脉冲电场处理过程中电极金属离子释出的研究
发布时间：2021-03-30 03:10
高压脉冲电场（Pulsed Electric Field,PEF）处理技术是目前较热门的一种冷灭菌技术,可作为传统热力液体灭菌的替代方法。通过在高压电极上接入高压脉冲,在处理室内产生高压脉冲电场并作用于微生物,在强脉冲电场的作用下使微生物细胞发生不可逆穿孔导致细胞失活。但当采用传统的PEF杀菌系统时,发生不良电化学反应是不可避免的,产生有毒的金属离子和气态气泡。本文研究了高压脉冲电场对酿酒酵母杀菌的效果及对电极金属离子释出的影响。本研究工作如下:（1）分别自制两个具有相同几何结构以及处理空间的流动连续型和静止间歇型的同轴PEF处理室,并采用自主搭建的指数衰减波高压脉冲发生器进行不同电气参数（脉冲数N、电场强度E）条件下酿酒酵母的灭菌对比实验。（2）进行静止同轴处理室PEF过程中不同电气参数（脉冲数N、电场强度E和总能比输入WT）对不锈钢（304型）电极中金属离子释出的影响实验。得到实验结果如下:（1）PEF处理室的灭菌效率实验结果显示:流动型和静止型PEF处理室的灭菌效率均与电场强度和脉冲个数成正相关;但在相同处理条件下,静止间歇型处理室的灭菌效率优于流动连续型处...
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
指数脉冲发生器的仿真电路图
广西大学硕士学位论文脉冲电场处理过程中电极金属离子释出的研究17其电感也很小，但其最大缺点是电极间的介质是一次性的，因此只能产生单个脉冲。因此，本研究中采用自击穿火花隙开关，其关断原理是当开关两电极电压大或等于电极间隙的击穿电压时，电极间发生霎时电弧击穿导通，造成两电极霎时的导通和关断。自击穿火花隙开关不仅放电电压可调，而且频率可通过调节充电电流大小来控制，具有耐高电压和大电流，重复频率高等特点，在产生简单、可靠的脉冲波形应用广泛。3.2.3高压脉冲直流电源高压直流电源选用大连泰思曼科技有限公司的TRC2020系列高压直流电源，安装有数字电压和电流数码管LED显示，配有过压和输出短路保护功能。该电源采用市电220V供电，输出最高电压为50kV，输出最高电流为1mA，功率为50W。该电源面板自带的多圈电位器可将输出电压设置在0V到最高电压之间，电源自带的多圈电位器可将电流设置在0A到最高电流,可实现高压输出的线性平稳上升。综上研究分析，目前实验室阶段搭建了一个利用自击穿火花隙开关的负极性单指数脉冲发生器。由于高压脉冲发生器的设备，不仅价格昂贵，而且输出的是短时高电压大电流，在搭建和调试过程中具备一定的危险性。随着各类计算机仿真软件的不断丰富，因此为了保证自主搭建的指数脉冲发生器的成功性以及人身安全性的前提下，在实际搭建前对自主搭建的指数脉冲发生器进行了计算机仿真模拟。该脉冲发生器的仿真电路图与电容电压波形图如图3-6、图3-7所示。图3-6指数脉冲发生器的仿真电路图Fig.3-6Simulationcircuitdiagramofexponentialpulsegenerator图3-7电容电压仿真波形图Fig.3-7Waveformofcapacitorvoltagesimulation
广西大学硕士学位论文脉冲电场处理过程中电极金属离子释出的研究18该仿真结果表明该电路是可行的，并在实验室搭建了实际脉冲装置，装置图如图3-8所示。图3-8指数脉冲发生器实验装置图Fig.3-8Experimentaldeviceofexponentialpulsegenerator该PEF高压脉冲发生器的输出电压和脉冲频率均可调，其中输出电压即为火花隙开关的击穿电压，通过调整开关的电极间距可实现0～25kV的输出电压；而通过调节直流电源的输出电流可以控制电容充电的快慢，从而实现范围在0.5～2pps（pulsepersecond,pps）之间的脉冲频率。有效脉冲宽度取决于PEF处理室的等效阻抗和充电电容容值，计算公式用式（3-1）计算：τ=ReqC（3-1）其中，Req为处理室的等效阻抗，C为充电电容容值。3.3高压脉冲电场处理室在高压脉冲电场技术的发展过程中，处理室的设计也是关键技术难点之一。PEF处理室的一般用途是存放待处理的液体悬浮液，并向悬浮液输送高压脉冲。在某些情况下，PEF处理室的设计也配备冷却系统，以保持一个相对较低的温度。基本上，PEF处理室由绝缘材料和固定的两个电极组成，形成包含液体悬浮液的处理区域。目前，处理室的结构主要有三种形式在：平板式、同轴式和共场式，其结构图分别如图3-9、3-10、3-11所示，并且处理室处理方式从静止间歇式处理室发展出流动连续式处理室。静态处理室处理体积小，主要适用于实验室研究相关因素对PEF处理过程的影响，而连续处理室对于大规模的脉冲电场处理技术应用更具潜力。本研究先利用COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件对平板型、同轴型和共场型三种类型的处理室进行多物理场耦合仿真模型。比较各处理室内的电场与流场分布性以及等效电阻大小，综合分析比较各参数在不同类型处理室的优势水平，以便搭建更为合
本文编号：3108739
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
指数脉冲发生器的仿真电路图
广西大学硕士学位论文脉冲电场处理过程中电极金属离子释出的研究17其电感也很小，但其最大缺点是电极间的介质是一次性的，因此只能产生单个脉冲。因此，本研究中采用自击穿火花隙开关，其关断原理是当开关两电极电压大或等于电极间隙的击穿电压时，电极间发生霎时电弧击穿导通，造成两电极霎时的导通和关断。自击穿火花隙开关不仅放电电压可调，而且频率可通过调节充电电流大小来控制，具有耐高电压和大电流，重复频率高等特点，在产生简单、可靠的脉冲波形应用广泛。3.2.3高压脉冲直流电源高压直流电源选用大连泰思曼科技有限公司的TRC2020系列高压直流电源，安装有数字电压和电流数码管LED显示，配有过压和输出短路保护功能。该电源采用市电220V供电，输出最高电压为50kV，输出最高电流为1mA，功率为50W。该电源面板自带的多圈电位器可将输出电压设置在0V到最高电压之间，电源自带的多圈电位器可将电流设置在0A到最高电流,可实现高压输出的线性平稳上升。综上研究分析，目前实验室阶段搭建了一个利用自击穿火花隙开关的负极性单指数脉冲发生器。由于高压脉冲发生器的设备，不仅价格昂贵，而且输出的是短时高电压大电流，在搭建和调试过程中具备一定的危险性。随着各类计算机仿真软件的不断丰富，因此为了保证自主搭建的指数脉冲发生器的成功性以及人身安全性的前提下，在实际搭建前对自主搭建的指数脉冲发生器进行了计算机仿真模拟。该脉冲发生器的仿真电路图与电容电压波形图如图3-6、图3-7所示。图3-6指数脉冲发生器的仿真电路图Fig.3-6Simulationcircuitdiagramofexponentialpulsegenerator图3-7电容电压仿真波形图Fig.3-7Waveformofcapacitorvoltagesimulation
广西大学硕士学位论文脉冲电场处理过程中电极金属离子释出的研究18该仿真结果表明该电路是可行的，并在实验室搭建了实际脉冲装置，装置图如图3-8所示。图3-8指数脉冲发生器实验装置图Fig.3-8Experimentaldeviceofexponentialpulsegenerator该PEF高压脉冲发生器的输出电压和脉冲频率均可调，其中输出电压即为火花隙开关的击穿电压，通过调整开关的电极间距可实现0～25kV的输出电压；而通过调节直流电源的输出电流可以控制电容充电的快慢，从而实现范围在0.5～2pps（pulsepersecond,pps）之间的脉冲频率。有效脉冲宽度取决于PEF处理室的等效阻抗和充电电容容值，计算公式用式（3-1）计算：τ=ReqC（3-1）其中，Req为处理室的等效阻抗，C为充电电容容值。3.3高压脉冲电场处理室在高压脉冲电场技术的发展过程中，处理室的设计也是关键技术难点之一。PEF处理室的一般用途是存放待处理的液体悬浮液，并向悬浮液输送高压脉冲。在某些情况下，PEF处理室的设计也配备冷却系统，以保持一个相对较低的温度。基本上，PEF处理室由绝缘材料和固定的两个电极组成，形成包含液体悬浮液的处理区域。目前，处理室的结构主要有三种形式在：平板式、同轴式和共场式，其结构图分别如图3-9、3-10、3-11所示，并且处理室处理方式从静止间歇式处理室发展出流动连续式处理室。静态处理室处理体积小，主要适用于实验室研究相关因素对PEF处理过程的影响，而连续处理室对于大规模的脉冲电场处理技术应用更具潜力。本研究先利用COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件对平板型、同轴型和共场型三种类型的处理室进行多物理场耦合仿真模型。比较各处理室内的电场与流场分布性以及等效电阻大小，综合分析比较各参数在不同类型处理室的优势水平，以便搭建更为合
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