基于IGBT串聯(lián)電路的高壓脈沖電場(chǎng)的滅菌裝置研究

魏星　閆鋒欣

[摘要]殺菌是食品加工處理過(guò)程中的一個(gè)重要工序，與傳統(tǒng)殺菌方式相比，高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)因其殺菌效果好、快速、低耗、安全等優(yōu)點(diǎn)而被用于食品殺菌中。本文闡述了目前存在的殺菌處理方法，對(duì)IGBT串聯(lián)電路的高壓脈沖電場(chǎng)的滅菌裝置進(jìn)行解析，以期促進(jìn)食品加工行業(yè)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]IGBT串聯(lián)電路;高壓脈沖電場(chǎng)殺菌;裝置研究

中圖分類號(hào)：TS205

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190422

食品工業(yè)的發(fā)展必然要求安全質(zhì)檢裝置的迭代更新，盡管新型殺菌技術(shù)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，在提升殺菌效果的同時(shí)，保持食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分以及其口感是一直追求的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，高壓脈沖電場(chǎng)滅菌技術(shù)對(duì)于食品的風(fēng)味保留、營(yíng)養(yǎng)保護(hù)以及保鮮延期有著重要作用。

1研究開(kāi)發(fā)的必要性

傳統(tǒng)滅菌技術(shù)普遍存在滅菌效果不徹底、細(xì)菌抗逆性強(qiáng)、滅菌過(guò)程麻煩、滅菌成本過(guò)高、滅菌對(duì)象受限、影響食品風(fēng)味等問(wèn)題。高壓脈沖電場(chǎng)滅菌的特點(diǎn)就是在超短時(shí)間內(nèi)放出超高電壓，需要對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行精準(zhǔn)嚴(yán)格控制，盡量減少處理系統(tǒng)的能量損失，確保處理系統(tǒng)的時(shí)效性以及安全性。

2基于IGBT串聯(lián)電路的高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)與研究

針對(duì)上述食品工業(yè)殺菌的問(wèn)題及方向，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)存在的裝置，本文主要研究一種基于IGBT串聯(lián)電路的高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器的原理，其主要工作過(guò)程如下：市電經(jīng)過(guò)整流、濾波、逆變處理;DSP發(fā)出脈沖寬度、頻率可調(diào)的PWM信號(hào)控制IGBT串聯(lián)電路;檢測(cè)電路把過(guò)流或短路信號(hào)反饋給DSP，若出現(xiàn)過(guò)流或短路，DSP立即切斷PWM信號(hào)，使電路斷開(kāi);通過(guò)串口DSP與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊;示波器通過(guò)電壓探頭，實(shí)時(shí)采集處理室電壓波形，并通過(guò)示波器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。其具體工作流程見(jiàn)圖1。

2.1IGBT串聯(lián)電路固態(tài)開(kāi)關(guān)

針對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)電壓分配不穩(wěn)定的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種動(dòng)態(tài)均壓方法：柵極動(dòng)態(tài)緩沖電路控制、電壓鉗位電路、緩沖電路。而理想的動(dòng)態(tài)均壓電路需具備的特征包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率小，功率損耗小且均壓效果好，能適應(yīng)高壓脈沖電場(chǎng)較高頻率的工作環(huán)境。在不需要考慮太大損耗的前提下，緩沖電路安全性能更好、更實(shí)用。

2.2IGBT串聯(lián)電路的反饋保護(hù)電路

本文采用與驅(qū)動(dòng)電路相同型號(hào)的光纖做隔離和傳輸。74HC4002無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)1414，用能輸出300mA電流的SN75451驅(qū)動(dòng)光纖發(fā)光頭。16路故障信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后進(jìn)人兩路CD4078，CD4078將故障信號(hào)輸人DSP，只要任何一路IGBT出現(xiàn)過(guò)流，DSP均將PWM控制信號(hào)切斷信號(hào)14-61。74HC4002CD4078、SN75451的傳輸延時(shí)都在25ns以內(nèi)，該故障反饋電路具有較好的實(shí)時(shí)性。

2.3滅菌處理室的設(shè)計(jì)

在高壓脈沖電場(chǎng)滅菌技術(shù)之中，食品處理室的設(shè)計(jì)問(wèn)題是重中之重。在處理室設(shè)計(jì)中要考慮材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、場(chǎng)強(qiáng)均勻性、安全性以及電極可調(diào)性7。電極材料的選擇影響電極的使用壽命以及導(dǎo)電性能，一般的金屬電極達(dá)不到抗腐蝕的效果，建議電極或電極膜的制作材料采用電化學(xué)惰性材料;為避免殺菌處理過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，進(jìn)出口設(shè)計(jì)應(yīng)便于排除空氣;避免尖角電極產(chǎn)生的局部場(chǎng)強(qiáng)放大問(wèn)題，邊緣處采用圓角設(shè)計(jì)，并以此給液體食品增加壓力，阻止氣泡產(chǎn)生，當(dāng)施加在處理液各部分的場(chǎng)強(qiáng)不均勻時(shí)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在施加高電壓時(shí)引起放電，導(dǎo)致處理液物理、化學(xué)性質(zhì)的改變，另外還要考慮節(jié)能的問(wèn)題。為滿足不同處理液的處理要求，需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)施加的脈沖電壓，并配合電極間隙的變化，共同調(diào)節(jié)場(chǎng)強(qiáng)。

3殺菌效果及產(chǎn)生的具體影響

處理啤酒時(shí)，由于電極直接與食品接觸，會(huì)出現(xiàn)腐蝕和金屬材料的遷移現(xiàn)象，會(huì)顯著增加啤酒中Fe、Cr、Zn和Mn的濃度，啤酒口感會(huì)受到較大影響。新釀制的葡萄酒經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)處理后，雜醇油總含量會(huì)下降，苯乙醇含量則略有，上升，使葡萄酒的刺激性減小、陳香明顯增加，口感更為醇厚。處理白酒時(shí)，高電壓脈沖電場(chǎng)可以應(yīng)用于白酒的快速催陳，酒樣總酸、總酯和總?cè)┑扔兴黾?，總酚含量有所下降?/p>

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)百合混汁具有較為明顯的滅菌效果，但是經(jīng)處理后的百合混汁貨架期不長(zhǎng);高壓脈沖電場(chǎng)處理對(duì)胡蘿卜汁理化指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)成分影響同經(jīng)巴氏殺菌法處理相比較小，較大程度地保留了鮮榨胡蘿卜汁色澤、營(yíng)養(yǎng)成分等天然特性;（在貯藏期間不同處理的荔枝汁細(xì)菌變化趨勢(shì)一致，先升后降;）高壓脈沖電場(chǎng)處理后的冷凍濃縮荔枝汁霉菌先上升后下降，最后維持在一定范圍;高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁與黑莓汁中大腸桿菌有明顯的鈍化效果，且不影響藍(lán)莓汁的色澤風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分;經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)處理后的橙汁與熱處理后的果汁在色澤、香氣和口感上均有顯著性差異。

4技術(shù)研究方向

4.1冷卻裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題

經(jīng)過(guò)超高壓脈沖放電后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量能量，部分轉(zhuǎn)化熱能傳遞給處理對(duì)象，而食品的營(yíng)養(yǎng)性及安全性一般受溫度影響較大。需要有效地設(shè)計(jì)發(fā)生器中的冷凝裝置，使冷卻效果達(dá)到較理想的程度，根據(jù)實(shí)際情況以及發(fā)生器的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使之能達(dá)對(duì)能量的反復(fù)利用，節(jié)能減耗。

4.2蓄能電容的選擇與設(shè)計(jì)

如何為發(fā)生器短時(shí)間內(nèi)提供巨大的能量也是需要考慮的問(wèn)題。一般采用蓄能電容的方法，并通過(guò)IGBT控制電路的通與斷，使電容對(duì)處理室進(jìn)行脈沖放電，達(dá)到滅菌的效果。這就要考慮蓄能電容的耐用性、耐壓性以及材料適用性的問(wèn)題。

4.3處理室設(shè)計(jì)問(wèn)題

處理室如何對(duì)處理對(duì)象均勻施加電場(chǎng)、如何能夠均勻地進(jìn)行滅菌處理值得考慮。不同物理參數(shù)的高壓脈沖電場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，不同的處理腔結(jié)構(gòu)決定了脈沖電場(chǎng)的分布，滅菌效果會(huì)直接受影響12-1。處理室中電極間隙的可調(diào)節(jié)也是研究的重要方向，對(duì)不同的處理對(duì)象進(jìn)行滅菌時(shí)，需要的電場(chǎng)強(qiáng)度必定不同。

4.4計(jì)算機(jī)控制模式研究

通過(guò)電壓和電流探頭對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)的脈沖電壓參數(shù)進(jìn)行采集，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，形成參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄不同處理對(duì)象所需電場(chǎng)參數(shù)，與各處理對(duì)象對(duì)應(yīng)。另外，將計(jì)算機(jī)與控制信號(hào)轉(zhuǎn)換電路連接，在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立參數(shù)控制模塊，通過(guò)參考參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在計(jì)算機(jī)上根據(jù)不同處理對(duì)象調(diào)整電場(chǎng)參數(shù)，滿足不同的滅菌要求。目前已有的處理系統(tǒng)僅針對(duì)單一處理對(duì)象有較好的滅菌效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化滅菌要求。

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