高压脉冲灭菌效应的理论与实验研究

摘要

目前传统的灭菌方法主要包括物理灭菌、化学灭菌和生物灭菌三大类。考虑到上述各种灭菌方法的缺陷和不足，近年来高压脉冲灭菌技术逐渐被人们重视。高压脉冲灭菌是一项新型的非热处理技术，其机理是对微生物施加高压脉冲电场，诱导微生物细胞膜出现不可逆的电穿孔，从而导致微生物死亡。本文对脉冲电场作用下细胞电穿孔机理进行了分析，设计了基于简单Marx电路的指数衰减波形的高压脉冲电源，在此基础上制作了不同类型的处理腔，构建了模拟脉冲电场灭菌的循环水系统并进行了静态和动态的高压脉冲电场灭菌实验，论证了该高压脉冲灭菌系统的可行性。
　　 本文的主要研究工作如下：
　　 ①综合国内外研究成果，分析高压脉冲灭菌机理，重点讨论了细胞膜在电场作用下的建模、跨膜电压的求解和电场参数对电穿孔效率的影响。建立了实际带有上升沿的指数衰减脉冲和方波的数学模型，仿真分析了细胞膜对脉冲电场的频率响应、指数衰减脉冲上升沿对电穿孔效率的影响。
　　 ②研制了指数衰减波形的高压脉冲发生装置。指数脉冲发生器是建立在简单Marx发生器基础上的，通过IGBT、开断调整电路结构，利用单片机系统对脉冲频率的控制。对电路原理进行了分析讨论，通过计算确定了各个元器件参数。
　　 ③结合目前常用处理腔结构对处理腔进行了分析讨论，制作了同轴式和极板式处理腔。在此基础上研制出了结构简单、便于调节和拆卸的平行极板式处理腔，可以根据不同的实验要求调节板间距离，与脉冲电源结合有助于找到更加合适的处理参数。
　　 ④研制了一套模拟循环水系统并进行了脉冲灭菌实验，大肠杆菌为处理对象，利用平板技术法检测灭菌率。通过静态试验分析了不同电场强度、电场频率和电场作用时间对灭菌效果的影响，利用正交实验对数据进行了分析讨论。最后利用平板处理腔进行了动态实验验证实际灭菌效果。