超高壓生物處理技術(shù)的工作原理

正像物質(zhì)顆粒微細(xì)到納米級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化一樣，液體壓力達(dá)到幾千個(gè)大氣壓時(shí)物質(zhì)也會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，例如：在超高壓和高溫條件下，石墨、葉蠟礦石及助溶劑能合成人造金剛石；在超高壓的擠壓下，無(wú)金屬光澤的白磷由不導(dǎo)電變成能導(dǎo)電有金屬光澤的黑磷；一些金屬在超高壓擠壓下其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、屈服強(qiáng)度、彈性模量等物理性能和力學(xué)性能均發(fā)生變化；超高壓聚合的乙稀具有優(yōu)良的絕緣性和耐腐性。超高壓在生物工藝過(guò)程中，也同樣發(fā)揮非常重要的作用。根據(jù)以下原理，生物分子在超高壓條件下，將發(fā)生變化。

　 1、生物分子在超高壓作用下的變化

　　 一般認(rèn)為壓力超過(guò)100Mpa就是超高壓，在超高壓條件下，生物體高分子立體結(jié)構(gòu)中的氫鍵結(jié)合、疏水結(jié)合、離子結(jié)合等非共有結(jié)合發(fā)生變化，使蛋白質(zhì)變性，淀粉糊化，酶失活，細(xì)胞膜破裂，菌體內(nèi)成分泄漏，生命活動(dòng)停止，微生物菌體破壞而死亡。蛋白質(zhì)的氨基酸的縮氨結(jié)合、維生素、香氣成分等低分子化合物是共有結(jié)合，在超高壓下不會(huì)破壞、得以完整地保留。

根據(jù)這個(gè)原理，一般情況下200-300Mpa病毒滅活；300-400 Mpa霉菌、酵母菌滅活；300-600 Mpa細(xì)菌、致病菌滅活；800-1000 Mpa芽孢滅活；低壓下酶活性增強(qiáng)，超過(guò)400 Mpa酶失活；400 Mpa以上蛋白質(zhì)三、四級(jí)結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生不可逆變性；400-600 Mpa淀粉氫鍵斷裂，并糊化。

微生物超高壓處理前后對(duì)照

　2、 等靜壓工作原理

超高壓生物處理的對(duì)象必須是富含水份的，并借助流體介質(zhì)如水、油等進(jìn)行壓力傳遞。據(jù)帕斯卡定律，靜止的理想的液體，它的壓力傳遞具有以下三個(gè)基本性質(zhì)：
·液壓力總是垂直于任何受作用的表面。
·液體中各點(diǎn)的壓力在所有的方向上都相等。
·在密閉的容器中，加在靜液體的一部分上的壓力，以相等的強(qiáng)度傳給流體的所有其它部分。
將被處理物料放入封閉的容器中施加液體壓力，則它在各個(gè)方向都承受相同的工作壓力，所以稱為等靜壓。

3、超高壓的形成

根據(jù)帕斯卡定律，流體作用在平面上的力P等于液體壓強(qiáng)p與承壓有效工作面積F的乘積，即P=pF。當(dāng)組成如圖的系統(tǒng)時(shí)，則有
p2=p1 D²/d²
即小腔的工作壓力p2,將大腔p1的壓力放大了D2/d2倍。當(dāng)P1為30Mpa，D為300cm2,d為60cm2,則p2可以產(chǎn)生750Mpa的超高壓。

4、超高壓條件下水的性質(zhì)

一般情況下，水被看作為不可壓縮的。但是，超高壓條件下水的性質(zhì)發(fā)生了變化，水分子距離縮小，密度增大，體積被壓縮，溫度升高，粘度增加，PH值降低。

水的體積變化與壓強(qiáng)的關(guān)系	壓縮需要作的功(水)

絕熱壓縮的溫度曲線 (水)	PH值隨壓力的變化

水在超高壓作用下各參數(shù)變化曲線(PH,溫度,體積,密度)
超高壓的作用瞬時(shí)地、均勻地貫穿食品的所有部分，而不依賴它的尺寸、形狀和食品成分。也不取決于包裝的尺寸、形狀和成分。超高壓處理時(shí)，壓縮的能量將提高介質(zhì)或食品的溫度，每100MPA大約升高3℃，這取決于食品的成分。例如食品中含有大量脂肪的奶油、干酪等，溫度升的更高些。如果沒(méi)有加熱損失或保壓時(shí)沒(méi)有從壓力容器外壁得到熱量，釋壓時(shí)食品將恢復(fù)到原有的溫度。
在強(qiáng)制壓力的作用下，食品的體積減小，釋壓時(shí)發(fā)生相等的膨脹。因此，用于超高壓處理食品的包裝必須是柔性的，能適應(yīng)壓縮時(shí)體積的變化，并且能恢復(fù)原狀，同時(shí)要求密封完好無(wú)損。

　 5、超高壓生物處理的節(jié)能原理

　　與高溫處理相比，超高壓低溫處理節(jié)省能源效果非常明顯。從理論上分析，100L水加熱到90℃需要熱量293*105J，100L水加壓到400 Mpa耗能僅為18.84*105J。兩者都可以滅菌，但后者能源消耗僅為前者的1/15。實(shí)際運(yùn)行時(shí)扣除各種因素的影響，至少節(jié)能80%以上。