一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置、电源电路及控制方法与流程

本发明涉及冷杀菌技术领域，具体是一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置、电源电路及控制方法。

背景技术：

目前市场上存在着巴氏杀菌、欧姆杀菌等多种杀菌方式，这些杀菌方式主要是基于微生物对于温度的耐受性差异，通过温度变化达到杀菌目的。这些杀菌方式中，有的因微生物对温度的存活温度不同，在杀菌后会有部分残留；有的杀菌方式因为温度过高，导致食品的风味改变、质地变软、色泽暗淡、维生素损失。冷杀菌技术作为一种新型的食品杀菌技术，引起越来越多的关注，并得到了较为广泛的应用。为了弥补热力杀菌的不足，满足人们的需求，一些对食品品质影响小，并且可以迅速而有效的杀死存在于食品中的有害微生物、节省能源、提高食品营养和感官质量、达到产品指标要求的冷杀菌技术应运而生。目前冷杀菌技术主要有超高压杀菌、化学杀菌、紫外线杀菌、膜过滤法杀菌、微波杀菌、生物防腐技术等。

这些杀菌方法主要存在以下不足：(1)热力杀菌法需要对物体加热，耗能、耗时、易破坏食品风味、形态及营养特性，并带来副作用；(2)超高压杀菌间歇操作，设备庞大，应用不方便，很难做到大批量处理；(3)膜过滤法成本高，膜孔易堵塞，对车间的卫生要求高；(4)紫外线穿透力弱，仅适用于空气、水、薄层流体制品及包装容器表面的杀菌；(5)脉冲强光能杀死大部分微生物，但只能用于食品表面的杀菌；(6)辐射法方便快捷，可先包装后杀菌，但这种方法对人体有损害作用，应用受到了限制；(7)化学法处理后有残留，尤其对于食品，会造成污染，已被禁止；(8)微波杀菌高效实用，但温升高其杀菌机理仍然是热作用；(9)臭氧法具有杀菌力强、作用时间短、杀菌彻底、无残留等优点，但附属设备较大、投资大、电耗大、尾气处理不好易造成空气污染。

高压脉冲电场是最具工业发展前景的非热杀菌技术之一，高压脉冲电场的杀菌机理是利用高压脉冲电源产生的脉冲电场进行杀菌，用瞬时、高压处理放置在两电极之间的冷处理食品。脉冲电场首次被证明对微生物具有破坏力是在20世纪60年代，saleandhamilton等学者率先对高压脉冲电源杀菌技术进行了研究，他们证明电场强度达到25kv/cm会使一些细菌死亡，并且证明了脉冲杀菌作用并非电解产物也非热力学原因，证明了该技术的非热效应。传统的加热杀菌对食品营养及功能性具有一定的破坏，而能够满足人们对食品营养、风味、理化性质等要求的高压脉冲电场杀菌技术备受关注。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置、电源电路及控制方法，解决现有冷杀菌技术使用不方便、杀菌效果不好、易造成污染等问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置，该装置包括绝缘外壳、阳极和阴极，所述绝缘外壳上设有介质入口和介质出口，所述阳极和阴极设在绝缘外壳内，阳极与阴极之间形成电极腔，从介质入口进入的介质经过电极腔后从介质出口送出，所述阳极接入高压脉冲电源，所述阴极接地。

进一步的，所述阴极为空心柱状体，所述阳极与阴极同轴，所述绝缘外壳包裹住阳极和阴极，所述阴极在对应介质入口和介质出口处各开一通孔。

进一步的，所述阳极包括高压接线端和阳极本体，所述阳极本体为空心柱状体，所述高压接线端的一端连接阳极本体、另一端穿出绝缘外壳。

进一步的，所述阳极和阴极均由不锈钢材质制成。

进一步的，绝缘外壳与阳极、绝缘外壳与阴极的连接处设置密封构件。

进一步的，所述介质入口设在绝缘外壳的下端，介质出口设在绝缘外壳的上端，介质入口和介质出口在绝缘外壳上竖向错开。

一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置的电源电路，该电路包括低压处理单元、高压变压器和高压脉冲发生器，外接电源经低压处理单元整流、逆变、调压后送入高压变压器，经高压变压器获得的高压电源送入高压脉冲发生器，经高压脉冲发生器获得的高压脉冲电源送入反应装置的阳极。

进一步的，所述高压脉冲发生器包括整流电路、限流电阻r1、限流电阻r2、脉冲电容c1、脉冲电容c2、脉冲电容c3、开关s1和开关s2，所述整流电路的一端连接限流电阻r1、另一端连接限流电阻r2，所述脉冲电容c2与脉冲电容c3串联后再与脉冲电容c1并联在限流电阻r1、限流电阻r2之间，反应装置的阳极连接在脉冲电容c2与脉冲电容c3之间，所述开关s1连接在反应装置的阴极与限流电阻r1之间，所述开关s2连接在反应装置的阴极与限流电阻r2之间。

一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置的控制方法，该方法包括：控制开关s1和开s2交替导通与关断，形成平均电场强度为15kv/cm的双极性脉冲电场，脉冲宽度为1.5μs，脉冲前沿为100ns；控制介质以设定速度通过反应装置，以使介质经过数十个脉冲的高压电场处理。

与现有技术相比，本发明杀菌效果好、杀菌速度快；对食物的主要指标的损伤率只有几个百分点甚至为零；杀菌后易处理，杀菌后温度变化小，脉冲处理后可立即进行封装；能耗低，研究表明脉冲电场杀菌耗能为热处理的40％；对环境无二次污染及三废问题。

附图说明

图1为高压脉冲电场冷杀菌反应装置的侧面视图；

图2为图1所示装置的俯瞰视图；

图3为图2所示装置的a-a剖面图；

图4为图1所示装置的正面视图；

图5为图4所示装置的b-b剖面图；

图6为高压脉冲电场冷杀菌反应装置的部分电路示意图。

附图标记说明：

1为电极腔，2为阴极，3为绝缘外壳，31为介质入口，32为介质出口，4为阳极，5为高压接线端，6为接地连接端，7为密封垫片，8为阳极本体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置，如图1～图6所示，由装置本体和电源电路两部分组成，该装置本体包括绝缘外壳3、阳极4和阴极2。绝缘外壳3上设有介质入口31和介质出口32。阳极4和阴极2设在绝缘外壳3内，阳极4与阴极2之间形成电极腔1(即处理室)，从介质入口31进入的介质经过电极腔1后从介质出口32送出，阳极4接入高压脉冲电源，阴极2接地。

介质入口31设在绝缘外壳3的下端，介质出口32设在绝缘外壳3的上端，介质入口31和介质出口32在绝缘外壳上竖向错开。

绝缘外壳3与阳极4、绝缘外壳3与阴极2的连接处设置密封构件7。

本发明涉及的部件的具体说明分别如下：

(1)电极

电极阳极包括高压接线端5和阳极本体8。阳极本体8为空心柱状体，在本实施例中为一个细长的圆柱筒体，外径r1为10mm，壁厚3mm，采用不锈钢材质。高压接线端5的一端连接阳极本体8、另一端穿出绝缘外壳3。露出外壳的高压接线端5作为高压线连接用。

阴极2为空心柱状体，在本实施例中是一个与阳极同轴的不锈钢圆环，内径r2为17mm，壁厚3mm，阴极2的接地连接端6与高压电源接地端连接，阴极在对应介质入口和介质出口处各开一通孔。

此同轴电极方式可以形成不均匀电场，根据资料表明不均匀电场能够获得更好的杀菌效果。杀菌效果的差异主要是内外电极直径的差异造成电场分布不均匀，内电极电场强度呈辐射状指向外电极，且内侧的电场强度大于外侧的电场强度。电极材料选用不锈钢，具有高导电性，合适的线膨胀系数及高强度，电极表面光滑，以尽可能的减少电子的逸出而避免电弧放电影响处理效果。

(2)绝缘外壳

处理室必须保持本身无菌，食品加工过程中必须对容器本身进行消毒，主要采用干热和湿热两种极为方便的处理方式。所以容器绝缘材料必须选用耐高温，绝缘强度好，可塑性强，且不易分解。与食品液体不会发生化学反应的材料，所以绝缘外壳选用树脂玻璃。绝缘外壳将同轴电极两头密封起来，介质在两电极之间流动。

(3)密封垫片

在各部件连接处容易发生泄漏的地方需设置密封构件，密封构件保证介质在高流速情况下不泄漏。在此反应装置中，处理液在绝缘外壳与电极之间连接处均有可能发生泄漏。所有的密封，均采用压力密封。密封垫片7选择非金属的柔性石墨材料。

(4)进料机构

处理室内外两电极之间形成高压电场腔，介质由高压水泵以设定流速快速流过处理室高压电场腔，经高压电场处理灭菌。

电源电路与电极处理腔的有效匹配是提高高压脉冲电场杀菌器杀菌效率与寿命的前提，电源电路的高度集成和一体化是高压脉冲电场杀菌器微型化的保证，因此电源电路是系统设计的关键。本实施例还提供一种高压脉冲电场冷杀菌反应装置的电源电路，如图6所示，该电路包括低压处理单元(图未示)、高压变压器t和高压脉冲发生器，外接电源经低压处理单元整流、逆变、调压后送入高压变压器，经高压变压器获得的高压电源送入高压脉冲发生器，外界电源接入之后，先进入低压处理单元处理，进行整流、逆变、调压各环节，获得又稳定波形的电源；低压处理单元处理之后的电源接入高压变压器获得高压电源；高压电源接入高压脉冲发生器，经高压脉冲发生器获得的高压脉冲电源送入反应装置的阳极。

高压脉冲发生器包括整流电路(由二极管d1、d2、d3、d4构成)、限流电阻r1、限流电阻r2、脉冲电容c1、脉冲电容c2、脉冲电容c3、开关s1和开关s2。整流电路的一端连接限流电阻r1、另一端连接限流电阻r2。脉冲电容c2与脉冲电容c3串联后再与脉冲电容c1并联在限流电阻r1、限流电阻r2之间，反应装置的阳极连接在脉冲电容c2与脉冲电容c3之间。开关s1连接在反应装置的阴极与限流电阻r1之间。开关s2连接在反应装置的阴极与限流电阻r2之间。脉冲电容c1、c2、c3为自感很小、寿命较长的高压脉冲电容器，脉冲电容c1、c2、c3的参数分别为30kv/2μf、30kv/0.25μf、30kv/0.25μf。通过开关s1、s2交替导通、关断获得陡前沿、窄脉宽的高压脉冲电源，并施加于电极系统之上，脉冲电压的幅值可以调节。开关的速度直接控制着脉冲电场的频率，脉冲宽度，脉冲前沿等参数。此设计的特点是采用了脉冲电容c2、c3交替对电极系统放电，形成双极性高压脉冲电场，相较于单极性高压脉冲电场，杀菌效率及效果更好。

本实施例中：用于高压脉冲电场冷杀菌器的电源频率1khz时，脉冲电容c2、c3储能电容上施加10kv电压，在高频开关交替导通与关断情况下，交替对处理室施加脉冲电压，形成平均电场强度为15kv/cm的双极性脉冲电场，脉冲宽度为1.5μs，脉冲前沿为100ns。以设定速度流经处理室的情况下，介质经过数十个脉冲的高压电场处理，达到最终的杀菌效果。

介质经过高压泵送入高压脉冲电场处理室，较大的流速可以保证介质的处理时间极短，可以保证温升很小，且能够保证处理杀菌效果。高压脉冲电源选用高频率，窄脉冲的高品质电源，可以保证处理脉冲个数，又可以保证处理时间短的问题。

细胞和它周围环境半透明膜屏障作用的细胞膜，在极高的电场强度的作用下丧失了不可修复的功能。研究表明杀菌率与电场强度和作用时间的对数成正比，并且，电场强度比作用时间的效果更显著。本发明采用的脉冲电源电压为几十千伏级别的，并配合合理的电极结构设计，能提供满足要求的高电场强度，以保证杀菌效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。