一种双极性纳秒脉冲电场加载、电场灭菌装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于生物医学领域，具体涉及一种脉冲电场灭菌方法，尤其是一种双极性纳秒脉冲电场加载、电场灭菌装置及方法。本发明专利技术针对现有电场灭菌技术存在的问题对含菌液体施加周期性的双极性纳秒脉宽高压电脉冲，使其先受到正极性脉冲电场的作用，随后受到负极性脉冲电场的作用，或反之。使细菌等微生物体中蛋白质、磷脂、脱氧核糖核酸等极性物质受到快速交替的正、负极性脉冲电场作用，提高脉冲电场对细菌等微生物体中极性物质的作用效率，使蛋白质等极性物质与其附着物相互之间的结构关系发生改变，或使蛋白质等极性长链分子物质可能发生构型改变、甚至分解，使细菌等微生物死亡或进入程序性凋亡。用于解决灭菌效率和选择性灭菌问题。

Bipolar nanosecond pulse electric field loading and electric field sterilizing device and method

The invention belongs to the field of biomedicine, in particular to a pulsed electric field sterilization method, in particular to a bipolar nanosecond pulse electric field loading and electric field sterilizing device and a method thereof. The invention is applied to periodic bacteria liquid according to the existing problems of the sterilization technology of bipolar nanosecond high voltage pulse electric field, make it have the positive pulse, followed by negative pulse electric field, or vice versa. The bacteria and other microorganisms in the protein, phospholipid and DNA polar substances by rapidly alternating positive and negative pulse electric field, improve the efficiency of pulsed electric field on the polar substance bacteria and other microorganisms, such as protein structure relations between the polar material and its attachments between change, or protein and other polar molecules may occur long chain conformational change, even the decomposition, death or apoptosis in bacteria. Used to solve the problem of sterilization efficiency and selective sterilization.

【技术实现步骤摘要】
一种双极性纳秒脉冲电场加载、电场灭菌装置及方法
本专利技术属于生物医学领域，具体涉及一种双极性纳秒脉冲电场加载、电场灭菌装置及方法，通过对电脉冲波形进行特殊设计提高脉冲电场与细菌中极性物质之间的耦合效率，用于解决灭菌效率和选择性灭菌问题。
技术介绍
在食品加工和医疗领域，灭菌处理是至关重要的一项工作。目前，工业应用的杀菌方法有加热杀菌、化学药剂杀菌、强光灭菌等，这些灭菌方法虽然能够杀灭细菌，但均存在一定的局限性。例如，加热杀菌常会使被处理物(例如食品)发生物理或化学性质的变化，造成其色、香、味、组织结构的改变及营养价值的下降，严重影响食品的质量。化学药剂杀菌会使得被处理物中存在化学药剂残留，使得其应用受到极大的限制。强光灭菌则由于光的穿透能力的限制使其限于表面处理。电场灭菌是近年来新兴的灭菌技术，美国、德国、日本等国发表了大量关于电场灭菌的研究报告。细菌、芽孢、病毒和生物细胞由蛋白质、磷脂、脱氧核糖核酸等多种有机分子和钠离子、钾离子等多种离子以及水等多种无机物分子组成，其中对维持细菌、芽孢、病毒和生物细胞正常生命活动至关重要的蛋白质、磷脂、脱氧核糖核酸等多种物质均为极性物质。国内外研究结果表明细菌、芽孢、病毒和生物细胞中的极性物质在电场作用下会受到电场力的作用，发生运动甚至分解，使得其结构关系和生物活性发生改变，使细胞死亡或进入程序性凋亡状态。Elzakhem报道了使用电场处理生长初期的啤酒酵母，证实电场处理能够达到良好的灭菌效果。Malicki等人研究了高压脉冲电场对液态蛋白中大肠杆菌致死率的影响，结果表明脉冲电场处理后大肠杆菌下降了4个对数级，同时营养成分几乎没有损失。2001年美国俄亥俄州立大学(OSU)建成了第一台用于电场灭菌的固态高压脉冲发生器。该大学与DTI公司合作制造了世界上第一台具有商业化规模的脉冲电场处理系统，每小时可以处理1000L-5000L的液体食品。我国脉冲电场杀菌技术虽然起步较晚，但发展迅速。中国农业大学、吉林大学、清华大学、浙江大学、西安交通大学、江南大学、华南理工大学、福建农林大学、重庆大学等均开展了相关研究工作，并在电场灭菌机理等方面取得了一些认识。但是，目前为止，在灭菌效率和选择性灭菌方面仍存在问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种双极性纳秒脉冲电场加载装置、双极性纳秒脉冲电场加载方法、双极性纳秒脉冲电场灭菌方法及双极性纳秒脉冲电场灭菌装置，通过对含菌液体施加双极性纳秒脉宽高压脉冲电场，使其先受到正极性脉冲电场的作用，随后受到负极性脉冲电场的作用，或反之。在一个加载周期内，对含菌液体施加一次正极性脉冲电场作用和一次负极性脉冲电场作用，且脉冲宽度均小于等于100纳秒,正极性脉冲和负极性脉冲之间的时间间隔尽量短，一般情况下要求该时间间隔小于等于100ns。通过以一定的重复频率对含菌液体进行多次高强度电场处理，进一步提高电场灭菌效率。解决脉冲电场灭菌效率问题及选择性灭活问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种双极性纳秒脉冲电场加载装置包括：时序与脉冲参数设定及控制模块，用于控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器，按照设定时序和脉冲参数要求输出对应的正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲；脉冲合成模块，用于将所述正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲进行合成处理后交替输出正、负极性高电压纳秒脉冲。进一步的，所述脉冲合成模块包括第一高功率脉冲二极管D1、第二高功率脉冲二极管D2、磁开关(MS)、锐化电容(C1)和锐化开关(S)；正极性高电压纳秒脉冲发生器与第一高功率脉冲二极管D1正极端连接；第一高功率脉冲二极管D1负极端与第二高功率脉冲二极管D2负极端并接后作为脉冲合成模块的输出端，第二高功率脉冲二极管D2正极接地；负极性高电压纳秒脉冲发生器依次通过磁开关(MS)和锐化开关(S)后与第一高功率脉冲二极管D1负极端连接；在磁开关MS与锐化开关S的公共端连接锐化电容(C1)高压极，锐化电容(C1)另一端接地；正极性高电压纳秒脉冲发生器输出的单个正极性纳秒脉冲在磁开关MS和锐化开关S公共端处的电压V(t)对时间的积分值小于磁开关MS的伏秒数。进一步的，所述正、负极性脉冲的脉宽均小于等于100纳秒，且正、负极性脉冲之间的时间间隔小于等于100ns。一种双极性纳秒脉冲电场加载方法，其特征在于包括：时序与脉冲参数设定及控制模块控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器，使其按照设定时序和脉冲参数要求输出对应的正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲；脉冲合成模块将所述正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲进行合成处理后交替输出正、负双极性高电压纳秒脉冲。一种双极性纳秒脉冲电场灭菌装置还包括：处理器，用于接收脉冲合成电路输出的正、负极性高电压脉冲并对处理器的处理腔中含菌材料进行灭菌处理；时序与脉冲参数设定及控制模块，用于控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器及处理器的运行，从而使处理器的处理腔中含菌液体中细菌及其芽孢、病毒、生物细胞中的蛋白质极性物质，在所述正、负极性脉冲电场交替作用下发生移位或破坏，使细菌的细胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白质物质的生物活性受到破坏，从而使细菌及其芽孢、病毒、生物细胞失去活性或者凋亡。进一步的，根据待处理目标细菌、病毒和生物细胞的特性确定，对含菌液体进行多次重复脉冲电场处理，对含菌液体交替加载正、负极性高电压纳秒脉冲的重复频率f和加载脉冲数x进行设定；重复频率范围是1Hz-5MHz，推荐值为1Hz-1kHz；加载脉冲数范围是1-10000，推荐值为20-100。进一步的，所述处理腔长度设计要求是设定流速的目标菌体全部通过处理腔的时间不小于加载脉冲数所需的时间；所述加载脉冲所需的时间指的是设定正、负极性高电压纳秒脉冲发生器馈送到处理腔的n个电脉冲数量所需时间；n个电脉冲包括n/2个正极性脉冲和n/2个负极性脉冲。一种双极性纳秒脉冲电场加载方法的电场灭菌方法还包括：处理器，用于接收脉冲合成电路输出的正、负极性高电压脉冲并对含菌材料进行灭菌处理；时序与脉冲参数设定及控制模块控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器及处理器的运行，从而使处理器的处理腔中含菌液体中细菌及其芽孢、病毒、生物细胞中的蛋白质等极性物质，在所述正、负极性脉冲电场交替作用下发生移位或破坏，使细菌的细胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白质物质的生物活性受到破坏，从而使细菌及其芽孢、病毒、生物细胞失去活性或者凋亡。一种双极性纳秒脉冲电场加载方法的电场灭菌方法包括：时序与脉冲参数设定及控制模块检测正极性高电压纳秒脉冲发生器、负极性高电压纳秒脉冲发生器的脉冲产生电路中的电容器组是否已充电达到预设电压、收集器和废液储存器中液位是否低于启动液位、供料器中液位是否高于启动液位，以确认系统状态是否满足开机条件；当系统状态参数满足开机条件时，时序与脉冲参数设定及控制模块首先打开供料器与处理器之间的电控阀门，启动供料器向处理器输送含菌液体；当处理器的处理腔中已充满含菌液体且无气泡时，时序与脉冲参数设定及控制模块启动正极性高电压纳秒脉冲发生器和负极性高电压纳秒脉冲发生器使其按照设定时序和脉冲参数要求输出正、负极性高电压纳秒脉冲通过脉冲合成模块馈送至处理器高压电极，正极性高电压纳秒脉冲发生器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极性纳秒脉冲电场加载装置，其特征在于包括：时序与脉冲参数设定及控制模块，用于控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器，按照设定时序和脉冲参数要求输出对应的正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲；脉冲合成模块，用于将所述正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲进行合成处理后交替输出正、负极性高电压纳秒脉冲。

【技术特征摘要】
1.一种双极性纳秒脉冲电场加载装置，其特征在于包括：时序与脉冲参数设定及控制模块，用于控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器，按照设定时序和脉冲参数要求输出对应的正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲；脉冲合成模块，用于将所述正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲进行合成处理后交替输出正、负极性高电压纳秒脉冲。2.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒脉冲电场加载装置，其特征在于所述脉冲合成模块包括第一高功率脉冲二极管(D1)、第二高功率脉冲二极管(D2)、磁开关(MS)、锐化电容(C1)和锐化开关(S)；正极性高电压纳秒脉冲发生器与第一高功率脉冲二极管(D1)正极端连接；第一高功率脉冲二极管D1负极端与第二高功率脉冲二极管(D2)负极端并接后作为脉冲合成模块的输出端，第二高功率脉冲二极管(D2)正极接地；负极性高电压纳秒脉冲发生器依次通过磁开关(MS)和锐化开关(S)后与第一高功率脉冲二极管(D1)负极端连接；在磁开关MS与锐化开关S的公共端连接锐化电容(C1)高压极，锐化电容(C1)另一端接地；正极性高电压纳秒脉冲发生器输出的单个正极性纳秒脉冲在磁开关(MS)和锐化开关(S)公共端处的电压V(t)对时间的积分值小于磁开关(MS)的伏秒数。3.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒脉冲电场加载装置，其特征在于正、负极性脉冲的脉宽均小于等于100纳秒，且正、负极性脉冲之间的时间间隔小于等于100ns。4.基于权利要求1、2或3所述的双极性纳秒脉冲电场加载装置的加载方法，其特征在于包括：时序与脉冲参数设定及控制模块控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器，使其按照设定时序和脉冲参数要求输出对应的正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲；脉冲合成模块将所述正极性高电压纳秒脉冲、负极性高电压纳秒脉冲进行合成处理后交替输出正、负双极性高电压纳秒脉冲。5.基于权利要求1、2或3所述的双极性纳秒脉冲电场加载装置的电场灭菌装置，其特征在于还包括：处理器，用于接收脉冲合成电路输出的正、负极性高电压脉冲并对处理器的处理腔中含菌材料进行灭菌处理；时序与脉冲参数设定及控制模块，用于控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器及处理器的运行，从而使处理器的处理腔中含菌液体中细菌及其芽孢、病毒、生物细胞中的蛋白质极性物质，在所述正、负极性脉冲电场交替作用下发生移位或破坏，使细菌的细胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白质物质的生物活性受到破坏，从而使细菌及其芽孢、病毒、生物细胞失去活性或者凋亡。6.根据权利要求5所述的一种双极性纳秒脉冲电场灭菌装置，其特征在于根据待处理目标细菌、病毒和生物细胞的特性确定，对含菌液体进行多次重复脉冲电场处理，对含菌液体交替加载正、负极性高电压纳秒脉冲的重复频率f和加载脉冲数x进行设定；重复频率范围是1Hz-5MHz，推荐值为1Hz-1kHz；加载脉冲数范围是1-10000，推荐值为20-100。7.根据权利要求5所述的一种双极性纳秒脉冲电场灭菌装置，其特征在于所述处理腔长度设计要求是设定流速的目标菌体全部通过处理腔的时间不小于加载脉冲数所需的时间；所述加载脉冲所需的时间指的是设定正、负极性高电压纳秒脉冲发生器馈送到处理腔的n个电脉冲数量所需时间；n个电脉冲包括n/2个正极性脉冲和n/2个负极性脉冲。8.基于权利要求4所述的双极性纳秒脉冲电场加载方法的电场灭菌方法，其特征在于还包括：处理器，用于接收脉冲合成电路输出的正、负极性高电压脉冲并对含菌材料进行灭菌处理；时序与脉冲参数设定及控制模块控制正、负极性高电压纳秒脉冲发生器及处理器的运行，从而使处理器的处理腔中含菌液体中细菌及其芽孢、病毒、生物细胞中的蛋白质极性物质，在所述正、负极性脉冲电场交替作用下发生移位或破坏，使细菌的细胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白质物质的生物活性受到破坏，从而使细菌及其芽孢、病毒、生物细胞失去活性或者凋亡。9.基于权利要求4所述的双极性纳秒脉冲电场加载方法的电场灭菌方法，其特征在于包括：时序与脉冲参数设定及控制模块检测正极性高电压纳秒脉冲发生器、负极性高电压纳秒脉冲发生器的脉冲产生电路中的电容器组是否已充电达到预设电压、收集器和废液储存器中液位是否低于启动液位、供料器中液位是否高于启动液位，以确认系统状态是否满足开机条件；当系统状态参数满足开机条件时，时序与脉冲参数设定及控制模块首先打开供料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪涛，李博婷，赵娟，邓维军，王波，康传会，黄宇鹏，李波，张信，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，李博婷，
类型：发明
国别省市：四川,51