CN1411871A - 脉冲电场灭菌设备的处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计采用高强脉冲电场对食品、生物、制药、化工等行业中的液态物品进行灭菌的设备的处理器，由物料处理腔、安装在物料处理腔内的两电极、进、出料口构成，所述物料处理腔是真空腔；本发明能提高灭菌效果，增加处理量，实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及采用高强脉冲电场对食品、生物、制药、化工等行业中的液态物品进行灭菌的设备的处理器。
背景技术
现在通用的热灭菌方法有三种：巴氏灭菌法；高温短时灭菌法；超高温瞬时法。这几种热处理方法对食品的品质会造成热敏营养丧失、风味破坏、感官品质下降等几方面的损害。对苹果汁而言，巴氏灭菌会造成20％的Vc损失，而超高温瞬时灭菌将会减少90％以上的Vc含量；对牛奶的乳清蛋白，前者将造成0.4～10％的变性，而后者则会造成60％以上的变性。
而除热灭菌之外的其它灭菌方法，如微波法、紫外线法、钴60γ射线辐照法、高静压法、膜滤法及化学消毒剂法等，也有种种不足：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；紫外线穿透力很弱，只对表面消毒有效；微波灭菌高效实用，但也升温很高，其灭菌机理仍是热作用；钻60γ射线残留大，对食品损伤也大；膜滤法成本高，易堵塞膜孔，对含有果肉微粒的果汁不适用；高静压法设备庞大，只能间歇操作，造价昂贵，应用不方便等。由于传统灭菌方法具有以上种种不足，采用新的对食品营养、风味损失最小的灭菌方法取代传统方法势在必然。
脉冲电场非热灭菌技术简称PEFS技术(Pulsed Electric FieldSterilization)，作为一种新型的非热灭菌技术起源于上世纪初，逐步完善于上世纪末，至近年来成为食品生化行业中灭菌技术研究的热点。
PEFS技术的工作原理在于在瞬间产生微秒级脉宽的高强电脉冲作用于微生物，有效电场强度达到30kV·cm-1以上，使得细胞膜发生不可逆穿孔极化，渗透性改变而导致微生物死亡。其作用机理不在于处理过程中产生的欧姆热，而在于瞬间的电冲击和电场诱导下带电物质的移动及由此而形成的细胞膜两侧的电位差，所以通过对电极冷却等方式可以实现非热处理。这种技术目前最适于液态食品，如果汁、乳制品、酒类、饮用水及调味品等的灭菌。
PEFS方法与传统灭菌方法相比有以下几方面的优点：
1)灭菌效率高。能很轻易地达到4D以上的灭菌效率，达到相关卫生标准。
2)灭菌时间短。整个灭菌过程控制在几秒钟，实际电作用过程以毫微秒计。
3)处理过程中产热少。若不对电极及处理系统施加冷却处理，物品升温在30℃以内；若在操作过程中施加冷却，则灭菌温度将接近于冷却液温度，可实现0℃低温灭菌。
4)相比热灭菌工艺，有明显的先进性和优越性，比如采用巴氏法对橙汁进行灭菌，其总体风味成分损失为32.18％，苎烯和丁酸乙酯分别丧失了60％和82％；而采用PEFS灭菌上述三个指标损失百分比为3.17％，15％和26％。
5)处理均匀，能耗少。处理每吨果汁约耗电在10千瓦时左右。
6)在灭菌的同时，还能将大部分酶杀死。在10℃下30kV/cm的场强处理50个脉冲将99.9％以上的微生物杀死的同时，还可将血纤维蛋白溶酶酶活减少90％，将多酚氧化酶减少70％，将过氧化物酶减少75％以上。
7)副作用小。由于电脉冲宽度很窄，处理时间极短，已有大量研究证明这种电灭菌处理对食品的营养成分基本没有影响，
脉冲电场灭菌设备主要包括脉冲电源发生装置、预处理装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、计算机数据处理系统、电极冷却系统和灭菌处理器等组成。其中脉冲发生装置和灭菌处理器是最为主要的部件，前者由稳压器、脉冲源、高电压脉冲发生器组成。图1是现有脉冲电场灭菌设备的处理器结构示意图，主要由进料口1，调节阀门2，电极板3、将高压电源与电极板相连的电线4，盛放处理物料的处理腔5以及出料口6组成。其不足之处在于：
1)电极之间比较容易放电，同时待处理物料中的有效电场强度很小，实际灭菌效果比较差；
2)没有预处理装置，物料在进入处理室之前没有经过脱气，也没有预极化装置；
3)没有考虑到与紫外及微波等手段的复合协同处理，单一处理效果比较差。
发明内容
本发明的目的在于针对高强脉冲电场灭菌装置中的处理器部分，提供一种脉冲电场灭菌设备的处理器，提高灭菌效果，增加处理量，实现工业化生产。
本发明的脉冲电场灭菌设备的处理器由物料处理腔、安装在物料处理腔内的两电极、进、出料口构成，所述物料处理腔是真空腔。
所述物料处理腔外层为绝缘层，或包裹绝缘外套。
为了使物料处理腔处于真空状态，可以设抽真空口，也可以通过进出料口抽真空，或者将物料充满物料处理腔达到真空状态。
为了简化结构，方便处理物料，所述物料处理腔可以呈圆筒形、方形、或多边形，电极是与物料处理腔形状对应的电极板，电机板分别安装在物料处理腔的上面和下面。
为了加强处理效果，可以在物料处理腔内设一个或一个以上狭孔。
为了增加处理量，可以通过处理器的进出料口将多个处理器串联起来。
为了连续处理物料，两电极可以是同心圆筒。
所述绝缘外套可以为介电常数较低的各种绝缘材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚砜、有机玻璃及工程塑料等材料；电极为导电性能良好的金属材料，如不锈钢、铜、钛及一些合金等。
电极表面可以涂一层薄的绝缘材料，如聚四氟乙烯等以减少电化学反应的发生。
进料口和出料口为同一个口，也可以分开，在进行灭菌的过程中，进(出)料口要密闭。
为了使物料处理腔处于真空状态，填充物料方式有2种，一种是将处理器空腔填满，进料前需要脱气，将液态食品中的空气排除干净，处理腔中也不要有气泡留住，液态食品直接接触在电极板上，电极板表面镀有绝缘薄层；另外一种方式是液态食品不装满整个空腔，在液面和上层电极板之间留有空隙，填料完毕后，将填料口紧闭，然后从抽真空口对处理腔抽真空，达到一定真空度后紧闭抽真空口进行灭菌处理。灭菌完毕后打开出料口倾倒出物料。
本发明在物料处理腔内设狭孔能加强电场强度，其原理如下：在含有混合电介质的二电极之间电场的分布服从以下公式：
E1ε1＝E2ε2
在本发明的二种电介质为待处理液态食品(主要成分是水)ε1，以及绝缘材料ε2，其值分别为81和2左右。在绝缘材料中钻一些狭小的孔，当液态食品经过这些小孔时电场强度会得到很大的局部加强，从而达到灭菌的目的。绝缘小孔的设计可以是多种多样，小孔周围是绝缘材料，绝缘材料可以是聚四氟乙烯、工程塑料等多种材料，小孔的两端是待处理的液体和处理后的液体，液体直接和电极相连，电极裸露在液体中，因为液态食品的导电性通常较高，在高电压下小孔两端的液体实际上起到了电极的作用。小孔的直径和长度对电场强度有直接的影响。本发明设计的绝缘材料小孔最佳直径为0.1-5mm，长度为1-15mm之间。
电极的设计更简单，只要能和液体充分接触就可以(因为液体起到了电极的作用)，电极材料是导电良好的各种金属。
当一次处理达不到灭菌要求时，工业上要求多次处理，实现多次连续处理的方法是将多个类似的处理器按顺序连接在一起，各个处理器分别接上电源，应将相连的二个处理器的电极接电源的同一端。若处理时物料升温很高，应该在相连的二个处理器之间施加冷却措施，冷却液可以是水或者其它冷媒，其目的在于对电极及物料进行冷却，以达到实现非热灭菌的目的。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、处理的电场强度强，处理效果明显提高；
2、处理量大；
3、可以实现连续处理；
4、结构简单，可以实现工业化处理。
附图说明
图1是现有脉冲电场灭菌设备的处理器结构示意图；
图2是本发明脉冲电场灭菌设备的处理器一种结构示意图；
图3是本发明脉冲电场灭菌设备的处理器另一种结构示意图；
图4是本发明脉冲电场灭菌设备的处理器又一种结构示意图；
具体实施方式
如图2所示，本发明脉冲电场灭菌设备的处理器由物料处理腔7、安装在物料处理腔内的两电极8、进料口9和出料口10构成，所述物料处理腔是真空腔，物料处理腔外层为绝缘层。
所述物料处理腔7呈圆筒形，电极8是圆形电极板，分别安装在物料处理腔7的上面和下面。
如图3所示，物料处理腔7内设多个狭孔11。
本设计的关键是科学而合理地设计处理物料的狭孔以获得电场强度的局部加强。狭孔两侧是绝缘材料，两端是液态物料，液态物料实际起到电极的作用。为获得良好的灭菌效果，对狭孔的直径和长度有一定要求，直径太小会影响处理量，太大则难以获得良好的电场加强效果；长度也影响电场强度。狭孔的尺寸范围一般可以是直径为0.1-5mm，长度为1-15mm之间，本实施例采用直径2mm，长度为3mm的狭孔。
如图4所示，两电极是同心圆筒12、13。将两个圆筒分别接到电源的两极，起到电极的作用，圆筒13的内径要大于圆筒12的外径，以保证圆筒13能套在圆筒12的外面；要求圆筒表面光滑，安装时二个圆筒要保证同心以确保二圆筒之间产生的电场均匀一致。圆筒12固定在物料处理腔7的底座上，圆筒13依靠固定支架14悬在物料处理腔7内圆筒12的外面，15是抽真空口。物料从底部进料口进入，经过处理后从顶部溢流出来，顺着圆筒形电极外壁流过之间的均匀电场，接受灭菌处理。处理完毕后从物料处理腔底部的出料口排出。
所述电极12还可以改为实心的圆柱形。
在进行灭菌处理的同时，还可以对物料进行预处理，预处理包括3部分：脱气；预冷却和静电场预处理。也可以与辐照或者紫外线照射协同处理以加强灭菌效果。
用图4所示的装置处理池塘废水，未处理的池塘水活菌含量为5×106cfu/ml。使用电源条件为40kV/cm的脉冲电场强度，脉冲宽度为10μs的指数衰减波，对间歇式处理系统处理1000个脉冲，对连续系统处理1次后废水中活菌数减少为102～103cfu/ml。处理液的升温小于30℃。达到了理想的非热灭菌效果。
Claims (6)
1、一种脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于由物料处理腔、安装在物料处理腔内的两电极、进、出料口构成，所述物料处理腔是真空腔。
2、根据权利要求1所述的脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于设有抽真空口。
3、根据权利要求1或2所述的脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于物料处理腔呈圆筒形、方形、或多边形，电极是与物料处理腔形状对应的电极板，电机板分别安装在物料处理腔的上面和下面。
4、根据权利要求1或2或3所述的脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于在物料处理腔内设一个或一个以上狭孔。
5、根据权利要求1或2或3或4所述的脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于通过所述处理器的进出料口将多个处理器串联起来。
6、根据权利要求1或2所述的脉冲电场灭菌设备的处理器，其特征在于两电极是同心圆筒。
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2002
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