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一种微波杀菌方法及设备
一、涉及技术领域
“一种微波杀菌方法及设备”的专利发明涉及生物工程、医药、化工、食品和环境工程领域。
二、背景技术
微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的电磁波，最早被用于军用雷达及通讯领域；后来人们发现，利用微波辐照物体会产生热效应，使被辐照物的温度迅速升高。微波的这一特性目前已被广泛应用于食品及医药等行业，并且大量进入了家庭，其微波发生器及相应控制技术已比较成熟和完善，工业和日常使用设备的固定专用微波频率为两种，即915MHz和2450MHz；近期科学研究表明，2450MHz的微波对微生物的杀灭效果十分显著，因此人们又开辟了一条消毒灭菌的新途径。
目前在食品、制药、农副产品加工、酿造、有机废物处理、固态发酵、化工、制造业等诸多领域，经常会遇到物料的加热与灭菌处理问题。微波处理各类食品、发酵料及含水固态物料时，需要加压才能使物料的的温度达到120℃以上，才能达到杀灭细菌芽胞的温度，实现物料彻底被灭菌的目的。
采用传统的蒸汽灭菌方法，不仅加热设备复杂，加热时间较长，热力传输损耗较大，操作麻烦，工艺过程复杂，能耗也较高，实现自动化、智能化的在线加热控制难度相当大，操作及设备运行成本高；采用微波进行物料的灭菌是替代传统灭菌方法的最佳选择之一，具有设备简单、操作容易、能耗低、热敏性物质损失少、容易实现自动化连续操作等诸多优点。微波杀菌工艺过程，不需要锅炉及其附属设备，没有蒸汽传输中的热损耗，不产生废气与废渣，符合当今国家努力倡导的节能减排要求和产业化技术改造升级的相关政策要求。
本发明专利是针对目前尚无对多种物料进行微波杀菌的通用装置的问题，提出了一种利用微波对多种含水物料进行杀菌、灭菌的方法，并提供了一种通用设备的解决方案。
三、发明内容
对人和环境有害的细菌及相关微生物一般是生长在含水的有机物料环境中，根据水的饱和蒸汽压与温度的关系(表1)可知，要使含水物料的温度达到杀菌、灭菌的温度，即120℃以上时，饱和蒸汽压要达到0.199Mpa以上才能实现。
表1、水的饱和蒸汽压与温度的关系
 

⁰CP/Mpa⁰CP/Mpa⁰CP/Mpa00.00061500.013001100.1439150.00087600.019971200.19979100.00123700.031221300.27240200.00235800.047451350.31608300.00426900.070271400.36530400.007411000.101651450.42057
基于这一原理，采用加热的带压无菌空气来维持微波加热环境的气压，可以利用微波加热将含水物料进行灭菌。
按国家有关压力容器设计和制造标准，制造耐压容器或采用现行不同规格的卧式蒸汽压力灭菌锅做成不同规格的微波灭菌设备外套(1)，以承受灭菌所需的压力环境。采用不锈钢板在设备外套内制备微波加热室(4)，微波灭菌装置的加热室设计成圆筒状，根据物料的加热要求进行微波发生器如磁控管的叠加(微波加热功率叠加)，叠加原理与方式如下：
方式一、可在圆形谐振腔的等分圆周的相应位点上进行磁控管的安装，如2等分圆周上2管安装、3等分圆周上3管安装、4等分圆周上4管安装、5等分圆周上的5管安装……。
方式二、可在圆形谐振腔的等分圆周的相应位点上进行磁控管的分组安装，如在4等分圆周上2管一组，两组4管安装、6等分圆周上2管一组，三组6管安装；3管一组，两组6管安装；12等分圆周上6管一组，两组12管安装；4管一组，三组12管安装；3管一组，四组12管安装；2管一组，六组12管安装……。
方式三、可在圆筒状谐振腔壁沿长轴方向按一定长度单位在等分圆周上进行相应组数的磁控管的安装。
采用上述方式安装磁控管，可以实现用较小功率磁控管形成较大的微波加热功率，并在一定区域内实现较为均匀的微波加热区，通过分组安装磁控管，可以实现磁控管工作时间的组间切换，能有效保证磁控管的使用寿命。
采用以上多组磁控管安装技术有以下优点：
1、可实现较大输出功率的微波加热器；
2、可实现功率可调的微波加热过程；
3、可以利用目前生产工艺十分成熟、性价比较高的900W磁控管及其控制电路；
4、单个磁控管及其控制电路性能一致，可以互换，方便维修，配件充足，易购置。
微波灭菌装置的加热室也可以根据压力容器外套的形状进行设计，根据物料的加热要求将微波发生器按功率叠加的方式安装在加热室四壁。
在微波加热室中设计一个能盛装物料的圆柱形滚筒(5)，滚筒采用耐压、耐热、微波通透率高的工程材料(聚四氟乙烯、工程陶瓷、钢化玻璃、耐热工程塑料、玻璃钢及耐火材料粘合或烧制而成)制备，内衬聚碳酸酯衬里。可以用于散装含水物料的灭菌处理，滚筒的一端可与传动轴啮合，滚筒上有进出料口(8)，有滚环(6)，滚筒在微波加热室内可以旋转滚动，以保证物料在微波加热室中受热均匀。
聚四氟乙烯在260℃以下时可以保证其材料强度满足设计要求，内衬聚碳酸酯的目的是可以用于散装原料药、食品类物料灭菌处理，在处理过程中不会产生有毒物质，能满足食品卫生的安全要求。
在微波加热室中也可以设计一个能旋转的框架(图3)，框架上放置吊篮(22)，可以对袋装类、瓶装类药品、食品及其他物品进行灭菌处理。
无菌压缩空气是利用普通空压机将空气压缩(13)，被压缩空气首先经过细砂过滤处理(14)，吸附滤除油渍和污物，再经活性炭过滤和吸附处理(15)，然后在干燥罐进行空气干燥处理(16)，干燥剂采用可重复使用的变色硅胶干燥剂、氯化钙等，经上述处理后的压缩空气经空气加热器加热(17)，最后通过精滤器(19)及细菌滤器(19)，成为带压无菌空气，输出无菌空气的压力应在0.089Mpa以上，一般选择在0.1Mpa—0.4Mpa之间。
采用多个摄像头(11)监测微波加热室中物料的加热状况，盛装于圆柱形滚筒内的散装含水物料(如固态发酵物料、中成药丸、食品原料等)，可以观察其水汽蒸发的情况，在含水物料温度低于饱和蒸汽压时的温度时，其水分蒸发不明显，当含水物料温度等于饱和蒸汽压时的温度时，物料中的水分蒸发明显，大量水汽出现，据此可以判断物料的温度。在对含水袋装药品或食品进行灭菌时，可以通过胀袋与否来判断袋装药品或食品的灭菌温度，未胀袋时，表明袋内物料的蒸汽压低于所施加的空气压力，物料灭菌温度偏低，开始胀袋时，表明物料温度已达到预期的灭菌温度，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌时间2—60分钟，视被灭菌的物料性质及其灭菌要求而定。
灭菌温度除利用内置摄象头监测外，主要利用设备内压力控制，压力与含水物料的温度关系可参照表1确定。
四、附图说明
图1内置物料滚筒的微波灭菌装置示意图：
1、能耐压的微波灭菌设备外套；2、压力表，3、进、放气阀，4、微波加热室，5、盛装物料的圆柱形滚筒，6、滚环，7、支承轮，8、物料滚筒的进出料口，9、电动机，10、减速器，11、摄象头，12、控制柜，13、空气压缩机，14、细砂过滤罐，15、活性炭过滤罐，16、空气干燥罐，17、空气加热器，18、空气精滤器，19、细菌过滤器；20、灭菌设备支座。
图2内置物料滚筒的微波灭菌装置开门断面示意图。
图3内置旋转的框架和吊篮的微波灭菌装置示意图：
21、旋转的框架纵梁，22、活动吊篮，23、旋转的框架转轴，24、旋转的框架横梁。
图4内置旋转的框架和吊篮的微波灭菌装置开门断面示意图。
五、具体实施方式
(一)、固态发酵物料的灭菌：在固态发酵生产红曲、蛋白酶、柠檬酸、乙醇、乳酸、赤霉素、酱油、食醋、白酒、蛋白饲料、食用菌等的生产过程中，固态发酵用的培养基需要进行灭菌处理。将需灭菌处理的固态物料，装入物料滚筒(5)，用小车送入微波加热设备的微波加热室(4)中，将物料滚筒上的滚环与支撑轮吻合，减速机上的驱动轴与滚筒吻合，然后关闭微波灭菌设备上的密封门，开启进气阀(3)，通过空压机及其无菌空气系统(13—19)向微波灭菌设备内压入无菌空气，无菌空气的工作压力一般选择在0.1Mpa—0.4Mpa之间，微波加热时间2—60分钟，视被灭菌的物料性质于灭菌要求而定，物料的灭菌温度可以通过微波加热室内的摄象头(11)进行监测，在含水物料温度低于饱和蒸汽压时的温度时，其水分蒸发不明显，当含水物料温度等于饱和蒸汽压时的温度时，物料中的水分蒸发明显，大量水汽出现，据此可以判断物料的温度，料温度已达到预期的灭菌温度，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌后，采用不加热的无菌空气迅速进行冷却，并同时卸压，冷却并卸压后，打开微波灭菌设备上的密封门，取出物料滚筒，卸出已被灭菌的物料。(二)、药品和食品加工过程中，常需要对一些袋装食品进行灭菌处理，可将需要灭菌处理的袋装物品盛装于活动吊篮(22)内，吊篮悬挂于微波加热室内的旋转的框架(24)上然后关闭微波灭菌设备外套上的密封门，开启进气阀(3)，通过空压机及其无菌空气系统(13—19)向微波灭菌设备内压入无菌空气，无菌空气的工作压力一般选择在0.1Mpa—0.4Mpa之间，微波灭菌时间2—60分钟，视被灭菌的物料性质与灭菌要求而定，物料的灭菌温度可以通过胀袋与否来判断，袋装药品或食品未胀袋时，表明袋内物料的蒸汽压低于所施加的空气压力，物料灭菌温度偏低，开始胀袋时，表明物料温度已达到预期的灭菌温度，可以按工艺要求采取保温处理，达到相关的灭菌要求。灭菌后，采用不加热的无菌空气迅速进行冷却，并同时卸压，冷却并卸压后，打开微波灭菌设备外套上的密封门，取出物料滚筒，卸出已被灭菌的物料。