CN111328955A - 基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法，装置中，阻挡介质层由绝缘电介质材料构成，沉金层金属沉积于所述阻挡介质层的上表面，所述沉金层设有第一电极孔；沉金网格层PCB印刷于所述阻挡介质层的下表面，用于产生均匀的等离子体的沉金网格层设有第二电极孔，所述沉金网格层具有菱形网格，冷却装置设在所述表面介质阻挡放电结构上方，所述冷却装置朝向并冷却所述沉金层；传送槽设在所述表面介质阻挡放电结构下方以传送朝向所述沉金网格层的食品，使得向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品。

Description

基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法
技术领域
本发明涉及流体食品非热杀菌保鲜技术领域，特别是一种基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法。
背景技术
作为全球第一大食品工业国，食品产业已成为我国国民经济最具活力的“新的增长点”和发展现代农业的“新空间”。饮品占据食品行业的半边天，品质、营养和质量安全关系着千家万户的每一个人，也是拉动内需、保障民生、促进经济增长、大量转化农产品和增加农民收入的支柱产业。食品安全和营养品质至关重要，2017年全国食物中毒报告中分析认为，细菌性中毒占比超过50％，因此，杀菌是食品加工生产过程中的首要工序，通过杀菌保证食品安全问题。在技术水平较为落后的发展前期，首先要保证食用安全，可以容忍损失一部分营养；随着科技和生活水平的逐步提升，在保证食品安全的前提下，越来越多的消费者对方便、优质、风味自然、口感醇厚、外观新鲜的食品更为青睐，对获得这种食品的最少化加工亦提出了更高的要求。
现如今的杀菌工艺主要以热杀菌为主，并辅以化学药剂杀菌和紫外线杀菌。但是热处理易破坏食品原有的色、香、味、形，会引起热敏性物质的损失和营养成分的流失。后两种属于传统非热处理技术，化学药剂杀菌主要适用于大批量的灭菌，但存在工艺参数多、控制较难、化学物质残留等缺点，且多数化学物质含致癌物质，会对人类健康造成威胁。紫外线可以杀灭多种微生物，无残留物质，但紫外线辐照能量较低、穿透力弱，仅能对直接照射到的微生物有杀灭作用。
等离子体富含活性粒子，如OH自由基、激发态O原子、N2和N+2等；此外，还有大量的高能粒子，如电子、以及伴随放电的紫外线；以及外施电场和等离子体产生的自生电场。研究表明，它们将作用于流体食品中的细菌，造成细菌失活，达到良好的灭菌效果。
近年来，林宏俊、苏文章设计了一种封闭式等离子体杀菌装置，包括有放置待杀菌消毒物品的盒子以及分别与所述盒子相连通的抽真空装置、充气装置和微波产生装置。这种装置的缺点在于使用繁琐，且需要用到真空装置，无法达到持续杀菌。中国农业大学王德成等人利用针板电极产生等离子体，对青贮原料进行灭菌，并配以传送带，做到连续杀菌。但是这种装置的缺点在于针板电极产生等离子体不均匀且面积较小，另外产生的等离子体连续性较差。司文会、方志成等人设计了一种饮用水加工用等离子体杀菌净化结构，该装置利用多个箱式结构组合，最终达到水的灭菌处理。这种结构的缺点在于构造过于复杂，且连接点过多，若大面积工业化，错误率将大幅提高。张志伟等人设计了一种鲜切果蔬隧道连续式等离子体杀菌装置，该装置利用等离子体发射器、等离子体发生器、传送带和PLC控制系统对果蔬进行连续性杀菌，但是该装置利用针板电极产生等离子体，但等离子体不均匀、面积小且不连续等问题突出，对其工业化造成阻碍。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法，本装置可以在大气压空气中产生均匀、稳定、大面积的等离子体，从而便捷、高效的灭菌保鲜。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置包括，
表面介质阻挡放电结构，其配置成产生向下扩散的沿面等离子体，所述表面介质阻挡放电结构包括，
阻挡介质层，其由绝缘电介质材料构成，
沉金层，其金属沉积于所述阻挡介质层的上表面，所述沉金层设有第一电极孔；
沉金网格层，其PCB印刷于所述阻挡介质层的下表面，用于产生均匀的等离子体的沉金网格层设有第二电极孔，所述沉金网格层具有菱形网格，
高压电源，其电连接第一电极孔和第二电极孔；
冷却装置，其设在所述表面介质阻挡放电结构上方，所述冷却装置朝向并冷却所述沉金层；
传送槽，其设在所述表面介质阻挡放电结构下方以传送朝向所述沉金网格层的食品，使得向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，沉金层和沉金网格层相对于阻挡介质层对称。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，沉金层和沉金网格层的面积相等，沉金层和/或沉金网格层为圆形或方形。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，阻挡介质层包括氧化铝陶瓷板，所述高压电源包括正弦交流电源、脉冲或射频电压波形，所述高压电源的电压幅值大于3kV。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，冷却装置包括风扇和由有机玻璃制成的风路，所述风路一端朝向所述风扇，另一端朝向所述沉金层，所述风扇的尺寸依据电路板尺寸而定。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，菱形网格的角度为45-60度。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，所述传送槽和所述沉金网格层之间的间隙可调。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，所述间隙的调节范围为0.5cm-5cm。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置中，所述食品杀菌装置包括多个阵列排列的表面介质阻挡放电结构。
根据本发明另一方面，一种所述基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的杀菌方法包括以下步骤，
高压电源经由第一电极孔和第二电极孔供电表面介质阻挡放电结构；
沉金网格层产生向下扩散的沿面等离子体，冷却装置朝向并冷却所述沉金层；
传送槽传送朝向所述沉金网格层的食品，向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品以杀菌。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用等离子体对流体食品进行杀菌保鲜，同传统的热杀菌相比，不仅可以显著改善产品的生物学活性，更重要的是减少了化学溶剂的过量使用，改善了食品食用安全性；避免了传统加工温度过高，降低了食品营养成分被破坏的程度。本发明所采用的表面介质阻挡放电结构具有产生等离子体更均匀、高效、大面积的优点，杀菌效果也随之显著提升。在不同应用环境，亦可与其他杀菌方法协同使用，经过该装置杀菌的流体食品还可通过脉冲电场进行杀菌，以达到更加彻底的细菌灭活。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的表面介质阻挡放电结构的侧视图；
图2为本发明一个实施例的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的表面介质阻挡放电结构的俯视示意图；
图3为为本发明一个实施例的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的表面介质阻挡放电结构的仰视示意图；
图4为本发明一个实施例的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的表面介质阻挡放电结构的俯视示意图；
图5为为本发明一个实施例的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的表面介质阻挡放电结构的仰视示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1至图5所示，一种基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置包括，
表面介质阻挡放电结构，其配置成产生向下扩散的沿面等离子体，所述表面介质阻挡放电结构包括，
阻挡介质层1，其由绝缘电介质材料构成，
沉金层2，其金属沉积于所述阻挡介质层1的上表面，所述沉金层2设有第一电极孔4；
沉金网格层3，其PCB印刷于所述阻挡介质层1的下表面，用于产生均匀的等离子体的沉金网格层3设有第二电极孔5，所述沉金网格层3具有菱形网格，
高压电源，其电连接第一电极孔4和第二电极孔5；
冷却装置，其设在所述表面介质阻挡放电结构上方，所述冷却装置朝向并冷却所述沉金层2；
传送槽，其设在所述表面介质阻挡放电结构下方以传送朝向所述沉金网格层3的食品，使得向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，沉金层2和沉金网格层3相对于阻挡介质层1对称。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，沉金层2和沉金网格层3的面积相等，沉金层2和/或沉金网格层3为圆形或方形。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，阻挡介质层1包括氧化铝陶瓷板，所述高压电源包括正弦交流电源、脉冲或射频电压波形，所述高压电源的电压幅值大于3kV。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，冷却装置包括风扇和由有机玻璃制成的风路，所述风路一端朝向所述风扇，另一端朝向所述沉金层2。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述风扇的尺寸依据电路板尺寸而定。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述传送槽和所述沉金网格层3之间的间隙可调。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述间隙的调节范围为0.5cm-5cm。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述食品杀菌装置包括多个阵列排列的表面介质阻挡放电结构。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述传送槽连接控制单元，使得食品在所述沉金网格层3放电时刻经过所述沉金网格层3的正下方。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述菱形格的角度为45-60度。
所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的优选实施例中，所述第一电极孔4和第二电极孔5为螺纹孔，用于连接螺栓进而连接高压电源。
在一个实施例中，如图2至图3中，沉金层2和沉金网格层3为圆形层，沉金层2的圆形层的顶角部位延伸出螺纹状的第一电极孔4，沉金网格层3的圆形层的在所述顶角部位的对角位置延伸出螺纹状的第二电极孔5。
在一个实施例中，如图4至图5中，沉金层2和沉金网格层3为方形层，沉金层2的方形层的顶角部位延伸出螺纹状的第一电极孔4，沉金网格层3的方形层的在所述顶角部位的对角位置延伸出螺纹状的第二电极孔5。螺纹状的电极孔既有利于安装且对角布置有利于节约安装空间，特别是不占用产生沿面等离子体的面积。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，食品杀菌装置包括多片用于产生等离子体的表面介质阻挡放电结构，该结构分为三层，中间为氧化铝陶瓷，作为阻挡介质，氧化铝陶瓷正面覆铜并沉金，并开孔连接电极，背面由PCB印刷技术覆以菱形网格，并沉铜再沉金，用于产生均匀的等离子体。
还包括冷却装置，利用小型风扇置于阻挡介质高压电极侧上方，并用有机玻璃盒子限制风路，对表面介质阻挡放电等离子体发生装置进行风冷。
还包括高压电源，高压电源的一端通过金属棒连接陶瓷板的上方第一电极孔4，另一个电极以同样方式连接于陶瓷板的下方的第二电极孔5。
还包括流体传送槽等离子体下方装有流体传送带，保证流体食品得到连续处理。
本发明进一步的改进在于，介质阻挡放电结构采用了表面介质阻挡放电，用于产生大面积均匀的扩散等离子体。
本发明进一步的改进在于采用印刷电路板技术来对放电结构进行优化，解决了电极与介质板的贴合问题，减少了局部过热与受力不均。
本发明进一步的改进在于采用了最高效放电的菱形尺寸用于产生等离子体。
本发明进一步的改进在于采用了一定规格，如圆形或方形的绝缘电介质材料，如氧化铝陶瓷作为阻挡介质，在其上侧印有相应直径的沉金铜圆，下侧印有与上侧相同直径的沉金菱形铜圆网。
本发明进一步的改进在于在上侧沉金铜圆上方装有小型冷却风扇，风扇的尺寸为60mm，且利用有机玻璃进行风路控制并固定。
本发明进一步的改进在于，下侧铺有流体传送槽，保证流体食品得到连续处理。
介质阻挡放电结构与传送带的间隙为0.5cm-5cm可调，具有处理不同厚度，如0.5mm-2cm可调的流体食品的能力。
本发明进一步的改进在于高压电源，不限于正弦交流电源、脉冲、射频电压波形。
在一个实施例中，杀菌装置中，将螺钉分别固定于第一电极孔4和第二电极孔5处，分别用于连接高压侧与接地侧，将装有流体食品的传送槽置于该装置之下，施加电压，在网格产生沿面等离子体，并向下扩散，作用于果汁或牛奶等流体食品上，进行杀菌处理。
根据杀菌的需要，HV高压电源提供外施电压幅值大于6kV即可实现放电，无噪声，放电均匀稳定。根据实际需求，可拓展放电面积或依次增加放电单元数目，整个装置放电功率较小，符合国家节能减排的政策要求。
在一个实施例中，杀菌装置包括上侧的风冷系统以及下侧的流体传送槽，以及处于中间用于产生等离子体的表面介质阻挡放电结构。表面介质阻挡放电结构由三部分组成，阻挡介质采用氧化铝陶瓷板，上表面铺有圆形沉金铜片，下表面铺有沉金菱形网格用于产生等离子体。上表面顶角部位开孔用于连接电极，下表面对角位置同样开孔。本发明同传统的热杀菌相比，不仅可以显著改善产品的生物学活性，更重要的是减少了化学溶剂的过多使用，改善了食品食用安全性；避免了传统加工温度过高，降低了食品营养成分被破坏的程度；同普通的介质阻挡放电结构相比，本发明所采用的表面介质阻挡放电结构具有产生等离子体更均匀、高效、大面积的优点，杀菌效果也随之显著提升。
一种所述基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的杀菌方法包括以下步骤，
高压电源经由第一电极孔4和第二电极孔5供电表面介质阻挡放电结构；
沉金网格层3产生向下扩散的沿面等离子体，冷却装置朝向并冷却所述沉金层2；
传送槽传送朝向所述沉金网格层3的食品，向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品以杀菌。
工业实用性
本发明所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置及方法可以在杀菌保鲜领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其包括，
表面介质阻挡放电结构，其配置成产生向下扩散的沿面等离子体，所述表面介质阻挡放电结构包括，
阻挡介质层，其由绝缘电介质材料构成，
沉金层，其金属沉积于所述阻挡介质层的上表面，所述沉金层设有第一电极孔；
沉金网格层，其PCB印刷于所述阻挡介质层的下表面，用于产生均匀的等离子体的沉金网格层设有第二电极孔，所述沉金网格层具有菱形网格，
高压电源，其电连接第一电极孔和第二电极孔；
冷却装置，其设在所述表面介质阻挡放电结构上方，所述冷却装置朝向并冷却所述沉金层；
传送槽，其设在所述表面介质阻挡放电结构下方以传送朝向所述沉金网格层的食品，使得向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品。
2.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，优选的，沉金层和沉金网格层相对于阻挡介质层对称。
3.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，沉金层和沉金网格层的面积相等，沉金层和/或沉金网格层为圆形或方形。
4.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，阻挡介质层包括氧化铝陶瓷板，所述高压电源包括正弦交流电源、脉冲或射频电压波形，所述高压电源的电压幅值大于3kV。
5.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，冷却装置包括风扇和由有机玻璃制成的风路，所述风路一端朝向所述风扇，另一端朝向所述沉金层，所述风扇的尺寸依据印刷电路板确定。
6.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，菱形网格的角度为45-60度。
7.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，所述传送槽和所述沉金网格层之间的间隙可调。
8.如权利要求7所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，所述间隙的调节范围为0.5cm-5cm。
9.如权利要求1所述的基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置，其中，所述食品杀菌装置包括多个阵列排列的表面介质阻挡放电结构。
10.一种权利要求1-9中任一项所述基于表面介质阻挡放电等离子体的食品杀菌装置的杀菌方法，其包括以下步骤，
高压电源经由第一电极孔和第二电极孔供电表面介质阻挡放电结构；
沉金网格层产生向下扩散的沿面等离子体，冷却装置朝向并冷却所述沉金层；
传送槽传送朝向所述沉金网格层的食品，向下扩散的沿面等离子体作用于所述食品以杀菌。
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