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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
16、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。2002年，MOrShUiS等人设计了一种连续式的大通流截面杀菌处理腔，如图6所示，该处理腔由管状的绝缘体材料，以及镶嵌在绝缘体中的金属电极组成。所有金属电极呈等间距的环形排列，并平行于处理腔的圆柱中心线，每一根电极横截面为半月牙形状，曲率半径等于管状绝缘体的曲率半径，这样能在有效的通流截面内获得均匀的电场分布。又由于处理腔内表面光滑，对液体物料流
17、动没有阻碍作用，所以能获得较好的流体特性，并且消除了微生物在处理腔中残留的可能性，进而提高了杀菌效果3】。图6 MOrShlJiS设计的大通流截面杀菌处理腔2007年，德国柏林科技大学Toepfl等人设计了一种基于共场杀菌处理腔演变而来的新型共场（Co-Iinear）杀菌处理腔，其本质上也是一种共场杀菌处理腔，但该设计在一定程度上提升了电场强度分布的均匀性，同时也对流场及温度场的分布起到了一定的改善作用。同年，PiZZiehemi和OCChialini发明了一套带有冷却系统的同轴杀菌处理腔，如图7所示，该杀菌处理腔能够实现处理腔内部的温度控制，而且内电极可以移动调节，使得负载电阻可调口6。Sc
18、rewCooiing water inletCooling water OUilei , .I Cooling water outletCooling water图1Pizzichemi和Occhialini发明的同轴杀菌处理腔2011年，浙江大学黄康博士在第二届北京非热加工技术国际研讨会探讨了杀菌处理腔内静态气泡对杀菌处理腔电击穿的影响，这对于杀菌处理腔参数的设定及优化有一定的意义【。从以上研究成果来看，国外对PEF杀菌技术的研究成果较多，在对PEF杀菌处理腔的研究中，主要工作集中在优化电场、温度场、流场的三场耦合特性，以提高杀菌效果，完善设备的结构细节，以提高处理效率上，从而促进了PEF杀
19、菌技术从实验室规模走向商业化的步伐。1.3 PEF国内研究国内对PEF杀菌处理技术的研究相对来说起步较晚，但是进入21世纪以来，众多高校和科研院所对PEF处理腔展开研究和设计。2002年，华南理工大学曾新安等设计了一套带有监控系统的PEF杀菌装置，装置中包含一种带有循环冷却系统的圆盘型静态处理腔12。2004年，吉林大学殷涌光教授在发明专利中公开了一种高压脉冲电场处理装置，如图8所示，在所设计的杀菌处理腔内放置了一个绝缘体芯棒，并占用了杀菌处理腔内大部分的空间，使流体仅沿着电场强度最大的贴近管壁处流过，达到较好的处理效果，但是这样却使流体的通流截面面积减小，限制了该杀菌处理腔的处理量12队图8
20、股涌光发明的连续式同轴处理腔2005年，中国农业大学廖小军等人描述了一套完整的PEF杀菌处理的工作流程，并提出了一种带有温度监测的连续式PEF杀菌装置，其处理腔采用了平板式和同轴式电极2叫2007年，福建农林大学陈锦权教授利用LaPIaCe方程研究了杀菌处理腔内的电位分布，结合粘性牛顿流体方程获取了杀菌处理腔内的电场强度分布以及流场分布情况，设计了适用于工业化生产使用的PEF杀菌处理腔。如图9所示，通过在该杀菌处理腔2个金属空心管电极与绝缘体隔离环的交界处焊接一定数量的金属导线，使得杀菌处理腔的电场强度和流体物料的流速变得更为均匀，明显提高了杀菌处理腔内的有效电场强度，为PEF杀菌技术进入工业
21、化阶段提供了可能国1。1,2-金属空心管状电极3-绝缘体膈离环4-金属导线图9陈锦权等人发明的共场式杀菌处理腔2008年，江南大学平雪良教授设计了一种静态平板杀菌处理腔，该杀菌处理腔电场强度分布均匀，处理量可调，并且设计了卸压装置提高杀菌处理腔的安全性，杀菌实验可以使菌体数量下降5个数量级,结果表明所研制的静态杀菌处理腔是实用可行、安全可靠的，可以用于PEF杀菌技术的相关研究L同年，东北农业大学的张长利教授等人提出了一种密封的长方体静态处理腔，其杀菌电容的两个极板分别固定在处理腔内两个面积最大的相对内壁上，两个极板充满其所固定的内壁，在与电极板垂直的处理腔的侧壁上，开有一个进料口321。200
22、9年，浙江大学王剑平教授设计了一种用于液态食品杀菌的连续式PEF杀菌处理腔，如图10所示，该杀菌处理腔通过嵌入两个等半径的圆弧状的半导体，使绝缘空心管与两端金属管状电极光滑连接,这种设计在保证流体物料具有良好的流体特性，同时也改善了杀菌处理腔内的电场强度分布状况。由于在绝缘空心管与金属管状电极交界处增加了半导体材料，降低了杀菌处理腔内电化学反应发生的可能性画。1I-绝缘体空心管2, 3-圆弧状金属电极24-半导体材料图10王剑平发明的连续式液体食物杀菌处理腔2012年，南京信息工程大学解效白等人，基于传输线理论兼顾结构及加工工艺，设计了一种新型同轴式杀菌处理腔，如图11所示，为防止电极腐蚀，内
23、电极表面套有一层厚6mm聚甲醛绝缘材料，内电极采用不锈钢，外电极采用铝。为与杀菌系统阻抗匹配，处理腔负载电阻大小设计为75Q,单个电阻峰值场强可达到50kVcm,并利用HFSS及MaXWeII软件对处理腔结构进行驻波比、电场等分析。杀菌试验结果表明，该杀菌处理腔与脉冲电源匹配良好，杀菌率与脉冲峰值电压以及脉冲个数的关联度较大，可以用于PEF杀菌机理的试验研究口中。/内U图11解效白等人设计的新型同轴式处理腔结构示意图2014年，江南大学平雪良教授实验室提出了一种流道形状可调的PEF杀菌系统同轴处理腔，如图12所示，通过更换不同内圆直径的高压电极片可以调整电极间距,电极片内外圆都进行了倒角,降低
24、电极附近存在的尖峰电场，从而优化了电场分布因）。I-金属高压电极2-接地电极杆3-左侧绝缘内腔体4-右侧绝缘内腔体5-进料口6-出料口7-绝缘外腔体图12一种流道彩状可调的PEF杀菌系统同轴处理腔可见，目前国内的PEF杀菌处理腔研究仍处在起步阶段，所设计的处理腔大多只停留在实验室规模,距离商业化应用还有较大的差距。特别是处理腔的结构细节方面，相关的研究和报道较少，这也是制约国内PEF杀菌技术广泛应用的主要因素之一。2.NTP杀菌处理腔国内外研究等离子体是气体在高温或强电磁场作用下产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组成，被称为继固态、液态、气态以外的新的物质聚集态，即物质第
25、四态的口刀。等离子体杀菌作为一种新兴的杀菌方法，其特点有：(1)杀菌温度低；(2)杀菌速度快，一般在几分钟到几十分钟内就可达到杀菌效果；(3)不产生副产物，不产生有毒残留物，对环境和操作人员安全；(4)杀菌全面，例如高频空间等离子体可以对器皿的各个角度进行有效杀菌6叫等离子体的生成方法较多，可以通过气体放电、光电离、热电离、射线箱照法等方式产生31。其中，气体放电等离子体是最为常见的低温等离子体的产生方法，气体介质施加高压场强后，部分电离并放电生成等离子体1硼。根据放电特征，气体放电产生等离子体的方式一般可以分为；介质阻挡放电(DieIeCtriCbarrierdischarge,DBD)、电
26、晕放电(COrOnadischarge)辉光放电(Gk)Wdischarge)射频放电(Radiofrequencydischarge)及微波放电(MiCrOWaVediSCharge)等I，。其中，介质阻挡放电典型的放电形式是丝状放电，也称为无声放电，综合了电晕放电和辉光放电的优点，则既可以在常压条件下进行，也可以得到大面积的等离子体，具有稳定、散漫、均匀、低温等特点，是目前研究最多应用最为广泛的一种放电方式，在工业应用领域具有广泛的前景网14引。另外，大气压脉冲放电技术可以在常压条件下产生均匀的大面积的等离子体。对于一些脉宽较窄、上升沿陡峭的脉冲电压，可以在瞬间施加较高的电压，形成大面积等
27、离子体38o低温等离子体(NTP)杀菌技术应用于食品杀菌处理仍然处于探索阶段。脉冲等离子体按照处理腔的电极结构可分为下几种：针板式处理腔、板孔板式处理腔、棒棒式处理腔、线板线筒式处理腔以及其他类型的一些新型处理腔38。2.1 NTP国外研究在国外，MenaShi最早在1968年就申请了专利，他利用线-管式电极产生等离子体，然后在常压下利用射频等离子体对筒状容器的内壁进行杀菌，在Imin内使芽袍数量减少了6个数量级。LarOUSSi等人研究了温度在等离子体杀菌中的作用，结果表明，在标准功率的等离子体下,被观测到的温度只增加了21,表明温度不是等离子体杀菌的主要因素,并同时指出活性粒子在杀菌中起了
28、最主要的作用。1988年MiZUnO采用板-板式、针-板式、线-简式和棒-棒式四种不同的放电处理装置去除去离子水和13%NaCl溶液中的酿酒酵母和纳豆芽抱杆菌BaCilIUSnat10,考察了电场强度、脉冲宽度和脉冲个数对菌体存活率的影响，发现棒一棒电极放电杀菌所需的能量低于其他几种电极形式，因为棒-棒电极放电能形成弧光放电,产生强烈的冲击波，通过机械力破坏细胞。MarSili等人采用高压脉冲放电,同时向待处理的悬浮液中通入空气，对食品中常见的大肠杆菌、沙门肠炎菌及酵母菌进行灭活实验，结果表明，放电产生大量的臭氧、活性粒子、自由电子和紫外光,在峰值电压为28KV、50s时,活体菌数量大大减少,
29、其中,肠炎菌及大肠杆菌在通入空气下的细菌杀灭率为100%肛1999年，在第一届运用电磁场和电离气体的非热生物医学处理国际研讨会上，田纳西大学的J.ReeceROth等人在报告中提出了一种远程接触处理腔(RemOleEXPOSUreReaClor,RER),该处理系统采用了辉光放电的原理产生低温等离子体。如图13(a)所示，该系统设计时，将低温等离子体产生区域和物料杀菌处理区域分开，解决了待处理物料直接放置在电极之间所带来的电场减弱、物料温升和难以处理大体积物料等问题。如图13(b)所示，处理腔是由多个平板组成的回折通道，每个平板上按照一定规律分布有弧形的电极，在通入气流的情况下，当施加高压交流
30、电源时，平板的两侧都会产生低温等离子体，并在气流的作用下进入杀菌处理腔。用该系统做大肠杆菌杀菌实验，在峰值为6kV、频率为1.6kHz的高压脉冲作用26s的条件下，活体菌的数量下降了6个对数值。阳)图13(a)RER处理系统原理图(b)RER处理系统中电极的截面图2006年，HirOShiOhkaWa等人设计了一套基于介质阻挡放电的NTP杀菌处理实验系统，如图14所示，该处理腔由两个平行板金属电极以及中间的石英绝缘板组成，金属电极板长和宽分别是150mm、50mm,石英绝缘板长宽厚分别为23Omm、115mm、3mm,整个处理区域由耐热橡胶材料制成的挡板包围。由供气装置提供的氢气-氧气的混合气
31、体进入处理腔间隙，在27.12MHz、670W的激励电源的脉冲作用下，利用光晕放电产生低温等离子体。口6图14(a)高压脉冲等离子体杀菌处理系统(b)放电电极和输送线实物图2016年，YoiChiTOyOkaWa等人发明了一种滚柱输送式是高压脉冲低温等离子体杀菌系统，该系统利用了介质阻挡放电的原理在常压下产生低温等离子体，并应用于食品加工中。如图15(a)、(b)、(c)所示，电极是一种由0.5mm厚的硅胶片、20Um厚的铝片逐层包裹的塑料圆柱棒结构，高压电极和接地电极在传送方向上交替排列，电极之间相互平行，并间隔50mm,所使用的高压交流电源峰-峰值为IOkV,频率为IOkHz当导电物料(例
32、如金属或蔬菜)同时与高压和接地电极接触时，在硅胶片上就会产生低温等离子体，从而实现对食品物料的杀菌处理。但是该系统目前处于试验阶段，尚未实现商业化生产。47J图15 (a)电极结构示意图(b)滚柱输送式NTP处理系统原理图(c)滚柱输送式NTP处理系统对蔬菜的处理过程2.2NTP国内研究大连理工大学的吴彦课题组将双向窄脉冲与介质阻挡放电结合起来，利用气、液两相等离子体放电灭活大肠杆菌和铜绿微囊藻，探讨了影响微生物失活的因素和机理口叫此外，他们也将玻璃珠引入介质阻挡反应器中，形成气、固、液三相放电，讨论了操作参数对大肠杆菌杀灭效果的影响，并指出玻璃珠添加后可以使放电时臭氧和双氧水的产率提高，从而
33、提高了杀菌效果14叫江苏大学的依成武等人在杀灭黄酒中的细菌时，利用高电流的脉冲电场，使液体汽化成等离子通道，并利用高速绝热膨胀产生的超高速液压冲击波杀菌15叫王黎明等人采用脉冲电场对胡萝卜汁中啤酒酵母和大肠杆菌进行了研究，结果表明，平板电极产生的等离子体的处理效果要优于同轴电极，因此，电极形式的不同也会对杀菌效果产生一定的影响。2015年，浙江大学王剑平等人设计了一种用于密封包装消毒的低温常压等离子体处理腔，如图16所示，处理腔由电极和电极间距调节杆组成，处理腔电极又包括位于内侧的聚四氟乙烯板和位于外侧的铝板电极，其采用大气压脉冲放电的原理产生低温等离子体，可以处理新鲜农产品，也可以不打开包装
34、直接对带包装的食品进行杀菌处理5LII-处理股电极(包括III-铝板电极112-聚西藏乙炸板)12-电极间距调节杆图16王剑平等设计的低温常压等离子体处理股2016年，张灿等人设计了一种用于流体杀菌的介质阻挡放电NTP杀菌处理设备，如图17所示，该处理系统属于平板式低温等离子体处理设备，所不同的是，该系统的接地电极上覆盖有一个中间凹陷的石英反应器，用来盛放流体物料。所采用的是电源电压为030kV,频率为53OkHz,两电极之间间距89mm,液体表面到高压电极距离45mm由于反应器容量的限制，该套设备仅能用于实验室研究。52图17张灿等人设计的介质阻挡放电（DBD）杀菌处理设备I-高压电极2-绝
35、缘板3-石英反应器4-接地电极5-不锈铜基底6-等离子体发生器7-稳压器3 .处理腔多物理场仿真分析通过国内外的研究结果表明，提高电场强度，PEF杀菌率越高川。在均匀电场中，提高电压，电场强度会提高，但对电源装置的要求较高，而且操作比较危险。因此设法改变处理腔的电极结构，在不出现尖峰电场的情况下，可以通过施加较低电压来获得较高的局部均匀的电场强度。如图18所示，实验室前期基于耦合场结构优化发明了一种椭圆内嵌型共场杀菌处理腔，经证明，单个处理腔单元具有较合理的电场分布和流场分布情况，在本课题中，将以此发明专利为基础，通过确定具体的结构参数，分别进行实验室规模、中试规模、商业化规模三种不同规模的处
36、理腔结构详细设计，并在Creo3.0环境下建立三维模型网。I-接地电极2-高压电极3-绝壕体隔离管4-进料口5-出料口图18椭圆内嵌型共场式杀菌处理股处理腔的结构和参数不仅会改变高压电场处理系统的处理量，而且也能够改变处理区域耦合场的分布，直接影响着最终的杀菌效果。电场强度是耦合场影响因素中最关键的刈，由于不同微生物的电场抗性存在差异，所以杀灭不同菌种需要不同的电场强度123123。另外，杀菌处理腔中流场特性也是影响系统杀菌效果和食品质量的主要因素。通过对杀菌处理腔内流体动力学及电场进行数值模拟，数值模拟的主要目的是优化处理腔的几何结构，进而改善电场强度和流场分布的合理性，从而避免局部食品物料
37、的过处理或欠处理，以及介质击穿等现象15叽为了保持处理腔内电场的均匀分布国外学者运用基于有限元分析的数值模拟方法对处理腔的设计进行了研究，使得处理腔不仅能够保持腔内电场的均匀分布，而且能够保证被处理食品的稳定流动，具有较大的工业应用价值56o前期的研究者如方婷利用ANSYS软件对不同结构的同轴处理腔进行了电场强度分抑57心8,金伟使用COMSOLMUItiPhySiCS对共场式杀菌处理腔中的电场、温度场、流场的三场耦合特性进行了分析和优化U2J,解效白利用Maxwell对同轴式处理腔的场强分布情况进行仿真，并根据仿真结果对设计尺寸进行改进闷LANSYS软件作为世界范围内用户数增长最快的计算机辅
38、助工程(CAE)软件，它是基于有限元分析方法的数值模拟软件，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在多个领域都有着广泛的应用。其在电磁场分析方面，主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分析、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可以用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。在计算流体动力学方面，能进行流体动力学分析，分析类型可为瞬态或稳态，分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，可以进行传热或绝热、层流或湍流、压缩和不可压缩等问题的研究。其主要技术特征有：强大的前后处理功能，如几何模型的建
39、立、精确的网格划分、直观可视化的后处理等；强大而广泛的分析功能，能够胜任多物理场及多场耦合的分析，适用于各种工业技术领域；易学易用的开放体系，其界面友好、数据库统一、多平台支持、网格浮动、CAD接口、高效可靠的求解器15叫因此本课题选择ANSYS软件作为辅助分析软件，将对处理腔内流体动力学及电场进行分析。4 .发展趋势和应用前景4.1 合理的电场分布电场分布的合理性是处理腔设计的核心要求，分布在处理腔内的电场强度一致可以最大化地改善高压电场杀菌系统的杀菌效果。施加在待处理物料各部分的场强不均匀时，不但会造成活体微生物残余，而且在施加高电压的时候还易引起放电，可能会导致物料成份发生变化，食物一旦
40、产生毒素，就会引发严重的后果【。不均匀的电压强度分布还会造成电场能量的浪费。考虑能量消耗和物料需要低温处理，杀菌处理腔的高电阻是连续式杀菌处理腔设计中需要重点考虑的。设计时应该采取措施来提高杀菌处理腔的电阻叫杀菌处理腔设计时也需要考虑由于绝缘体材料产生的电场畸变问题，这是由于杀菌处理腔内金属电极、流体物料及绝缘体材料三种不同材料的接触处容易产生尖峰电场，尖峰电场的存在容易产生放电现象和局部温度升高，将会引起处理区域产生电火花、污染处理物料、对杀菌处理腔的损害以及造成高压脉冲发生器的损坏，因此，无论是PEF还是NTP都要求电场强度合理分布，不允许出现局部的尖峰电场1231。4.2 良好的流体特性
41、目前，随着PEF杀菌系统趋向于商业化应用，在确保均匀的电场分布的条件下，流速快、流量大是当前PEF处理腔发展的趋势。同时，混合不均的物料在流经处理腔时，容易造成杀菌效果达不到标准要求，所以，合理的流场分布是影响杀菌效果的重要因素，如果处理腔金属电极与绝缘体内嵌的过渡区域得到了较为平滑的过渡，流体物料的流场分布状况得到改观，能大大减少杀菌处理腔内流场分布不均造成的流体物料环流现象及处理死区问题|2引。4.3 温度的可控性经过高压脉冲电场的处理，液体物料流经处理腔时会产生一定的温升，温升的大小主要与电场强度和液体的流速有关。温度也是影响杀菌效果的重要因素，温度的升高会改变物料的电导率等流体特性，改
42、变食品物料的风味，所以有必要采用温度检测系统以及冷却系统实现杀菌过程中的温度控制L4.4 广泛的适用性目前设计的处理腔还未能运用于所有的食品杀菌，而且大部分处理腔仅用于液态食品杀菌。处理腔的设计应该便于物料的杀菌，电极间隙应在一定范围内可调，这主要是为了能够适用于不同的物料。待处理物料的种类不同，杀菌时对脉冲场强的要求也不同。为了解决这个问题，可以通过在一定范围内调节施加的脉冲电压，并配合以电极间隙的变化，来共同调节场强。对于不同形状的固体物料，可以通过改变电极形状以调整电场分布的情况，实现更为广泛的适用性12叫4.5 更低的能耗在2011年的第二届北京非热加工技术国际研讨会上，澳大利亚联邦科
43、学与工业组织(CSIRo)食品营养科学部Buchow博士指出了未来杀菌处理腔的设计要围绕着均匀的电场强度分布、良好的温度场及流场分布来深入研究，关注能量的利用率也是未来杀菌处理腔设计所需考虑的问题。4.6 安全无污染为了避免处理腔可能产生的电极污染、电火花、电击穿等问题，采用多流道的处理腔处理单元可以明显的解决这些问题。另外，在待处理物料进入杀菌系统之前，进行脱气处理，能有效避免气泡带来的电场分布不均以及电极腐蚀等问题。国外一些学者已经开始运用聚合物复合材料作为电极材料来克服不锈钢电极的磨损特性，进而避免了杀菌过程中的二次污染6L4.7 数值模拟分析技术鉴于高压电场杀菌处理腔腔体内部空间狭小，
44、在高强度电磁场的干扰下实时监测其内部处理参数非常困难，数值模拟是一个重要的替代或补充方法。使用有限元分析软件，将多物理场耦合模型与杀菌动力学模型结合，建立基于处理腔结构参数和处理过程工作参数的高压电场技术对徵生物作用的定量预测模型，是今后的主要研究方法之一5 .问题和讨论目前，国外对PEF杀菌技术的理论研究及设备比较成熟，已由中试阶段向商业化应用过渡，而国内也对PEF杀菌技术的各方面进行了相关研究，但PEF杀菌系统仍处于实验室阶段，较商业化仍有一定的差距。研制大功率、控制精度高、处理量大、应用范围广的PEF杀菌系统才能更快的推动PEF杀菌技术商业化的步伐。此外，在研究PEF杀菌理论和加快PEF
45、杀菌系统研制的同时，应该更关注该技术对食品质量及安全性的研究。安全性、经济性、高效性、商业化的高压电场杀菌技术才能更好的发展与应用。低温等离子体杀菌技术的作用机理尚无定论，但就国内而言，其在水处理中的实验研究一直是热点,而鲜有其在食品杀菌消毒方面的研究，特别是关于专用的食品杀菌消毒NTP处理腔的研究成果很少。从当前的研究成果来看，实现NTP杀菌技术在食品加工中的应用，需要考虑杀菌处理腔的更广泛的适用范围、电场分布的合理性和放电特性的精确控制等。鉴于NTP和PEF杀菌技术同属高压电场处理系统的特性，其处理腔形式和对脉冲电场分布方面的要求都具有相似性，所以，借鉴前期PEF的研究方法来设计NTP杀菌
46、处理腔也成为一种新思路。总结脉冲电场/低温等离子体杀菌技术(PEFNTP)虽然能有效杀灭食品中的微生物，但是该技术目前仍然处于实验室研究阶段，存在一些技术瓶颈，未能实现大规模的工业化应用。如何进一步增大处理通量，以及提高连续化的处理效率，仍需进一步深入研究。同时，鉴于高压电场杀菌技术的众多优良特性，PEF/NTP杀菌技术已经逐步应用于食品加工过程之中。高压电场杀菌系统可以应用于食品杀菌、果蔬榨汁与脱水、辅助食品成分提取、食品保藏、废水净化等方面。当然，目前对高电场杀菌技术的研究仍在进行之中，相信该技术会有更大的应用空间。参考文献111刘翠.高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究D.江南大学硕士学位
47、论文,2009贾原媛,李修伦,欧姆加热在食品加工中的应用J.天津轻工业学院学报,2002(2):13-17苏世彦.超高压杀菌技术在果汁饮料生产中的应用UL软饮料工业,1996(3):7-8141周万龙.脉冲强光杀菌对酶的钝化作用研究J.食品工业科技,1998(1):153蒋志刚,励建荣,于平等.辐照技术在果蔬保鲜中的应用和研究进展JL食品与机械,2001,81(1):6-7吴肖,刘通讯.物理杀菌技术J.食品与机械,1999(6):65-67171金伟,平雪良,吉祥,等.高压脉冲电场杀菌系统的研究进展J食品与机械,2012,28(1):247258ZhangQ.H.PEFEquipmentandScale-upIssues(Abstract).!IthWorldCongressofFoodandTechnolgy,2001(50):W05-2应雪正,王剑平,叶尊忠.国内外高压脉冲电场食品杀菌关键技术概况J.食品科技,2006(3):4-81101PalaniappanS,SastryS.K.,RichterE.R.EffectsofelectricityOnJournalofFoodProcessingandPreservatio
