專利名稱：高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低熱滅菌技術(shù)裝置，更詳細(xì)地是一種利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)食品、藥物及化工原料等進(jìn)行快速低熱滅菌的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法。
本發(fā)明還涉及根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置。
滅菌是食品、生物、化工、制藥等行業(yè)至關(guān)重要的工序，十九世紀(jì)中葉法國(guó)科學(xué)家巴斯德發(fā)現(xiàn)發(fā)酵和腐敗都是微生物所為，并創(chuàng)立了巴氏消毒法，導(dǎo)致了人類社會(huì)的深刻變化，這是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展的重要里程碑，其影響波及到人類生活的各方各面，自此以后，人們?cè)谖⑸飳W(xué)方面開展了大量研究，而滅菌一直是核心內(nèi)容之一。人們研究的滅菌方法可分為化學(xué)法和物理法二種，化學(xué)法是在處理對(duì)象中加入化學(xué)物質(zhì)，殺滅或抑制微生物生長(zhǎng)，達(dá)到防腐保鮮的目的，這種方法對(duì)要求不高且無須食用的產(chǎn)品比較實(shí)用，但在食品和藥物中大量加入會(huì)危及人體健康，其長(zhǎng)時(shí)間殘留是最大的弊病。物理法是采用各種物理手段進(jìn)行滅菌，主要有熱滅菌法、膜濾法、微波法、鈷60γ射線輻照法、高壓法、強(qiáng)光法等。
這些常規(guī)方法有諸多不足(1)熱滅菌法需要加熱，耗能，耗時(shí)，易破壞食品風(fēng)味和形態(tài)，并帶來副產(chǎn)物；(2)化學(xué)消毒劑僅限于對(duì)環(huán)境、器皿等消毒，不能直接作用于食品上；(3)紫外線穿透力很弱，只對(duì)表面消毒有效；(4)微波滅菌高效實(shí)用，但也升溫很高，其滅菌機(jī)理仍是熱作用；(5)而鈷60γ射線殘留大，對(duì)食品損傷也大；(6)膜濾法成本高，易堵塞膜孔，高壓強(qiáng)法設(shè)備龐大，應(yīng)用不方便；(7)由于二次染菌嚴(yán)重，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)連續(xù)發(fā)酵工業(yè)的滅菌更是無能為力。
在食品行業(yè)，各種液態(tài)食品的保鮮問題是困擾行業(yè)發(fā)展的老大難問題，首當(dāng)其沖的是奶制品，如豆奶、牛奶、酸奶等，鮮奶采用巴氏滅菌，條件溫和但滅菌不徹底，風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)保持好，但儲(chǔ)存期以小時(shí)計(jì)算，冷凍保藏一般最長(zhǎng)不會(huì)超過72小時(shí)；陳奶采用利樂包裝，進(jìn)行高溫瞬時(shí)滅菌，其貨價(jià)期可以達(dá)到6個(gè)月，但風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)已大為損害。對(duì)于醬油等調(diào)味品的滅菌，其升溫至85℃、保持30min的過程使生產(chǎn)效率大為降低，其風(fēng)味品質(zhì)等也受到影響，二次沉淀大量增加。對(duì)于啤酒的滅菌，現(xiàn)國(guó)內(nèi)各大啤酒集團(tuán)如珠啤、青島等已采用膜濾法取代傳統(tǒng)工藝，但膜濾法仍有諸多弊端，國(guó)外已有采用高壓脈沖電場(chǎng)滅菌法取代膜濾。
在生物、制藥行業(yè)，由于許多藥物具有特殊的活性和熱敏性使得對(duì)其滅菌十分麻煩，特別是現(xiàn)在涌現(xiàn)出來的種種營(yíng)養(yǎng)保健品，對(duì)滅菌的要求更高。隨著人們生活水平的提高，對(duì)食物的衛(wèi)生和安全性要求越來越高，傳統(tǒng)的滅菌標(biāo)準(zhǔn)和方法已難以滿足需要，由于滅菌技術(shù)的落后直接導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量低劣和競(jìng)爭(zhēng)力低下，滅菌技術(shù)已經(jīng)成為嚴(yán)重制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，新型滅菌技術(shù)的開發(fā)和廣泛推廣勢(shì)在必然。
本發(fā)明專利的目的在于針對(duì)現(xiàn)有滅菌的缺點(diǎn)，提供一種高效實(shí)用的非熱滅菌的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法。
本發(fā)明的目的還在于提供一種根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置。
本發(fā)明的滅菌方法利用高壓脈沖電場(chǎng)滅菌，在滅菌過程中產(chǎn)熱少，滅菌對(duì)象升溫小，微生物的致死機(jī)理不在于熱力作用，而在于將待滅菌物質(zhì)通過高壓脈沖電磁場(chǎng)，微生物在極短時(shí)間內(nèi)受強(qiáng)電磁場(chǎng)力作用后，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)由于細(xì)胞膜之間的電位差而被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞膜不可逆穿孔極化，菌體死亡。
本發(fā)明滅菌方法是在下列條件下進(jìn)行滅菌采用脈沖電壓形式的電場(chǎng)，電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為5-100kV/cm，脈沖寬度在0.1-500微秒之間，脈沖頻率可在1-30kHz之間，控制滅菌后物料升溫幅度為0-30℃，物料接受脈沖處理總時(shí)間為100微秒-10分鐘。
控制滅菌后物料升溫可以采取對(duì)處理系統(tǒng)循環(huán)冷卻方法。
對(duì)物料的滅菌處理可以是間歇式的靜態(tài)處理，也可以是連續(xù)流的動(dòng)態(tài)處理。
脈沖波形可以為平方波、指數(shù)衰減波、鐘形波、正弦波、鋸齒波或其他波形。可以為單極脈沖，也可以是雙極脈沖。
滅菌效果可達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置主要由高壓脈沖電發(fā)生裝置、參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置、屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置、高壓脈沖電場(chǎng)處理室組成。
必要時(shí)，可以使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)收集到的各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
高壓脈沖發(fā)生裝置由穩(wěn)壓器、脈沖源、高電壓脈沖發(fā)生器連接而成，脈沖源可以調(diào)節(jié)波形、脈沖寬度和脈沖頻率。
參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置由攝像機(jī)、數(shù)字脈沖示波器、數(shù)字溫控儀及時(shí)間繼電器等組成，示波器可以檢測(cè)到電壓幅值、波形、脈沖寬度和脈沖頻率等，時(shí)間繼電器用于準(zhǔn)確計(jì)算總處理時(shí)間。物料接受到的脈沖處理時(shí)間由脈沖寬度、脈沖頻率和處理時(shí)間(脈沖個(gè)數(shù))決定。
屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置由熱紅外檢測(cè)儀、過熱自動(dòng)斷電裝置和過電流自動(dòng)斷電裝置和電磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)組成。
脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)由電極板、絕緣板、處理室、進(jìn)料口、出料口、物料脫氣裝置、流量控制裝置、地線網(wǎng)和電極冷卻系統(tǒng)組成。
工作時(shí)，先將各部分線路連接好，開啟示波器、計(jì)算機(jī)及攝象機(jī)等顯示裝置，將脈沖電壓幅值逐步調(diào)高到預(yù)定值，并調(diào)節(jié)好脈沖寬度和脈沖頻率，開啟電極冷卻系統(tǒng)并將冷卻液調(diào)至預(yù)定溫度，設(shè)定好處理時(shí)間，各參數(shù)在計(jì)算機(jī)上顯示正常時(shí)，將待處理液態(tài)物料在脫氣裝置中進(jìn)行脫氣，然后進(jìn)入進(jìn)料口進(jìn)行滅菌處理，滅菌后的物料從出料口出來，然后進(jìn)行無菌包裝即得滅菌后的成品。
若物料在通過強(qiáng)脈沖電場(chǎng)接受處理時(shí)不發(fā)生放電，自動(dòng)斷電裝置不會(huì)斷電，系統(tǒng)能正常運(yùn)行時(shí)，可不必對(duì)物料進(jìn)行脫氣。
對(duì)不同的待處理物料，因其有不同的成分含量和待滅菌的微生物種類及數(shù)量，本發(fā)明裝置的脈沖電壓幅值、波形、脈沖寬度及脈沖頻率和處理時(shí)間(脈沖次數(shù))都要作相應(yīng)調(diào)整。
電處理室可以對(duì)物料連續(xù)滅菌，也可以間歇操作。
電極板為光滑的表面拋光的金屬板，表面可電鍍金、銀、鉑等惰性金屬，也可為石墨電極，電極周圍澆注有絕緣材料以避免待處理物料與電極直接接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電極面向處理室一側(cè)的絕緣材料厚度不宜太厚，否則電場(chǎng)損耗很大，本裝置為1mm，絕緣材料為高絕緣的材料，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。
電極板背向處理室一側(cè)有冷卻系統(tǒng)環(huán)繞，冷卻液一般為水，其溫度可調(diào)，其作用在于對(duì)電極及處理室進(jìn)行冷卻以保證非熱滅菌，待處理物料被滅菌后基本不升溫或升溫很小(升溫在30℃以下)。
整個(gè)電處理系統(tǒng)處于一個(gè)屏蔽系統(tǒng)中，工作時(shí)電極之間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)被屏蔽以保證操作人員及周圍環(huán)境的安全性。
裝置中還安裝有四個(gè)監(jiān)控裝置。其一是過電流保護(hù)裝置，如處理室或電路中的其它部分出現(xiàn)放電現(xiàn)象，電流在瞬間超過安全值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電并關(guān)閉，需要排除故障后重新操作；其二是熱紅外檢測(cè)裝置，在電極附近或其它危險(xiǎn)區(qū)域安裝有熱紅外檢測(cè)儀，若有操作人員不慎靠近該部位，將有安全隱患時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)到這一情況并發(fā)出警報(bào)；其三是過熱檢測(cè)裝置，當(dāng)電處理室中升溫很高，冷卻不充分時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到溫度的變化并發(fā)出警報(bào)；其四是安裝攝像頭對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
所有檢測(cè)到的數(shù)據(jù)都將在操作電腦上顯示出來，所有參數(shù)的調(diào)控也完全可以在電腦上操作。這些數(shù)據(jù)包括工作電壓，電流，脈沖波形，脈沖寬度，脈沖頻率，脈沖次數(shù)，處理時(shí)間，物料流速，物料溫度，冷卻液溫度及通過攝像得到的系統(tǒng)工作狀態(tài)等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下獨(dú)到優(yōu)點(diǎn)1)效果好，當(dāng)初始菌液的含量在8個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，一般能達(dá)到滅菌6個(gè)數(shù)量級(jí)以上的效果；2)時(shí)間短，滅菌速度以秒計(jì)算；3)處理均勻；4)產(chǎn)熱少，副產(chǎn)物少，對(duì)食品的化學(xué)成分、外觀及風(fēng)味等基本無影響；5)耗能小，對(duì)環(huán)境無污染；6)能對(duì)已包裝的物品滅菌，減少了二次染菌，大大提高了滅菌效果。


圖1是本發(fā)明高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是圖1中高壓脈沖電場(chǎng)處理室結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的敘述。
實(shí)施例如圖1和圖2所示，本發(fā)明的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置由高壓脈沖發(fā)生裝置1，參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置2，自動(dòng)保護(hù)裝置3，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4和高壓脈沖處理室5組成。
高壓脈沖發(fā)生裝置由穩(wěn)壓器將市電穩(wěn)壓后輸給脈沖源，產(chǎn)生一定要求的波形、脈沖寬度和脈沖頻率的脈沖后，經(jīng)高電壓發(fā)生器產(chǎn)生脈沖高電壓，本裝置可選波形為指數(shù)衰減波、平方波、正弦波和鋸齒波，脈沖源可以調(diào)節(jié)波形、脈沖寬度和脈沖頻率；參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置由攝像機(jī)、數(shù)字脈沖示波器、數(shù)字溫控儀及數(shù)顯頻率儀等組成，將收集到的數(shù)據(jù)輸送給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)，各種傳感器及其操作軟件組成，對(duì)收集到的各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置由熱紅外檢測(cè)儀、過熱自動(dòng)斷電裝置和過電流自動(dòng)斷電裝置組成。
脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)5由物料脫氣裝置5(1)、屏蔽保護(hù)網(wǎng)5(2)、絕緣板5(3)、高壓線5(4)、電極板冷卻裝置5(5)、電極板5(6)、處理室5(7)、進(jìn)料口5(9)、出料口5(8)和地線網(wǎng)5(10)組成。
施加在兩電極板之間的脈沖電壓幅值最高可達(dá)40kV，兩電極板之間的距離最短可達(dá)0.5cm，即施加在兩電極板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度最大可達(dá)80kV/cm，脈沖寬度在1-200□s之間可調(diào)，本實(shí)施例選用10□s作試驗(yàn)，脈沖頻率可在1-30kHz之間可調(diào)，也可控制單個(gè)脈沖發(fā)生，本實(shí)施例采用100Hz的脈沖發(fā)生頻率，即每秒鐘產(chǎn)生100個(gè)脈沖，每脈沖持續(xù)時(shí)間10□s，脈沖之間的間歇時(shí)間為9990□s。脈沖形狀可以為指數(shù)衰減形式、平方波、正弦波及鋸齒波等，本實(shí)驗(yàn)選用指數(shù)衰減波。
電極板材料可為導(dǎo)電良好的金屬，本實(shí)施例為鈦金板；電極形狀可為板狀—板狀，板—棒狀等等，本實(shí)施例為圓盤板狀—圓盤狀，直徑20cm，絕緣材料為聚四氟乙烯。
如若在處理過程中產(chǎn)生大量熱量，則電極板需要冷卻以保證非熱滅菌，若對(duì)某些食品處理時(shí)產(chǎn)熱少可不進(jìn)行冷卻，本實(shí)施例采用水為冷卻液，溫度控制在25℃。
本實(shí)施例以對(duì)懸浮在磷酸緩沖液中大腸桿菌的滅菌為處理對(duì)象。未處理的大腸桿菌的細(xì)菌含量為108cfu/ml，在40kV/cm的脈沖強(qiáng)度，脈沖寬度為10□s的指數(shù)衰減波1000個(gè)脈沖處理后(當(dāng)脈沖頻率為100Hz時(shí)，處理10秒鐘)，緩沖液中的活大腸桿菌含量減少為100cfu/ml。處理液的升溫小于3℃。達(dá)到了較為理想的非熱滅菌效果。
權(quán)利要求
1.一種高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法，其特征在于利用高壓脈沖電場(chǎng)滅菌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法，其特征在于在下列條件下進(jìn)行滅菌采用脈沖電壓形式的電場(chǎng)，電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為5-100kV/cm，脈沖寬度在0.1-500微秒之間，脈沖頻率可在1-30kHz之間，控制滅菌后物料升溫幅度為0-30℃，物料接受脈沖處理總時(shí)間為100微秒-10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法，其特征在于脈沖波形可以為平方波、指數(shù)衰減波、鐘形波、正弦波、鋸齒波或其他波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法設(shè)計(jì)的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于由高壓脈沖電發(fā)生裝置、參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置、屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置、高壓脈沖電場(chǎng)處理室組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于還包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于高壓脈沖發(fā)生裝置由穩(wěn)壓器、脈沖源、高電壓脈沖發(fā)生器連接而成，脈沖源可以調(diào)節(jié)波形、脈沖寬度和脈沖頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置由攝像機(jī)、數(shù)字脈沖示波器、數(shù)字溫控儀及時(shí)間繼電器組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置由熱紅外檢測(cè)儀、過熱自動(dòng)斷電裝置和過電流自動(dòng)斷電裝置和電磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，其特征在于脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)由電極板、絕緣板、處理室、進(jìn)料口、出料口、物料脫氣裝置、流量控制裝置、地線網(wǎng)和電極冷卻系統(tǒng)組成。
全文摘要
一種高壓脈沖電場(chǎng)滅菌方法是利用高壓脈沖電場(chǎng)滅菌,根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的裝置主要由高壓脈沖電發(fā)生裝置、參數(shù)測(cè)量、顯示及調(diào)控裝置、屏蔽及自動(dòng)保護(hù)裝置、高壓脈沖電場(chǎng)處理室組成;本發(fā)明利用高壓脈沖電場(chǎng)滅菌,在滅菌過程中產(chǎn)熱少,滅菌對(duì)象升溫小,微生物的致死機(jī)理不在于熱力作用,而在于將待滅菌物質(zhì)通過高壓脈沖電磁場(chǎng),微生物在極短時(shí)間內(nèi)受強(qiáng)電磁場(chǎng)力作用后,其細(xì)胞結(jié)構(gòu)由于細(xì)胞膜之間的電位差而被破壞,導(dǎo)致細(xì)胞膜不可逆穿孔極化,菌體死亡。
文檔編號(hào)A23L3/00GK1354018SQ0113006
公開日2002年6月19日 申請(qǐng)日期2001年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月12日
發(fā)明者曾新安, 扶雄, 于淑娟, 張本山 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)