CN110200201B - 一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置及方法，该杀菌装置包括固定架、底座、缓冲腔、辅助杆、高强电极、衔接装置、接地电极、储液容器、绝缘螺杆、转盘和导电杆，缓冲腔、底座与固定架相对固定连接，缓冲腔与接地电极通过螺纹相接，不同接地电极之间通过衔接装置相连，最上层接地电极上连接有储液容器。导电杆与高强电极相固定，导电杆外部套有绝缘螺杆，绝缘螺杆外螺纹与固定架上板中央孔的内螺纹相啮合。本杀菌装置结构简单、操作方便，适用于大量物料的杀菌处理，另外可以通过旋转转盘实现高强电极与不同的接地电极相匹配，得到不同的场强，满足不同条件下物料的处理。基于本杀菌装置进行的杀菌方法，杀菌速度快，效果好。
Description
技术领域
本发明公开了一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置及方法，尤其涉及一种多场强的连续式共轴型的处理装置。
背景技术
高强脉冲电场是通过在电极与电极之间的高电势差产生高强度电场，处理样品在电场作用下，结合脉冲电场产生的电场和磁场的交替作用，使细胞膜通透性增加，膜强度减弱，最终膜破裂，使细胞膜内的细胞质外流，造成微生物细胞的死亡。可在室温下有效杀灭许多食品中的微生物，而不损害感观和营养质量。经该技术处理的物料在处理前后温升可控，并且具有效率高、耗能少等优点，其得到了许多食品界人士的青睐。但由于其处理室装置需特别加工，涉及到的高压控制系统比较难以构建，发展较为缓慢。
目前高强脉冲电场杀菌装置，多以平板式和共场式为主。中国专利201520624097.3公开了一种酒类杀菌系统，其包括多个杀菌池，池中设有蒸汽管道，通过将酒放入杀菌池中进行杀菌。中国专利200910096711.2公开了一种连续式的平板式的高强脉冲电场处理室，其在绝缘材料空心管中部的两对称侧边沿轴向各切去一段直至空心管内孔，绝缘材料空心管切去部分分别嵌入具有相同半径的圆弧形状的金属电极，两片金属电极下平面嵌入绝缘材料空心管内孔后形成狭长的处理区，该处理室可以得到比较均匀的电场，并且满足了连续处理。中国专利201720624325.6公开了一种高强脉冲电场杀菌处理系统的处理腔，该处理腔属于共场式处理室，其将多个处理腔通过金属管进行连接，金属管与金属管之间形成共场式电场，对处理腔中的物料进行杀菌处理。由于其可串联多个处理单元，所以可以进行多级处理。综合来看，现有的高强脉冲电场杀菌方法及装置存在以下问题：
1.目前大多数的高强脉冲电场杀菌处理装置由金属电极与绝缘处理腔组成，两者之间的衔接难度较大，并且如果绝缘材料选择不合适，会在较强电场的作用下产生裂纹；
2.目前的处理装置大多密封程度高，物料处在一个相对密封的环境下进行杀菌处理，杀菌过程中会产生一定的气泡，这些气泡不易排出，会影响连续处理的灭菌效果。
3.目前的处理装置大多处理量小，仅可以满足小样品处理要求，工业化程度较低，且处理装置大多为静态处理室，两极板间距离不可调，场强固定。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种新的多级高强脉冲电场连续性杀菌装置及方法，该方法处理效果好，并且装置简单易拆卸、处理量能够实现工业化放大。
本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：
一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，所述的高强脉冲电场杀菌装置包括固定架1、底座2、缓冲腔3、辅助杆11、高强电极10、接地电极5、储液容器6、绝缘螺杆7、转盘8和导电杆9，固定架1、底座2与缓冲腔3由下至上相对固定连接，缓冲腔3与接地电极5的一端通过螺纹相接，接地电极5的另一端上固定有储液容器6，导电杆9的一端与高强电极10的一端固定，导电杆9的另一端穿过转盘8裸露在外，与外部高压脉冲发生器高压端相连，导电杆9外部套有绝缘螺杆7，绝缘螺杆7外螺纹与固定架1上板中央孔的内螺纹相啮合；高强电极10的另一端与辅助杆11相连；
转盘8位于固定架1上板的外侧上方，其与绝缘螺杆7上部固定；导电杆9、绝缘螺杆7、高强电极10、辅助杆11位于同一轴线上；缓冲腔3、接地电极5、储液容器6首尾相接位于同一轴线上。
绝缘螺杆7为空心的，导电杆9穿过其间，它们与高强电极10及辅助杆11组成高压部分，接地电极5为管状，高压部分位于此管中央轴线上，高强电极10与接地电极5之间形成共轴型处理室，该处理室中电场线由高强电极10发散指向接地电极5。
进一步地，所述的辅助杆11使由导电杆9、绝缘螺杆7、高强电极10和辅助杆11组成的高压部分位于杀菌装置的中央轴线位置，进而使得由高强电极10与接地电极5形成的共轴处理室的场强均匀。
进一步地，所述的接地电极5由多段不同管径的电极通过衔接装置4相连而成，所述的电极是不锈钢材质。
进一步地，所述的高强电极10通过转盘8的转动调节上下位置。
进一步地，所述的衔接装置4的两端分别与不同管径的电极相连，其内部不同螺纹管径间有倒角403。
进一步地，所述的储液容器6下部有一个或多个排液孔。
进一步地，所述的缓冲腔3下部有进料口305与进料管相连，所述的储液容器6下部有出料口601与出料管相连。
进一步地，所述的缓冲腔3上部有与接地电极5底端相匹配的内螺纹，内螺纹下端处设有圆形挡板，该圆形挡板的直径与缓冲腔内径相同，该圆形挡板中部有直径略大于所述的辅助杆11直径的小孔，辅助杆11穿过此孔并可上下移动，小孔周围有圆周排列的多个物料通道；其中，所述的小孔用于对辅助杆11进行卡位，以保证杀菌装置高压部分处于杀菌装置的中央轴线上。
本发明的另一个目的通过以下技术方案实现：
一种多级高强脉冲电场连续性杀菌方法，所述的杀菌方法包括以下步骤：
S1、将进料管及出料管与杀菌装置相连；
S2、调节杀菌装置的转盘8，使得高强电极10与某个接地电极5匹配，高强电极10通过导电杆9与外部高压脉冲发生器的高压端相接，相匹配的接地电极5通过接线端子(图中未画出)与外部高压脉冲发生器的接地端相接；
S3、物料在泵的作用下通过进料口305进入缓冲腔3内，随后物料穿过物料通道(302)进入由高强电极10与接地电极5形成的共轴处理室内进行杀菌处理，杀菌完成后物料进入储液容器6，随后经出料口601流出；
S4、收集处理后的溶液。
进一步地，所述的高压脉冲发生器所加高强脉冲电场电压为0-20kV，频率为800-1500Hz，脉宽为20-80μs；调节泵的转速，使得物料通过泵送入杀菌装置内进样流速为3-10L/min。
为更好地理解本发明，下面结合附图对本灭菌处理装置作进一步地说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1～8所示，一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，包括固定架1、底座2、缓冲腔3、衔接装置4、接地电极5、储液容器6、绝缘螺杆7、转盘8和导电杆9、高强电极10、辅助杆11等，缓冲腔3、底座2与固定架1相对固定连接，缓冲腔3与接地电极5通过螺纹相接，不同接地电极之间通过衔接装置4相连，最上层接地电极上固定有储液容器6。导电杆9的一端与高强电极10相固定，导电杆9外部套有绝缘螺杆7，绝缘螺杆7外螺纹与固定架1上板中央孔的内螺纹相啮合。
图2、图3是缓冲腔3的结构示意图，该缓冲腔3下方有进料口305，进料口305直径为20mm，可通过接头与口径为DN15的进料管(图中未画出)相接。缓冲腔3上部有直径48mm、深度10mm的内螺纹，用于与最下层的接地电极5相连。缓冲腔3的内螺纹下端处有圆形挡板301，该圆形挡板301直径与缓冲腔3内径相同，其厚度为10mm。该圆形挡板301上有圆周排列的直径为15mm的物料通道302及中央小孔304，其中，中央小孔304直径为9mm，其作用是对辅助杆11进行卡位，保证高强电极10尽可能处于本装置的中央轴线上。
图4、图5、图6是衔接装置4的结构示意图，该衔接装置4的上部和下部均有10mm深的内螺纹401、402，用于与接地电极5相连，内螺纹401、402的大小与接地电极5的外径一致。本实施例中设置三级处理，含接地电极5三个，其外径分别为48mm、56mm、64mm，厚度均为2mm，材质选用不锈钢板。内螺纹401、402之间有倒角403，一方面为了使物料流动过程中不发生直径的突变，另一方面为了不使相邻两接地电极接触。
图7是储液容器6的结构示意图，该储液容器6的下部中央孔602有内螺纹，内螺纹直径为64mm，用于与最上层接地电极相连。该储液容器6的下部有一个或多个出料口601，出料口601直径为20mm，用于与口径为DN15的出料管(图中未画出)相接。为了避免物料溢出，该储液容器6高度应尽可能大些，此处高度为40mm。
图8是内部高强电极的组合示意图，该高强电极10直径为36mm，内部有直径为6mm的通孔，该通孔上有内螺纹，导电杆9及辅助杆11均通过此螺纹与高强电极10相接。导电杆9直径6mm，与高强电极10直径相差较大，其上套有绝缘螺杆7，绝缘螺杆7采用高度绝缘材料制成，避免导电杆9与接地电极5间形成电场。辅助杆11直径为8mm，一端有20mm深的外螺纹。导电杆9、绝缘螺杆7、高强电极10及辅助杆11相对固定，转盘8固定于绝缘螺杆7上，绝缘螺杆7与固定架1上板中央内螺纹孔匹配。旋转转盘8，改变绝缘螺杆7与固定架1上板的相对位置，可以使得高强电极10与三个不同直径的接地电极5相匹配，形成距离分别为4mm、8mm、12mm，结合最高输出电压20kV，可分别提供最高50kV/cm，25kV/cm，16kV/cm的场强强度。
本装置在用于高强脉冲电场杀菌时，通过泵将液体物料经进料口305压入缓冲腔3，随后物料穿过物料通道302进入处理腔内，该处理腔由高强电极10和接地电极5组成，通过旋转转盘8可使高强电极10进行上下移动，以匹配不同直径的接地电极5，构成不同场强的电场。物料经处理腔后进入储液容器6，随后经出料口601流出，收集。本杀菌装置结构简单、操作方便，适用于大量物料的杀菌处理，另外通过旋转转盘实现高强电极与不同的接地电极相匹配，得到不同的场强，可以满足不同条件下物料的处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.高强脉冲电场杀菌相对于热杀菌来说速度快；
2.本杀菌装置高强电极与接地电极间无其他绝缘材质的零件连接，避免了金属部件与非金属部件间衔接难度大等问题；
3.本杀菌装置储液容器容量大，相对于处理腔的大小来说，溶液可以等效为处在开放环境中，减少了溶液中气泡的累积；
4.本杀菌装置结构简单、操作方便，可以通过旋转转盘实现高强电极与不同的接地电极相匹配，得到不同的场强，满足不同条件下物料的处理；
5.本杀菌装置有利于大量物料的处理，通过合理的设计可满足工业化要求。
附图说明
图1是本发明公开的杀菌装置的结构示意图；
图2是本杀菌装置的缓冲腔的结构示意图；
图3是本杀菌装置的缓冲腔的另一方向的结构示意图；
图4a是本杀菌装置中连接上、中两个处理装置的衔接装置的结构示意图；
图4b是本杀菌装置中连接中、下两个处理装置的衔接装置的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是图5的A-A方向的剖视图；
图7是本杀菌装置的储液容器的结构示意图；
图8是本杀菌装置的高强电极的组合示意图。
具体实施方式
实施例1
将初始菌含量为6×107cfu/mL的感染苹果汁，通过泵跟杀菌装置连接，串联两个杀菌装置，进行杀菌处理，连接进料管与出料管，旋转转盘8，将高强电极10与下部接地电极5相匹配，将2独立脉冲电源的接地端分别与两个串联灭菌装置下部接地电极相连，形成距离为4mm，输出电压为18kV，脉冲频率为800Hz，脉宽80us。通过泵以3L/min的速度压入，对溶液进行杀菌处理。处理后，对溶液进行检测，得到2.6×103cfu/mL的灭菌苹果汁。
实施例2
将初始菌含量为6×107cfu/mL的感染苹果汁，通过泵跟杀菌装置连接，串联两个杀菌装置，进行杀菌处理，连接进料管与出料管，旋转转盘8，将高强电极10与中部接地电极5相匹配，将两个独立脉冲电源的接地端分别与两个串联灭菌装置中部接地电极相连，形成距离为8mm，输出电压为20kV，脉冲频率为1200Hz，脉宽40us。通过泵以6L/min的速度压入，对溶液进行杀菌处理。处理后，对溶液进行检测，得到3.7×103cfu/mL的灭菌苹果汁。
实施例3
将初始菌含量为6×107cfu/mL的感染苹果汁，通过泵跟杀菌装置连接，串联两个杀菌装置，进行杀菌处理，连接进料管与出料管，旋转转盘8，将高强电极10与上部接地电极5相匹配，将两个独立脉冲电源的接地端分别与两个串联灭菌装置上部接地电极相连，形成距离为12mm，输出电压为20kV，脉冲频率为1500Hz，脉宽20μs。通过泵以10L/min的速度压入，对溶液进行杀菌处理。处理后，对溶液进行检测，得到8.3×103cfu/mL的灭菌苹果汁。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，所述的高强脉冲电场杀菌装置包括固定架(1)、底座(2)、缓冲腔(3)、辅助杆(11)、高强电极(10)、接地电极(5)、储液容器(6)、绝缘螺杆(7)、转盘(8)和导电杆(9)，固定架(1)、底座(2)与缓冲腔(3)由下至上相对固定连接，缓冲腔(3)与接地电极(5)的一端通过螺纹相接，接地电极(5)的另一端上固定有储液容器(6)，导电杆(9)的一端与高强电极(10)的一端固定，导电杆(9)的另一端穿过转盘(8)裸露在外，与外部高压脉冲发生器高压端相连，导电杆(9)外部套有绝缘螺杆(7)，绝缘螺杆(7)外螺纹与固定架(1)上板中央孔的内螺纹相啮合；高强电极(10)的另一端与辅助杆(11)相连；
转盘(8)位于固定架(1)上板的外侧上方，其与绝缘螺杆(7)上部固定；导电杆(9)、绝缘螺杆(7)、高强电极(10)、辅助杆(11)位于同一轴线上；缓冲腔(3)、接地电极(5)、储液容器(6)首尾相接位于同一轴线上；
所述转盘(8)通过改变绝缘螺杆(7)与固定架(1)上板的相对位置，使得高强电极(10)与三个不同直径的接地电极(5)相匹配，形成距离分别为4mm、8mm、12mm，结合最高输出电压20kV，分别提供最高50kV/cm，25kV/cm，16kV/cm的场强强度。
2.根据权利要求1所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的辅助杆(11)使由导电杆(9)、绝缘螺杆(7)、高强电极(10)和辅助杆(11)组成的高压部分位于杀菌装置的中央轴线位置，进而使得由高强电极(10)与接地电极(5)形成的共轴处理室的场强均匀。
3.根据权利要求1所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的接地电极(5)由多段不同管径的电极通过衔接装置(4)相连而成，所述的电极是不锈钢材质。
4.根据权利要求3所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的衔接装置(4)的两端分别与不同管径的电极相连，其内部不同螺纹管径间有倒角(403)。
5.根据权利要求1所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的储液容器(6)下部有一个或多个排液孔。
6.根据权利要求1所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的缓冲腔(3)下部有进料口(305)与进料管相连，所述的储液容器(6)下部有出料口(601)与出料管相连。
7.根据权利要求2所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌装置，其特征在于，
所述的缓冲腔(3)上部有与接地电极(5)底端相匹配的内螺纹，内螺纹下端处设有圆形挡板，该圆形挡板的直径与缓冲腔内径相同，该圆形挡板中部有直径略大于所述的辅助杆(11)直径的小孔，辅助杆(11)穿过此孔并可上下移动，小孔周围有圆周排列的多个物料通道；其中，所述的小孔用于对辅助杆(11)进行卡位，以保证杀菌装置高压部分处于杀菌装置的中央轴线上。
8.一种基于上述权利要求1至7任一所述多级高强脉冲电场连续性杀菌装置的多级高强脉冲电场连续性杀菌方法，其特征在于，所述的杀菌方法包括以下步骤：
S1、将进料管及出料管与杀菌装置相连；
S2、调节杀菌装置的转盘(8)，使得高强电极(10)与某个接地电极(5)匹配，高强电极(10)通过导电杆(9)与外部高压脉冲发生器的高压端相接，相匹配的接地电极(5)通过接线端子与外部高压脉冲发生器的接地端相接；
S3、物料在泵的作用下通过进料口(305)进入缓冲腔(3)内，随后物料穿过物料通道(302)进入由高强电极(10)与接地电极(5)形成的共轴处理室内进行杀菌处理，杀菌完成后物料进入储液容器(6)，随后经出料口(601)流出；
S4、收集处理后的溶液。
9.根据权利要求8所述的一种多级高强脉冲电场连续性杀菌方法，其特征在于，所述的高压脉冲发生器所加高强脉冲电场电压为0-20kV，频率为800-1500Hz，脉宽为20-80μs；调节泵的转速，使得物料通过泵送入杀菌装置内进样流速为3-10L/min。
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