高压脉冲电场杀菌电力系统的研究

图 4 芹菜纤维经剪切后显微照片 表 1 剪切式均质机与其他设备对比试验结果
功率 ( kW) 流量 ( m3) 电流 (A) 粉碎细度
针磨 200 45 340 一般
两道砂磨 胶体磨 剪切式均质机
30
20
200
7
< 40
45
50 240 - 280
差
一般
260 很好
4 结论与展望
本文对纤维物料在剪切式均质机中的粉碎作 了初步的分析 , 并根据试验结果验证了有关的推 断 , 这只是一些前期的工作 。今后的研究将针对 剪切式均质机内的流场特性作理论研究 , 并比较 现有的不同形式的粉碎设备 [4 ]作深入研究 。
化大力开展研究推广的项目 。 高压脉冲电场杀菌是利用高强度脉冲电场瞬
2. 高压脉冲电场杀菌电力系统
时破坏微生物的细胞膜 , 使细菌致死 , 由于利用高
一般在实验室都使用真空管或放电器来产生
电位而非电流杀菌 , 因此杀菌过程中的温度低 (最 高温度小于 50 ℃) 从而可以避免加热杀菌的缺陷。
现在 , 高压脉冲电场杀菌处理 ( PEF) 技术应 用研究主要集中在液态食品 (如饮料 、牛奶等) 的
Key words : high voltage pulsed electric field processing ; power system; sterilization ;food
1 高压脉冲电场杀菌机理
传统的食品杀菌方法 , 常用巴氏杀菌或加热 处理来减少细菌 、孢子及其它能引起液态食品变 质的原因 。然而 , 热处理同时也降低了这些食品 的风味 ,例如橙汁 、果汁在加热期间会使其变味或 色泽暗淡 , 为了满足人们对食品的新鲜度和原味 越来越高的要求 , 就需要对食品原料最少化高温 处理 。目前国际上 ,在这方面做了大量研究 ,其中 高压脉冲电场杀菌就是一种最有前途适用于工业
4 结语
实验已证明 , 经高压脉冲电场处理过的大面 积液体食物能使其病原体减少 , 高压脉冲电场处 理效果可等同于巴氏灭菌 。对热敏感的食品 , 可
考虑利用非加热的高压脉冲电场来处理 , 以保证 食品味道 、颜色 、营养价值不变 。高压脉冲电力系 统的使用 , 使高压脉冲电场处理这一技术能从实 验室应用到大规模商业处理设备 。
参考文献 : [ 1] 崔洪斌 . 大豆生物活性物质开发与利用 [ M] . 北京 :
中国轻工业出版社 ,2001. [ 2] 马霞 . 膳食纤维及其生理作用 [J ] . 食品研究与开
发 ,2001 ,8 :46 - 48. [ 3] 张文明等 . 剪切式均质机的结构与理论研究[J ] . 食
品与机械 ,2001 ,83(3) :8 - 10. [ 4] 高友生等 . 纤维物料的粉碎机理及相关参数的分析
关键词 :高压脉冲电场 ;电力系统 ;杀菌 ;食品 中图分类号 : TN78 文献标识码 :A 文章编码 :1005 - 1295(2003) 03 - 0010 - 02
Research of High Voltage Pulsed Power System for Food Process Li Yi-lin ,LI Gang ,LI Guo-cheng
冲电力系统 。该高压脉冲电力系统比传统的真空管 或放电器产生高压的方法更有效 、更可靠 。
DT公司建造并交付了第一台商业规模的高 压脉冲电力系统 。使高压脉冲电场杀菌处理技术
Ξ 基金项目 :黑龙江省自然科学基金 ,项目号[ C0208]黑龙江省教育厅科技项目 (10531065) 收稿日期 :2003 - 04 - 24 作者简介 :李艺琳 (1968 - ) ,哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院 ,工程师 ,主要研究方向电力电子 。
图 1 高压脉冲电场系统方框图
和无触点开关 , 允许安全控制脉冲参数 。用这个 结构 , 脉宽 、脉冲重复频率和正 、负电压都是独立 变量 , 且具有很宽的调节范围 。这个系统功率限 制在 75kW ,必要时 ,要避免正 、负脉冲同时输出 。 俄亥俄州立大学食品系的研究人员现能使这个系 统运转在一个极性下 , 两极性交替使用或使用多 个正脉冲伴随多个负脉冲情况下 。
( Harbin University of Commerce Harbin 150076 ,China)
Abstract : High voltage pulsed was applied in liquid food sterilization. The method showed so many advantages , such as short time ,low energy consumption , effective conservation of the food′s nutrients and natural characters of color , smell and taste. In this paper , we will describe the architecture of the pulsed power system and the application of high voltage system to food sterilization.
被处理的食品是电路的一个主要部分 ———在 每个脉冲期间 , 在处理腔中的液体相当于负载电 阻且能被调制器观测到 。每个单元的流量与被处 理的液体电阻率都有直接关系 , 典型的液态食品 电阻率都在同一数量级内变化 , 主要取决于液体 成分构成 、溶解矿物质的量 (如盐) 及液体中的固 体 (如果肉) 。调节器具有非常低的阻抗 , 相当于 一个稳压源 , 这确保了在任何情况下都能出现所 期望的电磁场 。在每个脉冲里 , 电流将随着产品 的电阻率变化而改变 。脉冲如图 2 所示是一个 40kV 双极性脉冲通过流经八个处理腔中的一个 处理腔的橙汁 , 在这个处理腔峰值电流大约为 75A , 8 个处理腔大约 600A 的脉冲 (240MW 功 率) 。在这个例子中 ,上升时间已经被调制器中电 感所限制 ,并且总脉冲 (2. 5μs) 小于上升时间 。在 这个结构里 ,在液体流动中 ,一个气泡或其它物质 可能引起冲击电流 , 调制器中的电感允许开关在 电流冲击引起破坏之前打开 。对于较长脉冲 , 脉 冲的剩余部分将封顶在 50kV。在功率 75kW 内 ,成 对脉冲以某一频率重复出现 。
在每个处理腔中 , 每个脉冲能传递 10～100 焦耳能量 , 足以使在腔内食品温度上升几度 。当 食品经过两个处理腔之间时 , OSU 的高压脉冲电 场处理系统能提供一个装置使被处理食品冷却 。 从而限制了被处理食品温度上升 。
在每个单元系统设计里 , 重点要考虑的是一
个无触点开关所能承受的最大电压 , 在这个单元 内 ,总电位差是 120kV。每个开关都应能承受这一 电压值 (当相反的开关关闭 ,有 120kV 经过开着的 开关) 。每个系统设计都需要两个独立 120kV 容量 开关 。
脉冲电场处理过程中 , 液态食品要通过一个处理 腔 , 才能接受高压短脉冲 (10ns - 20μs) 及高压脉 百度文库产生的高压电场穿过液态食品 ( 大约 35 50 KV/ cm) 杀死微生物 。这种脉冲短且频率高 ,当 液态食品在泵过处理腔时 , 腔内所通过液态食品 均被处理 。
目前 , 高压脉冲电场杀菌处理技术工业化推 广应用的主要困难是产生足够能量的高压脉冲电 场的电力装置的设计和制造问题 。
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高压脉冲电场杀菌电力系统的研究 —李艺琳 ,李钢 ,李国忱
能从实验室过渡到在商业上应用 。
3 高压脉冲电力系统的结构特点
如图 1 所示 , 俄亥俄州立大学食品系 (简称 OSU) 的高压脉冲电场调制器系统是由 DT公司建 造的 , 该调制器具有双极性 , 它能提供正 、负脉冲 达到 60kV , 750A 峰值 , 每个极都有独立供电电源
平均功率 75kW , OSU 的高压脉冲电场处理 系统在正常情况下 , 每小时可处理 2000 升液态食
图 2 高压脉冲电场处理系统的脉冲
物 , 对于高电阻的食物 , 例如苹果汁 , 这套设备每 小时能处理 5000 升 。然而 ,对于高导电食物 ,同样 功率产量会下降 , 在给定电场强 (下转第 3 页)
高压脉冲 , 这些系统是昂贵的、效率低并且幅值和 频率都受限制 , 不能提供有效的高幅值电源 , 这种 系统用于商业运作其产量和费用都是不经济的 。经 过十几年开发研制 , 由美国 DT公司研制出高压脉
杀菌 , 经高压脉冲电场杀菌加工处理的食品始终 处于冷却状态 ,因为加热很少 ,所以加工后的饮料 具有安全 ,风味和口感近似于新鲜饮料 ,营养成份 与新鲜的没经过处理的食品没什么区别 。在高压
在这个单元中 , 每个无触点开关都是由多个 串联的 IGB T组成 , 这些所有的单个 IGB T的开关 能同时开和闭 。并且电压通过这些开关来分配 , 用这种方法 ,每个开关操作为一个单独装置 ,在正 常工作或过载期间 , 可根据开关所能通过的最大 电压 ,来决定串多少个独立装置 。
高压脉冲作用于要处理的食品 , 食品流过插 有直径 1cm 管子的多处理腔 , 每个处理腔设计成 给流过食品提供相同电场 。高压脉冲的重复率 、 液体流速都能被控制以确保所有流过这个系统的 液体能经过大量电脉冲 。就电力而言 , 处理腔并 排连接 , 这样在每一个处理腔都能提供相同峰值 电压 ( ±60kV) 。
[ 1] 赵武奇 , 殷涌光 . 高压脉冲电场杀菌系统设计与实 验[J ] . 吉大农业机械学报 ,2002 , (5) :67 —68.
[ 2] 郭恩烈 , 胡云堂 . 高压脉冲电场在食品杀菌中的应 用[J ] . 南昌大学学报 (工科版) , 2001 , (12) :23.
[ 3] DR. Marcel P. J . Gaudreau , P. E. A solid state pulsed power system for food processing[ M] . Diversified Tech2 nologies. Inc. 35 Wiggins Ave. Bedford. MA USA.
包装与食品机械 2003 年第 21 卷第 3 期
高压脉冲电场杀菌电力系统的研究 Ξ
李艺琳 ,李钢 ,李国忱
(哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150076)
摘要 :高压脉冲电场用于液态食品杀菌 ,具有时间短 、能耗低 ,能有效保存食品营养成份和 天然色 、香 、味特征 ,非常具有工业化应用前途 。本文重点介绍高压脉冲电场杀菌电力系统的结 构特点和应用 。
[J ] . 包装与食品机械 ,2002 ,5 :4 - 6. [ 5] 无锡轻大食品装备有限公司技术资料 .
(上接第 11 页) 度下 ,产量与功率成正比 。 DT公司建造的高压脉冲电力系统 , 工作时的
功率达几十 MW , 超过了一般食物生产线的需 要 。因此 , 这种高压脉冲电力技术很适用于商业 领域里的食品处理 。
3 试验研究
311 试验设备 高剪切均质机 无锡轻大食品装备有限公司 QDL 系列 光学显微镜 GALEN III QS - 585 型 120 度压力曲筛 312 试验原料 芹菜 玉米 313 试验步骤 芹菜初粉碎后进入高剪切均质机 , 均质时间 5 分钟 。玉米浸泡 3 小时后 , 进入高剪切均质机 , 均质 5 分钟 。 314 结果与分析 (1) 对芹菜经过高剪切均质机粉碎后的物料 进行显微分析 ,如图 4 所示 。 我们可以看出 ,纤维束在剪切力的作用下 ,纵 向纤维有明显的被切断痕迹 。这就验证在剪切式 均质机中对纤维物料的剪切作用 。 (2) 对玉米物料的试验是在山东九九有限公 司进行的 。用剪切式均质机与其它设备进行了对 比试验 ,结果如表所示 。
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含纤维食品物料的湿法粉碎 —徐 凯 ,高友生 ,张裕中
213 机械撞击 、剪切作用 机械剪切对纤维物料的粉碎是一个较大尺度 上的粉碎 , 在定转子相配合的地方 , 由于刀具之 间的剪切使纤维破碎 。另外 , 在此过程中 , 由于 旋转流的离心力而使混合相流体与固体壁面产生 剧烈的撞击 、摩擦 , 因此机械力的作用不仅直接 对纤维物料产生切断作用 , 同时还对流体中的聚 合状态物料产生着分散作用 。这是对剪切力的重 要补充 , 也是纤维切断的一个重要因素 。