初探脉冲强光冷杀菌设备【毕业设计】.doc

1、本科毕业设计（20_届）初探脉冲强光冷杀菌设备所在学院专业班级生物工程学生姓名学号指导教师职称完成日期年月1目录中英文摘要1前言32材料与方法321脉冲强光冷杀菌仪器的设计3211脉冲强光设备设计原理3212脉冲光源的选择4212动力单元的设计4213电容式强光脉冲电路5214脉冲强光杀菌仪灯管的结构图522验证试验7221样品与试剂7222仪器设备7223实验步骤83结果与讨论931验证实验结果与分析9311自来水的杀菌实验9312黄酒的杀菌实验1032脉冲杀菌设备的分析124结论12致谢错误未定义书签。参考文献14附录错误未定义书签。2摘要脉冲强光技术是一种利用瞬间放电的脉冲工程技术和特殊

2、的惰性气体灯管，以脉冲形式激发强烈的白光，光谱分布近似太阳光，光强度相当于到达地球表面太阳光强度的数千乃至数万倍的一种世界领先的光源技术。脉冲强光冷杀菌技术利用脉冲产生的强光照射待杀菌食品等物质以达到低温杀菌的效果。使用该装置对加菌自来水和黄酒中的酵母进行杀菌实验，对脉冲光的杀菌影响因素进行研究。并测试该设备的杀菌效果，通过PDA培养基对不同杀菌次数的样本和原样培养，用倾注法培养计数，计算细菌残留率，对比杀菌效果。结果表明，脉冲强光对加菌自来水和黄酒中酵母菌的杀菌效果显着。在脉冲强度、闪照次数、流速等因素不变的情况下，灭菌时间越长，杀菌越显着。关键词脉冲强光；冷杀菌；设备ABSTRACTTHE

3、PULSEDLIGHTTECHNOLOGYUSESATRANSIENTDISCHARGEPULSEENGINEERINGANDSPECIALINERTGASLAMP,INORDERTOSTIMULATEASTRONGWHITELIGHTPULSES,SPECTRALDISTRIBUTIONSIMILARTOSUNLIGHT,THELIGHTINTENSITYISTHOUSANDSOFTIMESTHEINTENSITYOFSUNLIGHTREACHINGTHEEARTHSSURFACE,ANDITISAWORLDLEADERINLIGHTINGTECHNOLOGYCOLDSTERILIZATIO

4、NPULSEDLIGHTPULSETOBEGENERATEDBYSTRONGLIGHTINORDERTOACHIEVESTERILIZATIONOFFOODANDOTHERMATERIALTHEEFFECTOFLOWTEMPERATURESTERILIZATIONWHITERICEWINEUSINGTHEDEVICEFORSTERILIZATIONINTHEYEASTEXPERIMENTS,THEBACTERICIDALEFFECTOFPULSEDLIGHTOFTHEFACTORSANDTESTTHEEQUIPMENT,STERILIZATION,STERILIZATIONBYPDAMEDIU

5、MNUMBEROFDIFFERENTSAMPLESANDINTACTCULTUREDWITHCULTURECOUNTINGMETHODDEVOTEDTOCALCULATERESIDUALRATEOFBACTERIA,COMPAREDTOSTERILIZATIONTHERESULTSSHOWEDTHATTHEPULSEDLIGHTONTHEWATERANDADDRICEWINEYEASTSTRAINSTHEBACTERICIDALEFFECTISREMARKABLEPULSEINTENSITY,THENUMBEROFLIGHTFLASHES,THEFLOWRATEANDOTHERFACTORSR

6、EMAINUNCHANGED,THELONGERTHESTERILIZATION,STERILIZATIONBECAMEMORESIGNIFICANTKEYWORDSPULSEDLIGHTNONTHERMALSTERILIZATIONDEVICE31前言由于考虑到消费安全及消费者心理的需求，现代食品加工工艺与技术要求最大限度地保留食品的色、香、味及其营养成分1。然而，传统食品热力杀菌方法已远远不能满足这种要求。近年来，国内外研究出一些新型的冷杀菌技术，如超高压杀菌、超高压脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌、放射线杀菌、紫外杀菌等冷杀菌技术，引起食品科学研究工作者的高度关注。冷杀菌是指在杀菌过程中食品温

7、度不升高或升高很低的一种安全、高效杀菌方法2。冷杀菌不仅有利于保持食品功能成分的生理活性，且有利于保持食品色、香、味及营养成分。脉冲强光杀菌是采用脉冲的强烈白光闪照方法进行灭菌。过惰性气体发出与太阳光谱相反，但强度更强的紫外线至红外线区进行杀菌。使用高强度白光的极短脉冲，杀死食品表面的微生物。该高强度的白光类似阳光，但仅以几分之一秒钟的速度反射出来，比阳光更强，能迅速杀死细菌3。脉冲强光下使微生物致死作用明显，可进行彻底杀菌。在操作时对不同食品、不同菌种，需控制不同光照强度与时间。可用于延长以透明物料包装的食品保鲜期。脉冲强光杀菌是一种表面杀菌技术，它在杀菌和对食品进行保鲜的同时能很好地保持食

8、品的营养成分和风味不发生变化,且无有害物质残留。同时，脉冲强光杀菌技术在处理食品时所需要的费用也不高4。由于这些优点,再加上科学技术的发展,脉冲强光杀菌技术将具有广泛的发展前景。本文通过研制脉冲强光杀菌设备，并通过对加菌自来水和黄酒进行杀菌实验检测脉冲强光杀菌设备的性能及杀菌效果。2材料与方法21脉冲强光冷杀菌仪器的设计211脉冲强光设备设计原理脉冲强光的最基本结构是由一个动力单元和一个惰性气体灯单元组成。动力单元是向惰性气体灯单元提供高电压高电流脉冲的部件，为惰性气体灯提供所需的能量；惰性气体灯在动力单元提供能量的基础上，发出由紫外线至近红外线区域的光线，紫外线波段尤为丰富，其光谱与太阳光光

9、谱十分相近，但强度要超出数千倍至数万倍5。升压变压器电容充电器市电工作参数测定系统高压脉冲发生器计算机控制系统惰性气体灯4图1脉冲强光设备原理图脉冲强光的产生需要两部分装置完成，其一是具有功率放大作用的能量贮存器，它能够在相对较长的时间内（几分之一秒）积蓄能量，而后在短时间内（微秒或毫秒级）将该能量释放出来做功，这样在每一工作循环内就会产生相当高的功率（而实际消耗平均功率并不高），从而起到功率放大的作用；其二是光电转换系统，它将产生的脉冲能量贮存在惰性气体灯中，由电离作用即可产生高强度的瞬时脉冲强光。212脉冲光源的选择脉冲强光杀菌装置要求亮度很高的脉冲光源，满足脉冲强光杀菌的亮度要求。光源的

10、大小不能超过处理物太多，如此光源发出的光能可以最大限度地被利用，并且使处理室的大小达最小，使到达处理物表面的光强最大6。另外，考虑灯的费用，使成本达最小，脉冲光源从类型上应具有普遍性。根据以上的要求，本试验拟选择脉冲氙灯。氙灯放电与日光最为接近，且当电流、氙气气压在很大范围内变动时，光谱能量分布变化很小，所以常用氖灯作为照明光源和白光的标准。高压氙灯的线光谱较弱，而具有很强的连续光谱，从光谱能量分布看出，氙在紫外区200400NM的辐射谱线也是连续的，是很好的连续紫外辐射源。而且光谱比较稳定7。而且由于氙灯的灯管尺寸和负载能量变化范围很大，所以适用性很强。与金属蒸汽放电灯相比，氙灯有如下的一些

11、特点1金属蒸汽放电灯的工作状态与制灯工艺、工作环境和冷却条件等有很大关系，光、电参数的一致性较差，而氙灯的工作状态受这些条件的影响比较小；2金属蒸汽放电灯点燃时有一个比较长的启动过程，而氙灯在点燃的瞬间就可有80的光输出。212动力单元的设计动力单元为脉冲氙灯的点亮提供能量，并按设计方案操作控制。动力单元的要求是，产生一个脉冲持续时问为20S的电脉冲，且能量为600J左右，7S左右产生一次，电源为市电8。现在常用对脉冲氙灯提供能量的基本电路为电容放电回路，根据资料其基本电路如图所示5图2基本电路图根据这个原理图，结合考虑影响脉冲强光杀菌的主要因素闪照次数、输入电压、闪光间隔，受照射物离光源的距

12、离、触发脉冲宽度。根据脉冲强光杀菌的以上影响因素，设计出了脉冲强光发生电路，对光源提供能量。213电容式强光脉冲电路图3脉冲强光发生电路图脉冲强光发生电路如上图所示，根据脉冲氙灯点亮的要求，电路必须输出两个电压触发电压和工作电压。所以设计上图3所示的电路，电路有主回路即工作回路和触发回路组成，与常用脉冲电路不同，在这里主回路与触发回路的充电电源是分开独立的9。对于主回路，直流电源电源电压为VO通过充电电阻胄将贮能电容器C1充电到工作电压VCVC一般低于灯的自击穿电压VB，而高于其着火电压VZ。对于触发电路，设一独立直流电源对贮能电容器C2充电，用高压包将电容器C2的电压放大几十倍，产生足够大的

13、触发电压，将灯击穿。在脉冲氙灯管上绕有触发丝，灯工作时在触发丝上施以高压脉冲，使灯内产生电离火花线。火花线大大减少了灯的内阻，使电容C1贮存的大量能量能够在极短时间内通过脉冲氙灯放出，产生极为强烈的闪光10214脉冲强光杀菌仪灯管的结构图本实验实际的脉冲强光冷杀菌仪器的主体部分设计为一个灯管结构，其结构图如下6脉冲强光灯管待杀菌液体液体进出口处图4脉冲强光杀菌仪内部结构此设计可以使光源照射距离最大限度的缩短，而且菌液厚度不至于过后，保证脉冲光可以穿透处理液，达到杀菌效果，将结构图还有电路设计图交给宁波纯亮杀菌设备有限公司，与之合作制造出了本实验的杀菌设备，图5为本设备的外观图片7图5脉冲杀菌设

14、备外观图22验证试验221样品与试剂黄酒（黄酒是从酒厂直接拿过来的未经杀菌的黄酒，菌体含量为260CFU/ML）加酵母菌的自来水（自来水中添加酵母菌使得酵母菌初始浓度为500CFU/ML）马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基222仪器设备自制脉冲强光杀菌仪宁波纯亮杀菌设备有限公司（定做）；ZHJH1109型超净工作台；LDZX40BI立式自动电热压力蒸汽灭菌器；LRH190S恒温培养箱；WH861型恒温振荡器；DHG914AS烘箱；SB4200D超声波清洗机；电冰箱。脉冲强光杀菌仪脉冲闪照功率18J/次8223实验步骤2231高压灭菌A试管和培养皿的灭菌（1）选取适当培养皿和试管；有些试管须加9M

15、L）蒸馏水包好（2）高压灭菌锅121摄氏度灭菌30MIN；（3）之后将培养皿在烘箱下烘干，试管在常温下待冷却（4）取出放置无菌台使用。B设备的灭菌和清洗（1）将设备的4根不锈钢管取下；（2）管口的橡皮圈拿下先用自来水清洗，再放置废水中煮沸10分钟；（3）将4根不锈钢管放入高压灭菌锅121摄氏度灭菌30MIN；（4）灭菌结束后，取出，冷却数分钟后将橡皮圈放入管口，对设备进行连接，用保险膜对出口和进口进行密封；（5）取2个物料罐，先用自来水进行冲洗，后用蒸馏水进行润洗；（6）加入4L蒸馏水，用油皮纸包好出口和进口，高压灭菌锅115摄氏度灭菌20MIN（为了防止物料罐变形）；（7）灭菌结束后，取出，

16、进料罐先与高压泵再与设备连接；（8）将设备中的灭菌装置与电压装置连接，插上电源；（9）按下灭菌按钮和高压泵开关，先用2次/秒的闪照频率让装置稳定运行，再用5次/秒的闪照频率对灭菌装置进行灭菌5分钟，然后用灭菌水先对装置进行冲洗，流速控制在6升/分，继续用5次/秒的闪照频率灭菌；（10）冲洗一次完毕后，再用出料罐中的灭菌水进行第二次冲洗，冲洗完毕后，将出料罐连接至装置出料口，关掉高压泵和灭菌装置，等待实验。2232马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基的配制A培养基成分马铃薯100G、葡萄糖10G、琼脂89G、水500ML、自然PH。B配置方法（1）配制20马铃薯浸汁取去皮马铃薯100G，切成小块，加

17、水500ML。煮沸20分钟，用纱布过滤，然后补足失水至所需体积。（2）配制时，按每500ML马铃薯浸汁加入10G葡萄糖，加热煮沸后加入89G琼脂，继续加热融2补足失水。（3）分装、加塞、包扎（4）高压蒸汽灭菌115摄氏度灭菌20MIN。2233脉冲强光灭菌（1）开启灭菌装置和高压泵，流速控制在3升/分，闪照次数分别控制在3次/秒、4次/秒、5次/秒，让进料罐中的加了酵母菌的自来水（或黄酒）全部通过灭菌装置后，关闭灭菌装9置和高压泵，为一次动态灭菌进程；将加了酵母菌的自来水（或黄酒）在灯管装置内部静止接受一定时间的照射为静态试验。（2）重复以上操作数次，第一次先做静态杀菌，分别取灭菌0，3，6，

18、9分钟后的样液进行细菌计数；（3）灭菌完毕后，将处理液处取出，再用自来水对装置冲洗数次，待出液澄清为止，关闭灭菌装置和高压泵，拔掉电源开关，断开灭菌装置与电压装置的连接，用保鲜膜对出口和进口密封，等待下次实验前的灭菌和清洗2234平板菌落计数（1）用移液枪取1ML原液，沿管壁徐徐注入含有9ML无菌水的试管内，振摇试管混合均匀，制成110的稀释液，做好标记；（2）稀释到102就可以了,每个稀释度做三个培养皿（注意不要染菌）；（3）将凉至40的PDA培养基（不烫手即可）注入培养皿约1315ML，并转动平皿，混合均匀同时将PDA培养基倾入加有1ML稀释液的灭菌平皿内作空白对照；（4）待琼脂凝固后,翻

19、转平板,置371温箱内培养48小时；（5）培养到时间后，计数每个平板上的菌落数。可用肉眼观察，不要遗漏。在记下各平板的菌落总数后，求出同稀释度的各平板平均菌落数，计算出原始样品中每毫升中的菌落数，进行分析报告。3结果与讨论31验证实验结果与分析311自来水的杀菌实验表1闪照频率为3次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN0123初始菌量CFU/ML500500500500剩余菌量CFU/ML500135698表2闪照频率为4次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN0123初始菌量CFU/ML500500500500剩余菌量CFU/ML50011842510表3闪照频率为5次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN012

20、3初始菌量CFU/ML500500500500剩余菌量CFU/ML50097353致死率（初始菌量剩余菌量）/初始菌量100由此公式计算出不同闪照频率下脉冲设备的杀菌效果图如下加菌自来水杀菌效果图0020406081120123杀菌时间（MIN）致死率闪照频率3次/S闪照频率4次/S闪照频率5次/S图6加菌自来水杀菌效果图对于自来水的杀菌可以达到我国对饮用天然矿泉水中菌落总数的要求（50CFU/ML,GB8537）,从图表可以得出结论，脉冲强光技术对加菌自来水有相当好的杀菌效果，能够达到商业无菌标准。因为加菌自来水粘度小，透光率高，脉冲光可以完全透过，达到杀菌的目的。从图还可以看出，杀菌频率对

21、杀菌效果影响不大，为了节省能源和减少对仪器的损耗，可用闪照频率最小的值3次/秒。因而可以推断，对于透明液体，脉冲强光杀菌效果应用广泛。脉冲强光作为一种安全的食品杀菌保藏新技术，被认为具有很大发展潜力，在今后随着杀菌设备和技术的完善，脉冲强光杀菌技术可能单独或与其它杀菌保藏技术联用得到推广，可使多种食品延长货架期和保藏期。312黄酒的杀菌实验11表4闪照频率为3次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN0246初始菌量CFU/ML260260260260剩余菌量CFU/ML260227201173表5闪照频率为4次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN0246初始菌量CFU/ML260260260260剩余菌量C

22、FU/ML260210182163表6闪照频率为5次/S的杀菌结果杀菌时间TMIN0246初始菌量CFU/ML260260260260剩余菌量CFU/ML260193169148致死率（初始菌量剩余菌量）/初始菌量100依据致死率公式，对黄酒的杀菌实验结果进行处理得出黄酒在不同闪照频率下的杀菌效果图黄酒杀菌效果图000501015020250303504045050246杀菌时间（MIN）致死率闪照频率3次/S闪照频率4次/S闪照频率5次/S图7黄酒杀菌效果图由上表可知延长杀菌实际、提高闪照频率后，杀菌效果仍不是很明显，这可能是因为黄酒本身有颜色粘度大，对光的反射性强、透光率低，光线无法透过黄

23、酒层，不能对其进行杀菌，这在以后的实验中要注意11，这也体现了脉冲强光杀菌的局限性，关于其局限性的深入12分析了解还需要进行进一步的分析了解。32脉冲杀菌设备的分析根据脉冲强光杀菌技术的设计要求，从脉冲强光杀菌原理入手，以电容脉冲发生电路、光学技术等为核心技术，自行研制了脉冲强光杀菌发生装置和检测装置。验证试验表明，本试验研制的脉冲强光杀菌装置，初步实现了杀菌操作，杀菌效果也非常理想。脉冲强光杀菌装置的设计是成功的，基本参数达到设计要求，通过试验证明自制脉冲强光杀菌装置满足杀菌要求，但也存在一些问题该装置控制还不是十分精确；脉冲宽度还不能改变；处理室的制造现在还比较粗糙；对于脉冲强光杀菌装置的

24、自动控制部分工作还需要进一步完善；对于杀菌效果和机理方面，还需要对更多的菌种、酶和食品进行全方位的理论探讨和试验研究。实验还证明此设备存在一定的使用局限性，杀菌装置对参数的控制还不十分精确，输入电压、光照距离等因素不能调节，这些都可以在以后的实验中改进，这还需要进一步的研究探索。4结论1本实验脉冲强光冷杀菌设备设计成功，有相当强的杀菌效果，脉冲强光杀菌作为一种冷杀菌技术，在杀菌处理过程中，热量的产生很少，灯在2900V下，闪照32次后，灯管管壁的温度比室温高出了不到2，处理物的温度基本没有任何变化。脉冲强光杀菌需要的时间很短。本实验处理过程只有6分钟，是一种十分快捷的杀菌方式。2本试验研制的脉

25、冲强光杀菌装置，初步实现了杀菌操作，杀菌效果也非常理想。脉冲强光杀菌装置的设计是成功的，基本参数达到设计要求，通过试验证明自制脉冲强光杀菌装置满足杀菌要求。3脉冲强光杀菌的应用前景。脉冲强光杀菌是一种表面杀菌技术,它在杀菌和对食品进行保鲜的同时能很好地保持食品的营养成分和风味不发生变化,且无有害物质残留12。同时,脉冲强光杀菌技术在处理食品时所需要的费用也不高。由于这些优点,再加上科学技术的发展,脉冲强光杀菌技术将具有广泛的发展前景13。从现有的情况分析脉冲强光对以下行业产生深远的影响水处理脉冲强光技术应用在水处理领域，能有效杀灭水中细菌、病毒等微生物，经脉冲强光处理的饮用水完全达到国家饮用水

26、标准。该技术还可应用在污水处理方面，由于其能效高，弥补了传统紫外线技术的功率小，能耗大的缺点，该技术在污水处理领域有非常大的发展潜力14。空气杀菌脉冲强光技术能有效地对空气中的微生物进行杀灭，空气中的污染物主要有化学性污染物（如甲醛，苯系物等）和生物性污染物（如细菌，真菌，病毒），由于空气是光的良好媒介，脉冲强光就能有效分解空气的各种化学污染物，并灭杀各种有害微生物。脉冲强光有望代替传统的紫外线技术，成为空气杀菌的主要手段15。食品饮料杀菌脉冲光技术应用在食品饮料加工领域，可有效减少食品表面的微生物数量，能使食品中的酶钝化。经脉冲光处理的食品中与未处理的相比，化学成分和营养特性没有显着的变化，

27、不影响其口感。脉冲光应用于食品中的益处是延长产品货架期、降低病原菌的危害、改善食品的品质以及提高产品的经济效益等16。物体表面杀菌脉冲强光对物体表面杀菌13显着，可应用到公共场所的杀菌、家用杀菌、以及医药杀菌等17。光固化脉冲强光的光谱分布中有丰富的紫外线波段，紫外线强度远大于传统紫外线灯，且有其他波段协同作用，脉冲强光固化比传统紫外线固化处理时间快、效果好、可控性高，大大提高了工作效率18。温室种植脉冲强光是一段广谱的白色闪光，光谱分布近似太阳光，对温室植物照射可增加光合作用，促进植物生长，同时有起到杀菌、灭虫的功效。14参考文献1周万龙,任赛玉等脉冲强光杀菌对食品成分的影响及保鲜研究J深圳

28、大学学报,1997,20481842宋纪蓉,徐抗震,曹炜等高等学校教材食品工程技术原理J化学工业出版社,2005,21991003殷涌光,刘静波,林松毅食品无菌加工技术与设备J化学工业出版社,2006,111561574李树和果蔬花卉最新深加工技术与实例J化学工业出版社,2008,3217185马凤鸣,张佰清,徐江宁等脉冲强光杀菌装置设计的初步研究J食品与机械,2005,10617186周万龙,高大维,等脉冲强光杀菌技术的研究J食品科学,1998,9116197钱存柔微生物学试验J北京大学出版社,1985,176225308夏文水,钟秋平食品冷杀菌技术研究进展J中国食品卫生杂志,2003,15

29、65395449周万龙,高大维,任赛玉等自控脉冲强光杀菌装置的试验研究J华南理工大学学报自然科学版,1998,267697210赵南京,余吟山,朱桂霞一种新型脉冲氙灯预燃电源J量子电子学报,2002,19321421611石季英,倪文俊,沈宇震等一种新型脉冲氙灯预燃电路J中国激光,1996,23213213412马凤鸣,张佰清,徐江宁脉冲强光杀菌装置设计的初步研究J包装与食品机械,2005,234101113周万龙,高大维脉冲强光杀菌技术的研究J食品科学,19981161914梅从笑,方远超新兴的冷杀菌技术在食品工业中的应用研究J江苏食品与发酵,200123115PETERRAGAERTA,J

30、OHANDEBEVEREAANDFRANKDEVLIEGHEREAAPULSEDLIGHTFORFOODDECONTAMINATIONAREVIEWJTRENDSINFOODSCIENCETECHNOLOGY,2007,18246447316钱存柔微生物学实验M北京大学出版社,1985161121517力奔食品防霉保鲜手段的新突破J中国食品，1993,5（7）404318PETERROBERTS,ANDREWHOPEVIRUSINACTIVATIONBYHIGHINTENSITYBROADSPECTRUMPULSEDLIGHTJJOURNALOFVIROLOGICALMETHODS,2003,41110113