病死畜禽高效微波灭菌机的设计与研制

杨昂超，陈朝旭

（广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

随着畜禽养殖业规模化、集约化的持续快速发展，每年有大量的病死畜禽产生。由于病死畜禽携带了大量的病原微生物，必须及时对其进行无害化处理[1]。病死畜禽的无害化处理技术应达到两个目标：一是消灭病原微生物；二是消除尸体危害[2]。高温生物降解法被认为是一种非常有效的病死畜禽无害化处理方式，基本上能达到消灭病原微生物，变废为宝，把动物尸体转化为腐熟的有机肥。但高温生物降解法也存在以下几个问题：一是有效灭活病原微生物不确切，堆肥发酵的适宜温度在55～65℃，不能保证同样是生物体的病原微生物能完全被杀灭[3]；若保持在80℃以上则会影响菌剂的发酵分解效果。二是灭菌时间长，市场上主要销售的生化降解机大都是通过加热设备隔层的导热油而使物料升温，热传递时间长，物料升温到80℃至少需要加热12 h以上，这导致在添加新料时病菌有可能随空气等媒介飘出系统。三是对病死畜禽、蘑菇渣等辅料及菌剂的混合物料同时进行升温灭菌降解处理，无形中增加了高温灭菌的处理量，造成能源浪费。四是含有大量杂菌的畜禽尸体新料（含病菌）进入降解系统后与发酵菌群争夺资源，降低处理效率，甚至可能导致发酵系统崩溃。因此，如何及时、快速地扑杀病死畜禽的病原微生物，确保无害化处理技术应用的安全性，以及充分发挥无害化处理系统的效益，是现阶段无害化处理病死畜禽急需解决的问题。

微波是一种超高频电磁波，具有热效应和生物效应特性，微波灭菌是这两种效应共同作用的结果[4]。微波的热效应使细菌的蛋白质在高温下受到破坏，从而使其失去生物学活性而死亡；微波的生物效应使细菌营养不良，生长发育受到抑制而死亡。微波灭菌与传统灭菌相比，具有杀菌时间短、热能损耗小、杀菌彻底、原料养分损失少等特点，因此微波灭菌的工作原理非常适合病死畜禽尸体的快速高温灭菌作业。

对于微波灭菌机理的研究及应用，国外如德国、美国、日本等生产的微波灭菌设备先进、技术成熟且应用广泛，但价格普遍昂贵。近年来我国在微波灭菌设备方面的研究得到了长足的发展，生产的微波灭菌设备无论从质量还是安全性能上均有了很大的提高。目前我国市场上较常见的主要有箱柜式、转盘式等间隙式微波灭菌设备以及隧道连续式杀菌设备等，但均存在着灭菌效果不稳定、不彻底的现象，主要是由于物料灭菌时受热的不均匀性导致[5]。如间隙式灭菌设备的物料由于相互堆叠或是摆放位置的不同而发生受热不均现象；隧道连续式杀菌设备由于物料只能在输送带上相对移动，不能实现有效的滚动和翻转，不能全方位接受微波辐射而导致灭菌效果不稳定。高效微波灭菌机主要围绕两个方面展开：一是在设计及选用微波发生器方面，通过比较确定微波频率，计算微波所需功率，确定多源馈能的数量；通过HFSS仿真软件平台模拟，合理布置多源馈口的分布位置；通过驻波、腔体谐振频率等计算，合理选择波导类型及腔体的形状与大小。二是在机械设计方面，在加热腔体内设有按螺旋排列的若干浆叶，以便物料在腔体内能作缓慢往返移动和径向翻转。通过这两个方面的设计，改善电磁场分布和物料吸收微波能的均匀性。

1 工作原理与基本结构

1.1 工作原理

微波灭菌机的工作原理如图1所示。启动微波灭菌机翻转部件，调整翻转速度，打开进料闸门，经破碎机破碎成小块状的病死畜禽被批量投入到微波灭菌机内作翻转往复运动；批量物料全部进入微波灭菌机后，关闭进料闸门，启动微波发生系统，不断运动着的物料在微波辐射作用下被迅速加热。微波加热约1 h后微波灭菌机内物料温度可达到80℃，这时再持续进行10～15 min升温灭菌处理，然后关闭微波发生系统，打开出料闸门排放物料。

图1 微波灭菌机工作原理

1.2 基本结构

微波灭菌机包括微波发生系统及翻转装置两大部分，每部分均配备自动控制系统。微波发生系统由20支1 kW、2 450 MHz数控变频工业微波发生器组成；翻转装置由进出料部件、腔体、搅拌部件、机架及驱动系统等组成，如图2所示。

图2 微波灭菌机结构简图

1.2.1 微波发生器

微波发生器采用微朗科技生产的WeMax，WeMax采用一体化集成设计制作，主要由1支进口“东芝”风冷磁控管及1支MegMeet的变频微波电源等组成，主要构成如图3。WeMax简洁大方，稳定性高，可模块化更换；采用数字变频电源，其电网适应性宽，抗干扰性强，能对磁控管进行有效保护。

图3 WeMax微波发生器的外观及内部构成

1.2.2 翻转装置

1）微波灭菌机采用电动推杆作为闸门开闭的执行机构，其外形直径为52 mm，采用24 V电源，推力为3 000 N，行程300 mm，带有限位开关和电流保护。

2）腔体是微波灭活病原体的工作场所，即谐振腔。微波通过波导的约束和引导进入腔体，并对腔体内不断翻转的物料进行加热灭菌。腔体主体采用折弯一体成型，与盖板及两侧板均采用螺栓紧固联接，保证内壁的平整度及光滑性，避免了过多焊接产生的热变形和焊疤造成能量的衰减和不均匀。

腔体采用冷轧304不锈钢制作，一是不锈钢材料是理想的波导传导体；二是处理物料水分高，对设备具有一定的腐蚀性，不锈钢具有良好的抗腐蚀性，从而避免因腐蚀形成的锈斑等不规则形状造成能量的衰减和不均匀[6]。

3）搅拌部件采用冷轧304不锈钢制作，由两根旋转方向相反的轴组成，每根轴上装有多个特殊角度的桨叶，带动物料左右翻动并沿着螺旋方向往返移动，从而使物料在机槽内形成全方位连续循环翻动，相互交错剪切，达到快速、柔和、受热均匀的效果。

4）机架采用12#槽钢焊合制作，主要起到支承和固定作用，也可配备活动支脚以方便移动使用。

5）驱动部件由摆线针减速机、变频电机、联轴器、齿轮传动装置等组成，整体放置在出料端，防止生料进入轴承和齿轮。齿轮传动装置设置有油池，用于齿轮润滑，减少磨损，提高使用寿命。

1.3 主要技术参数

微波灭菌机主要技术参数见表1。

表1 微波灭菌机主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 微波功率的计算

微波灭菌机主要应用在万头猪场的病死猪无害化处理。一个万头猪场每天需要处理的病死畜禽等废弃物约为300 kg[7]，结合工人的劳动强度及工作方便等因素综合考虑，设定物料批处理量为300 kg。在对物料的杀菌过程中，微波能的消耗主要体现在物料的温度升高方面[8]。处理300 kg物料需要吸收的热量Q为：

式中 m为处理物料质量，300 kg；c为物料比热容，3.27 kJ/(kg·℃)（取鲜猪肉的比热容值）；t1为灭菌前物料温度，20℃（取常温温度值）；t2为灭菌后物料温度，80℃。

单个微波发射器的实际输出功率P1为：

式中 P为单个微波发射器的功率，选取1 kW即3 600 kJ/h的发射器；η为微波的热转换效率，取0.85。

则可计算出单位时间内总共需要的微波发射器数量n：

取整数20，因此设计的微波灭菌机配备20支1 kW微波发生器，即微波发生系统的总功率为20 kW。单个微波发射器输出功率0～1 kW内无级可调，以适应不同流量物料的处理。

2.2 腔体的设计

腔体的有效容积V1为：

式中 m为处理物料质量，300 kg；ρ为物料的密度，975 kg/m3（取新鲜猪肉的密度）。

翻转部件约占容积的15%，则存储物料实际所需空间V2为：

根据设计及工艺要求，腔体的横截面主要由2个圆形及1个长方形组成，物料存储于腔体的下半部分，其截面积近似2个半圆形及1个等腰三角形的面积之和，如图4所示。根据图4提供的参数，可计算出腔体的长度L。

式中参数：R=205 mm，a=620 mm，h=310 mm。腔体上半部腾空部分的高度200 mm为垂直于腔体面板安装的微波源与物料的最近距离，其目的是保证获得较为均匀的微波密度。

2.3 多源激励口的排列布置

为保证加热灭菌腔体的电场分布均匀及模式的最大化，合理布置激励口的位置，需要采用电磁场仿真软件HFSS仿真确认[9]。HFSS是一种三维结构电磁场仿真软件，能够快速精确地计算各种微波部件的电磁特性[10]。加热腔体尺寸为1 760 mm×600 mm×550 mm（长×宽×高）；激励口尺寸采用标准WR340波导激励腔，尺寸为86.36 mm×43.18 mm；单个微波功率为1 kW，共有20支微波发生器，对应20个激励口。对现有20个激励口及加热腔体的实际大小建模，通过仿真计算腔体空间的场量值、场量幅度值、3D辐射方向图及场覆盖图，如图5所示。

经多次仿真比较开口不同位置及不同排列后，为了保证物料受热更均匀，还需要再次优化缝隙的位置，使每个位置的馈波趋于均匀，避免场强峰值出现，如图6所示。

经过仿真分析，最终确定20个多源激励口的分布及排列，如图7所示，在加热腔体的面板上分三行分布16个激励口，第一行及第三行采用卧式微波发生器布置，且每个激励波导口加长200 mm（如图2所示），中间行及加热腔体两侧则采用立式微波发生器布置，且错位布置。从整体仿真效果来看，场分布比较均匀，通过HFSS场计算器计算得到的加热效率也能满足设计要求。

图5 3D辐射方向图及场覆盖图

图6 优化前后电场的分布对比

2.4 自动控制系统

微波灭菌处理机的控制系统分两部分：一是微波控制系统；二是机械作业控制系统。两个控制系统可独立操作，但也存在着一定的联系，如自锁功能，即翻转装置的进料闸门启动前微波系统不能启动；间隙式工作方式下微波系统关闭前翻转装置的出料闸门不能打开。

2.4.1 微波控制系统

图7 20个源激励口在腔体上的排列及布置

微波控制系统采用液晶触摸屏（HMI）加可编程控制器（PLC）控制方式，组成及控制方式如图8所示。微波控制系统主要实现以下功能：根据设定温度，自动控制微波加热系统，对物料进行加热灭菌作业。微波控制系统硬件主要由麦格米特公司生产的PLC控制器、7英寸液晶触摸屏、omega红外温控控头、通讯模块等组成；软件程序内置，可根据实际需求编写自动化生产程序，达到智能化生产的需求。现阶段只是要求通过监控温度变化来控制微波输出功率的大小、调整微波工作时间。根据生产要求，设计的微波控制系统应具有以下功能：

1）单个磁控管的功率可调，步进功率1%；

2）加热、杀菌时间可调，最小调控精度为s；

3）加热程序可调，程序可定制；

4）监控功能，监控磁控管及变频电源的工作状态，保证运行可靠性；

5）安全自检功能，当发生故障时，控制面板会作出相应的警示并自动关机，故障未排除前，无法开机；

图8 微波控制系统示意图

6）自锁功能，磁控管、变频电源的冷风扇未打开时，微波不能开启。

2.4.2 机械作业控制系统

根据微波灭菌处理机的工艺特性，机械作业控制系统主要实现定时开启或停止搅拌翻滚、正反转作业，定时开启或停止作业时间，物料的翻滚、流动等功能。

1）工艺流程控制。机械作业控制系统主要由可编程控制器（PLC）、三菱变频控制器、可调时间控制器等组成；电气元件整体采用品牌厂家的产品，确保整个控制系统的稳定可靠性。总体设计工艺流程控制如图9如示。

2）工作原理。微波灭菌机配套有20支1 kW的微波发生器，当病死禽畜的粉碎料投入灭菌机后，设备对原料进行边翻转边移动作业，同时开启微波发生系统进行升温杀菌作业，输送设备采用变频调速，经过1 h左右工作，约300 kg原料有效地杀灭了病原微生物，被输送出灭菌机，从而实现了高效灭菌的无害化处理。

微波灭菌机有以下2种工作状态：

1）连续工作方式：物料粉碎后经由输送设备投入到微波灭菌处理机，依次开启微波灭菌机进出料闸门、翻转正转作业、输送搅龙，通过调节微波灭菌机及输送设备的变频控制器以达到两者速度匹配，原料流量控制为300 kg/h，开启微波系统作业，物料在接受微波辐射的同时不断被翻滚送到装置的出料口，最后出料，完成高温灭菌处理过程。整个过程是连续不断的，只要控制好粉碎物料的输送量即可。

图9 微波灭菌处理机工艺流程控制图

2）间歇工作方式：开启微波灭菌机进料闸门，约300 kg的粉碎物料由输送搅龙投入到微波灭菌机后，输送搅龙停止作业，关闭灭菌机进料闸门，开启翻滚作业及微波作业。一开始正转搅拌和正向输送（时间可调），正向时间到时，开始反转搅拌和反向输送（时间可调），如此反复多次搅拌对流、灭菌（总时间可调），确保有效地杀灭病原微生物。

3 对比测试检验

对一批病死猪分别进行微波灭菌试验和生化降解试验。对因猪瘟、口蹄疫、蓝耳病和链球菌死亡的猪尸体，分4批次破碎后定量（300 kg/h）投入微波灭菌处理机进行处理，每批处理时间为1 h。同样，对因猪瘟、链球菌、口蹄疫和蓝耳病死亡的猪尸体，分4批次破碎后定量（1 000 kg/h）投入生化降解处理机，然后依次投入蘑菇渣、米糠及菌剂，启动生化降解处理机工作按钮，按设定的程序自动工作。分别从不同的时间梯度对降解后的残渣进行抽检，测试检验结果如表2。

病毒检测结果表明，经过短时间（约1 h），微波辐射处理的有害病原全部被杀灭，而通过生化降解机处理的有害病原则需要持续24 h的处理时间才能保证灭活所有病原体。可以说微波灭菌是一种非常适合高效快速灭杀病原微生物的方式。

表2 病毒检测结果

高效微波灭菌机配套提升装置、动物尸体破碎机、输送设备及生化降解机等组成成套微波灭菌无害化处理系统，该成套设备已在广东广三保公司下属猪场进行安装并作示范性应用。应用情况表明，养殖场病死畜禽在经过快速加热微波高温灭菌（80～85℃）后，再进行生化处理机的降解作业，不但可以将常见病原体全部彻底灭活，而且能减少辅料的投入，高效生产出高品质的有机肥，满足养殖场病死畜禽无害化处理及资源化利用的要求。

4 结语

高效微波灭菌机的研制对病死畜禽的无害化处理提供了新的思路及方向，对快速灭活病原微生物具有明显的优势，能有效防止高温生物降解法的不足，有效降低处理过程对环境的影响，能缩短处理周期、提高生产效率，是病死畜禽生化处理工艺中的关键设备。成套微波灭菌无害化处理系统可以科学、经济、安全地对养殖场病死畜禽进行综合处理和利用，具有极大的实际应用价值和推广利用价值。