CN118000437A - 一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，涉及食品杀菌技术领域。能够获得良好杀菌效果，缩短杀菌时间，降低能耗和运行成本，并实现工业化大流量生产。该装置包括支撑架和多个杀菌处理单元；杀菌处理单元包括脉冲电场杀菌处理器和连接管路，处理器包括多个绝缘体；绝缘体的两端分别连接高压电极和地电极；高压电极与高压脉冲电源的高压输出端连接；地电极与接地端连接；位于同一端的高压电极或地电极通过连接管路连接；高压电极包括第一金属管；地电极包括第二金属管；绝缘体为圆柱体结构，且绝缘体上设有第一金属管和第二金属管插入的通孔；第一金属管和第二金属管之间设有电极间隙。本申请能够提升非热杀菌处理装置的性能。

Description

一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置

技术领域

本申请涉及食品杀菌技术领域，尤其涉及一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置。

背景技术

食品的杀菌手段决定了产品的安全与品质。热力杀菌技术如巴氏杀菌、超高温瞬时杀菌、微波热杀菌和电阻热杀菌等，虽能较大范围的灭杀食品中微生物，但随着时代的进步，它暴露出了能耗过高、杀菌效果差、破坏食品营养结构和产生有毒物质等问题。其中，巴氏杀菌虽然能杀灭大部分有害菌，但受制于较低的处理温度无法杀灭致腐菌，故产品保质期较短。而超高温瞬时杀菌的杀菌温度高达135℃～150℃，因此，其能耗高，且会破坏营养结构。

当前的非热杀菌技术如超高压技术、电子束辐射杀菌、等离子体杀菌技术、高压CO₂杀菌技术等，普遍受限于技术条件，难以大范围应用推广，距离工业化生产存在较远距离。其中，超高压技术采用间接式杀菌，杀菌操作繁琐，且受限于较高的装置要求和成本预算，暂时无法进行大规模推广。而电子束辐射杀菌仍旧停留在初步试验的阶段，距离成熟应用还需要很长时。等离子体杀菌技术利用活性粒子氧化作用杀菌，影响果蔬汁色泽及口感。高压CO₂杀菌技术现在尚未清楚高压CO₂杀菌技术的杀菌机理，技术仍旧处于初步试验阶段。

同时，我国尚没有成熟的、满足大流量生产需求的针对液体食品的脉冲电场杀菌处理装置，多数研究仍停留在实验室静态、小流量处理阶段，难以满足工业化应用需求。

发明内容

本申请的实施例提供一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，在一定处理量下能够获得最大杀菌效果，大大缩减了非热杀菌处理时间，降低了成本可实现工业化大流量生产。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，包括支撑架和设置在所述支撑架上的多个杀菌处理单元；所述杀菌处理单元包括多个沿水平方向布置的脉冲电场杀菌处理器和多个沿水平方向延伸的连接管路，相邻的两个脉冲电场杀菌处理器通过连接管路串联；所述脉冲电场杀菌处理器包括多个绝缘体；所述绝缘体的两端分别连接高压电极和地电极；所述高压电极与高压脉冲电源的高压输出端连接；所述地电极与高压脉冲电源的接地端连接；位于同一端的高压电极或地电极通过连接管路连接；所述高压电极包括第一金属管；所述地电极包括第二金属管；所述绝缘体为圆柱体结构，且所述绝缘体的两个端面上均设有用于所述高压电极的金属管和所述地电极的金属管插入的通孔；所述高压电极的金属管和所述地电极的金属管之间设有电极间隙。

进一步地，所述脉冲电场杀菌处理器为二元结构；所述脉冲电场杀菌处理器包括两个绝缘体；两个绝缘体之间通过高压电极连接；两个绝缘体的外端分别连接一个地电极。

进一步地，所述高压电极的两端均设有第一法兰盘；所述第一法兰盘通过尼龙螺栓连接在所述绝缘体的其中一个端面上；所述地电极靠近所述绝缘体的一端设有第二法兰盘，远离所述绝缘体的一端设有外螺纹；所述第二法兰盘通过尼龙螺栓连接在所述绝缘体的另一端；所述地电极远离所述绝缘体的一端连接直角接头。

进一步地，所述电极间隙的宽度为2～10mm。

进一步地，所述高压电极、所述地电极和所述连接管路的内壁上均设置有湍流特性增强结构。

进一步地，所述绝缘体靠近所述支撑架的一侧设有连接平面；所述连接平面上设有绝缘体固定孔；所述支撑架上设有处理器固定孔；螺栓穿过所述处理器固定孔后与所述绝缘体的连接平面紧固。

进一步地，所述绝缘体内嵌圆弧，内嵌深度大于等于高压电极或地电极的半径的一半。

进一步地，所述支撑架包括底板和平行设置在所述底板上的两个立板；两个立板均沿前后方向设置；所述杀菌处理单元连接在所述立板的外侧；所述立板的内侧开设有一个高压电极接线槽、两个地电极接线槽和多个连通槽；所述高压电极接线槽和两个地电极接线槽均沿水平方向延伸，且所述高压电极接线槽位于两个所述地电极接线槽之间；所述高压电极接线槽内设有用于所述脉冲电场杀菌处理器的高压接线柱穿过的通孔；所述地电极接线槽内设有用于所述脉冲电场杀菌处理器的地极接线柱穿过的通孔；所述连通槽沿竖直方向延伸且与所述高压电极接线槽和地电极接线槽均连通；所述高压脉冲电源的高压输出端通过第一导线连接多个并联设置的地极接线柱；所述高压脉冲电源的接地端通过第二导线连接多个并联设置的高压接线柱。

进一步地，两个立板的顶部之间通过水平支架连接；两个立板的底部内侧均设有直角支架。

进一步地，所述支撑架采用有机玻璃或电木板；所述绝缘体采用聚四氟乙烯加工而成。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例可满足大流量生产需求，独创的架构模式可实现小空间内多个脉冲电场处理器的有序连接，保证基于处理量和杀菌需求的灵活拓展功能。其中，多个脉冲电场处理器之间电路并联，保证了脉冲电场强度的一致性；水路串联处理，在一定处理量下获得最大杀菌效果，大大缩减了非热杀菌处理时间，降低应用成本，为实现工业化大流量生产提供可行方案。

2、本申请实施例优化了脉冲电场杀菌处理器结构，从流场状态、电极间距、绝缘体结构多个角度优化共场型脉冲电场处理器结构，最终得到管道内部设计有湍流特性增强结构、电极间距较小、绝缘体内嵌圆弧的处理器结构。该结构一方面增加了物料的湍流强度，加强了流体物料的对流热交换，使流场分布更均匀，温升降低；另一方面增加了相同外施电压下处理器的电场强度、均匀度，从而有效提高了脉冲电场对流体物料的杀菌效果。

3、本申请实施例应用的脉冲电场技术，通过在处理器的高压电极上施加几十千伏高压脉冲来实现杀菌。相比于现行的热力杀菌技术和新型非热杀菌技术，具有杀菌效率高、杀菌范围广、设备能耗低、食品营养保留率高、产品货架期长、无副产物生成的显著优势。本发明通过设备优化进一步扩大了技术优势，相比于传统加工设备，具有成本优势和较高技术壁垒。

4、本申请实施例处理的液体食品符合多项国家安全标准，具有兼顾营养和安全的产品优势，有助于满足人民群众对食品品质的追求，助推液体食品行业的产业升级和高质量发展。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1为本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置的立体结构示意图；

图2为本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置中脉冲电场杀菌处理器的结构示意图；

图3为本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置中绝缘体的剖视图；

图4为本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置与传统结构装置在同频率下耐电压水平对比测试结果图；

图5为本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置与传统结构装置在相同电压水平下的细菌致死率对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，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；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1和图2，本申请的实施例提供了一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，包括支撑架1和设置在支撑架1上的多个杀菌处理单元。例如两个。需要说明的是，两个单元可独立处理，也可双路处理同一贮存罐内物料，前者处理效率高，后者处理效果优，可根据需求进行选择。

每个杀菌处理单元均包括四个沿水平方向排列的脉冲电场杀菌处理器2和三个沿水平方向延伸的连接管路3，即每个脉冲电场杀菌处理器2均沿竖直方向设置。相邻的两个脉冲电场杀菌处理器2通过连接管路3串联。需要说明的是，脉冲电场杀菌处理器2的数量也可以为三个或五个等，具体根据实际工况进行选择，此处不做限制，连接管路3的数量根据脉冲电场杀菌处理器2做适应的调整。连接管路3选用食品级、透明可视的绝缘材料，如聚四氟乙烯、硅胶等。一方面可以提升连接管路3的可塑性，提高对多种应用场景的适应能力；另一方面，其可透视性能够保证使用者及时观察连接管路3内的流体状态，若出现气泡或较大气体间隔，可及时排查故障，防止空气存在导致的处理器内火花放电现象，减少对电极寿命的影响。

支撑架1是支撑和排列脉冲电场杀菌处理器2的关键零部件，其采用有机玻璃或电木板等硬度较高的绝缘材料加工而成。支撑架1包括底板11、两个立板12、两个水平支架13和四个直角支架14。两个立板12均平行设置在底板11上，且两个立板12均沿前后方向设置。水平支架13连接在两个立板12的顶部之间。直角支架14设置在立板12的底部内侧且与底板11固连。水平支架13和直角支架14能够保证整个装置的结构稳定性。具体的，水平支架13能够保证两个立板12之间的平行距离不发生明显偏移。直角支架14能够保证立板12的垂直角度不发生明显偏移，为脉冲电场杀菌处理器2的集成和排列提供稳定的结构基础。水平支架13和直角支架14也可采用有机玻璃或电木板等硬度较高的绝缘材料加工而成。

立板12的外侧连接多个脉冲电场杀菌处理器2，内侧开设有一个高压电极接线槽121、两个地电极接线槽122和四个连通槽123。高压电极接线槽121和两个地电极接线槽122均沿水平方向延伸，且高压电极接线槽121位于两个地电极接线槽122之间。高压电极接线槽121内设有用于脉冲电场杀菌处理器2的高压接线柱21穿过的通孔。地电极接线槽122内设有用于脉冲电场杀菌处理器2的地极接线柱22穿过的通孔。连通槽123沿竖直方向延伸且与高压电极接线槽121和地电极接线槽122均连通。需要说明的是，根据需要，用于地极接线柱22穿过的通孔也可以设置在连通槽123内。高压脉冲电源(图中未示)的高压输出端通过第一导线4连接多个并联设置的高压接线柱21。高压脉冲电源的接地端通过第二导线5连接多个并联设置的地极接线柱22。第一导线4位于高压电极接线槽121内，第二导线5位于地电极接线槽122内。

参照图2，脉冲电场杀菌处理器2为二元结构，包括一个高压电极23、两个地电极24和两个绝缘体25。高压电极23位于最中间，其两端分别连接一个绝缘体25，两个绝缘体25的外侧分别连接一个地电极24。

具体的，高压电极23包括第一金属管231和设置在第一金属管231上的两个第一法兰盘232，两个第一法兰盘232分别靠近第一金属管231的两端设置，且距离第一金属管231的端部具有一定的距离，例如5～10mm。即，当第一法兰盘232与绝缘体25的端面连接时，第一金属管231至少一部分伸入绝缘体25的内腔中。为了便于加工，第一金属管231和两个第一法兰盘232可以为一体件。另外，为了便于实现电连接，第一金属管231上还设有与高压脉冲电源的高压输出端连接的高压接线柱21。

地电极24与高压电极23的结构相似，区别仅在于，其外端(远离绝缘体25的一端)将法兰盘换成了外螺纹。具体的，地电极24包括第二金属管241和设置在第二金属管241上的第二法兰盘242，第二法兰盘242靠近第二金属管241的内端设置，且距离第二金属管241的端部具有一定的距离，例如10mm。即，当第二法兰盘242与绝缘体25的端面连接时，第二金属管241至少一部分伸入绝缘体25的内腔中。

为了便于与连接管路3连接，第二金属管241的外端设有外螺纹243，外螺纹243上连接有直角接头6，直角接头6的另一端与连接管路3连接。具体的，直角接头6与连接管路3之间为插拔自锁式紧固连接，便于及时对老化的连接管路3进行替换。直角接头6的材料和高压电极23和地电极24的材料相同。由此，解决了金属地电极24和连接管路3的连接问题，相比现有的连接方式，大大缩减了管路流程，降低了泄漏风险。为了便于加工，第二金属管241和第二法兰盘242可以为一体件。另外，为了便于实现电连接，第二金属管241上还设有与高压脉冲电源的接地端连接的地极接线柱22。

第一金属管231、第二金属管241和连接管路3的内径均不超过10mm，外径均不超过15mm。且第一金属管231和第二金属管241均为内部导通流体物料的金属管，第一金属管231和第二金属管241优先选择食品级的、导电性好的金属材料制成，如316不锈钢。

另外，由于湍流状态的流体物料要比层流状态的流体物料杀菌效果更佳，原因是湍流处理其流场、热场分布更加均匀，处理器温升压力降低，显著提升杀菌效果。因此，为了增大流体的湍流强度，第一金属管231、第二金属管241和连接管路3的内壁上均设置有湍流特性增强结构(图中未示)。湍流特性增强结构具体包括内螺纹、毛刺或划痕等能够增强管道内壁粗糙度的结构。

还需要说明的是，脉冲电场杀菌处理器2还可以是多元结构，只要保证始末两个单元的地电极24设置有外接的外螺纹即可。

参照图2和图3，绝缘体25用于在其内部产生脉冲电场的同时高效绝缘、保证装置安全。绝缘体25采用食品级的、绝缘效果好、可塑性强的、形状不易畸变绝缘材料，如聚四氟乙烯加工而成。绝缘体25为圆柱体结构，且绝缘体25的两个端面上均设有用于高压电极23的第一金属管231和地电极24的第二金属管241插入的通孔。

绝缘体25的中部(即两个通孔之间)形成内嵌圆弧251，内嵌圆弧251的深度根据具体生产需求决定，一般不超过第一金属管231或第二金属管241的半径的二分之一。内嵌圆弧251能够使电场分布均匀，平均电场强度升高，流速上升，温升降低，解决共场型脉冲电场处理器电场分布不均匀、温升过高问题，提升处理器最大外施电场强度，保证杀菌效果。

绝缘体25的两个端面分别通过尼龙螺栓26紧密连接第一法兰盘232或第二法兰盘242。当绝缘体25与高压电极23和地电极24连接后，高压电极23的第一金属管231和地电极24的第二金属管241之间设有电极间隙(电极距离)，该电极间隙为2～10mm。由此，有效处理区域只在两个电极的间隔区域，热交换面积大，能够有效降低温升。同时，由于电极距离对处理腔内的电场强度具有重要影响，电极间距越小，电场强度越强，但过小则处理量太低，难以满足的生产需求，因此，法兰盘的连接方式能够保证电极间距的稳定性，避免因为水流的冲击、电机的震颤发生移位，保障不同处理腔内电场强度的一致性、作用效果的同一性。

另外，为了连接的更可靠，绝缘体25靠近立板12的一侧设有连接平面252，连接平面252上设有绝缘体固定孔253。立板12上设有处理器固定孔124，螺栓穿过处理器固定孔124后与绝缘体25的连接平面252紧固。处理器固定孔124的尺寸是实际情况决定，一般在M3～M6之间。另外，螺栓须为绝缘材料，如尼龙。

综上，本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置能够实现小空间内多个脉冲电场杀菌处理器2的连接，实现基于处理量和杀菌需求的灵活拓展功能。其中，多个脉冲电场杀菌处理器2之间电路并联，保障脉冲电场强度的一致性；水路则串联处理，实现一定处理量下最大杀菌效果，从而大大缩减非热杀菌处理时间，实现工业化大流量生产。

同时，本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置从流场状态、电极间距、绝缘体结构多个角度优化共场型脉冲电场处理器结构，最终得到管道内部设置湍流特性增强结构、电极间距较小、绝缘体内嵌圆弧的处理器结构。该结构一方面增加了物料的湍流强度，加强了流体物料的对流热交换，使流场分布更均匀，温升降低；另一方面增加了相同外施电压下处理器的电场强度、均匀度，从而有效提高了脉冲电场对流体物料的杀菌效果。

以下以本申请实施例针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置处理金黄色葡萄球菌菌悬液为例，探究耐电压性能和细菌致死率变化。如参照图4和图5所示，在相同频率时，本申请实施例(优化后的处理器结构)所能达到的外施电压值高于原结构，100Hz时相差10kV，证实了处理能力的优越性；在相同电压下，本申请实施例(优化后的处理器结构)的杀菌效果优于原结构，在18kV时二者的细菌致死率相差约1个对数。在相同能耗下，优化后处理器结构更易实现非热杀菌目标。

另外，申请人应用本申请实施例处理鲜榨柚子汁，获得CMA认证的产品的短时、高效杀菌效果。研究表明，该技术杀菌效果符合国家食品安全标准。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，包括支撑架和设置在所述支撑架上的多个杀菌处理单元；所述杀菌处理单元包括多个沿水平方向布置的脉冲电场杀菌处理器和多个沿水平方向延伸的连接管路，相邻的两个脉冲电场杀菌处理器通过连接管路串联；所述脉冲电场杀菌处理器包括多个绝缘体；所述绝缘体的两端分别连接高压电极和地电极；所述高压电极与高压脉冲电源的高压输出端连接；所述地电极与高压脉冲电源的接地端连接；位于同一端的高压电极或地电极通过连接管路连接；所述高压电极包括第一金属管；所述地电极包括第二金属管；所述绝缘体为圆柱体结构，且所述绝缘体的两个端面上均设有用于所述高压电极的金属管和所述地电极的金属管插入的通孔；所述高压电极的金属管和所述地电极的金属管之间设有电极间隙。

2.根据权利要求1所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述脉冲电场杀菌处理器为二元结构；所述脉冲电场杀菌处理器包括两个绝缘体；两个绝缘体之间通过高压电极连接；两个绝缘体的外端分别连接一个地电极。

3.根据权利要求2所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述高压电极的两端均设有第一法兰盘；所述第一法兰盘通过尼龙螺栓连接在所述绝缘体的其中一个端面上；所述地电极靠近所述绝缘体的一端设有第二法兰盘，远离所述绝缘体的一端设有外螺纹；所述第二法兰盘通过尼龙螺栓连接在所述绝缘体的另一端；所述地电极远离所述绝缘体的一端连接直角接头。

4.根据权利要求3所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述电极间隙的宽度为2～10mm。

5.根据权利要求4所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述高压电极、所述地电极和所述连接管路的内壁上均设置有湍流特性增强结构。

6.根据权利要求5所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述绝缘体靠近所述支撑架的一侧设有连接平面；所述连接平面上设有绝缘体固定孔；所述支撑架上设有处理器固定孔；螺栓穿过所述处理器固定孔后与所述绝缘体的连接平面紧固。

7.根据权利要求6所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述绝缘体内嵌圆弧，内嵌深度大于等于高压电极或地电极的半径的一半。

8.根据权利要求7所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述支撑架包括底板和平行设置在所述底板上的两个立板；两个立板均沿前后方向设置；所述杀菌处理单元连接在所述立板的外侧；所述立板的内侧开设有一个高压电极接线槽、两个地电极接线槽和多个连通槽；所述高压电极接线槽和两个地电极接线槽均沿水平方向延伸，且所述高压电极接线槽位于两个所述地电极接线槽之间；所述高压电极接线槽内设有用于所述脉冲电场杀菌处理器的高压接线柱穿过的通孔；所述地电极接线槽内设有用于所述脉冲电场杀菌处理器的地极接线柱穿过的通孔；所述连通槽沿竖直方向延伸且与所述高压电极接线槽和地电极接线槽均连通；所述高压脉冲电源的高压输出端通过第一导线连接多个并联设置的地极接线柱；所述高压脉冲电源的接地端通过第二导线连接多个并联设置的高压接线柱。

9.根据权利要求8所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，两个立板的顶部之间通过水平支架连接；两个立板的底部内侧均设有直角支架。

10.根据权利要求9所述的针对液体食品的脉冲电场非热杀菌处理装置，其特征在于，所述支撑架采用有机玻璃或电木板；所述绝缘体采用聚四氟乙烯加工而成。