电导率对P E F灭菌中脉冲波形和能量变化关系研究

胡大华，平雪良，金 伟，姚文龙

（江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

高压脉冲电场杀菌（PEF）是一种非热力杀菌技术。它是将待灭菌液态物料采用泵送等方式流经设置有高强脉冲电场的处理器，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[1]。它具有处理时间短、能耗低、传递快速等优点，广泛的应用于食品，特别是液体食品的杀菌。PEF处理工艺参数主要包括：电场强度、脉冲波形、处理时间、电导率、处理温度等[2]。脉冲波形和处理温度是PEF处理效果的关键因素。处理介质的电导率决定着处理室等效阻抗的大小，等效阻抗的大小又会影响脉冲电源输出的脉冲波形参数[3]。因此对处理效果的影响是电场强度、波形、电导率、温度等基础电气参数的综合体现。Neumann[4]提出由于介质电导率改变，处理室电阻变化很大，由此造成的能量耗散将导致物料温度的增加，从而使其电导率增加，两电极之间的峰值电场强度和能量输入下降。Sheshakamal Jayaram[5]研究也发现，在脉冲宽度保持不变的情况下，低电导率更能够影响细胞膜的通透率。国内关于PEF的灭菌研究，由于起步晚与设备硬件条件的限制，各研究机构自行设计的高压脉冲装置技术不成熟，仪器不稳定，直接导致处理相同的液体食品所需要的电场强度不尽相同。在PEF处理工艺参数方面，方婷等[6]利用自行设计的高压脉冲电场装置探讨了不同条件对冷冻浓缩枇杷汁电导率的影响，结果表明，在前处理时，均质、脱气可有效地提高高压脉冲杀菌过程中仪器的稳定性和可靠性；经预冷后的不同浓度枇杷汁的电导率随着温度的降低而逐渐减小。龚雪梅[7]研究指出电导率对杀菌效果影响不显著，高电导率反而会使处理后样液温度升高，增加无效能耗。为了实现PEF工业化处理减少能耗的需求，研究液态食品的电导率对单个脉冲波形的影响，理解波形变化与能量变化关系，有助于进一步改进脉冲杀菌设备。本文在江南大学研制中试规模高压脉冲杀菌系统（JNUPEF）的基础上，对不同电导率物料进行处理，通过测量处理温度与脉冲波形来反映杀菌过程中能量的关系，为优化脉冲发生装置设计提供理论依据。

1 高压脉冲系统

1.1 脉冲发生器

江南大学研制的30kV高压脉冲发生器原理如图1所示，每个高压半导体电子开关都采用一系列大功率开关器件（IGBT）串并联控制。在系统中要保证所有的IGBT开关一致。电压平均降压到各个IGBT上。目前，PEF杀菌系统采用负极性方波脉冲，脉冲上升沿时间小于200ns，脉冲宽度为1～10μs，脉冲频率1～3000Hz，高压电源为0～30kV可调[8]。

1.2 处理室

图2是极板间距为4mm，电极内径为3.5mm的连续式同场处理室的三维模型。处理室的个数为6个。为了提高处理室的结构和性能，课题组对同场处理室中电场分布，温度分布，流体特性分别采用多物理耦合场分析软件COMSOL Multiphysics[9－11]进行模拟仿真，对影响杀菌效果的结构参数进行了改进。图3是改进前的同场处理室仿真分析的电场分布图，图中可以直观的看出处理区域各部分电场分布。在电极与绝缘体之间的直角过渡处产生尖峰电场。改进后在电极与绝缘体之间的圆角过渡，可以极大的降低电场强度。

1.3 仪表

PEF处理室上的峰值电压利用Tektronix TDS2012C示波器与分压比为100∶1的高压电子分压器相连接获得。实际波形会优于示波器测量的波形，因为高压电子分压器非纯电阻负载。

2 材料与方法

2.1 实验材料

本实验主要以不同浓度的NaCl溶液为实验对象，利用JNU－PEF高压脉冲电场设备探究液体食品的电导率与所引起能量变化关系。表1给出了不同浓度NaCl溶液电导率与电阻率，其中电阻率是电导率的倒数。

2.2 参数设定

不同浓度NaCl溶液利用蠕动泵以330mL/s的流速送入处理室。施加的高压脉冲频率为212Hz，脉冲宽度设定为2.5μs，施加到样品上的电压为8kV，相应的电场强度20kV/cm。处理室输出端的脉冲波形通过labview软件读取和保存。

3 结果与分析

3.1 电导率与脉冲上升沿

图4是PEF处理时不同电导率条件下的单个脉冲的脉冲波形。

图4（a）～图4（d）是物料浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的NaCl溶液的电压波形。四种波形在波形的触发阶段均出现能量缺损，出现类似指数波形状。由表1可知NaCl溶液的电导率随着溶液浓度的升高而增大，在电压相等的条件下，图4（a）图溶液的电导率为0.24s/m，波形接近于方波，脉冲上升时间为200ns，能量损耗较小；图4（b）图脉冲波形基本保持方波，但是脉冲上升时间比a图稍有延长；图4（c）方波波形已无法保证，脉冲上升沿逐渐变为圆弧过渡；图4（d）图波形在上升沿触发阶段呈现圆弧过渡，脉冲上升时间达到了0.8μs，能量损耗偏大。这是因为0.4%NaCl溶液的电导率较高，等效负载很小，等效负载与脉冲发生器出现了不匹配。

脉冲波形上升时间不同，脉冲能量也不同[12]。在液体食品杀菌过程中，单个脉冲输入的能量越大，高压脉冲电场的灭菌效果越好[13]。改变电导率会改变脉冲能量（J/mL）[14]。脉冲能量由下式计算所得：

式中，σ：电导率（S/m）；τ：脉冲长度（ms）；E：电场强度（kV/cm）；W：脉冲能量（J/mL）。当τ和E不变时，W随着σ变化而变化。在采用脉冲电场灭菌时，对相等的能量输入，不同电压和形状的脉冲有不同的灭菌效果。温度的影响也是比较复杂的，脉冲的能量输入使得介质和食品的温度增加。100J/mL的能量输入可使食品升温25～30℃[15]，在脉冲电场灭菌时要考虑能量与欧姆热升温的影响。当物料流经处理室过程中，电流流过液态物料产生电阻热，从而引起温升，能量守恒方程可表示成[16]：

式中，Cp（T）—常压热容，是温度的函数，J/（kg·K）；k（T）—热导率，也是温度的函数，W/（m·K）；Q—热源，W/m3，能用电导率与电场强度的函数表示：

式中，σ（T）表示物料的电导率，是温度的函数，S/m。当温度升高时，物料的电导率随之上升，由此脉冲发生器产生的脉冲上升沿时间延长，加速了能量的进一步损耗。同时温升也降低高压脉冲的杀菌效果。

当不断加入能量时，在不同电导率的作用下可以使若干微生物失活。但是从上述波形可以看出，随着电导率的增加，触发阶段能量耗损严重，更多的能量引起温升，这在处理过程中测量水浴的温升得出。因此，在用高压脉冲电场处理时，低电导率液体比高电导率液体具有更高的杀灭微生物的优势。

3.2 电导率与脉冲下降沿

对于脉冲方波而言，方波电压除去放电充到电解质电容中的部分，就是示波器测量到的结果[10]。图5所示是示波器测量的不同电导率的条件下的脉冲波形的下降沿抖动部分。

在labview软件采集的波形中可以清晰的计算出下降沿部分经过2.5μs趋于稳定。这与脉冲宽度一致。而且随着电导率的升高，抖动部分的剧烈程度也不一样。电导率越大，波形振荡衰减的振幅越大。

通过对高压脉冲电场RC电路充放电分析和极性质点运动分析。当对处理室的两端施加电压时，在电场作用下，电介质发生极化，而这个过程需要能量，在外加电场消失时，所有储存的能量释放也就产生反向电场，由于极性电荷的不平衡导致质点产生振动[9]。这一点已经被实验所证实。NaCl溶液自身非极性分子在电场作用下产生极化，导致处理室物料电导率进一步增大，极化的质点产生振动，波形先呈现放电暂态特性，然后出现振荡衰减波形。因此在设计脉冲发生器电路时必须改进脉冲优化装置，减少能量的损失。

4 结论

论文主要研究了液体食品电导率对脉冲波形和能量的影响。电导率的升高严重影响波形的触发沿上升时间，降低了PEF的杀菌效果。因此，选择有短上升沿时间的脉冲可以提高PEF的处理效果。然后再通过处理室中热量与电导率的关系式得出低电导率的液体比高电导率的液体具有更高的杀灭微生物的优势。对于PEF发生器，当处理区域的电导率改变时，特别是在高电导率的条件下，波形发生失真。同时，PEF系统中热影响升高，能量效率降低，因此在设计研制的高压脉冲电场设备时，在发生器中添加脉冲优化网络是一个很好的选择。在不同电导率的情况下能很好控制波形的稳定性并应用于食品杀菌，在处理高电导率物料方面，当设计等效负载与脉冲变压器匹配时也能够扩大PEF的适用范围。

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