基本信息
- 项目名称：
- 基于高压脉冲电场的连续式灭菌反应器的研究开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是基于高压脉冲电场的连续式灭菌反应器的研究开发。高压脉冲电场杀菌原理是利用在两个电极间产生的瞬间高压，以脉冲电场作用于需灭菌的物料，通过高压脉冲电场杀灭微生物和钝化酶活性，使食物得以长期贮藏。
- 详细介绍：
- 目前，美国、德国、日本、加拿大等国家竞相研究这一新的杀菌技术，在杀菌机理、对微生物形态影响、对微生物高压脉冲电场敏感性因素的分析、对食品质量影响以及高压脉冲发生器的研制等方面做了许多研究工作。 高压脉冲电场杀菌主要有两大关键部分组成：产生高压脉冲电场的高压脉冲发生器和高压电场杀菌处理室，所以研究高压脉冲电场杀菌最主要的是研究高压脉冲发生器和处理室的设计。在高压脉冲电场杀菌技术研究之中，食品处理室的设计是一项关键性技术。处理室可分为静态和动态处理室[1]。我们研究组主要从事的是动态处理室的设计。所研制开发的基于高压脉冲电场的连续式灭菌反应器是以绝缘材料设计而成，将其置于上下两个高压脉冲极板之间，下极板为固定极板。主要是通过手轮调节上极板高度，进而控制两板之间达到最合适距离。对于极板，我们采用的是应用最为广泛的平行金属板，因为平行金属板可使一个较大空间内的电场强度分布比较均匀[2]。处理室采用S型玻璃管并列排布，以弧度转弯口设计，保证工业化生产流速要求，上下以有机玻璃夹合，用硅酮密封胶填充之间的空隙。在使用时，可将待灭菌的流体通过蠕动泵泵入进口，开启高压脉冲灭菌系统，当流体流经处理室过程中，受到来自高压脉冲电场的作用，达到灭菌的效果。该处理室玻璃管管径为10mm,容积为265ml,电场强度最高能达到62.5KV/CM。在应用于实际生产时，可将两个或两个以上的本反应器并联或者串联使用，提高杀菌量和生产效率。此外针对不同食品延迟或者缩短杀菌时间，可到达不同的效果。该反应器广泛用于液态食品、饮料和名贵中药汤剂的常温冷杀菌，较好的保持了被处理物原有的色泽、风味和营养成分，还可以用于污水处理[3]。 【1】 应雪正、王剑平等•国内外高压脉冲电场食品杀菌关键技术概况•食品科学，2006, 31(3) 【2】 Zhang Qinghua,Gustavo V，Barbosa-Canovas,et a1．Swanson Engineering．Aspects of pulsed Electric Field Pasteurization[J]．Journal of Food Engineering，1995，25：261-281 【3】 杜存臣、颜惠庚等•高压脉冲电场冷杀菌流动处理室•实用新型专利说明书，2009[11]
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 高压脉冲电场灭菌技术是目前国际上最热门、最先进的冷杀菌技术之一，其基本原理是利用在两个电极间产生的瞬时高压，以脉冲电场作用于需灭菌的物料，通过高压脉冲电场杀灭微生物和钝化酶活性，使食品得以长期贮藏。 对于静态分批式处理反应器而言，其规模小、考虑影响因素少，不适于大规模工业化应用。然而连续流动相的液体反应器在高压脉冲电场处理中能够解决静态杀菌系统的很多缺点，更有利于该方法在工业产业中的进一步应用。 我们团队结合高压灭菌电场设计出的一系列灭菌反应器，优化反应器及电场参数，使得高压脉冲电场杀菌能够应用到实际生产中，具有较大的应用价值。连续流动相的液体反应器最大程度发挥高压脉冲灭菌技术的优点，实现一种简单、节能、快速、安全、高效的灭菌技术。基于高压脉冲电场的连续式灭菌反应器应用于具体液体食品、药品的高压脉冲电场灭菌工艺，解决实际生产需求。 反应器的设计依托于高压脉冲电场，对运用高压脉冲电场对大肠杆菌进行非热杀菌，主要技术关键在于不同高压脉冲电场参数，如电场强度、脉冲宽度、脉冲数等对大肠杆菌致死作用的影响.
科学性、先进性
- 先进性说明： 1、高压脉冲电场灭菌技术是近年来发展起来的极有潜力的非热灭菌技术，采用高压脉冲电场技术作用于液态介质中的微生物，对微生物的失活是非常有效的。 2、目前实验室大部分均处于微量、静止的状态，无法投入到工业生产当中。 3、和现有热力灭菌方法相比，高压脉冲电场灭菌技术具有能耗低、无辐射、对食品、果品风味的破坏小、工艺简单、方便推广等一系列优点。 我们设计的连续式灭菌反应器就是基于高压脉冲电场开发设计出的。该系列反应器采用S形管设计，用蠕动泵来推送液体，使物料流经两极板间时，便可以受到高压脉冲电场的处理。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在2011年3-5月间参加了杭州电子科技大学校内竞赛，获校级一等奖.2011年5-6月通过省赛一辩。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、技术特点:a我们在设计流通槽的拐角时采用了一定角度保证液体流动的速度不受影响b考虑到与蠕动泵结合使用情况下的流速变化，采用相匹配的橡胶管c设计并制作了针尖式阵列反应器，能有效增进高压脉冲电场的杀菌效果，且申请并获得了这方面的专利。 2、适应范围：适合于大部分液体食品及药品的灭菌过程，尤其在不宜用热杀菌的地方能显现其优势。3、项目的市场前景分析：我国液体食品（牛奶、果汁等）的生产量很大，高压脉冲电场技术具有良好的杀菌钝酶效果和极大限度地维持食品的新鲜度。连续流动的产品处理方法，能更好发挥高压脉冲电场的灭菌优势，应用范围十分广泛。 4、项目的盈利能力分析及财务预算：若能应用于液体食品生产，将加快产品的处理速度，节省对设备高温灭菌的费用。项目实施后产生的经济社会效益将非常明显. 5、项目的社会效益分析：由于高压脉冲灭菌技术具有能耗低、灭菌效果好、安全无害等优点，替代那些对生态环境及产品都有影响的灭菌技术，提高灭菌效率，节约能源，保证食品与药品的安全。
同类课题研究水平概述
- 国外研究现状： Sale和Hamilton的处理室是由2个碳电极和黄铜块组成，中间有冷却剂流动。u型的聚乙烯空间有3mm厚，放在两个电极之间形成了一个处理室。 这3部分是紧密黏贴在一起的。此处理的最大电场强度能承受25kV／cm[1] 华盛顿州立大学的静态处理室如图4所示。该处理室的电极是采用经过抛光处理的不绣钢片，聚砜树脂用来作为绝缘材料。有效的电极面积为27cm2。两电极之间的距离可选在0．51～0．95cm。此处理室的电场强度最高能达到70kV／cm[2]。 图5是华盛顿大学PEF研究小组所设计的处理室。这个动态处理室主要就是在其静态处理室的基础上加了一些折流板通道。设计的工作条件如下：处理室体积为8～20cm3，电极间距为0．51。0．95cm．PEF强度为35～70kV／cm，脉冲宽度为2～15lxs，脉冲重复频率为1Hz，食物流速为600cm3／min或者是1 200cm3／min[2]国内研究现状：国内对于高压脉冲杀菌处理器的相关设备的研究虽处于初步阶段，但也有了不同层次的进展。图6是华南理工大学曾新安等研制的脉冲电场灭菌设备的处理器。两电极是同心圆筒2、3。将两个圆筒分别接到电影的两极，起到电极的作用，圆筒2的内径大于圆筒3的外径，以保证圆筒2能套在圆筒3的外面；要求圆筒表面光滑，安装时二个圆筒要保证同心以确保二圆筒之间产生的电场均匀一致。圆筒3固定在物料处理腔的底座上，圆筒2依靠固定支架悬在物料处理腔内圆筒3的外面。使用电源条件40KV/cm的脉冲电场强度，脉冲宽度为10us的指数衰减波，对间歇式处理系统处理1000个脉冲，对连续系统处理一次后剩余菌数为102 -103cfu/ml[3]。图7是浙江大学王剑平、黄康等研制开发的一种用于连续式液态食品灭菌的高压脉冲电场处理室。浙江大学一种用于连续式液态食品灭菌的高压脉冲电场处理室在绝缘空心管内安置平行平板电极，在保持物料流动性的同时，改善了处理室的电场分布，使得物料在流动方向上所接受的电场强度相对均匀；该处理室减少了金属材料的使用，减少了处理室内电化学反应，有效保护电极，同时增加了被处理食品的安全性，并且具有流动性强、温升小、便于拆洗[4]。
