CN115024459A - 一种柔性射频高温高压灭菌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性射频高温高压灭菌装置，包括：射频发生单元，所述射频发生单元包括：射频下极板，所述射频下极板的上端设置有杀菌釜，所述杀菌釜的外侧壁环绕设置有射频上极板，所述射频上极板通过同轴电缆连接有射频发生装置，所述射频发生单元的穿透深度与功率密度满足以下公式：
PV＝2πfε0ε1E2；其中，dp为射频在去离子水中的穿透深度，c为真空中的光速，ε′为去离子水的介电常数；ε"为去离子水的介电损耗因子；f为射频频率，PV为射频场中物料所接收到的功率，ε0为电磁波在真空中的相对介电常数；ε1为物料的介电损耗因子；E为电场强度，本发明可以通过射频加热产生高温高压实现杀灭微生物，然后降温为低温高压防止物料边角温度过高。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工技术领域，具体涉及一种柔性射频高温高压灭菌装置。
背景技术
射频是一种高频交流电磁波，频率介于3KHz-300MHz之间。射频杀菌是通过射频产生高频交变电场，带动物料中带电离子的移动和偶极子旋转而产生热量，使物料整体加热升温，从而达到杀菌的目的。
热处理作为食品加工中不可或缺的一种加工方式，是食品灭菌所广泛采用的方法，当加热温度达到121℃，维持加热时间15分钟时，就能够有效灭活食品中的微生物及其孢子，相较于传统的高温高压灭菌，射频杀菌升温快，加热均匀且穿透深度大，但射频杀菌容易造成物料边角温度较高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的射频杀菌容易造成物料边角温度高的缺陷，从而提供一种柔性射频高温高压灭菌装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种柔性射频高温高压灭菌装置，包括：射频发生单元，所述射频发生单元包括：射频下极板、射频上极板、射频发生装置、同轴电缆，所述射频下极板的上端设置有杀菌釜，所述杀菌釜的外侧壁环绕设置所述射频上极板，所述射频上极板的接入端固定连接有所述同轴电缆的一端，所述同轴电缆的另一端固定连接所述射频发生装置，所述射频发生单元的穿透深度与功率密度满足以下公式：
PV＝2πfε0ε1E2
其中，dp为射频在去离子水中的穿透深度，单位为m；c为真空中的光速，单位为m/s；ε′为去离子水的介电常数；ε"为去离子水的介电损耗因子；f为射频发生装置产生的射频频率，单位为MHz；PV为射频场中物料所接收到的功率，单位为W；ε0为电磁波在真空中的相对介电常数；ε1为物料的介电损耗因子；E为电场强度，单位为V/m；
根据去离子水(20℃)在27.12MHz射频场下的介电常数ε′＝80，介电损耗因子ε"＝0.11，可计算出射频在去离子水中的穿透深度为143.23m，因此射频能够有效地对杀菌釜内的物料进行整体升温；由于去离子水的介电损耗因子较低，将吸收自射频的电能转化为热能的转化率低，因此在射频加热过程中去离子水几乎不升温，从而能够在杀菌釜内产生低温高压环境辅助杀菌，并对加热物料进行边角保护和快速降温。
优选的，所述射频发生单元包括：射频下极板、射频上极板、射频发生装置、同轴电缆。
优选的，所述射频上极板对称设置有两块，所述射频上极板的中间位置设置有杀菌釜，所述杀菌釜的内腔中设置有荧光光纤测温探头，所述荧光光纤测温探头的检测端适于检测所述杀菌釜的内腔温度，背离所述荧光光纤测温探头的检测端的一端固定连接有控制单元，所述控制单元适于开启或者关闭所述荧光光纤测温探头，所述杀菌釜的上端设置有第一管道的一端，所述第一管道上依次设置有压力表和压力调节阀，所述第一管道的另一端固定连接有储液罐的输入端，所述储液罐适于储存去离子水，所述储液罐的输出端固定连接有第二管道的一端，所述第二管道的另一端固定连接有冷循环器的流入端，所述冷循环器适于使去离子水的温度降低为预设温度，所述冷循环器的流出端固定连接有第三管道的一端，所述第三管道上依次设置有单向阀和增压泵，所述第三管道的另一端贯穿所述射频下极板后连接在所述杀菌釜的下端，所述射频下极板设置在所述杀菌釜的下端面上，所述射频上极板和所述射频下极板通过同轴电缆电连接有射频发生装置，所述射频发生装置适于控制所述射频上极板和所述射频下极板输出预设频率。
优选的，所述荧光光纤测温探头通过法兰盘与所述杀菌釜连接，所述荧光光纤测温探头适于实时显示所述杀菌釜腔体内的温度，所述荧光光纤测温探头的测温范围为0-200℃。
优选的，所述控制单元电连接所述射频发生装置，所述控制单元适于控制射频发生装置的输出功率，所述射频发生装置射频输出功率为100W-6KW。
优选的，所述杀菌釜为圆柱形容器，杀菌釜的上盖和底板均采用法兰盘密封，所述杀菌釜通过聚四氟乙烯螺丝与所述第三管道连接，所述杀菌釜的中部材料为聚四氟乙烯。
优选的，所述压力表适于实时显示所述杀菌釜内腔中的压力，所述压力调节阀适于实现所述杀菌釜内压力1-15.5Bar连续线性可调。
优选的，所述射频发生装置的输出频率为27.12MHz。
优选的，所述射频上极板和所述射频下极板之间的间距可调节。
优选的，所述杀菌釜的外径为120mm，壁厚为20mm，内径为100mm。
本发明具有以下优点：
通过射频发生装置和射频上极板和射频下极板协调配合，能够有效地提高物料在射频加热灭菌中的升、降温速率且能起到杀灭微生物的作用，并且通过冷水循环减轻物料在射频加热过程中的边角效应；本发明在传统射频加热设备上集成了高压冷去离子水循环系统，去离子水能够在杀菌釜容器腔体内形成低温、高压环境，并且在射频环境中的升温可忽略不计，使物料中的微生物在高温高压环境下得到有效灭活，大幅减少物料在射频杀菌过程中接受的热处理时间与边角效应，从而有效保持物料灭菌后的微生物安全性与风味质地。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示出了本发明的主体结构示意图。
附图标记说明：1、控制单元；2、荧光光纤测温探头；3、压力表；4、压力调节阀；5、储液罐；6、冷循环器；7、单向阀；8、增压泵；9、射频下极板；10、杀菌釜；11、射频上极板；12、射频发生装置；13、同轴电缆；14、第一管道；15、第二管道；16、第三管道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
在一种实施方式中，请参阅图1，本发明提供了一种柔性射频高温高压灭菌装置，包括：射频发生单元，射频发生单元包括：射频下极板9、射频上极板11、射频发生装置12、同轴电缆13，射频下极板9的上端设置有杀菌釜10，杀菌釜10的外侧壁环绕设置有射频上极板11，射频上极板11的接入端固定连接有同轴电缆13的一端，同轴电缆13的另一端固定连接有射频发生装置12，射频发生单元的穿透深度与功率密度满足以下公式：
PV＝2πfε0ε1E2
其中，dp为射频在去离子水中的穿透深度，单位为m；c为真空中的光速，单位为m/s；ε′为去离子水的介电常数；ε"为去离子水的介电损耗因子；f为射频发生装置产生的射频频率，单位为MHz；PV为射频场中物料所接收到的功率，单位为W；ε0为电磁波在真空中的相对介电常数；ε1为物料的介电损耗因子；E为电场强度，单位为V/m；
根据去离子水(20℃)在27.12MHz射频场下的介电常数ε′＝80，介电损耗因子ε"＝0.11，可计算出射频在去离子水中的穿透深度为143.23m，因此射频能够有效地对杀菌釜内的物料进行整体升温；由于去离子水的介电损耗因子较低，将吸收自射频的电能转化为热能的转化率低，因此在射频加热过程中去离子水几乎不升温，从而能够在杀菌釜内产生低温高压环境辅助杀菌，并对加热物料进行边角保护和快速降温。
可选的，射频发生单元包括：射频下极板9、射频上极板11、射频发生装置12、同轴电缆13。
可选的，射频上极板11对称设置有两块，射频上极板11的中间位置设置有杀菌釜10，杀菌釜10的内腔中设置有荧光光纤测温探头2，荧光光纤测温探头2的检测端适于检测杀菌釜10的内腔温度，背离荧光光纤测温探头2的检测端的一端固定连接有控制单元1，控制单元1适于开启或者关闭荧光光纤测温探头2，杀菌釜10的上端设置有第一管道14的一端，第一管道14上依次设置有压力表3和压力调节阀4，第一管道14的另一端固定连接有储液罐5的输入端，储液罐5适于储存去离子水，储液罐5的输出端固定连接有第二管道15的一端，第二管道15的另一端固定连接有冷循环器6的流入端，冷循环器6适于使去离子水的温度降低为预设温度，冷循环器6的流出端固定连接有第三管道16的一端，第三管道16上依次设置有单向阀7和增压泵8，第三管道16的另一端贯穿射频下极板9后连接在杀菌釜10的下端，射频下极板9设置在杀菌釜10的下端面上，射频上极板11和射频下极板9通过同轴电缆13电连接有射频发生装置12，射频发生装置12适于控制射频上极板11和射频下极板9输出预设频率。
具体地，在储液罐5内添加去离子水，在杀菌釜10中放入待处理物料，然后启动控制单元1，控制单元1会启动射频发生装置12和荧光光纤测温探头2，射频发生装置12会控制射频上极板11和射频下极板9输出预设频率，然后对待处理物料进行加热，加热过程中杀菌釜10内会进入高温高压状态，进而杀灭待处理物料中的微生物；荧光光纤测温探头2可以实时监测杀菌釜10的内腔温度，当加热至预设温度时，荧光光纤测温探头2会反馈电信号给控制单元1，控制单元1会调整为保温状态，同时储液罐5内的去离子水会经过第二管道15流入冷循环器实现降温，经过降温后的去离子水会通过单向阀7流入增压泵8进行增压，增压后的低温去离子水会进入杀菌釜10，使得杀菌釜10内的温度降低，使得杀菌釜内成为低温高压状态，大幅减少待处理物料在射频杀菌过程中接受的热处理时间与边角效应，从而有效保持物料灭菌后的微生物安全性与风味质地。
单向阀7的设置可以防止杀菌釜10内的液体逆流进入冷循环器6，且能起到保护杀菌釜10的内腔压力的作用。
冷循环器6可以使得去离子水的温度降低至预设温度，低温去离子水可以快速降低杀菌釜10的内腔温度，且能对待处理物料的边角进行保护。
通过去离子水在射频场中升温速率较慢的特性为腔体内的待处理物料提供低温、高压环境，使待处理物料中的微生物在高温高压环境下得到有效灭活，大幅减少待处理物料在射频杀菌过程中接受的热处理时间与边角效应，从而有效保持待处理物料灭菌后的微生物安全性与风味质地。
可选的，荧光光纤测温探头2通过法兰盘与杀菌釜10连接，荧光光纤测温探头2适于实时显示杀菌釜10腔体内的温度，荧光光纤测温探头2的测温范围为0-200℃。
具体地，荧光光纤测温探头2的材料为耐高温材料，只需保证在高温高压环境下不会产生变形即可。
可选的，控制单元1电连接射频发生装置12，控制单元1适于控制射频发生装置12的输出功率，射频发生装置射频输出功率为100W-6KW。
可选的，杀菌釜10为圆柱形容器，杀菌釜10的上盖和底板均采用法兰盘密封，杀菌釜10通过聚四氟乙烯螺丝与第三管道16连接，杀菌釜10的中部材料为聚四氟乙烯。
可选的，压力表3适于实时显示杀菌釜10内腔中的压力，压力调节阀4适于实现杀菌釜10内压力1-15.5Bar连续线性可调。
具体地，根据压力调节阀4可以使得杀菌釜10的内腔压力调整至待处理物料的预设处理压力，压力表3方便操作人员即使调整内腔压力。
可选的，射频发生装置12的输出频率为27.12MHz。
可选的，射频上极板11和射频下极板9之间的间距可调节。
具体地，通过控制射频上极板11与射频下极板9间距调节射频加热温度。
可选的，杀菌釜10的外径为120mm，壁厚为20mm，内径为100mm。
在一个可替代的实施方式中，当待处理物料为午餐肉时，将午餐肉软罐头装入料筒中，放置于杀菌釜10内并用法兰和聚四氟乙烯螺丝密封，杀菌釜10位于射频加热单元的射频上极板11和射频下极板9中间，用冷水管将杀菌釜10与冷循环单元连接起来，将荧光光纤测温探头2插入物料中并通过控制单元1实时记录物料温度。调节射频上极板11和射频下极板9的间距为130mm。启动射频发生装置12，调整射频输出频率为27.12MHz、输出功率为6KW，设定控制单元1中保温温度为121℃，保温时间为15min。同时启动冷循环辅助杀菌系统，设定压力调节阀4控制杀菌釜10内压力为15.5bar，保压时间20min，设定冷循环器6的冷水温度为25℃，打开单向阀7、增压泵8，向杀菌釜10内注入冷水，进行高效、保质射频高温高压灭菌，灭菌时间为20min。灭菌后的午餐肉罐头符合罐头食品商业无菌要求。
在另一个可替代的实施方式中，当待处理物料为菠萝时，将菠萝软罐头装入料筒中，放置于杀菌釜10内并用法兰和聚四氟乙烯螺丝密封，杀菌釜10位于射频加热单元的射频上极板11和射频下极板9中间，用冷水管将杀菌釜10与冷循环单元连接起来，将荧光光纤测温探头2插入物料中并通过控制单元1实时记录物料温度。调节射频上极板11和射频下极板9的间距为130mm。启动射频发生装置12，调整射频输出频率为27.12MHz、输出功率为6KW，设定控制单元1中保温温度为121℃，保温时间为15min。同时启动冷循环辅助杀菌系统，设定压力调节阀4控制杀菌釜10内压力为15.5bar，保压时间20min，设定冷循环器6的冷水温度为25℃，打开单向阀7、增压泵8，向杀菌釜10内注入冷水，进行高效、保质射频高温高压灭菌，灭菌时间为20min。灭菌后的菠萝软罐头符合罐头食品商业无菌要求。
在另一个可替代的实施方式中，当待处理物料为芦笋时，将芦笋软罐头装入料筒中，放置于杀菌釜10内并用法兰和聚四氟乙烯螺丝密封，杀菌釜10位于射频加热单元的射频上极板11和射频下极板9中间，用冷水管将杀菌釜10与冷循环单元连接起来，将荧光光纤测温探头2插入物料中并通过控制单元1实时记录物料温度。调节射频上极板11和射频下极板9的间距为130mm。启动射频发生装置12，调整射频输出频率为27.12MHz、输出功率为6KW，设定控制单元1中保温温度为121℃，保温时间为15min。同时启动冷循环辅助杀菌系统，设定压力调节阀4控制杀菌釜10内压力为15.5bar，保压时间20min，设定冷循环器6的冷水温度为25℃，打开单向阀7、增压泵8，向杀菌釜10内注入冷水，进行高效、保质射频高温高压灭菌，灭菌时间为20min。灭菌后的芦笋罐头符合罐头食品商业无菌要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：射频发生单元，所述射频发生单元包括：射频下极板(9)、射频上极板(11)、射频发生装置(12)、同轴电缆(13)，所述射频下极板(9)的上端设置有杀菌釜(10)，所述杀菌釜(10)的外侧壁环绕设置所述射频上极板(11)，所述射频上极板(11)的接入端固定连接有所述同轴电缆(13)的一端，所述同轴电缆(13)的另一端固定连接所述射频发生装置(12)，所述射频发生单元的穿透深度与功率密度满足以下公式：
PV＝2πfε0ε1E2
其中，dp为射频在去离子水中的穿透深度，单位为m；c为真空中的光速，单位为m/s；ε′为去离子水的介电常数；ε"为去离子水的介电损耗因子；f为射频发生装置产生的射频频率，单位为MHz；PV为射频场中物料所接收到的功率，单位为W；ε0为电磁波在真空中的相对介电常数；ε1为物料的介电损耗因子；E为电场强度，单位为V/m；
根据去离子水(20℃)在27.12MHz射频场下的介电常数ε′＝80，介电损耗因子ε"＝0.11，可计算出射频在去离子水中的穿透深度为143.23m，因此射频能够有效地对杀菌釜内的物料进行整体升温；由于去离子水的介电损耗因子较低，将吸收自射频的电能转化为热能的转化率低，因此在射频加热过程中去离子水几乎不升温，从而能够在杀菌釜内产生低温高压环境辅助杀菌，并对加热物料进行边角保护和快速降温。
2.根据权利要求1所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述射频发生单元包括：射频下极板(9)、射频上极板(11)、射频发生装置(12)、同轴电缆(13)。
3.根据权利要求1所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述射频上极板(11)对称设置有两块，所述射频上极板(11)的中间位置设置有杀菌釜(10)，所述杀菌釜(10)的内腔中设置有荧光光纤测温探头(2)，所述荧光光纤测温探头(2)的检测端适于检测所述杀菌釜(10)的内腔温度，背离所述荧光光纤测温探头(2)的检测端的一端固定连接有控制单元(1)，所述控制单元(1)适于开启或者关闭所述荧光光纤测温探头(2)，所述杀菌釜(10)的上端设置有第一管道(14)的一端，所述第一管道(14)上依次设置有压力表(3)和压力调节阀(4)，所述第一管道(14)的另一端固定连接有储液罐(5)的输入端，所述储液罐(5)适于储存去离子水，所述储液罐(5)的输出端固定连接有第二管道(15)的一端，所述第二管道(15)的另一端固定连接有冷循环器(6)的流入端，所述冷循环器(6)适于使去离子水的温度降低为预设温度，所述冷循环器(6)的流出端固定连接有第三管道(16)的一端，所述第三管道(16)上依次设置有单向阀(7)和增压泵(8)，所述第三管道(16)的另一端贯穿所述射频下极板(9)后连接在所述杀菌釜(10)的下端，所述射频下极板(9)设置在所述杀菌釜(10)的下端面上，所述射频上极板(11)和所述射频下极板(9)通过同轴电缆(13)电连接有射频发生装置(12)，所述射频发生装置(12)适于控制所述射频上极板(11)和所述射频下极板(9)输出预设频率。
4.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述荧光光纤测温探头(2)通过法兰盘与所述杀菌釜(10)连接，所述荧光光纤测温探头(2)适于实时显示所述杀菌釜(10)腔体内的温度，所述荧光光纤测温探头(2)的测温范围为0-200℃。
5.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述控制单元(1)电连接所述射频发生装置(12)，所述控制单元(1)适于控制射频发生装置(12)的输出功率，所述射频发生装置射频输出功率为100W-6KW。
6.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述杀菌釜(10)为圆柱形容器，杀菌釜(10)的上盖和底板均采用法兰盘密封，所述杀菌釜(10)通过聚四氟乙烯螺丝与所述第三管道(16)连接，所述杀菌釜(10)的中部材料为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述压力表(3)适于实时显示所述杀菌釜(10)内腔中的压力，所述压力调节阀(4)适于实现所述杀菌釜(10)内压力1-15.5Bar连续线性可调。
8.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述射频发生装置(12)的输出频率为27.12MHz。
9.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述射频上极板(11)和所述射频下极板(9)之间的间距可调节。
10.根据权利要求3所述的一种柔性射频高温高压灭菌装置，其特征在于，包括：所述杀菌釜(10)的外径为120mm，壁厚为20mm，内径为100mm。
Priority Applications (1)
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| CN202210713722.6A CN115024459A (zh) | 2022-06-22 | 2022-06-22 | 一种柔性射频高温高压灭菌装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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2022
- 2022-06-22 CN CN202210713722.6A patent/CN115024459A/zh active Pending
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