CN210203160U - 一种用于牛奶杀菌的超声-热复合连续杀菌装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于牛奶杀菌的超声‑热复合连续杀菌装置，包括：若干个超声波发生器；封闭式的反应室，反应室侧壁上带有进料口和出料口，反应室内沿进料口至出料口方向设置折流板，由折流板分隔若干个依次连通的处理腔；对应设于每个处理腔内的超声波探头，每个超声波探头通过对应的超声波换能器与所述超声波发生器一一对应连接；包覆在所述反应室外的夹套，夹套上的进、出水口连接循环水热交换装置。本实用新型以相对温和的处理强度达到更好的杀菌效果，进而最大程度保持食品原有品质性质。

Description

一种用于牛奶杀菌的超声-热复合连续杀菌装置

技术领域

本实用新型属于食品工程技术领域，具体涉及一种牛奶杀菌装置及杀菌方法

背景技术

牛奶是最古老的天然饮料之一，被誉为“白色血液”，对人体的重要性可想而知。其富含碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等多种营养成分，在人们的膳食结构中具有不可替代的作用。因为其丰富的营养，牛奶俨然成为了微生物生长的良好的天然培养基。新鲜的牛乳微生物含量较小，但由于挤乳操作、运输贮藏、加工等各环节无法做到无菌，都会造成微生物的繁殖污染，甚至产生致病菌。传统热杀菌技术在乳品工业中已被广泛应用，它能够杀死各种微生物，而且杀菌程度可以控制，是一种有效的杀菌方式。例如，公告号为CN207767432U的中国实用新型专利公开了一种牛奶杀菌装置，包括电动机、L形支撑杆、加强筋、安装板、支撑腿、进料阀、进料管、加热棒连接装置、控制面板、总控制箱、转轴、搅拌装置、杀菌箱体、出料阀、出料管、导线、加热棒控制装置、温度传感器、加热棒、单向排气阀、保温层和箱体层。但是，研究表明热处理能够很大程度上破坏牛奶的营养品质。

因此，开发既可高效杀菌又不对营养造成太大损坏的新型灭菌技术引起了人们广泛的研究，其中超声波因其导致的营养损失最小和环保等特性收到极大的关注。然而目前市场上常见的超声处理设备存在较大的局限性，其超声功率强度低，并且形成的声场密度不均一，导致使用超声辐照进行杀菌，杀菌效果不彻底，达不到商业无菌的要求。

实用新型内容

本实用新型通过开发新型超声波的发生装置与超声波探头发射装置，并将其与热杀菌结合方式，提供一种新型的牛奶杀菌装置，使之能够以相对温和的处理强度达到更好的杀菌效果，进而最大程度保持食品原有品质性质，实现连续流操作，可与其他加工流程相结合，如巴氏灭菌、均质化、包装等。

一种用于牛奶杀菌的超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，包括：

若干个超声波发生器；

封闭式的反应室，反应室侧壁上带有进料口和出料口，反应室内沿进料口至出料口方向设置折流板，由折流板分隔若干个依次连通的处理腔；

对应设于每个处理腔内的超声波探头，每个超声波探头通过对应的超声波换能器与所述超声波发生器一一对应连接；

包覆在所述反应室外的夹套，夹套上的进、出水口连接循环水热交换装置。

本实用新型采用多组并排大功率超声波发生器，他激式振荡电路结构较自激式振荡电路结构在输出功率增加10％以上；将超声波发射器和处理样品都置于封闭系统中，能够避免在超声过程中产生的气雾或者泡沫扩散到环境中，减少潜在生物危害和交叉污染；采用隔音效果好的双套腔室操作，其间通过循环水热交换系统进行控温，防止样品过热。

超声波的解聚作用能使细菌簇被驱散成单个细胞，有利于增加细菌与热发生反应的机会；通过热交换系统受热使细菌细胞壁和细胞膜损伤，超声过程中产生的各种剪切力进一步作用于受损的细胞，造成大片裂解的细胞和碎片，超声和热协同作用，增强杀菌效果。

折流通道以及一一对应设置超声波探头实现连续流操作，增加超声波探头与物料总的接触时间，有效地提高杀菌效率。

优选地，所述折流板间隔固定在反应室内底部和顶板上。

进一步优选地，进料口和出料口均靠近底部设置，靠近进料口和出料口的折流板均固定在底部，中间的折流板间隔固定于顶板和底板上，形成反应室内上升流和下降流间隔分布的折流通道。

优选地，所述超声波探头的侧面上多节点分布若干个超声波发射器，每个超声波探头上的所有超声波发射器均受控于该超声波探头对应的超声波换能器。

进一步优选地，所述超声波换能器固定于对应处理腔顶部，与对应的超声波探头连接。超声波换能器固定于对应处理腔顶部，便于维护；顶端单一发射超声波，产生的声场密度不均一，多节点超声波发射器其声波可以从侧面多个节点发射，而不是只从顶端发射，能够产生更加均一的声场密度。

优选地，所述若干个超声波发生器呈规则排布设置于可移动支架上，所述可移动支脚上带有规则排布的超声波发生器安装孔。超声波发生器一一对应安装于对应的安装孔中。可移动支架底部带有滚轮。

超声波发生器放置在单独的支撑架上，方便操作和维护。该系统可与其他加工流程相结合，如均质化、包装等。

优选地，所述出料口处设置温度传感器；所述循环水热交换装置包括：

冷水槽，与所述夹套的进、处水口连接成冷水回路，冷水回路上设置冷水泵和第一电磁阀；

热水槽，与所述夹套的进、处水口连接成热水回路，热水回路上设置热水泵和第二电磁阀；

控制器，所述温度传感器接入该控制器，所述冷水泵、第一电磁阀、热水泵及第二电磁阀接入并受控于该控制器。

进一步优选地，所述控制器为PID控制器或PLC控制器。

热交换系统包含了一个-30—100℃的低温恒温槽，分为冷水槽和热水槽，系统通过阀门开和关控制冷水和热水循环。控制器根据温度传感器反馈的温度信息决定启动循环热水还是冷却水系统，例如设定温度为55℃，先开启的是循环热水控制系统，如果系统温度过高，再开启循环冷却水系统，确保温度控制在55℃。

利用超声-热复合连续杀菌装置对牛奶中金黄色葡萄球菌进行杀菌处理，包括如下步骤：

待杀菌牛奶由进料口送入反应室内，沿折流板形成的折流通道依次流经所有的处理腔，最后由出料口排出；送入牛奶的同时启动所有的超声波发生器和超声波换能器，对流经反应室的牛奶进行超声杀菌；

杀菌过程中，通过循环水冷却装置调节夹套内的循环控温液温度，保证反应室内牛奶的温度为55-63℃。

优选地，超声处理频率为20kHz、处理功率为200-400W、处理时间为5-20min。进一步优选地，处理频率为20kHz，处理功率为400W，处理温度为55℃，处理时间为20min，

上述方法中，在声热复合杀菌技术处理后的牛奶参照GB 4789.2-2010食品安全国家标准《食品微生物学检验菌落总数测定》方法进行微生物总数测定，并对牛奶的颗粒粒径和蛋白含量进行测定来评估处理后牛奶品质的变化情况。

与现有技术相比，本实用新型的实验证明，本实用新型装置及方法提高了牛奶中微生物的杀灭效率，并最大程度保持牛奶的营养品质，有利于推广声热联合杀菌技术的产业应用。

附图说明

图1是本实用新型装置结构示意图。

图2是热交换装置与夹套的连接关系示意图。

图中所示附图标记如下：

1-超声波发生器 2-超声波换能器 3-超声波探头

4-连续式处理腔 5-夹套 6-热交换装置

7-进料口 8-出料口 9-循环控温液

601-冷水槽 602-热水槽 603-冷水泵

604-第一电磁阀 605-热水泵 606-第二电磁阀

具体实施方式

如图1所示，一种超声-热复合连续杀菌装置，包括多组并排设置的超声波发生器1和反应器。

多组并排设置的超声波发生器1由多个超声波发生器规则排布安装在可移动支架上，可移动支架包括支架本体和位于支架本地底部的滚轮，支架本体上规则设置安装格，每个安装格内对应安装一个超声波发生器。

反应器采用双套腔室封闭反应器，包括封闭式的反应室和包覆在反应室外的夹套5，反应室一侧侧壁上开设进料口7、相对的另一侧上开设出料口8，本实施方式中，进料口和出料口均靠近底部设置，进料口通过进料泵连接进料储罐，出料口连接出料储罐。

反应室内设置折流板，折流板间隔固定在反应室内底部和顶板上，由进料口至出料口形成折流通道，靠近进料口侧折流板与反应室内壁之间、相邻折流板之间以及靠近出料口侧折流板与反应室内壁之间为依次连通的若干个处理腔室，处理腔室内上升流和下降流间隔分布，每个处理腔室内独立设置超声装置，超声装置包括超声波换能器2和超声波探头3，超声波换能器通过支撑架安装于反应室顶部对应每个处理腔，超声波探头与超声波换能器连接，对应伸入每个处理腔内，超声波探头上多节点分布超声波发射器(即探头竖向的侧面上均匀间隔设置超声波发射器)，探头向下延伸至靠近反应室底部处，每个超声波换能器一一对应连接多组并排超声波发生器1中的超声波发生器，每个探头上的所有超声波发射器与该探头对应的超声波换能器信号连接。

出料口处设置温度传感器(图中未示出)，检测出口液体的温度，夹套上带有进水口和出水口，热交换装置与夹套的连接关系如图2所示(控制器部分未示出)，包括低温恒温槽、泵组件、阀门组件以及控制器部分，低温恒温槽包括一个冷水槽601和一个热水槽602，热水槽带有加热功能。冷水槽601通过冷水泵603连接夹套的进水口，夹套的出水口通过管路回流至冷水槽，回流管路上设置第一电磁阀604，冷水槽601、冷水泵603、夹套的进、处水口以及回流管路一起形成冷水回路；热水槽602通过热水泵605连接夹套的进水口，夹套的出水口通过管路回流至热水槽，回流管路上设置第二电磁阀606，热水槽、热水泵、夹套的进、处水口以及回流管路一起形成热水回路。温度传感器接入控制器，冷水泵603、第一电磁阀604、热水泵605以及第二电磁阀606均接入并受控于控制器，控制器采用PID或者PLC。

杀菌流程如下：

待杀菌牛奶由进料口送入反应室内，沿折流板形成的折流通道依次流经所有的处理腔，最后由出料口排出；送入牛奶的同时启动所有的超声波发生器和超声波换能器，对流经反应室的牛奶进行超声杀菌；超声处理频率为20kHz,处理功率为200-400W，处理时间为5-20min。杀菌过程中，通过温度传感器监测出料口处牛奶的温度，出料口温度设定为55～63℃，温度通过热交换装置进行调控。

以设定出口温度为55℃为例，先开启的是循环热水控制系统，当温度达到设定温度后关闭热循环系统，热循环过程中热水由热水泵送入夹套内，出水经第二电磁阀再回到热水槽。杀菌过程中如果系统温度过高，再开启循环冷却水系统，冷水循环过程中，冷水由冷水泵泵入夹套内，夹套出水经第一电磁阀回到冷水槽。冷热循环交替运行，确保温度控制在55℃。

下面结合具体实施例，进一步说明本实用新型。

实施例1

一声热复合杀菌技术处理

接种金黄色葡萄球菌牛奶的制备

将金黄色葡萄球菌标准菌株ATCC 25923接种于普通肉汤培养基中，37℃摇床培养至对数生长期。采用0.85％(质量百分含量)无菌生理盐水洗涤对数生长期的菌体两次，重悬，使菌体浓度约为109CFU/mL，然后按照1:9(菌液：牛奶)比例制备接种量为108CFU/mL的牛奶。

(2)声热复合处理

实验组：用新型声热复合杀菌装置对接种牛奶进行处理，具体步骤：将300mL牛奶装入密闭处理腔中，多节点超声探头深入液面，打开冷却水循环装置，打开大功率超声发生器，调节处理频率为20kHz，处理功率为400W，处理温度为55℃，处理时间为20min，最后得到处理后牛奶。

对照组：金黄色葡萄球菌菌悬液不进行超声处理，只进行巴氏杀菌处理(63℃加热30min)。

二检测

菌落总数的测定方法

取1mL处理后的牛奶，用0.85％无菌生理盐水梯度稀释至合适浓度，取0.1mL分别加入到非选择性培养TSA中，37℃培养24小时，然后记录菌落数。

蛋白粒径检测方法

室温下将牛奶样品稀释1000倍，然后用0.45m微滤膜处理，利用Zetasizer NanoZS纳米粒径电位分析仪对样品中的蛋白胶体粒径进行测定。

蛋白质含量测定

采用bradford法进行测定。

结果如下：对照组和实验组均可以使金黄色葡萄球菌数量减少5个对数级别，对照组巴氏处理后蛋白质粒径为3.4nm，蛋白质含量为2.5％。实验组声热复合处理后蛋白质粒径为2.5nm，蛋白质含量为2.9％。

由此可见，本实用新型的方法不仅能够提高杀菌效率，而且能有效减小牛奶蛋白粒径，有利于促进其营养成分的吸收，并较好地保持牛乳中原有蛋白质的品质和含量

实施例2

一热联合超声杀菌技术处理

细菌悬浮液制备

与实施例1中的一的步骤(1)的方法相同。

联合处理

与实施例1中的一的步骤(2)的方法基本相同，仅将处理功率调整为200W，处理温度为63℃，处理时间为7.5min。

二检测

与实施例1中的二的方法相同。

结果如下：对照组和实验组均可以使金黄色葡萄球菌数量减少5个对数级别，对照组巴氏处理后蛋白质粒径为3.4nm，蛋白质含量为2.5％。实验组声热复合处理后蛋白质粒径为2.7nm，蛋白质含量为3.2％。由此可见，本实用新型的方法更好地保持了牛乳中原有蛋白质的品质和含量。

本实施例同实施例1相比，对牛奶品质维持有更好的效果。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于牛奶杀菌的超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，包括：

若干个超声波发生器；

封闭式的反应室，反应室侧壁上带有进料口和出料口，反应室内沿进料口至出料口方向设置折流板，由折流板分隔若干个依次连通的处理腔；

对应设于每个处理腔内的超声波探头，每个超声波探头通过对应的超声波换能器与所述超声波发生器一一对应连接；

包覆在所述反应室外的夹套，夹套上的进、出水口连接循环水热交换装置。

2.根据权利要求1所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述折流板间隔固定在反应室内底部和顶板上。

3.根据权利要求1所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述超声波探头的侧面上多节点分布若干个超声波发射器，每个超声波探头上的所有超声波发射器均受控于该超声波探头对应的超声波换能器。

4.根据权利要求3所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述超声波换能器固定于对应处理腔顶部，与对应的超声波探头连接。

5.根据权利要求1所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述若干个超声波发生器呈规则排布设置于可移动支架上，所述可移动支脚上带有规则排布的超声波发生器安装孔。

6.根据权利要求1所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述出料口处设置温度传感器；所述循环水热交换装置包括：

冷水槽，与所述夹套的进、处水口连接成冷水回路，冷水回路上设置冷水泵和第一电磁阀；

热水槽，与所述夹套的进、处水口连接成热水回路，热水回路上设置热水泵和第二电磁阀；

控制器，所述温度传感器接入该控制器，所述冷水泵、第一电磁阀、热水泵及第二电磁阀接入并受控于该控制器。

7.根据权利要求6所述超声-热复合连续杀菌装置，其特征在于，所述控制器为PID控制器或PLC控制器。

Images