一种使用高压脉冲电场处理农产品的灭菌方法及系统与流程

本发明属于电子
技术领域：
，具体是涉及一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法及系统。
背景技术：
：目前，随着生活水平与卫生意识的不断提高，人们的抗菌消毒观念越来越强，尤其是对谷物、蔬菜、水果等农产品的质量要求越来越高。由于病害和虫害抗药性的增强，农产品中常带有病原微生物或寄生虫虫卵，直接食用后必将严重影响健康。因此，对蔬菜、水果进行清洗、消毒非常重要。目前，农产品工业中采用的传统加工技术如蒸煮、巴氏杀菌、腌制、微波等处理农产品的方法及系统对农产品的组织结构、感官性状和营养成分有很大的破坏性，食品中的天然色、香、味和营养成份，使被处理后的食品不能保持原来的风味，农产品原有的品质和营养价值损失很大。随着人们消费观的变化，利用这些加工技术生产出的食品已越来越不能满足消费者的要求。所以急需一种能够保存食物原有品质的高效处理农产品的灭菌方法，来取代现有的传统的灭菌方法。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供根据权利要求1所述的一种使用高压脉冲电场处理农产品的灭菌方法，可以对农产品中进行灭菌，且处理时间短、能耗低，有效地保护了食品的营养成分和天然的色香味等特征。本发明的技术方案如下：第一方面，本发明提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法，包括以下步骤：步骤S1：将待处理农产品置于高压脉冲电场处理农产品的系统的高压脉冲处理室中；步骤S2：根据农产品的类型获取高压脉冲电场的脉冲输出电压；调节高压脉冲电场的脉冲宽度和脉冲频率，使农产品充分处理；步骤S3：将处理后的农产品进行冷却。进一步地，所述步骤S2包括：步骤S21：将220V/50HZ的工频交流电通过脉冲升压变压模块将电压提升至处理农产品所需的高电压；步骤S22：对输入的工频交流电进行桥式整流，获得直流高电压；步骤S23：将获得的直流高电压，对第一脉冲电容C1充电；步骤S24：通过IGBT驱动单元控制第一IGBT电子开关以及第二IGBT电子开关交替通断获得脉冲高电压；并利用第二脉冲电容C2以及第三脉冲电容C3将所述脉冲高电压释放到待处理农产品上。进一步地，所述步骤S24包括：调试IGBT驱动单元的驱动信号频率和脉冲宽度；控制IGBT驱动单元提供正向和反向输出电压，使第一IGBT电子开关以及第二IGBT电子开关交替的导通和关断分别获取两路输出波型相位相差180°的脉冲高电压；使第一IGBT电子开关与第二脉冲电容C2相连，通过IGBT驱动单元控制第一IGBT电子开关导通和关断，利用第二脉冲电容C2的充电和放电将一路脉冲高电压释放到待处理农产品上；使第二IGBT电子开关与第三脉冲电容C3相连，通过IGBT驱动单元控制第二IGBT电子开关导通和关断，利用第三脉冲电容C3的充电和放电将一路脉冲高电压释放到待处理农产品上。本发明提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法，可以有效地对农产品进行灭菌处理，且处理时间短、能耗低，有效地保护了食品的营养成分和天然的色香味等特征。灭菌效果好，经过脉冲电场处理后，食品中的酶类和微生物存活率几乎为零。能耗低，高压脉冲电场灭菌技术消耗的能量为用热力灭菌的40％左右。食品的营养成分不被破坏，而且风味效果好，经过高压脉冲电场灭菌处理后更能有效地保存食品中的营养成分(如蛋白质和维生素)。灭菌速度快，高压脉冲电场灭菌可以在微秒级的时间里完成整个处理过程，而巴士杀菌的灭菌时间至少为10秒以上。灭菌后易处理，脉冲电场处理后，食品温升变化不大，较利于食品的保鲜。无环境二次污染及三废问题。第二方面，本发明提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统，包括脉冲发生模块、脉冲升压变压模块以及高压脉冲处理室；所述脉冲发生模块连接至脉冲升压变压模块，所述脉冲升压变压模块连接至高压脉冲处理室；所述脉冲发生模块用于产生交变的脉冲电压，其包括整流单元以及滤波单元以及逆变单元；所述逆变单元包括IGBT驱动单元以及IGBT电子开关；所述整流单元包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3组成的全桥整流电路，其用于完成对220V/50HZ的交流电的全桥整流；所述滤波单元包括脉冲电容，其用于对经全桥整流后得到的直流电进行滤波；所述脉冲升压变压模块用于将交变的脉冲电压转换成处理农产品所需的高压脉冲，其包括工频变压器以及桥式整流网络；所述高压脉冲处理室用于将接收来自于脉冲电容的高压脉冲电场，并将其作用于放置在所述高压脉冲处理室内的待处理农产品。进一步地，所述脉冲升压变压模块还包括限流电阻，所述限流电阻与脉冲电容相连，其用于稳定所述脉冲升压变压模块的电流。进一步地，所述的IGBT电子开关包括第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关；所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关并联连接，并分别连接至高压脉冲处理室；所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关用于通过其闭合的瞬间将所述脉冲电容的储存的电能释放在所述高压脉冲处理室中，并在所述高压脉冲处理室中形成高压脉冲电场作用于所述待处理农产品。进一步地，所述脉冲电容包括第一脉冲电容C1、第二脉冲电容C2、第三脉冲电容C3，所述第一脉冲电容C1用于接收并储存经全桥整流后的工频高电压，并通过IGBT电子开关分别对第二脉冲电容C2以及第三脉冲电容C3进行充电；所述第二脉冲电容C2通过第一IGBT电子开关连接至高压脉冲处理室，所述第三脉冲电容C3通过第二IGBT电子开关连接至高压脉冲处理室，所述第二脉冲电容C2与第三脉冲电容C3通过第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关的交替导通分别向高压脉冲处理室进行充电和放电操作。进一步地，所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关分别连接至所述IGBT驱动单元；所述IGBT驱动单元用于提供正向和反向的驱动电压，控制所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关分时开通和闭合，输出两路频率、脉冲宽度可调的双极性高压脉冲。进一步地，所述限流电阻包括第一限流电阻R1与第二限流电阻R2，所述第一限流电阻R1与第一限流电阻R2分别连接至第一脉冲电容C1，其用于稳定脉冲升压变压模块中的电压和电流。进一步地，所述高压脉冲处理室与第二脉冲电容C2、第一IGBT电子开关组成第一回路，且与第三脉冲电容C3、第二IGBT电子开关组成第二回路；当第一IGBT电子开关导通时，第二IGBT电子开关断开，所述第二脉冲电容C2经第一回路向高压脉冲处理室放电；当第二IGBT电子开关导通时，第一IGBT电子开关断开，所述第三脉冲电容C3经第二回路向高压脉冲处理室放电。本发明提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统，利用IGBT电子开关以及脉冲电容产生的双极性高压脉冲释放在高压脉冲处理室内，作用于待处理农产品。所述系统驱动功率小、开关速度快。本系统的IGBT控制单元可提供正向和反向两种输出电压，使IGBT电子开关可靠地导通和关断，正向输出电压有较陡的上升沿，反向输出电压由较陡的下降沿，使IGBT电子开关的使用寿命延长，输入输出延迟时间小。其产生的相差180°输出相位的双极性高压脉冲可以有效地对农产品进行杀菌，其效果远高于普通的单极性脉冲波，且处理时间短、杀菌效果好、能耗低，有效地保护了农产品的的营养成分和天然的色香味等特征。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1示出了本发明实施例提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法的流程图；图2示出了本发明实施例提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统的结构图；图3示出了本发明实施例提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统的电路图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明的一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法及系统做进一步说明：参见附图1所示，本发明实施例提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法，包括如下步骤：步骤S1：将待处理农产品置于高压脉冲电场处理农产品的系统的高压脉冲处理室中；步骤S2：根据农产品的类型获取高压脉冲电场的脉冲输出电压；调节高压脉冲电场的脉冲宽度和脉冲频率，使农产品充分处理；步骤S3：将处理后的农产品进行冷却。本实施例中，所述步骤S2包括：步骤S21：将220V/50HZ的工频交流电通过脉冲升压变压模块将电压提升至处理农产品所需的高电压；步骤S22：对输入的工频交流电进行桥式整流，获得直流高电压；步骤S23：将获得的直流高电压，对第一脉冲电容C1充电；步骤S24：通过IGBT驱动单元控制第一IGBT电子开关以及第二IGBT电子开关交替通断获得脉冲高电压；并利用第二脉冲电容C2以及第三脉冲电容C3将所述脉冲高电压释放到待处理农产品上。本实施例中将电网输入的工频220V交流电经整流后变成低压直流电，利用IGBT电子开关以及全桥整流电路在触发脉冲的作用下交替导通，形成交变的脉冲电压，在经脉冲升压变压模块的升压后，输出高频脉冲电压。利用脉冲电容充放电的方法得到高电压脉冲，可以得到极陡的脉冲前沿，在IGBT开关闭合的瞬间脉冲电容即可瞬时向待处理农产品形成高电压脉冲电场，起到灭菌作用。本实施例中，所述步骤S24包括：调试IGBT驱动单元的驱动信号频率和脉冲宽度；控制IGBT驱动单元提供正向和反向输出电压，使第一IGBT电子开关以及第二IGBT电子开关交替的导通和关断分别获取两路输出波型相位相差180°的脉冲高电压；使第一IGBT电子开关与第二脉冲电容C2相连，通过IGBT驱动单元控制第一IGBT电子开关导通和关断，利用第二脉冲电容C2的充电和放电将一路脉冲高电压释放到待处理农产品上；使第二IGBT电子开关与第三脉冲电容C3相连，通过IGBT驱动单元控制第二IGBT电子开关导通和关断，利用第三脉冲电容C3的充电和放电将一路脉冲高电压释放到待处理农产品上。本实施例中，向待处理农产品提供的高压脉冲为接近于矩形波的双方向高压脉冲，此种脉冲波型在类似其他波型中(如指数衰减波、震荡波)对微生物的致死率更强，且能量利用率高。本实施例中，利用本发明提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法分别对豆芽、大米、绿豆等三类农产品进行处理实验，调整高压脉冲电场的电压，对本发明实施例的灭菌效果进行检测。其效果如表1所示。其灭菌效果用残活率来表示，残活率可用公式lgS＝lg(N/N0)表示。其中NO为脉冲电场处理前的细菌总数，N为脉冲电场处理后的细菌总数。脉冲电压/频率1KV/50HZ2KV/50HZ3KV/50HZ大米-0.3-0.89-1.89豆芽-0.23-0.78-1.23绿豆-0.31-0.73-1.14表1由表1的实验结果可见，在其他参数不变的情况下提升脉冲电场强度，其细菌残活率降低，灭菌效果提高。进一步地，本实施例中，调整高压脉冲电场的频率，对本发明实施例的灭菌效果进行检测。其效果如表2所示。脉冲电压/频率1KV/50HZ1KV/80HZ1KV/120HZ大米-0.3-0.53-0.78豆芽-0.23-0.48-0.83绿豆-0.31-0.56-1.04表2由表2的实验结果可见，在其他参数不变的情况下提升脉冲电场的频率，其细菌残活率降低，灭菌效果提高。进一步地，本实施例中，调整第二脉冲电容C2及第三脉冲电容C3的大小，对本发明实施例的灭菌效果进行检测。其效果如表3所示。脉冲电容0.5μF1μF1.5μF大米-0.3-0.78-1.32豆芽-0.23-0.67-1.15绿豆-0.31-0.89-1.36表3由表3的实验结果可见，在其他参数不变的情况下提升第二脉冲电容C2及第三脉冲电容C3的大小，其细菌残活率降低，灭菌效果提高。这是因为通过增大第二脉冲电容C2及第三脉冲电容C3的容量，使作用在高压脉冲处理室的高压脉冲的脉宽增大，因此提升了灭菌效果。通过表1、表2以及表3的实验结果可见，本发明提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法，可以通过调节高压脉冲电场的电压、频率以及脉宽，有效地对农产品进行灭菌处理，且处理时间短、能耗低，有效地保护了食品的营养成分和天然的色香味等特征。其灭菌效果好，经过脉冲电场处理后，食品中的微生物存活率几乎为零。参见附图2和附图3所示，本发明实施例提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统，本发明提供了一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统，包括脉冲发生模块、脉冲升压变压模块以及高压脉冲处理室；所述脉冲发生模块包括IGBT驱动单元、IGBT电子开关以及脉冲电容；所述脉冲发生模块连接至脉冲升压变压模块，所述脉冲升压变压模块连接至高压脉冲处理室；所述脉冲发生模块用于产生交变的脉冲电压输出；其包括整流单元、滤波单元以及逆变单元；所述脉冲升压变压模块用于将交变的脉冲电压转换成处理农产品所需的高压脉冲，其包括工频变压器以及桥式整流网络；所述高压脉冲处理室用于将接收来自于脉冲电容的高压脉冲电场，并将其作用于放置在所述高压脉冲处理室内的待处理农产品。本实施例中，所述脉冲升压变压模块还包括限流电阻，所述限流电阻与脉冲电容相连，其用于稳定所述脉冲升压变压模块的电流。本实施例中，所述的IGBT电子开关包括第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关；所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关并联连接，并分别连接至高压脉冲处理室；所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关用于通过其闭合的瞬间将所述脉冲电容的储存的电能释放在所述高压脉冲处理室中，并在所述高压脉冲处理室中形成高压脉冲电场作用于所述待处理农产品。本实施例中，所述脉冲电容包括第一脉冲电容C1、第二脉冲电容C2、第三脉冲电容C3，所述第一脉冲电容C1用于接收并储存经全桥整流后的工频高电压，并通过IGBT电子开关分别对第二脉冲电容C2以及第三脉冲电容C3进行充电；所述第二脉冲电容C2通过第一IGBT电子开关连接至高压脉冲处理室，所述第三脉冲电容C3通过第二IGBT电子开关连接至高压脉冲处理室，所述第二脉冲电容C2与第三脉冲电容C3通过第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关的交替导通分别向高压脉冲处理室进行充电和放电操作。本实施例中，所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关分别连接至所述IGBT驱动单元；所述IGBT驱动单元用于提供正向和反向的驱动电压，控制所述第一IGBT电子开关与第二IGBT电子开关分时开通和闭合，输出两路频率、脉冲宽度可调的双极性高压脉冲。本实施例中所述的IGBT驱动单元采用SCALE系列的2S315A-33芯片，该芯片可应用于耐压3300V的IGBT电子开关，其包括两路IGBT驱动电路，可用于驱动两路IGBT电子开关。其中每路IGBT电子开关受两路信号独立控制。其输出信号的频率可调范围是50HZ至300HZ，脉冲宽度为5μs至20μs。本实施例中提供的双极性高压脉冲可是带电荷的分子运动产生交替变化，加快细胞膜的破裂导致微生物的失活，效果比单极性高压脉冲好。本实施例中，所述限流电阻包括第一限流电阻R1与第二限流电阻R2，所述第一限流电阻R1与第一限流电阻R2分别连接至第一脉冲电容C1，其用于稳定脉冲升压变压模块中的电压和电流。本实施例中，所述高压脉冲处理室与第二脉冲电容C2、第一IGBT电子开关组成第一回路，且与第三脉冲电容C3、第二IGBT电子开关组成第二回路；当第一IGBT电子开关导通时，第二IGBT电子开关断开，所述第二脉冲电容C2经第一回路向高压脉冲处理室放电；当第二IGBT电子开关导通时，第一IGBT电子开关断开，所述第三脉冲电容C3经第二回路向高压脉冲处理室放电。本实施例中第一脉冲电容选择40KV/5μF,第二脉冲电容的参数选择30KV/1μF，第三脉冲电容的参数选择30KV/1μF。本实施例中提供的第二脉冲电容和第三脉冲电容的交替放电，可对高压脉冲处理室释放前沿陡、脉宽窄的双极性高压脉冲电压。本发明提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的系统可以有效地对农产品进行灭菌处理，且处理时间短、能耗低，例如蔬菜、水果、肉类、谷物均可用本发明实施例提供的方法及系统进行处理。使用本发明实施例提供的一种使用高压脉冲电场处理农产品的方法及系统有效地保护了食品的营养成分和天然的色香味等特征。灭菌效果好，经过脉冲电场处理后，食品中的酶类和微生物存活率几乎为零。本发明实施例提供的使用高压脉冲电场处理农产品的系统能耗低，高压脉冲电场灭菌技术消耗的能量为用热力灭菌的40％左右。食品的营养成分不被破坏，而且风味效果好，经过高压脉冲电场灭菌处理后更能有效地保存食品中的营养成分(如蛋白质和维生素)。灭菌速度快，高压脉冲电场灭菌可以在微秒级的时间里完成整个处理过程，而巴士杀菌的灭菌时间至少为10秒以上。灭菌后易处理，脉冲电场处理后，食品温升变化不大，较利于食品的保鲜。无环境二次污染及三废问题。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。当前第1页1 2 3