CN114728259B - 脉冲电场室 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种旨在用电场脉冲处理流的脉冲电场(PEF)室1，所述PEF室包括PEF处理管2和相对的电极单元3、4，其中所述相对的电极单元3、4各自具有一个流动接收端(5a、5b)和一个流动出口端(6a、6b)，其中PEF处理管2包括出口流动部分(7a、7b)，所述出口流动部分沿预期流动方向布置在电极单元3、4的流动出口端(6a、6b)之后，并且因此用作相对的电极单元3、4的沿预期流动方向的延伸部，其中PEF处理管2的出口流动部分(7a、7b)被布置成在流动出口端(6a、6b)之后提供几何变窄20。
Description
技术领域
本发明涉及具有用于连续流的最佳电极几何形状的脉冲电场（PEF）室。
背景技术
存在现有PEF室。在WO 2017/184066中公开了其中一种，其中描述了一种包括PEF处理管、壳体和至少两个电极单元的PEF室，其中所述至少两个电极单元可插入以固定在壳体中并进入到PEF处理管中。
此外，在WO 2016/171610中还公开了一种具有几何变窄的PEF室。
本发明涉及一种PEF室，该PEF室具有几何形状，并且尤其是电极布置，该电极布置有益于若干类型的应用，诸如，例如，用于处理不同形式的食品和其他可泵送的材料（例如浆液等）。如上所述，PEF室具有用于处理连续流的最佳电极几何形状。
发明内容
上述目的通过一种旨在用电场脉冲处理流的脉冲电场（PEF）室来解决，所述PEF室包括PEF处理管和相对的电极单元，其中所述相对的电极单元各自具有一个流动接收端和一个流动出口端，其中PEF处理管包括出口流动部分，所述出口流动部分沿预期流动方向布置在电极单元的流动出口端之后，并且因此用作相对的电极单元的沿预期流动方向的延伸部，其中PEF处理管的出口流动部分被布置成在流动出口端之后提供几何变窄。
关于上述内容，可以说字词“管”不应被解释为限制于任何具体几何形状。因此，“管”可以在于此被视为限定特定体积的任何几何形状，其中至少一部分旨在PEF处理。如图所示，根据本发明的PEF室是整个系统，其继而包括PEF处理管，该PEF处理管是其中预期PEF处理的PEF处理体积的一部分。就这一点而言，应当理解，PEF处理体积可以具有根据本发明的许多不同类型的几何形状。因此，管不限于根据本发明的管几何形状。
为了提及关于现今已知装置和系统的某些，可以说在US 5,662,031中公开了用于使用电脉冲来处理流动性食品以灭活微生物的处理系统。所描述的系统包括具有流通处理器的一个或多个阶段，并且流通处理器具有跨处理室间隔开的第一电极和第二电极，其中使用双极电脉冲产生强电场。
此外，在US 2008/0279995公开了一种用于从酿酒葡萄提取有用物质的方法，所述方法通过电穿孔由红和/或白葡萄产生的未发酵葡萄汁来实现。用于执行未发酵葡萄汁电穿孔的装置包括介电管、用于未发酵葡萄汁的流动导管，在其壁中布置两个相互间隔开的电极以在电极之间形成脉冲电场。
US 5,662,031和US 2008/0279995不公开诸如根据本发明的PEF室。一个第一重要差异与根据本发明提供的出口流动部分相关，这因此提供管或处理体积的几何变窄。当阅读下文并考虑本发明的不同特征和实施方案时，另外的差异可能是清楚的。
根据本发明的一个实施方案，流动接收端沿预期流动方向被倒圆到PEF处理管中。从附图所示的实施方案中可明显看出，电极的圆形流动接收端也可被描述为弯曲端。此外，虽然根据本发明的PEF室可以多种不同的方式来实施，但一个合适的替代方案是作为垂直PEF室。附图中示出了此类实施方案。在这种情况下，流动接收端被定位为下部电极端。将待处理的流适合地向上泵送通过PEF室。这可能是有益的，因为受控的所需泵压降低了空气进入PEF室的风险。应当指出的是，根据本发明的PEF室可以放置在任何几何方向和位置中，并且不限于将流向上泵送通过室的构型。
当与现有PEF室进行比较时，根据本发明的PEF室提供了若干优点。本发明的PEF室提供了具有低电场的最小化体积并且没有高电场的所谓热点的强大均匀的电场，这是有益的，因为具有低电场的体积会降低效率并且热点会导致其中温度升高许多的体积。此外，根据本发明的PEF室提供了有效的流动分布，其中流动的一部分停滞的风险低。此类停滞的流动部分对处理效率和高温体积的风险也是不利的。
根据本发明的PEF室优选地包括暴露两个矩形表面的两个平坦平行的电极单元。就这一点而言，应该可以说根据本发明完全可能的其他类型的构型和几何形状。然而，两个平坦平行的电极的优点是电场变得非常均匀，但电场在边缘处有两个缺点。第一个此类问题是电场在电极单元的流入侧变得非常高。当根据本发明的PEF电极单元被倒圆时，防止了过高的电场。
下文关于本发明的具体实施方案的部分呈现了根据本发明的PEF室所解决的其他问题以及由该PEF室提供的优点。
具体实施方案
下文提供并进一步描述了本发明的一些具体实施方案。
根据本发明的一个具体实施方案，PEF处理管包括沿预期流动方向布置在电极单元的流动出口端之后的出口流动部分，并且因此用作相对的电极单元沿预期流动方向的延伸部，并且其中出口流动部分沿预期流动方向被倒圆。该实施方案意味着电极单元的最后部分接触的材料为两侧上的圆形材料，即弯曲部分。这也意味着防止了电场的热点。此外，这种类型的几何形状还提供了一个起始点，以确保待处理的材料的通过流动不会停滞在电极单元和电极单元之后的材料之间的交叉处。当隔离材料在电极之后的边缘被倒圆时，这也能够提供均匀的电场。另外，几何变窄对于提供均匀的电场和没有流动停滞位置的通道而言是重要的。下文进一步解释了几何形状的另外的实施方案和可能的改进，诸如几何变窄。
再次可以说，当考虑表述“PEF处理管”时，应当指出的是，PEF处理管不限于某一几何形状。PEF处理管应被视为装置结构，因此即整个PEF室的一部分，而不仅是处理体积。当查看附图时，这可能是清楚的。
根据本发明的又一具体实施方案，每个电极单元可插入到PEF室的PEF处理管的匹配凹槽中。此外，电极单元适当地为既可插入又可拆卸的，例如布置有螺钉以实现该特征。附图中示出了一种此类替代方案。当电极被磨损并且在一定使用时间之后必须更换为新电极时，可能希望提供该特征。
如下文进一步解释的，根据本发明的一个具体实施方案，相对的电极单元为纵向的。附图中示出了其实施方案。
根据本发明的一个具体实施方案，电极单元被布置在PEF处理管中以在流动接收端处提供第一几何变窄。附图中示出了一种此类替代方案。如上所述，这种几何变窄对于提供没有热点的均匀的电场和通流几何形状是相关的，在该通流几何形状中流动停滞位置的风险降低。
如图所示的替代方案中可见，当流从底部向上泵送到室中时，第一变窄适当地为较低的几何变窄。
根据本发明的几何变窄意味着与几何变窄之前的点相比，PEF管的横截面积在几何变窄中更小。
应当指出的是，WO 2017/184066中示出的PEF室也可被布置成提供几何变窄。此外，并且如图4所示，PEF室可设置有两个圆形电极，这两个圆形电极被布置成在管内在几何变窄处形成半圆形脉冲表面。然而，相比之下，本发明涉及纵向电极，其端部因此提供了第一几何变窄。当与WO 2017/184066（其中圆形电极被布置在几何变窄的内部）的图4所示的布置进行比较时，这是重要差异。应当指出的是，利用诸如根据本发明的纵向电极单元，减少了其中损失的体积。电极单元的端部位置是相对于所提供的电场有明显损失风险的位置。长PEF处理室（即具有纵向电极单元）提供较低水平的可能存在的损失的体积。此外，长度的限制取决于PEF发生器中的最大电流和所泵送的材料可具有的最小横截面。
总之，设计PEF室时需要解决的一个问题是使均匀液体流动通过该室。如果边缘被倒圆，则它解决电场问题使得防止出现热点，但随后会形成具有停滞或缓慢流动的材料的区域。模拟表明，与通道的横截面变窄相比，当横截面变宽时，停滞区域的问题更加棘手。如上所述，这就是在PEF室的开始和结束处以不同方式处理高电场的对策的原因。由于较低流，在材料被倒圆的拐角处温度将升高，但是因为横截面变窄，问题变小了，这对于预期应用（诸如可泵送食品的PEF处理）产生了很大的影响。室的形状是避免高电场和高温升高的最佳折衷方案。如果仅为避免高电场优化该室，则会出现停滞区域、高温和过度处理的问题。当液体变成蒸汽时，这将在液体中产生燃烧或火花。如果仅为均匀流动优化该室，则会出现高电场引起火花的问题。
继续，根据本发明的又一具体实施方案，PEF处理管的出口流动部分被布置成在流动出口端之后提供第二几何变窄。然后，在如图所示的其中流自下而上被泵送的实施方案的情况下，该第二几何变窄可被视为上部几何变窄。此外，由布置在电极单元之后的隔离材料提供第二几何变窄。
应当指出的是，第二几何变窄合适地具有比第一几何变窄更小的横截面积。例如，对于平行电极单元而言，这是给定的事实，诸如附图中所示，然而电极单元不必根据本发明以这种方式布置。然而，优选地，第二几何变窄具有比第一几何变窄更小的横截面积。就这一点而言，也可以提及，如上面应当清楚的是，第一变窄和第二变窄的机械解决方案可以具有不同类型。
另外，根据本发明的PEF室的不同部分的实际测量可能对于提供增加的PEF处理效率是重要的。根据本发明的一个实施方案，PEF室中的相对的电极单元之间的间隙距离（GE）与每个电极单元的长度（LE）的关系具有至少为3、优选地至少为6、更优选地至少为8、最优选地至少为10的LE/GE比率。根据本发明的该高比率确保如上所述的相对损失体积被保持在低水平。应当指出的是，至少10、甚至高于15的LE/GE比率值对于某些应用诸如例如当处理乳清蛋白或乳制品时而言也可以是重要的。根据本发明，获得此类值是可能的。
根据又一实施方案，每个电极单元的长度（LE）为至少30mm，优选地在30mm至600mm的范围内（例如在50mm至600mm的范围内）、更优选地在30mm至300mm的范围内、更优选地在30mm至200mm的范围内，并且其中PEF室中的相对的电极单元之间的间隙距离（GE）为至少3mm，优选地在3mm至45mm的范围内。这种类型的尺寸以及电极的长度与电极之间的间隙距离之间的关系适用于预期应用（诸如处理连续进料流）和PEF发生器的合适尺寸。
此外，电极单元的宽度也可能是相关的。根据本发明的一个具体实施方案，每个电极单元的宽度（WE）为至少3mm，优选地在3mm至45mm的范围内。该宽度与电极之间的间隙距离以及电极的长度相关是特别有意义的。与此一致，根据本发明的一个实施方案，PEF室中的相对的电极单元之间的间隙距离（GE）、每个电极单元的长度（LE）与每个电极单元的宽度（WE）以GE:WE:LE形式的关系为从3:3:20mm至45:40:200mm的比率。合适的精确关系取决于预期的工业应用，例如用于处理食品以及食品的类型（例如果汁或碎水果），或者其他类型的材料（诸如污水淤泥等）。
此外，可能的几何变窄与电极之间的间隙距离的关系也可能是相关的。与此一致，根据本发明的一个具体实施方案，第一几何变窄被布置为相对的电极单元之间的间隙距离（GE），该间隙距离（GE）在第一管距离的40%至80%的范围内、优选地在45%至64%的范围内，该第一管距离沿预期流动方向被布置在相对的电极单元之前。因此，第一管距离是在电极之前的隔离材料管的侧面之间的距离。同样，合适的间隙距离（GE）是适当地恒定的，因为合适的电极单元是平行的，但这不是必须的。
此外，根据本发明的又一具体实施方案，第二几何变窄以第二管距离布置，该第二管距离在相对的电极单元之间的间隙距离（GE）的65%至95%的范围内、优选地在70%至80%的范围内。因此，第二管距离是在电极之后的隔离材料管的侧面之间的距离。
此外，电极单元以及隔离材料在电极单元之后的实际圆形形状也可能是重要的。根据本发明的一个具体实施方案，流动接收端被倒圆为具有某一半径以在布置在相对的电极单元之前的材料与实际相对的电极单元之间形成70度至110度的范围内的角度。作为示例，约90度的角度是非常合适的。与此一致，对于电极单元之后的隔离材料而言，相同类型的角度是有意义的。因此，根据一个具体实施方案，出口流动部分被倒圆为具有某一半径以在电极单元的流动出口端与实际出口流动部分之间形成70度至110度的范围内的角度。另外，这里约90度的角度也是非常合适的。
此外，根据本发明的一个具体实施方案，PEF处理管包括布置在电极单元的流动接收端之前的湍流单元、优选地螺旋单元。湍流单元沿流动方向布置在电极之前。湍流单元被布置成在电极单元之间的流进入之前在流中提供湍流。湍流宜在用电脉冲处理流时更随机。抑制流中的停滞热点，该停滞热点在层流中发生。这是优选的。如上所述，螺旋是可能作为湍流单元的可能类型的单元。关于螺旋，也可以提及，螺旋可以意味着在处理体积和管内部的边缘附近的流速增加。这可以通过提供流的旋转来实现，这可以通过螺旋获得。螺旋可以因此提供流速，该流速在体积内部大致相同，并且在处理体积的中间不高得多。
根据本发明的PEF室和管也可以替代地或另外地包括被布置成实现电极之间的湍流流动的其他类型的单元。因此，根据本发明的一个具体实施方案，存在一个或多个翼形件，该一个或多个翼形件布置在相对的电极单元旁边的一个或两个室壁上。在电极的侧面上和PEF室的内部，存在不构成电极的管壁。在此，可以提供翼形件或其他突出单元以抑制层流分布。此类翼形件可以被布置为独立的解决方案或除了在电极单元之前提供的湍流单元之外。
根据本发明的又一具体实施方案，分流器布置在PEF处理管的处理体积的结束处。根据本发明的分流器可以减小电极末端处的电场。高电场点因此移动到处理体积的中间，在该中间处流速最高。然后将在分流器的开始处提供此类高电场点。分流器的形状在分流器的该开始处可被倒圆。然后，分流器的开始也将在处理体积中具有几乎最高的流速。因此，本发明也可以确保获得增加的电场，其中流速为高的。
此外，如上所述，本发明旨在处理连续流，例如食品或废水等。示例为橙汁、胡萝卜汁、苹果汁、废水或淤泥、碎橄榄、用于酿酒的碎葡萄、乳清蛋白、乳制品或卵处理等。因此，本发明还涉及用于处理连续流的方法，所述方法涉及使用根据本发明的PEF室。
如上面应当清楚的是，与已知PEF室相比，本发明提供许多优点。为了总结这些优点中的一些，可以提及本发明提供流动的一部分停滞的风险低的位置处的有效的流动分布，并且降低在电极单元处电场非常高的位置处的热点的问题。此外，本发明还确保存在损失的室体积的减少。
附图说明
在图1中示出了根据本发明的一个实施方案的PEF室1。该PEF室1包括PEF处理管2和可插入到PEF室1中的相对的电极单元3、4。在这种情况下，可以指出的是，电极单元3、4通过布置的螺钉可附接且可拆卸。
此外，相对的电极单元3、4各自具有流动接收端5a、5b和流动出口端6a、6b。值得注意的是，在这种情况下，旨在将待处理的流泵送到底部并向上泵送通过PEF室1和PEF处理管2。此外，可以看出，流动接收端5a、5b沿预期流动方向被倒圆或弯曲到PEF处理管2中。此外，在该实施方案中还描绘了电极单元的宽度（WE）。
在图2中示出了如图1所示的类似实施方案。在这种情况下，还示出了PEF处理管2包括出口流动部分7a、7b，这些出口流动部分沿预期流动方向被布置在电极单元3、4的流动出口端6a、6b之后。这些出口流动部分7a、7b是布置在电极单元3、4之后的隔离材料的一部分，因此用作相对的电极单元3、4沿预期流动方向的延伸部。此外，这些出口流动部分7a、7b也沿预期流动方向被倒圆或弯曲。
此外，如该实施方案中所见，电极单元3、4被布置在PEF处理管2中以在流动接收端5a、5b处提供第一几何变窄10。此外，PEF处理管2的出口流动部分7a、7b也被布置成在流动出口端6a、6b之后提供第二几何变窄20。这意味着沿着在这种情况下从下部流入侧到上部流出侧的流动路径提供了两个几何变窄。
在图3中示出了如图2所示的实施方案，然而在这里两个电极单元3、4均被置于PEF室中的适当位置。
在图4中还示出了与图1至图3所示的实施方案一致的实施方案。在这种情况下，还描绘了PEF室中的相对的电极单元3、4之间的间隙距离GE和电极的长度LE。此外，还描绘了沿预期流动方向布置在相对的电极单元3、4之前的第一管距离11。此外，并且与此一致，图4中还示出了这些电极之后的管直径的第二管距离21。
Claims (16)
1. 一种旨在用电场脉冲处理流的脉冲电场PEF室（1），所述PEF室（1）包括PEF处理管（2）和相对的电极单元（3, 4），其特征在于，所述相对的电极单元（3, 4）各自具有一个流动接收端（5a, 5b）和一个流动出口端（6a, 6b），其中所述PEF处理管（2）包括出口流动部分（7a, 7b），所述出口流动部分沿预期流动方向布置在所述电极单元（3, 4）的所述流动出口端（6a, 6b）之后，并且因此用作所述相对的电极单元（3, 4）的沿所述预期流动方向的延伸部，其中所述相对的电极单元（3, 4）为纵向的，其中所述流动接收端（5a, 5b）沿预期流动方向被倒圆到所述PEF处理管（2）中，其中所述出口流动部分（7a, 7b）沿预期流动方向被倒圆，其中所述电极单元（3, 4）被布置在所述PEF处理管（2）中以在所述流动接收端（5a, 5b）处提供第一几何变窄（10），其中所述PEF处理管（2）的所述出口流动部分（7a, 7b）被布置成在所述流动出口端（6a, 6b）之后提供第二几何变窄（20）。
2. 根据权利要求1所述的PEF室（1），其中每个电极单元（3, 4）能够插入到所述PEF室（1）的所述PEF处理管（2）的匹配凹槽中。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的PEF室（1），其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）与每个电极单元（3, 4）的长度（LE）的关系具有至少为3的LE/GE比率；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的长度（LE）为至少30mm，并且其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）为至少3mm；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的宽度（WE）为至少3mm；和/或
其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）、每个电极单元（3, 4）的长度（LE）与每个电极单元（3, 4）的宽度（WE）以GE:WE:LE形式的关系为从3:3:20mm至45:40:200mm的比率。
4. 根据权利要求3所述的PEF室（1），其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3,4）之间的间隙距离（GE）与每个电极单元（3, 4）的长度（LE）的关系具有至少为6的LE/GE比率；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的长度（LE）在30mm至600mm的范围内，并且其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）在3mm至45mm的范围内；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的宽度（WE）在3mm至45mm的范围内。
5. 根据权利要求4所述的PEF室（1），其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3,4）之间的间隙距离（GE）与每个电极单元（3, 4）的长度（LE）的关系具有至少为8的LE/GE比率；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的长度（LE）在30mm至300mm的范围内。
6. 根据权利要求5所述的PEF室（1），其中所述PEF室（1）中的所述相对的电极单元（3,4）之间的间隙距离（GE）与每个电极单元（3, 4）的长度（LE）的关系具有至少为10的LE/GE比率；和/或
其中每个电极单元（3, 4）的长度（LE）在30mm至200mm的范围内。
7. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中所述第一几何变窄（10）被布置为所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE），所述间隙距离（GE）在第一管距离（11）的40%至80%的范围内，所述第一管距离沿所述预期流动方向被布置在所述相对的电极单元（3, 4）之前。
8. 根据权利要求7中所述的PEF室（1），其中所述第一几何变窄（10）被布置为所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE），所述间隙距离（GE）在第一管距离（11）的45%至64%的范围内。
9. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中所述第二几何变窄（20）以第二管距离（21）布置，所述第二管距离在所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）的65%至95%的范围内。
10. 根据权利要求9所述的PEF室（1），其中所述第二几何变窄（20）以第二管距离（21）布置，所述第二管距离在所述相对的电极单元（3, 4）之间的间隙距离（GE）的70%至80%的范围内。
11. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中所述流动接收端（5a, 5b）被倒圆为具有某一半径以在布置在所述相对的电极单元（3, 4）之前的材料与实际相对的电极单元（3, 4）之间形成70度至110度的范围内的角度。
12. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中所述出口流动部分（7a, 7b）被倒圆为具有某一半径以在所述电极单元（3, 4）的所述流动出口端（6a, 6b）与实际出口流动部分（7a, 7b）之间形成70度至110度的范围内的角度。
13. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中所述PEF处理管（2）包括布置在所述电极单元（3, 4）的所述流动接收端（5a, 5b）之前的湍流单元。
14. 根据权利要求13所述的PEF室（1），其中所述PEF处理管（2）包括布置在所述电极单元（3, 4）的所述流动接收端（5a, 5b）之前的螺旋单元。
15. 根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中存在一个或多个翼形件，所述一个或多个翼形件布置在所述相对的电极单元（3, 4）旁边的一个或两个室壁上。
16.根据权利要求1至2中任一项所述的PEF室（1），其中分流器布置在所述PEF处理管（2）的处理体积的结束处。
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