CN219182760U - 一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及食品杀菌设备技术领域，具体涉及一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，包括触控屏、控制模块、脉冲升压模块、平行电极板、控制用电机、传送带、急停开关；所述控制模块包括电源、调压器、全桥逆变器、驱动电路、电机驱动器、开关电源、可编程逻辑控制器PLC；所述脉冲升压模块包括升压变压器、倍压电路和升压电阻；本实用新型实现脉冲电场非热加工技术与冷等离子体技术相结合的功能，杀菌效果稳定、电极之间不易击穿，可实现流水线批量处理，主要用于固体食品及其外包装的微生物消杀处理。

Description

一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备

技术领域

本实用新型涉及食品杀菌设备技术领域，具体涉及一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备。

背景技术

随着人们生活水平的提高，消费者对食品质量的要求也越来越高。今天的消费者不仅要求食品新鲜安全，还追求食品原有的天然风味和营养成分，而使用传统热加工杀菌技术处理的食品难免存在营养物质流失和风味丧失的问题，因此难以满足消费者的需求。为了解决这一问题，很多食品非热加工技术已得到广泛的研究并取得了突破性进展，主要包括高压脉冲电场技术、超高静压技术、高压二氧化碳技术、辐照技术、脉冲磁场技术等。

脉冲电场(Pulsed Electric Field，PEF)杀菌作为一种前沿有效的食品非热加工技术，具有加工温度低以及更好保持食品原有的色泽、口感和新鲜度等特点，能极大程度地保护热敏性食品的关键营养成分。同时PEF工艺还具有能耗低、污染小与杀菌效率高等优点，主要用于食品的杀菌、钝酶、酒类催陈和提升特定细胞代谢产物的提取率等。

PEF技术的细胞膜电穿孔和电崩溃理论被业内广泛接受。即在电场中将微生物的细胞膜视为一个电容器，随着电场强度的提升和快速极性反转，细胞膜被极化并出现大量不可逆的电穿孔，最终细胞内容物溶出、细胞结构瓦解，从而达到杀菌灭活的目的。PEF杀菌效果的主要影响因素为微生物自身特性、电场强度、脉冲波形、有效处理时间和电极尺寸参数。常见的脉冲波形有平方波、指数衰减波和钟形波，并且双极性脉冲电场的杀菌效果要优于单极性但其电路拓扑较为复杂。同样地，在一定范围内增加电场强度可显著提升杀菌效果，因此设备的体积大小和绝缘性能需纳入考虑。

等离子体的杀菌主要依靠其内部大量的电子、离子、自由基等活性粒子，发生相应的物理或化学变化。其中冷等离子体能够满足食品非热、无残留的处理要求，且在大气压下通过介质阻挡放电即可实现。值得注意的是，空间场强过高时空气会被电离并产生大量的氧化物，对食品的风味及营养价值产生负面影响，因此需要控制上下极板的间距和施加电压。

目前针对液体食品如牛奶、果汁等的封闭式PEF连续低温杀菌处理已逐渐成熟，例如：公开号为CN111248259A的中国专利公开了基于脉冲电场的流体食品杀菌装置及方法，该装置可以稳定持续地施加脉冲电场，配合前后缓冲罐等装备，可实现连续性杀菌，具有极好的工业化前景。但该装置的处理腔体及其配套的缓冲罐体积较大，存在流体食品流速较快时平均杀菌时间不充足，杀菌效果不稳定的缺陷。

再如：公开号为CN114938559A的中国专利公开了一种介质阻挡均匀放电低温等离子体食品杀菌装置，该装置能实现在大气压下产生大面积大间距均匀大气压等离子体。但该装置必须以惰性气体为载气进行放电产生等离子体，存在不能全方位地处理食品，杀菌效果受限于等离子体密度的缺陷。

目前市场对新鲜蔬果、生鲜肉、冷冻肉类等固体或半固体食品及其外包装的杀菌需求也日益提高，因此亟需一种运行稳定、杀菌高效且能实现流水线批量处理的PEF杀菌设备。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，实现脉冲电场非热加工技术与冷等离子体技术相结合的功能，主要用于固体食品及其外包装的微生物消杀处理。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，包括触控屏、控制模块、脉冲升压模块、平行电极板、控制用电机、传送带和急停开关；所述控制模块分别与触控屏、脉冲升压模块、控制用电机、传送带电性连接，所述脉冲升压模块与平行电极板电性连接，所述控制用电机的输出端与伸缩杆上端连接，所述伸缩杆下端与平行电极板的上极板连接，所述平行电极板的下极板固定在传送带的上下履带之间，平行电极板的上极板与下极板相对且平行；

所述控制模块包括电源、调压器、全桥逆变器、驱动电路、电机驱动器、开关电源、可编程逻辑控制器PLC；所述电源分别与开关电源和调压器电性连接，所述急停开关与电源电性连接；所述开关电源分别与驱动电路、电机驱动器和可编程逻辑控制器PLC电性连接，所述可编程逻辑控制器PLC分别与触控屏、传送带、调压器、驱动电路、电机驱动器电性连接，所述电机驱动器与控制用电机电性连接，所述调压器和驱动电路均与全桥逆变器电性连接，所述全桥逆变器电性连接脉冲升压模块。

优选的，所述脉冲升压模块包括第一升压变压器T1和第二升压变压器T2，第一升压变压器T1的次级绕组端依次串联第一倍压电路和第一升压电阻R1后与平行电极板的下极板连接，第一升压变压器T1的次级绕组端还依次串联第二倍压电路和第二升压电阻R2后与平行电极板的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端依次串联第三倍压电路和第三升压电阻R3后与平行电极板的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端还依次串联第四倍压电路和第四升压电阻R4后与平行电极板的下极板连接。

优选的，所述第一升压变压器T1和第二升压变压器T2的输入为相位差为半个脉冲周期的双极性低压脉冲，脉冲频率调节范围为50～200Hz，所述平行电极板单个极板上脉冲电压的峰峰值最大为100kV，同时刻上下极板的低频脉冲高压幅值相同、极性相反。

优选的，所述平行电极板由金属材料铜制成，并封装在聚四氟乙烯板内部，平行电极板厚度为2mm，聚四氟乙烯板的厚度为10～20mm。

优选的，所述传送带的履带为绝缘材料并具有镂空结构，不会明显影响空间电场的分布情况。

优选的，所述控制模块的电源为220V工频交流电。

优选的，所述脉冲升压模块与平行电极板之间使用高压导线连接。

优选的，所述平行电极板的间距调节范围为3～8cm。

优选的，所述平行电极板的等效电容通过以下公式进行估算：

其中，ε₀＝8.854×10^-12F/m，ε_r为包裹极板的电介质的相对介电常数，δ为电介质厚度，S为上极板与下极板之间的正对面积，为d为上极板与下极板之间的空气间距。

优选的，所述控制用电机为步进电机或伺服电机。

本实用新型的有益效果是：

1)微生物种类繁杂，不同微生物对不同参数的脉冲电场的耐受程度也不同，本实用新型将脉冲电场非热加工技术与冷等离子体技术相结合，在极性快速翻转的高压脉冲电场中，冷等离子体中的大量活性粒子不仅具有一定的杀菌效果，也会吸附于微生物细胞膜表面使其总体呈电负性，从而加速微生物细胞电极化的进程、增加细胞膜电穿孔的数目，进而使细胞结构瓦解直至失活。相较于单一的杀菌方法，脉冲电场和冷等离子体协同杀菌的消杀效果更加稳定可靠，可实现大规模生产应用。

2)本实用新型选用相位差为半个脉冲周期的双极性低压脉冲作为两组变压器的输入，结合升压变压器和倍压电路进行升压，可实现同时刻在上下极板施加幅值相同、极性相反的双极性低频脉冲高压；通过触控屏显示调控脉冲信号的主要参数，可实现从低压侧实时调控高压侧的低频脉冲高压，其脉冲频率调节范围为50～200Hz，占空比可调，上下极板电势差最高达200kV；断电后高压侧自身形成闭合回路消耗剩余电荷，减少了耐压开关器件的使用，降低了设备成本并提高了安全性能。

3)本实用新型的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子的食品杀菌设备，能在常温常压下对新鲜蔬果、生鲜肉、冷冻肉类等固体食品及其外包装进行微生物消杀处理，其能耗小效率高、处理时间短、杀菌均匀且不影响食物品质，可提供新鲜安全的食品并延长货架期。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的控制框图；

图3为脉冲升压电路的结构图；

图4为双极性低压脉冲的波形图；

图5为平行电极板上的低频脉冲高压波形图；

其中，1为触控屏，2为控制模块，3为脉冲升压模块，4为平行电极板，5为控制用电机、6为传送带，7为急停开关，8为第一倍压电路，9为第二倍压电路，10为第三倍压电路，11为第四倍压电路。

具体实施方式

如图1-5所示的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，在本实施例中，如图1所示，包括触控屏1、控制模块2、脉冲升压模块3、平行电极板4、控制用电机5、传送带6和急停开关7；触控屏1置于设备的机箱外壳上，并与控制模块2连接，用于控制设备的通断电和参数输入，如驱动信号的频率和脉宽、脉冲电压、脉冲频率、占空比、平行电极板间距、处理时间；控制模块2还分别与脉冲升压模块3、控制用电机5、传送带6电性连接，控制用电机5为步进电机或伺服电机，传送带6的履带为绝缘材料并具有镂空结构，脉冲升压模块3与平行电极板4使用高压导线电性连接，控制用电机5的输出端与伸缩杆上端连接，伸缩杆下端与平行电极板4的上极板连接，平行电极板4的下极板固定在传送带的上下履带之间，通过控制用电机5的运动调节上下极板的竖直间距，平行电极板4的上极板与下极板相对且平行。

平行电极板4由金属材料铜制成，并封装在聚四氟乙烯板内部，平行电极板4厚度为2mm，聚四氟乙烯板的厚度为10～20mm，平行电极板4的间距调节范围为3～8cm，平行电极板4的等效电容通过以下公式进行估算：

其中，ε₀＝8.854×10^-12F/m，ε_r为包裹极板的电介质的相对介电常数，δ为电介质厚度，S为上极板与下极板之间的正对面积，为d为上极板与下极板之间的空气间距。

如图2所示，控制模块2包括电源、调压器、全桥逆变器、驱动电路、电机驱动器、开关电源、可编程逻辑控制器PLC；电源为220V工频交流电，电源分别与开关电源和调压器电性连接，为开关电源和调压器供电，急停开关7与电源电性连接，用于在紧急情况下直接切断设备的电源；开关电源分别与驱动电路、电机驱动器和可编程逻辑控制器PLC电性连接，可编程逻辑控制器PLC分别与触控屏1、传送带6、调压器、驱动电路、电机驱动器电性连接，电机驱动器与控制用电机5电性连接，调压器和驱动电路均与全桥逆变器电性连接，全桥逆变器电性连接脉冲升压模块3，控制模块2通过可编程逻辑控制器PLC控制协调设备的工作流程，可编程逻辑控制器PLC发送指令调控电机驱动器、调压器和驱动电路，驱动电路产生两个频率40kHz、脉宽10μS的驱动信号驱动全桥逆变器，输出为两个频率范围为50～200Hz、占空比可调、相位相差半个脉冲周期的双极性低压脉冲。

如图3所示，脉冲升压模块3包括第一升压变压器T1和第二升压变压器T2，第一升压变压器T1的次级绕组端依次串联第一倍压电路8和第一升压电阻R1后与平行电极板4的下极板连接，第一升压变压器T1的次级绕组端还依次串联第二倍压电路9和第二升压电阻R2后与平行电极板4的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端依次串联第三倍压电路10和第三升压电阻R3后与平行电极板4的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端还依次串联第四倍压电路11和第四升压电阻R4后与平行电极板4的下极板连接，由控制模块2产生的低压脉冲经脉冲升压模块3升压后，通过高压导线施加在平行电极板4上，最终在极板间区域得到高压脉冲电场。

综合考虑脉冲高压的产生和次级绕组的匝间绝缘，第一升压变压器T1和第二升压变压器T2的输入选用相位差为半个脉冲周期的双极性低压脉冲U1、U2，其峰值经变压器一次升压后达到50kV，再经倍压电路升压至100kV，最终实现在上下极板施加峰值最高达100kV的双极性低频脉冲高压U_up、U_down，且同时刻两者幅值相同、极性相反，因此上下极板的电势差可达200kV。

如图4所示，脉冲周期T0对应的频率为40kHz，脉冲周期T对应的频率为50～200Hz，通过驱动模块可以在50～200Hz的基础上进一步调制信号频率，实现在秒的时间尺度上控制杀菌处理时间，将设备从连续处理模式切换成间歇处理模式。相关研究表明间歇式处理能保障食品温度处在冷加工的范围内，同时能提升杀菌效果。例如，通过驱动模块再施加频率1Hz、占空比0.5的脉冲，能实现每隔0.5s进行时长0.5s的杀菌处理。

如图5所示，低频脉冲高压达到峰值后以指数形式衰减，脉冲上升时间和下降时间越短，产热越少，杀菌效果也更加稳定。该电路脉冲上升时间较短，脉冲下降时间则可通过时间常数τ＝RC进行调节。除了脉冲升压电路自身的等效电容和电阻，平行电极板的等效电容也不能忽略，该等效电容与上下两极板的面积、间距及极板间的电介质材质、厚度相关，其计算公式为

其中，ε₀＝8.854×10^-12F/m，ε_r为包裹极板的电介质的相对介电常数，δ为电介质厚度，S为上极板与下极板之间的正对面积，为d为上极板与下极板之间的空气间距，部分数值见下表。

根据工程经验和预实验结果，极板间距为3～8cm，脉冲频率为50～200Hz时杀菌效果显著。以5cm的极板间距为例，其等效电容约为30pF，此时杀菌设备能可靠拖动的平行电极板的平面尺寸为50cm×50cm。

需要说明的是，利用上述设备进行杀菌的方法：根据具体的食品属性和包装情况，在触控屏上选择合适的脉冲电压、脉冲频率、处理时间和电极板间距。设备启动后将待处理样品放置于传送带一端，送至平行电极板的空间区域后进行一定时长的协同杀菌处理，最后由传送带送至另一端进行二次包装及后续流程。

为了验证本设备的有效性，使用接种了大肠杆菌的培养皿进行研究/杀菌效果实验。具体案例如下：

不同脉冲电场强度/频率对大肠杆菌的消杀效果

上下极板电势差为160kV，即脉冲电场处理电压为160kV时，对移植了大肠杆菌的培养皿进行90s的处理，处理温度约为室温，可获得5个数量级的活菌数减少，灭菌数可达X个log，杀菌率可达99.999％。

原始大肠杆菌数量8.44±0.03LogCFU/ml换电源前：

换电源后：

换电源前，140KV处理2min，大肠杆菌能杀99.9994％，约5个log。

换电源后，140KV处理2min，大肠杆菌能杀44.2667％，约0.3个log，用150KV处理4min大肠杆菌全部杀死。

处理条件：140kV处理240s

试验结果表明不同频率对杀菌效果无影响，140kV处理240s将大肠杆菌全部杀死。

本实用新型的工作原理是：触控屏1输入相关参数后，控制模块2发出指令信号操控传送带6和控制用电机5，进而控制待处理食品的位置和极板间距，随后由控制模块2产生双极性低压脉冲，经脉冲升压模块3升压后施加在平行电极板4上，在极板间区域得到高压脉冲电场并产生冷等离子体，对运送至极板区域内的食品进行协同杀菌处理。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于，包括触控屏(1)、控制模块(2)、脉冲升压模块(3)、平行电极板(4)、控制用电机(5)、传送带(6)和急停开关(7)；所述控制模块(2)分别与触控屏(1)、脉冲升压模块(3)、控制用电机(5)、传送带(6)电性连接，所述脉冲升压模块(3)与平行电极板(4)电性连接，所述控制用电机(5)的输出端与伸缩杆上端连接，所述伸缩杆下端与平行电极板(4)的上极板连接，所述平行电极板(4)的下极板固定在传送带的上下履带之间，平行电极板(4)的上极板与下极板相对且平行；

所述控制模块(2)包括电源、调压器、全桥逆变器、驱动电路、电机驱动器、开关电源、可编程逻辑控制器PLC；所述电源分别与开关电源和调压器电性连接，所述急停开关(7)与电源电性连接；所述开关电源分别与驱动电路、电机驱动器和可编程逻辑控制器PLC电性连接，所述可编程逻辑控制器PLC分别与触控屏(1)、传送带(6)、调压器、驱动电路、电机驱动器电性连接，所述电机驱动器与控制用电机(5)电性连接，所述调压器和驱动电路均与全桥逆变器电性连接，所述全桥逆变器电性连接脉冲升压模块(3)。

2.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述脉冲升压模块(3)包括第一升压变压器T1和第二升压变压器T2，第一升压变压器T1的次级绕组端依次串联第一倍压电路(8)和第一升压电阻R1后与平行电极板(4)的下极板连接，第一升压变压器T1的次级绕组端还依次串联第二倍压电路(9)和第二升压电阻R2后与平行电极板(4)的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端依次串联第三倍压电路(10)和第三升压电阻R3后与平行电极板(4)的上极板连接，第二升压变压器T2的次级绕组端还依次串联第四倍压电路(11)和第四升压电阻R4后与平行电极板(4)的下极板连接。

3.根据权利要求2所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述第一升压变压器T1和第二升压变压器T2的输入为相位差为半个脉冲周期的双极性低压脉冲，脉冲频率调节范围为50～200Hz，所述平行电极板(4)单个极板上脉冲电压的峰峰值最大为100kV。

4.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述平行电极板(4)由金属材料铜制成，并封装在聚四氟乙烯板内部。

5.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述传送带(6)的履带为绝缘材料并具有镂空结构。

6.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述控制模块(2)的电源为220V工频交流电。

7.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述脉冲升压模块(3)与平行电极板(4)之间使用高压导线连接。

8.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述平行电极板(4)的间距调节范围为3～8cm。

9.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述平行电极板(4)的等效电容通过以下公式进行估算：

其中，ε₀＝8.854×10^-12F/m，ε_r为包裹极板的电介质的相对介电常数，δ为电介质厚度，S为上极板与下极板之间的正对面积，为d为上极板与下极板之间的空气间距。

10.根据权利要求1所述的一种低频高压脉冲电场协同冷等离子体的食品杀菌设备，其特征在于：所述控制用电机(5)为步进电机或伺服电机。

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