一种固态物料的微波连续加热灭菌方法.pdf

采用向微波连续加热装置内持续压入加热的带压无菌空气和采用往复活塞式密封阀解决整套微波加热装置的带压运行和进出料操作，实现利用微波加热将固态物料进行连续灭菌处理的方法。与传统的蒸汽加热及灭菌相比，可以明显缩短灭菌时间，没有环境污染问题，具有设备简单、能耗低、容易操作和容易实现自动化的许多优点。该方法可应用于食品、制药、酿造、有机废物处理、固态发酵、化工等诸多技术领域。

权利要求书
1、  采用加热的带压无菌空气来维持微波加热环境的工作气压，采用往复活塞式密封阀解决整套微波加热装置的带压运行和进出料操作，实现利用微波加热将固态物料进行连续灭菌处理。

2、  固态物料的微波连续灭菌装置由螺旋推进器(4)、微波加热室(5)、电动机(18)、变速箱(20)、空气压缩机(8)、细砂过滤罐(9)、活性炭过滤罐(10)、空气干燥罐(11)、空气加热器(12)、空气精滤器(13)、细菌过滤器(14)、往复活塞密封阀(2)、传动轮(21)、控制柜(16)、活动(或固定)支架(15)、可调升降(或固定)支架(19)、进料斗(1)、出料口(6)、温度传感器(7)、观察窗(3)及装置支架(17)组成；将需灭菌的固态物料由进料斗(1)通过活塞密封阀(2)加入螺旋推进器(4)，沿着螺旋推进器长轴方向被推向前方出料口(6)，固态物料在移动过程中，经微波加热室(5)被加热灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度及无菌空气的工作压力调节控制，被灭菌后的固态物料从出料口(6)通过活塞密封阀排出，整个灭菌过程可以连续进行。

3、  根据权利要求1所述的固态物料灭菌方法，其特征在于：向连续灭菌装置中压入加热的带压无菌空气，装置内无菌空气的压力应在0.089Mpa以上，一般选择在0.1Mpa-0.21Mpa之间；使微波能将固态物料的温度加热到120℃以上，物料的热解或焦化温度以下。

4、  根据权利要求1所述的固态物料灭菌方法，其特征在于：固态物料的进出微波加热装置的速度可以通过调节往复活塞式密封阀的往复频率控制，往复活塞式密封阀采用气压、液压或电机驱动，利用电磁阀和相关控制电路容易进行往复频率的控制。

5、  根据权利要求2所述的装置，其特征在于：该装置的加热室被设计成圆筒形，微波发生器按一定长度和圆周等分点位，分组安装在加热室的圆筒形谐振腔内，并可分组切换交替工作；该装置连续工作时，微波加热功率可按微波发生器的功率叠加原理，在线调整。

6、  根据权利要求2所述的装置，其特征在于：螺旋推进器可以水平和倾斜放置即0°≤倾斜角度≥90°，螺旋推进器的器壁上安装温度传感器，可以对加热物料进行在线温度测控。

7、  根据权利要求2所述的装置，其特征在于：当从固态物料的微波连续灭菌装置进、出料口卸下往复式活塞阀，除去无菌空气制备装置后，该方法可用于固态物料100℃以下的连续加热过程。

说明书一种固态物料的微波连续加热灭菌方法
一、涉及技术领域
一种固态物料的微波连续加热灭菌方法涉及生物工程、化工、食品和环境工程领域。
二、背景技术
颗粒、粉粒状等固态物料采用微波加热和灭菌与传统的蒸汽加热及灭菌相比，可以明显缩短灭菌时间，没有环境污染问题，具有设备简单、能耗低、容易操作和容易实现自动化的许多优点。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，经常会遇到固态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，达到杀灭细菌芽胞的温度，因此需要在带压状态下连续进出料，才能实现固态物料彻底被灭菌的目的。
三、发明内容
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固态物料进行灭菌。基于这一原理，我们设计了螺旋推进式固态物料的微波连续灭菌装置。我们采用空压机向微波加热装置中充入加热的带压无菌空气，用以调控微波加热装置内部的工作压力，采用往复活塞式密封阀解决整套微波加热装置的带压运行和进出料操作，实现微波对固态物料的连续灭菌处理。
固态物料的微波连续灭菌装置由螺旋推进器(4)、微波加热室(5)、电动机(18)、变速箱(20)、空气压缩机(8)、细砂过滤罐(9)、活性炭过滤罐(10)、空气干燥罐(11)、空气加热器(12)、空气精滤器(13)、细菌过滤器(14)、往复活塞密封阀(2)、传动轮(21)、控制柜(16)、活动(或固定)支架(15)、可调升降(或固定)支架(19)、进料斗(1)、出料口(6)、温度传感器(7)、观察窗(3)及装置支架(17)组成。
固态物料的微波连续加热灭菌的目标是这样实现的：将需灭菌的固态物料由进料斗(1)通过活塞密封阀(2)加入螺旋推进器(4)，沿着螺旋推进器长轴方向被推向前方出料口(6)，固态物料在移动过程中，经微波加热室(5)被加热灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度及无菌空气的工作压力调节控制，被灭菌后的固态物料从出料口(6)通过活塞密封阀排出。整个灭菌过程可以连续进行。
螺旋推进式固态物料的微波连续加热装置的螺旋推进器采用耐压、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。
螺旋推进器可以水平和倾斜放置，螺旋推进器水平推进物料时，常因推进阻力较大而使物料发生轻度压缩，将螺旋推进器倾斜(0°≤倾斜角度≥90°)放置后，可利用重力对物料的作用减少物料推进阻力，减轻推进过程中物料被压缩的程度，降低物料推进动力能耗。在螺旋推进器进料斗一端的下部安装升降装置，在螺旋推进器出料口一端的下部安装活动支架，可实现螺旋推进器的倾斜度调节，达到较好的推进效果；亦可以根据所需灭菌物料的性质设计出固定倾斜角度的固定支架。
固态物料的微波连续灭菌装置的加热室设计成圆筒状，根据固态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。
螺旋推进器器壁上安装温度传感器(7)，用于固态物料加热温度的在线连续测控。
无菌压缩空气是利用普通空压机将空气压缩(8)，被压缩空气首先经过细砂过滤处理(9)，吸附滤除油渍和污物，再经活性炭过滤和吸附处理(10)，然后在干燥罐进行空气干燥处理(11)，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(12)，最后通过精滤器(13)及细菌滤器(14)，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-0.21Mpa之间。利用空气压缩机向螺旋推进器(4)内持续提供无菌带压空气，采用往复活塞式密封阀(2)解决在物料装卸的同时保证螺旋推进器内部的无菌空气压力维持在工艺要求范围内的难题；使微波能将固态物料的温度加热到120℃以上，物料的热解或焦化温度以下，能满足不同类型固态物料的灭菌要求。
物料的进出速度可以通过调节往复活塞式密封阀的往复频率控制，往复活塞式密封阀采用气压、液压或电机驱动，利用电磁阀和相关控制电路容易进行往复频率的控制。
通过往复活塞式密封阀上的观察窗(3)，可以观察到固态物料进出螺旋推进器内的实际情况，以便进行工艺控制。
当从进、出料口卸下往复式活塞阀，除去无菌空气制备装置后，该方法可用于固态物料100℃以下的连续加热过程。
以上过程利用微机检测控制，容易实现自动化连续操作。
四、附图说明
图1：为固态物料的微波连续灭菌装置示意图
1、进料斗；2、往复活塞式密封阀；3、观察窗；4、螺旋推进器；5、微波加热室；6、出料口；7、温度传感器；8、空压机；9、细纱过滤罐；10、活性炭过滤罐；11、空气干燥罐；12、空气加热器；13、空气精滤罐、14、空气除菌过滤器；15、活动(或固定)支架；16、控制柜；17、设备支架；19、可调升降(或固定)支架；18、电动机；20、变速箱；21传动轮。
图2：往复活塞式密封阀内部结构
23、进排气电磁阀；25、气压室；26、气动活塞；27、活塞中的进出料管道；28、密封阀进出料孔；22、密封圈；24、安全阀。
五、具体实施方式
1、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。采用我们发明的“一种固态物料的微波连续加热灭菌方法”，将需灭菌处理的固态物料，由进料斗(1)通过活塞密封阀(2)加入螺旋推进器(4)，沿着螺旋推进器长轴方向被推向前方出料口(6)，固态物料在移动过程中，经微波加热室(5)被灭菌，灭菌温度和灭菌时间可由微波加热功率和物料推进速度与无菌空气的工作压力调节，杀菌温度视物料性质及灭菌工艺要求选择在120℃-140℃的范围，无菌空气的工作压力一般选择在0.1Mpa-0.21Mpa之间，时间2-60分钟。被灭菌后的固态物料从出料口(6)通过活塞密封阀排出。利用该工艺可以实现对上述发酵料的灭菌处理，达到相关工艺要求。该方法与传统蒸汽灭菌工艺相比，灭菌时间短，对物料的营养成分破坏程度小，同时可以不需要蒸汽锅炉，明显地简化了处理设备、降低了运行成本及管理成本、减少了对环境的污染与影响，容易实现自动化操作，具有实际应用价值。
2、食品加工过程中的固态物料的灭菌处理：在食品加工过程中，采用我们发明的“一种固态物料的微波连续加热灭菌方法”，可以对干果、蜜饯、酱菜、各种调味粉等进行连续加热灭菌处理；经灭菌处理后的相应产品食用更卫生、更安全，其产品的货架寿命和保值期更有保障。
3、中草药及植物有效成分提取的预处理：在中草药有效成分提取过程中，如白藜芦醇、人参皂甙、麻黄素、甘草酸、紫草素等的提取时，先将原料草粉进行喷水预湿后放置5～30分钟，喷水量根椐相关提取工艺而定，喷水预湿可以使草粉经微波处理时被快速加热，同时也使草粉组织结构被微波进行了破损处理。
将需微波处理的中草药药粉固态物料，由进料斗(1)通过活塞密封阀(2)加入螺旋推进器(4)，沿着螺旋推进器长轴方向被推向前方出料口(6)，固态物料在移动过程中，经微波加热室(5)被处理，处理温度和处理时间可由微波加热功率和物料推进速度与无菌空气的工作压力调节，无菌空气的工作压力一般选择在0.1Mpa-0.21Mpa之间，时间1-30分钟。被灭菌后的固态物料从出料口(6)通过活塞密封阀排出。
经以上高温瞬间微波处理，能使中草药有效成分的提取率有显著的提高。除此之外，该方法在植物色素、香精、激素、等有效成分的提取时，对提取率同样有显著的提高。
4、在有机肥生产时，国内通常采用建堆发酵腐熟的生产工艺，所生产的有机肥中难免残存有害微生物和有害小动物，蒸汽灭菌法由于需要锅炉等大型设备，蒸汽灭菌法工艺实施难度较大；采用我们发明的“一种固态物料的微波连续加热灭菌方法”，对有机肥产品进行灭菌消毒处理，可提高堆肥的堆制质量，可杀灭料堆中的有害微生物及害虫，确保腐熟的有机肥达到国家规定的相关卫生标准，这类有机肥除常规使用外，更适宜用于家庭、宾馆、餐厅的观赏花卉养殖中。