CN106712745A - 一种复合高压脉冲电场、电场灭菌装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电脉冲产生领域、生物医学和食品加工领域，针对现有技术存在的问题，提供一种复合高压脉冲电场、电场灭菌装置及方法。通过集成电参数检测与波形参数控制于一体的触发控制电路触发微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路，使其按照设定的脉冲波形参数和时序输出微秒、纳秒高压脉冲信号，共同加载到灭菌处理器上，在灭菌处理器上形成预设波形构型的复合高压脉冲电场加载，对被处理材料产生微秒‑纳秒复合高压脉冲电场加载，形成对细菌存活能力和繁殖能力的双重抑制，提升脉冲电场灭菌效能，延长处理后的材料的保质期。

Description

一种复合高压脉冲电场、电场灭菌装置及方法
技术领域
本发明涉及电脉冲产生领域、生物医学和食品加工领域，尤其是一种复合高压脉冲电场、电场灭菌装置及方法。
背景技术
在食品加工和医疗领域，灭菌处理是至关重要的一项工作。目前，工业应用的杀菌方法有加热杀菌、化学药剂杀菌、强光灭菌等，这些灭菌方法虽然能够杀灭细菌，但由于这些灭菌方法存在可能引起被处理物成分改变或化学物质残留等问题，使其应用存在一定的局限性。例如，加热杀菌常会使被处理物(例如食品)发生物理或化学性质的变化，造成其色、香、味、组织结构的改变及营养价值的下降，严重影响食品的质量。化学药剂杀菌会使得被处理物中存在化学药剂残留。强光灭菌则由于光的穿透能力的限制使其限于表面处理。脉冲电场灭菌是近年来新兴的灭菌技术，美国、德国、日本等国发表了大量关于电场灭菌的研究报告。Elzakhem报道了使用电场处理生长初期的啤酒酵母，证实电场处理能够达到良好的灭菌效果。Malicki等人研究了高压脉冲电场对液态蛋白中大肠杆菌致死率的影响，结果表明脉冲电场处理后大肠杆菌下降了4个对数级，同时营养成分几乎没有损失。2001年美国俄亥俄州立大学(OSU)建成了第一台用于电场灭菌的固态高压脉冲发生器。该大学与DTI公司合作制造了世界上第一台具有商业化规模的脉冲电场处理系统，每小时可以处理1000L-5000L的液体食品。我国脉冲电场杀菌技术虽然起步较晚，但发展迅速。中国农业大学、吉林大学、清华大学、浙江大学、西安交通大学、江南大学、华南理工大学、福建农林大学、重庆大学等均开展了相关研究工作，并在电场灭菌机理等方面取得了一些认识。但是目前此类装置基本上都是采用宽度大于数微秒的高压脉冲电场进行灭菌处理，单纯采用这种电场灭菌方法，由于含菌液体(例如新鲜牛奶或鲜榨果汁)的击穿场强与电场持续作用时间t相关(基本上与t-1/3(负三分之一次方)呈线性关系)，脉冲宽度越大，击穿场强越低，允许加载的脉冲电场强度也越低，因此，难以实现高场强高效率灭菌，且对含菌液体中的芽孢或者病毒几乎没有作用，不具有广谱性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种复合高压脉冲电场、电场灭菌装置及方法，在脉冲产生领域，通过现有的触发控制电路触发复合微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路，以产生微秒、纳秒高压脉冲信号，通过控制微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路放电时间间隔和顺序，产生复合高压脉冲电场信号；在生物医学和食品加工领域，通过上述复合高压脉冲电场产生方法或装置产生的复合高压脉冲电场信号给处理室中的含菌液体施加电脉冲P1，在含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的宽脉冲电场；在P1作用同时、起始之前或结束后较短时间内，对被处理含菌液体施加脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场，最终建立宽窄复合脉冲电场对含菌液体进行灭菌处理。
本发明采用的技术方案如下：
一种复合高压脉冲电场产生装置包括：
直流高压电源，用于将市电经整流升压得到直流高电压信号；并同时给微秒高压脉冲形成电路以及纳秒高压脉冲形成电路供电；
触发控制电路，用于控制直流高压电源、微秒高压脉冲形成电路及纳秒高压脉冲形成电路，并根据微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路储能电容器的充电情况、以及根据实验目的设定的微秒脉冲和纳秒脉冲时序、重复频率、脉冲宽度分别对微秒高压脉冲形成电路及纳秒高压脉冲形成电路发送对应触发信号；触发控制电路检测微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路储能电容器的充电情况，并根据检测数据调整直流高压电源对微秒、纳秒脉冲形成电路储能电容器的充电速率，使微秒、纳秒脉冲形成电路储能电容器的电压满足系统脉冲幅值、时序、重复频率和脉冲宽度的要求；
微秒高压脉冲形成电路，用于通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生微秒高压脉冲信号；
纳秒高压脉冲形成电路，用于通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生纳秒高压脉冲信号；
微秒高压脉冲形成电路产生的微秒高压脉冲信号以及纳秒高压脉冲形成电路产生的纳秒高压脉冲信号共同加载到负载空间形成复合高压脉冲电场；
所述纳秒高压脉冲形成电路包括第一充电电阻1、第一高压开关2、第一高压臂电阻3和第一低压臂电阻4、第一储能电容器5、第一脉冲变压器6、第一高压整流硅堆7、第一放电电容器8、锐化开关9、第一脉冲高压隔离硅堆10；直流高压电路模块与第一充电电阻1一端连接；第一充电电阻1另一端分别与第一高压开关2高压端、第一高压臂电阻3一端、第一储能电容器5一端连接；第一高压开关2低压端与地连接；第一高压臂电阻3另一端与第一低压臂电阻4一端连接，低压臂电阻4另一端与地连接；第一储能电容器5另一端与第一脉冲变压器6原边高压端连接，第一脉冲变压器6副边高压端与第一高压整流硅堆7一端连接，第一脉冲变压器6原边和副边低压端分别与地连接；第一高压整流硅堆7另一端分别与第一放电电容器8一端和锐化开关9一端连接，第一放电电容器8另一端与地连接；锐化开关9另一端与第一脉冲高压隔离硅堆10一端连接；第一脉冲高压隔离硅堆10另一端作为纳秒高压脉冲形成电路输出端。一般要求第一储能电容器5容值与第一放电电容器8的容值匹配或大于与第一放电电容器8的匹配容值，即C5≥nC8，n为变压器变比。在C5>nC8时，需在第一储能电容器5两端并联一个大电流脉冲硅堆，以防止第一储能电容器5反向充电。
进一步的，所述微秒高压脉冲形成电路包括第二充电电阻12、第二储能电容器13、第二高压臂电阻14和第二低压臂电阻15、第二高压开关16、第二高压硅堆17、第二脉冲变压器18、第二脉冲高压隔离硅堆19；直流高压电路模块与第二充电电阻12一端连接；第二充电电阻12另一端分别与第二储能电容器13一端、第二高压臂电阻14一端、第二高压开关16高压端连接；第二储能电容器13另一端与地连接；第二高压臂电阻14另一端与第二低压臂电阻15一端连接，第二低压臂电阻15另一端与地连接；第二高压开关16低压端分别与第二高压硅堆17一端、第二脉冲变压器18原边高压端连接，第二高压硅堆17另一端及第二脉冲变压器18原边低压端与地连接；第二脉冲变压器18副边高压端与第二脉冲高压隔离硅堆19一端连接，第二脉冲高压隔离硅堆19另一端作为微秒高压脉冲形成电路输出端；第二储能电容器13容值远远大于第一储能电容器5容值(一般大于10倍以上)；如第二储能电容器13与第一储能电容器5充电电压相同，第一脉冲变压器6变比大于第二脉冲变压器18变比，推荐第一脉冲变压器6变比取为第二脉冲变压器18变比的三倍以上。
进一步的，所述触发控制电路输出的控制信号控制直流高压电路模块将得到的直流高电压通过第二充电电阻12对储能电容器13充电，当触发控制电路检测第二高压臂电阻14与第二低压臂电阻15公共点电压达到设定值，即检测储能电容器13的充电电压达到设定值时，触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发第二高压开关16闭合，此时第二储能电容器13对第二脉冲变压器18的原边放电，在脉冲变压器18的副边耦合产生微秒高压脉冲。
进一步的，所述第二储能电容器13放电过程之前、同时或者放电结束，触发控制电路输出触发脉冲Trig1触发第一高压开关2闭合，此时第一储能电容器5对第一脉冲变压器6的原边放电，在脉冲变压器的副边高压端耦合产生的高压脉冲对第一放电电容器8充电，当第一放电电容器8充电达到峰值时，第一锐化开关9导通，第一放电电容器8通过第一锐化开关9放电产生纳秒高压脉冲；第一高压开关2、第二高压开关16均为绝缘自恢复闭合开关，推荐采用全控开关。尤其是对于要求运行频率较高的装置，推荐采用半导体全控开关，如IGBT组件或晶闸管组件。锐化开关9采用高压快速闭合开关，推荐采用磁开关。
一种复合高压脉冲电场产生方法包括：
步骤1：直流高压电源将市电经逆变、升压、整流得到直流高电压信号；并同时给微秒高压脉冲形成电路以及纳秒高压脉冲形成电路供电；
触发控制电路通过直流高压电源供电，并根据微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路的储能电容器的充电情况分别对应发送微秒高压脉冲电路触发信号、纳秒高压脉冲电路触发信号；
微秒高压脉冲形成电路通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生微秒高压脉冲信号；
纳秒高压脉冲形成电路通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生纳秒高压脉冲信号；
微秒高压脉冲形成电路产生的微秒高压脉冲信号以及纳秒高压脉冲形成电路产生的纳秒高压脉冲信号共同加载到负载空间形成复合高压脉冲电场；
所述纳秒高压脉冲形成电路包括第一充电电阻1、第一高压开关2、第一高压臂电阻3和第一低压臂电阻4、第一储能电容器5、第一脉冲变压器6、第一高压整流硅堆7、第一放电电容器8、锐化开关9、第一脉冲高压隔离硅堆10；直流高压电路模块与第一充电电阻1一端连接；第一充电电阻1另一端分别与第一高压开关2高压端、第一高压臂电阻3一端、储能电容器5一端连接；第一高压开关2低压端与地连接；第一高压臂电阻3另一端与第一低压臂电阻4一端连接，低压臂电阻4另一端与地连接；第一储能电容器5另一端与第一脉冲变压器6原边高压端连接，第一脉冲变压器6副边高压端与第一高压整流硅堆7一端连接，第一脉冲变压器6原边和副边低压端分别与地连接；第一高压整流硅堆7另一端分别与第一放电电容器8一端和锐化开关9一端连接，第一放电电容器8另一端与地连接；锐化开关9另一端与第一脉冲高压隔离硅堆10一端连接；第一脉冲高压隔离硅堆10另一端作为纳秒高压脉冲形成电路输出端；一般要求第一储能电容器5容值与第一放电电容器8的容值匹配或大于与第一放电电容器8的匹配容值，即C5≥nC8，n为变压器变比。在C5>nC8时，需在第一储能电容器5两端并联一个大电流脉冲硅堆，以防止第一储能电容器5反向充电。
进一步的，所述微秒高压脉冲形成电路包括包括第二充电电阻12、第二储能电容器13第二高压臂电阻14和第二低压臂电阻15、第二高压开关16、第二高压硅堆17、第二脉冲变压器18、第二脉冲高压隔离硅堆19；直流高压电路模块与第二充电电阻12一端连接，第二充电电阻12另一端分别与第二储能电容器13一端、第二高压臂电阻14一端、第二高压开关16高压端连接，第二储能电容器13另一端与地连接；第二高压臂电阻14另一端与第二低压臂电阻15一端连接，第二低压臂电阻15另一端与地连接；第二高压开关16低压端分别与第二高压硅堆17一端、第二脉冲变压器18原边高压端连接，第二高压硅堆17另一端及第二脉冲变压器18原边低压端与地连接；第二脉冲变压器18副边高压端与第二脉冲高压隔离硅堆19一端连接，第二脉冲高压隔离硅堆19另一端作为微秒高压脉冲形成电路输出端；第二储能电容器13容值远远大于第一储能电容器5容值(一般大于10倍以上)；如第二储能电容器13与第一储能电容器5充电电压相同，第一脉冲变压器6变比大于第二脉冲变压器18变比，推荐第一脉冲变压器6变比取为第二脉冲变压器18变比的三倍以上。
进一步的，所述触发控制电路输出的控制信号控制直流高压电路模块将得到的直流高电压通过第二充电电阻12对储能电容器13充电，当触发控制电路检测第二高压臂电阻14与第二低压臂电阻15公共点电压达到设定值，即检测储能电容器13的充电电压达到设定值时，触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2第二触发高压开关16闭合，此时第二储能电容器13对第二脉冲变压器18的原边放电，在脉冲变压器18的副边耦合产生微秒高压脉冲。
进一步的，所述第二储能电容器13放电过程之前、同时或者放电结束，触发控制电路输出触发脉冲Trig1触发第一高压开关2闭合，此时第一储能电容器5对第一脉冲变压器6的原边放电，在脉冲变压器的副边高压端耦合产生的高压脉冲对第一储电容器8充电，当第一储电容器8充电达到峰值时，第一锐化开关9饱和导通，第一放电电容器8通过第一锐化开关9放电产生纳秒高压脉冲；第一高压开关2、第二高压开关16均为绝缘自恢复闭合开关，推荐采用全控开关。尤其是对于要求运行频率较高的装置，推荐采用半导体全控开关，如IGBT组件或晶闸管组件。锐化开关9采用高压快速闭合开关，推荐采用磁开关。
电场灭菌方法包括：
步骤11：将处理室连接入含菌液体输送系统中，使含菌液体能够流过处理室内部处理腔，处理腔是由高、低压金属电极和绝缘材料围成的一个或一组可供被处理物料通过的通道，设计上应保证所有通过处里腔的被处理物料均能够受到强度大于等于设定电场强度的电场的作用；金属电极和绝缘材料应选择不会与被处理物料发生或催化化学反应的材料。
步骤12：将处理室高、低压电极分别对应与权利要求5至7之一所述的微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路连接；使得处理室作为复合高压脉冲电路的负载；
步骤13：开启含菌液体输送系统，将含菌液体充满处理室内处里腔；
步骤14：对被处理含菌液体施加微秒高压脉冲形成电路产生的微秒电压脉冲，微秒电压脉冲的脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1，在被处理含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的宽脉冲电场；
步骤15：在P1作用同时、起始之前或结束后T时间内，对被处理含菌液体施加纳秒高压脉冲，纳秒高压脉冲的脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场，最终形成宽窄复合脉冲电场对含菌液体进行灭菌处理；T为微秒脉冲和纳秒脉冲起始时间间隔，推荐取为1毫秒以下；其中第一放电电容器8的容值一般取为等于处理室等效电容值。
电场灭菌装置还包括含菌液体输送系统、处理室；处理室连接入含菌液体输送系统中，使含菌液体能够流过处理室内部含菌液体处理腔；
将处理室高、低压电极分别对应与权利要求5至7之一所述的微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路连接；使得处理室作为复合高压脉冲电场的负载；
含菌液体输送系统开启时，将含菌液体充满处理室内部腔体；
对被处理含菌液体施加微秒高压脉冲形成电路产生的微秒电压脉冲，微秒电压脉冲的脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1，在含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的宽脉冲电场；
在P1作用同时、起始之前或结束后T时间内，对被处理含菌液体施加纳秒高压脉冲，纳秒高压脉冲的脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场，最终建立宽窄复合脉冲电场对含菌液体进行灭菌处理；T为微秒脉冲和纳秒脉冲起始时间间隔，推荐取为1毫秒以下；第一放电电容器8的容值一般取为等于处理室等效电容值。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
首先对被处理含菌液体施加脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1，在含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的脉冲电场。在P1作用期间或P1结束后较短时间内，对被处理含菌液体施加脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场。该窄脉冲电场叠加在P1建立的宽脉冲电场之上或紧接其前后作用到含菌液体中的细菌、芽孢或病毒上，对细菌、芽孢或病毒形成复合杀伤作用。本发明能够在极短时间内杀灭含菌液体中细菌、芽孢以及病毒，且用于食品灭菌时，灭菌处理后的食品无蒸煮味，基本保留了原有的风味和营养成分。
所述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法为动态处理方式，含菌液体输送系统将被处理含菌液体以一定的速度输送通过处理室，高压脉冲电源系统以一定的重复频率工作，对含菌液体进行微秒纳秒复合高压脉冲电场灭菌处理，处理后的液体能够满足商业或生物医学无菌的要求。
所述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，所述含菌液体可为医疗用液体(例如注射用生理盐水)、生物及医疗废液以及液态食品(例如牛奶、果汁、饮料等、或者它们的混合物)；
上述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，步骤(1)中处理室内部腔体间隙大小可根据实际需要进行调整。
上述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，步骤(3)须确保处理室的出液口有液体流出、腔体充满含菌液体后才能进行下一步操作，避免加载高压电脉冲时放电击穿现象发生。
上述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，步骤(4)中所述的电脉冲P1为准矩形方波脉冲，其持续时间可为500ns-30μs，具体可根据含菌液体的介质特性、流速以及处理室内部腔体间隙大小确定。在P1和P2脉冲产生的电场作用下，如果电场强度足够大，蛋白质分子会被推离双磷脂层，在细胞膜上形成穿孔，导致细胞质外泄或细胞膜外物质进入细胞内，使细胞死亡或进入程序性凋亡状态。
上述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，步骤(5)中所述的较短时间(即T值)推荐取1毫秒以下，一般不超过200ns，具体时间根据灭菌处理工艺确定；
上述纳秒微秒复合高压脉冲电场灭菌方法中，步骤(5)中所述的电脉冲P2为指数衰减波，其持续时间可为5ns-50ns，具体可根据含菌液体的介质特性、流速以及处理室内部腔体间隙大小确定。P2用于对细菌、芽孢或病毒中的极性物质产生较大强度的冲击性加载。
采用这种复合电场灭菌方法，可提高电场灭菌效率，同时实现广谱灭菌。另一方面，由于采用该方法可降低P1的脉冲幅值，而P2的脉冲宽度又较小，因此，可降低总的能量耗费。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1本发明复合高压脉冲电场原理框图。
图2本发明复合高压脉冲电场电路图。
图3本发明复合高压电脉冲波形示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明相关说明：
1、处理室是含有两个电极(正、负电极)对细菌液体施加电场的腔体及其附属部件。
2、液体输送系统是与处理室相连，使处理室中的液体能流动的系统。含菌液体输送系统指的是输送含有细菌的液体的由泵(含驱动马达)、管道、阀门、储液罐(或储液池)及电气控制板(柜)组成的系统。
复合电场灭菌工作原理是：采用脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1和脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2对含菌液体进行复合加载。首先，利用脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1建立的电场，使含菌液体中的细菌在电场力的作用下，由于极化作用，细胞膜上的蛋白质两端和细胞膜的磷脂分子均呈现极化电荷。由于蛋白质和磷脂分子的极化特性存在差异，使镶嵌在双磷脂层上的蛋白质分子与双磷脂层之间呈现相对运动，不同极化特性的物质分子之间形成张紧状态。此时，对其施加脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，由于含菌液体的击穿场强与电场持续作用时间t相关(基本上与t-1/3(负三分之一次方)呈线性关系)，随着脉冲持续时间的降低，液体的脉冲击穿强度提高，对持续时间为数纳秒至数十纳秒的脉冲电场而言，可在含菌液体中建立电场强度极高的脉冲电场。当P2建立的电场作用于含菌液体中的细菌、芽孢或病毒时，由于其电场强度远高于P1建立的电场的电场强度，在极性物质分子上形成强度较大的冲击性电场力作用，使极性物质分子与其附着物质分离，甚至可使极性长链分子构型及其团聚状态改变。细胞、细菌及其芽孢、病毒的生物活性物质基本上都属于极性物质，因此，该方法可实现广谱性灭菌。另一方面，由于不同种类的细胞、细菌及其芽孢、病毒的生物活性物质存在差异，其对脉冲电场特别是脉宽为数纳秒到数十纳秒的短脉冲及其与微秒脉冲的组合的响应也存在差异，这使得可以通过选择合适脉冲宽度的短脉冲及其与微秒脉冲的组合实现对细胞、细菌及其芽孢、病毒进行选择性杀灭。因此该方法还可以实现选择性灭菌。由于P1脉冲的幅度相对较低，不会对含菌液体产生加热效应，可避免造成不希望发生的化学反应。该方法不需要使用化学助剂，因此，也不存在化学残留问题。
该技术方案由直流高压电路模块、微秒纳秒高压脉冲形成电路模块、同步触发控制电路模块构成，产生的微秒、纳秒高压脉冲加载在处理室上后形成微秒、纳秒复合高压脉冲电场。直流高压电路模块是市电经过逆变、升压、整流后产生直流高电压。微秒、纳秒高压脉冲形成电路模块是本发明方法的重点，其功能是产生微秒、纳秒高压脉冲并按照同步触发控制电路模块设定的时序对灭菌处理器形成对被处理材料的复合加载。同步触发控制电路模块主要输出控制信号对直流高压电路模块进行控制，并且产生两路具有一定时间间隔的触发信号分别控制微秒、纳秒高压脉冲形成电路模块中的高压开关器件闭合导通。对被处理材料采用微秒、纳秒复合高压脉冲电场加载方法杀灭细菌、芽孢和病毒是本发明方法的核心，通过在对被处理材料施加微秒高强度脉冲电场作用的同时、起始之前或结束之后较短时间内对被处理材料施加高强度纳秒脉冲电场作用，使细菌、芽孢和病毒中的极性物质分子本身及其与其邻近物质之间(例如细胞膜上的蛋白质和磷脂分子))在微秒脉冲作用下张紧，再利用纳秒脉冲电场作用使其受到冲击，使极性物质分子本身及其与其邻近物质之间的结构关系受到破坏，进而杀灭细菌、芽孢和病毒或使其失去活性；或使细菌、芽孢和病毒中的极性物质分子本身及其与其邻近物质之间的结构先受到纳秒脉冲的冲击，随后受到微秒脉冲作用形成张紧和脱离作用，同样地使极性物质分子本身及其与其邻近物质之间的结构关系受到破坏，进而杀灭细菌、芽孢和病毒或使其失去活性。
电路框图如图1所示：同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块输入端、微秒高压脉冲形成电路模块输入端、纳秒高压脉冲形成电路模块输入端电连接；直流高压电路模块分别与微秒高压脉冲形成电路模块输入端、纳秒高压脉冲形成电路模块输入端电连接；处理室分别与微秒高压脉冲形成电路模块输出端、纳秒高压脉冲形成电路模块输出端电连接。直流高压电路模块是本技术方案的输入端，其功能是将市电经逆变、升压、整流得到直流高电压；微秒、纳秒高压脉冲形成电路模块的功能是分别产生灭菌处理所需的微秒、纳秒高压脉冲；产生的微秒、纳秒脉冲按一定的时序加载到处理室上形成微秒、纳秒复合高压脉冲电场；同步触发控制电路模块输出触发控制信号，分别对微秒、纳秒高压脉冲形成电路模块、直流高压电路模块进行触发控制。
具体电路设计如图2所示。纳秒高压脉冲形成电路包括高压开关2、高分压器(由电阻3和电阻4构成)、储能电容器5、脉冲变压器6、高压整流硅堆7、放电电容器8、锐化开关9、第一脉冲高压隔离硅堆10构成。微秒高压脉冲形成电路包括储能电容器13、高压分压器(由电阻14与电阻15构成)、高压开关16、高压硅堆17、脉冲变压器18、第二脉冲高压隔离硅堆19构成。电阻20和电容21并联构成处理室的等效负载。直流高压电路模块分别与充电电阻1和充电电阻12一端连接。纳秒高压脉冲形成电路的连接关系为：充电电阻1一端与直流高压电路模块连接，充电电阻1另一端分别与高压开关2高压端、高压分压器高压臂电阻3一端、储能电容器5一端连接，高压开关2低压端与地连接；高压分压器高压臂电阻3另一端与高压分压器低压臂电阻4一端连接，高压分压器低压臂电阻4另一端与地连接；储能电容器5另一端与脉冲变压器6原边高压端连接，脉冲变压器6副边高压端与高压硅堆7一端连接，脉冲变压器6原边和副边低压端分别与地连接；高压硅堆7另一端分别与放电电容器8一端和锐化开关9一端连接；放电电容器8另一端与地连接；锐化开关9另一端与第一脉冲高压隔离硅堆10一端连接；第一脉冲高压隔离硅堆10另一端与处理室的等效负载电阻20和电容21一端连接，处理室的等效负载电阻20和电容21另一端与地连接。微秒高压脉冲形成电路的连接关系为：充电电阻12一端与直流高压电路模块连接，充电电阻12另一端分别与储能电容器13一端、高压分压器高压臂电阻14一端、高压开关16高压端连接，储能电容器13另一端与地连接；高压分压器高压臂电阻14另一端与高压分压器低压臂电阻15一端连接，高压分压器低压臂电阻15另一端与地连接；高压开关16低压端分别与高压硅堆17一端、脉冲变压器18原边高压端连接，高压硅堆17另一端及脉冲变压器18原边低压端与地连接；脉冲变压器18副边高压端与第二脉冲高压隔离硅堆19一端连接，第二脉冲高压隔离硅堆19另一端与处理室的等效负载电阻20和电容21一端连接。在该技术方案中，将市电逆变、升压、整流后得到直流电压以及同步触发控制电路模块均是成熟技术，所以图2中未将这两部分做详细描述，同步触发控制电路模块在图2中采用带输入输出信号线的同步触发控制电路模块框图表示，将直流高压电路模块11对应图1中的直流高压电路模块；图中CTR1控制直流高压电路模块对储能电容器5和13进行充电，Sig1、Sig2分别是高压分压器的输出信号，Trig1、Trig2分别是同步触发控制电路模块产生的触发信号，分别触发高压开关2和16。
本技术方案的工作过程为：首先，直流高压电路模块11将市电进行逆变、升压、整流得到直流高电压；其次，同步触发控制电路模块输出的控制信号Ctr1控制直流高压电路模块将得到的直流高电压通过充电电阻1、充电电阻12分别对储能电容器5和储能电容器13充电，当通过由高压臂电阻3、低压臂电阻4构成的纳秒脉冲电路模块高压分压器和由高压臂电阻14、低压臂电阻15构成的微秒脉冲电路模块高压分压器分别检测到储能电容器5和储能电容器13的充电电压达到设定值时，返回信号Sig1、Sig2到同步触发控制电路模块；此时，同步触发控制电路模块按照设定时序输出触发脉冲Trig2触发高压开关16闭合，此时储能电容器13对脉冲变压器18的原边放电，在脉冲变压器18的副边耦合产生微秒高压脉冲；储能电容器13放电过程之前、同时或者放电结束较短时间内，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig1触发高压开关2闭合，此时储能电容器5对脉冲变压器6的原边放电，在脉冲变压器的副边高压端耦合产生的高压脉冲对放电电容器8充电，当放电电容器8充电达到峰值时，锐化开关9导通，放电电容器8通过锐化开关9放电产生纳秒高压脉冲；上述产生的具有一定时序关系的微秒、纳秒复合高压脉冲共同加载在处理室的等效电阻20和等效电容21两端，在处理室上形成微秒、纳秒复合高压脉冲电场。通过同步触发控制电路模块控制高压开关2、高压开关16反复闭合，就能在处理室上产生重复频率的微秒、纳秒复合高压脉冲电场。储能电容器5和储能电容器13的工作电压可以相同，也可以不同，在储能电容器5和储能电容器13的工作电压不相同时，可以通过调整充电电阻1和充电电阻12的阻值使储能电容器5和储能电容器13同步达到工作电压设定值，也可以通过在充电电阻1和充电电阻12前后串联充电控制开关，通过同步触发控制电路模块控制充电控制开关来控制对储能电容器5和储能电容器13充电量，在图2中该充电方式设计包括在控制信号Ctr1中。
如果要处理室上产生幅值75kV/cm、宽度为2μs的微秒高压脉冲电场并且在微秒高压脉冲电场作用结束后产生幅值175kV/cm、宽度50ns的纳秒高压脉冲，其参数选择和工作流程为：设定处理室间隙距离为2mm；设定储能电容器5和高压开关2的工作电压为10kV；设定储能电容器13和高压开关16的工作电压为4kV；脉冲变压器6和脉冲变压器18的初、次级变比均为1：4，如图2构成以后，开始工作。通过同步触发控制电路模块设定储能电容器5充电电压为10kV，设定储能电容器13充电电压为4kV，设定两路触发信号时间间隔为2μs，当经过直流高压电路模块11逆变、升压、整流的直流高电压将储能电容器5、储能电容器13充电到设定值以后，通过高压分压器将信号返回到同步触发控制电路模块，同步触发控制电路模块输出触发信号Trig2触发高压开关16闭合，储能电容器13对脉冲变压器18(耦合系数约0.94)原边放电，在脉冲变压器18副边产生幅度为15kV的微秒高压脉冲，该微秒高压脉冲加载到处理室后形成幅值75kV/cm、宽度2μs的微秒高压脉冲电场；在微秒高压脉冲电路放电即将结束时，由同步触发控制电路模块输出触发信号Trig1，触发高压开关2闭合，储能电容器对脉冲变压器6(耦合系数约0.94)原边放电，在脉冲变压器副边产生37.6kV的高压脉冲对放电电容器8充电，当放电电容器8达到37.6kV时，锐化开关9导通，放电电容器8通过锐化开关放电产生纳秒高压脉冲(脉冲形成系数0.93)，该高压脉冲(幅值约35kV)在微秒高压脉冲结束时刻加载到处理室上形成纳秒高压脉冲电场。微秒纳秒复合高压脉冲的波形图如图3所示，其中横轴为500ns/格，纵轴为10kV/格。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种复合高压脉冲电场产生装置，其特征在于包括：
直流高压电源，用于将市电经逆变、升压、整流得到直流高电压信号；并同时给微秒高压脉冲形成电路以及纳秒高压脉冲形成电路供电；
触发控制电路，用于控制直流高压电源、微秒高压脉冲形成电路及纳秒高压脉冲形成电路，并根据微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路储能电容器的充电情况、以及根据实验目的设定的微秒脉冲和纳秒脉冲时序、重复频率、脉冲宽度分别对微秒高压脉冲形成电路及纳秒高压脉冲形成电路发送对应触发信号；触发控制电路检测微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路储能电容器的充电情况，并根据检测数据调整直流高压电源对微秒、纳秒脉冲形成电路储能电容器的充电速率，使微秒、纳秒脉冲形成电路储能电容器的电压满足系统脉冲幅值、时序、重复频率和脉冲宽度的要求；
微秒高压脉冲形成电路，用于通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生微秒高压脉冲信号；
纳秒高压脉冲形成电路，用于通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生纳秒高压脉冲信号；
微秒高压脉冲形成电路产生的微秒高压脉冲信号以及纳秒高压脉冲形成电路产生的纳秒高压脉冲信号共同加载到灭菌处理器上形成复合高压脉冲电场；
所述纳秒高压脉冲形成电路包括第一充电电阻(1)、第一高压开关(2)、第一高压臂电阻(3)和第一低压臂电阻(4)、第一储能电容器(5)、第一脉冲变压器(6)、第一高压整流硅堆(7)、第一放电电容器(8)、锐化开关(9)、第一脉冲高压隔离硅堆(10)；直流高压电源模块与第一充电电阻(1)一端连接；第一充电电阻(1)另一端分别与第一高压开关(2)高压端、第一高压臂电阻(3)一端、储能电容器(5)一端连接；第一高压开关(2)低压端与地连接；第一高压臂电阻(3)另一端与第一低压臂电阻(4)一端连接，低压臂电阻(4)另一端与地连接；储能电容器(5)另一端与第一脉冲变压器(6)原边高压端连接，第一脉冲变压器(6)副边高压端与第一高压整流硅堆(7)一端连接，第一脉冲变压器(6)原边和副边低压端分别与地连接；第一高压整流硅堆(7)另一端分别与第一放电电容器(8)一端和锐化开关(9)一端连接，第一放电电容器(8)另一端与地连接；锐化开关(9)另一端与脉冲高压隔离硅堆(10)一端连接；脉冲高压隔离硅堆(10)另一端作为纳秒高压脉冲形成电路输出端；一般要求第一储能电容器(5)容值与第一放电电容器(8)的容值匹配或大于与第一放电电容器(8)的匹配容值，即C5≥nC8，n为变压器变比；在C5>nC8时，需在第一储能电容器(5)两端并联一个大电流脉冲硅堆，以防止第一储能电容器(5)反向充电。
2.根据权利要求1所述的一种复合高压脉冲电场产生装置，其特征在于所述微秒高压脉冲形成电路包括第二充电电阻(12)、第二储能电容器(13)、第二高压臂电阻(14)和第二低压臂电阻(15)、第二高压开关(16)、第二高压硅堆(17)、第二脉冲变压器(18)、第二脉冲高压隔离硅堆(19)；第二充电电阻(12)一端直流高压电源高压输出端相连接，第二充电电阻(12)另一端分别与第二储能电容器(13)一端、第二高压臂电阻(14)一端、第二高压开关(16)高压端连接；第二储能电容器(13)另一端与地连接；第二高压硅堆(17)一端与第二高压开关(16)一端连接，第二高压硅堆另一端(17)与地连接；第二高压臂电阻(14)另一端与第二低压臂电阻(15)一端连接，第二低压臂电阻(15)另一端与地连接；第二高压开关(16)低压端与第二脉冲变压器(18)原边高压端连接，第二脉冲变压器(18)原边低压端与地连接；第二脉冲变压器(18)副边高压端与第二脉冲高压隔离硅堆(19)一端连接，第二脉冲高压隔离硅堆(19)另一端作为微秒高压脉冲形成电路输出端；第二储能电容器(13)容值远远大于第一储能电容器(5)容值；如第二储能电容器(13)与第一储能电容器(5)充电电压相同，第一脉冲变压器(6)变比大于第二脉冲变压器(18)变比，推荐第一脉冲变压器(6)变比取为第二脉冲变压器(18)变比的三倍以上。
3.根据权利要求2所述的一种复合高压脉冲电场产生装置，其特征在于所述触发控制电路输出的控制信号控制直流高压电路模块将得到的直流高电压通过第二充电电阻(12)对第二储能电容器(13)充电，当触发控制电路检测到第二高压臂电阻(14)与第二低压臂电阻(15)公共点电压达到设定值，即检测第二储能电容器(13)的充电电压达到设定值时，使触发控制电路模块按照设定频率和时序输出触发脉冲Trig2触发第二高压开关(16)使其闭合，此时第二储能电容器(13)对第二脉冲变压器(18)的原边放电，在第二脉冲变压器(18)的副边产生微秒高压脉冲输出。
4.根据权利要求3所述的一种复合高压脉冲电场产生装置，其特征在于所述第二储能电容器(13)放电过程之前、同时或者放电结束，触发控制电路按照设定频率和时序输出触发脉冲Trig1触发第一高压开关(2)使其闭合，此时第一储能电容器(5)对第一脉冲变压器(6)的原边放电，脉冲变压器的副边高压端输出的高压脉冲对第一放电电容器(8)充电，当第一放电电容器(8)充电达到峰值时，锐化开关(9)导通，第一放电电容器(8)通过锐化开关(9)放电产生纳秒高压脉冲；第一高压开关(2)、第二高压开关(16)均为绝缘自恢复闭合开关，优选全控开关；尤其是对于要求运行频率较高的装置，优选采用半导体全控开关，例如IGBT组件或晶闸管组件；锐化开关(9)是高压快速闭合开关，优选磁开关。
5.一种复合高压脉冲电场产生方法，其特征在于包括：
步骤1：直流高压电源将市电经整流升压得到直流高电压输出；并同时给微秒高压脉冲形成电路以及纳秒高压脉冲形成电路供电；
步骤2:触发控制电路通过市电电源供电，并根据微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路的储能电容器的充电情况以及设定的脉冲重复频率和时序分别对应发送微秒高压脉冲形成电路触发信号、纳秒高压脉冲形成电路触发信号；触发控制电路还根据微秒高压脉冲形成电路的储能电容器充电情况、纳秒高压脉冲形成电路的储能电容器的充电情况的检测数据调整直流高压电源对微秒高压脉冲形成电路的储能电容器和纳秒高压脉冲形成电路的储能电容器的充电速率，以使其与设定的重复频率和时序参数匹配；触发控制电路输出的触发脉冲信号幅值、波形和脉冲宽度需要根据第一高压开关(2)和第二高压开关(16)的特性确定；
步骤3：微秒高压脉冲形成电路通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生微秒高压脉冲信号；
步骤4：纳秒高压脉冲形成电路通过直流高压电源进行充电，并根据触发控制电路发送的触发信号产生纳秒高压脉冲信号；
步骤5：微秒高压脉冲形成电路产生的微秒高压脉冲信号以及纳秒高压脉冲形成电路产生的纳秒高压脉冲信号共同加载到负载空间形成复合高压脉冲电场；
其中，所述纳秒高压脉冲形成电路包括第一充电电阻(1)、第一高压开关(2)、第一高压臂电阻(3)和第一低压臂电阻(4)、第一储能电容器(5)、第一脉冲变压器(6)、第一高压整流硅堆(7)、第一放电电容器(8)、锐化开关(9)、第一脉冲高压隔离硅堆(10)；直流高压电路模块与第一充电电阻(1)一端连接；第一充电电阻(1)另一端分别与第一高压开关(2)高压端、第一高压臂电阻(3)一端、储能电容器(5)一端连接；第一高压开关(2)低压端与地连接；第一高压臂电阻(3)另一端与第一低压臂电阻(4)一端连接，低压臂电阻(4)另一端与地连接；第一储能电容器(5)另一端与第一脉冲变压器(6)原边高压端连接，第一脉冲变压器(6)副边高压端与高压硅堆(7)一端连接，第一脉冲变压器(6)原边和副边低压端分别与地连接；高压硅堆(7)另一端分别与第一放电电容器(8)一端和锐化开关(9)一端连接，第一放电电容器(8)另一端与地连接；锐化开关(9)另一端与脉冲高压隔离硅堆(10)一端连接；脉冲高压隔离硅堆(10)另一端作为纳秒高压脉冲形成电路输出端；第一储能电容器(5)容值与第一放电电容器(8)的容值匹配或大于与第一放电电容器(8)的匹配容值，即C5≥nC8，n为变压器变比；在C5>nC8时，需在第一储能电容器(5)两端并联一个大电流脉冲硅堆，以防止第一储能电容器(5)反向充电。
6.根据权利要求5所述的一种复合高压脉冲电场产生方法，其特征在于所述微秒高压脉冲形成电路包括第二充电电阻(12)、第二储能电容器(13)、第二高压臂电阻(14)和第二低压臂电阻(15)、第二高压开关(16)、第二高压硅堆(17)、第二脉冲变压器(18)、第二脉冲高压隔离硅堆(19)；直流高压电路模块与第二充电电阻(12)一端连接；第二充电电阻(12)另一端分别与第二储能电容器(13)一端、第二高压臂电阻(14)一端、第二高压开关(16)高压端连接，第二储能电容器(13)另一端与地连接；第二高压臂电阻(14)另一端与第二低压臂电阻(15)一端连接，第二低压臂电阻(15)另一端与地连接；第二高压开关(16)低压端分别与第二高压硅堆(17)一端、第二脉冲变压器(18)原边高压端连接，第二高压硅堆(17)另一端及第二脉冲变压器(18)原边低压端与地连接；第二脉冲变压器(18)副边高压端与第二脉冲高压隔离硅堆(19)一端连接，第二脉冲高压隔离硅堆(19)另一端作为微秒高压脉冲形成电路输出端；第二储能电容器(13)容值远远大于第一储能电容器(5)容值；如第二储能电容器(13)与第一储能电容器(5)充电电压相同，第一脉冲变压器(6)变比大于第二脉冲变压器(18)变比，推荐第一脉冲变压器(6)变比取为第二脉冲变压器(18)变比的三倍以上。
7.根据权利要求6所述的一种复合高压脉冲电场产生方法，其特征在于所述触发控制电路输出的控制信号控制直流高压电路模块使其产生直流高电压输出通过第二充电电阻(12)对第二储能电容器(13)充电，当触发控制电路检测第二高压臂电阻(14)与第二低压臂电阻(15)公共点电压达到设定值，即检测第二储能电容器(13)的充电电压达到设定值时，触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发第二高压开关(16)使其闭合，此时第二储能电容器(13)对第二脉冲变压器(18)的原边放电，在脉冲变压器(18)的副边耦合产生微秒高压脉冲。
8.根据权利要求7所述的一种复合高压脉冲电场产生方法，其特征在于所述第二高压开关(16)被触发闭合、第二储能电容器(13)放电过程之前、同时或者放电结束，触发控制电路输出触发脉冲Trig1触发第一高压开关(2)闭合，此时第一储能电容器(5)对第一脉冲变压器(6)的原边放电，在脉冲变压器的副边高压端耦合产生的高压脉冲对第一放电电容器(8)充电，当第一放电电容器(8)充电达到峰值时，第一锐化开关(9)导通，第一放电电容器(8)通过第一锐化开关(9)放电产生纳秒高压脉冲；第一高压开关(2)、第二高压开关(16)均为绝缘自恢复闭合开关，优选全控开关；尤其是对于要求运行频率较高的装置，优选采用半导体全控开关，例如IGBT组件或晶闸管组件。锐化开关(9)是高压快速闭合开关，优选磁开关。
9.基于权利要求5至8之一所述复合高压脉冲电场产生方法的的电场灭菌方法，其特征在于包括：
步骤11：将处理室连接入含菌液体输送系统中，使含菌液体能够流过处理室内部处理腔，处理腔是由高、低压金属电极和绝缘材料围成的一个或一组可供被处理物料通过的通道，设计上应保证所有通过处里腔的被处理物料均能够受到强度大于等于设定电场强度的电场的作用；金属电极和绝缘材料应选择不会与被处理物料发生或催化化学反应的材料；
步骤12：将处理室高、低压电极分别对应与权利要求5至8之一所述的微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路连接；使得处理室作为复合高压脉冲电场的负载；
步骤13：开启含菌液体输送系统，将含菌液体充满处理室内处里腔；
步骤14：对被处理含菌液体施加微秒高压脉冲形成电路产生的微秒电压脉冲，微秒电压脉冲的脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1，在被处理含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的宽脉冲电场；
步骤15：在P1作用同时、起始之前或结束后T时间内，对被处理含菌液体施加纳秒高压脉冲，纳秒高压脉冲的脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场，最终形成宽窄复合脉冲电场对含菌液体进行灭菌处理；T为微秒脉冲和纳秒脉冲起始时间间隔，推荐取为1毫秒以下；其中第一放电电容器(8)的容值一般取为等于处理室等效电容值。
10.基于权利要求5至8之一所述复合高压脉冲电场产生方法的电场灭菌装置，其特征在于还包括含菌液体输送系统、处理室；处理室连接入含菌液体输送系统中，使含菌液体能够流过处理室内灭菌处理腔；
将处理室高、低压电极分别对应与权利要求5至8之一所述的微秒高压脉冲形成电路、纳秒高压脉冲形成电路连接；使得处理室作为复合高压脉冲电场的负载；
含菌液体输送系统开启时，将含菌液体充满处理室内部腔体；
对被处理含菌液体施加微秒高压脉冲形成电路产生的微秒电压脉冲，微秒电压脉冲的脉冲宽度为数百纳秒至数十微秒的电脉冲P1，在含菌液体中建立作用时间为数百纳秒至数十微秒的宽脉冲电场；
在P1作用起始或结束后T时间内，对被处理含菌液体施加纳秒高压脉冲，纳秒高压脉冲的脉冲宽度为数纳秒至数十纳秒的电脉冲P2，在含菌液体中建立作用时间为数纳秒至数十纳秒的窄脉冲电场，最终建立宽窄复合脉冲电场对含菌液体进行灭菌处理；T为微秒脉冲和纳秒脉冲起始时间间隔，推荐取为1毫秒以下；第一放电电容器(8)的容值一般取为等于处理室等效电容值。
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