脉冲高场强杀菌处理室的研究

摘要

传统的巴氏杀菌在杀灭病菌的同时,会对处理对象的成分造成一定程度的破坏,影响食物的口感、风味以及营养价值。随着人们对生活质量要求的日渐提高,非热杀菌的优势越来越明显。在众多的非热杀菌技术中,脉冲电场杀菌技术因其杀菌效率高、且基本不影响食品营养成分等优点,已成为国内外研究的热点之一。脉冲电场杀菌技术的原理是让高压脉冲作用于物料,使隐藏于其中的微生物受创,从而达到灭菌效果。典型的高压脉冲包括:指数衰减脉冲、方波脉冲、振荡波脉冲以及高功率电磁脉冲。其中高功率电磁脉冲包括:核爆炸电磁脉冲(NEMP),非核电磁脉冲武器产生的脉冲,雷电电磁脉冲(LEMP),静电放电(ESD)脉冲等。电磁脉冲(EMP)是一种瞬变电磁现象,从时域波形看,一般具有陡峭的前沿,宽度较窄;从频域看,则覆盖了较宽的频带。　　基于传输线理论和脉冲杀菌机理,设计了两种应用核电磁脉冲场进行杀菌的处理室,具体工作如下:介绍了目前国内外脉冲电场杀菌技术(Pulsed Electric Fields, PEF)的研究进展,描述了该杀菌系统的组成部分和原理,并从几个方面分别阐述了影响杀菌效率的因素。同时,为了避免脉冲信号在传输过程的过程中产生反射,充分考虑了传输线的匹配问题,根据特性阻抗的计算方法以及阻抗匹配的基本原理提出了初步构想。在兼顾场强和特性阻抗这两个指标上设计了两种处理室,第一种为同轴式结构,后接无感电阻的组合式。第二种是用硫酸铜溶液做成的水电阻一体式,既起到了杀菌处理室的效果,又充当了整个杀菌系统的负载。之后在HFSS和Maxwell软件中按实际尺寸建立模型,对它们的驻波比和场强分布进行仿真分析,分析结果表明此时的仿真结果符合要求。对制作的两种样机进行了波形对比实验,结果表明由于水电阻式负载等效电容过大,对于波形的影响也较大,波形幅值降低,下降时间变长。对于后接无感电阻做负载的处理室,在测得了实际脉冲电压和脉宽的情况下,进行了杀菌实验,探索了电压,脉冲下降时间,以及脉冲个数对于杀菌效率的影响。结果表明,在脉冲个数,下降时间一定的情况下,随着电压的增大,杀菌效率逐步变大。在电压一定,脉冲下降时间一定的情况下,杀菌率先是随着脉冲个数的增多而提升,当脉冲个数达到一定程度时,杀菌率趋于稳定。而当给定电压和脉冲个数时,改变脉冲的下降时间则对于杀菌率的影响变化不大。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 目的及意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的主要研究内容及结构安排

第2章 脉冲电场处理系统性能分析

2.1 脉冲电场杀菌装置的组成及原理

2.2 影响脉冲电场杀菌效果的主要因素

2.2.1 处理过程的控制参数

2.2.2 物料的因素

2.2.3 微生物的因素

2.3 处理室的介绍

2.3.1 设计处理室应注意的问题

2.3.2 处理室的基本形式

2.4 传输线理论

2.4.1 基本理论

2.4.2 阻抗变换器

2.5 本章小结

第3章 处理室的设计

3.1 电磁场仿真软件介绍

3.2 无感电阻做负载处理室的设计

3.2.1 材料的选取及参数计算

3.2.2 处理室驻波比与场强仿真

3.2.3 具体设计

3.3 水电阻做负载处理室的设计

3.3.1 参数计算

3.3.2 场强分布仿真分析

3.3.3 具体设计

3.4 两种不同负载对波形影响分析

3.4.1 对于波形影响的仿真分析

3.4.2 两种负载时实测数据

3.4.3 结果对比

3.5 其他辅助装置的选取

3.6 本章小结

第4章 实验效果分析

4.1 试验系统组成及试验步骤

4.1.1 试验系统组成

4.1.2 试验方法步骤

4.2 同轴式处理室性能测试

4.2.1 经过处理室前后波形对比

4.2.2 驻波比测试

4.3 杀菌实验

4.3.1 电压的统计

4.3.2 下降时间的统计

4.3.3 前期准备

4.3.4 菌数统计原理

4.3.5 实验操作步骤

4.3.6 杀菌效果分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 课题展望

5.2.1 研究中的不足

5.2.2 研究展望

致谢

参考文献

作者简介