電導(dǎo)率對(duì)P E F滅菌中脈沖波形和能量變化關(guān)系研究

胡大華，平雪良，金 偉，姚文龍

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

高壓脈沖電場(chǎng)殺菌（PEF）是一種非熱力殺菌技術(shù)。它是將待滅菌液態(tài)物料采用泵送等方式流經(jīng)設(shè)置有高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)的處理器，微生物在極短時(shí)間內(nèi)受強(qiáng)電場(chǎng)力作用后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，菌體死亡[1]。它具有處理時(shí)間短、能耗低、傳遞快速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于食品，特別是液體食品的殺菌。PEF處理工藝參數(shù)主要包括：電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖波形、處理時(shí)間、電導(dǎo)率、處理溫度等[2]。脈沖波形和處理溫度是PEF處理效果的關(guān)鍵因素。處理介質(zhì)的電導(dǎo)率決定著處理室等效阻抗的大小，等效阻抗的大小又會(huì)影響脈沖電源輸出的脈沖波形參數(shù)[3]。因此對(duì)處理效果的影響是電場(chǎng)強(qiáng)度、波形、電導(dǎo)率、溫度等基礎(chǔ)電氣參數(shù)的綜合體現(xiàn)。Neumann[4]提出由于介質(zhì)電導(dǎo)率改變，處理室電阻變化很大，由此造成的能量耗散將導(dǎo)致物料溫度的增加，從而使其電導(dǎo)率增加，兩電極之間的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度和能量輸入下降。Sheshakamal Jayaram[5]研究也發(fā)現(xiàn)，在脈沖寬度保持不變的情況下，低電導(dǎo)率更能夠影響細(xì)胞膜的通透率。國內(nèi)關(guān)于PEF的滅菌研究，由于起步晚與設(shè)備硬件條件的限制，各研究機(jī)構(gòu)自行設(shè)計(jì)的高壓脈沖裝置技術(shù)不成熟，儀器不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致處理相同的液體食品所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度不盡相同。在PEF處理工藝參數(shù)方面，方婷等[6]利用自行設(shè)計(jì)的高壓脈沖電場(chǎng)裝置探討了不同條件對(duì)冷凍濃縮枇杷汁電導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明，在前處理時(shí)，均質(zhì)、脫氣可有效地提高高壓脈沖殺菌過程中儀器的穩(wěn)定性和可靠性；經(jīng)預(yù)冷后的不同濃度枇杷汁的電導(dǎo)率隨著溫度的降低而逐漸減小。龔雪梅[7]研究指出電導(dǎo)率對(duì)殺菌效果影響不顯著，高電導(dǎo)率反而會(huì)使處理后樣液溫度升高，增加無效能耗。為了實(shí)現(xiàn)PEF工業(yè)化處理減少能耗的需求，研究液態(tài)食品的電導(dǎo)率對(duì)單個(gè)脈沖波形的影響，理解波形變化與能量變化關(guān)系，有助于進(jìn)一步改進(jìn)脈沖殺菌設(shè)備。本文在江南大學(xué)研制中試規(guī)模高壓脈沖殺菌系統(tǒng)（JNUPEF）的基礎(chǔ)上，對(duì)不同電導(dǎo)率物料進(jìn)行處理，通過測(cè)量處理溫度與脈沖波形來反映殺菌過程中能量的關(guān)系，為優(yōu)化脈沖發(fā)生裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 高壓脈沖系統(tǒng)

1.1 脈沖發(fā)生器

江南大學(xué)研制的30kV高壓脈沖發(fā)生器原理如圖1所示，每個(gè)高壓半導(dǎo)體電子開關(guān)都采用一系列大功率開關(guān)器件（IGBT）串并聯(lián)控制。在系統(tǒng)中要保證所有的IGBT開關(guān)一致。電壓平均降壓到各個(gè)IGBT上。目前，PEF殺菌系統(tǒng)采用負(fù)極性方波脈沖，脈沖上升沿時(shí)間小于200ns，脈沖寬度為1～10μs，脈沖頻率1～3000Hz，高壓電源為0～30kV可調(diào)[8]。

1.2 處理室

圖2是極板間距為4mm，電極內(nèi)徑為3.5mm的連續(xù)式同場(chǎng)處理室的三維模型。處理室的個(gè)數(shù)為6個(gè)。為了提高處理室的結(jié)構(gòu)和性能，課題組對(duì)同場(chǎng)處理室中電場(chǎng)分布，溫度分布，流體特性分別采用多物理耦合場(chǎng)分析軟件COMSOL Multiphysics[9－11]進(jìn)行模擬仿真，對(duì)影響殺菌效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。圖3是改進(jìn)前的同場(chǎng)處理室仿真分析的電場(chǎng)分布圖，圖中可以直觀的看出處理區(qū)域各部分電場(chǎng)分布。在電極與絕緣體之間的直角過渡處產(chǎn)生尖峰電場(chǎng)。改進(jìn)后在電極與絕緣體之間的圓角過渡，可以極大的降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

1.3 儀表

PEF處理室上的峰值電壓利用Tektronix TDS2012C示波器與分壓比為100∶1的高壓電子分壓器相連接獲得。實(shí)際波形會(huì)優(yōu)于示波器測(cè)量的波形，因?yàn)楦邏弘娮臃謮浩鞣羌冸娮柝?fù)載。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)主要以不同濃度的NaCl溶液為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用JNU－PEF高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備探究液體食品的電導(dǎo)率與所引起能量變化關(guān)系。表1給出了不同濃度NaCl溶液電導(dǎo)率與電阻率，其中電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。

2.2 參數(shù)設(shè)定

不同濃度NaCl溶液利用蠕動(dòng)泵以330mL/s的流速送入處理室。施加的高壓脈沖頻率為212Hz，脈沖寬度設(shè)定為2.5μs，施加到樣品上的電壓為8kV，相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度20kV/cm。處理室輸出端的脈沖波形通過labview軟件讀取和保存。

3 結(jié)果與分析

3.1 電導(dǎo)率與脈沖上升沿

圖4是PEF處理時(shí)不同電導(dǎo)率條件下的單個(gè)脈沖的脈沖波形。

圖4（a）～圖4（d）是物料濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的NaCl溶液的電壓波形。四種波形在波形的觸發(fā)階段均出現(xiàn)能量缺損，出現(xiàn)類似指數(shù)波形狀。由表1可知NaCl溶液的電導(dǎo)率隨著溶液濃度的升高而增大，在電壓相等的條件下，圖4（a）圖溶液的電導(dǎo)率為0.24s/m，波形接近于方波，脈沖上升時(shí)間為200ns，能量損耗較小；圖4（b）圖脈沖波形基本保持方波，但是脈沖上升時(shí)間比a圖稍有延長(zhǎng)；圖4（c）方波波形已無法保證，脈沖上升沿逐漸變?yōu)閳A弧過渡；圖4（d）圖波形在上升沿觸發(fā)階段呈現(xiàn)圓弧過渡，脈沖上升時(shí)間達(dá)到了0.8μs，能量損耗偏大。這是因?yàn)?.4%NaCl溶液的電導(dǎo)率較高，等效負(fù)載很小，等效負(fù)載與脈沖發(fā)生器出現(xiàn)了不匹配。

脈沖波形上升時(shí)間不同，脈沖能量也不同[12]。在液體食品殺菌過程中，單個(gè)脈沖輸入的能量越大，高壓脈沖電場(chǎng)的滅菌效果越好[13]。改變電導(dǎo)率會(huì)改變脈沖能量（J/mL）[14]。脈沖能量由下式計(jì)算所得：

式中，σ：電導(dǎo)率（S/m）；τ：脈沖長(zhǎng)度（ms）；E：電場(chǎng)強(qiáng)度（kV/cm）；W：脈沖能量（J/mL）。當(dāng)τ和E不變時(shí)，W隨著σ變化而變化。在采用脈沖電場(chǎng)滅菌時(shí)，對(duì)相等的能量輸入，不同電壓和形狀的脈沖有不同的滅菌效果。溫度的影響也是比較復(fù)雜的，脈沖的能量輸入使得介質(zhì)和食品的溫度增加。100J/mL的能量輸入可使食品升溫25～30℃[15]，在脈沖電場(chǎng)滅菌時(shí)要考慮能量與歐姆熱升溫的影響。當(dāng)物料流經(jīng)處理室過程中，電流流過液態(tài)物料產(chǎn)生電阻熱，從而引起溫升，能量守恒方程可表示成[16]：

式中，Cp（T）—常壓熱容，是溫度的函數(shù)，J/（kg·K）；k（T）—熱導(dǎo)率，也是溫度的函數(shù)，W/（m·K）；Q—熱源，W/m3，能用電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)表示：

式中，σ（T）表示物料的電導(dǎo)率，是溫度的函數(shù)，S/m。當(dāng)溫度升高時(shí)，物料的電導(dǎo)率隨之上升，由此脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖上升沿時(shí)間延長(zhǎng)，加速了能量的進(jìn)一步損耗。同時(shí)溫升也降低高壓脈沖的殺菌效果。

當(dāng)不斷加入能量時(shí)，在不同電導(dǎo)率的作用下可以使若干微生物失活。但是從上述波形可以看出，隨著電導(dǎo)率的增加，觸發(fā)階段能量耗損嚴(yán)重，更多的能量引起溫升，這在處理過程中測(cè)量水浴的溫升得出。因此，在用高壓脈沖電場(chǎng)處理時(shí)，低電導(dǎo)率液體比高電導(dǎo)率液體具有更高的殺滅微生物的優(yōu)勢(shì)。

3.2 電導(dǎo)率與脈沖下降沿

對(duì)于脈沖方波而言，方波電壓除去放電充到電解質(zhì)電容中的部分，就是示波器測(cè)量到的結(jié)果[10]。圖5所示是示波器測(cè)量的不同電導(dǎo)率的條件下的脈沖波形的下降沿抖動(dòng)部分。

在labview軟件采集的波形中可以清晰的計(jì)算出下降沿部分經(jīng)過2.5μs趨于穩(wěn)定。這與脈沖寬度一致。而且隨著電導(dǎo)率的升高，抖動(dòng)部分的劇烈程度也不一樣。電導(dǎo)率越大，波形振蕩衰減的振幅越大。

通過對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)RC電路充放電分析和極性質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析。當(dāng)對(duì)處理室的兩端施加電壓時(shí)，在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化，而這個(gè)過程需要能量，在外加電場(chǎng)消失時(shí)，所有儲(chǔ)存的能量釋放也就產(chǎn)生反向電場(chǎng)，由于極性電荷的不平衡導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)[9]。這一點(diǎn)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。NaCl溶液自身非極性分子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化，導(dǎo)致處理室物料電導(dǎo)率進(jìn)一步增大，極化的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，波形先呈現(xiàn)放電暫態(tài)特性，然后出現(xiàn)振蕩衰減波形。因此在設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器電路時(shí)必須改進(jìn)脈沖優(yōu)化裝置，減少能量的損失。

4 結(jié)論

論文主要研究了液體食品電導(dǎo)率對(duì)脈沖波形和能量的影響。電導(dǎo)率的升高嚴(yán)重影響波形的觸發(fā)沿上升時(shí)間，降低了PEF的殺菌效果。因此，選擇有短上升沿時(shí)間的脈沖可以提高PEF的處理效果。然后再通過處理室中熱量與電導(dǎo)率的關(guān)系式得出低電導(dǎo)率的液體比高電導(dǎo)率的液體具有更高的殺滅微生物的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于PEF發(fā)生器，當(dāng)處理區(qū)域的電導(dǎo)率改變時(shí)，特別是在高電導(dǎo)率的條件下，波形發(fā)生失真。同時(shí)，PEF系統(tǒng)中熱影響升高，能量效率降低，因此在設(shè)計(jì)研制的高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備時(shí)，在發(fā)生器中添加脈沖優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的選擇。在不同電導(dǎo)率的情況下能很好控制波形的穩(wěn)定性并應(yīng)用于食品殺菌，在處理高電導(dǎo)率物料方面，當(dāng)設(shè)計(jì)等效負(fù)載與脈沖變壓器匹配時(shí)也能夠擴(kuò)大PEF的適用范圍。

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