高压脉冲电场处理果蔬农药残留电极的设计研究

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在水果和蔬菜等生长的过程中,为了有效改善病虫害问题,施用了大量农药,包括有机农药和无机农药,其中,不论是有机农药还是无机农药不仅仅对病虫害有毒性,而且对人畜亦有毒性。在现代农业生产中,通过大量使用农药抑制病虫害已不可避免。在各种大量农药的作用下,既有效抑制了植物的发病情况,又有效抑制了虫害造成的负面影响,然而,也对人类健康构成了严重威胁,而这种威胁不仅存在于农药施用的过程中,而且其后续影响更加不可忽略。施用后的农药并不能在发挥应有的作用后有效分解,并且会在农产品收获后残留在农产品上持续发挥不应有的作用。因此研制一种能在不改变果蔬原有状态下的有效降解农药残留的技术越来越受到重视。高压脉冲电场(High Pulsed Electric Fields,HPEF)是一种新型的非热处理技术,目前可以以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度(0-100μs)和较高的脉冲频率(0-2000Hz)对液体、半固体物质进行处理。当脉冲电场作用于农药时,该农药分子加速运动获得较高的能量,增大了分子键能,使分子进入不稳定状态,导致其化学键断裂,生成一种新的无毒的物质,因此在去除农药残留方面应用高压脉冲电场的研究价值很高。目前,HPEF在蔬菜、水果等中应用的相关研究进展并没有赶上类似果汁饮料等液体物料的研究进展,国内对高压脉冲电场技术的研究还处于起步阶段,在类似果蔬类固体物料的处理工艺上的许多实用性研究还未被充分开展,这主要就是由于目前没有适当的对固态食品效果明显的处理室。本文设计了流水线式处理室及其配套电极,有效解决了现有处理室的设计缺陷,提高了高压脉冲电场处理室的工作效率,更方便地与工业化大规模生产接轨,本文进行了以下研究实现高效处理室及其电极:1)对相关电磁场理论进行了分析;2)探讨了果蔬产品加工工艺,提出了高压脉冲电场对果蔬农药残留进行预处理;3)结合高电压技术理论设计了三种电极方案:针-板式电极、线-板式电极、板-板式电极;利用Solidworks软件设计高压脉冲电场电极及其配套的连续式处理室的结构模型,利于快速高效工作;4)使用Ansoft电磁场仿真软件对提出的三种电极结构在真空中的理想情况下进行仿真,挑选出最佳的电极结构,通过电场分布彩虹图和电场流线图确定了板-板式电极的方案;5)使用COMSOL多物理场仿真软件对最佳电极结构即板-板式电极所构成的处理室在加入空气、水汽等的实际工作情况下进行仿真,验证了在实际工况下果蔬通过板-板式电极处理室受到的电场是均匀的。6)结合板-板式电极结构处理室,设计了配套的可用于果蔬大规模工业化生产的高压脉冲电场预处理果蔬农药残留加工线。加工线采用流水线式工作方式,不仅可针对果蔬物料进行连续式工作,快速完成处理,而且方便与果蔬加工工艺流程进行对接。
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