空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置
阅读说明：本技术 空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置 (Integrated device for performing milk sterilization by combining cavitation ultrasound and ultraviolet rays ) 是由 孙逊 陈颂英 玄晓旭 游炜彬 杨泽 王梦洁 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：一种空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置,包括定子、转子、转轴、紫外线发射器和超声波换能器,定子的内壁上分布有超声换能器,定子两端面上均设置有紫外线发射器,定子两侧端面分别设置有排液口和进液口,转轴安装在定子中,转子处于定子中并固定安装在转轴上,转子上分布有叶片,叶片内带有空腔,叶片上在空腔相对的两侧设置有空化通孔。上述装置,通过高效耦合水力空化、超声空化与紫外线三种工艺,协同对牛奶进行处理,效果好,可放大性高,处理量大,可连续作业,成本低,不产生二次污染,在牛奶灭菌领域具有广阔的应用前景。(The utility model provides an integral type device that cavitation supersound and ultraviolet ray jointly carry out milk sterilization, includes stator, rotor, pivot, ultraviolet emitter and ultrasonic transducer, and it has ultrasonic transducer to distribute on the inner wall of stator, all is provided with ultraviolet emitter on the stator both ends face, and stator both sides terminal surface is provided with leakage fluid dram and inlet respectively, and the pivot is installed in the stator, and the rotor is in the stator and fixed mounting is in the pivot, and it has the blade to distribute on the rotor, has the cavity in the blade, is provided with the cavitation through-hole in the relative both sides of cavity on the blade. The device processes the milk by the efficient coupling of the three processes of the hydrodynamic cavitation, the ultrasonic cavitation and the ultraviolet rays, has good effect, high amplification, large treatment capacity, continuous operation, low cost and no secondary pollution, and has wide application prospect in the field of milk sterilization.)
技术领域
本发明涉及一种用于牛奶灭菌的装置，该装置联合水力空化、超声空化与紫外线处理技术，属于牛奶灭菌技术领域。
背景技术
牛奶是最古老的天然饮料之一，被誉为“白色血液”。“生鲜奶”易被环境中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、假单胞菌、真菌以及源于动物体的布鲁氏杆菌、结核杆菌等人畜共患致病菌等污染。“生鲜奶”杀菌不充分，很容易造成人畜共患病的传播。
目前牛奶的灭菌主要采用两种方式：热力杀菌和非热力杀菌。
热力杀菌主要有：
1.低温长时间巴氏灭菌法(LTLT)：牛奶冷却后将牛奶加热到62～65℃，保持30分钟，利用病原体耐热性不强的特点，用适当的温度和时间保温处理，将其全部杀灭；
2.高温短时间巴氏灭菌法(HTST)：将牛奶加热到75～90℃，保温15～16秒，将病原菌杀死；
3.超高温瞬时杀菌(UHT)：将牛奶的加热温度设为135～150℃、加热时间为2～8秒，病原体因高温所致的内部酶失活，丧失新陈代谢能力，从而死亡；
非热力杀菌主要有：
4.超声波杀菌：利用高强度的超声波在液体介质中传播时形成微小气泡核，液体中某些细菌因微小气泡核内部在绝热收缩及崩溃的瞬间产生高温及高压致死；
5.化学灭菌法：指化学药品直接作用于微生物而将其杀死的方法。
6.超高压灭菌：在常温或较低温度的条件下，通过改变压强来杀死细菌等微生物。
以上灭菌方式存在以下弊端：
1.LTLT方法耗时较长，牛奶产品保质期短，且需冷藏保存；
2.HTST方法存在部分嗜热菌、耐热性菌以及芽孢等残余；
3.UHT方法需要高温环境，加大了能耗，且高温导致乳糖焦化，破坏口感；
4.超声波杀菌，灭菌不彻底，影响因素较多，且处理量较小；
5.化学灭菌法，化学处理后会产生化学残留，影响食品安全；
6.超高压灭菌，牛奶需经过预处理，并且需严格把握压强，过高过低都将影响牛奶原有的口味、颜色、营养等。
因此，如何解决上述现有牛奶灭菌方式存在的缺点是本领域亟需解决的技术问题。
空化是指液体内局部压力下降时，液体内部或液固交界面上气体空穴的形成、发展和溃灭的过程。当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空化泡。空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲击波，产生局部高温和瞬间高压。空化现象释放的能量也可以加以利用，以实现对化学、物理等过程的强化，达到增效、节能、降耗等效果。因此，可以利用空化发生时产生的瞬间高温高压来对液体原料进行灭菌。
但是目前市面上的水力空化处理装置基本采用文丘里管、空化喷嘴的结构达到空化的目的，上述结构均存在空化效率低、处理量小、处理效率低的问题，直接用于牛奶的杀菌效果不理想。
发明内容
本发明针对现有牛奶灭菌工艺存在的不足，提出一种高效、安全、可靠的空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置。
本发明空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置，采用以下技术方案：
该装置，包括定子、转子、转轴、紫外线发射器和超声波换能器，定子的内壁上分布有超声换能器，定子两端面上均设置有紫外线发射器，定子两侧端面分别设置有排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片上在空腔相对的两侧设置有空化通孔。
所述定子内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm。
所述定子内部的反应温度为50～80℃(升温来自于空化现象的热效应)。
所述超声波换能器在定子内壁上沿轴向与周向以每圈2～8个，共2～6圈等间距分布。所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。
所述紫外线发射器以圆周阵列等角度嵌入在定子端面上，每侧定子端面上有2～12个，单机功率为15～100W。所述定子两侧端面的紫外线发射器的数量相等且一一相互对应。
所述进液口和排液口对角设置，以防止产生短流现象。所述进液口的进液流量为1.5～4.5m3/h。
所述转轴的转速为4000～4500r/min。
所述转子在转轴上轴向等距分布2～6个。
所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。所述叶片的长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。
所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。
所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。所述空化通孔在叶片上每侧均以4～10排，3～10列的矩形阵列排布。所述叶片内空腔两侧的空化通孔两两对正(在同一轴线上)。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
为保证空化现象的形成，并高效地实现牛奶灭菌工艺，上述结构与工艺参数均由实际灭菌实验所得。
上述装置对牛奶中的病原菌进行灭菌时，将牛奶输送至定子中，并在紫外线发射器的照射下对牛奶病原菌初步灭杀，再通过水力空化和超声空化杀死病原菌，最终得到灭菌后的牛奶。
本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地采用转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波与紫外线处理工艺，三者高效协同灭菌，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，从而最终增强灭菌效果。空化所需的机械旋转运动能不断搅拌牛奶液体，使牛奶表面不断更新，从而紫外线能照射更多的牛奶液体。因此，上述三者的耦合使用可获得远高于单独使用时灭菌效果的总和。
牛奶进入到空化器中，紫外线首先会对牛奶病原菌产生一定的灭杀作用，紫外线破坏及改变微生物组织结构，导致核酸结构突变，功能遭到破坏，生物体丧失复制、繁殖能力，从而达到杀菌的目的。空化器中通过机械的旋转能使牛奶表面不断更新，在较短的时间内让紫外线照射到更多的牛奶。由于紫外线的穿透能力较低，牛奶浊度大，紫外线处理在灭菌方面只能起到有限的作用。在空化器中通过机械的旋转产生空化泡，空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成冲击波、微射流等现象，产生瞬间局部高温和瞬间高压。这些冲击波、微射流对微生物具有高度破坏性，产生的瞬间局部高温和高压能有效地灭活微生物。空化现象能产生羟基，羟基有一个未成对电子，可从其他物质中移除电子，具有强氧化性。微生物(包括膜表面、脂质和蛋白质)可以通过链式反应被羟基氧化，受到不可逆地损伤，超声波能促进水力空化现象发生，空化现象通过机械、热和化学效应的综合作用，实现牛奶灭菌。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与紫外线技术协同牛奶灭菌，远远比单独使用水力空化、超声空化或紫外线的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；
2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；
3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；
4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率；
5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与紫外线发射器，较传统空化器极大地提高水力空化的处理效率；
6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；
7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大牛奶灭菌处理量的需求；
8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与紫外线技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；
9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；
10.本发明所述装置结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠且便于维修；
11.本发明所述装置不局限于牛奶灭菌，对于其他类型的液相食品灭菌也预计拥有良好的处理效果；
12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际灭菌实验所得；
13.本装置具有高效、营养破坏低的优点，可完全替代现有技术。
附图说明
图1本发明耦合水力空化、超声空化与紫外线的一体化牛奶灭菌装置的结构示意图。
图2是本发明中紫外线发射器的分布示意图。
图3是本发明中定子和转子截面示意图。
图4是本发明中转子结构示意图。
图5是本发明装置对大肠埃希氏菌的灭活效果的SEM电镜图，a为处理前，b为处理后。
图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.紫外线发射器，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.空化通孔，14.转子，15.进液口，16.楔键，17.空腔，18.叶片。
具体实施方式
本发明空化超声与紫外线联合进行牛奶灭菌的一体式装置，如图1所示，包括定子10、转子14、转轴4、紫外线发射器7和超声波换能器11。
定子10为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子10内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm，其内壁上装有超声换能器11。各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接。所述超声波换能器以每圈2～8个、共2～6圈、等间距的形式沿轴向与周向嵌入于定子内壁。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，促进处理效果。两侧定子的端盖8上均设置有紫外线发射器7，参见图2。紫外线发射器7以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，每侧共有2～12个，单机功率为15～100W，通过密封结构进行固定。两侧的紫外线发射器7的数量相等且一一相互对应，可保证定子10中不同区域所受光照强度相同，使得紫外线反应能够高效进行。
参见图2，定子左侧端盖下部设置排液口1，右侧端盖上部设置进液口15。进液口15和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口15与出水口1分别与控制阀相连，用于控制流量。进液口的进液流量为1.5～4.5m3/h。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～85℃。
转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子10并通过联轴器依次连接增速器和电机，带动转子14在定子10内转动。转轴4与定子10的连接处设有机械密封6，机械密封6设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转轴4的转速为4000～4500r/min。转子14处于定子10的空腔中，并通过楔键16固定安装在转轴4上。
转轴4上轴向等距分布2～6个转子14，转子14为多叶片叶轮结构，如图3和图4所示。叶片18为带有空腔17的中空梯形体结构，在转子14上等间隔沿周向分布4～10个。空腔17为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片18的长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片18上在空腔17相对的两侧设置有空化通孔13，空化通孔13的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。空化通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片上的每侧均以4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片18两侧的每对文丘里形空化通孔13两两对正(在同一轴线上)。转子高速旋转时，流体从一侧的空化通孔13的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出；之后流体便会进入另一侧的空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。
上述结构及参数是根据牛奶灭菌特点经过实际灭菌实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。
采用本发明的上述装置对牛奶灭菌的过程如下所述。
通过压力泵将牛奶从进液口15输送进定子10中，流量为1.5～4.5m3/h。电机带动转轴4及其上的转子14高速旋转，使得叶片18上的空化通孔13高速剪切流体，使牛奶局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器12把电转换成与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声换能器11，超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量并提升其溃灭强度，提高装置处理效率。空化现象产生的极高温、高压条件大大加强了灭菌效果。机械旋转运动不断搅拌牛奶，使牛奶表面不断更新，让紫外线能照射更多的牛奶。上述三种处理工艺的耦合，极大地增强处理效果，更好地达到灭菌的目的。处理后牛奶经排液口1流出，再进入进液口15进行循环处理，直至获得满意的灭菌结果。
本发明通过对牛奶灭菌实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个、共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W；紫外线发射器单侧共有7个，单机功率为45W)，获得如下结论：
在转速4500rpm，流量为2.6m3/h，超声波频率为40kHz，反应温度75℃，5分钟内便可对60L分别接种大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌与蜡状芽孢杆菌等典型致病菌的原始牛奶实现灭菌(灭菌率均为100％，对数减少均在6以上)。图5给出了SEM电镜下的本发明装置对大肠埃希氏菌的灭活效果。左图a为处理前，大肠埃希氏菌饱满、完整。而处理后(右图b)，其表面粗糙，褶皱变多，细胞壁被破坏，胞内物质流出；有的细菌甚至被直接一分为二，其结构被完全破坏。
对灭菌前后的牛奶的营养成分进行分析以验证本装置对牛奶营养成分的破坏作用，结果如下表所示：
由以上对灭菌前后的牛奶营养成分列表进行分析，发现本装置对矿物质、乳脂肪、乳蛋白、维生素的破坏程度略低于传统的HTST灭菌方法。由此可见，本装置具有高效、营养破坏低的优点。
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