高壓指數波脈沖電場(chǎng)滅菌系統的研究

作者簡(jiǎn)介：師燦輝（1993—），男，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化控制系統。

0   引言

高壓脈沖電場(chǎng)（PEF）滅菌技術(shù)是一種新型的低溫冷滅菌技術(shù)，主要針對液態(tài)食品滅菌，和傳統熱力滅菌相比，具有滅菌時(shí)間短、能量消耗少、滅菌效率高、溫升小等優(yōu)勢^[1-2]。比如對牛奶的滅菌，PEF 可以實(shí)現在常溫下滅菌，最大程度保持原有食品的營(yíng)養和風(fēng)味^[3]。

PEF 滅菌系統主要由高壓脈沖發(fā)生器、滅菌處理室、監控設備和輸送動(dòng)力系統構成^[4-5]。其中，高壓脈沖發(fā)生器包括高壓脈沖電源和控制開(kāi)關(guān)，輸送動(dòng)力系統的功能是將待滅菌液體送入滅菌處理室內。滅菌處理室作為PEF 滅菌系統的重要組成部分，主要作用是將高壓脈沖施加到液態(tài)食品上^[6]。滅菌處理室包括靜止型處理室和流動(dòng)型處理室，靜止型處理室只能用于實(shí)驗室小規模滅菌實(shí)驗，處理腔容積有限，適用于科學(xué)研究。而流動(dòng)型處理室可以持續不斷對液態(tài)食品完成滅菌，進(jìn)行流動(dòng)型處理室的滅菌實(shí)驗研究，有助于PEF 滅菌技術(shù)的工業(yè)化應用^[7]。

影響PEF 系統滅菌效率的因素主要有脈沖波形、電場(chǎng)強度和脈沖數^[8]。其中，脈沖波形分為震蕩波、指數波和方波，脈沖波形對滅菌效率的影響體現在單個(gè)脈沖可持續的有效滅菌時(shí)間^[9]。指數波相對于方波和震蕩波較容易實(shí)現，造價(jià)低，且滅菌效果好，本文決定采用指數波，利用自行設計的平板處理室，通過(guò)控制不同電場(chǎng)強度和脈沖數等參數進(jìn)行滅菌研究。

1   高壓指數波脈沖電場(chǎng)滅菌系統的設計

1.1 高壓指數波脈沖波形設計

指數波脈沖發(fā)生器基本可以用圖1 的指數波發(fā)生電路來(lái)實(shí)現。首先由直流電源向電容充電，當儲能電容充滿(mǎn)電后開(kāi)始向外釋放電能，電壓達到高壓開(kāi)關(guān)的導通電壓后，開(kāi)關(guān)接通，電容釋放的電能施加在處理室的兩端，在處理室的內部就會(huì )產(chǎn)生高壓電場(chǎng)，高壓電場(chǎng)可以使微生物的細胞膜發(fā)生破裂，從而完成滅菌。該電路應用非常廣泛，絕大多數實(shí)驗室所采用的指數脈沖發(fā)生器均由該電路產(chǎn)生。

圖1 指數波形成電路

搭建出實(shí)際電路，在滅菌實(shí)驗中設置直流電源的電壓為10 kV，利用示波器測量出施加在處理室兩端的電壓波形如圖2 所示。

圖2 指數波實(shí)際波形

1.2 滅菌處理室設計

平板處理室為廣西大學(xué)自主研發(fā)設計，電極形狀為直板型，電極上施加電壓后處理室內能夠產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)，電場(chǎng)強度可用式（1）表示。

式中，U（注：?jiǎn)挝粸閗V）為施加在處理室電極上的電壓，d（注：?jiǎn)挝粸閏m）為兩電極板的間隔距離。提高脈沖電壓的幅值，會(huì )使處理室內部的電強度增加，滅菌效果顯著(zhù)提升^[10]。

本PEF 滅菌系統的平板處理室處理腔體采用聚四氟乙烯制成，有良好的絕緣性和機械強度，兩塊金屬電極板被分隔開(kāi)，單次高壓脈沖的有效處理體積為7 mL，下端為進(jìn)料口，上端為出料口，平板處理室結構如圖3所示，加工出處理室實(shí)物如圖4 所示。

圖4 平板處理室實(shí)物圖

2   實(shí)驗方法

2.1 實(shí)驗原料

本文實(shí)驗選用的滅菌對象為釀酒酵母制備的水溶液，釀酒酵母是一種單細胞微生物，非致病性菌株，繁殖快。酵母菌接種在YPD 培養基中，放入轉速為120 r/min，溫度為30 ℃的恒溫搖床培養24 h，然后再與無(wú)菌水均勻混合制備成酵母菌懸液，使其濃度達到10-6~10-7 cfu/mL，電導率為115 μS/cm，pH=7 呈中性溶液。

2.2 實(shí)驗設備

PEF 滅菌系統采用TESLAMAN TRC2020 高壓直流電源（40 kV）、火花間隙開(kāi)關(guān)（自制）、平板處理室（自制）、Kamoer F01A STP 蠕動(dòng)泵以及Tektronix TDS2024C 示波器、Tektronix P6015A 高壓探頭和柔性羅氏線(xiàn)圈組成的實(shí)時(shí)監控系統。其中，蠕動(dòng)泵的工作速率可調，改變火花間隙開(kāi)關(guān)的間距來(lái)控制作用在處理室兩端的電壓大小，示波器用來(lái)記錄處理室兩端的電壓以及通過(guò)酵母菌懸液的電流波形。

2.3 實(shí)驗步驟

利用自行搭建PEF 滅菌系統進(jìn)行滅菌實(shí)驗，采用指數脈沖控制菌液電導率不變，采用不同電場(chǎng)強度和脈沖數對平板處理室分別進(jìn)行靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗。實(shí)驗步驟具體如下。

1）制備酵母菌懸液和培養基。

2）滅菌實(shí)驗前對平板處理室進(jìn)行清洗。

3）將平板處理室安裝至PEF 滅菌系統，采用不同電場(chǎng)強度和脈沖數進(jìn)行靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗，并記錄電壓電流波形。

4）采用平板計數法進(jìn)行滅菌前和滅菌后的菌落數觀(guān)察，記錄平均值。

5）計算滅菌率，滅菌率的計算公式如式（2）所示。

式中N0 表示滅菌前的菌落個(gè)數，N 表示滅菌后的菌落個(gè)數。

3 滅菌結果分析

3.1 靜止型平板處理室滅菌結果

將平板處理室接于PEF 滅菌系統中進(jìn)行靜止型滅菌實(shí)驗，設置火花間隙開(kāi)關(guān)間距，保持開(kāi)關(guān)的導通頻率為1 pps 持續向處理室施加指數脈沖。當脈沖數N 分別為50、100、200、500、1 000，脈沖電場(chǎng)強度E 為19 kV/cm 和25 kV/cm 時(shí)，平板處理室的滅菌效率如圖5 所示。將電場(chǎng)強度作為變量，此時(shí)平板處理室的滅菌效率如圖6 所示。

圖5 脈沖數參數下的靜止型平板處理室滅菌效率

圖6 電場(chǎng)強度參數下的靜止型平板處理室的滅菌效率

由圖5 和圖6 可發(fā)現，靜止型平板處理室的滅菌效率隨著(zhù)脈沖數和電場(chǎng)強度的增加而提高。當施加的脈沖數為50 個(gè)，電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時(shí)的滅菌效率為6.48% 和13.47%；施加的脈沖數為100 個(gè)，滅菌效率分別為10.74% 和20.37%；脈沖數增加到200個(gè)，兩個(gè)電場(chǎng)強度下的靜止型平板處理室的滅菌效率分別為14.08% 和27.18%；施加的脈沖數為500 個(gè)，滅菌效率分別為25.71% 和37.04%；施加的脈沖數目進(jìn)一步增加，當施加的脈沖數目為1 000 個(gè)，電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時(shí)的滅菌效率分別為41.76%和46.15%。由此可以得出結論，當脈沖數相同數，施加的電壓越大，滅菌效率越高；當施加的電壓相同時(shí)，PEF 滅菌的時(shí)間越長(cháng)，脈沖數越多，靜止型平板處理室的滅菌效率將逐步提高。

3.2 流動(dòng)型平板處理室滅菌結果

流動(dòng)型平板處理室相對于靜止型平板處理室的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行持續滅菌，有利用PEF 滅菌系統的工業(yè)化應用。利用流動(dòng)型平板處理室進(jìn)行PEF 滅菌實(shí)驗時(shí)，相對于靜止型平板處理室的PEF 滅菌實(shí)驗，需要增加物料輸送系統，本實(shí)驗采用蠕動(dòng)泵作為輸送動(dòng)力來(lái)源。當施加到流動(dòng)型平板處理室的脈沖個(gè)數為50、100、200、500、1 000 時(shí)，電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時(shí)的滅菌效率如圖7 所示。當施加在處理室上的電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm，脈沖個(gè)數分別為50、100、200、500、1 000 時(shí)的滅菌效率如圖8 所示。

圖7 脈沖數參數下的流動(dòng)型平板處理室滅菌效率

圖8 電場(chǎng)強度參數下的流動(dòng)型平板處理室滅菌效率

由圖7 和圖8 的滅菌效率變化趨勢可以發(fā)現，流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率隨著(zhù)脈沖數和電場(chǎng)強度的增加而提高。當作用在靜止型平板處理室的脈沖數為50，電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm 的滅菌效率分別為12.72% 和23.54%；隨著(zhù)脈沖數的增加，當脈沖數的個(gè)數為100 時(shí)，不同電場(chǎng)強度下的滅菌效率分別為21.75% 和28.75%；脈沖個(gè)數增加到200 個(gè)時(shí)，兩個(gè)電場(chǎng)下的流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率分別為26.97% 和34.53%；當施加脈沖的個(gè)數為500，兩者的滅菌效率分別為36.36% 和42.64%；施加的脈沖數繼續增加，當脈沖數為1 000 個(gè)時(shí)，電場(chǎng)強度為19 kV/cm 和25 kV/cm的滅菌效率分別為52.79% 和64.16%。根據不同脈沖數和電場(chǎng)強度下的滅菌效率，可以發(fā)現對于流動(dòng)型平板處理室依舊滿(mǎn)足靜止型平板處理室的滅菌效率變化規律。同時(shí)可以發(fā)現，在相同電參數的作用下，流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率要優(yōu)于靜止型平板處理室。由圖8可以預測，繼續提高電場(chǎng)強度可以進(jìn)一步提高滅菌效率。

4   結束語(yǔ)

本文通過(guò)設計搭建PEF 滅菌系統，其中包括對指數波脈沖發(fā)生器的設計和平板處理室的設計。通過(guò)平板處理室的靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗，驗證了PEF 滅菌系統的實(shí)用性。同時(shí)，詳細介紹了PEF 滅菌系統的脈沖電源波形和處理室。滅菌實(shí)驗結果也表明，指數波對滅菌效率有著(zhù)良好的作用，也具有很高的經(jīng)濟性，流動(dòng)型滅菌結果要優(yōu)于靜止型滅菌，滅菌時(shí)間極短，指數波流動(dòng)型滅菌適用于PEF 滅菌的工業(yè)化應用。

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