CN110946178B - 一种大气压低温等离子体水果保鲜装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体领域，尤其涉及一种应用在水果保鲜领域的等离子体发生装置。装置包括两端开口的中空介质管，介质管两端分别固定在基础法兰盘上，基础法兰盘远离介质管的一侧连接有固定法兰盘，基础法兰盘内周端面上设有凹槽Ⅰ，固定法兰盘的外周端面上设有与凹槽Ⅰ等量的凹槽Ⅱ，所述介质管内壁一周均匀分布有两端带有金属球的金属丝作为地电极，金属丝两端穿过凹槽Ⅰ，以金属球卡在凹槽Ⅱ固定；所述介质管外壁包裹有金属片作为高压电极。本发明装置可有效的减少目前使用的化学消毒剂在果蔬表面的残留，更加的绿色环保。

Description

一种大气压低温等离子体水果保鲜装置

技术领域

本发明属于等离子体领域，尤其涉及一种应用在水果保鲜领域的等离子体发生装置。

背景技术

水果在贮运过程中表面会滋生许多的致病、致腐菌，从而导致水果产生许多常见的传染性病害，比如：青霉病、炭疽病、褐腐病、灰霉菌等，所以在贮运之前会采取一些疾病的预防手段。传统的预防方法是贮藏前严格剔除各种病果、伤果及虫果，再用50%咪鲜胺1000～1500倍液浸果。贮藏温度为1～2℃，相对湿度为90%。贮藏期间定期检查，及时处理病、伤果，减少传染和损失。然而使用传统的预防方法，流程复杂且使用化学药品会附着在水果表面，若清洗不彻底会造成农药残留，食用后易引发一些疾病，如引发胃部不适，导致胃病、急性肠炎等。近年来，利用大气压低温等离子体技术杀灭动物性病菌技术已掀起了全球性的热潮，目前有很多研究小组在进行这方面的研究工作，然而对植物性病菌灭活，以及食品保鲜方面的应用却少有研究，植物性致病菌以及致腐菌多为真菌，与动物性病菌相比，因其多了细胞壁的保护，不易被杀灭，因此，利用大气压低温等离子体技术进行水果保鲜具有十分重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在大气压条件下产生低温等离子体的装置及其在食品保鲜领域的应用方法，本装置结构简单，使用方便灵活，可对不同种类的食品进行保鲜处理，保质期长或者保质期短的食品均可处理，效果明显且成本低廉。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种等离子体发生装置，所述装置包括两端开口的中空介质管，介质管两端分别固定在基础法兰盘上，基础法兰盘远离介质管的一侧连接有固定法兰盘，基础法兰盘内周端面上设有凹槽Ⅰ，固定法兰盘的外周端面上设有与凹槽Ⅰ等量的凹槽Ⅱ，所述介质管内壁一周均匀分布有两端带有金属球的金属丝作为地电极，金属丝两端穿过凹槽Ⅰ，以金属球卡在凹槽Ⅱ固定；所述介质管外壁包裹有金属片作为高压电极。

上述技术方案中，进一步地，所述两个基础法兰之间设有固定杆。

上述技术方案中，进一步地，所述固定法兰盘上设有定位螺丝，将定位螺丝旋入固定法兰盘上，推动固定法兰盘向远离基础法兰盘的方向运动，从而拉伸金属丝，使金属丝两端的金属球卡在固定法兰盘的凹槽处，经过拉伸的金属丝与介质管内径紧密贴合。

上述技术方案中，进一步地，所述基础法兰盘上固定有三个成品字形排列的导向柱，所述导向柱另一端穿过固定法兰盘，用以将基础法兰盘和固定法兰盘固定。

上述技术方案中，进一步地，所述基础法兰盘内径的一面和固定法兰外径处的一面导圆角，使金属丝圆滑通过。

上述技术方案中，进一步地，所述基础法兰盘固定在底座上。

一种大气压低温等离子体水果保鲜装置，包括壳体，壳体分上下两层，上层放置等离子体发生装置，下层放置等离子体电源和气泵，所述等离子体发生装置包括两端开口的中空介质管，介质管两端分别固定在基础法兰盘上，基础法兰盘远离介质管的一侧连接有固定法兰盘，基础法兰盘内周端面上设有凹槽Ⅰ，固定法兰盘的外周端面上设有与凹槽Ⅰ等量的凹槽Ⅱ，所述介质管内壁一周均匀分布有两端带有金属球的金属丝作为地电极，金属丝两端穿过凹槽Ⅰ，以金属球卡在凹槽Ⅱ固定；所述介质管外壁包裹有金属片作为高压电极；等离子体发生装置的介质管两端各加一个导气管，导气管另一端固定在壳体内壁，并在壳体两侧与介质管同心处分别开设有水果进出孔，所述进出孔的孔径与介质管的内径相同；所述其中一个导气管的管壁上对称设有多个孔，用以插接导气软管接头连接导气软管，导气软管与气泵相连。

上述技术方案中，进一步地，在壳体背面与介质管同一高度处，放置冷却风扇，并在与之相对一侧开设通风口。

上述技术方案中，进一步地，所述壳体底部设有旋钮底座，用以调节壳体的高低。

上述技术方案中，进一步地，所述等离子体电源为电压峰值调节范围为0～50 kV、频率调节范围为1～50 kHz的交流电源；或者为电压峰值调节范围为0～20 kV、频率调节范围为1～30 kHz的脉冲电源。

上述技术方案中，进一步地，介质管为绝缘材料，所述绝缘材料为石英，或者为陶瓷。金属丝和金属球为抗氧化金属材料，所述金属材料为钢，或者为铜。金属片为铜制成。

上述技术方案中，进一步地，介质管为绝缘材料，所述绝缘材料为石英，或者为陶瓷；基础法兰盘、固定法兰盘和底座为抗氧化的金属材料，所述金属材料为钢，或者为合金；连接圈为抗氧化绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯，或者为氟橡胶；垫片为抗氧化绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯，或者为氟橡胶；壳体为硬度强的材料，所述材料为钢，或者为ABS塑料；导气管为抗氧化的绝缘材料，所述绝缘材料为PP塑料，或者为聚四氟乙烯。

本发明在使用时，调节调高旋钮底座至水果可以凭借重力缓慢向下滚动，将需要处理的物品从一端导气管放入介质管的空腔内，开启等离子体电源，使得等离子体反应器放电工作，等待被处理物品移动到介质管另一端，关闭电源，将被处理物从另一侧取出。

介质管的长度、孔径和选用材质材料，以及高压电源的电压、频率、放电时间，地电极的直径以及之间的间距均作为参数，改变这些参数，均能改变处理效果。

本发明的有益效果：本发明装置可处理物品种类多，不受形状的限制，对圆形果实的采摘后灭菌保鲜有着良好的适配性，结构简单合理放电效果均匀、使用便捷高效、而且散热性能好、使用寿命长；可有效的减少目前使用的化学消毒剂在果蔬表面的残留，更加的绿色环保。

附图说明

图1为本发明等离子体发生装置结构示意图；

图2为本发明水果保鲜装置整体结构示意图；

图3为介质管侧视图；

图4为固定法兰盘结构示意图；

图5为基础法兰盘结构示意图；

图6为导气管结构示意图；

图7为固定杆结构示意图；

图8为底座结构示意图；

图9 为连接圈结构示意图；

图10为垫片结构示意图；

图11为壳体结构示意图；

图12为金属丝结构示意图；

图13为壳体背面结构示意图；

图中，1.介质管，2.固定法兰盘，3.基础法兰盘，4. 凹槽Ⅰ，5. 凹槽Ⅱ，6. 壳体、7.底座，8.冷却风扇，9.导向柱，10.固定杆、11.连接圈、12.金属丝、13.定位螺丝、14.导气管，15.水果进出孔，16.旋钮底座，17.金属片，18.等离子体电源，19.气泵，20.开关，21.垫片，22.金属球，23. 冷压头，24.导气软管接头；

图14是不同放电电压下拍摄的放电图片；

图15放电时李萨如图形；

图16功率随电压变化曲线；

图17大肠杆菌数量测量结果图；

图18水蜜桃中糖分含量结果图；

图19水蜜桃果肉硬度测量结果图；

图20改变地电极直径对对杀菌效果的影响图；

图21改变地电极间距对杀菌效果的影响图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明装置的等离子体发生装置包括两个基础法兰盘3，基础法兰盘的一面打一凹槽，放置连接圈11以及垫片21，使基础法兰固定在介质管1的两端，连接圈的内径与介质管外径相同，垫片的内径与介质管内径相同，外径与连接圈外径相同，防止介质管前端与基础法兰盘直接接触；通过四个直径、长度相同的固定杆10拧在基础法兰盘3上，用螺丝将固定杆与基础法兰盘固定，起固定介质管1的作用，让所用的力都作用于基础法兰盘上，使介质管不受力的作用。两个基础法兰盘1的一面盘上分别有3个呈品字形排列导向柱9，导向柱与两个固定法兰盘2相连，使得固定法兰与基础法兰盘固定，位置不发生偏移。基础法兰盘3内径的一面以及固定法兰盘2外径处的一面导直径适中的圆角，在基础法兰盘内周断面上设有凹槽Ⅰ4，在固定法兰外周端面上设有与凹槽Ⅰ等量的凹槽Ⅱ5，本实施例中设有60个凹槽，在介质管内壁一周均匀分布有金属丝12，金属丝两端先通过基础法兰盘凹槽Ⅰ再绕至固定法兰凹槽Ⅱ，金属丝两端各有一金属球22，金属球22卡在凹槽Ⅱ固定住，金属丝经过两个零件时因为绕行的区域是圆角，避免金属丝出现不必要的弯折，金属丝12与金属小球22为钢材料制成，使金属丝与介质管内壁相贴合。固定法兰盘上设有3个定位螺丝，以定位螺丝13拧固定法兰，则定位螺丝的一端紧贴基础法兰盘，通过旋拧定位螺丝的方式，将金属丝12拧紧抻直，从而达到固定的目的，经过拉伸的丝状金属电极与介质管内径紧密贴合。在基础法兰盘的任意一侧开一尺寸合适的孔，接一个冷压头23，将地电极引出连接在电源。在介质管1外壁上均匀包裹一圈金属片17用作高压电极，金属片外面缠绕金属丝，将高压电极引出连接在电源。高压电极要与基础法兰保持安全的放电距离，防止高压与地电极形成沿面放电。将两个底座7分别与两个基础法兰盘3焊接在一起，用来支撑等离子体发生装置。

其中，介质管1的尺寸为内径100 mm，外径104 mm，长1 m的管，金属丝12的直径为1.0 mm，金属球22的直径为3.0 mm，基础法兰盘4的内径为100 mm与介质管内径一致，厚度为5 mm，固定法兰3内径130 mm，厚度为3.0 mm。

本发明保鲜装置的壳体分为上下两层，上层放置等离子发生装置，下层放置等离子体电源和XF—555气泵，等离子发生装置的介质管两端各加一个导气管，导气管14的外径100 mm，与基础法兰盘的内径一致，使导气管一端外壁与基础法兰盘内壁紧紧固定，导气管另一端设有一个方形沿，上面打孔用螺丝固定在整机的壳体上，水果经导气管进出，其中一个导气管14的管壁上设置四个孔，孔内插接导气软管，导气软管另一端接气泵，从而将介质管1内部放电产生的臭氧排出，并实现对等离子装置内部降温，另一个导气管不连接导气软管。底座下端打螺纹孔，将底座与整机外壳6的上板用螺丝拧在一起。外壳6的上板是一张电木板，电木板的厚度为8 mm，以保证能够支撑上部反应器的重量。在电木板上打适当大小的孔，用来将高压电极引出连接到下端的等离子体电源上，外壳6的地面打四个孔，来连接调高旋钮底座16，外壳6的侧上部打孔，来安装开关20，外壳6的侧面打孔，用来走导气软管，最终将尾气排出装置外，外壳背面与介质管统一高度处，放置有冷却风扇，并在壳体正面与风扇相对的位置开设通风口。

介质管为两端开口的中空圆柱形体，为石英材料制成，外壳为钢材料制成，金属丝与金属球为钢材料制成，导气管A、B为PP塑料制成，连接圈、垫片为氟橡胶材料制成，基础法兰盘为钢材料制成，固定法兰为钢材料制成，导电电极为导电金属材料制成。

等离子体反应器安装完毕后，对其进行一系列电学特性的探究，首先，在频率为10.0 kHz，改变不同的放电电压拍摄放电图片，并用李萨茹测量在该条件下的放电功率，如图14所示。图中紫色区域是产生等离子体，表明在10 kHz条件下的起晕电压，以及完全放电时的电压以及放电状态。

图15和图16是标明产品的功率随电压改变时的变化情况，说明在产品完全放电时功率在650W左右。

实施例2

本实施例中介质管为陶瓷制成，外壳为ABS材料制成，金属丝与金属球为铜材料制成，导气管A、B为聚四氟乙烯制成，连接圈、垫片为聚四氟乙烯制成，基础法兰盘为合金材料制成，固定法兰为合金材料制成，导电电极为导电金属材料制成，其他同实施例1。

实施例3

将实施例1中的大气压低温等离子体水果保鲜装置组装完成后，在12 kV，10 kHz的条件下进行水果保鲜实验，实验选择直径8~10 cm的水蜜桃作为实验对象。调节调高旋钮底座，使水果保鲜机倾斜一个适合的角度，以水蜜桃可以在3-5秒内通过保鲜装置为宜。启动等离子体水果保鲜机，待机器运行后，将涂有浓度为10⁸ cfu/ml大肠杆菌菌液的水蜜桃放入等离子体水果保鲜机，使其在重力作用下通过等离子体发生区域。将处理后的水蜜桃（实验组）与未处理的水蜜桃（对照组），放在4℃的冰箱中保存，在此后8天中，每天取实验组与对照组的水蜜桃各一个，分别测定其表面大肠杆菌数量，以及水蜜桃的硬度和可溶性固形物含量。

大肠杆菌数量测量：每天从实验组和对照组表面各取面积相同的水蜜桃表皮，将水蜜桃表皮放置在无菌离心管中，加入无菌水，将离心管放在超声清洗机中超声处理五分钟，使水蜜桃表皮的细菌充分与无菌水混合。取250微升混合液，用LB培养基在37℃条件下培养24小时，计算培养基表面菌落数。经过处理后，培养基上的菌落数，随着储藏时间的变化情况如图17所示，可以证明经过等离子体处理的水果表面细菌滋生的速度低于没有经过处理的样品。

水蜜桃中糖分含量：从实验组和对照组中各选取一个水蜜桃，每天从选取的样品上切10克果肉，在研钵中研碎，取研钵中果肉汁液1毫升，利用显数糖度计测量果肉中糖分含量。在8天之内实验组与对照组水蜜桃果肉糖分随保存时间的变化情况含量如图18，可以看出经过等离子体处理的果肉中糖分下降度速度低于没经过处理得样品。

水蜜桃果肉硬度测量：从实验组和对照组中各选取一个样品，每天从样品上切10克果肉，利用质构仪测量水蜜桃果肉硬度，水蜜桃果肉硬度随保存时间的变化情况如图19，可以看出经过等离子体处理的样品果肉的硬度下降速度低于没经过处理的样品。

实施例4

大气压低温等离子体水果保鲜装置是利用等离子体杀灭水果表面的致病菌从而起到保鲜的作用，在等离子体发生装置中，改变地电极间的间距，地电极的直径都会影响产生等离子体的区域的面积，从而影响等离子体的相对浓度，使等离子体的杀菌能力有所不同。如下图所示，是在相同的放电条件下，分别改变地电极的直径和地电极间的间距后，对杀菌能力的影响。首先在载玻片上滴加10微升浓度为10⁸ cfu/ml的大肠杆菌菌液，放在等离子体发生区域后在10 kHz,12 kV的放电条件下运行机器，分别处理0.5、1、2、3分钟，然后将菌液利用无菌水冲洗到LB培养基上，在37℃的条件下培养24小时，计算培养基上的菌落数。图20和21分别为改变地电极直径（图20）与改变地电极间距（图21）对杀菌效果的影响图。由图可以看出两种直径的电极都是在放电3分钟时将菌完全灭活。

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种等离子体发生装置，其特征在于，所述装置包括两端开口的中空介质管（1），介质管两端分别固定在基础法兰盘（3）上，基础法兰盘远离介质管的一侧连接有固定法兰盘（2），基础法兰盘内周端面上设有凹槽Ⅰ（4），固定法兰盘的外周端面上设有与凹槽Ⅰ等量的凹槽Ⅱ（5），所述介质管内壁一周均匀分布有两端带有金属球（22）的金属丝（12）作为地电极，金属丝两端穿过凹槽Ⅰ，以金属球（22）卡在凹槽Ⅱ固定；所述介质管外壁包裹有金属片（17）作为高压电极。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于，两个基础法兰之间设有固定杆（10）。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于，所述固定法兰盘上设有定位螺丝（13），将定位螺丝旋入固定法兰盘上，推动固定法兰盘向远离基础法兰盘的方向运动，从而拉伸金属丝（12），使金属丝两端的金属球卡在固定法兰盘的凹槽处，经过拉伸的金属丝与介质管内径紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于，所述基础法兰盘上固定有三个成品字形排列的导向柱（9），所述导向柱另一端穿过固定法兰盘，用以将基础法兰盘和固定法兰盘固定。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于，所述基础法兰盘内径的一面和固定法兰外径处的一面导圆角，使金属丝圆滑通过。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于，所述基础法兰盘固定在底座（7）上。

7.一种大气压低温等离子体水果保鲜装置，其特征在于，包括壳体（6），壳体分上下两层，上层放置等离子体发生装置，下层放置等离子体电源（18）和气泵（19），所述等离子体发生装置为权利要求1所述的等离子体发生装置，等离子体发生装置的介质管（1）两端各加一个导气管（14），导气管另一端固定在壳体内壁，并在壳体两侧与介质管同心处分别开设有水果进出孔（15），所述进出孔的孔径与介质管的内径相同；其中一个导气管的管壁上对称设有多个孔，用以插接导气软管接头（24）连接导气软管，导气软管与气泵相连。

8.根据权利要求7所述的一种大气压低温等离子体水果保鲜装置，其特征在于，在壳体背面与介质管同一高度处，放置冷却风扇（8），并在与之相对一侧开设通风口。

9.根据权利要求7所述的一种大气压低温等离子体水果保鲜装置，其特征在于，所述壳体底部设有旋钮底座（16），用以调节壳体的高低。

10.根据权利要求7所述的一种大气压低温等离子体水果保鲜装置，其特征在于，所述等离子体电源为电压峰值调节范围为0～50 kV、频率调节范围为1～50 kHz的交流电源；或者为电压峰值调节范围为0～20 kV、频率调节范围为1～30 kHz的脉冲电源。

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