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1、用于流体食品杀菌处理的高压脉冲电场处理腔的设计综述摘要：高压脉冲电场技术（PEF）作为一种低温杀菌处理工艺，获得了广泛的关注。这种快速处理技术可以为消费者提供具有微生物安全性、轻微加工、新鲜风味的食品。处理腔是PEF杀菌处理系统中关键的组成部分，它的作用主要是放置电极和给食品物料施加高压电场。本文讨论了当前PEF杀菌处理腔的设计情况、各种静态式和连续式处理腔的概况、基本设计因素的影响以及现有处理腔经优化处理后的性能。关键词：高压脉冲电场；处理腔；低温处理刊出信息：2009.1.16收到稿件，200964收到修改稿，2009.6.8录用,2009.6.息在线刊出目录1 .引言12 .静态式处理腔
2、22.1 U型静态式处理腔22.2 平板式静态处理腔22.3 圆盘式静态处理腔22.4 线-筒式静态处理腔32.5 棒-棒式静态处理腔32.6 封闭式静态处理腔33 .连续式处理腔43.1 电场强度43.2 处理时间53.3 处理温度53.4 有效通流面积63.5 冷却系统63.6 同轴处理腔73.7 流速和商业化的PEF处理设备84 .结论9致谢91 .引言近年来，消费者对新鲜食品的需求越来越高，特别是对蔬菜汁、水果汁和牛奶等流体食品，其富含维生素C和维生素E等抗氧化维生素、酚类以及胡萝卜素。因此，在食品加工处理过程中保持原始风味和色泽并且保留高的营养价值显得越来越重要C传统上利用热力处理的
3、方法进行灭菌，但是高温加工不仅会改变食品风味，还会造成营养流失。研究表明，PEF已经成为一种可以替代传统加热杀菌处理的非热力食品加工保鲜技术。一个PEF处理系统一般由脉冲发生器、处理腔、流体控制系统和监测系统四部分组成，其中，PEF杀菌处理腔由两个位置相对的金属电极以及承载电极的绝缘体材料组成，其形成的空间可容纳食品物料，主要作用是放置电极以及在食品物料和腔体之间施加高压电场。因此，杀菌处理腔的设计是PEF杀菌处理技术发展中的关键因素之一，作为低温杀菌工艺，要求它能产生均匀的电场分布、尽可能小的温升以及所设计的电极能戒小电化学腐蚀的影响。PEF杀菌技术应用到流体食品加工中，要求它能提高食品保留
4、原有风味的货架期。为了迎合这些需求，许多高校、研究团队和民营企业研发了不同的实验室规模和中试规模的PEF杀菌处理腔，所设计的处理腔被加工生产、安装以及应用到流体食品的低温杀菌处理中。在过去的五十年里，一个非常重大的成就是利用PEF杀菌技术进行食品杀菌的商业化规模探索，包括一些现有的具有杀菌处理腔和能量供应设备的工业化规模PEF杀菌处理系统。PEF杀菌处理腔分为静态式和连续式。对于静态处理腔，流体食品的离散部分作为处理腔内全部流体的单个处理单元，应用均匀的电场强度分布使每一个食品单元的处理效果一致，对于连续式处理腔，待处理食品物料经泵送产生的稳定流速流进和流出PEF杀菌系统。处理腔的设计经历了从
5、静态式逐渐向连续式发展的过程。2 .静态式处理腔2.1 U型岸态式处理腔20世纪60年代，SaIe和HamiItOn设计了一种密闭、静态式的处理腔，用于生物失活机制的研究，这是最早的处理腔。该处理腔包括两个镶嵌有黄铜块的碳电极，放置在两电极中间的U型聚乙烯垫片的掏空部分可以使冷却液流过。由于食品上空气引起的电衰减，可应用的最大电场强度为30KVcmo实验表明，利用最大值为IOKV、脉宽为220s的方波脉冲进行测试，在10个20KVcm的峰值电场和20s的脉宽作用下，Escherichiacoli的存活率低于l%o使用该处理腔，处理液的温度升高幅度较小，不会产生致命影响。Sale和Hamilto
6、n提出，微生物的失活不是因为电解作用，而是因为电场导致细胞膜的选择透过性功能产生了不可逆的丧失，最终导致细菌死亡。2.2 平板式静态处理腔最早期的一些平行板式处理腔使用的是被绝缘体垫片分隔开的平板式电极，当平行板状电极的间距远小于电极的表面尺寸时，可以得到均匀分布的电场强度。但是，该处理腔一个明显的缺点是，其内部的电场强度受到流体和绝缘体表面的电弧放电现象限制。1987年，DUnrl和Pearlman设计了一种实验室规模的PEF静态式处理腔实验装置，如图2所示，该处理腔由两个相互平行且间距为5mm的不锈钢金属电极和丙烯酸树脂绝缘体垫片组成，电极的有效表面积为20cm2,厚度为2cm,内部直径为
7、IoCm,电极上开的小孔可以使待处理流体食品完全注入到处理腔。可应用的峰值电场强度为5-25KVcm1一旦电场强度超过30KVcm,就会产生电火花。1996年，Grahl和MarkI设计了一种PEF处理腔，其与SaIe和HamiItOn所设计的处理腔相似，主要由两个中间被0.5cm或1.2cm的矩形树脂支架分隔开的镶嵌有黄铜块的矩形碳电极组成C电极的有效表面积为50cm2,最大电压变化范围为5-15KV,在不进行电极冷却的情况下，最大的电场强度可以达到30KVcm0平行板式处理腔可以沿着轴向距离和电极表面产生均匀分布的电场强度,但是在电极的边缘处会出现尖峰电场的问题C2.3 圆盘式峰态处理腔实
8、现空间分布均匀的高强度的电场对于PEF处理腔的设计是至关重要的，同时，减小容量以及避免电击穿也同样重要，因此要求所设计的处理腔能减小电极表面电场强度的突增，以避免因其导致的电击穿。为了减小在绝缘体处发生电击穿的可能性，BUShnell在1993年提出了有效地实现高强度电场处理的原则：（1）去除高强度电场区域的绝缘体材料；（2）去除高强度电场区域的“三点”（即电极、绝缘体、流体或可泵送食品的交界处）；（3）提高绝缘体长度；（4）使绝缘体与电场强度方向形成一定的角度；（5）通过设计合适的金属电极形状减小电场突增现象。与上述原则（5）相一致的是，Dunn和Pearlman在1987年证明，经倒圆角处
9、理过的圆盘式处理腔可以减轻电场强度突增，减小流体食品发生电击穿的可能性。华盛顿州立大学设计了一种圆盘式静态处理腔，如图3所示，它由两个表面经抛光处理的倒圆角的圆盘形不锈钢金属电极、以及装载电极和附件的绝缘体材料组成。这种经倒圆角处理过的圆盘式处理腔减小了电场强度突增，减小了流体食品物料发生电击穿的可能性，聚碉树脂被选作绝缘体材料。食品表面的空间电荷会改变理想的电场强度分布情况，因此电极的间距和处理腔的容积分别是051Cm和13.8ml或者0.95cm和25.7ml,最大的电场强度可以达到75KVcmo该处理腔有一个冷却系统，通过给金属电极通入一定温度的循环水实现。2004年，Amiali等人为
10、了研究液蛋的悬浮液中大肠杆菌的失活情况，研发了一种静态处理腔，有两个不锈钢金属电极和一个聚丙烯绝缘体垫片组成，电极间距为015cm,电极表面积为1.53cm2,处理腔容积为0.23ml,还有一个冷却系统保证了在PEF处理过程中的温度恒定。实验表明，在该处理腔电场强度达到15KVcm,脉冲数为500,脉宽为200s,试验温度为0C。时，液蛋中的大肠杆菌数量下降了3个对数值。2.4 线-筒式静态处理腔1991年MatSUmot。等人在实验中采用了一种线-筒式电极系统，如图5a所示，筒电极的内部直径为20mm,线的直径为1mm,整个处理腔的长度为110mm,可以容纳30cm3的液体。线电极装在圆柱筒
11、中心顶部的树脂盖子上，而整个处理腔安装在圆柱筒底部的搅拌器上。如图6所示，非常明显的可以看出，实线代表的微生物存活性出现了显著的衰减。为了改善杀菌效果，这里使用了搅拌器使液体混合，一旦圆柱筒内的液体被充分搅拌，随着输入能量的增加，存活性将呈线性地下降到IOTo-5.但是搅拌液体导致的另一个问题是：电场基本上沿着线-筒电极的内部分布。圆柱筒的筒壁处由于场强低于线电极附近的电场强度，所以该区域的微生物灭活性能较低。2.5 棒-棒式静态处理腔图5b所示为一种棒-棒式处理腔，一对棒状电极以螺纹方式与聚四氟乙烯腔室连接，并且位于处理腔中心，该处理腔用于研究水下电弧放电产生的强烈振动波对细胞的破坏作用。每
12、一个棒状电极的直径为4mm,棒的末端为半球形，两个棒状电极之间的距离为3mm。尼龙薄膜距离放电处为15mm,流通液体样品的细导管的内径和长度均为15mmo2.6 封闭式障态处理腔食品中的气泡将限制PEF处理的应用，因为GongOra-Niet。等在2003年提出，像气泡一类的气体腔的存在将影响到电场强度分布的均匀性,腔体内部存在的气泡将导致局部的介质击穿现象，因此，将导致处理腔内部的电场分布不均匀性，甚至连续使用高压脉冲电场时会产生电火花。根据描述流体介质的介质击穿理论，流体食品中残留的气泡被认为是导致局部介质击穿和系统放电的主要原因，这也是PEF技术发展的制约因素。考虑到发生介质击穿的潜在可
13、能性，要求所设计的流体入口在泵送物料时能便于充分消除气泡。当食品在密闭的处理腔内产生气泡时，压力突然升高，可能引起处理腔爆炸。因此，需要一个除气装置以保证操作的安全性,降低在处理过程中待处理液内部发生介质击穿的可能性。该处理腔的容积为60X60X3mm3,有两个厚度为Imm的不锈钢平行板状电极，并采用耐高温的PTFE（聚四氟乙烯）为绝缘材料。为了防止细菌对实验结果的影响，该静态处理腔被全封闭，并用医疗注射器注入液体样品。由于该处理腔的容积很大，高压脉冲的波形在很大程度上受到处理腔等效电路参数的影响，实际的脉冲电压低于电容放电产生的电压。因此，并不能有效地使微生物失活。基于该设计，BaZhal等
14、人使用了一批带有冷却系统的处理腔，以研究温度和PEF结合起来对大肠杆菌灭活的效率。印证上述观点的是，该处理腔内获得了很低的电场强度，变化范围为从9KVcm到15KVcm0另外，PEF处理腔是材料应具有耐洗涤和耐高温高压消毒的特性。通常，不同的食品物料需要不同的电压水平，一些装置采用不锈钢金属电极和聚碉树脂绝缘体材料，而另一些环境下采用像金、饴、碳以及金属氧化物等惰性电极材料，这可能会获得更好的性能表现。静态式处理腔主要适用于实验室研究，以发现相关的参数因素，而连续式的处理腔在大规模的应用中更有效。3 .连续式处理腔实际上，大多数连续式处理腔是设计灵感来源于静态式处理腔，或者更准确地说，大量的连
15、续式处理腔是由一些相似的静态式处理腔改进的，由于连续处理系统中的处理具有一致性，所以连续式处理腔更有效。处理腔设计的合理性对于PEF杀菌技术的效率至关重要，因为决定PEF灭活微生物的效率的因素分为三个：处理的参数、物料的参数、微生物的特性C在这些因素当中，只有处理参数可以在处理腔中被调整C在PEF技术的处理参数中，电场强度、处理时间、脉冲宽度、脉冲波形、处理温度以及入口温度是影响微生物灭活率的主要因素。一般地，在一定范围内提高这些参数可以提高PEF的微生物灭活效率。在一些研究中，为了获得更好的的杀菌效果，进行了处理参数的优化尝试，下文中将分类介绍。3.1 电场强度电场强度和处理时间是影响PEF
16、杀菌效果的最重要的处理参数C在所有影响PEF杀菌效果的因素中，电场强度的影响是最明显的。Alkhafaji于2006年发现，一旦施加的电场强度达到临界值，并且作用足够的时间，引起的跨膜电位将导致细胞死亡。有报道发现电场强度与微生物灭活率之间呈对数线性关系，如图8所示，明显的可以看出，脉冲处理效率决定于所采用的电场强度。在恒定的能量水平下，电场强度越高，处理的致命性就越大。在对PEF处理流体食品的研究中发现，杀伤力的提高更多的是随着电场强度，而不是脉冲持续时间。为了获得较高的电场强度，1991年，MatSUmOt。提出了一种叫“收敛型电场强度”的处理腔，该设计有意思的地方是，它不是通过提高电极的
17、电压，而是通过在极小的容积中获得更高的电场强度。如图9所示，带有小孔的聚四氟乙烯绝缘板放置在两个平行的圆盘电极之间。管孔的内径为20mm,圆盘状电极之间的间距为20mm,聚四氟乙烯板的标准厚度为IOmm,但是该直径和孔的数量可以调整。流体通过圆盘电极上的小孔被连续地注入导管，只有在绝缘体小孔内的液体才能被PEF处理。因为细胞悬浮液流过的小孔处横截面非常小，所以电场线主要集中在该小孔处。此时，该小孔两侧的流体实质上作为电极，而该小孔的长度与两个电极之间的距离相一致。在电极-液体交界面的流体速度被控制得很低，以减少电解现象，降低产生气泡的可能性。如图10所示，相比线-筒式静态处理腔，在收敛型电场强
18、度处理腔中，杀菌效果提高，微生物存活率降低。但是该设计的明显缺点是，在90。转角区域有细胞滞留，导致微生物存活，以及流体食品局部过热而引起电火花。相比较大的电极表面，为了获得均匀分布且高强度的电场，处理区域和电极之间的间隙应该被设计的较小，因此，SenSoy于1997年设计了连续式的同轴处理腔，如图11所示，该处理腔的容积只有很小的孔体积。为了使足够高的电场强度穿过孔进而灭活微生物，设计了容积孔和锥形区域，实验用的电场强度为2540KV/ClTloHulshegerWNiemannReinaBruhn以及Qin等人得出的一致结论是，所设计的特殊锥形电极和绝缘体材料可消除处理腔内的气泡，从而提高
19、了电场强度，进而提高了微生物灭活率。先前的设计中往往设法避免出现滞留区问题，但是再次强调的是，流体中心区域的细胞受到的电脉冲较少，从而靠近圆盘电极外侧的处理显得尤为重要。2007年，Alkhafaji和Farid设计了一种与上述处理腔形似的装置，在很小的区域内获得了集中分布的电场。如图12所示，该处理腔包括两个被绝缘体材料分隔开的不锈钢网状电极，在绝缘体材料上设计有孔，孔内的实际电压接近所施加的电压，流体食品流过两个网状电极的开口处，并穿过两电极之间电场线非常密集的孔口。该处理腔的容积为。06cr设计的流速为2.5cm3s,流体在处理区域的停留时间为0.026s,因此，该设计解决了造成微生物残
20、留存活和流体食品过热的滞留区域问题。3.2 处理时间随着PEF处理时间的增加，微生物灭活率在初期急剧上升，然后逐渐缓慢地趋于平缓，最后随着处理时间的增加灭活率不再有显著变化C处理时间可以通过脉冲个数乘以脉冲宽度来计算，脉冲个数或脉冲宽度的增加可以提高PEF处理时间，进而提高微生物灭活效率。不过，没有必要过分地提高脉冲宽度，因为那将导致食品温度上升到非理想值，因此必须把脉冲宽度控制在不会导致过热的范围内。1987年，DlInn和Pearlman描述了一种有效控制电场开关的连续式PEF处理腔，该处理腔可以为流体食品物料施加连续式的高压电场脉冲，处理腔包括多个圆柱形电极组成的腔室，而每个腔室之间根据
21、中间介电分离原理被分隔开，所以只有电流流过食品本身。该系统标准的实险条件是，电场强度从5到25KVcm,采用方波或者指数衰减波，标准的处理时间是l100ms,频率为O.lTOOHz。研究表明，在流体食品物料处理区域内电场强度的分布均匀性非常重要。否则，处理区域内可能会出现电流丝或者“流光”弧。但是现在的设计不能提供均匀的电场分布，所以往往使产品产生电流丝和放电弧。华盛顿州立大学在前面提到的WSU静态式处理腔的基础上，通过改进，研发了一种实验室规模的连续式处理腔。为了提高处理腔内流体食品的滞留时间，处理室内添加了阻流通道，在处理区内为弯曲的通道。该处理腔由合适温度的循环水提供冷却，而循环水来自安
22、装在两个金属电极上的保温套。在操作条件下，该处理室的容积为20或8cr电极间距为0.95或0.51cm,PEF强度为35或70KVcm,脉冲宽度为215s,脉冲频率为IHz,食品流速为1200或600cm3mio3.3 处理温度处理温度在微生物灭活处理中也至关重要。虽然温度的影响是复杂的，但是SePiJlVeda等人提出，在温和的温度下使用PEF以提高效率不失为一种保留方法。一方面，高温将导致食品风味的破坏，另一方面，大量研究发现提高入口温度（从22到50C。）将提高杀菌率。对于腔体和电极，首选的温度范围大概是0-65C。，较好的范围是1045b,更好的范围是15-25C。此外，如果在PEF处
23、理之前，食品的温度就已经升高，那么相比于没有经过预热过程的PEF处理，这种方法的温度负载将更低，因此有人建议将PEF处理与温度处理相互结合使用。在微生物灭活过程中，使用处理腔温升带来的协同作用，所需输入能量可以从IOoKJkg减少至J40KJkg,可以极大地降低生产成本。Zhang等人发现将入口温度从7C。提高到20C,可以显著提高PEF对模拟牛奶超滤液中大肠杆菌的灭活效果,但是将温度从20Co提高到33C。，却不会再提高PEF杀菌效果。因此，入口温度在微生物灭活处理中是次要因素O2000年,McDonald等人发明了两种PEF处理系统,一个叫做中试规模PEF系统(thepilotPEFsys
24、tem,CPSI),另一个叫做实验室模型PEF系统(thePurePuIseLaboratoryPrototypePEFsystem,LP),如图15所示。在CPSl和LP系统中，食品的加热和冷却都使用管中管热交换器，食品被直接泵送至PEF处理腔，被加热到30C。，然后经过PEF处理腔后端的冷却交换器停留13st食品温度下降到47C。整体来说，PEF结合加热的处理方式会极大地破坏食品的口味、色泽等特性。因为新鲜的榨取果汁的最低温度在50C。以下，所以处理条件应该保持或低于该温度。1997年，Yin等人设计了一种由一系列大量的处理腔拓展连接构成的PEF处理系统。如图17所示，热交换器与PEF处理
25、设备通过物理连接，三个热交换器分别位于每一个处理腔的前端，与PEF设备组合的热交换器数量可能有不同，这些热交换器用途是调节PEF处理系统的温度。由于应用了中间冷却系统，消除了食品经处理后储存的热量，每一个处理腔内的温升对杀菌效果的影响非常小。然而，电场强度分布不均匀的问题仍然存在。3.4 有效通流面积2002年，Morshuis等人设计了一种连续式的大通流截面杀菌处理腔，如图18所示，该处理腔由管状的绝缘体材料，以及镶嵌在绝缘体中的金属电极组成。所有金属电极呈等间距的环形排列，并平行于处理腔的圆柱中心线，每一根电极横截面为半月牙形状，曲率半径等于管状绝缘体的曲率半径，这样能在有效的通流截面内获
26、得均匀的电场分布。又由于处理腔内表面光滑，对液体物料流动没有阻碍作用，所以能获得较好的流体特性，并且消除了微生物在处理腔中残留的可能性，进而提高了杀菌效果C3.5 冷却系统由于欧姆热造成的食品热量耗散不可避免的会引起处理腔入口和出口处的温度差异，因此有必要在PEF处理过程中对温度变化进行监测和控制，以实现低温处理。由电容放电产生的高压脉冲进入处理腔的有限能量为Qpw-,其定义式为：2(1)式中C是放电电容的电容值，V是放电电压，RCh是处理腔电阻，Rr是电容放电系统的总电阻。重复作用的高压脉冲引起的待处理物料的温升为AT,待处理物料吸收的能量定义式为：ATfQpulse/=FPCP(2)式中，
27、f是脉冲频率，F是流体食品泵送至处理腔的流速，p是待处理物料的密度，CP是物料的比热容。在系统应用了不止一个处理腔的情况下，在PEF处理期间，为了使流体物料的温度保持在理想范围内，冷却系统是必要的。所用的热交换器可以位于在处理腔本身内，也可以位于处理腔之间。举个例子，2007年，Pizzichemi和OCehialini发明了一套带有冷却系统的同轴杀菌处理腔，如图19所示，内电极可以移动调节，使得负载电阻可调。而且值得关注的是，为了控制该处理腔的内部温度，还设计了合适的冷却系统，并且处理区域是密闭的。3.6 同轴处理腔因为电极形状产生的电场分布不均匀可能会导致局部电场突增，因此，处理腔设计所要
28、达到的目标是在处理区域内实现高强度的分布均匀的电场C对于中等容量的处理腔。同轴式处理腔可以生产，并且具有界限清楚的电场分布情况。同轴电极之间的电场强度定义式为：V式中，r是测得的电场半径，&和Rz分别是电极表面的内径和外径。虽然同轴处理腔的电场分布不均匀，但是这类处理腔由于结构简单以及流速均匀，受到了广泛地关注。一般的，同轴处理腔由两个圆柱形不锈钢金属电极组成，内电极接高压电源，外电极接地，内外电极之间的空间可以使流体食品流通。在同轴处理腔内，由于电极的形状凸起或者气泡的存在，非常容易改变电场分布的均匀性C根据GalIagher和PealTnain提出的理论，流体食品内的气泡将导致放电和介质击
29、穿，而介质击穿将进一步处理效果,这种情况下，为了成功地灭活待处理食品中的微生物和酵母,将需要增加加工步骤、加工时间和处理能耗。如图20a所示，是一种基于改进的同轴式排列的处理腔，液体被连续的注入经结构优化的两个同轴电极之间。电场优化技术可以用来改进电极的结构。处理区域的电极最终结构如图20b所示，实线区域代表组成液体通道的树脂绝缘体材料。处理区域内的外电极表面增强了电场，减弱了处理区域以外的电场强度。高压的内电极和接地的外电极都包含循环冷却系统以控制电极温度。在处理区域，电势降低几乎均匀，而且有较强的电场。而且在电场强度超过70KVcm时，同轴处理腔仍然运行正常而不会出现介质击穿。该设计的另一
30、个优势在于，结构优化可以降低待处理食品物料发生放电的危险性。然而，这导致的结果是电极之间的电场强度被减小，存在食品物料中微生物未被充分灭活而通过处理腔的风险。利用PEF进行食品杀菌目的是引起细胞膜的介质击穿，而不是引起流体食品的介质击穿C这种情况术语叫做绝缘击穿，在PEF杀菌处理中应给避免出现。处理高电导率的食品物料时，首选的处理腔和先前的不同，差异在于处理腔内外电极的表面，不是先前的平行的环形表面，而是波形表面，使得处理腔内的电场强度在较高值与较低值之间变化。较高强度的电场线分布与其互补的电极表面距离非常近的点上，而较低强度的电场线则分布在与其互补的电极表面间隔非常远的点上。如图21所示，电
31、极互补表面形状是长扇形，所以每一边的复杂表面形状互补地沿着轴向排列。该电极结构在不减小流体通道长度的情况下，提高了处理腔的有效电阻，最终减小了驱动电路的功耗。另外，这种波形电极引起了处理中的流体产生的额外扰动，这将有利于微生物灭活。1993年，Bushnell等人研发了一种同轴处理腔，可以在处理区域提供高强度、均匀分布的电场，并降低了发生电击穿的可能性。为了实现这个目标，去除了高强度电场区域的分隔不同极性电极的绝缘体材料，从而避免了由穿电或者沿绝缘体表面的飞弧引起的击穿现象。为了避免尖峰电场和电击穿，该电极表面被设计得可以减小电场突增。该设计采用了合适的几何结构,使得泵送的食物在离开处理腔之前
32、经过电场处理区域。除了包含进口和出口，该设计的另一点也比较重要，同轴排列的一端距离很近，从而减小了电场边缘的范围，如果选择合适的材料，该边缘区域将进一步减小。然而，该处理腔最主要的缺点是，流体食品流通的宽度有限，以及电极的表面较大。为了解决上述问题，2001年，MaStWijk和BarteIS发明了一种圆柱形横截面的处理腔，如图22所示，该处理腔由四组模块组成，每个模块使用了三个电极。Yin等人提到的另一个困难，处理区域没有分布均匀电场的问题也被解决了。在该处理腔中，虽然单个模块的电场分布不均匀，但是成对的模块合适的排列会在每一个模块的腔室内得到均匀的电场。该设计的一个缺点是，由于电极平行对称
33、的排列，导致了第一个和最后一个单元的电场分布稍微不均匀。3.7流速和商业化的PEF处理设备对于商业化的PEF设备，流体食品物料的流速是影响PEF系统设计的主要因素，它决定于PEF系统的主要特征，例如导管直径、给定的流体所需要的平均能量，当电场强度保持不变时，它应该被提高。只有这样，PEF处理技术才能从实验室和中试规模走向商业规模运营C例如，在给定的压力下，管径扩大为2倍可以使流速扩大到4倍，但是要求2倍的峰值电压来保持相同的电场强度C典型的实验室规模的处理量为每小时几升或者更少,典型的中试规模的处理量为每小时几十到几百升，然而对于商业化的处理系统来说，处理能力必须达到每小时数千升。如表2所示，
34、俄亥俄州立大学已经设计出了三种不同系列处理量的PEF单元。较大的导管直径支持较高的流速，但是，相应的要保持相同的电场强度就需要更高的电压。DTl公司是从事PEF生产销售的制造商之一，它研发有固态高压脉冲能源系统，能够满足PEF处理系统所要求的可靠性和处理过程连续性,它采用俄亥俄州立大学研发并持有专利权的共场式处理腔。如图23所示，该设计实现了流速、电场强度以及电场分布连续性要求的最佳平衡，电场分布区域的间距与导管直径成正比。该设计使用的最佳导管直径等于或小于5cm,可转化200KV的脉冲，此时电场强度为40KVcm0在食品的消毒杀菌、包装和其他加工处理方面，MaXWellSPUrePUlSeT
35、eChnOIOgieS的子公司研发并成功商业化了先进的处理系统，其设计的CooIPurePEF处理系统可应用于流体食品的低温杀菌处理中，如用在牛奶、橙汁、葡萄酒和啤酒，甚至奶酪的加工中，处理成本每升才不到$0.04。PUrePUISe公司研发的CPSI和LP系统的处理速度分别为10Lh和200Lho为了获得大处理量的系统，PurePuIse公司与美国的军事部门和其他工业团体合作，致力于进一步推动该先进技术的应用发展C在美国，美国陆军系统中心(theUSArmySoldierSystemsCenter,Natick)与其他工业和科研部门合作，已经具有生产较长货架期的高品质食品的能力。处理的研究最
36、主要的工作是提高处理效率。日ectricPowerResearchInstitute公司(EPRI)和食品技术部(InStitUteofFoodTechnoIogiststIFT)也建立的研究团队来推动PEF研究以及为信息共享提供便利。为了满足纯净食品和药品管理在微生物方面的严格指标，2004年，创世纪果汁公司(GenesisJuiceCorporation)率先开辟了PEF处理的商业化专利技术领域CPEF处理可以保留食品的色泽、风味和营养成份。GeneSiS公司使用了OSU-5设备，运行处理速度为200LhoPEF可以使大多数病原菌下降5个对数值，然后据说货架期可以达到4周。但是，商业化PE
37、F系统的电极每运行10Oh就需要更换CDTkOSU和其他组织正在研究使用寿命较长的电极。此外，带颗粒的水果汁，如胡萝卜汁，很难通过处理腔较小距离的空间。4.结论如本文所述不同种类的处理腔中，静态处理腔主要适用于实验室研究，而连续式处理腔在商业化应用中效率更高。由于处理效率的缘故，设计时许多基本的参数应该被考虑，例如电场强度、处理时间、处理温度以及电场分布等。为了提高PEF的杀菌效果，在前面设计的基础上，研究中对一些处理腔的参数进行了优化C然而，PEF处理并不适用于每一种食品，而现在的大多数处理腔仅仅适用于流体食品的处理。而且PEF是致死因子并不是对所有的微生物和酶都有效，目前只对一些常见的微生物例如大肠杆菌和啤酒酵母有效。另外，目前因为电气设备的市场较小，导致PEF设备价格昂贵，这也限制了PEF技术的发展。正是因为该领域仍存在着巨大的工程应用挑战，所以大量的研究团队正在积极探索。致谢笔者非常感谢国家自然科学基金(2007AAIOO405)的支持。
