CN109892509A - 基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波杀菌技术领域，具体涉及一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统及工艺流程。包括依次连接的减压进料室、预热室、若干组的微波处理模块、保温箱、冷却室和减压出料室；微波处理模块包括加热腔，加热腔上下端各设有一组微波加热组件，所述微波加热组件包括端部的微波源，微波源通过波导管与喇叭口相连，喇叭口下端通过微波窗口与加热腔相连；所述微波源为433MHz固态微波源。本发明采用了频率为433MHz的固态微波源作为微波杀菌系统的主要作用部分，既充分利用了433MHz微波更大的穿透深度，又缩小了占地面积，减少了波导管的长度，提高了系统的可控性和稳定性，为基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统的广泛应用奠定了基础。

Description

基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统及工艺

技术领域

本发明涉及微波杀菌技术领域，具体涉及一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统及工艺流程。

背景技术

随着现代生活节奏的加快，传统的罐装食品销量下滑、增长乏力，外卖食品以其新鲜度高，适口性好，高品质的特点占据巨大市场。外卖食品虽然品质高，但保质期短，难以存放；罐装食品有其保质期长，安全的优点。如何结合二者的优势，在提高保质期的同时提升产品品质是目前急需解决的难题。

微波加热技术加工的食品品质好、货架期长，但也存在均匀性、重复性等问题。现多数微波加热设备的频率为915MHz和2450MHz，由于波长短，存在穿透深度小的问题。433MHz频率的微波优点是波长长，穿透深度大，但由于传统的磁控管的微波源体积大，433MHz的微波源在实际应用中较少。同时关于433MHz加热腔腔体设计也少，相关研究匮乏，主要还是集中在医学领域应用，但433MHz微波源用于微波理疗时功率较小，一般为几十瓦，而微波杀菌所用的微波功率一般在千瓦量级上，相差2个数量级，而且微波杀菌必须有完整的系统设计才能保证食品安全，而每一步需要精确的计算才能达到灭菌效果，这些方面医学领域的433MHz微波应用都没有涉及。

在食品杀菌方面，现存的微波杀菌设备使用磁控管为微波源，频率稳定性差导致热型不稳定，导致了加热效果重复性差，而固态源具有高度可控的特点，频率稳定度高，可对设备运行中的频率、功率(正向/反向)、相位等实时反馈和调整。915MHz、2450MHz的设备由于适用腔体尺寸较小，工业放大难度大。而433MHz设备本身腔体设计就是工业规模，有利于工业放大，这就为433MHz固态微波源的微波杀菌系统的广泛应用提供了巨大的市场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统915MHz和2450MHz微波杀菌设备，由于波长短，存在穿透深度小的问题的；而由于传统的磁控管的微波源体积大，433MHz的微波源在实际应用中也较少。

为解决上述问题，本发明采用了频率为433MHz的固态微波源作为微波杀菌系统的主要作用部分，既充分利用了433MHz微波更大的穿透深度，又缩小了占地面积，减少了波导管的长度，提高了系统的可控性和稳定性，为基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统的广泛应用奠定了基础。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现，一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，包括依次连接的减压进料室、预热室、若干组的微波处理模块、保温箱、冷却室和减压出料室；微波处理系统由多个微波处理模块组成，可以通过设计使每个加热腔的热型不同，待灭菌食物通过多个加热腔可以最大化的缩小冷热点温差；减压进料室、预热室、微波处理模块、保温箱、冷却室和减压出料室内均设有独立导轨，与各自的电机相连；

所述微波处理模块包括加热腔，内设导轨，物料在此腔体内完成微波杀菌的操作，加热腔上下端各设有一组微波加热组件，所述微波加热组件包括端部的微波源，微波源通过波导管与喇叭口相连，喇叭口下端通过微波窗口与加热腔相连；所述微波源为433MHz固态微波源；所述加热腔的高度小于175mm(约四分之一波长)，宽度小于692mm(约一个波长)，此近场区域内进行加热可以有较好的均匀性；

预热室、微波处理系统、保温箱、冷却室各设有循环水泵，腔内均注有软水，上部是空气，各腔室连通的门开在水位线以上；各部分配置的为独立水循环系统，用于控制温度。每一个腔室之间都是用伺服电机将载料架提出水面，用伺服电机把载料架放到到导轨上，再用压缩气缸推动载料架到后面箱体；这样完成两个箱体之间的过渡。

本发明采用的微波频率为433MHz，有更大的穿透深度，可以用于处理更大厚度的食品。但将433MHz微波源用于微波理疗和微波杀菌大不相同，用于微波理疗时功率较小，一般为几十瓦，而微波杀菌所用的微波功率一般在千瓦量级上，相差2个数量级。而食品杀菌时如果频率稳定性差，就会导致热型不稳定，加热效果重复性差，对杀菌效果会有致命的影响，所以，在微波杀菌领域应用433MHz微波源还有许多结构需要调整，许多技术需要研究。

而且，一般认为微波理疗是一种浅表热疗手段，主要利用微波的热效应来达到术后伤口消炎的效果。微波灭菌则利用了微波的热效应和非热效应(又指微波的生物学效应，微波非热生物效应指生物体内部不产生明显的升温,却可以产生强烈的生物响应,使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化,导致细菌死亡,达到杀菌目的。)

非热效应机制主要有以下几种：

(1)微生物对微波具有选择吸收性。食品主要成分淀粉、蛋白质等对微波的吸收率比较小,食品本身升温较慢,但其中的微生物一般含水分较多,介质损耗因子较大,易吸收微波能,使其内部温度急升而被杀死。

(2)降低水分活度，破坏微生物的生存环境。

(3)对细胞膜的影响：在高频微波场下电容性结构的细胞膜将会电击穿而破裂,而温度不会明显上升；细胞膜发生机械损伤,使细胞内物质外漏,影响细菌的生长繁殖；微波电磁场感应的离子流会影响细胞膜附近的电荷分布,影响离子通道,导致膜的屏障作用受到损失,产生膜功能障碍,从而干扰或破坏细胞的正常新陈代谢功能,导致细菌生长抑制、停止或死亡。

(4)细胞壁破碎,蛋白质核酸等物质将渗透到体外,导致微生物死亡。细胞膜及细胞壁的变化已被细胞显微结构分析得到证明。透射电镜下观察,微波处理后细菌菌体变形,细胞壁与细胞膜间隙增宽，细胞壁表面出现褶皱并部分模糊不清，细胞浆内容物不均匀，水分含量降低到40％。

(5)从生物学角度上讲，微波导致细胞内DNA和RNA结构中的氢键松弛、断裂和重新组合,诱发基因突变,染色体143畸变等,从而中断细胞的正常繁殖能力。

(6)偶极分子旋转和在交互电场中趋向线形排列,从而引起蛋白质二级、三级结构的改变,导致细菌微生物死亡。)

所以，将433MHz微波源用于食品杀菌并非只是加热这么简单，控制其系统的稳定性也不仅是要解决加热不均的问题，而是需要一个完整的系统设计，例如本发明通过软件模拟、M-2模拟物进行热型模拟确定热型的稳定性、确定热型之后确定冷热点，在冷点位置插入温度传感器测量最低温度及温度曲线等一系列的设计，再通过采用固态微波源，将波导管的尺寸控制在533.4mm*266.7mm，喇叭口上平面尺寸控制在533.4mm*266.7mm、下平面尺寸控制在1066.8mm*266.7mm、高度400mm，加热腔控制高度100mm、长为1300mm、宽度为300mm，得到如图9-图11所示的设备电场模拟图(能量分布情况模拟)，可以看出单个微波处理模块的电场分布非常均匀，那么其微波作用的热效应和非热效应都会非常均匀，从而整个系统的杀菌效果就会非常均匀。

进一步的，载料架左右两侧为活动的金属片，所述金属片与微波加热腔高度相同，从而间接的调整加热腔的宽度，从而达到调节磁场分布的作用，进而起到电场调节的作用。

每个微波处理模块中的微波窗口可以设计为不同尺寸，然后针对不同的食物也可以调节金属片的间距位置，改变加热腔的实际加热宽度，达到调节加热腔宽度的效果，使微波加热更加均匀。

进一步的，所述减压进料室包括进料前门、进料后门，前端的进料前门连通外界与减压进料室，其下方设有高压气缸，室体与加压设备相连，加压设备例如但不限于加压气缸，后端的进料后门连通减压进料室与预热室。采用船闸式设计，能够在系统整体处于高压状态下时，完成连续的进料过程，保证系统运行的连续性。

进一步的，预热室前端为进料后门，顶部为预热室密封盖，与室体连接处设有预热室密封圈，室体与加压设备相连和循环水泵相连；后端通过管道与前端的微波处理模块的加热腔相连；预热室的设计可以减少微波加热的温差，缩小微波加热的不均匀性，同时本专利的预热温度小于等于50℃，基本上不改变食品品质。

进一步的，保温箱的前端通过管道与末端的微波处理模块的加热腔相连，顶部为保温箱密封盖，与箱体连接处设有保温箱密封圈，后端通过管道与冷却室5的前端相连，底部与循环水泵7相连。采用传统的热力杀菌，使微波冷点达到要求的灭菌效果，微波杀菌与热力杀菌共同使用，能够减少热力杀菌的时间，在达到灭菌要求的同时提高食品品质。

进一步的，冷却室的前端通过管道与保温箱的后端相连，顶部为冷却室密封盖，与室体连接处设有冷却室密封圈，后端通过减压出料室的出料前门与减压出料室相连；室体与加压设备相连和循环水泵相连。冷却室的作用是使产品由高温冷却到室温，出料之后可以直接常温或冷藏贮存。

进一步的，减压出料室包括出料前门、出料后门，后端的出料后门连通外界与减压出料室，其下方设有加压设备。

减压进料室和减压出料室采用减压船闸式设计，能够在系统整体处于高压状态下时，完成连续的出料，进料过程，保证系统运行的连续性。

进一步的，减压进料室和减压出料室为卧倒圆柱状，进料前门、进料后门、出料前门、出料后门为圆形门。

一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌工艺，包括以下步骤：

(1)减压入料室通过阀门泄压，打开进料前门，将物料放置到载料架上，将载料架与导轨的链条固定；关闭进料前门，通过加压设备对减压入料室进行加压；打开进料后门，打开高压气缸，将载料架推到预热室的导轨上；

(2)设置预热室的预热温度≤50℃，对于物料进行预热；

(3)打开微波源，设定加热腔、保温箱的杀菌温度，物料依次经过各微波处理模块，到达保温箱进行保温处理，实线杀菌目标；

(4)物料经保温箱后进入冷却室，快速冷却至室温；打开出料前门，载料架进入减压出料室，对减压出料室通过阀门进行泄压，打开出料后门，出料；然后关闭出料后门，对减压出料室进行加压，开始下一轮的出料。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的微波源为固态源，固态源具有高度可控的特点，频率稳定度高，可对设备运行中的频率、功率(正向/反向)、相位等实时反馈和调整，提高加热均匀性，且占地面积小，减少波导管的长度；固态源的频率为433±15MHz，该频率的微波对应的波长为669-717mm，该频率的微波有更大的穿透深度，可以用于处理更大厚度的食品；微波加热腔的高度小于175mm(约四分之一波长)，宽度小于692mm(约一个波长)，能够实现均匀加热。

(2)减压进料室采用船闸式结构，能够在系统整体处于高压状态下时，完成连续的出料，进料过程，保证系统运行的连续性。传统的微波杀菌只能间断式的处理样品，例如须经升温到预热温度90℃---升温到120℃---冷却到室温25℃，下一批次样品处理需要从25℃升高到90℃，处理两批样品之间需经历复杂的升温降温过程，不适合工业化生产。

(3)预热温度低，预热箱的水温设定为≤50℃，基本上不改变食品品质。比其它专利预热温度低。

(4)微波处理系统由多个微波处理模块(n≥1)连接组成，通过设计使每个加热腔的热型不同，待灭菌食物通过多个加热腔可以最大化的缩小冷热点温差；同时采用不同的微波窗口的尺寸设计，与一个微波加热腔相比，这种多个并联的方式能够提高加热的均匀性，减少热力杀菌的时间。

(5)每个模块中微波加热腔宽度和微波窗口可调节，通过不同尺寸组合提高均匀性，针对不同的食物可以调节载料架上的金属片，达到调节加热腔宽度的效果，也可以通过改变喇叭口的尺寸改变微波分布，使微波加热更加均匀。

(6)本发明预热室、加热腔、保温箱、冷却室均采用独立的水循环系统，不需要升温降温过程，温度控制更精确，缩短处理时间，保证系统的连续运行。

(7)载料架设有电场分布调节器，电场分布调节器为金属材质，可以调整微波加热腔内的电场分布，用于调节微波加热的均匀性。

(8)食品载体可以同时搭载n(n≥1)列食品，即每水平方向上可搭载n个食品。微波加热腔设计保证同一排的食品微波加热效果一样。

(9)整个系统可以承受一定的内压(小于3个大气压)。所述预热腔，加热腔，保温腔，冷却腔为耐高温、耐压力的金属材料制成，密闭性良好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构图。

图2是微波处理模块的结构图。

图3是微波处理模块的俯视图。

图4是载料架的俯视图。

图5是减压入料室、预热室的结构示意图。

图6是保温箱的结构示意图。

图7是冷却室、减压出料室的结构示意图。

图8是卧倒圆柱状的减压入料室、减压出料室的结构示意图。

图9是XY方向上的电场分布模拟图。

图10是ZX方向上的电场分布模拟图。

图11是ZY方向上的电场分布模拟图。

图中，减压进料室1、进料前门11、进料后门12、高压气缸13、预热室2、预热室密封盖21，预热室密封圈22、微波处理模块3、加热腔31、微波源32、波导管33、喇叭口34、微波窗口35、载料架36、金属片37、保温箱4、保温箱密封盖41、保温箱密封圈42、冷却室5、冷却室密封盖51、冷却室密封圈52、减压出料室6、出料前门61、出料后门62、循环水泵7、加压设备8。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，包括依次连接的减压进料室1、预热室2、若干组的微波处理模块3、保温箱4、冷却室5和减压出料室6；微波处理系统由多个微波处理模块3组成，可以通过设计使每个加热腔的热型不同，待灭菌食物通过多个加热腔可以最大化的缩小冷热点温差；压进料室1、预热室2、微波处理模块3、保温箱4、冷却室5和减压出料室6内均设有独立传送带式的导轨，与各自的电机相连，各导轨之间的间隙小于载料架的长度，满足在载料架在各导轨之间传输，进一步优化为电机与控制中心相连，由控制中心控制，可以统一开启，也可独立操作；

如图2和图3所示，所述微波处理模块3包括加热腔31，内设导轨，物料在此腔体内完成微波杀菌的操作，加热腔上下端各设有一组微波加热组件，所述微波加热组件包括端部的微波源32，微波源32通过波导管33与喇叭口34相连，喇叭口下端通过微波窗口35与加热腔31相连；所述微波源32为433MHz固态微波源；所述加热腔的高度小于175mm(约四分之一波长)，宽度小于692mm(约一个波长)，此近场区域内进行加热可以有较好的均匀性；

预热室2、微波处理系统3、保温箱4、冷却室5各设有循环水泵7，腔内均注有软水，上部是空气，各腔室连通的门开在水位线以上；各部分配置的为独立水循环系统，用于控制温度。每一个腔室之间都是用伺服电机将载料架提出水面，用伺服电机把载料架放到到导轨上，再用压缩气缸推动载料架到后面箱体；这样完成两个箱体之间的过渡。

如图4所示，载料架36左右两侧为活动的金属片37，所述金属片与微波加热腔高度相同，起到电场调节的作用。

每个微波处理模块中的微波窗口设计为不同尺寸，针对不同的食物可以调节金属片的间距位置，改变加热腔的实际加热宽度，达到调节加热腔宽度的效果，使微波加热更加均匀。

如图5所示，所述减压进料室1包括进料前门11、进料后门12，前端的进料前门11连通外界与减压进料室，其下方设有高压气缸13，室体与加压设备8相连，加压设备例如但不限于加压气缸，后端的进料后门12连通减压进料室与预热室2。采用船闸式设计，能够在系统整体处于高压状态下时，完成连续的进料过程，保证系统运行的连续性。

预热室2前端为进料后门12，顶部为预热室密封盖21，与室体连接处设有预热室密封圈22，室体与加压设备8相连和循环水泵7相连；后端通过管道与前端的微波处理模块3的加热腔相连；预热室的设计可以减少微波加热的温差，缩小微波加热的不均匀性，同时本专利的预热温度小于等于50℃，基本上不改变食品品质。

如图6所示，保温箱4的前端通过管道与末端的微波处理模块3的加热腔相连，顶部为保温箱密封盖41，与箱体连接处设有保温箱密封圈42，后端通过管道与冷却室5的前端相连，底部与循环水泵7相连。采用传统的热力杀菌，使微波冷点达到要求的灭菌效果要求的温度，微波杀菌与热力杀菌共同使用，能够减少热力杀菌的时间，在达到灭菌要求的同时提高食品品质。

如图7所示，冷却室5的前端通过管道与保温箱的后端相连，顶部为冷却室密封盖51，与室体连接处设有冷却室密封圈52，后端通过减压出料室的出料前门61与减压出料室6相连；室体与加压设备8相连和循环水泵7相连。冷却室的作用是使产品由高温冷却到室温，出料之后可以直接常温或冷藏贮存。

减压出料室6包括出料前门61、出料后门62，后端的出料后门62连通外界与减压出料室，其下方设有加压设备8。

减压进料室和减压出料室采用减压船闸式设计，能够在系统整体处于高压状态下时，完成连续的出料，进料过程，保证系统运行的连续性。

实施例2：

如图8所示，减压进料室1和减压出料室6为卧倒圆柱状，进料前门11、进料后门12、出料前门61、出料后门62为圆形门。圆柱状箱体耐压性更好。

一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌工艺，包括以下步骤：

(1)减压入料室通过阀门泄压，打开进料前门，将物料放置到载料架上，将载料架与导轨的链条固定；关闭进料前门，通过加压设备对减压入料室进行加压；打开进料后门，打开高压气缸，将载料架推到预热室的导轨上；

(2)设置预热室的预热温度≤50℃，对于物料进行预热；

(3)打开微波源，设定加热腔、保温箱的杀菌温度，物料依次经过各微波处理模块，到达保温箱进行保温处理，实线杀菌目标；

(4)物料经保温箱后进入冷却室，快速冷却至室温；打开出料前门，载料架进入减压出料室，对减压出料室通过阀门进行泄压，打开出料后门，出料；然后关闭出料后门，对减压出料室进行加压，开始下一轮的出料。

本发明整个系统可以承受一定的内压(小于3个大气压)。所述预热腔，加热腔，保温腔，冷却腔为耐高温、耐压力的金属材料制成，密闭性良好。

如图9-11所示，XYZ分别代表加热腔长度、宽度、高度方向。

从XY方向上的电场模拟图可以看出，电磁场的分布集中在加热腔中心区域，能够很好地避免边缘化加热现象，无明显的冷点区域，分布较为均匀，能量集中在加热腔中心。

从ZX方向的电场分布模拟图可以看出，可以看出在X方向时，垂直方向(Z方向)电场分布处于对称状态，电磁场集中在加热腔中部，在加热腔中部的电场强度大。能量分布集中在中心。

从ZY方向的电场分布模拟图可以看出，在Y方向上时，电场对于Y轴是对称分布的，电磁场集中在加热腔的中部，在加热腔中部的电场强度大。加热腔中心的能量分布最强。

总而言之，三个方向上的电场分布均为对称分布，保证了能量分布的对称性和集中性。最大化的提高了能量转化的效率。

Claims (10)

1.一种基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：包括依次连接的减压进料室、预热室、若干组的微波处理模块、保温箱、冷却室和减压出料室；减压进料室、预热室、微波处理模块、保温箱、冷却室和减压出料室内均设有独立的导轨，与各自的电机相连；

所述微波处理模块包括加热腔，加热腔上下端各设有一组微波加热组件，所述微波加热组件包括端部的微波源，微波源通过波导管与喇叭口相连，喇叭口下端通过微波窗口与加热腔相连；所述微波源为433MHz固态微波源；

预热室、微波处理系统、保温箱、冷却室各设有循环水泵，腔内均注有软水。

2.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：所述加热腔的高度小于175mm，宽度小于692mm。

3.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：载料架左右两侧为活动的金属片，所述金属片与微波加热腔高度相同。

4.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：所述减压进料室包括进料前门、进料后门，前端的进料前门连通外界与减压进料室，其下方设有高压气缸，室体与加压设备相连，后端的进料后门连通减压进料室与预热室。

5.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：预热室前端为进料后门，顶部为预热室密封盖，与室体连接处设有预热室密封圈，室体与加压设备相连和循环水泵相连；后端通过管道与前端的微波处理模块的加热腔相连。

6.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：保温箱的前端通过管道与末端的微波处理模块的加热腔相连，顶部为保温箱密封盖，与箱体连接处设有保温箱密封圈，后端通过管道与冷却室的前端相连，底部与循环水泵相连。

7.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：冷却室的前端通过管道与保温箱的后端相连，顶部为冷却室密封盖，与室体连接处设有冷却室密封圈，后端通过减压出料室的出料前门与减压出料室相连；室体与加压设备相连和循环水泵相连。

8.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：减压出料室包括出料前门、出料后门，后端的出料后门连通外界与减压出料室，其下方设有加压设备。

9.如权利要求1所述的基于433MHz固态微波源的微波杀菌系统，其特征在于：减压进料室和减压出料室为卧倒圆柱状，进料前门、进料后门、出料前门、出料后门为圆形门。

10.一种基于权利要求1的433MHz固态微波源的微波杀菌系统的工艺，其特征在于包括以下步骤：

(1)减压入料室通过阀门泄压，打开进料前门，将物料放置到载料架上，将载料架与导轨的链条固定；关闭进料前门，通过加压设备对减压入料室进行加压；打开进料后门，打开高压气缸，将载料架推到预热室的导轨上；

(2)设置预热室的预热温度≤50℃，对于物料进行预热；

(3)打开微波源，设定加热腔、保温箱的杀菌温度，物料依次经过各微波处理模块，到达保温箱进行保温处理，实线杀菌目标；

(4)物料经保温箱后进入冷却室，快速冷却至室温；打开出料前门，载料架进入减压出料室，对减压出料室通过阀门进行泄压，打开出料后门，出料；然后关闭出料后门，对减压出料室进行加压，开始下一轮的出料。