一種微波滅菌固態物料的方法及其管式裝置的製作方法
2023-05-25 22:24:41
專利名稱：一種微波滅菌固態物料的方法及其管式裝置的製作方法
技術領域：
—種微波滅菌固態物料的方法及其管式裝置涉及生物工程、化工、食品和環境工
程中，微波連續加熱滅菌固態物料的技術領域。
背景技術：
在食品、製藥、農副產品加工、釀造、有機廢物處理、固態發酵、化工、製造業等諸多 領域，經常會遇到固態物料的加熱與滅菌處理問題。顆粒、粉粒狀等含水固態物料採用微 波加熱及滅菌與傳統的蒸汽加熱及滅菌相比，可以明顯縮短滅菌時間，具有設備簡單、能耗 低、容易操作和容易實現自動化的許多優點，不存在環境汙染問題。而微波處理各類含水固 態物料時，需要加壓才能使物料的的溫度達到12(TC以上，才能達到殺滅細菌芽胞的溫度。
目前受現有設備製作材料強度、耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、電磁特性等的影響與限制，在加 熱與滅菌處理要求較高或相關工藝較為複雜的情況下，現有技術方法有一定的局限性。
發明內容
針對固態物料加熱滅菌處理要求較高或相關工藝較為複雜的情況下，現有微波滅
菌技術方法有一定的局限性。本發明提出了一種微波滅菌固態物料的方法及其管式裝置。 本發明的目的在於提供一種微波連續加熱滅菌固態物料的方法及其裝
置，用多級微波連續加熱含水固態物料產生水蒸汽，在對蒸汽封閉的管道中形成
0. 1017Mpa—l. 0015Mpa之間的蒸汽壓力，蒸汽壓力優選在0. 2063Mpa—0. 3653Mpa之間；用
液壓或氣壓推桿，以可控制方式連續脈動式進料、用彈簧密封閥，以可控制方式連續出料，
使管式微波連續加熱滅菌固態物料的裝置帶壓運行，將固態物料用微波加熱到工藝滅菌溫
度120°C以上，物料的熱解或焦化溫度以下，實現含水固態物料的連續滅菌處理。 本發明具體提供的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置由帶壓固態物料輸送系
統和微波加熱系統及自動控制系統組成。其中，帶壓固態物料輸送系統由進料口、液壓或
氣壓缸及推桿、壓力站、輸料管、彈簧密封閥、出料口組成；加熱系統主要由數組微波爐分級
加熱組成；控制系統主要由安裝在微波加熱室之間的壓力與溫度傳感器及相關控制裝置組
成，控制模式視相關企業對生產工藝要求的不同，可以採用簡單方式，也可以採用工業微機
編程控制。 固態物料的推進力由液壓或氣壓缸及推桿提供，在液壓或氣壓推桿的推動下固態
物料由進料口進入輸料管並被推進運行至出料口，固態物料加熱滅菌處理量由液壓或氣壓
推桿的推進行程長度和往復頻率控制；出料端與彈簧密封閥連接，通過密封口壓力的調節，
可以在控制物料的連續出料量同時保證輸料管中有足夠的蒸汽壓力和滅菌溫度。 固態物料在輸料管內的推進過程中，由於輸料管壁摩擦力的存在，形成了對物料
的擠壓力，在管壁的摩擦力相對恆定時，擠壓力的大小與液壓或氣壓推桿的推力和輸料管
的長度及出料端彈簧密封閥的阻力(絕對值)成正比，物料所受的擠壓力可以通過輸料管
的長度、出料端彈簧密封閥的阻力及液壓或氣壓缸推桿的推力進行可控調節。
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固態物料在輸料管中受到足夠擠壓力後，被壓實物料的氣密性增強，在微波加熱 過程中會在輸料管的特定區域形成0. 1017Mpa—l. 0015Mpa之間的蒸汽壓力，使物料被加 熱到12(TC以上，物料的熱解或焦化溫度以下，使固態物料在輸料管內的推進過程中被連續 加熱滅菌。固態物料滅菌後被推出輸料管的出料口後，固態物料所受壓力驟然消失，這一過 程對固態物料有膨爆處理效果，這對固態發酵物料而言有利於物料消化率的提高。整個固 態物料的滅菌過程可以控制在較短時間內完成，是一種較好的"高短法"滅菌技術，在實際 操作中，可採用熱水、導熱油對固態物料進行預熱，以減少微波加熱的電費成本，整個滅菌 過程與現有方法相比，將十分經濟。由於該方法簡化了傳統滅菌工藝，沒有環境汙染或能明 顯降低環境汙染，其推廣應用的前景十分樂觀。 單根輸料管兩端經套絲後，可用管箍相互連接成長管，長度視加熱滅菌工藝的要 求確定。長管可以轉向，在轉向時應注意彎頭必須圓滑，不能有死角。彎度不能太小、太多， 否側會過度加大物料推進阻力。 本發明採用耐壓、耐熱、微波通透率高的工程材料製備輸料管。通常採用聚四氟乙 烯、工程陶瓷、鋼化玻璃、耐熱工程塑料、玻璃鋼製備或上述複合材料製備。製備飛機雷達罩 的材料是製備輸料管的最好材料，但製作工藝一般要求較高且價格昂貴，在一定程度上限 制了該類材料的應用。性價比較好的材料首推聚四氟乙烯，為了將該設備用於食品工業，可 以用鋼化玻璃管對聚四氟乙烯製備的輸料管進行內襯，輸料管伸出在微波加熱室外的其他 部分可以採用不鏽鋼、鋁合金、鋼鐵等金屬材料製作。 微波加熱室一般根據所需微波的功率、固態物料的微波吸收特徵及加熱效果設 計， 一般設計成圓柱體、立方體或多面體，也可以由多個微波加熱諧振腔串聯使用，具體的 微波加熱室設計由相關工藝參數決定。此外加熱室必須能夠長時間連續工作，其功率可以 在線準確調節。 為了使固態物料在加熱室中被微波較均勻加熱，在採用圓柱形微波諧振腔的微波 爐時，最好在三等分圓周點上安裝三個功率和相關參數一致的磁控管；在採用方形諧振腔 的微波爐時，最好能使微波爐旋轉；或者將方形諧振腔的微波爐按等分圓周的方位角，旋轉 固定安裝一組或多組微波爐；例如，採用4個微波爐按4等分圓周的90。角旋轉固定安裝， 6個微波爐按6等分圓周的60。角旋轉固定安裝，……以此類推，使得固態物料在通過微 波加熱室時能被類似旋轉微波場較為均勻的加熱。 微波加熱要分級進行，通常分成三級，分別為預熱級段、主加熱滅菌級段、保溫保 壓級段。也可以根據被加熱滅菌的固態物料性質及相關工藝要求，增減預熱級段或保溫保 壓級段，將固態物料的微波加熱滅菌工藝過程分成多級進行，以適應一些特殊的工藝過程 要求；微波加熱分級後，溫度傳感器和壓力傳感器安放在級與級之間，這樣既可以有效避免 微波幹擾溫度傳感器和壓力傳感器正常使用，也可以對整個裝置的加熱滅菌處理過程進行 在線控制，並在裝置的內部溫度和壓力出現異常時及時啟動安全保護。 被加熱滅菌後的固態物料一般要及時冷卻，可以通過熱交換裝置將固態物料冷卻 到工藝要求的溫度，被加熱的冷卻劑(如導熱油、水、空氣等)可用來預熱需加熱滅菌的固 態物料，或用於生產過程中的保溫，這樣能夠大幅降低能量的無效損耗，提高能量的有效利 用率。
圖1是管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置示意圖。
圖1中 1-壓力站；2-壓力管；3-液壓缸(或氣壓缸)；4-進料口 ；5_推桿；6_輸料管； 7-預熱微波爐；8-第一溫度傳感器；9-第一壓力傳感器；10-主加熱微波爐；ll-第二溫度 傳感器；12-管箍；13-第二壓力傳感器；14-支架；15_控制櫃；16_保溫微波爐；17_第三溫 度傳感器；18-出料口 ；19-彈簧密封閥。 圖2是彈簧密封閥示意圖。
圖2中 20-壓力調節手輪；21-壓力調節螺杆；22-彈簧密封閥體；23_彈簧壓緊擋板； 24-彈簧；25-0型密封圈；26-彈簧密封銷；27-螺紋連接；28-輸料管；29-出料口 ；30-手
輪固定螺母。
具體實施例方式
下面，舉實施例說明本發明，但是，本發明並不局限於下述的實施例。
實施例一 管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置由帶壓固態物料輸送系統和微波加熱系統 及自動控制系統組成。其中，固態物料輸送系統由液壓或氣壓壓力站(1)、壓力管(2)、液壓 缸或氣壓缸(3)、進料口 (4)、推桿(5)、輸料管(6)、出料口 (18)、彈簧密封閥(19)、組成；加 熱系統主要由數組分級加熱微波爐，預熱微波爐(7)、主加熱微波爐(10)、保溫加熱微波爐 (16)組成；控制系統主要由安裝在微波加熱室之間的第一溫度傳感器(8)、第一壓力傳感 器(9)、第二溫度傳感器(11)、第二壓力傳感器(13)、第三溫度傳感器(17)及相關控制裝置 (15)組成，控制模式視相關企業對生產工藝要求的不同，可以採用簡單方式，也可以採用工 業微機編程控制。 固態物料的推進力由液壓或氣壓缸及推桿提供，在推桿的推動下固態物料由進料
口進入輸料管並被推進運行至出料口，固態物料加熱滅菌處理量由液壓或氣壓推桿的推進
行程長度和往復頻率控制，出料端與彈簧密封閥連接，通過密封口壓力的調節，可以在控制
物料的連續出料量的同時保證輸料管內有足夠的蒸汽壓力和滅菌溫度。 微波加熱要分級進行，通常分成三級，分別為預熱級段、主加熱滅菌級段、保溫保
壓級段。也可以根據被加熱滅菌的固態物料性質及相關工藝要求，增減預熱級段或保溫保
壓級段，將固態物料的微波加熱滅菌工藝過程分成多級進行，以適應一些特殊的工藝過程
要求，也可以採用熱水、高溫導熱油對固態物料進行預熱，以減少微波加熱的電費成本。微
波加熱分級後，溫度傳感器和壓力傳感器安放在級與級之間，這樣既可以有效避免微波幹
擾溫度傳感器和壓力傳感器正常使用，也可以對整個裝置的加熱滅菌處理過程進行在線控
制，並在裝置的內部溫度和壓力出現異常時及時啟動安全保護系統。 被加熱滅菌後的固態物料一般要及時冷卻，可以通過熱交換裝置將固態物料冷 卻到工藝要求的溫度，被加熱的冷卻劑(如導熱油、水等)可用來預熱需加熱滅菌的固態 物料，或用於生產過程中的保溫，這樣能夠大幅降低能量的無效損耗，提高能量的有效利用
以上過程利用溫度和壓力傳感器在線進行工藝參數監測，採用液壓缸或氣壓缸及 推桿和彈簧密封閥實現裝置可控制的帶壓運行，通過微型計算機在線控制微波加熱功率和 物料推進速率，容易實現自動化連續操作和固態物料微波連續加熱滅菌處理。
實施例二 在固態發酵生產紅曲、蛋白酶、果膠酶、纖維素酶、檸檬酸、乙醇、乳酸、赤黴素、維 生素、醬油、食醋、白酒、蛋白飼料、b. t製劑、食用菌等的生產過程中，固態發酵用的培養基 需要進行滅菌處理。採用本發明，將需滅菌處理的固態物料由管式微波連續加熱滅菌固態 物料裝置進料口 (4)加入，經由推桿(5)推入輸料管(6)。固態物料在推桿的推動下由進 料口進入輸料管並被推進運行至出料口，固態物料加熱滅菌處理量由推進速率控制，出料 端與彈簧密封閥連接，可以在控制物料的連續出料量的同時保證輸料管中有足夠的滅菌溫 度。固態物料在輸料管中行進時，經微波加熱室(7) 、(10) 、(16)被加熱滅菌，滅菌溫度和滅 菌時間可由微波加熱功率和物料推進速度調節，殺菌溫度視物料性質及滅菌工藝要求選擇 在120°C _1401:的範圍，帶壓蒸汽的工作壓力一般選擇在0. 2063Mpa-0. 3653Mpa之間，滅菌 處理時間1-30分鐘。被加熱滅菌後的固態物料排出後，立即經過冷卻，固態物料的整個加 熱滅菌過程結束。利用該工藝可以實現對上述發酵料的滅菌處理，容易達到相關工藝要求。 該方法與傳統蒸汽滅菌工藝相比，滅菌時間短，對物料的營養成分破壞程度小，同時可以不 需要蒸汽鍋爐，明顯地簡化了處理設備、降低了運行成本及管理成本、減少了對環境的汙染 與影響，容易實現自動化操作，具有實際應用價值。
實施例三 採用本發明，在中草藥有效成分提取過程中，如白藜蘆醇、人參皂甙、麻黃素、甘草 酸、紫草素等的提取時，先將原料草粉進行噴水預溼後放置5 30分鐘，噴水量根椐相關提 取工藝而定，噴水預溼可以使草粉經微波處理時被快速加熱，同時也使草粉組織結構被微 波破損處理。 將需微波處理的中草藥藥粉固態物料由進料口 (4)經推桿(5)推入輸料管(6)，在
推桿的推動下固態物料由進料口進入輸料管並被推進運行至出料口 ，處理溫度和處理時間
可由微波加熱功率和物料推進速度調節，蒸汽的工作壓力一般選擇在0. 020Mpa-0. 365Mpa
之間，時間O. 1-10分鐘。被處理後的中草藥藥粉通過彈簧密封閥從出料口排出。 經以上高溫瞬間微波處理，能使中草藥有效成分的提取率有顯著的提高。除此之
外，該方法在植物色素、香精、激素、等有效成分的提取時，對提取率同樣有顯著的提高。 實施例四 在有機肥生產領域，通常採用建堆發酵腐熟的生產工藝，所生產的有機肥中難免 殘存有害微生物和有害小動物，蒸汽滅菌法由於需要鍋爐等大型設備，蒸汽滅菌法工藝實 施難度較大；採用本發明，將需消毒或滅菌處理的有機肥產品(固態物料)由進料口 (4) 經由推桿(5)推入輸料管(6)，固態物料加熱滅菌處理量由推進速率控制，出料端與彈簧 密封閥連接，可以在控制物料的連續出料量的同時保證輸料管內有足夠的滅菌溫度。固 態物料在輸料管中行進時，經微波加熱室(7)、 (10)、 (16)被加熱滅菌，滅菌溫度和滅菌時 間可由微波加熱功率和物料推進速度調節，殺菌溫度視物料性質及滅菌工藝要求選擇在 120°C _1401:的範圍，物料所產生蒸汽的工作壓力一般選擇在0. 2063Mpa-0. 3653Mpa之間， 時間1-60分鐘。被加熱滅菌後的固態物料排出後，立即經過冷卻，固態物料的整個加熱滅菌過程結束。 對有機肥產品進行消毒滅菌處理，可提高堆肥的堆制質量，可殺滅料堆中的有害 微生物及害蟲，確保腐熟的有機肥達到國家規定的相關衛生標準，這類有機肥除常規使用 外，更適宜用於家庭、賓館、餐廳的觀賞花卉栽培。
實施例五 在各類濃縮果醬、番茄醬、胡蘿蔔醬、糖漿 加熱滅菌處理過程中，採用本發明，將 需滅菌處理的物料由管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置進料口 (4)加入，經推桿(5)推 入輸料管(6)，固態物料在推桿的推動下由進料口進入輸料管並被推進運行至出料口，固態 物料加熱滅菌處理量由推進速率控制，出料端與彈簧密封閥連接，可以在控制物料的連續 出料量的同時保證輸料管中有足夠的滅菌溫度。固態物料在輸料管中行進時，經微波加熱 室(7)、 (10)、 (16)被加熱滅菌，滅菌溫度和滅菌時間可由微波加熱功率和物料推進速度調 節，殺菌溫度視物料性質及滅菌工藝要求選擇在120°C _1401:的範圍，物料所產生蒸汽的 工作壓力一般選擇在0. 2063Mpa-0. 3653Mpa之間，滅菌處理時間1_30分鐘。被加熱滅菌後 的固態物料排出後，立即經過冷卻，固態物料的整個加熱滅菌過程結束。利用該工藝可以實 現對上述物料的滅菌處理，容易達到相關滅菌工藝要求。
權利要求
一種利用管式裝置採用微波連續加熱滅菌固態物料的方法，該方法採用多級微波連續加熱含水固態物料產生水蒸汽，在對蒸汽封閉的管道中形成0.1017Mpa——1.0015Mpa之間的蒸汽壓力，蒸汽工作壓力優選在0.2063Mpa——0.3653Mpa的範圍；用液壓或氣壓推桿，以可控制方式連續脈動式進料、用彈簧密封閥，以可控制方式連續出料，使管式微波連續加熱滅菌固態物料的裝置帶壓運行，將固態物料用微波加熱到工藝滅菌溫度120℃以上，物料的熱解或焦化溫度以下，實現含水固態物料的連續滅菌處理。
2. 根據權利要求1所述的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置，其特徵在於該裝置 由帶壓固態物料輸送系統和微波加熱系統及自動控制系統組成；其中，帶壓固態物料輸送 系統由進料口、液壓或氣壓缸及推桿、壓力站、輸料管、彈簧密封閥、出料口組成；加熱系統 由數組微波爐分級加熱組成；控制系統由安裝在微波加熱室之間的壓力與溫度傳感器及其 控制裝置組成。
3. 根據權利要求1所述的一種利用管式裝置採用微波連續加熱滅菌固態物料的方法， 其特徵在於固態物料的推進力由液壓或氣壓缸及推桿提供，在液壓或氣壓推桿的推動下 固態物料由進料口進入輸料管並被推進運行至出料口，固態物料加熱滅菌處理量由液壓或 氣壓推桿的推進行程長度和往復頻率控制；出料端與彈簧密封閥連接，通過密封口壓力的 調節，在控制物料的連續出料量的同時保證輸料管內有足夠的蒸汽壓力和滅菌溫度。
4. 根據權利要求2所述的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置，其特徵在於，所述的 輸料管採用耐壓、耐熱、微波通透率高的飛機雷達罩材料、聚四氟乙烯、工程陶瓷、鋼化玻 璃、耐熱工程塑料、玻璃鋼、或用所述材料複合製備；輸料管用於食品、藥品原料加熱滅菌 時，用鋼化玻璃管進行內襯；輸料管伸出在微波加熱室外的其他部分允許用不鏽鋼、鋁合 金、鋼鐵材料製做。
5. 根據權利要求2所述的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置，其特徵在於，所述微 波加熱要分3級進行，分別為預熱級段、主加熱滅菌級段、保溫級段，根據被加熱滅菌的固 態物料性質及相關工藝要求，增減預熱級段或保溫保壓級段；微波加熱分級後，溫度傳感器 和壓力傳感器安放在級與級之間，對整個裝置的加熱滅菌處理過程進行在線控制，並在裝 置的內部溫度和壓力出現異常時及時啟動安全保護。
6. 根據權利要求2所述的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置，其特徵在於所述的 微波爐用圓柱形微波諧振腔時，要在三等分圓周點上安裝三個功率和相關參數一致的磁控 管；所述的微波爐用方形諧振腔時，要使微波爐旋轉；或者將數個加熱性能一致的方形諧 振腔的微波爐按等分圓周的方位角，旋轉固定安裝一組或多組，例如，用4個微波爐按4等 分圓周的90°角旋轉固定安裝，6個微波爐按6等分圓周的60。角旋轉固定安裝，……以 此類推，使得固態物料在通過微波加熱室時能被類似旋轉微波場均勻的加熱。
7. 根據權利要求2所述的管式微波連續加熱滅菌固態物料裝置，其特徵在於，所述輸 料管兩端經套絲後，可用管箍相互連接成長管，長度視加熱滅菌工藝的要求確定；長管可以 轉向，在轉向時，彎頭必須圓滑，不能有死角，彎度不能太小、太多。
8. 根據權利要求1 一種利用管式裝置採用微波連續加熱滅菌固態物料的方法，在固態 發酵生產紅曲、蛋白酶、果膠酶、纖維素酶、檸檬酸、乙醇、乳酸、赤黴素、維生素、醬油、食醋、 白酒、蛋白飼料、Bt製劑、食用菌、有機肥的生產過程中培養基和產品進行滅菌處理中應用。
9. 根據權利要求1 一種利用管式裝置採用微波連續加熱滅菌固態物料的方法，在白藜蘆醇、人參皂甙、麻黃素、甘草酸、紫草素中草藥有效成分提取過程中的應用。
10.根據權利要求1 一種利用管式裝置採用微波連續加熱滅菌固態物料的方法，在濃 縮果醬、番茄醬、胡蘿蔔醬、糖漿的加熱滅菌處理過程中的應用。
全文摘要
一種微波連續加熱滅菌固態物料的方法及其裝置。採用多級微波連續加熱含水固態物料產生水蒸汽，在對蒸汽封閉的管道中形成0.1017Mpa－1.0015Mpa之間的蒸汽壓力，蒸汽壓力優選在0.2063Mpa－0.3653Mpa之間；用液壓或氣壓推桿，以可控制方式連續脈動式進料、用彈簧密封閥，以可控制方式連續出料，使管式微波連續加熱滅菌固態物料的裝置帶壓運行，將固態物料用微波加熱到工藝滅菌溫度120℃以上，物料的熱解或焦化溫度以下，實現含水固態物料的連續滅菌處理。本發明廣泛應用於食品、釀造、果品加工、中草藥提取及有機肥料生產領域。
文檔編號A61L2/04GK101766828SQ20101010474
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月3日 優先權日2010年2月3日
發明者王衛國, 計巧靈 申請人:新疆大學