CN1354018A - 高压脉冲电场灭菌方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种高压脉冲电场灭菌方法是利用高压脉冲电场灭菌,根据该方法设计的装置主要由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、高压脉冲电场处理室组成;本发明利用高压脉冲电场灭菌,在灭菌过程中产热少,灭菌对象升温小,微生物的致死机理不在于热力作用,而在于将待灭菌物质通过高压脉冲电磁场,微生物在极短时间内受强电磁场力作用后,其细胞结构由于细胞膜之间的电位差而被破坏,导致细胞膜不可逆穿孔极化,菌体死亡。

Description

高压脉冲电场灭菌方法及其装置

本发明涉及一种低热灭菌技术装置，更详细地是一种利用高压脉冲电场对食品、药物及化工原料等进行快速低热灭菌的高压脉冲电场灭菌方法。

本发明还涉及根据上述方法设计的高压脉冲电场灭菌装置。

灭菌是食品、生物、化工、制药等行业至关重要的工序，十九世纪中叶法国科学家巴斯德发现发酵和腐败都是微生物所为，并创立了巴氏消毒法，导致了人类社会的深刻变化，这是现代医学和生物学发展的重要里程碑，其影响波及到人类生活的各方各面，自此以后，人们在微生物学方面开展了大量研究，而灭菌一直是核心内容之一。人们研究的灭菌方法可分为化学法和物理法二种，化学法是在处理对象中加入化学物质，杀灭或抑制微生物生长，达到防腐保鲜的目的，这种方法对要求不高且无须食用的产品比较实用，但在食品和药物中大量加入会危及人体健康，其长时间残留是最大的弊病。物理法是采用各种物理手段进行灭菌，主要有热灭菌法、膜滤法、微波法、钴⁶⁰γ射线辐照法、高压法、强光法等。

这些常规方法有诸多不足：(1)热灭菌法需要加热，耗能，耗时，易破坏食品风味和形态，并带来副产物；(2)化学消毒剂仅限于对环境、器皿等消毒，不能直接作用于食品上；(3)紫外线穿透力很弱，只对表面消毒有效；(4)微波灭菌高效实用，但也升温很高，其灭菌机理仍是热作用；(5)而钴⁶⁰γ射线残留大，对食品损伤也大；(6)膜滤法成本高，易堵塞膜孔，高压强法设备庞大，应用不方便；(7)由于二次染菌严重，现有技术对连续发酵工业的灭菌更是无能为力。

在食品行业，各种液态食品的保鲜问题是困扰行业发展的老大难问题，首当其冲的是奶制品，如豆奶、牛奶、酸奶等，鲜奶采用巴氏灭菌，条件温和但灭菌不彻底，风味及营养保持好，但储存期以小时计算，冷冻保藏一般最长不会超过72小时；陈奶采用利乐包装，进行高温瞬时灭菌，其货价期可以达到6个月，但风味及营养已大为损害。对于酱油等调味品的灭菌，其升温至85℃、保持30min的过程使生产效率大为降低，其风味品质等也受到影响，二次沉淀大量增加。对于啤酒的灭菌，现国内各大啤酒集团如珠啤、青岛等已采用膜滤法取代传统工艺，但膜滤法仍有诸多弊端，国外已有采用高压脉冲电场灭菌法取代膜滤。

在生物、制药行业，由于许多药物具有特殊的活性和热敏性使得对其灭菌十分麻烦，特别是现在涌现出来的种种营养保健品，对灭菌的要求更高。随着人们生活水平的提高，对食物的卫生和安全性要求越来越高，传统的灭菌标准和方法已难以满足需要，由于灭菌技术的落后直接导致了产品质量低劣和竞争力低下，灭菌技术已经成为严重制约企业发展的瓶颈，新型灭菌技术的开发和广泛推广势在必然。

本发明专利的目的在于针对现有灭菌的缺点，提供一种高效实用的非热灭菌的高压脉冲电场灭菌方法。

本发明的目的还在于提供一种根据上述方法设计的高压脉冲电场灭菌装置。

本发明的灭菌方法利用高压脉冲电场灭菌，在灭菌过程中产热少，灭菌对象升温小，微生物的致死机理不在于热力作用，而在于将待灭菌物质通过高压脉冲电磁场，微生物在极短时间内受强电磁场力作用后，其细胞结构由于细胞膜之间的电位差而被破坏，导致细胞膜不可逆穿孔极化，菌体死亡。

本发明灭菌方法是在下列条件下进行灭菌：采用脉冲电压形式的电场，电极之间的电场强度为5-100kV/cm，脉冲宽度在0.1-500微秒之间，脉冲频率可在1-30kHz之间，控制灭菌后物料升温幅度为0-30℃，物料接受脉冲处理总时间为100微秒-10分钟。

控制灭菌后物料升温可以采取对处理系统循环冷却方法。

对物料的灭菌处理可以是间歇式的静态处理，也可以是连续流的动态处理。

脉冲波形可以为平方波、指数衰减波、钟形波、正弦波、锯齿波或其他波形。可以为单极脉冲，也可以是双极脉冲。

灭菌效果可达到相关产品的国家卫生标准。

本发明的高压脉冲电场灭菌装置主要由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、高压脉冲电场处理室组成。

必要时，可以使用计算机数据处理系统，对收集到的各数据进行处理。

高压脉冲发生装置由稳压器、脉冲源、高电压脉冲发生器连接而成，脉冲源可以调节波形、脉冲宽度和脉冲频率。

参数测量、显示及调控装置由摄像机、数字脉冲示波器、数字温控仪及时间继电器等组成，示波器可以检测到电压幅值、波形、脉冲宽度和脉冲频率等，时间继电器用于准确计算总处理时间。物料接受到的脉冲处理时间由脉冲宽度、脉冲频率和处理时间(脉冲个数)决定。

屏蔽及自动保护装置由热红外检测仪、过热自动断电装置和过电流自动断电装置和电磁场屏蔽系统组成。

脉冲电场处理系统由电极板、绝缘板、处理室、进料口、出料口、物料脱气装置、流量控制装置、地线网和电极冷却系统组成。

工作时，先将各部分线路连接好，开启示波器、计算机及摄象机等显示装置，将脉冲电压幅值逐步调高到预定值，并调节好脉冲宽度和脉冲频率，开启电极冷却系统并将冷却液调至预定温度，设定好处理时间，各参数在计算机上显示正常时，将待处理液态物料在脱气装置中进行脱气，然后进入进料口进行灭菌处理，灭菌后的物料从出料口出来，然后进行无菌包装即得灭菌后的成品。

若物料在通过强脉冲电场接受处理时不发生放电，自动断电装置不会断电，系统能正常运行时，可不必对物料进行脱气。

对不同的待处理物料，因其有不同的成分含量和待灭菌的微生物种类及数量，本发明装置的脉冲电压幅值、波形、脉冲宽度及脉冲频率和处理时间(脉冲次数)都要作相应调整。

电处理室可以对物料连续灭菌，也可以间歇操作。

电极板为光滑的表面抛光的金属板，表面可电镀金、银、铂等惰性金属，也可为石墨电极，电极周围浇注有绝缘材料以避免待处理物料与电极直接接触发生电化学反应，电极面向处理室一侧的绝缘材料厚度不宜太厚，否则电场损耗很大，本装置为1mm，绝缘材料为高绝缘的材料，一般是聚四氟乙烯、聚砜、聚乙烯、聚丙烯及聚苯乙烯等工程塑料，其中聚四氟乙烯是最好的材料。

电极板背向处理室一侧有冷却系统环绕，冷却液一般为水，其温度可调，其作用在于对电极及处理室进行冷却以保证非热灭菌，待处理物料被灭菌后基本不升温或升温很小(升温在30℃以下)。

整个电处理系统处于一个屏蔽系统中，工作时电极之间产生的电磁场被屏蔽以保证操作人员及周围环境的安全性。

装置中还安装有四个监控装置。其一是过电流保护装置，如处理室或电路中的其它部分出现放电现象，电流在瞬间超过安全值，系统会自动断电并关闭，需要排除故障后重新操作；其二是热红外检测装置，在电极附近或其它危险区域安装有热红外检测仪，若有操作人员不慎靠近该部位，将有安全隐患时，系统能自动检测到这一情况并发出警报；其三是过热检测装置，当电处理室中升温很高，冷却不充分时，系统会检测到温度的变化并发出警报；其四是安装摄像头对整个装置系统进行监控。

所有检测到的数据都将在操作电脑上显示出来，所有参数的调控也完全可以在电脑上操作。这些数据包括：工作电压，电流，脉冲波形，脉冲宽度，脉冲频率，脉冲次数，处理时间，物料流速，物料温度，冷却液温度及通过摄像得到的系统工作状态等。

本发明与现有技术相比具有如下独到优点：

1)效果好，当初始菌液的含量在8个数量级以上时，一般能达到灭菌6个数量级以上的效果；

2)时间短，灭菌速度以秒计算；

3)处理均匀；

4)产热少，副产物少，对食品的化学成分、外观及风味等基本无影响；

5)耗能小，对环境无污染；

6)能对已包装的物品灭菌，减少了二次染菌，大大提高了灭菌效果。

图1是本发明高压脉冲电场灭菌装置结构方框图；

图2是图1中高压脉冲电场处理室结构示意图。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的叙述。

实施例

如图1和图2所示，本发明的高压脉冲电场灭菌装置由高压脉冲发生装置1，参数测量、显示及调控装置2，自动保护装置3，计算机数据处理系统4和高压脉冲处理室5组成。

高压脉冲发生装置由稳压器将市电稳压后输给脉冲源，产生一定要求的波形、脉冲宽度和脉冲频率的脉冲后，经高电压发生器产生脉冲高电压，本装置可选波形为指数衰减波、平方波、正弦波和锯齿波，脉冲源可以调节波形、脉冲宽度和脉冲频率；参数测量、显示及调控装置由摄像机、数字脉冲示波器、数字温控仪及数显频率仪等组成，将收集到的数据输送给计算机数据处理系统；计算机数据处理系统由一台普通计算机，各种传感器及其操作软件组成，对收集到的各数据进行处理；屏蔽及自动保护装置由热红外检测仪、过热自动断电装置和过电流自动断电装置组成。

脉冲电场处理系统5由物料脱气装置5(1)、屏蔽保护网5(2)、绝缘板5(3)、高压线5(4)、电极板冷却装置5(5)、电极板5(6)、处理室5(7)、进料口5(9)、出料口5(8)和地线网5(10)组成。

施加在两电极板之间的脉冲电压幅值最高可达40kV，两电极板之间的距离最短可达0.5cm，即施加在两电极板之间的电场强度最大可达80kV/cm，脉冲宽度在1-200□s之间可调，本实施例选用10□s作试验，脉冲频率可在1-30kHz之间可调，也可控制单个脉冲发生，本实施例采用100Hz的脉冲发生频率，即每秒钟产生100个脉冲，每脉冲持续时间10□s，脉冲之间的间歇时间为9990□s。脉冲形状可以为指数衰减形式、平方波、正弦波及锯齿波等，本实验选用指数衰减波。

电极板材料可为导电良好的金属，本实施例为钛金板；电极形状可为板状—板状，板—棒状等等，本实施例为圆盘板状—圆盘状，直径20cm，绝缘材料为聚四氟乙烯。

如若在处理过程中产生大量热量，则电极板需要冷却以保证非热灭菌，若对某些食品处理时产热少可不进行冷却，本实施例采用水为冷却液，温度控制在25℃。

本实施例以对悬浮在磷酸缓冲液中大肠杆菌的灭菌为处理对象。未处理的大肠杆菌的细菌含量为10⁸cfu/ml，在40kV/cm的脉冲强度，脉冲宽度为10□s的指数衰减波1000个脉冲处理后(当脉冲频率为100Hz时，处理10秒钟)，缓冲液中的活大肠杆菌含量减少为100cfu/ml。处理液的升温小于3℃。达到了较为理想的非热灭菌效果。

Claims (9)

1、一种高压脉冲电场灭菌方法，其特征在于利用高压脉冲电场灭菌。

2、根据权利要求1所述的高压脉冲电场灭菌方法，其特征在于在下列条件下进行灭菌：采用脉冲电压形式的电场，电极之间的电场强度为5-100kV/cm，脉冲宽度在0.1-500微秒之间，脉冲频率可在1-30kHz之间，控制灭菌后物料升温幅度为0-30℃，物料接受脉冲处理总时间为100微秒-10分钟。

3、根据权利要求1或2所述的高压脉冲电场灭菌方法，其特征在于脉冲波形可以为平方波、指数衰减波、钟形波、正弦波、锯齿波或其他波形。

4、根据权利要求1所述的方法设计的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、高压脉冲电场处理室组成。

5、根据权利要求4所述的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于还包括计算机数据处理系统。

6、根据权利要求4或5所述的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于高压脉冲发生装置由稳压器、脉冲源、高电压脉冲发生器连接而成，脉冲源可以调节波形、脉冲宽度和脉冲频率。

7、根据权利要求4或5所述的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于参数测量、显示及调控装置由摄像机、数字脉冲示波器、数字温控仪及时间继电器组成。

8、根据权利要求4或5所述的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于屏蔽及自动保护装置由热红外检测仪、过热自动断电装置和过电流自动断电装置和电磁场屏蔽系统组成。

9、根据权利要求4或5所述的高压脉冲电场灭菌装置，其特征在于脉冲电场处理系统由电极板、绝缘板、处理室、进料口、出料口、物料脱气装置、流量控制装置、地线网和电极冷却系统组成。

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