CN201880055U

CN201880055U - 预压力微波灭菌锅

Info

Publication number: CN201880055U
Application number: CN 201020287107
Authority: CN
Inventors: 王卫国; 计巧灵
Original assignee: Xinjiang University
Current assignee: Xinjiang University
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2020-08-10

Abstract

预压力微波灭菌锅主要由承压的预压力微波灭菌锅外套和密封门、微波加热控制部分、散装或袋装含水物料盛装部分与空压机组成。预压力微波灭菌锅的微波发生器及其控制电路安装在预压力微波灭菌锅外套外，便于维修和散热降温，采用空压机提供压缩空气或惰性气体在预压力微波灭菌锅内形成压力环境，可以利用微波加热实现含水物料彻底灭菌的目的，预压力微波灭菌锅装有压力表和压力感应装置，能实现压力及物料灭菌状况的在线监控，是一种散装或袋装含水物料微波灭菌的通用装置。

Description

预压力微波灭菌锅

一、涉及技术领域

“预压力微波灭菌锅”涉及生物工程、医药、化工、食品和环境工程等技术领域。

二、背景技术

微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的电磁波，最早被用于军用雷达及通讯领域；后来人们发现，利用微波辐照物体会产生热效应，使被辐照物的温度迅速升高。微波的这一特性目前已被广泛应用于食品及医药等行业，并且大量进入了家庭，其微波发生器及相应控制技术已比较成熟和完善。

采用传统的蒸汽灭菌方法，不仅加热设备复杂，加热时间较长，热力传输损耗较大，操作麻烦，工艺过程复杂，能耗也较高，实现自动化、智能化的在线加热控制难度相当大，操作及设备运行成本高；采用微波进行物料的灭菌是替代传统灭菌方法的最佳选择之一，具有设备简单、操作容易、能耗低、热敏性物质损失少、容易实现自动化连续操作等诸多优点。微波杀菌工艺过程不需要锅炉及其附属设备，没有蒸汽传输中的热损耗，不产生废气与废渣，符合当今国家大力倡导的节能减排要求和产业化技术改造升级的相关政策要求。

在食品、制药、农副产品加工、酿造、有机废物处理、固态发酵、化工、制造业等诸多领域，经常会遇到物料的加热与灭菌处理问题，通常需要加压才能使物料的的温度达到120℃以上，才能达到杀灭细菌芽胞的温度，实现物料彻底被灭菌的目的。目前能将多种含水物料用微波加热到120℃以上的通用技术方案和相关设备尚未见报道，本实用新型专利依据“预压力微波加热灭菌法”的原理，发明了“预压力微波灭菌锅”，提出了一种利用微波对多种含水物料进行杀菌、灭菌的通用技术方案，并提供了一种通用设备的解决方案。

三、发明内容

微波加热含水的固态、液态物料的效果十分显著，这些物料通常是农林牧渔产品、食品、药品、化工原料和环境资源化利用过程中的物料。就含水物料而言，微波主要是对物料中的水分子或其极性的小分子物质发生作用，使极性分子在微波场中发生剧烈振动而产热，产热是在物料的内部与表面同时发生，产热增温过程视物料吸收微波的能量大小而定，在微波场的能量足够大时，对含水物料的加热过程可以在很短时间内完成，这是传统加热方法难以实现的。

当含水物料吸收微波能后，其温度上升速率取决于一系列因素，要使质量为M千克的材料在时间t秒内从T₀℃上升到T℃时，所需的功率可由(1)式确定：P＝Q/t＝MC_p(T-T₀)/t (1)式由(1)式得：(T-T₀)/t＝(0.566×10^-10ε″e_fffE²)/(ρC_p) (2)式式中ρ为材料密度(Kg/m³)，C_p为材料的比热[KJ(kg℃)]，对于给定物料在给定频率f下的加热升温速率取决于ε″_eff和E²(电场强度)。参数ε″_eff是由物料本身的电磁学特性所决定的，不受物料体积和重量的影响。

利用式(1)或式(2)绘出的图像是一条物料增温对应于微波加热时间的微波加热函数图像，该函数图像在一般情况下是一条直线。而在我们的实验中，绝大多数的含水物料的微波加热增温曲线都是一条抛物线，即随着微波加热时间的增加，物料从起始温度T₀开始不断升温，到达一定温度后，水的相变明显增加，增温曲线开始变缓，最后趋近于水的相变温度，整个曲线呈抛物线状。根据式(1)或式(2)绘出的函数图像是在不考虑水相变情况下的物料增温函数曲线，只有在水相变可以忽略的情况下才可以用来作为微波加热工艺设计的参考，在实际应用中可以利用水的相变耗能量来校正从式(1)或式(2)计算出的物料的微波加热增温值。

对绝大多数的含水物料而言，在物料总量不变、微波场功率和频率不变的情况下，含水量愈大，增温速率愈慢，通常以纯水为临界值；相反含水量愈小，增温速率愈快，但因含水量低于30％时，微波对微生物的杀灭能力显著下降，故采用微波灭菌含水物料时，物料的含水量不能太低，否则灭菌效果不是很好。

采用微波加热灭菌含水物料时，在物料温度达到环境的饱和蒸汽压时，物料的温度不再升高，物料吸收的微波能此时消耗在水的相变过程中。水的饱和蒸汽压与温度的关系可见表1。在采用微波加热含水物料时，物料的温度往往远高于容器和环境的温度，因此由物料中溢出的水蒸气会在容器壁上很快凝结成水，造成环境的饱和蒸汽压下降，要使环境维持一定的饱和蒸汽压，就必须不

表1、水的饱和蒸汽压与温度的关系

℃	P/Mpa	℃	P/Mpa	℃	P/Mpa
						0	0.00061	50	0.01300	110	0.14391
5	0.00087	60	0.01997	120	0.19979
						10	0.00123	70	0.03122	130	0.27240
20	0.00235	80	0.04745	135	0.31608
						30	0.00426	90	0.07027	140	0.36530
40	0.00741	100	0.10165	145	0.42057

断提供微波能产生大量水蒸汽，在这种情况下微波能不是用在物料的加热灭菌上，而是损耗在水的相变过程中。在常温常压的情况下，将1克水增温一度仅需要1卡的热能，而将1克水在1个大气压下转变成水蒸汽则需要500卡以上的热能，这不难看出，相对于物料的加热灭菌来说，水的相变对微波能的损耗来说是巨大的。

在常温常压的情况下，含水物料一般被微波加热到100℃时，物料中会有大量水蒸汽逸出，如果选择在0.3Mpa条件下进行物料的灭菌，那么物料从0.1Mpa的饱和蒸汽压环境利用水蒸气产生的压力上升到0.3Mpa的饱和蒸汽压环境，将要用大量微波能产生水蒸汽用以不断增加环境的气压来实现，这显然是很浪费微波能量的。如何提高微波能对含水物料的加热效率，最大限度地减少在加热含水物料时损耗于水相变的微波能是非常重要的，行之有效的办法就是设法增大物料所处环境的饱和蒸汽压。例如将含水物料放入带压环境中用微波加热，常用的方法就是将含水物料放入压力罐中充入压缩空气，使其环境压力等于或大于含水物料灭菌时饱和蒸汽压水平，我们不妨将其称为“预压力微波加热灭菌法”。

在大空间使用“预压力微波加热灭菌法”时，微波场会有功率分布不均匀现象，一般描述为微波场加热物料的冷点和热点现象。为减少冷点对含水物料灭菌不彻底的现象发生，一方面可以让含水物料在微波场中匀速转动，使物料被微波场加热的相对均匀；另一方面可以使含水物料在饱和蒸汽压环境下相对多维持一点时间，这样物料中热点产生的过热蒸汽会向冷点扩散，使物料被微波加热得更均匀，灭菌得更彻底。

基于上述原理，预压力微波灭菌锅的设计制造如下所述：

预压力微波灭菌锅由预压力微波灭菌锅密封门(1)、耐压的预压力微波灭菌锅外套(2)、压力表(3)、放气阀(4)、微波发生器及其控制电路和外罩(5)、进气阀(6)、波导(7)、微波发生器(8)、摄像头(9)、旋转的框架(10)、减速器(11)、电动机(12)、活动吊篮(13)、激光发射器(14)、支架(15)、高压输气管(16)、空气压缩机(17)、放水阀(18)、控制柜(19)、微波加热室(20)、圆柱形旋转滚筒(21)、旋转框架的吊梁(22)、压力感应装置(23-31)组成；承压的预压力微波灭菌锅密封门和预压力微波灭菌锅外套，按国家有关压力容器设计和生产标准采用厚壁不锈钢或碳钢或铝合金制造预压力微波灭菌锅外套，也可以采用现行不同规格的卧式蒸汽压力灭菌锅做成不同规格的预压力微波灭菌锅外套(2)，用以承受灭菌所需的压力环境；依据微波理论进行预压力微波灭菌锅的加热室设计，微波加热室采用普通不锈钢板制做成圆柱体置于预压力微波灭菌锅外套内，微波发生器及其控制电路安装在预压力微波灭菌锅外套外，便于维修和散热降温，通过波导将微波输入微波加热室内，微波发生器与波导连接，波导与外套之间采用聚四氟乙烯厚板密封连接，微波透过聚四氟乙烯厚板密封连接进入微波加热室，微波加热室内装有能滚动的物料筒或能旋转的框架及框架上安装的吊篮，采用空压机提供压缩空气或惰性气体在预压力微波灭菌锅内形成压力环境，可以利用微波加热实现含水物料彻底灭菌的目的。预压力微波灭菌锅装有压力表和压力感应装置，实现预压力微波灭菌锅内压力及物料灭菌状况的在线监控。

微波加热室被制作成圆柱体，微波发生器按定长和圆周等分点位，分组安装。可以根据物料的加热要求进行微波发生器如磁控管的叠加(微波加热功率叠加)，叠加原理与方式如下：

方式一、可在圆形谐振腔的等分圆周的相应位点上进行磁控管的安装，如2等分圆周上2管安装、3等分圆周上3管安装、4等分圆周上4管安装、5等分圆周上的5管安装……。

方式二、可在圆形谐振腔的等分圆周的相应位点上进行磁控管的分组安装，如在4等分圆周上2管一组，两组4管安装、6等分圆周上2管一组，三组6管安装；3管一组，两组6管安装；12等分圆周上6管一组，两组12管安装；4管一组，三组12管安装；3管一组，四组12管安装；2管一组，六组12管安装……。

方式三、可在圆筒状谐振腔壁沿长轴方向按一定长度单位在等分圆周上进行相应组数的磁控管的安装。

采用上述方式安装磁控管，可以实现用较小功率磁控管形成较大的微波加热功率，并在一定区域内实现较为均匀的微波加热区，通过分组安装磁控管，可以实现磁控管工作时间的组间切换，能有效保证磁控管的使用寿命。采用以上多组磁控管安装技术有以下优点：

1、可实现较大输出功率的微波加热器；

2、可实现功率可调的微波加热过程；

3、可以利用目前生产工艺十分成熟、性价比较高的磁控管及其控制电路；

4、单个磁控管及其控制电路性能一致，可以互换，方便维修，配件充足，易购置。

在微波加热室中设计物料滚筒或旋转的框架及框架上放置的吊篮，采用聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚乙烯、飞机雷达罩材料、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢及耐火材料粘合或烧制而成制备，内衬聚碳酸酯衬里。可以用于散装含水物料和袋装物料的灭菌处理，滚筒主要用于散装含水物料的灭菌处理，滚筒的一端可与传动轴啮合，滚筒上有进出料口，有滚环，滚筒在微波加热室内可以旋转滚动，以保证物料在微波加热室中受热均匀。旋转的框架及框架上放置的吊篮主要用于含水袋装物料、瓶装类药品、食品及其他物品进行灭菌处理，这些物料均匀放置在旋转的框架的吊篮内，微波加热过程中吊篮在灭菌锅中不停转动使袋装物料在微波加热室中受热均匀。

聚四氟乙烯在260℃以下时可以保证其材料强度满足设计要求，内衬聚碳酸酯的目的是可以用于散装原料药、食品类物料灭菌处理，在处理过程中不会产生有毒物质，能满足食品卫生的安全要求。

利用普通空压机(17)，提供压力在0.089Mpa以上，一般选择在0.1Mpa-0.6Mpa之间的压缩空气，为预压力微波灭菌锅内提供气压环境，预压力微波灭菌锅内的气压可以根据灭菌工艺的要求加以调整。

采用压力感应装置(图4、图5)控制预压力微波灭菌锅内的环境压力，压力感应装置是一个三面固定壁一面设计成活动壁的装置，活动壁(26)上连接光线挡板(23)，用厚壁硅橡胶、天然橡胶制作的充气皮球(25)作为该装置活动壁复位的弹性部件，充气皮球的壁厚、大小及充气压力的不同，可以调节装置活动壁复位的行程和弹力的大小；用激光发射(14)及接收器(24)来传递压力传感装置发出的信号，并将其转化为电信号。当将抽真空的袋装含水物料放入适合的压力感应装置中后，在预压力环境中用微波加热，在袋装含水物料的温度达到水的饱和蒸汽压时，物料中会产生压力略高环境压力的水蒸汽，使塑料袋(27)膨胀，胀袋推动压力感应装置的活动壁，使光线挡板遮住用激光发射器射出的激光，使激光接收器获得一个遮光信号，控制微波加热停止。微波加热停止后，含水物料的温度开始下降，在袋装含水物料的温度低于预压力环境压力和该环境水的饱和蒸汽压时，塑料袋复位，装置的活动壁在弹力部件(充气皮球)作用下复位，光线挡板复位，这时，激光发射器射出的激光直接照射到激光接受器上，使激光接收器获得一个光照信号，控制微波开始加热。利用这一原理可以在预压力环境中准确控制微波对含水物料的加热灭菌。也可以利用弹性膜(29)传感压力的原理设计出不同的压力传感器用于预压力环境中控制微波对含水物料加热灭菌。压力信号除选用激光器件转换成电信号外，也可以选择磁力或机械微动开关(30、31)来转换成电信号。

采用多个摄像头(9)监测微波加热室中物料的加热状况，盛装于圆柱形滚筒内的散装含水物料(如固态发酵物料、中成药丸、食品原料等)，可以观察其水汽蒸发的情况，在含水物料温度低于水饱和蒸汽压时的温度时，其水分蒸发不明显，当含水物料温度等于饱和蒸汽压时的温度时，物料中的水分蒸发明显，大量水汽出现，据此可以判断物料的温度。在对含水袋装药品或食品进行灭菌时，可以通过胀袋与否来判断袋装药品或食品的灭菌温度，未胀袋时，表明袋内物料的蒸汽压低于所施加的空气压力，物料灭菌温度偏低，开始胀袋时，表明物料温度已达到预期的灭菌温度，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌时间2-60分钟，视被灭菌的物料性质及灭菌要求而定。

灭菌温度除利用压力感应装置控制及内置摄象头监测外，还可以利用设备内的预压力进行控制，预压力与含水物料的温度关系可参照表1确定。

四、附图说明

图1内置旋转的框架和吊篮的预压力微波灭菌锅示意图

1、预压力微波灭菌锅密封门；2、预压力微波灭菌锅耐压外套；3、压力表；4、放气阀；5、微波发生器及其控制电路和外罩；6、进气阀；7、波导；8、微波发生器；9、摄象头；10、旋转的框架纵梁；11、减速器；12、电动机；13、活动吊篮；14、激光发射器；15、支架；16、高压输气管；17、空气压缩机；18、放水阀19、控制柜；20、微波加热室。

图2内置旋转的框架和吊篮的预压力微波灭菌锅的开门断面示意图

22、旋转框架的吊梁。

图3内置旋转圆柱形滚筒的预压力微波灭菌锅示意图

21、圆柱形旋转滚筒。

图4压力感应装置

23、遮光挡板；24、激光接收器；25、充气皮球(弹力部件)；26、活动壁；27、需灭菌的袋装物料；28、压力感应装置外壳。

图5弹力膜压力感应装置

29、弹力膜；30、微动开关；31、活动顶杆。

五、具体实施方式

具体实施方式1：

按国家有关压力容器设计和制造标准，制造预压力微波灭菌锅封门(1)和外套(2)，以承受物料灭菌所需的压力环境。依据微波理论和灭菌物料的微波增温特性进行微波灭菌装置的加热室设计，采用不锈钢板在预压力微波灭菌锅外套内制做微波加热室(20)，微波发生器及其控制电路(5)安装在微波灭菌设备外套外，便于维修和散热降温，通过波导将微波输入微波加热室内。在微波加热室中设计一个能盛装物料的圆柱形滚筒(21)，滚筒采用耐压、耐热、微波通透率高的工程材料(聚四氟乙烯、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢及耐火材料粘合或烧制而成)制备，内衬聚碳酸酯衬里，滚筒上有进出料口，可以用于散装含水物料的灭菌处理。滚筒的一端可与传动轴啮合，传动轴与减速器及电机相连，有滚环，滚筒在微波加热室内可以旋转滚动，以保证物料在微波加热室中受热均匀。

在微波加热室中也可以设计一个能旋转的框架(10)，框架上放置吊篮(13)，可以对袋装类、瓶装类药品、食品及其他物品进行灭菌处理。

利用普通空压机(17)，提供压力在0.089Mpa以上，一般选择在0.1Mpa-0.6Mpa之间的压缩空气。

预压力微波灭菌锅装有压力表(3)、压力感应装置(23-31)和摄像头(9)，用以实现预压力微波灭菌锅内压力及物料灭菌状况的在线监控。

具体实施方式2、固态发酵物料的灭菌：

在固态发酵生产红曲、蛋白酶、柠檬酸、乙醇、乳酸、赤霉素、酱油、食醋、白酒、蛋白饲料、食用菌等的生产过程中，固态发酵用的培养基需要进行灭菌处理。将需灭菌处理的固态物料，装入物料滚筒(21)，用小车送入预压力微波灭菌锅的微波加热室(20)中，将物料滚筒上的滚环与支撑轮吻合，减速机(11)上的驱动轴与滚筒吻合，然后关闭预压力微波灭菌锅上的密封门，开启进气阀(6)，通过空压机及其无菌空气系统(17)向预压力微波灭菌锅内压入空气，空气的工作压力一般选择在0.1Mpa-0.6Mpa之间，微波加热时间2-60分钟，视被灭菌的物料性质于灭菌要求而定，物料的灭菌温度可以通过压力传感器进行控制，同时利用加热室内的摄象头(9)进行监测，在含水物料温度低于饱和蒸汽压时的温度时，其水分蒸发不明显，当含水物料温度等于饱和蒸汽压时的温度时，物料中的水分蒸发明显，大量水汽出现，据此可以判断物料的温度，料温度已达到预期的灭菌温度，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌后，采用充入冷空气迅速进行冷却降温，并同时卸压，冷却并卸压后，打开预压力微波灭菌锅上的密封门，取出物料滚筒，卸出已被灭菌的物料。

具体实施方式3、袋装含水物料的微波灭菌

药品和食品加工过程中，常需要对一些袋装食品进行灭菌处理，可将需要灭菌处理的袋装物品盛装于活动吊篮(13)内，吊篮悬挂于微波加热室内的旋转的框架(10)上然后关闭预压力微波灭菌锅外套上的密封门，开启进气阀(6)，通过空压机(17)向预压力微波灭菌锅内压入空气，空气的工作压力一般选择在0.1Mpa-0.6Mpa之间，微波灭菌时间2-60分钟，视被灭菌的物料性质与灭菌要求而定，物料的灭菌温度可以通过胀袋与否来判断，袋装药品或食品未胀袋时，表明袋内物料的蒸汽压低于所施加的空气压力，物料灭菌温度偏低，开始胀袋时，表明物料温度已达到预期的灭菌温度，通过压力传感器进行控制，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌后，采用充入冷空气的方法迅速对物料进行冷却，并同时卸压，冷却并卸压后，打开预压力微波灭菌锅外套上的密封门，取出灭菌后的袋装含水物料。

Claims

1.预压力微波灭菌锅由预压力微波灭菌锅密封门(1)、耐压的预压力微波灭菌锅外套(2)、压力表(3)、放气阀(4)、微波发生器及其控制电路和外罩(5)、进气阀(6)、波导(7)、微波发生器(8)、摄像头(9)、旋转的框架(10)、减速器(11)、电动机(12)、活动吊篮(13)、激光发射器(14)、支架(15)、高压输气管(16)、空气压缩机(17)、放水阀(18)、控制柜(19)、微波加热室(20)、圆柱形旋转滚筒(21)、旋转框架的吊梁(22)、压力感应装置(23-31)组成；其特征是承压的预压力微波灭菌锅密封门和预压力微波灭菌锅外套，按国家有关压力容器设计和生产标准采用厚壁不锈钢或碳钢或铝合金制作，微波加热室采用普通不锈钢板制做成圆柱体置于预压力微波灭菌锅外套内，微波发生器及其控制电路安装在预压力微波灭菌锅外套外，微波发生器与波导连接，波导与外套之间采用聚四氟乙烯厚板密封连接，微波透过聚四氟乙烯厚板密封连接进入微波加热室，微波加热室内装有能滚动的物料旋转滚筒或能旋转的框架及框架上安装的吊篮，预压力微波灭菌锅装有空压机、压力表和压力感应装置。

2.根据权利要求1所述的预压力微波灭菌锅，其特征在于：微波加热室被制作成圆柱体，微波发生器按定长和圆周等分点位，分组安装。

3.根据权利要求1所述的预压力微波灭菌锅，其特征在于：物料滚筒和旋转的框架及框架上放置的吊篮，采用聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚乙烯、飞机雷达罩材料、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢及耐火材料粘合或烧制而成制备，内衬聚碳酸酯衬里。