高压电场处理系统中处理腔的研究与设计综述.docx

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1、高压电场处理系统中处理腔的研究与设计综述摘要：高压电场处理系统包括高压脉冲电场（PEF）和低温等离子体（NTP）技术。作为一种低温杀菌处理工艺，高压电场处理系统具有高效、快速、无二次污染、能耗低等优势，获得了广泛的关注。处理腔是PEF和NTP杀菌处理系统中的关键组成部分，主要作用是装载电极、为食品施加高压脉冲电场、或产生低温等离子体进而杀菌钝酶。本文将针对目前高压电场处理系统中处理腔的研究与设计，阐述处理腔的发展概况，总结国内外研究现状，分析处理腔设计的关键技术，以及对处理腔设计的发展趋势和前景进行展望。关键词：高压脉冲电场；低温等离子体：处理腔；电场分析；流体动力学分析目录高压电场处理系统中

2、处理腔的研究与设计综述1目录1弓【言2LPEF杀菌技术及其处理腔研究21.1 FEF处理腔分类与比较21.2 PEF国外研究41.3 PEF国内研究72 .NTP杀菌处理胜国内外研究92.1 NTP国外研窕92.2 NTP国内研究113 .处理腔多物理场仿真分析124 .发展趋势和应用前景134.1 合理的电场分布134.2 良好的流体特性134.3 温度的可控性134.4 广泛的适用性144.5 更低的能耗144.6 安全无污染144.7 数值模拟分析技术145 .问题和讨论146 结147 考文献15引言随着人民生活水平的提高，人们对食品品质的要求越来越高，为了更好地迎合消费者的需求，杀菌

3、处理成为食品加工工艺中的一道重要工序。通过对食品杀菌处理可以使其中的酶钝化，并且使其中的一些有害微生物(如致病菌、腐败菌和产毒菌等)失去活性，从而保证食品的安全性，延长产品的货架期。依据杀菌过程中食品是否被加热，将食品杀菌技术分为热力杀菌和非热力杀菌技术川。热力杀菌技术已被广泛地应用于液态、半液态食品的杀菌过程之中。但是热力杀菌存在的突出问题是：一方面，若加热杀菌的温度较低，则会因杀菌不足而导致产品的腐败变质；另一方面，若杀菌过程中温度过高，则会导致被加工食品中的营养成分受到破坏，影响食品质量。目前，研究较多的热杀菌技术主要有巴氏消毒法、高温短时杀菌、微波杀菌、欧姆加热杀菌等。非热力杀菌技术可

4、以最大限度的保留食品原有的生鲜风味和营养，因此成为当前食品加工新技术研究与开发的热点。目前非热力杀菌技术主要有高压电场杀菌、振荡磁场杀菌、紫外线杀菌、远红外线杀菌、生物防腐剂杀菌等倒41何叫其中，国际上最先进的高压电场处理技术，在食品杀菌方面的应用可分为高压脉冲电场技术(High-PUISedElectricField,PEF)和高压低温等离子体技术(NOn-ThermaIPlasma,NTP),因为具有高效、快速、无二次污染、低能耗等优势，成为具有广泛应用前景的食品非热力杀菌技术。PEF技术应用研究取得成功的关键是需要完善的PEF杀菌系统，国外相关的PEF杀菌系统已进入中试甚至商业化阶段，但

5、绝大多数研究机构还处于实验室研究阶段，仅部分国家开始了小规模商业应用18U同样的，NTP技术应用于食品杀菌仍然处于探索阶段。处理腔是一个完整的高压电场处理系统的重要组成部分，它最基本的功能就是放置待处理的物料和安放电极，处理腔内的电场强度分布、温度分布及流料特性是影响高压电场处理系统杀菌效果以及食品质量的关键因素。因此在高压电场处理技术的研究之中，处理腔的设计是一项关键性技术。本课题将在实验室前期工作的基础上,对不同规模的PEF处理腔进行深入研究,该杀菌处理腔的研制可为PEF的商用打下相应的基础，并且对NTP处理腔进行探索性研究，所研制的新型处理腔能供杀菌处理研究，以促进高压电场处理技术在果蔬

6、加工、食品保藏、废水处理等领域获得更好的发展前景。1.PEF杀菌技术及其处理腔研究高压脉冲电场杀菌技术(High-PIIISedElectricField,简称PEF)是将待处理食品置于产生瞬间高压脉冲电场的两个电极之间，微生物在极短时间内受强电场力作用后，细胞结构破坏，菌体死亡的过程1期。一个完整的PEF杀菌处理系统主要由四部分组成：高压脉冲发生器、杀菌处理腔、流体处理系统以及监测辅助系统I其中，杀菌处理腔与高压脉冲发生器是PEF杀菌系统的两大核心部分。因此，PEF杀菌系统的研究主要是针对杀菌处理腔和高压脉冲发生器展开的I。1.1 FEF处理腔分类与比较处理腔是PEF杀菌设备的核心部分之一，

7、是电路中的负载部分，主要用来安置电极以及向待处理物料施加脉冲高压。通常处理腔由两个相对固定的电极和中间用来装载物料的空腔组成。处理腔的结构影响电场强度分布，造成处理腔出现处理不均匀、温升过高、杀菌效果不佳等问题。根据被处理物料的流动性，处理腔可分为静态处理腔和连续式处理腔；根据杀菌处理腔电极的放置形式可分为平板式、同轴式和共场式三种山，如图1、图2所示。1 卜. 1T(b)同轴式(c)共场式图1 PEF杀菌处理腔三种不同类型结构的原理图(a)平板式(b)同轴式(C)共场式图2实脸室前期研发的三种不同类型的杀菌处理般实物图Producltow(a)平板式a)平板式处理腔平板式处理腔由两个电极平行

8、排列构成，如图1(a)、图2(a)所示，当电极之间的距离远小于电极表面直径时，就能提供均匀的电场强度。电场强度计算公式E=Vd,其中V电压(kV),d板间距(Cm)。b)同轴式处理腔同轴式处理腔由两个同轴的电极构成，一个圆环状的电极在外周，另一个棒状或针状的电极在圆环中心。同轴电极之间的场强定义式为：E=U点，生和凡分别是电极内表面半径和外表面半径。这种处理腔中的电场分布不均匀，依据位置而不同，当(&-RJ心时电场的不均匀性增加，如图1(b)、图2(b)所示。c)共场式处理腔共场式处理腔的正负电极交错排列，正负电极为半径相同的圆环，分别位于处理腔的两端。同场处理腔是最近几年才出现的一种处理腔，

9、它的结构比较简单，如图1(c)、图2(c)所示。以上三种不同类型的杀菌处理腔有着各自的优缺点，针对杀菌处理腔的结构简易程度、电场分布均匀性、物料流速均一性、温度分布、等效电阻大小以及电场畸变程度，以及根据实验室前期的研究成果,可以得到几种不同类型杀菌处理腔的特性比较如表1所示：表1几种不同类型的杀菌处理腔的特性比较特性平板式同轴式传统共场式椭圆内嵌型共场式结构简易简单复杂简单简单电场分布非常均匀放射状分布不均匀均匀物料流速较好较差较好较好温度分布合理合理合理合理等效电阻较小较小较大较大电场畸变程度程度大程度小程度大无畸变注：、均表示杀菌处理腔的性能,优势度，性能优势度大于静态处理腔结构相对简单

10、，设计时考虑因素较少，适合处理流动性差的食物，用于实验室研究；连续式处理腔则是在液体食品流动过程中进行杀菌处理，能够提高液体食品的杀菌效率，比较适合工业化应用“3）。现在国际上通用的PEF连续式杀菌处理腔是HowardZhang和殷涌光共同发明的共场（Cofeld）杀菌处理腔，该共场杀菌处理腔虽然解决了PEF杀菌系统连续处理的问题，但该杀菌处理腔的腔体直径偏小，导致了金属电极与绝缘体的交界处出现尖峰电场，且管道直径越大，电场强度分布越不均匀U%针对这些因素，越来越多的学者开始对共场杀菌处理腔进行深入的研究，以获得性能更加优秀的杀菌处理腔。为此，本课题将重点围绕不同规模下的共场连续式PEF杀菌处

11、理腔展开研究和设计。根据已有研究成果，提出处理腔设计遵循的总体原则为：电场分布均匀，无尖峰电场；不易放电且适用于尽可能多的食品物料；腔体直径的大小应尽量满足物料处理量的要求而不能造成负载过小。同时，在设计处理腔时还应考虑如何使样品更容易注入处理腔和减小处理腔的复杂性IL容器材料必须具有耐高温、绝缘强度高、可塑性强、且不易分解、与液态食品不会发生化学反应的材料峋；电极材料必须选用高的导电性，可焊性，合适的线膨胀系数以及高强度，而且在电弧作用一下较小的熔化挥发等特性。1.2 PEF国外研究国外最早的杀菌处理腔诞生于20世纪60年代，Sale和Hamilton为了系统地研究脉冲电场对微生物失活的影响

12、，首次研制了一种静态式的U型垫片处理腔。如图3所示，它主要由3部分组成：2个黄铜块镶嵌的板状碳电极，以及夹在电极之间的U形聚乙烯，三者紧密贴合，形成密闭结构。另外，2个板状碳电极之间形成的空间可以使冷却液流过网。图3Sale和HamiItOn的静态PEF杀菌处理腔1987年，Dunn和PearIman设计了一种圆形的平行金属板杀菌处理腔,该杀菌处理腔的电极材料选用了不锈钢，电极间距为0.5cm,金属电极的衬套由有机玻璃加工而成，进料口则位于杀菌处理腔上部的金属电极上。该处理腔能够施加525kVCm的电场强度，当施加的电场强度超过30kVCm时，该杀菌处理腔就容易产生火花。1991年，日本学者M

13、atSUmot。等人设计了有盖的杀菌处理腔，液态食品物料可以从盘状电极的孔中连续加到容器中，两个相互平行的金属圆盘电极间放置一块布满通孔的绝缘板，该绝缘板的材料为聚四氟乙烯，绝缘板的厚度为1cm,这种结构被称为“小孔式”杀菌处理腔冲】。图4华盛顿州立大学设计的静态处理腔1993年，华盛顿州立大学（WSU）设计的静态式杀菌处理腔如图4所示，它采用了2个经过抛光处理的圆盘状不锈钢片为电极，采用有机玻璃或聚飒树脂作为绝缘材料。该处理腔有效电极面积为27cm2,电极间距为0.95Cm或0.51cm,能够施加的最高电场强度能够达到70kVZcm,并采用一定温度的水浴对处理腔进行冷却【2L之后，为了提高食

14、品物料滞留时间，华盛顿大学PEF研究小组在其静态处理腔的基础上加了一些折流板通道，如图5所示，设计成为动态处理腔。设计满足的工作条件如下：处理腔体积为820c?,电极间距为0.510.95cm,PEF强度为3570kVCm,脉冲宽度为215口s,脉冲重复频率为1Hz,食物流速为600cm3min或者是1200cm3min,仍利用水的循环给处理腔提供冷却系统倒。图5华盛顿州立大学设计的动态处理腕1994年，HOWardZhang等人设计了连续式的共场杀菌处理腔。它是由4个相串联的共场式杀菌处理腔组成的结构，在每一个杀菌处理腔的入口和出口处各连接一个金属弯管，并将这些金属弯管放置于循环的冷却水浴中

15、，以预防杀菌处理腔的温度过高221。相对于平板杀菌处理腔和同轴杀菌处理腔而言，该杀菌处理腔的结构相对灵活，电场强度的分布集中于共场杀菌处理腔的两个金属电极之间，同时具有多个处理腔体可以提高能量的利用率和节约材料1231。目前，研发PEF处理系统比较成熟的国家为美国，2001年，第一台商业规模的PEF系统一OSU-6在俄亥俄州立大学成功面世，该系统在处理量方面，高电阻食品物料的处理量能够达到5000Lh,对于某些导电性能较好的食物，处理量将会大幅度减少，平均的处理量可以达到2000L/h。由于PEF杀菌过程中能量变化关系仍然处于研究阶段，该商业规模的处理系统并没有真正实现商用。俄亥俄州立大学同时还研制了不同处理量的两套杀菌系统：0SU-2（中试规模）与0SU-4（实验室规模），主要供给各研究机构的科学研究的应用。侬其中osU-4L采用了串联的共场式结构，但存在的明显问题是电场分布不均，金属电极与绝缘材料交界处存在尖峰电场，影响了杀菌效果切。200