CN1262858A - 利用不致电离的电磁波辐射进行材料的优选加热 - Google Patents

Abstract

一种材料优选加热的方法和器械。它们是基于将该材料暴露在高强度的、脉冲形式的、不致电离的电磁波辐射中而得到的。该方法可以消灭微生物、消毒包装容器或对潮湿食品进行消毒。本发明的一个实施例使用脉冲持续时间小于0.1秒,辐射的平均功率至少为1kw的微波辐射,在包装之前,对末端敞开的金属罐头盒进行灭菌消毒。

Description

利用不致电离的电磁波辐射 进行材料的优选加热

本发明涉及利用不致电离的电磁波辐射，进行材料的优选加热的方法。

作为一个例子，术语“不致电离的电磁波辐射”理解为包括微波辐射和无线电波辐射。

本发明的一个具体的，但是绝不是唯一的应用，是将微生物优选地加热至能消失该微生物的温度。

本发明的这个用途有许多的应用场合。

一个应用场合是医疗工业。在医疗工业中，作为一个例子，本发明可用于药品、药品包装、外科及其他设备和移植物的消毒。

申请人特别感兴趣的是一个应用场合是食品加工工业。

术语“食品加工工业”理解为涵盖包括食品的准备和包装的工业，所述食品固体和液体食品。

对食品加工工业至关重要的要求是：

(i)在食品包装后，对食品进行消毒灭菌；或

(ii)在无菌条件下准备，然后包装食品。

第一种类型要求的一个例子是广泛使用的饮料，例如啤酒的包装方法。这种包装方法包括对饮料进行巴氏灭菌。一般，先将饮料装入相应的包装容器(例如，金属容器或玻璃容器)中，将该包装容器密封，然后将包装好的饮料在65℃～70℃的温度下加热15分钟。虽然，这种方法是有效的，但它有许多缺点，包括投资费用相当大和运输成本高。

第一种类型要求的另一个例子是已知的调味品的灭菌方法。一般，先将调味品装入相应的包装容器中，将该包装容器密封，然后，在高压下使乙烯氧化物透过该包装容器，与调味品上的微生物接触，并消灭这些微生物。虽然乙烯氧化物是消灭调味品上所带有的细菌孢子和其他微生物的一种有效物质，但是，乙烯氧化物有毒，因此，将残余的乙烯氧化物去除至很低的水平是至关重要的。这就要求很小心地使用该方法，因此，不可避免地又使生产成本提高。

第二种类型要求的一个例子是在无菌条件下包装饮料。

一般的做法是，先在无菌条件下制备饮料，并将饮料输送至一个灌装站，灌装设备要保持在无菌条件下；然后，在无菌条件下，对包装容器进行消毒，并输送至该灌装站；最后，再在无菌条件下，将该饮料装入该包装容器中，并将该包装容器密封。

食品无菌包装中的一个重要问题是包装容器的消毒。

在食品加工工业中，包装容器的消毒方法包括：

(i)化学消毒法，例如使用过氧化氢和氯；

(ii)紫外线照射法；

(iii)伽马射线照射法；和

(iv)蒸汽消毒法。

每一种消毒方法都有其优点和缺点，在任何一种给定情况下，这些(和其他一些)方法的适用性决定于所用的包装容器，食品的种类和食品的制备方法。

本发明的一个具体目的是要提供一种食品加工工业中已知的包装容器消毒方法的一种替换方法。

本发明的一个更一般的目的，是要提供目前食品加工工业和其他工业中已知的消毒方法的一种替换方法。

根据本发明，提供了一种材料的优选加热方法，该方法包括将该材料暴露在高强度、脉冲形式的、不致电离的电磁波辐射之下。

本发明是基于用高强度、脉冲形式的微波辐射进行的实验工作而提出的。

在实验工作中发现，高强度、脉冲形式的微波辐射是消灭微生物的一种特别有效的方法。高强度的脉冲形式微波辐射使微生物中聚集的净能量大大增加，造成该微生物的温度突然升高，而将该微生物消灭。

实验工作中还发现，高强度的脉冲式微波辐射，可在不使也受到辐射作用的周围环境显著加热的情况下，消灭微生物。

这种微生物优选加热方法的重要参数包括：辐射的高强度，脉冲的能量，周围环境吸收微波的能力，和暴露在微波辐射下的微生物的大小。关于第三个因素，一般，包括要进行优选加热的材料的物体尺寸越大，则在该材料中积蓄热量的速率越慢。一般来说，如果二个物体的尺寸大小相同，则该二个物体的相对吸收微波能力将决定优选加热的程度；而如果二个物体吸收微波的能力相同，则该二个物体的相对尺寸将决定优选加热的程度。

在食品加工工业中，利用不致电离的电磁波辐射，例如微波辐射来进行优选加热，可以通过消灭包装容器上的微生物，来对包装容器进行消毒，而不致使该包装容器显著加热。显著加热包装容器会改变包装容器的化学性质或其他性质，这是不利的。

另外，在食品加工工业中，利用不致电离的电磁波辐射来进行优选加热，还可以在食品包装前或包装后，对潮湿食品进行灭菌消毒。在这方面，将高强度的脉冲形式的不致电离的电磁波，集中照射在密封的饮料容器和果酱瓶的头部空间上，对该头部空间进行灭菌，也属于本发明的范围之内。

术语“潮湿食品”理解为包括水的活性(即，食品中水的蒸气压力与水的蒸气压力之比)小于1.0的食品。

另外，在食品加工工业范畴内，本发明不仅仅限于被包装的食品是“潮湿的”的情况。

为了达到有效地杀灭微生物的目的，不致电离的电磁辐射波特性(例如，电磁波的功率、强度和波长)和决定电磁波脉冲的参数(例如，脉冲持续时间、脉冲频率、脉冲轮廓形状、工作循环和平均功率)的选择，有很大的灵活性。运种灵活性的一个重要结果是可以选择高强度的脉冲形式的不致电离的电磁波辐射的工作参数，使这些工作参数适应具体的食品和包装容器的特性。

脉冲的强度随时间变化的脉冲链轮廓形状，可以是任何一种适当的轮廓形状。

最好，脉冲持续时间小于1秒。

更理想是，脉冲持续时间小于0.1秒。

更理想是，脉冲持续时间小于0.01秒。

一般，最好是脉冲持续时间的选择，应使得没有足够的暴露时间，来使干燥的材料，例如包装材料显著地加热。

最好，微波的平均功率至少为1kw。

更理想是，微波的平均功率至少为5kw。

术语“平均功率”表示峰值功率与工作循环的乘积。

术语“峰值功率”表示一个脉冲的最大功率。

术语“工作循环”表示一个脉冲的时间跨度，被该脉冲时间跨度与各个脉冲之间的时间的和来除，所得的商值。

最好，该辐射的峰值功率为3kw。

更理想是，该峰值功率至少为30kw。

根据本发明，提供了一种用于材料优选加热的器械，该器械包括产生高强度的脉冲形式的不致电离的电磁波辐射的一种装置。

最好，该器械包括一种将辐射引导至该材料上的装置。

最好，该引导装置包括一个使辐射聚集的装置。

如上所述，本发明的一个优选的，但绝不是唯一的应用场合，是通过优选加热，消灭微生物。

在这种应用场合中，最好该器械还包括一个将高强度的脉冲式微波辐射，引导至消毒区域中的装置。

该消毒区域可以为任何要求无菌环境的区域。

作为一个例子，该消毒区域可以是用于为空的食品包装容器消毒的一个腔。

在这个例子中，上述器械还包括一个运输装置例如一条传送带，用于将该空的食品包装容器送入上述消毒腔中，和从该腔中送出，从而使该包装容器暴露在上述消毒腔中的高强度脉冲式电磁波辐射中。

下面，将利用例子，结合附图来说明本发明。该附图为在食品加工工业中，在包装容器装入食品和密封之前，对该包装容器进行消毒灭菌用的一种器械的优选实施例的示意图。

如上所述，本发明具体地，但绝不是唯一地是旨在使用高强度的、脉冲形式的、不致电离的电磁波辐射，例如微波辐射来消灭微生物的。

应当理解，下面针对食品加工工业中，没有装入食品的、敞开的空的包装容器进行消毒的说明，只是作为一个例子。

参见附图，交流电送至一个可能包括一个变压器的直流电源上，然后再送至一个脉冲线路或开关上，以产生具有所要求的强度和工作循环的脉冲。该交流电可以由任何一种适当的交流电源供应，例如60Hz的交流电源，600Hz的交流电源，三相交流电源和单相交流电源。

这些脉冲送至一个微波发生装置，例如一个磁控管，该装置可产生以规定的工作循环工作的高强度的微波辐射脉冲。

然后，该高强度的、脉冲形式的微波辐射，通过一个波导管，传递至一个处理腔或孔道的一个辐射器上。

在一个适当形式的处理腔或孔道(没有示出)中，包装容器，例如末端敞开的金属罐头盒)安放在一条传送带上，该传送带运送处在直立位置的该包装容器，通过上述处理腔或孔道，使该包装容器暴露在多个高强度的、脉冲形式的微波辐射脉冲中。该多个脉冲将该包装容器上的微生物加热至可杀灭该微生物的温度。

在这方面，应该注意的是，在包装容器为金属罐头盒的情况下，由于金属反射微波，因此，保证选择上述辐射器和该罐头盒的相对位置，使高强度的、脉冲形式的微波辐射，能通过该罐头盒的开放末端，进入该罐头盒的内部是很重要的。

附图所示的本发明的优选实施例，相对于已知的消毒包装容器用的化学消毒、紫外线照射消毒、伽马射线照射消毒和蒸气消毒方法有许多优点。作为这些优点的一个例子，本发明的优选实施例与已知的每一种消毒方法比较，其投资费用和运输费用都较低。另外，本发明的方法没有在包装容器上留下残余的化学药品的危险；而在使用化学消毒方法时，这却是一个问题，特别是，当涉及的化学药品，例如过氧化氢，是毒的药品时，更是一个问题。另外，使用不致电离的电磁微波辐射，可以避免包装容器的化学性质的变化；而这在使用紫外线和伽马射线辐射时，却是一个问题。以例如，可以杀灭微生物，而不会在包装容器上产生足以改变该包装容器的化学性质的热量；而这使用蒸气消毒方法时却是一个问题。另外，高强度的微波辐射的穿透能量能靠地保证，非金属包装材料区域，也不可避免地要暴露在微波辐射之下；而在使用紫外线照射时，运却是一个问题。再者，本发明的优选实施例适合于高速消毒，因此，非常适合于在诸如食品加工工业之类的工业部门中经常存在的生产率高的应用场合应用。

一般，本发明的优选实施例的上述优点也可用在食品加工工业的其他情况，和其他应用场合，进行高强度的脉冲形式的微波辐射处理。

在所进行的一系列实验中，将8kw的直流电源加在一个脉冲开关上。该开关产生一种脉冲式的微波，其微波输出功率为3kw，工作循环为25％，其中，一个脉冲的时间跨度长度为几秒，各个脉冲之间的时间为0.025秒。

上述脉冲式微波的输出是由在2.460千兆赫(GHz)下工作的S-波段磁控管产生的。

微波集中照射在一张50微米厚的、微波可透过的透明塑料薄膜上的酵母孢子上。该酵母孢子的密度估计为10⁸～10¹⁰/cm²。该酵母孢子暴露在微波中的总时间为2～5秒。

结果的定量评估得出结论，上述孢子被全部消灭，而该孢子的支承基底发热极小。实验证明，本发明能够使材料，例如包装材料的表面消毒，而对该材料的热效应极小。

在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对上述的优选实施例作许多改进。

作为一个例子，上述对照附图所述的优选实施例包括一个脉冲开关；但很容易理解，本发明不是仅局限于此，它可以扩展至任何其他形式的适当的脉冲网络。

另外，虽然该优选实施例包括一个磁控管；但很容易理解，本发明不是仅局限于此，它可以扩展至任何其他适当的产生微波的装置。对磁控管可能的替换物包括，固态装置，速调管和回旋管(gyratron)。

Claims (11)

1.一种材料优选加热的方法，所述方法包括将材料暴露在高强度的、脉冲形式的不致电离的电磁波辐射中。

2.一种消灭微生物的方法，所述方法包括将所述微生物暴露在高强度的、脉冲形式的不致电离的电磁波辐射中，以消灭所述微生物，而不会使也暴露在所述辐射中的周围环境显著地发热。

3.一种包装容器的消毒方法，所述方法包括将所述包装容器暴露在高强度的、脉冲形式的不致电离的电磁波辐射中，以消灭所述包装容器上的微生物，而不会使所述包装容器发热，以致使所述包装容器的化学性质或其他性质产生不利的改变。

4.一种在潮湿食品包装前或包装后，对潮湿食品进行消毒的方法，所述方法包括将所述微生物暴露在高强度的、脉冲形式的不致电离的电磁波辐射中，消灭微生物，而不会使所述包装容器发热，以致使所述包装容器的化学性质或其他性质产生不利的改变。

5.如上述权利要求中任何一条所述的方法，其中，每一个辐射电磁波脉冲的持续时间小于0.1秒。

6.如上述权利要求中任何一条所述的方法，其中，辐射的平均功率至少为1kw。

7.如上述权利要求中任何一条所述的方法，其中，辐射的峰值功率至少为3kw。

8.如上述权利要求中任何一条所述的方法，其中，所述辐射为微波辐射。

9.一种材料优选加热的器械，所述器械包括一个产生高强度的、脉冲形式的不致电离的电磁波辐射的装置。

10.如权利要求9所述的器械，所述器械还包括一个将辐射引导至所述材料中的装置。

11.如权利要求10所述的器械，其中，所述引导装置包括一个使辐射的电磁波聚集的装置。