固态微波灭菌和巴氏灭菌制造技术

用于用固态微波发生器进行工业微波(MW)辅助热灭菌和巴氏灭菌的方法和装置。一个或多个相控阵发生器通过提供补充的温度控制和静水压力的加工液对运输载体中输送的包装食品或液体进行加热。发生器输出信号由计算机控制，允许相位和功率比微调来调整加热腔内的干涉模式并转移加热能量的焦点。涉模式并转移加热能量的焦点。涉模式并转移加热能量的焦点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态微波灭菌和巴氏灭菌
[0001]关于受联邦资助的研究的声明
[0002]本专利技术是在由美国农业部通过国家食品和农业研究所授予的批准编号为2016
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68003
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24840的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0003]本公开涉及连续流包装食品加工，特别是使用固态(SS)微波发生器的微波(MW)辅助热灭菌以及巴氏灭菌。

技术介绍

[0004]微波(MW)是频率在300MHz和300GHz之间的电磁波。在20世纪中期，微波加热被引入到食品加工中。与蒸煮加工等替代加热方法相比，工业规模的微波辅助热灭菌和巴氏灭菌系统具有多种优势，包括因加工时间缩短而改善的风味、质地和营养。尽管存在优势，但加热不均匀一直是各种尺寸的微波系统中的持续的挑战。该挑战通过各种方案解决，包括相对于加热室内的微波干涉模式移动食品、补充微波加热、屏蔽容易过热的边缘、在波导组件中加入分路器以从多个方向引导能量、以及使用多个发生器和微波喇叭从多个侧面加热食品。
[0005]迄今为止，用于食品应用的工业微波加热系统一直依靠磁控管来产生足够的微波加热能量。典型的磁控管由阴极、阳极、用于静态磁场的磁铁、以及输出天线组成。磁控管产生的消耗性单频元件寿命有限，并且性能会随着时间的推移而下降。磁控管产生的微波频率(f)由下式定义：
[0006][0007]其中，L是等效电感，C是阳极腔的等效电容。L和C由腔体的物理尺寸决定。因此，微波频率完全由磁控管中阳极腔的尺寸决定。具有更大L和C的磁控管的尺寸越大，微波的频率越低。因此，915MHz的磁控管比2450MHz的磁控管大得多。工作频率为915MHz的磁控管最高可达100kW，而工作频率为2450MHz的磁控管通常设计功率约为1kW。调整输出信号特性的能力有限，将来自多个方向的微波能量施加到加热室的设计取决于波导几何形状。固定波导设计不易微调以校准磁控管方差并优化微波干涉节点。可变几何形状的波导，例如带有伸缩“长号”滑动机构的波导，增加了不期望的机械复杂性。
[0008]固态(SS)微波发生器提供具有更长寿命和更易调节输出波形的替代微波电源。由于磁控管很重，对振动敏感，并且在高电压下运行，因此固态发生器对小型或便携式系统特别有吸引力。固态发生器大多被放大以提供与厨房烤箱相当的输出功率，大约为1kW或更低。这种发生器通常是使用传统半导体制造工艺制造的低功率发射器元件的相控阵，因此将它们扩展到厨房应用之外受限于现有工具和电子元件的温度敏感性。

技术实现思路

[0009]这里提出的是结合固态微波发生器的方法和装置，用于预包装食品和其他具有含水量的物品的工业巴氏灭菌或灭菌，在浸液内结合了介电和表面加热。
[0010]在一个示例性实施方案中，运输载体在整个加工过程中稳固地保持多个密封的食品包装，并且被配置为允许微波侵入以及快速浸没和排水。运输载体被装载到处理设备中并通过处理设备输送，首先是托盘装载机组件，该组件将载体浸没在预热区内循环的温控水中。然后，运输载体通过一个入口输送到加热区，该入口通过使用例如柔性折板限制区域间水的混合。
[0011]当运输载体在加压容器中受到水的静水压力或超压的情况下继续通过加热区时，它们穿过由同步的顶部和底部固态微波相控阵发生器提供的多个加热腔，发生器在相位、振幅和频率上进行了调制，以提供所需的(例如，预定的、特定的)加热模式和/或微波渗透到食品中的均匀性。水在微波加热和连接的保温区内循环并进行温度控制，该保温区旨在稳定和保持适合于灭菌或巴氏灭菌目的的温度一段时间，以及稳定和保持产品的加热特性和正在处理的份量。然后，运输载体通过第二个入口，该入口抑制保温区和后续冷却区之间的液体混合。
[0012]水在冷却区内循环并控制温度，冷却区的大小和时间使食品达到所需的后处理温度。然后，运输载体输送穿过冷却区，并通过卸载组件抬出水面，卸载组件从运输载体自由流回冷却区。
[0013]在一些示例性实施方案中，固态微波发生器是计算机控制的，使两个主要功能能够考虑到各种食品的所需处理。首先，顶部和底部发生器被成对控制，以确保均匀加热并优化微波干涉节点。此功能通过调整对置阵列之间的功率比和/或相位差来实现。这有效地变换了最大微波加热强度的水平面。如果需要，变换可以动态地发生。其次，相控阵允许在食物输送路径上沿着横向和沿路径横向转向和扫掠能量。这是通过改变每个阵列中各个发射器元件之间的相位差来实现的，并允许波束转向至固定角度或动态扫掠。
[0014]系统组件可以包括各种材料和配置，尽管氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和氮化硼(BN)等宽带隙半导体允许固态微波发生器在比标准硅器件更高的电压和温度下工作。除了上述同步和波束形成功能外，频率转换还有助于抵消导致谐振腔内加热不均匀的建设性和破坏性的干涉模式。基于磁控管的设计必须对单模腔内的驻波敏感，而固态微波发生器既允许固定中心频率模式，也允许频段内的敏捷频移。频移降低了驻波的持久性和影响。
[0015]本文公开的示例性实施方案改进了专利技术人在US 2016/0029685 A1(公布于2016年2月4日)中描述的早期工作，其全部内容通过引用并入本文。
[0016]与基于磁控管的系统相比，将固态微波源结合到本文的实施方案中产生了诸多好处，包括更高的可靠性，更长的使用寿命，更小的尺寸和更低的工作电压，发生故障时更容易更换，峰值频率的更高稳定性和精度，以及有效的相位控制。
[0017]磁控管的寿命相对较短，家用微波炉平均约500小时，商业和工业连续运行使用一年。磁控管的功率输出和峰值频率随温度和使用年限而变化。需要定期进行电源校准和更换磁控管，从而导致工业操作停机。另一方面，固态发生器可以运行至少15年，性能始终如一。固态发生器的功率输出更加稳定，无需定期校准和更换微波电源。
[0018]磁控管的驱动电压可能非常高(4
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20kV)。用于较低频率(例如，915MHz)的磁控管
和基于磁控管的发生器体积庞大。相比之下，固态功率放大器在较低的电压(50V或更低)下工作，发生器系统的尺寸和重量要小得多。它们运行更安静，维护成本更低。较小的发生器占用更少的厂房空间。
[0019]多台固态发生器可用于在工业系统中精确输送微波功率。在运行中，每台发生器可以独立控制和/或多台发生器可以一起同步。大功率固态发生器也可以通过组合几个较小的功率模块来构建。在电源故障的情况下，只需几分钟即可将模块或固态发生器更换为存储中的备用单元，因为与基于磁控管的高功率915
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MHz发生器相比，它们便宜得多，占用的存储空间也更少。这种差异大大降低了设备维护成本，缩短了食品厂生产线的停机时间。
[0020]磁控管的峰值频率受许多因素影响，例如磁控管的老化和功率设置、输出阻抗和负载相关的功率反射以及温度引起的几何膨胀。固态功率放大器具有出色的频谱稳定性，峰值频率不受功率设置或老化的影响。
[0021]磁控管是不受本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种对包装食品物品进行灭菌或巴氏灭菌方法，所述方法包括：通过浸液输送所述物品，浸入的物品受到浸液的热传导；将来自一个或多个固态(SS)微波发生器的微波(MW)能量施加到所述物品中，同时所述物品被输送穿过浸液；控制一个或多个固态微波发生器，通过改变一个或多个固态微波发生器的微波能量的振幅、频率和相位的一个或多个，以实现所述物品内所需的加热均匀性；其中，所述施加和控制步骤将浸入浸液中的所述物品加热至足以实现所述物品的灭菌或巴氏灭菌的温度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制步骤包括调谐和/或动态变换至少一个或多个固态微波发生器的振幅、频率和相位中的一个或多个。3.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个固态微波发生器包括至少一对固态微波发生器，其从所述物品的对置两侧施加微波能量。4.根据权利要求3所述的方法，其中，控制至少一对固态微波发生器包括经由第一模式通过改变来自至少一对固态微波发生器的输出微波能量的相对幅度和相对相移，在所述一对固态微波发生器之间设置最大微波能量强度的平面。5.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个固态微波发生器包括被配置为多个发射器元件的相控阵的一个或多个固态微波发生器。6.根据权利要求5所述的方法，其中，控制一个或多个配置为相控阵的固态微波发生器包括以下一种或多种：经由第一模式，设置来自每个相控阵的微波主能量瓣方向；以及经由第二模式，沿着和/或穿过所述物品通过浸液输送的方向扫过微波主能量瓣。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将所述物品在足以实现所述物品灭菌或巴氏灭菌的保温温度下维持一段时间。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：控制浸液在一个或多个区域中以保持一个或多个所需的区域温度。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述浸液保持在保温温度下。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述浸液保持在低于保温温度的冷却区。11.一种用于对具有含水量的物品进行灭菌或巴氏灭菌的加工系统，该加工系统包括：预热部分，配置为将所述物品预热至带有浸液的预热温度；连接至预热部分的加热部分，加热部分包括连接到一个或多个固态(SS)微波(微波)发生器的加热室，加热部分被配置为从预热部分接收所述物品，并将来自一个或多个固态微波发生的微波能量施加到所述物品上，同时所述物品通过浸液输送并承受浸液的静水压力，其中，所述浸液的静水压力在施加微波能量时防止所述物品的含水量致使物品破裂；以及连接至一个或多个固态微波发生器的计算机控制器，该计算机控制器被配置成改变来自一个或多个固态微波发生器的振幅、频率和相位中的一个或多个。12.根据权利要求11所述的加工系统，其中，所述计算机控制被进一步被配置为微调和/或动态变换至少一个或多个固态微波发生器的振幅、频率和相位中的一个或多个。13.根据权利要求11所述的加工系统，其中，所述一个或多个固态微波发生器包括至少一对微波发生器，所述至少一对微波发生器从物品的对置侧施加微波，其中，所述计算机控
制器被配置为经由第一模式，通过改变来自所述至少一对固态微波发生器的一个或多个输出微波能量的相对幅值和相对相移在所述物品对之间设置最大微波能量的平面。14.根据权利要求11所述的加工系统，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐炬明，富兰克林，
申请(专利权)人：华盛顿州立大学，
类型：发明
国别省市：