低压脉冲磁场杀菌试验装置的设计

摘要：通过采用高容量电容器低压充放电、电容限流和可编程控制技术，设计了脉冲电场发生系统的充电部分、放电部分、控制部分和脉冲磁场作用系统的螺线管线圈。自行设计的低压脉冲磁场杀菌试验装置可获得较高的单次脉冲能量和峰值磁场强度，同时保证了操作的安全可靠性，对生活污水和牛初乳具有杀菌作用。蒸汽高温灭菌是目前最常用的无毒、无害化灭菌处理方式之一。虽然蒸汽高温可以杀灭细菌，灭菌，但该方法不适合对于热敏感物料的杀菌处理。脉冲磁场杀菌是一种物理冷杀菌技术，具有杀菌物料的温升低，无漏磁问题，功率消耗低，杀菌效率高，杀菌效果好，易于控制，穿透能力强及杀菌等特点。

由于脉冲磁场杀菌不加热、时间短，因此在冷杀菌工艺中有着广阔的市场潜力。大量的研究表明高强度脉冲磁场杀菌在食品、水处理等行业有很重要的应用价值。但是在目前的脉冲磁场发生装置中，所采用的放电压太高，一般从几千伏到几万伏。如此高的电压给操作者带来了快 大的不方便，安全性能也比较差，这些都阻碍了脉冲磁场在杀菌领域中的研究和发展，更限制了其在工业生产中的应用和推广。本文着重介绍低压脉冲磁场杀菌试验装置的工作原理、结构、功能及参数设计，希望为低压脉冲磁场下杀菌技术的研究提供参考。

1 低压脉冲磁场杀菌试验装置的工作原理

低压脉冲磁场杀菌试验装置的原理，主要包括脉冲电场发生系统和脉冲磁场作用系统两个部分。脉冲电场发生系统产生的脉冲电流通过磁场作用系统的螺线管线圈产生高强度的脉冲磁场，高强度的脉冲磁场将物料中的细菌杀死。电磁场杀菌是利用电磁能破坏或影响微生物机体组织结构从而达到消灭或抑制微生物的目的。

脉冲磁场是一种电磁场，在物料杀菌过程中，会产生电磁效应，主要有感应电流效应，洛伦兹力效应，振荡效应及电离效应等，这些电磁效应会引起细胞的生物学效应，对杀菌过程有着重要影响。脉冲磁场杀菌时，每次脉冲磁场持续的时间很短，一般为几微秒到几毫秒，数次脉冲就可以使物料的杀菌率达到 90% 以上。利用脉冲磁场在常温常压下进行瞬时杀菌，主要由 4 个要素组成: 线圈中的磁场强度，脉冲次数，脉冲电流的波形特征及物料特征。

2 脉冲电场发生系统

脉冲电场发生系统是低压脉冲磁场杀菌装置的主要部分，主要由充电回路部分、放电回路部分和控制部分组成。

2.1 充电回路部分

主要包括调压器、升压器、整流器、限流器、充电开关和电容器等。充电的具体工作过程为 220V 交流电，经过调压器 T1，再经过升压变压器 T2和电容 CＲ限流，得到了电压和电流满足要求的交流电，该交流电经过高压整流硅堆整流成为直流电源，当充电开关 K1闭合时，直流电源对电容器组进行充电，当充电开关 K1断开时，充电结束。

电容器存储的能量可用下式计算。

Ec=12CU2c( 1)

式中 Ec———电容器存储的能量/J

C———电容器的电容 / F

Uc———电容器的充电电压/V

由式( 1) 可知，随着 Uc和 C 的增加，Ec增加。

采用较低的充电电压，既可采用在单位体积或单位重量内存储较多能量的电解电容器，又能保证操作的安全可靠。因此在试验中选用了 4 个10000 μF 的电解电容器，采用低压充电技术，充电电压在 0 ～450 V 范围内连续可调，单次脉冲的较大能量为 4.05 kJ。相对电阻限流的方式充电，电容限流的充电方式具有能量利用率高等优点，因此本文采用了电容限流的方式充电，提高了充电效率。由于脉冲电源的功率较大，为提高充电效率，设计选取了 360 μF 的交流电容作为限流电容，充电平均电流一般在 20 ～30 A 范围内。

2.2 放电回路部分

主要由电容器、放电开关及螺线管线圈构成。放电的具体工作过程为脉冲开关的触发开关闭合，放电开关 K2导通，放电回路导通，电容器组开始对螺线管线圈 L 进行放电。为计算简便，可以忽略回路电阻，此时峰值脉冲电流可用下式计算。

Im= Uc( C/L)12= ( 2Ec/ L)12( 2)

式中 Im———峰值脉冲电流/A

L———回路电感 / H

由式( 2) 可知，峰值脉冲电流决定于电容器的充电电压 Uc，电容量 C( 也就是决定于电容器储存的总能量 Ec) 和电感 L。电压 Uc和电容量 C升高，电流 Im增加; 而电感 L 增加，则电流 Im减小。因此，使用低压高容量的电容器，同样也可以获得较大的峰值脉冲电流。当电容器选定后，电容量和电压就已经确定了。因此，减少主放电回路各部分的电感，可以提高脉冲电流峰值。采用层数少的螺线管线圈及低电感的电容，可以减少回路电感。

2.3 控制部分

脉冲电场发生系统的控制部分原理，主要由 PLC、充电开关 K1、放电开关 K2及开关的控制电路组成。控制部分用来调整充电和放电周期，保证充电与放电不同时进行。可编程控制器的定时误差仅为 1 微秒，晶体管的动作周期，闭合时间和延时时间可设定。PLC 的输出端 Y000 和 Y001 分别连接充电开关和放电开关的控制电路部分，间接控制充电开关和放电开关。图 4 中 Y000 和 Y001 为输出端，当输入端 X000 变为高电平后，输出端 Y000和 Y001 开始工作，其周期分别为 T1+ T2( T3+T4) ，脉冲宽度分别为 T2，T4的脉冲列。T5为延时接通功能模块。X000 为接通后，控制充电的输出端 Y000 的定时器 T1开始工作。延时定时器T5同时开始工作，Y001 为低电平。当 Y000 经过T1变为高电平时，Y001 的 T3开始工作，其仍为低电平。Y000 经过 T2后由高电平变成低电平，此时为了保护电路，避免充电与放电同时进行，所以 T2和 T3不能相等，它们之间需要一个时间差 t。控制放电的输出端 Y001 的定时器 T3结束后，再经过T4，Y001 由接通变为断开，由此一个周期结束。

3 脉冲磁场作用系统

脉冲磁场作用系统主要由螺线管工作线圈、试管、物料、基座及冷却循环水组成。螺线管是磁场处理系统的部分，其轴线中心磁场强度和电感计算分别如下式:

H0=NI( 4r2+ l2)12( 3)L =μ0N2S( 4r2+ l2)12( 4)

式中 H0———轴线中心磁场强度/A·m－ 1

N———空心螺线管匝数

I———电流 / A

r———半径 / mm

l———测试样品有效磁路长度 / mm

L———电感 / H

μ0———真空磁导率/H·m－ 1

S———螺线管横截面积 / mm2

实际生产中常采用多层密绕螺线管产生磁场，如果螺线管的内外层半径分别为 r1和 r2，可用其平均半径 r = ( r1+ r2) /2，计算螺线管的轴线中心磁场强度和电感。可见，随着脉冲电流的峰值和螺线管匝数的增加，脉冲磁场的峰值强度增加; 螺线管的长度、半径和匝数，同时影响脉冲磁场的峰值强度和电感的大小。根据文献试验得到的结论，在条件许可的情况下，尽可能选择层数较少的线圈，可获得更高的磁场强度。本次设计中选取的线圈层数为4，匝数为 60，由内径为 4mm，外径为 6mm 的空心铜管缠结而成; 线圈总长度为 110 mm，平均直径为 50mm，工作空间直径为 25mm; 由于脉冲放电过程中产生的电流峰值很高，为保证该装置能连续工作，不发热，需要对空心铜管通水冷却。

4 磁场强度测量与杀菌效果测试

采取上述设计的低压脉冲磁场杀菌试验装置，较低地控制了制造成本，同时保证了操作的安全性。通过测量，当 U0= 400 V 时，工作线圈中的脉冲电流峰值可以达到 4000 A 左右，则螺线管中心磁场强度峰值可以达到 4 T 左右。利用自行设计的低压脉冲磁场杀菌试验装置对静止的 15 mL生活污水和牛初乳的进行了杀菌测试，结果表明当磁场强度为3．19 T( 脉冲电压为307 V) ，充放电周期为 6 s，脉冲作用次数为 20 次时，磁场处理后生活废水中的菌落总数由6.3 × 104cfu / mL 下降到 9.1 ×103cfu / mL，牛初乳中的菌落总数由 7.1× 1012cfu / mL 下降到 6.7 × 108cfu / mL。低压脉冲磁场杀菌试验装置具有一定的杀菌作用，但杀菌效果还不能达到商业要求，且杀菌物料的体积非常有限，因此，该装置距离实际应用还有一段距离，还需要进一步研究和完善。

来源：惠合UHT灭菌机网