本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載、電場(chǎng)滅菌裝置及方法，通過(guò)對(duì)電脈沖波形進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)提高脈沖電場(chǎng)與細(xì)菌中極性物質(zhì)之間的耦合效率，用于解決滅菌效率和選擇性滅菌問(wèn)題。

背景技術(shù)：

在食品加工和醫(yī)療領(lǐng)域，滅菌處理是至關(guān)重要的一項(xiàng)工作。目前，工業(yè)應(yīng)用的殺菌方法有加熱殺菌、化學(xué)藥劑殺菌、強(qiáng)光滅菌等，這些滅菌方法雖然能夠殺滅細(xì)菌，但均存在一定的局限性。例如，加熱殺菌常會(huì)使被處理物(例如食品)發(fā)生物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，造成其色、香、味、組織結(jié)構(gòu)的改變及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的下降，嚴(yán)重影響食品的質(zhì)量?；瘜W(xué)藥劑殺菌會(huì)使得被處理物中存在化學(xué)藥劑殘留，使得其應(yīng)用受到極大的限制。強(qiáng)光滅菌則由于光的穿透能力的限制使其限于表面處理。

電場(chǎng)滅菌是近年來(lái)新興的滅菌技術(shù)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)發(fā)表了大量關(guān)于電場(chǎng)滅菌的研究報(bào)告。細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞由蛋白質(zhì)、磷脂、脫氧核糖核酸等多種有機(jī)分子和鈉離子、鉀離子等多種離子以及水等多種無(wú)機(jī)物分子組成，其中對(duì)維持細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞正常生命活動(dòng)至關(guān)重要的蛋白質(zhì)、磷脂、脫氧核糖核酸等多種物質(zhì)均為極性物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞中的極性物質(zhì)在電場(chǎng)作用下會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，發(fā)生運(yùn)動(dòng)甚至分解，使得其結(jié)構(gòu)關(guān)系和生物活性發(fā)生改變，使細(xì)胞死亡或進(jìn)入程序性凋亡狀態(tài)。elzakhem報(bào)道了使用電場(chǎng)處理生長(zhǎng)初期的啤酒酵母，證實(shí)電場(chǎng)處理能夠達(dá)到良好的滅菌效果。malicki等人研究了高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)液態(tài)蛋白中大腸桿菌致死率的影響，結(jié)果表明脈沖電場(chǎng)處理后大腸桿菌下降了4個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)，同時(shí)營(yíng)養(yǎng)成分幾乎沒(méi)有損失。2001年美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)(osu)建成了第一臺(tái)用于電場(chǎng)滅菌的固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器。該大學(xué)與dti公司合作制造了世界上第一臺(tái)具有商業(yè)化規(guī)模的脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)，每小時(shí)可以處理1000l-5000l的液體食品。我國(guó)脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、江南大學(xué)、華南理工大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、重慶大學(xué)等均開(kāi)展了相關(guān)研究工作，并在電場(chǎng)滅菌機(jī)理等方面取得了一些認(rèn)識(shí)。但是，目前為止，在滅菌效率和選擇性滅菌方面仍存在問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載裝置、雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載方法、雙極性納秒脈沖電場(chǎng)滅菌方法及雙極性納秒脈沖電場(chǎng)滅菌裝置，通過(guò)對(duì)含菌液體施加雙極性納秒脈寬高壓脈沖電場(chǎng)，使其先受到正極性脈沖電場(chǎng)的作用，隨后受到負(fù)極性脈沖電場(chǎng)的作用，或反之。在一個(gè)加載周期內(nèi)，對(duì)含菌液體施加一次正極性脈沖電場(chǎng)作用和一次負(fù)極性脈沖電場(chǎng)作用，且脈沖寬度均小于等于100納秒,正極性脈沖和負(fù)極性脈沖之間的時(shí)間間隔盡量短，一般情況下要求該時(shí)間間隔小于等于100ns。通過(guò)以一定的重復(fù)頻率對(duì)含菌液體進(jìn)行多次高強(qiáng)度電場(chǎng)處理，進(jìn)一步提高電場(chǎng)滅菌效率。解決脈沖電場(chǎng)滅菌效率問(wèn)題及選擇性滅活問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載裝置包括：

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊，用于控制正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器，按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求輸出對(duì)應(yīng)的正極性高電壓納秒脈沖、負(fù)極性高電壓納秒脈沖；

脈沖合成模塊，用于將所述正極性高電壓納秒脈沖、負(fù)極性高電壓納秒脈沖進(jìn)行合成處理后交替輸出正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖。

進(jìn)一步的，所述脈沖合成模塊包括第一高功率脈沖二極管d1、第二高功率脈沖二極管d2、磁開(kāi)關(guān)(ms)、銳化電容(c1)和銳化開(kāi)關(guān)(s)；正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器與第一高功率脈沖二極管d1正極端連接；第一高功率脈沖二極管d1負(fù)極端與第二高功率脈沖二極管d2負(fù)極端并接后作為脈沖合成模塊的輸出端，第二高功率脈沖二極管d2正極接地；負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器依次通過(guò)磁開(kāi)關(guān)(ms)和銳化開(kāi)關(guān)(s)后與第一高功率脈沖二極管d1負(fù)極端連接；在磁開(kāi)關(guān)ms與銳化開(kāi)關(guān)s的公共端連接銳化電容(c1)高壓極，銳化電容(c1)另一端接地；正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的單個(gè)正極性納秒脈沖在磁開(kāi)關(guān)ms和銳化開(kāi)關(guān)s公共端處的電壓v(t)對(duì)時(shí)間的積分值小于磁開(kāi)關(guān)ms的伏秒數(shù)。

進(jìn)一步的，所述正、負(fù)極性脈沖的脈寬均小于等于100納秒，且正、負(fù)極性脈沖之間的時(shí)間間隔小于等于100ns。

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載方法，其特征在于包括：

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊控制正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器，使其按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求輸出對(duì)應(yīng)的正極性高電壓納秒脈沖、負(fù)極性高電壓納秒脈沖；

脈沖合成模塊將所述正極性高電壓納秒脈沖、負(fù)極性高電壓納秒脈沖進(jìn)行合成處理后交替輸出正、負(fù)雙極性高電壓納秒脈沖。

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)滅菌裝置還包括：

處理器，用于接收脈沖合成電路輸出的正、負(fù)極性高電壓脈沖并對(duì)處理器的處理腔中含菌材料進(jìn)行滅菌處理；

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊，用于控制正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器及處理器的運(yùn)行，從而使處理器的處理腔中含菌液體中細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)極性物質(zhì)，在所述正、負(fù)極性脈沖電場(chǎng)交替作用下發(fā)生移位或破壞，使細(xì)菌的細(xì)胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白質(zhì)物質(zhì)的生物活性受到破壞，從而使細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞失去活性或者凋亡。

進(jìn)一步的，根據(jù)待處理目標(biāo)細(xì)菌、病毒和生物細(xì)胞的特性確定，對(duì)含菌液體進(jìn)行多次重復(fù)脈沖電場(chǎng)處理，對(duì)含菌液體交替加載正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖的重復(fù)頻率f和加載脈沖數(shù)x進(jìn)行設(shè)定；重復(fù)頻率范圍是1hz-5mhz，推薦值為1hz-1khz；加載脈沖數(shù)范圍是1-10000，推薦值為20-100。

進(jìn)一步的，所述處理腔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求是設(shè)定流速的目標(biāo)菌體全部通過(guò)處理腔的時(shí)間不小于加載脈沖數(shù)所需的時(shí)間；所述加載脈沖所需的時(shí)間指的是設(shè)定正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器饋送到處理腔的n個(gè)電脈沖數(shù)量所需時(shí)間；n個(gè)電脈沖包括n/2個(gè)正極性脈沖和n/2個(gè)負(fù)極性脈沖。

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載方法的電場(chǎng)滅菌方法還包括：

處理器，用于接收脈沖合成電路輸出的正、負(fù)極性高電壓脈沖并對(duì)含菌材料進(jìn)行滅菌處理；

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊控制正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器及處理器的運(yùn)行，從而使處理器的處理腔中含菌液體中細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)等極性物質(zhì)，在所述正、負(fù)極性脈沖電場(chǎng)交替作用下發(fā)生移位或破壞，使細(xì)菌的細(xì)胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白質(zhì)物質(zhì)的生物活性受到破壞，從而使細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞失去活性或者凋亡。

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載方法的電場(chǎng)滅菌方法包括：

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器的脈沖產(chǎn)生電路中的電容器組是否已充電達(dá)到預(yù)設(shè)電壓、收集器和廢液儲(chǔ)存器中液位是否低于啟動(dòng)液位、供料器中液位是否高于啟動(dòng)液位，以確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足開(kāi)機(jī)條件；

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)滿足開(kāi)機(jī)條件時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊首先打開(kāi)供料器與處理器之間的電控閥門，啟動(dòng)供料器向處理器輸送含菌液體；

當(dāng)處理器的處理腔中已充滿含菌液體且無(wú)氣泡時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊啟動(dòng)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器和負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器使其按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求輸出正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖通過(guò)脈沖合成模塊饋送至處理器高壓電極，正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的正極性脈沖通過(guò)第一高功率脈沖二極管(d1)饋送至處理器高壓電極，負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的負(fù)極性高電壓納秒脈沖經(jīng)磁開(kāi)關(guān)ms、銳化開(kāi)關(guān)s和銳化電容c1進(jìn)行脈沖壓縮后饋送至處理器的高壓電極；

待正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器及供料器等工作穩(wěn)定后，處理器輸出液體已可確保已達(dá)到設(shè)定參數(shù)電場(chǎng)處理后，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊打開(kāi)收集器進(jìn)液閥門，將經(jīng)過(guò)電場(chǎng)滅菌處理的液體輸送至收集器存儲(chǔ)，供后續(xù)處理使用；在系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行之前，處理器輸出液體全部送入廢液儲(chǔ)存器；廢液儲(chǔ)存器中的廢液可以回收至供料器；當(dāng)時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)到供料器中含菌液體已基本用盡，不能保證輸送至處理器的含菌液體能夠充滿處理腔且不含氣泡時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊輸出控制指令關(guān)閉收集器進(jìn)液閥門后關(guān)閉正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器。然后關(guān)閉供料器輸送泵及閥門，系統(tǒng)停機(jī)。

進(jìn)一步的，所述正、負(fù)極性脈沖電場(chǎng)交替作用下蛋白質(zhì)等極性物質(zhì)發(fā)生移位或破壞，使細(xì)菌的細(xì)胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)的生物活性受到破壞，從而使細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞失去活性或者凋亡。

進(jìn)一步的，根據(jù)待處理目標(biāo)細(xì)菌、病毒和生物細(xì)胞的特性確定，對(duì)含菌液體進(jìn)行多次重復(fù)脈沖電場(chǎng)處理，對(duì)含菌液體交替加載正、負(fù)極性脈沖的重復(fù)頻率f和加載脈沖數(shù)x進(jìn)行設(shè)定；重復(fù)頻率范圍是1hz-5mhz，推薦值為1hz-1khz；加載脈沖數(shù)范圍是1-10000，推薦值為20-100。

進(jìn)一步的，所述處理腔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求是設(shè)定流速的目標(biāo)菌體全部通過(guò)處理腔的時(shí)間不小于加載脈沖數(shù)所需的時(shí)間；所述加載脈沖所需的時(shí)間指的是設(shè)定正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器饋送到處理腔的n個(gè)電脈沖數(shù)量所需時(shí)間；n個(gè)電脈沖包括n/2個(gè)正極性脈沖和n/2個(gè)負(fù)極性脈沖。

進(jìn)一步的，所述正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器的輸出時(shí)間順序也可以是先輸出負(fù)極性脈沖。

一種雙極性納秒脈沖電場(chǎng)加載方法的電場(chǎng)滅菌裝置包括：

時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊，用于檢測(cè)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器的脈沖產(chǎn)生電路中的電容器組是否已充電達(dá)到預(yù)設(shè)電壓、收集器和廢液儲(chǔ)存器中液位是否低于啟動(dòng)液位、供料器中液位是否高于啟動(dòng)液位，以確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足開(kāi)機(jī)條件；

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)滿足開(kāi)機(jī)條件時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊首先打開(kāi)供料器與處理器之間的電控閥門，啟動(dòng)供料器向處理器輸送含菌液體；

當(dāng)處理器的處理腔中已充滿含菌液體且無(wú)氣泡時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊啟動(dòng)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器和負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器使其按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求輸出正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖通過(guò)脈沖合成模塊饋送至處理器高壓電極，正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的正極性脈沖通過(guò)第一高功率脈沖二極管(d1)饋送至處理器高壓電極，負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的負(fù)極性高電壓納秒脈沖經(jīng)磁開(kāi)關(guān)ms、銳化開(kāi)關(guān)s和銳化電容c1進(jìn)行脈沖壓縮后饋送至處理器的高壓電極；

處理器，用于待正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器及供料器等工作穩(wěn)定后，處理器輸出液體已可確保已達(dá)到設(shè)定參數(shù)電場(chǎng)處理后，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊打開(kāi)收集器進(jìn)液閥門，將經(jīng)過(guò)電場(chǎng)滅菌處理的液體輸送至收集器存儲(chǔ)，供后續(xù)處理使用；在系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行之前，處理器輸出液體全部送入廢液儲(chǔ)存器；廢液儲(chǔ)存器中的廢液可以回收至供料器；當(dāng)時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)到供料器中含菌液體已基本用盡，不能保證輸送至處理器的含菌液體能夠充滿處理腔且不含氣泡時(shí)，時(shí)序與脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊輸出控制指令關(guān)閉收集器進(jìn)液閥門后關(guān)閉正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器。然后關(guān)閉供料器輸送泵及閥門，系統(tǒng)停機(jī)。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、通過(guò)本發(fā)明的正、負(fù)雙極性高電壓納秒脈沖電場(chǎng)處理，使含菌液體中的細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞受到快速變化的正、負(fù)雙極性電場(chǎng)作用，使得細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞的極性物質(zhì)的相對(duì)位置、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至使得蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞生命活動(dòng)至關(guān)重要的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)極性物質(zhì)分解，從而抑制細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞的生物活性甚至使其凋亡或死亡。

2、本發(fā)明采用重頻和多脈沖加載方式使含菌液體中的細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞受到多次間隔時(shí)間較短的電場(chǎng)作用，可以降低抑制細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞的生物活性或使其凋亡、死亡所需的電場(chǎng)強(qiáng)度閾值。

3、本發(fā)明提出的正、負(fù)雙極性脈沖合成方法。通過(guò)在正極性脈沖輸出電路中接入用于抑制反向正極性電壓脈沖的第一高壓二極管d1和用于抑制反向負(fù)極性電壓脈沖的第二高壓二極管d2，在負(fù)極性脈沖輸出電路中接入抑制正極性電壓脈沖反竄的磁開(kāi)關(guān)ms、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的銳化開(kāi)關(guān)s以及與磁開(kāi)關(guān)ms、銳化開(kāi)關(guān)s配合用于銳化負(fù)極性脈沖前沿、壓縮負(fù)極性脈沖脈寬的銳化電容c1，實(shí)現(xiàn)正極性高電壓納秒脈沖和負(fù)極性高電壓納秒脈沖的匯聚并抑制其相互間的串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)對(duì)含菌液體的高效率電場(chǎng)加載。

對(duì)充滿含菌液體的處理器的高壓電極饋送正、負(fù)雙極性納秒級(jí)高壓電脈沖，使在處理器的處理腔中的含菌液體受到正極性高電壓納秒脈沖電場(chǎng)和負(fù)極性高電壓納秒脈沖電場(chǎng)的交替作用，從而使含菌液體中細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)等極性物質(zhì)在正、負(fù)雙極性納秒級(jí)高壓脈沖電場(chǎng)的交替作用下發(fā)生移位或破壞，使細(xì)菌的細(xì)胞膜或病毒外膜穿孔，或使蛋白質(zhì)等物質(zhì)的生物活性受到破壞，從而使細(xì)菌及其芽孢、病毒、生物細(xì)胞失去活性或者凋亡。

在一個(gè)加載周期內(nèi)對(duì)含菌液體進(jìn)行一次正極性高電壓納秒脈沖和一次負(fù)極性高電壓納秒脈沖加載，增強(qiáng)脈沖電場(chǎng)與細(xì)菌的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生物活性物質(zhì)的耦合，用于損傷細(xì)菌、芽孢、病毒、生物細(xì)胞的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、改變生物活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成，用于解決細(xì)菌及其芽孢的滅活問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：

圖1正、負(fù)雙極性電場(chǎng)滅菌原理示意圖。

圖2正、負(fù)雙極性電場(chǎng)滅菌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。

時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊是以fpga、arm、plc、單片機(jī)或計(jì)算機(jī)為核心的電子系統(tǒng)，用于根據(jù)設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求，產(chǎn)生并發(fā)送控制指令信號(hào)，控制正極性脈沖發(fā)生器、負(fù)極性脈沖發(fā)生器以及與供料器、處理器、收集器以及廢液儲(chǔ)存器相關(guān)的液體輸送系統(tǒng)、閥門等的運(yùn)行。

電場(chǎng)滅菌工作原理：

采用脈沖寬度為數(shù)納秒至數(shù)十納秒的正極性電脈沖p1和負(fù)極性電脈沖p2對(duì)含菌液體進(jìn)行加載，正極性電脈沖p1和負(fù)極性電脈沖p2之間的時(shí)間間隔盡量短，一般情況下要求不超過(guò)100納秒，且脈沖源采用重復(fù)頻率工作方式對(duì)含菌液體進(jìn)行多次重復(fù)脈沖電場(chǎng)加載。

首先，利用脈沖寬度為數(shù)納秒至數(shù)十納秒的正極性電脈沖p1建立的正極性脈沖電場(chǎng)，使含菌液體中的細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞受到正極性脈沖電場(chǎng)作用，在正極性脈沖電場(chǎng)作用結(jié)束后的極短時(shí)間內(nèi)(一般要求小于等于100納秒)，脈沖寬度為數(shù)納秒至數(shù)十納秒的負(fù)極性電脈沖p2在含菌液體中建立負(fù)極性脈沖電場(chǎng)，使含菌液體中的細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞在受到正極性脈沖電場(chǎng)作用之后迅即受到反向的負(fù)極性脈沖電場(chǎng)作用，從而使細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)等極性物質(zhì)的相對(duì)位置、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至引起這些物質(zhì)的分解，使細(xì)菌、芽孢、病毒和生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到破壞，使其失活、凋亡甚至解體死亡。

重復(fù)頻率的多脈沖高強(qiáng)度電場(chǎng)在極性物質(zhì)分子上可形成強(qiáng)度較大的周期性多次沖擊性電場(chǎng)力作用，可使極性物質(zhì)分子與其附著物質(zhì)分離或使極性長(zhǎng)鏈分子構(gòu)型及其團(tuán)聚狀態(tài)改變所需的電場(chǎng)強(qiáng)度閾值降低，增強(qiáng)脈沖電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞、細(xì)菌及其芽孢、病毒結(jié)構(gòu)及生物物質(zhì)活性的作用，增強(qiáng)滅菌效率。該方法不會(huì)對(duì)含菌液體產(chǎn)生明顯的加熱效應(yīng)，可避免造成不希望發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。該方法不需要使用化學(xué)助劑，因此，也不存在化學(xué)殘留問(wèn)題。

該技術(shù)方案電路框圖如圖1、2所示：包括但不限于正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊、脈沖合成模塊及處理器；除此之外還可能包括供料器、收集器及廢液儲(chǔ)存器。

供料器用于輸送待處理含菌液體，至少包括儲(chǔ)液罐、輸送泵和管道、流量控制閥門等。

收集器用于收集經(jīng)過(guò)處理的液體，至少包括儲(chǔ)液罐和管道、閥門系統(tǒng)，其進(jìn)液管道與廢液儲(chǔ)存器管道的歧口設(shè)計(jì)應(yīng)確保收集器閥門開(kāi)啟前菌液不會(huì)進(jìn)入收集器進(jìn)液歧管。

廢液儲(chǔ)存器用于收集未經(jīng)合乎設(shè)定參數(shù)要求的電場(chǎng)處理過(guò)的菌液。

處理器用于對(duì)含菌液體進(jìn)行電場(chǎng)滅菌處理。由高壓電極、接地電極、處理腔及殼體等組成，其中高壓電極、接地電極之間設(shè)計(jì)為有足夠長(zhǎng)度和截面積的空腔(即處理腔)，用作菌液流通通道和對(duì)菌液進(jìn)行電場(chǎng)滅菌處理的高強(qiáng)度電場(chǎng)加載區(qū)。處理腔可以為同軸型、平板型等結(jié)構(gòu)，推薦采用電場(chǎng)分布較為均勻的結(jié)構(gòu)，以使通過(guò)處理腔的菌液受到的電場(chǎng)作用有較好的一致性。處理腔截面要求能夠滿足處理流量和流速要求，其長(zhǎng)度要求能夠滿足加載脈沖數(shù)要求。處理器外殼接地并要求確保高電壓脈沖(正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖)不能通過(guò)菌液耦合到供料器、收集器和廢液儲(chǔ)存器上。

時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性納秒脈沖發(fā)生器、處理腔、供料器、收集器及廢液儲(chǔ)存器狀態(tài)參數(shù)并產(chǎn)生控制指令信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行。時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊首先啟動(dòng)供料器向處理腔輸送待處理含菌液體，當(dāng)處理腔中充滿待處理含菌液體且菌液流速已穩(wěn)定在設(shè)置值、收集器和廢液儲(chǔ)存器儲(chǔ)液罐中菌液未達(dá)到容量上限時(shí)，時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊啟動(dòng)正極性納秒脈沖發(fā)生器和負(fù)極性納秒脈沖發(fā)生器，并使它們按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求輸出脈沖，通過(guò)脈沖合成模塊形成正、負(fù)極性脈沖饋送至處理器中的高壓電極，對(duì)處理器中處理腔內(nèi)的菌液進(jìn)行處理。時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊在檢測(cè)加載到處理腔上的電脈沖參數(shù)已達(dá)到設(shè)定參數(shù)且狀態(tài)穩(wěn)定后延遲一段時(shí)間，確保未經(jīng)良好處理的菌液不會(huì)通過(guò)收集器進(jìn)液管道歧口進(jìn)入收集器后打開(kāi)收集器進(jìn)液閥門，使已完成電場(chǎng)滅菌處理的液體進(jìn)入收集器。

脈沖合成模塊將來(lái)自正極性納秒脈沖發(fā)生器的正極性納秒脈沖和來(lái)自負(fù)極性納秒脈沖發(fā)生器的負(fù)極性納秒脈沖進(jìn)行合成處理后輸出正、負(fù)極性脈沖，饋送至處理器。脈沖合成模塊通過(guò)在正極性納秒脈沖發(fā)生器與處理器高壓電極(脈沖合成模塊輸出端)之間接入第一高功率脈沖二極管d1，在第一高功率脈沖二極管d1負(fù)極端與地線之間接入第二高功率脈沖二極管d2；在負(fù)極性納秒脈沖發(fā)生器與處理器高壓電極之間接入磁開(kāi)關(guān)ms和銳化開(kāi)關(guān)s，在磁開(kāi)關(guān)ms和銳化開(kāi)關(guān)s公共端與地線之間接入銳化電容c1，實(shí)現(xiàn)正極性高電壓納秒脈沖和負(fù)極性高電壓納秒脈沖的匯聚并抑制其相互間的串?dāng)_。正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的單個(gè)正極性高電壓納秒脈沖在磁開(kāi)關(guān)ms和銳化開(kāi)關(guān)s公共端處的電壓v(t)對(duì)時(shí)間的積分值小于磁開(kāi)關(guān)ms的伏秒數(shù)。負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的單個(gè)脈沖要求在經(jīng)過(guò)磁開(kāi)關(guān)ms、銳化開(kāi)關(guān)s和銳化電容c1進(jìn)行脈沖壓縮后滿足負(fù)極性脈沖幅度、脈沖寬度和時(shí)序設(shè)計(jì)要求。

具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊分別與正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、供料器、處理器、收集器、廢液儲(chǔ)存器連接。正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器高壓輸出端通過(guò)第一高功率脈沖二極管d1連接到處理器高壓電極上，同時(shí)其負(fù)極端與第二高功率脈沖二極管d2負(fù)極端并接，第二高功率脈沖二極管d2正極端接地。負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器通過(guò)磁開(kāi)關(guān)ms連接到銳化開(kāi)關(guān)s和銳化電容c1一端，銳化開(kāi)關(guān)s另一端連接到處理器高壓電極上，銳化電容c1另一端接地。處理器地電極及外殼接地。供料器輸出管道通過(guò)電控閥門接入處理器進(jìn)料口。處理器出料口通過(guò)三通歧管一個(gè)輸出端口和電控閥門與收集器連接，三通歧管另一個(gè)輸出端口通過(guò)電控閥門與廢液儲(chǔ)存器連接。廢液儲(chǔ)存器通過(guò)回液管道、輸送泵與供料器連接。

本技術(shù)方案的工作過(guò)程為：首先，時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器中脈沖產(chǎn)生電路中的電容器組是否已充電達(dá)到預(yù)設(shè)電壓、收集器和廢液儲(chǔ)存器中液位是否低于啟動(dòng)液位、供料器中液位是否高于啟動(dòng)液位等參數(shù)，以確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足開(kāi)機(jī)條件。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)滿足開(kāi)機(jī)條件時(shí)，觸發(fā)控制器首先打開(kāi)供料器與處理器之間的電控閥門，啟動(dòng)供料器向處理器輸送含菌液體。

當(dāng)處理器的處理腔已充滿含菌液體且無(wú)氣泡時(shí)，時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊啟動(dòng)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器和負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器使其按照設(shè)定時(shí)序和脈沖參數(shù)要求(即脈沖幅值、脈寬和時(shí)間間隔)輸出正、負(fù)極性納秒脈沖通過(guò)脈沖合成模塊饋送至處理器高壓電極。正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的正極性脈沖通過(guò)d1饋送至處理器高壓電極。負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器輸出的負(fù)極性高電壓納秒脈沖經(jīng)磁開(kāi)關(guān)ms、銳化開(kāi)關(guān)s和銳化電容c1進(jìn)行進(jìn)一步脈沖壓縮后饋送至處理器的高壓電極。時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊觸發(fā)正極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器和負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器的觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔應(yīng)使加載到處理器的正、負(fù)極性脈沖的時(shí)間間隔盡量短(一般要求小于等于100納秒)。時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊按照處理裝置的滅菌要求以一定的重復(fù)頻率重復(fù)交替觸發(fā)正、負(fù)極性脈沖發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)含菌液體的重復(fù)頻率多次脈沖電場(chǎng)處理。

正、負(fù)極性脈沖發(fā)生器的輸出時(shí)間順序也可以是先輸出負(fù)極性脈沖。

待正、負(fù)極性脈沖發(fā)生器及供料器等工作穩(wěn)定后，處理器輸出液體已可確保已達(dá)到設(shè)定參數(shù)電場(chǎng)處理后，時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊打開(kāi)收集器進(jìn)液閥門，將經(jīng)過(guò)電場(chǎng)滅菌處理的液體輸送至收集器存儲(chǔ)，供后續(xù)處理使用。在系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行之前，處理器輸出液體全部送入廢液儲(chǔ)存器。廢液儲(chǔ)存器中的廢液可以回收至供料器。

當(dāng)時(shí)序及脈沖參數(shù)設(shè)定及控制模塊檢測(cè)到供料器中含菌液體已基本用盡，不能保證輸送至處理器的含菌液體能夠充滿處理腔且不含氣泡時(shí)，發(fā)送控制指令關(guān)閉收集器進(jìn)液閥門后關(guān)閉正、負(fù)極性高電壓納秒脈沖發(fā)生器。然后關(guān)閉供料器輸送泵及閥門，系統(tǒng)停機(jī)。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。