CN1219467C - 液体杀菌的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体杀菌方法，包括一个或多个对液体加热到高于约60℃温度，并施加数量级约为102V/cm或更高的电场的步骤。

Description

液体杀菌的方法和装置
本发明涉及一种对液体或与液体接触的固态物体进行杀菌的方法以及用于该方法的装置。
本发明特别涉及一种对水溶液以及接触该液体并受到污染特别是受到酵母或霉菌污染的表面进行杀菌的方法。
人们已经知道多种对液体以及与该液体接触的表面进行杀菌的方法。这些方法之一是使用穿透性辐射，例如紫外线、X射线、γ射线和β射线的照射。紫外线辐射相对较慢，也不能处理阴影区域。而且，紫外线可能改变激发能小于2eV的分子结构状态。其它的离子辐射方法也常对产品造成破坏，因为它们能够改变产品的物理化学性质、破坏特定的分子或产生危害消费者健康的激发形态(参见Bernard D.T.，Gravin A.，Scott V.N.，Shafer B.D.，Stevenson K.E.，Unverferth I.A.和Chandarana D.I.《Validation of Aseptic Processing andPackaging》，食品科技，1990，12第119-122页)。
其它公知的杀菌方法是利用化学产品杀灭微生物。然而，用化学产品进行消毒或杀菌是被严格控制的，因为这些化学产品对环境以及消费者的健康都具有不利的影响。例如，在食品工业中，如果不能完全避免，也倾向于减少防腐剂的使用。
加热杀菌的方法如巴氏杀菌也是很常规的方法，但是这些方法的缺陷是对食品中有益的物质会造成破坏，改变食品的感官和营养性质，降低维生素如维生素C的含量。
巴氏杀菌方通常是在温度大于75℃下进行的，该温度也经常被维持在高于90℃时间大于60秒。
WO97/19707记载的杀菌方法是以电化学方式产生杀菌化合物，即次氯酸钠。该方法也改变了杀菌后液体的性质。
为了避免上述方法的缺陷，人们开发出各种机械方法，在破坏微生物的同时而不损害液体的物化性质。这些方法依赖于在微生物内外之间所产生的压差，例如通过超声波、冲击波或很高的压力，致使微生物的外膜破裂。但是这些方法很复杂而且昂贵。
其它的基于产生电场和电磁场的方法也是可行的，但是这些方法还处于研发和讨论阶段，例如以下公开的文献：
Le Tinier Y.《通过脉冲电场的食品的微生物学稳定方法》关于微生物学和食品安全保证的国际课程(1998年5月4-15日)，InstitutPasteur，Lille 1998；
Sitzmann W.，Munch E.W.《杀灭可泵送食品中的微生物用高压电脉冲》Die Molkerei-Zeitung，第42届，V48，1998。
通过脉冲的高密度电场(HDEF)的作用，使微生物周围的膜受到不可逆的电穿孔以杀灭微生物。这些方法主要用于饮料杀菌，所需电场的数量级为105-106V/cm，以一种或多种脉冲作用，所持续的时间等级为10-5-10-6秒。该方法处理液体的体积非常小，数量等级为几个mm3，液体必须在第一个电极和第二个电极的尖端之间流过，电极之间的间隔在小于一个微米至几个微米之间。除了该方法相对昂贵的事实外，其非常高的电势也会通过降解某些分子而改变液体的物化性质。
当液体被放置于密封容器中时，上述方法中没有一种能够实施(除了利用穿透辐射和使用超声波的机械方法)。
鉴于这些常规方法中所存在缺陷，本发明的目的是提供一种对液体或浸泡于液体中或与其接触的固态物体进行杀菌的方法，该方法不会破坏，或仅仅是稍微破坏该液体或固体的物化性质。正如所需，提供了一种在较低成本下能够处理大体积液体的杀菌方法。
令人满意的是该方法能够同时对液体以及含有该液体的密封容器或其它与该液体接触的表面进行杀菌。
还可取的是该方法能够对食品工业中所使用的常规容器中的液体进行杀菌，所述容器例如PET容器。
进一步可取的是该方法能够在对液体进行杀菌的同时，不改变其营养品质，特别是天然维生素的品质。
本发明的另一个目的是提供一种实施上述杀菌方法的装置，不会破坏或仅仅是稍微破坏液体或与液体接触的固体的物化性质。进一步有利的是提供了一种可以在低成本下对大体积液体进行杀菌的方法。
根据权利要求1并根据权利要求17的实施该方法的装置，通过对液体或与液体接触的固态物体进行杀菌而实现了本发明的目的。
在本发明中，对液体或与液体接触的固态物体进行杀菌的方法包括一个或几个对液体加热的步骤和以约102V/cm或更高的数量级施加电场。
根据本发明的方法，在杀菌处理过程中，还有利地使用声振动，优选在超声波频率范围。
本发明令人惊奇的结果之一是如果待杀菌的液体被加热到高于临界温度Ts，那么利用相当弱的电场就足以杀灭微生物，该临界温度基本上低于仅通过热效力杀菌如通过巴氏杀菌所需的温度。
本发明的另一个令人惊奇的结果是，在杀菌处理的过程中附加使用声振动会增强对微生物的破坏效果，同时能够降低进行杀菌处理的温度。
发明人已经发现，对于大多数微生物的临界温度Ts(不施加振动)在约60至75℃之间。发明人也已发现附加声振动能够降低处理温度大约0-30℃，优选约10至30℃。
本发明的另一个重要的优点是，该方法中杀灭微生物所需的时间很短。在某些情况下，持续的时间只要1秒钟或更短。
本发明方法的优点是显注的。首先，很容易产生数量级为102-103V/cm的电场，并作用于较大体积的液体，例如在食品工业中所使用的常规的1升圆柱形瓶子中含有的液体。其次，非常短的杀菌时间减少了获得经杀菌液体所需的时间，由此，降低了生产费用，特别是在处理大体积液体的时候，且无论是在容器中或不在容器中，均不会破坏该液体的物化性质。第三，可对密封在容器中的或甚至是密封在塑料容器中如PET(可以承受高达约75℃的温度)的液体进行杀菌处理。第四，该杀菌方法可以对高粘度的液体或含有悬浮颗粒或蛋白质的液体，而没有凝结的危险。
本发明的方法能够对浸泡于或与液体接触的固体物体表面进行杀菌，而不会改变该固体物体的物化性质。
因此，液体食品，例如饮料，能够在装瓶或罐装到其它密封容器中之后进行杀菌。该容器和封口或瓶盖不需要预先杀菌，因为本发明的方法也可以对与该液体接触的表面进行杀菌。为此，容器是旋转的，使得在杀菌过程中液体掠过容器的整个内表面。特别是在对瓶子即基本以其轴对称的瓶子中的液体进行杀菌的时候，该瓶子要以其对称轴旋转，同时在放置时要与对称轴大致水平。
产生电场的方法可以通过电源即直流电、交流电或脉冲电流或通过电磁波，特别是微波产生。优选地，作用于该液体的电场所具有的数量级为约103V/m，液体的温度维持在约62℃-75℃至少约0.3秒。
在加热到杀菌温度和施加电场之前，该液体可以被预加热到小于62℃的温度。在杀菌后，液体被快速冷却，例如通过热交换器，回收部分的热能，将其用于对上流液体的预加热。
有利的是，提高液体温度至62℃或更高温度的热源可以是与产生电场的电能源相同的形式。例如，一方面，微波源可以加热液体，另一方面，它能够产生电场，其可以根据波长和强度，以及所要杀菌的液体的特征，特别是它的导电性以及容器的大小和形状和液体在电场中的运动速度进行调节。
电场的产生和加热也可以通过电磁感应得到，例如利用设有交流电流或单极电脉冲的导体的线圈产生电磁感应。还可以用两个电极施加电场，将其安放在一定体积的待杀菌处理液体的每一侧。延伸过电极的交流电或直流电的电压产生电场。延伸过电极作用的电压取决于电极之间的距离和待杀菌处理液体的介电/导电性质。
对流体的加热也可以通过低频感应效应进行。
本发明其它的目的和优点将在后面的权利要求、说明书和实施例以及附图中得以详细描述，其中：
图1是实施本发明方法的装置的示意图；
图2是对待杀菌的液体和容器施加电场的装置的部分的第一种形式的透视图；
图3是对待杀菌的液体和容器施加电场的装置的部分的另一种形式的透视图；
图4是对待杀菌的液体和容器施加电场的装置的部分的另一种形式的透视图；
图5是对待杀菌的液体和容器施加电场的装置的部分的另一种形式的透视图；
图6是对待杀菌的液体和容器施加电场的装置的部分的另一种形式的透视图；
图7显示的是本发明方法和常规巴氏杀菌方法所使用的杀菌温度和时间范围；
图8是作为给待杀菌的液体补充添加剂的混合器的横截面视图，该添加剂能够改变该液体的平均热惯性，该混合器是实施本发明方法装置的一部分；
图9是施加电场的部分装置的横截面示意图，包括将待杀菌的液体保持在特定温度的热交换器；
图10是作为给待杀菌的液体施加电场的部分装置的另一个横截面透视图；
图11是实施本发明方法的装置的杀菌站的示意图；
图12是图11装置中所使用的微波扩散器的示意图。
以图1为参考，在该例子中，装置1对包含于密封容器3中的液体2进行杀菌，包括用以将液体产品2与容器3定位和移动到该装置的不同处理位置的运动系统4，加热站5，杀菌站6和冷却站7，这些站点都沿着上述运动系统4设置。该杀菌站包括能够在通过该杀菌站的液体中产生约102V/cm至104V/cm电场的电源和超声发生器。
加热站5可以包括通过对流和/或红外线辐射将容器3加热到一定温度如20-60℃的加热部件。该加热部件还可以是包含了冷却站7的热交换器的一部分，后者回收杀菌站6下游的杀菌液体2’的潜热能。在这种情况下，加热和冷却站通过导管8相连。这种热交换器的工作原理是公知的，这里不需要作详细的描述。但是，应当注意，热交换器将允许回收高达约40-90％的用于加热的能源。
该体系的另一个优点是，对液体进行预加热降低了杀菌站6的能耗和/或杀菌的时间。在上述杀菌之后对液体快速冷却，不仅仅能够节约能量，而且减少了由于温度变化而致使该液体的物化性质受到破坏的影响。因为，值得注意的是，维生素或其它营养素的降解都源于该液体保存于一定温度过程中的温度和时间的作用。
与加热方法比较，例如巴氏杀菌，其通常对于基本是水溶液的某些液体需要在温度高于90℃下持续大约60秒钟，本发明的方法具有很大的优点，因为杀菌过程在大约62-75℃下仅需要不多于3秒钟，优选不多于1秒钟的时间。温度效应仅取决于加热相的效率，特别是冷却相的效率。
杀菌站6包括作为能量来源的电源，提供产生电场或电磁场的部件，当液体2通过该杀菌站时能够产生大约103V/cm的电场。在图1的例子中，一方面，由感应部件9产生电场对液体进行加热，另一方面，它还施加以103V/cm的电场。通过液体的感应加热需要该液体是导电的，例如含有电解质特别是盐的水，即使是很少量的。通过感应加热还需要交流电源，优选高频电流，例如数量级106Hz或更高。该杀菌站6还包括温度感应器10，其与电源1的控制电路11相连，对电能的供应进行控制，由此对液体进行加热。
例如，在0.3秒钟内对1升水从30℃加热至70℃需要大约500kW的电能。
为了确保杀菌液体中温度分布均匀，运动系统4包括使容器3旋转的装置，它一方面能够使容器中的液体得到混合，另一方面，使该液体在电场或电磁场中旋转。容器3一边旋转一边延伸过杀菌站6，从而对延伸过该电场或电磁场发生器9的全部液体以均匀的方式施加电场或电磁场。由于杀菌的时间很短，旋转优选以约1000rpm或更高进行。
对容器3也可以施加其它的运动方式，从而通过容器内部的强制对流以提高热量转移。上述装置和方法的原理也可以应用于不在密封容器中的液体，例如，在通过该装置的管道中，液体连续流经该管道，同时任选地利用设置于该管道中的叶片或其它机械装置进行搅拌或旋转，作用于该管道中液体的流动。在这种体系中，也可以在混合器12中向待杀菌的液体2添加添加剂11，其可为平均热容量高于待杀菌液体的热容量的介电材料，例如玻璃珠或不溶的、化学中性粉末，从而改变该液体的平均热惯性，特别是降低热惯性，以达到快速加热或冷却该液体的目的。如图8所示，其是加热站5和冷却站7以及杀菌站6的示意图，均沿着传送待杀菌液体2的管道13排列，其中的液体混有添加剂11。在冷却站7的下游，安装有分离器14，例如过滤器，它将杀菌液体2’与添加剂11分离。
代替用于加热和提供电场的感应部件，体系中还可以具有产生微波的部件，微波可被流过波导15的液体2吸收(如图2所示)。容器3垂直延伸过波导15的孔16和17，以保证液体吸收微波的能量。液体中心到波导15末端的距离是四分之一波长的奇数倍数(λ/4，3λ/4，5λ/4...)。
在图3中，管道13延伸过波导15设置，待杀菌的液体2在该管道中流动，或者在另一种形式中，导电溶液浸在任何所需形状的容器3’中，该容器含有要杀菌的液体。优选地，管道13中的液体的性质与容器3’中所含的待杀菌的液体的性质是相似的。该方法能够对体积小的容器和/或任何形状的容器进行杀菌，例如柔软的小袋，管道13中的液体确保可以精确地控制温度和施加给待杀菌液体的电场。
除了包括导电部件9或波导15以外，所示电场或电磁场发生器可以假设为许多不同的形状，例如以特定距离分开布置的环形共轴电极18、19，如图4所示；或者，两个电极18’、19’，分别在待杀菌液体的每侧，如图5所示。这种布置很适合于平行六面体容器，例如牛奶或果汁的“砖”形包装。
在图6的另一种形式中，电场或电磁场发生器包括具有线圈状或杆状的电极，用来提供内部电极18”，沿着它共轴设置有外部电极19”，用于使得杀菌液体在管道13″中环流的电极之间的空间。在图4至6的另一种形式中，电场可以通过液体中的电极之间的直流电产生，该液体在加热站5中被加热到杀菌温度，即60-75℃，或者以高频交流电同时对液体进行加热并对其施加电场。
图9是装置的横截面示意图，其中电场由高频电源6作为能量供应的外部电极18’、19’的体系提供。在施加电场的过程中，热交换器20能够冷却杀菌液体2，从而避免由于高频电流延伸过液体2而对该液体引起的过分加热。
图10显示了使用微波的杀菌站的局部，其与对液体2进行加热和杀菌的图3的形式相似。这种形式包括延伸过管道13’的波导15’，管道13’中待杀菌的液体2从底部21流向顶部22。
波导15’有入口部分24和壳体(enclosure)部分25，其中安装有一个或几个反射面26，优选为弯曲的反射面。这些反射面可以是直接由金属壳体25的壁构成，或者是在该壳体内部设置的独立部件。这些反射面通常是球形的，并且用于反射该壳体25内部的微波，目的是使微波相对均匀地分布于该壳体体积中。
上述管道可以包括设置在波导的壳体25中的螺旋线圈23。管道13’由只微量吸收微波辐射的原料如石英、聚四氟乙烯或聚乙烯制成，从而使得微波能量主要被待杀菌的液体2吸收。待杀菌的液体在管道13’中从底部流到顶部，以防止形成和存留气泡。该螺旋线圈23能够增加管道的长度，由此延长待杀菌液体在波导中停留的时间，同时还保持该装置很紧凑。这也能够使管道13’具有小的直径，以便快速加热、尤其是快速冷却杀菌液体的温度。
图11显示的是杀菌站6，包括微波发生器1′(微波通过波导27发射)，和运动系统28，其用于填充待杀菌液体2的并密封的瓶子或其它容器3。该运动系统28包括位于入口通道部分30和出口通道部分31之间的处理通道部分29。入口通道部分和出口通道部分安装有屏蔽微波的装置32。在本实施方式中，屏蔽装置被设计为具有一旋转轴33的转栅(turnstile)，其上固定有金属叶片34，且被设置于基本上是圆柱形的通道35的部分中，其半径等于叶片32的宽度加上该叶片旋转所需要的间隙。入口的部分通道30和出口通道部分31均以不与处理通道部分29正对的方式在各自的基本上为圆柱形的通道部分开口。这种结构设计能够完全可靠地防止微波泄露。
波导27安装在处理通道部分29上面，并通过具有狭缝37的扩散侧壁36与该部分分开。狭缝结构以微波辐射可以基本上以均匀的方式对整个容器体积进行加热的形式进行了优化。容器在处理通道部分29中的速度也可以以达到杀菌液所需的处理温度的方式调节。该容器在处理通道部分内的移动速度还取决于由发生器1’发射的微波辐射的能量。
容器3可以通过输送系统(未显示)在通道内移动。在一种为处理基本上圆柱形的瓶子设计的形式中，处理区通道29可以以角度α侧斜以使容器沿着通道自由滚动。这种滚动作用不仅仅避免了提供输送系统的需要，还能够通过容器内的对流使处理的液体得到混合。这样提高了加热的均匀性，并且相应地受到电场均匀的处理。
本发明对杀灭霉菌类微生物特别有效，例如黑色曲霉、雪白丝衣霉和纯黄丝衣霉和酵母菌如啤酒糖酵母，这些微生物存在于液体中和容器壁上，或存在于液体内的其它固态物体上。没有发现该液体的物化性质的任何变化。特别是，维生素如维生素C的水平保持不变，其它赋予该液体口味、风味、颜色和光学性质的物化性质都没有因为本发明的杀菌作用而受到影响。
据信，本发明的杀菌效果在于下述物理效果上。
微生物外围形成膜的脂质分子结构类似于在所有水溶介质中发现的被称为“簇(cluster)”的水分子的缔结结构。脂质分子的所谓“簇”结构的相互作用受到氢键的支配。将其置于电场中可以改变它们的结构。当该电场足够高时，产生结构拓扑(topologies)的重合(coincidence)，因此，在脂质分子之间减弱了氢键的作用，最后导致微生物膜破裂。这就是所谓“电穿孔”原理。当该电场很高时，微生物膜的破裂作用就是不可逆的，该微生物得以被破坏。但是，电场的大小必须保持在以下两个限度内：
上限是在液体中产生微电弧现象，也就是说，等离子体区的形成不仅破坏了该微生物，也改变了液体的物化性质；
下限是指电场不足以对微生物膜造成不可逆的破坏的值。
本发明一个重要方面是，在没有声振动下，如果液体温度高于临界温度Ts(其在约60℃至75℃范围)，电场的下限数量级为102V/cm。发明人相信，在该温度下，水的“簇”和微生物膜的脂质之间存在共振效应，结果使脂质分子间的链接被局部减弱所需的能量可以相对降低，因为该能量被共振分子吸收而不是被消散。
如下表所述，发现有效杀菌的临界温度Ts取决于微生物，但温度范围在62℃至75℃之间，电场为约102-103V/cm，并在没有声振动的条件下。
    微生物     Ts
    啤酒糖酵母     62℃
    黑色曲霉     65℃
    雪白丝衣霉     72℃
    纯黄丝衣霉     72℃
值得注意的是，电场的作用时间和杀菌温度持续的时间可以小于1秒钟，与常规的方法如巴氏杀菌相比，该方法很有利。还要注意的是，液体所达到的温度值与电场作用和施加的持续时间之间存在相互关系。
还发现，如果在处理的过程中附加利用声振动，特别是超声振动，那么在低于临界温度Ts的温度下也可以进行杀菌处理。在本发明框架下进行的实验已证明超声波的作用强化了破坏微生物的效果，因为它们能够降低处理的温度，该温度降低值ΔTu共计达到约0-30℃，优选约10℃至30℃。声振动对作为热能的结果的液体分子的不规则运动增加了波动，结果使局部减弱脂质分子间链接所需的能量得以降低。
根据本发明的方法，利用电场破坏微生物需要施加能量Δ。在本发明方法作用于液体产品流ΦL的时候，需要输入的能量N用下式定义：
N＝Na+NT
其中：
Na是破坏相应微生物输入的能量，
NT是将产品从起始温度To加热到临界温度Ts输入的能量。
Na满足以下关系：
Na＝ΦL·X·Δ
其中：
ΦL是接受处理的产品流，X是每单位产品流的微生物浓度。
NT满足以下关系：
NT＝ΦL+C(Ts-T0)
其中：
C是该产品的平均热容量。
根据本发明，当该方法是对填充该产品的密闭的容器流进行巴氏杀菌时，利用以下关系式：
N＝Na+NT
其中：
Na＝V·X·υ
和：NT＝CV(Ts-T0)·υ
其中：
υ是容器通过电场处理区的频率，
V是容器的体积，
C是整个产品(容器和液体)的平均热容量。
优选所述电场提供的能量小于0.6J/cm3，但是高于0.1J/cm3。
实验表明，对于微生物(酵母和霉菌)浓度小于1015微生物/m3，最佳的X·Δ是：
0.1≤X·Δ≤0.6(J/cm3)
由于本发明方法是基于通过施加电场和温度的调节产生的两种结构拓扑的重合，人们能够期望一种选择性的效果，即仅对这两种结构即微生物和上述“簇”的重合发挥作用。因此，这不会对液体或其中存在的分子的其它性质造成破坏或改变。处理后，维生素含量(例如维生素C)保持不变；决定口味、风味和颜色的物化性质、光学特征和其它的性质都不会因此受到影响。
但是，通过本发明的方法，可以确保酶(在某些液体中含有的，如柑橘果汁)的失活，所述酶的结构类似于水簇的结构。
在上述情况下，实践表明，例如，对于新鲜的柑橘果汁Ts≥70℃且Ψ≤2.5(J/cm3)，其中Ψ是使酶失活所需的能量密度。
通常，出于对不同的水溶液(果汁或蔬菜汁，柠檬汁，牛奶和乳产品，糖浆，啤酒，浓缩液，活性饮料，面糊制品，菜泥，调味料和其它)进行消毒的目的，实验表明，例如，在电场约103V/cm下、温度在60℃和75℃之间处理0.3秒钟，能够降低无论是在处理液体内还是在固体物体外壁(PET材料，果汁和蔬菜浆)上所含的霉菌(黑色曲霉、雪白丝衣霉和纯黄丝衣霉)和酵母(啤酒糖酵母)的浓度达109。该方法可以在静止或动态流动条件下应用。
对液体杀菌所施加的电场的数量级范围确定在102V/cm至104V/cm，无论该电流是以直流电还是以低频或高频交流电的作用或以微波的形式作用。
上述消毒后的液体在室温下保存3个月以上。没有观察到任何回复的现象，即破坏的微生物的活性没有再现。因此，可以说这些微生物受到了不可逆的破坏作用。
本发明的优点是显注的，因为杀菌液体已经被装入密闭的容器，而不需要预先对容器或液体进行杀菌处理。而且，与常规的巴氏杀菌方法相比，本发明杀菌极快，且能够保持液体的物化性质，由此避免了在食品工业的常规操作中增补维生素的需求。另一个重要的优点是，如果液体不在容器中，例如以连续的液体流动的形式，那么杀菌作用可以在没有任何干扰以及高速流动的条件下进行。
另一个重要的优点是能够在不耐巴氏杀菌之高温的容器例如PET容器中对液体进行杀菌操作。
例如，比较以下两个对PET瓶装液体的消毒方法，它们装有1升微甜的水或苹果汁，且以109个微生物/升(瓶)的比例被纯黄丝衣霉菌所污染。在装填液体后用聚丙烯塞子密封瓶子。在装填之前，塞子和瓶子的内表面已经以106个微生物/cm2的比例被污染。通过巴氏杀菌消灭数量级为109个微生物/升必须在98℃下加热1分钟。在本发明的方法中，用高频加热、利用约103V/cm的电场，在72℃下对液体杀菌仅需要0.3秒钟，结果微生物的破坏数量级为109个微生物/升。
实施本发明方法所输入的能量可以利用上述的式子进行计算，下面以实施例进行阐述：
实施例1：
处理的产品：苹果汁
起始温度：T0＝20℃
待破坏的微生物：啤酒糖酵母和黑色曲霉
临界温度：Ts＝65℃
设备的产率：1L/s
流动类型：连续
微生物浓度：109个微生物/升(mo/L)
平均热容量：4.2·106(J/M3·度)
Namax＝10-3(m3/s)·0.6·103(kJ/m3)＝0.6kW
NT＝10-3(m3/s)·(65-20)度·4.2·106(J/m3·度)＝189kW
Nmax＝Namax+NT＝189.6kW
实施例2：
和实施例1相同，不同的是起始温度是：T0＝60℃
NT＝10-3(m3/s)·(65-60)度·4.2·106(J/m3·度)＝21kW
Namax＝0.6kW
Nmax＝21+0.6＝21.6kW
实施例3：
处理的产品：包含带有浆液的柑橘汁的PET瓶(0.3L)
起始温度：T0＝20℃
待破坏的微生物：纯黄丝衣霉
临界温度：Ts＝75℃
设备的产率：3瓶/s
微生物浓度：109mo/L
平均热容量：4.5·106(J/M3·度)
Namax＝0.9·10-3(m3/s)·0.6·103(kJ/m3)＝0.54kW
NT＝0.9·10-3(m3/s)·(75-20)度·4.5·106(J/m3·度)＝222.75kW
Nmax＝223.29KW
实施例4：
与实施例3相同，具有95％的热回收率(通过热交换器)
NT＝222.75·(1-0.95)＝11.15kW
Nmax＝11.69kW
根据本发明的方法，对不同类型的微生物和温度进行评估，以确定有效杀菌所需要的临界温度。结果列在以下实施例中：
实施例5：
对污染有不同微生物的水溶液进行消毒。
容器：0.1升PET容器，预先杀菌
高度：1.5cm
直径：10cm
电源：HF13.56MHz，Nmax＝60kW
处理的时：τ＝0.3秒钟
电场的值：103V/cm
污染的起始数量：在7·108和1.2·109mo/100ml之间
对于存活微生物(mo)的计数方法是微生物领域常规的计数方法。
                        存活微生物的浓度
    T   啤酒糖酵母     黑色曲霉     雪白丝衣霉   纯黄丝衣霉
    20   7.5·108     7.5·108     7.1·108   9.2·108
    40   7·108     8·108     7.5·108   1.2·109
    45   6.2·108     5·108     8·108   7·108
    50   3.4·108     1.2·106     3.5·108   6·108
    55   7·105     3·104     7·107   9·107
    60   5·103     1.1·101     3·106   3·106
    65   ＜100     ＜100     3·103   8·103
    70   ＜100     ＜100     5·100   2·101
    75   ＜100     ＜100     ＜100   ＜100
    80   ＜100     ＜100     ＜100   ＜100
从以上的结果显然看出，对于不同的微生物，在65℃和75℃之间对液体进行杀菌是充分的(微生物对数因子降低9)。
实施例6：
对污染不同类型微生物的容器进行消毒。
容器：0.1升PET容器，密闭
液体：黑醋栗果汁，预先杀菌
电源：HF13.56MHz，Nmax＝60kW
处理时间：τ＝0.3秒钟
电场值：～3kV/cm
污染的起始数量：1.2·106-3·106mo/cm2
脉冲数：2(容器的2个位置)
以下的数值是a与b相加的结果：
a)在液体中存活的微生物的数量，和
b)在容器和塞子表面存活的微生物的数量
    T     啤酒糖酵母     黑曲霉   雪白丝衣霉   纯黄丝衣霉
    20     1.4·108     2.3·108   1.5·108   7.5·107
    40     1.2·108     2.1·108   9.1·107   7.1·107
    45     7.4·107     1.8·108   1.2·108   6.3·107
    50     2.2·105     1.4·106   1.1·107   9.1·106
    55     4.6·103     2.1·105   7.7·106   1.0·106
    60     1.2·101     5.5·102   3.0·105   9.0·104
    65     ＜100     1.9·100   4.1·103   2.2·102
    70     ＜100     ＜100   1.2·100   4.1·101
    75     ＜100     ＜100   ＜100   ＜100
    80     ＜100     ＜100   ＜100   ＜100
从以上的结果显然看出，对于不同类型的微生物，在65℃和75℃之间对容器表面进行杀菌是充分的(微生物对数因子降低9)。
实施例7：
对柑橘果汁浆液进行消毒。
容器：0.1升的PET容器
液体：带浆液的柑橘果汁
电源：微波915MHz，Nmax＝60kW
处理的时间：τ＝0.5秒钟
电场值：～103V/cm
污染的起始数量：6·107mo/100ml
以下表中的数值是在液体和浆液中存活的微生物的数量。
啤酒糖酵母
    T     存活微生物的数量mo/100ml
    20     6·107
    40     5·107
    45     2.5·107
    50     4.1·105
    55     3.2·103
    60     4.1·101
    65     ＜100
    70     ＜100
    75     ＜100
    80     ＜100
在65℃下对柑橘果汁浆液杀菌充分(微生物对数值降低～8)。
实施例8：
本发明提供的方法与常规巴氏杀菌作比较。
(纯黄丝衣霉)
建议的方法的条件：
容器：0.1升PET容器
液体：被纯黄丝衣霉污染的苹果汁
电源：HF13.56MHz，Nmax＝60kW
电源：τ＝0.3秒钟
电场的数值：～103V/cm
污染的起始数量：7.5·108mo/100ml
巴氏杀菌的条件：常规
处理的时间：60秒钟
计数方法：对存活在液体中的微生物计数
                 纯黄丝衣酶
    T     本发明提供的方法   标准的巴氏杀菌方法
    20     9.2·108   7.6·108
    65     8·103   7.1·108
    70     2·101   6.8·107
    75     ＜100   7.0·106
    80     ＜100   6.4·104
    85     ＜100   8.2·102
    90     ＜100   5.9·101
    95     ＜100   3·100
    100     ＜100   ＜100
与常规的巴氏杀菌方法比较，本发明的杀菌方法能够降低温度和减少时间达几个数量级。结果列在下表中：
  方法     最终的温度℃     持续时间(s)
  本发明的方法     73     1
  标准的巴氏杀菌方法     98     60
  标准的巴氏杀菌方法     88     600
实施例9：
施加的电磁能的量、起始温度和最终温度对本发明方法结果的影响(以啤酒糖酵母为例)。
介质：水+0.5g/L NaCl
(比重：1g/cm3；热容量c＝4.18J/g.℃)
微生物：啤酒糖酵母
起始浓度：(1.4-5.1).108mo/100ml
电源：HF13.56MHz
处理单元(cell)的体积：100ml
测定结果：
啤酒糖酵母
方法 起始温度℃  施加的能量J/g 最终的温度℃ 持续的时间s 存活微生物的数量mo/100ml
本发明方法 4  257.3  65.3 ＜1 ＜100
本发明方法 20  191.1  65 ＜1 ＜100
本发明方法 40  105.1  65.3 ＜1 ＜100
本发明方法 59.7  28.5  65.4 ＜1 ＜100
本发明方法 62.1  13  65.3 ＜1 4100
本发明方法 61.2  24  67.1 ＜1 ＜100
标准的巴氏杀菌方法 -  78 60 ＜100
通过两种方式对液体施加能量，以达到相应于完全杀菌临界值的的共振状态：
1对液体进行加热(通过常规方法，如电阻加热等)；
2电磁场的非电阻作用，产生共振效应。
对于微生物啤酒糖酵母来说，电磁场的临界能量密度Es满足关系式12.0＜Es＜24.0J/g。
显然，对于啤酒糖酵母，利用电场或电磁场消毒的临界温度Ts在65℃附近。
实施例10：
施加的电磁能的量、起始的温度和最终的温度对本发明方法结果的影响(以纯黄丝衣霉为例)。
介质：水+0.5g/L NaCl
ρ＝1g/cm3；c＝4.18J/g.℃
微生物：纯黄丝衣霉
起始浓度：(1.7-4.5).108mo/100ml
电源HF13.56MHz
处理单元的体积：100ml
测量定结果：
纯黄丝衣霉
方法  起始温度℃  电磁场能量J/g  最终温度℃  持续时间s  存活微生物的数量mo/100ml
本发明方法  4.5   288.8  73.4   ＜1   ＜100
本发明方法  19.8   222.9  73   ＜1   ＜100
本发明方法  40.1   138.6  73.2   ＜1   ＜100
本发明方法  55.2   75.4  73.4   ＜1   ＜100
本发明方法  65.1   34.6  73.3   ＜1   ＜100
本发明方法  70.2   12.1  73   ＜1   12000
本发明方法  70.3   34.3  78.5   ＜1   ＜100
标准的巴氏杀菌方法  -   -  98   60   ＜100
显然，对于纯黄丝衣霉，当利用电场或电磁场的时候，临界消毒温度Ts接近于75℃。
对于纯黄丝衣霉，电磁场的临界能量密度Es满足关系式：Es＜34.3J/g。
实施例11：
参数ρc(ρ是液体的比重力，c是液体的热容量)对本发明方法结果的影响(参数ρc表征液体的热惯性)。
参比介质：水+0.5g/L NaCl(Co＝4.19J/g.℃；ρo＝1g/cm3)
试验介质：1)相对于参比介质，热惯性的降低(ρicj)：不同的柑橘浓缩物水溶液
2)相对于参比介质，热惯性的增加：不同的香蕉泥水溶液
微生物：啤酒糖酵母
起始浓度(0.1-5).108mo/100ml
电源：HF13.56MHz
试验单元的体积：100ml
啤酒糖酵母
  处理的产品  ρc  起始温度℃   施加的能量J/g  最终的温度℃   持续的时间s   存活微生物的数量mo/100ml
  100％柑橘浓缩物   0.7  20   132.9  66.7   0.5   530
  100％柑橘浓缩物   0.7  20   139.4  67.6   0.3   60
  100％柑橘浓缩物   0.7  20   142.7  68.9   0.4   ＜100
  33％水+67％柑橘浓缩物   0.8  20   153.4  66.1   0.4   870
  33％水+67％柑橘浓缩物   0.8  20   171.3  67.5   0.2   ＜100
  67％水+33％柑橘浓缩物   0.9  20   169.1  65.4   0.3   4300
  67％水+33％柑橘浓缩物   0.9  20   175.2  66.1   0.4   ＜100
  100％水+0.5g/L NaCl   1  20   191.6  65.4   0.3   ＜100
  67％水+33％香蕉泥   1.07  20   196.9  63.5   0.4   ＜100
  33％水+67％香蕉泥   1.15  20   200.5  61.3   0.2   ＜100
  100％香蕉泥   1.24  20   191.8  57   0.3   1400
  100％香蕉泥   1.24  20   204.7  59.3   0.3   ＜100
实施例12：
在处理过程中利用声音振动(超声)，对连续流动的被啤酒糖酵母污染的苹果汁进行杀菌。
处理液体的流速：1升/分钟
电源：HF2.45GHz，功率＝1.5kW
处理的时间：τ＝1秒钟
酵母浓度的起始值：1.106CFU/cm3
施加超声的频率：22KHz，功率0.6KW
起始温度：20℃
以下给出的数值是经超声处理，与未经超声处理相比，存活在液体中的微生物的全部数量。
存活微生物的数量，mo/ml
  温度℃   标准的巴氏杀菌   不利用超声的方法   利用超声的方法
  20   6·107   6·107   6.1·107
  40   5.9·107   5.1·107   5.4·106
  45   5.7·107   2.5·107   8.7·104
  50   4.3·106   4.1·105   4.1·102
  55   1.8·105   1.6·103   ＜100
  60   8.9·103   4.1·101   ＜100
  65   5.4·102   ＜100   ＜100
  70   ＜100   ＜100   ＜100
  75   ＜100   ＜100   ＜100
实施例13：
在处理过程中利用声振动(超声)，对连续流动的被黑色曲霉污染的黑醋栗果汁进行杀菌。
处理液体的流速：2升/分钟
电源：HF13.56MHz，功率＝1KW
处理的时间：τ＝0.7秒钟
霉菌浓度的起始值：7.5·107CFU/cm3
施加超声的频率：40KHz，功率0.4KW
起始温度：20℃
以下给出的数值是经超声处理后，与未经超声处理相比，存活在液体中的微生物的全部数量。
  温度℃   标准的巴氏杀菌   不利用超声的方法   利用超声的方法
  20   7.3·107    7.5·107   7.5·107
  40   7.3·107    7.1·107   3.2·107
  45   7.3·107    6.3·107   7.1·106
  50   7.3·107    9.1·106   5.3·105
  55   6.9·107    1.0·106   2.4·104
  60   4.1·107    9.0·104   3.8·103
  65   7.6·106    2.2·102   5.9·101
  70   5.3·105    4.1·101   ＜100
  75   4.2·104    ＜100   ＜100
  80   3.4·103    ＜100   ＜100
  85   8.9·101    ＜100   ＜100
  90   3.0·100    ＜100   ＜100
  95   ＜100    ＜100   ＜100
从这些结果可以得出结论：
-当介质的热惯性降低的时候，电场下的临界杀菌温度就提高，相反，当介质的热惯性增加的时候，该临界温度就下降。
-根据本发明，在杀菌处理过程中附加利用声振动，能够强化对微生物的破坏作用，可以降低处理的温度。
-这些试验能够提供一种控制通过电磁场处理的液体的杀菌温度的方法，其中将添加剂加入到液体中，以提高或降低通过电磁场和相关设备处理的液体的临界杀菌温度。
-特别是，能够通过增加热交换器提高或降低所处理液体的热惯性，该热交换器对施加电磁场区域所处理的液体进行冷却。
-为了最大量地保留所处理饮料中的维生素，建议对具有热惯性系数尽可能最高的介质进行电磁场杀菌。例如，通过添加浆液将降低柑橘汁的临界温度。该浆液在电磁场处理后进行过滤。
-也可以使用悬浮液形式的热惯性高的添加剂(在临界温度下含有从一相过渡到另一相的液体的球滴)。

Claims (34)

1.一种对液体和/或浸在液体中的固态物体进行杀菌的方法，包括一个或多个将液体加热至低于90℃，并施加数量级是102V/cm或更高的电场的步骤，其特征在于在施加电场过程中，所述的液体和/或固态物体受到声振动。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于声振动的频率在超声区域。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述处理温度等于或高于临界温度Ts，减去温度下降值ΔTu，温度下降值ΔTu取决于声振动的利用，临界温度Ts为60℃至75℃的温度范围。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于温度下降值ΔTu在0-30℃范围。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于由所述电场提供的能量小于0.6J/cm3，但是高于0.1J/cm3。
6.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于所述液体被加热至高于70℃的临界温度Ts，还在于施加电场所产生的能量密度小于2.5J/cm3，以确保酶失活。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述液体在处理温度下基本被均匀加热少于3秒钟。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于通过与加热液体相同的能源产生电场。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于通过微波类型的电磁辐射产生电场并进行加热。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于通过低频感应效应对液体进行加热。
11根据权利要求1的方法，其特征在于以单级电场的形式产生电场。
12根据权利要求1的方法，其特征在于以连续电场的形式产生电场。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的杀菌方法作用于含有待杀菌液体的密闭的瓶子。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于该瓶子的轴转速为1000rpm或更高。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于所述容器受到电场几个脉冲的作用，每个脉冲对应于该容器中所包含的气体空间的不同的部分。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法作用于浸在液体或与其接触的固态物体。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于待杀菌液体的热惯性通过添加其平均热容量高于待杀菌液体的热容量的介电材料元素得以改变。
18.根据权利要求1的方法，其特征在于在施加电场后，所述液体被热交换器冷却，该热交换器与施加电场的设备上游的预热装置相连。
19.根据权利要求1的方法，其特征在于所述液体暴露于电场的时间小于1秒钟。
20.一种实施权利要求1的方法的装置，其特征在于该装置包括使液体产品(2)定位和移动的运动系统(4)，沿该运动系统(4)方向安置的杀菌站(6)，该杀菌站包括能够在通过该杀菌站的液体中产生102V/cm至104V/cm电场的电源和超声波发生器。
21.根据权利要求20的装置，其特征在于在杀菌站的上游包括加热站(5)。
22.根据权利要求20的装置，其特征在于在杀菌站的下游包括冷却站(7)。
23.根据权利要求21或22的装置，其特征在于加热站和冷却站设有热交换器，用以回收冷却站的热量并将其用于加热站加热液体。
24.根据权利要求20的装置，其特征在于所述的电源具有足以将待杀菌的液体加热到至少60℃的功率，并对该待杀菌液体产生103V/cm的电场。
25.根据权利要求20的装置，其特征在于所述的电源是可以产生电磁场的感应元件。
26.根据权利要求20的装置，其特征在于所述的电源包括至少一对电极，其被布置在待杀菌液体的每一侧，并能够产生电容电场。
27.根据权利要求20的装置，其特征在于所述的电源是微波发生器。
28.根据权利要求20的装置，其特征在于该杀菌装置包括连接微波发生器的波导，该波导包括壳体部分(25)，其中布置有一个或几个弯曲的波反射面(26)，该杀菌装置还包括一个管道(13’)，其中待杀菌的液体(2)从底部向顶部流过壳体部分(25)。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于该管道(13’)包括封装于所述波导壳体部分内的螺旋状线圈。
30.根据权利要求20所述的装置，其特征在于它包括在杀菌站上游的混合器，该混合器可以引入增加或降低处理液体的平均热惯性的添加剂，和，在杀菌站的下游能够将所处理的液体与所述添加剂分离的分离站。
31.根据权利要求20所述的装置，其特征在于该杀菌站包括热交换器，其能够限制处理液体被加热的温度。
32.根据权利要求27所述的装置，其特征在于该杀菌站包括处理通道部分(29)，其中装有待杀菌液体的容器(3)能够移动，该处理通道部分通过设有狭缝(37)的侧壁与微波发生器(1’)的波导(27)相连。
33.根据权利要求32所述的装置，其特征在于在处理通道部分的上游和下游设有微波屏蔽装置，包括用来阻断微波的带叶片的转栅(32)。
34.根据权利要求32或33所述的装置，其特征在于该处理通道部分(29)以角度α倾斜，利用重力作用能够使容器沿该通道部分移动。
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