体灭菌器，其中保持装置包括环和套环，该套环适于围绕所述环定位使得所述套环的横向运动相对于所述环受到限制。
8.根据权利要求7所述的流体灭菌器，其中弹性装置设置在所述环和套环中的至少一个的内侧。
9.根据权利要求7所述的流体灭菌器，其中弹性装置设置在所述环和套环的外侧。
10.根据前述权利要求中任一项所述的流体灭菌器，其中流动控制装置被构造成控制流体沿着导管的流动，使得折流板之间的流体流的平均线性速度在0.5米/秒和4米/秒之间，优选地，在0.6米/秒和1.6米/秒之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的流体灭菌器，其中流动控制装置被构造成控制流体的流动，使得折流板之间的流体流的平均线性速度在1.0米/秒和1.4米/秒之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的流体灭菌器，其中导管包括圆筒形外壁和包括所述UV透射壁的圆筒形内壁。
13.根据权利要求12所述的设备，其中外壁包括不锈钢。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其中导管的内壁具有至少36mm的内径，并且其中UV辐射源包括具有不大于34mm的外径的管状灯泡。
15.一种对流体进行消毒的方法，包括下述步骤：
沿着具有用于辐照的UV透射壁的流体导管提供流体流，其中导管的横截面在1×10-4m2和1×10-3m2之间，并且该导管的厚度限定邻近UV透射壁的流体流的深度；
通过多个混合级驱动流体流，所述多个混合级被配置成在流体中提供湍流并沿着导管的长度隔开，其中位于所述混合级之间的多段导管设置成提供邻近UV透射壁的流动；
穿过UV透射壁对在导管中流动的流体进行辐射以在流体在位于混合级之间的多段导管中的停留时间期间将每平方米至少300焦耳UV能量的UV能量密度提供至流体。
16.一种流体灭菌器，包括具有UV透射壁和第二壁的导管，其中第二壁的热膨胀系数不同于UV透射壁的热膨胀系数，并且其中灭菌器包括活动装置，该活动装置被构造成移动以适应所述壁的热膨胀或热收缩。
17.根据权利要求16所述的流体灭菌器，其中活动装置包括位于第二壁和UV透射壁中的至少一个中的膨胀接头。
18.根据权利要求16所述的流体灭菌器，其中膨胀接头包括被设置成沿着膨胀方向伸展或压缩的可伸展构件和被设置成在膨胀方向上提供自由游隙并支撑第二壁和UV透射壁中的所述至少一个的支撑件。
19.根据权利要求18所述的流体灭菌器，其中支撑件包括台肩和盖子，该盖子通过可伸展构件连接至台肩并被设置成与台肩协作以支撑第二壁和UV透射壁中的所述至少一个。
20.一种流体处理设备，包括多个相互类似的单元，每个单元包括多个细长管状导管和经由所述多个细长管状导管与流体出口流体连通的流体入口，每个导管具有：
UV透射内壁，与外壁隔开以使得流体流能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动；
多个折流板，沿着导管的长度分布并被设置成大致垂直于流体流的方向；
该流体处理设备还包括流动控制装置，该流动控制装置被配置成控制流体沿着导管的流动使得折流板之间的流体流的平均线性速度在0.8米/秒和1.6米/秒之间。
21.根据权利要求20所述的流体处理设备，其中流动控制装置被配置成控制流体的流动使得折流板之间的流体流的平均线性速度在1.0米/秒和1.4米/秒之间。
22.根据权利要求20或21所述的流体处理设备，其中所述多个相互类似的单元中的每个单元的流体入口连接至共用流体源，并且所述多个相互类似的单元中的每个单元的流体出口连接至共用流体槽，使得所述单元被设置成并行处理流体。
23.根据权利要求20-22中任一项所述的流体处理设备，其中，在每个单元中，所述多个细长管状导管串联设置。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的流体处理设备，其中外壁包括不锈钢管。
25.根据权利要求20-24中任一项所述的流体处理设备，其中导管的内壁的内表面具有至少38.5mm，优选地至少39mm，更优选地至少39.5mm的直径。
26.根据权利要求20-25中任一项所述的流体处理设备，其中导管的外壁的内表面具有小于54mm，优选地小于52mm，更优选地小于51mm的直径。
27.一种对食品流体进行消毒的方法，包括下述步骤：
将流体提供到流体处理设备中，该流体处理设备包括：
细长管状导管，具有：
导管入口、导管出口和UV透射内壁，该UV透射内壁与外壁隔开以使得果汁能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动，其中流体可以流过的导管的横截面具有至少1×10-4m2且小于3×10-3m2的面积；
多个折流板，所述多个折流板沿着导管的长度分布并相对于流动方向以至少70度的角度设置；
用UV辐射穿过UV透射壁辐射流体；
控制果汁的压力使得导管入口和导管出口之间的压力差小于0.4巴且大于0.05巴。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述流体是牛奶、食用油、醋、啤酒和果汁中的一种。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述流体包括具有0.89cP的粘度的水，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加0.55巴和0.65巴之间的压力差，优选地，其中压力差近似为0.582巴。
30.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有55cP和75cP之间的粘度的果汁，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加1.4巴和1.6巴之间的压力差。
31.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有约2cP的粘度的牛奶，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加0.55巴和0.656巴之间的压力差，优选地，其中压力差近似为0.62巴。
32.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有约15cP的粘度的醋，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加0.60巴和0.72巴之间的压力差，优选地，其中压力差近似为0.66巴。
33.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有约60cP的粘度的植物油，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加1.2巴和1.7巴之间的压力差，优选地施加1.46巴的压力差。
34.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有约40cP的粘度的橄榄油，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加0.8巴和1.4巴之间的压力差，优选地，其中压力差近似为1.1巴。
35.根据权利要求27所述的方法，其中流体包括具有约0.95cP的粘度的啤酒，并且其中将流体提供到细长管状导管中的步骤包括跨过导管施加0.4巴和0.8巴之间的压力差，优选地，其中压力差近似为0.59巴。
36.根据权利要求27-35中任一项所述的方法，其中流体流过的导管的横截面至少为2×10-4m2，优选地，至少3×10-4m2，更优选地，至少4×10-4m2。
37.一种对食用油进行消毒的方法，包括下述步骤：
将食用油提供到流体处理设备中，该流体处理设备包括：
细长管状导管，具有：
导管入口、导管出口和UV透射内壁，该UV透射内壁与外壁隔开以使得流体能够沿着管状导管在内壁和外壁之间流动，其中流体可以流过的导管的横截面具有至少1×10-4m2的面积；
多个折流板，所述多个折流板沿着导管的长度分布并相对于流动方向以至少70度的角度设置；
用UV辐射穿过UV透射壁辐射果汁；
控制食用油的压力使得导管入口和导管出口之间的压力差大于0.9巴且小于1.7巴，其中食用油具有至少30cP(mpa.s)且小于70cP(mpa.s)的粘度。
38.根据权利要求37所述的方法，其中流体流过的导管的横截面至少为2×10-4m2，优选地至少为3×10-4m2，更优选地至少为5×10-4m2。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中流体可以流过的导管的横截面小于9×10-4m2，优选地，流体可以流过的导管的横截面小于8×10-4m2。
40.一种对流体进行消毒的方法，包括下述步骤：
使流体以至少0.8米/秒且小于1.8米/秒的速度沿着圆筒形导管流动，其中导管围绕圆筒形UV辐射源，并且导管位于UV辐射源和圆筒形套筒之间的环形间隙中；
将流体流驱动到折流板上以在流体流中提供湍流，其中流体流和折流板之间的角度为至少70度。
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