个人防护设备和低水分食物的高压处理的制作方法

个人防护设备和低水分食物的高压处理
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2020年6月9日提交的美国专利申请第63/036,628号的优先权，所述美国专利申请的全部公开内容出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。


背景技术：

3.高压处理(hpp)用于减少食物、饮料、化妆品、药品和其它产品上的微生物负荷，而不改变所处理产品的特征。hpp要取得成功所需的压力水平通常为至少2,000巴(bar)。
4.通过hpp处理饮料和其它液体以及可泵送食物和其它物质的传统设备基于在产品作为个别单元已经放入柔性包装(例如，塑料瓶或小袋)之后对产品进行处理。个别单元在较大的可重复使用的装载篮内进行分组或压实，所述装载篮的尺寸和形状被设定成能装入绕丝式高压容器(也被称作“绕丝式容器”或“高压容器”)中。
5.这类高压容器填充有水，它充当加压介质。一旦绕丝式容器已经关闭和填充，那么高容量泵将额外的水引入压力容器中，使得其中的压力从约2,000巴增加到10,000巴或更高。这一压力维持足够的时间长度，从几秒到几分钟，以减少所处理的产品上的微生物负荷。对所处理的产品来说，具体的压力水平和这类压力的持续时间是特定的，主要基于如ph值、水分活度水平和天然或添加的成分等内在因素。
6.一旦已经实现了微生物所期望水平的灭活，就释放容器中的压力并从中去除装载篮，以便可以取出个别包装或单元。所处理的产品在暴露于高压和保持时间之后进行了巴氏灭菌，降低了微生物负荷，消除了食物携带的病原体和病毒并且实现了延长的存放期。
7.非常需要对个人防护设备(ppe)材料，如n95口罩进行去污染，以再次使用或可能进行最终处置。然而，由于没有游离水与这些材料直接接触，所以hpp对病毒和其它微生物实体的功效非常有限。因此，需要方法和系统来解决这一问题。


技术实现要素：

8.根据本公开，由于ppe无法包装在水中，所以本文提出使用气态二氧化碳(co2)。另外，在正确的温度和压力条件下形成超临界co2(sco2)可有助于微生物灭活过程。
9.包装在气态co2中的产品的hpp可解决对医务人员和一线员工的n95口罩或其它ppe进行去污染和再次使用的需要。另外，包装在气态co2中的产品的hpp还可用于将低水分和中间水分食物的病原体灭活。
10.提供本发明内容，从而以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
11.当结合附图参考以下详细描述时，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，同时变得更好理解，其中：
12.图1为使用水作为加压介质的高压容器的示意图；以及
13.图2为二氧化碳的相图。
具体实施方式
14.高压容器已经市售超过25年。其以不同的配置和尺寸存在。然而，所有的系统均包括能够承受极高压力水平的压力容器。所使用的最常见压力介质为水，但也可使用具有添加剂的水。
15.参看图1，根据本公开示出了高压处理(hpp)系统300的部分，其中将通过高压处理系统300处理不含水分或含有低水分产品和二氧化碳气体的包装320。图1仅是示意性的，因为为了理解本公开，不需要示出用于操作的其它辅助系统。举例来说，高压处理系统300应理解为配备有额外的压力介质泵送和减压系统。
16.高压容器326具有腔室318，其中放置含有待去污染的产品的充气包装320。例如水等压力介质被泵送到腔室318中以填充腔室318并包围包装320。然后将腔室318中的压力增加到操作压力以通过高压进行去污染。在本公开中，操作压力还将引起包装320内部气体变成液体或超临界相，这也用于去污染。
17.腔室318支撑在框架上，所述框架包含纵向框架结构302。框架结构是能够提供本文所述的高压处理的结构功能性的任何刚性结构。
18.为了保持压力容器326内部的压力介质，在一个实施例中，在压力容器326的每一端处存在一个封闭件/插塞306、308。封闭件306、308是自由浮动的并将在加压期间被向外推动。封闭件306、308在框架302充当轭下保持在适当的位置。
19.然而，本公开还适用于不同的压力容器设计。举例来说，压力容器可使用框架/轭和绕丝式框架以及板式框架的不同设计。
20.本公开还适用于较小的压力容器，可省略框架。在这种情况下，封闭件通过另一类型的锁定系统保持在适当的位置，例如销合设计、断纹螺纹设计等。
21.压力容器还可使用能够承受本技术中所描述的高压的不同设计的圆筒和绕丝式圆筒/容器以及整体式圆筒/容器。
22.高压处理系统300还包括例如一或多个高压泵310、水模块312、包括可编程逻辑控制器、仪器和通信电缆的电气柜、用于装载和卸载产品的物料搬运设备以及辅助液压单元。
23.在一个实施例中，水模块312在预填充期间为压力容器326提供水以及在压力水平增加步骤期间将水提供到所有高压泵/增强器。
24.在本公开中，将co2或其它气体的相从气相变成液相或超临界相将取决于温度以及压力。这意味着包装320内部的co2气体的压力和温度必须在相图的液体或超临界流体区域中相交(参见图2)。
25.常规hpp压力容器在液体和超临界流体的区域中在温度和压力两方面可容易操作。co2实现超临界流体所需的温度仅为31.1℃。
26.常规hpp系统中的水模块312具有热交换器，它可用于冷却或加热被泵送到压力容器326中的水，由此冷却或加热充气包装320。一些常规hpp压力容器326将具有内部加热器，所述内部加热器也将用于实现所需温度。
27.此外，当施加压力时，每1,000巴水经历约3℃的绝热温升。这一绝热温升也能够有
助于实现所需温度。当已知操作压力时，可估计绝热温升。
28.加热来自水模块312的水可占用以增加压力容器326中的温度的大部分热。另外，由于压力容器326的大的质量可防止温度迅速增加，因此可增加容纳压力容器326的空间的空气温度，作为进一步加热压力容器326的方式。
29.本公开中的产品可以是任何干燥、低水分、低水分活度(aw)产品或材料，包括ppe，如n95面罩。在一个实施例中，水分活度是产品中游离(非化学结合)水的量度。其可以是待去污染的产品中的水分压(p)除以纯水的标准状态蒸气分压(po)的值：aw＝p/po。
30.在一个实施例中，低水分食物的水分活度小于0.70。在一个实施例中，中间水分食物的水分活度为约0.70至约0.90。在一个实施例中，干制食物的水分活度小于0.60。本文公开的方法可以应用于对具有通常小于或等于0.9的水分活度的食品和非食品产品(例如ppe)进行去污染。
31.本公开中的包装320可以是用于容纳产品或材料中的一或多者连同一定体积的气体(例如co2)的可承受hpp的任何包装、小袋或容器。在一个实例中，包装320可使用例如聚乙烯或其它防水柔性包装材料等材料由塑料套筒(或袋)制成。包装320可以被气密性密封，以防气体逸出以及防止压力容器中的水进入包装。
32.包装320是柔性的，以在气体的体积减小且转化成液体或超临界流体时在压力下压缩。在一些实施例中，被特定配置成与hpp设备一起使用的篮可用于容纳多个气密性密封包装、小袋或容器。
33.对于n95口罩，包装320可为套筒形。一些n95口罩是可收缩的，并在堆叠中将在彼此顶上平放。一些n95口罩可更加刚性且为杯形，这可允许将一个口罩嵌套在另一个内。将口罩堆叠到套筒中可使每个包装的口罩数目最大化，并且还最大程度地减少变形。一些口罩可能需要在进行hpp之前拆卸。一旦去污染，去污染的口罩的部分可与新的部分或分开去污染的部分重新装配，条件是维持无菌性。
34.在任一情况下，n95口罩可紧密地堆叠在套筒形包装320内部，并接着在腔室318中垂直或水平地排列。在一个实例中，可在包装320内部手动分拣和堆叠口罩。然而，考虑分拣产品、堆叠产品和用产品填充套筒形包装320最终将自动化。
35.一旦包装320填充有产品，就可将包装320装载到充气和密封机中，所述充气和密封机也被称作气调包装系统。气调包装系统发展到了通过在控制面板上输入所需量来控制传递到每个包装320的气体量的阶段。
36.在一个实例中，预计充气包装320将具有约25升的体积并且可容纳约1,000个堆叠口罩。常规hpp压力容器具有在约100至525升范围内的腔室318体积。因此，甚至较小的hpp系统也可在一个处理循环中将数千个n95口罩去污染。
37.hpp技术已用于食品和饮料行业以确保食物安全性、增加存放期和延长产品质量。hpp对病毒和其它微生物的功效取决于在压力下产品中的内在因素，最重要的是取决于足够量的游离水(称为水分活度(aw))的可利用性。在不存在游离水的情况下或当aw显著降低时，hpp在微生物灭活中的功效受损。本公开的方法是使用hpp用于不具有游离水或具有低游离水或低水分活度的产品，其通过将气体(例如co2)与产品一起引入包装中，并接着使充气包装经受将气体转化成液体或超临界流体的操作压力和温度。使操作压力保持足够的时间长度以通过高压实现去污染。
38.先前hpp将微生物灭活的功效取决于游离水(aw)的存在，并且当待去污染的产品的游离水较低时，对病原体和腐败微生物几乎没有影响。在使用处于压力下的气体(如co2)下，hpp现在可以成功地应用于干燥/低水分/低aw食品以及非食品材料，将病原体和其它微生物灭活。
39.气态二氧化碳(co2)将在恰当的温度范围和压力下变成处于压力下的液体。当存在潮湿空气时，一些液化co2将形成碳酸。在减压下大部分液化co2将返回到气相。液态co2本身或结合碳酸和压力强度将引起病毒和其它微生物失活。另外，通过将温度增加到气态co2的临界点(31℃)以上，高压将促进本身可以将病毒和其它微生物灭活的超临界二氧化碳(sco2)的形成。
40.在一些实施例中，二氧化碳可被其它“普遍认为安全”(gras)气体替代。可用作二氧化碳的替代品或与二氧化碳组合使用的其它gras气体包括但不限于空气、氦气、氮气、氧气、氧化亚氮、丙烷、氢气、一氧化碳和氩气。为了在本公开的实施例中使用，气体或气体混合物应在本文所述的操作压力下经历相变。
41.使用将包装中的co2气体转化成液态或超临界co2的hpp可有效地将ppe去污染并将干燥/低水分/低水分活度(aw)食品，例如(但不限于)肉干、干制/低水分水果和蔬菜、果酱、果子酱、果冻、巧克力、糖果、坚果(包括低水分椰子产品)、干制海产品、咸肉和海产品等中的病原体和其它微生物灭活。
42.使用具有填充二氧化碳的包装的hpp技术对干制/低水分/低aw食品进行灭菌或巴氏灭菌的能力呈现出处理在当前hpp下未能有效地去污染的食品的机会，其中产品中的水是抗微生物功效的关键因素。
43.此外，本公开提供了一种满足对再利用ppe的可行的去污染方法的迫切需要的解决方案，以缓解这些材料在医务人员和参与处理sars-cov-2大流行的其它必要一线员工中的短缺。
44.n95口罩通常被认为在单次使用之后可丢弃。然而，由于在医务人员和一线员工中的短缺，已经对去污染之后再利用口罩产生兴趣。在一个实施例中，口罩由非织造聚丙烯纤维制成。相信本公开的方法可用于对任何材料去污染。优选地，如果材料可承受约74到6,000巴或更高的范围内的压力，那么材料可用超临界co2处理。根据本公开还可处理被视为仅单次使用和一次性的其它ppe。这类ppe可以包括塑料防护面罩、罩衣、鞋套、全身套装和手套。然而，ppe不需要被指定为单次使用或一次性才能根据所公开的方法去污染。
45.气态co2在高于5.2巴的压力下在-56.6至31.1℃的温度范围内过渡到液相。当存在水分时，例如在高湿度空气中，co2的加压还将在临界温度界限内产生一些量的碳酸。高于31.1℃并且大于73.8巴，co2为超临界流体(sco2)，其中其在包装中像气体一样膨胀，但具有液体的密度。这些变化可具有抗微生物特性和功能特性，这些特性可保持干制(低水分)食物中产品和包装材料的完整性。co2在各种压力和温度下的过渡态展示于图2中的co2相图中。
46.co2以及多种其它气体通常用于食品行业，并且对人类没有毒性或有害影响。当操作温度与压力的组合处于co2液体和超临界相时，在经受hpp的包装中例如co2等气体的存在可有效地实现对具有低水分活度的产品的去污染。优选地，操作压力为690巴至6,000巴或更大，并且操作温度为与液体或超临界流体区中的压力相交的任何温度。优选地，温度可以
是-20℃至35℃。在一个实施例中，压力可大于6,000巴，例如高达10,000巴的压力。在一个实施例中，温度可大于35℃，例如高达65℃。在一个实施例中，在操作压力下的保持时间为足以实现一些去污染的任何时间长度。足够的时间长度可包括但不限于10秒至10分钟的范围。
47.hpp与co2的一或多种形式组合使用产生数种抗微生物作用，以有效地将如ppe等非食品材料和干燥/低水分/低aw食品去污染。抗微生物作用包括：
48.hpp和处于压力下的时间作为主要抗微生物作用；
49.hpp和液态co2；
50.hpp和液态co2和碳酸；以及
51.hpp和超临界co2。
52.可以通过hpp与通过加压水的压力强度和温度(包装外部)调节的co2的过渡形式的累积效应来实现去污染过程。在一个实施例中，填充二氧化碳的包装经受的操作温度和压力以及足够的时间长度是在-20℃至35℃的范围内，在690巴至6,000巴的压力下，以及10秒至10分钟的时间，或在这些范围内的任何温度、压力和时间或这些范围。
53.在一个实施例中，填充二氧化碳的包装经受的操作温度和压力以及足够的时间长度是在5℃至35℃的范围内，在690巴至6,000巴的压力下，以及10秒至10分钟的时间，或在这些范围内的任何温度、压力和时间或这些范围。
54.在一个实施例中，填充二氧化碳的包装经受的操作温度和压力以及足够的时间长度是在5℃至65℃的范围内，在2,000巴至10,000巴或更大的压力下，以及10秒至10分钟的时间，或在这些范围内的任何温度、压力和时间。
55.在一个实施例中，填充二氧化碳的包装经受的操作温度和压力以及足够的时间长度是在大于65℃的范围内，在大于10,000巴的压力下，以及10秒至10分钟的时间。
56.在一个实施例中，填充二氧化碳的包装可经历操作温度、压力和时间的多个相似或不同的循环。
57.当其它气体用作co2的替代品或与co2混合时，可能需要调节温度和压力来实现相变到液体或超临界状态。
58.hpp是一种在所有方向上均一并且同时施加压力的均衡方法，并在所有包装中见到，不管尺寸和几何形状如何。这不同于尺寸、几何结构和包装密度决定处理的时长和强度的其它去污染方法。
59.包装内部的二氧化碳的量可优选地为当在hpp期间转化成液体或超临界流体时将完全浸没产品或将使产品表面覆盖在液态或超临界二氧化碳中的任何量。
60.在进行加压之前包装内部的二氧化碳气体的量可在进行加压之前包装内部的10体积％至99体积％范围内，其中体积的其余部分为产品和其它气体。
61.在一个实施例中，在进行加压之前包装内部的二氧化碳气体的量可在进行加压之前包装内部的10体积％至90体积％范围内。
62.在一个实施例中，在进行加压之前包装内部的二氧化碳气体的量可在进行加压之前包装内部的25体积％至75体积％范围内。
63.例如在1atm压力下并且在25℃的温度下的1千克二氧化碳气体具有约533升的体积。在一个实施例中，二氧化碳气体与产品的比率可以是以重量计50:50至以重量计75:25。
64.二氧化碳气体可以是基本上纯的，意味着纯度限于可以通过气体产生方法实现的纯度。二氧化碳气体可以是99重量％至99.999重量％纯二氧化碳，并且其余部分包含例如由制造方法产生的不可避免的杂质。
65.如本文所使用，二氧化碳气体可包括来自生产方法的不可避免的杂质，包括空气和水。一些量的水可能因其能够形成碳酸而为需要的。
66.通过将口罩或设备包装于二氧化碳气体中，hpp可用于口罩和其它个人防护设备以及具有低水分活度的食品。在压力下，co2在一些碳酸形成下液化，其条件是存在一些水。在减压下，大部分co2回到气相。残余co2将在打开包装后迅速蒸发。碳酸不仅提供一些“水分”，也对hpp有协同作用。
67.在一个实施例中，有待去污染的产品可包装在已经具有少量水分的气体中，根据hpp进行处理，并接着随后干燥。二氧化碳气体可与其它气体混合用于产品的包装。在一个实施例中，空气可与二氧化碳气体混合，占空气与二氧化碳气体总混合物的25体积％。空气中水的极限为饱和点。举例来说，在25℃下空气可保持每升空气0.022克的水。
68.使用与二氧化碳气体混合的空气的益处在于空气将通常含有水分，水分可在hpp期间产生碳酸。空气通常包含水、氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氖气、氦气、甲烷、氪气、一氧化二氮、氢气、氙气、臭氧等。在一个实施例中，包装不需要配备有任何额外的水，并将依赖于气体中存在的任何水，例如通过将二氧化碳与空气组合。
69.当存在于二氧化碳气体或其它二氧化碳相中时，水可以h2o形式存在，接着根据以下反应式，可与co2反应，得到碳酸h2co3和解离离子形式。
70.co2 h2o
←→
h2co3←→
hco
3- h

71.为了去污染，使经受hpp的包装中的二氧化碳气体转化成液态或超临界co2。取决于有待去污染的产品、气体组成以及操作温度和压力，进行hpp的包装内部的成分会发生变化。包装的体积在hpp期间将减小，但来自空气的气体，例如氮气和氧气不会液化，并将保持在气体状态。在经受hpp的包装内部的组分的组成可以按重量百分比给出，而不是按体积百分比给出，因为不管压力和温度如何，重量百分比均保持相同。
72.在一个实施例中，用于去污染的高压方法包含通过含有水的加压介质使含有产品和气体的气密性密封包装经受操作压力，其中所述产品具有小于或等于0.9的水分活度；增加所述操作压力以将所述气体变成不同的相；以及将所述操作压力维持足够的时间长度以实现所述包装内部的一些去污染。
73.在一个实施例中，气体的至少75体积％选自由以下组成的群组：二氧化碳、氧化亚氮和丙烷。
74.在一个实施例中，气体的至少75体积％为二氧化碳。
75.在一个实施例中，气体的至少99体积％为二氧化碳。
76.在一个实施例中，气体进一步包含一或多种选自由以下组成的群组的气体：空气、氦气、氮气、氧化亚氮、丙烷、氢气、一氧化碳和氩气。
77.在一个实施例中，高压方法包含当包装经受操作压力时在包装内部产生液相二氧化碳。
78.在一个实施例中，高压方法包含当包装经受操作压力时在包装内部产生超临界相二氧化碳。
79.在一个实施例中，二氧化碳气体包含二氧化碳和不可避免的杂质。
80.在一个实施例中，二氧化碳气体与空气混合，其中空气占组合的二氧化碳与空气的总体积的至多25％。
81.在一个实施例中，空气包含水。
82.在一个实施例中，水中的一些或全部以碳酸或其解离离子形式存在。
83.在一个实施例中，加压之前包装内部的内容物的至少99体积％包含产品、二氧化碳、占总气体少于25体积％的空气、空气中的水、如果存在水的话有碳酸和不可避免的杂质。
84.在一个实施例中，包装内部的内容物的至少99重量％包含产品、二氧化碳或二氧化碳与空气的混合物和不可避免的杂质。
85.在一个实施例中，二氧化碳与空气的混合物具有90:10至75:25范围内的比率。
86.在一个实施例中，产品为个人防护设备。
87.在一个实施例中，产品为具有小于0.60的水分活度的干燥食品。
88.在一个实施例中，产品为具有0至0.9的水分活度的食品。
89.在一个实施例中，操作压力可在690巴至6,000巴的范围内，并且足够的时间长度可在10秒至10分钟的范围内。
90.在一个实施例中，足够的时间长度为至少10秒。
91.在一个实施例中，用于对产品去污染的高压方法包含使含有至少99重量％的以下物质的气密性密封包装经受至少690巴的操作压力达至少10秒的时间：产品、呈液体或超临界相的二氧化碳、不可避免的杂质、有或没有水的空气、当存在水时有碳酸，其中产品具有小于或等于0.9的水分活度。
92.在一个实施例中，操作压力可在690巴至6,000巴的范围内。
93.在一个实施例中，产品为个人防护设备。
94.在一个实施例中，产品为食品。
95.在一个实施例中，高压方法在包装内部进一步包含一或多种选自由以下组成的群组的气体：空气、氦气、氮气、氢气、一氧化碳和氩气。
96.在一个实施例中，高压方法在包装内部进一步包含呈液体状的氧化亚氮或丙烷。
97.表1中示出了用于测试抗微生物功效和ppe完整性的矩阵。以下hpp操作条件可使微生物灭活。
98.表1.用于微生物灭活和产品完整性评估之实验矩阵
99.试验**压力(psi)时间(分钟)温度(℃)co2(体积％)空气(体积％)实验18700035》90《10实验287000335》90《10实验38700025》90《10实验487000235》90《10
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高湿度空气实例587000357525实验6870003357525实验787000257525
实验8870002357525
100.实验1-4：以体积计具有90:10co2:空气的气体
101.实验5-8：以体积计具有75:25co2:空气的气体
102.尽管已经示出和描述了说明性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在其中进行各种改变。