微波真空干燥技術(shù)的探討

1、微波真空干燥技術(shù)的探討摘要：本文闡述了微波真空干燥的原理及特性，國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、前景展望。重點(diǎn)闡述了微波真空干燥的作用機(jī)理及其干燥特點(diǎn)。微波真空干燥是利用微波輻射作為加熱源在真空條件下對(duì)物體進(jìn)行干燥，具有快速、高效、低溫等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用方面具有廣闊的前景。關(guān)鍵詞:微波干燥真空干燥節(jié)能自動(dòng)控制干燥既是古老的貯藏食品又是現(xiàn)代工業(yè)保藏食品的方法之一一，食品干燥的主要目的是降低水分含量，使微生物和化學(xué)反應(yīng)引起的腐敗速度降到最低程度。通常，普通的熱風(fēng)干燥容易使食品營(yíng)養(yǎng)成分丟失，對(duì)食品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；冷凍干燥雖然能使食品質(zhì)量品質(zhì)如色、香、味保持的較好，但成本相對(duì)較高高。所以在干燥過(guò)程中，對(duì)于物料的品

2、質(zhì)與經(jīng)濟(jì)效益的綜合考慮，微波真空干燥技術(shù)被認(rèn)為是較好的一項(xiàng)新技術(shù)。微波真空干燥是把微波干燥和真空干燥結(jié)合在一起，充分發(fā)揮二者的干燥優(yōu)勢(shì)，以優(yōu)化干燥過(guò)程。微波真空干燥設(shè)備由微波諧振腔（微波發(fā)生器）、真空系統(tǒng)、物料旋轉(zhuǎn)盤(pán)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。1微波真空干燥原理及特性1.1原理微波是指頻率在300MHz到300KMHZ的電磁波。介質(zhì)物料由極性分子（水分子）和非極性分子組成，在電磁場(chǎng)作用下，這些極性分子從原來(lái)的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場(chǎng)的極性排列取向。在高頻電磁場(chǎng)的作用下，這些取向按交變電磁場(chǎng)的變化而變化，這一過(guò)程致使分子的運(yùn)動(dòng)和相互磨擦效應(yīng)，從而產(chǎn)生熱量。此時(shí)交變電磁場(chǎng)的電磁能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的動(dòng)能，動(dòng)能再

3、轉(zhuǎn)化成熱能，使介質(zhì)溫度不斷升高。微波加熱是使被加熱物體本身成為發(fā)熱體，故稱之為內(nèi)部加熱方式。這種方式不需要熱傳導(dǎo)的過(guò)程，電磁波從周?chē)蛱囟ǖ姆较虼┻^(guò)物料，使得物料內(nèi)各部分在同一瞬間獲得熱能而升溫，因此能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻加熱。此時(shí)，由于物料表面水份蒸發(fā)，致使表面溫度降低，從而造成一個(gè)內(nèi)高外低的溫度梯度，這個(gè)梯度的方向正好與水份蒸發(fā)的方向一致,使得蒸發(fā)加快，所以效率極高。同時(shí)由于內(nèi)部產(chǎn)生熱量，以致于內(nèi)部蒸汽迅速產(chǎn)生，形成壓力梯度，如果物料的初始含水率很高，物料的內(nèi)部壓力非?？斓纳撸謺?huì)在壓力梯度的作用下從物料排除。在干燥的過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化經(jīng)過(guò)了兩個(gè)步驟，先是電磁能轉(zhuǎn)化為有序運(yùn)動(dòng)的分子動(dòng)能，然后

4、通過(guò)碰撞轉(zhuǎn)化為熱能。在真空狀態(tài)下，水的沸點(diǎn)降低，從而使物料在相對(duì)較低的溫度下就可以沸騰蒸發(fā)。真空不僅能使物料在保持低溫狀態(tài)下蒸發(fā)，還能產(chǎn)生壓力梯度提高干燥效率。真空干燥具有干燥溫度低、產(chǎn)品復(fù)水性高，同時(shí)對(duì)食品的色澤和口感也保持較好。所以微波干燥和真空干燥的結(jié)合不僅使得物料能在較低的溫度下蒸發(fā)干燥，而且可以提高干燥效率。1.2特性總體而言，微波真空干燥具有以下特點(diǎn)。干燥速率高。普通的干燥方法如熱風(fēng)干燥，對(duì)物料來(lái)說(shuō)熱量是從表面向內(nèi)傳遞：而水分從內(nèi)向外遷移，溫度梯度與水分轉(zhuǎn)移方向相反，這樣將導(dǎo)致干燥速率下降。微波干燥不必以熱傳導(dǎo)的形式從表面向內(nèi)部傳遞，而是通過(guò)微波將能量直接作用于整個(gè)物料，使物料整體

5、均勻被加熱，大大縮短了加熱時(shí)間；同時(shí)由于壓力遷移動(dòng)力的存在，是微波干燥具有由內(nèi)向外干燥的特點(diǎn)，即對(duì)物料整體而言，首先從內(nèi)部干燥，克服了在常規(guī)干燥中因物料外層首先干燥二形成硬殼板結(jié)阻礙內(nèi)部水分繼續(xù)外移的缺點(diǎn)。特別對(duì)于物料本身不是熱的良導(dǎo)體，微波干燥優(yōu)勢(shì)更明顯。提咼干燥品質(zhì)。微波加熱，物料內(nèi)部和表面同步進(jìn)行加熱，溫度分布均勻。一般微波只與物料中的水分而不與干物質(zhì)相互作用，含水較高的地方吸收輻射能較多，干物質(zhì)相對(duì)較少，能更迅速地干燥，這樣起到了熱量分配自動(dòng)平衡的作用。但單純的微波加熱容易產(chǎn)生由于過(guò)熱引起的燒傷、焦化、結(jié)殼和硬化等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象主要是因?yàn)闇囟冗^(guò)高和干燥過(guò)快引起的。真空干燥可以降低水的蒸

6、發(fā)溫度，使物料在較低的溫度下迅速蒸發(fā),同時(shí)還可以避免氧化，因此改善了干燥品質(zhì)。尤其在醫(yī)藥、食品和化工等領(lǐng)域存在熱敏性物料的情況下，需要低溫快速干燥的條件；同時(shí)對(duì)于食品和醫(yī)藥，由于微波的微生物效應(yīng)，能在較低的溫度下即可達(dá)到除菌的目的。成本低、無(wú)公害。微波真空干燥新技術(shù)，不需要電熱烘干設(shè)備和蒸汽加熱設(shè)備；微波直接與物料相互作用，不需要加熱空氣、大面積器壁及輸送設(shè)備等，而且加熱腔為金屬制造的密閉空腔，能反射微波，是指不向外泄漏，從而被物料吸收。其耗能是普通干燥設(shè)備的1/31/4,也低于紅外干燥,同時(shí)對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。如果使用一般的加熱設(shè)備干燥，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至產(chǎn)生污染，而且也造成過(guò)多的能源

7、消耗，設(shè)備存在運(yùn)行成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備利用率低、維護(hù)費(fèi)用高等突出問(wèn)題。安全性。微波不會(huì)對(duì)被加熱物料產(chǎn)生不安全影響，其安全性得到國(guó)際認(rèn)可。但設(shè)備仍然存在微波泄漏，所以為了保證設(shè)備的安全性，微波的泄漏量應(yīng)滿足國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定量。自動(dòng)化控制過(guò)程。對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂剖潜匾?。微波的輸出可以通過(guò)發(fā)生器的開(kāi)關(guān)來(lái)控制，操作方便,而且加熱的強(qiáng)度可以通過(guò)控制輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如干燥的過(guò)程控制，干燥過(guò)程分為常率期、降率期和擴(kuò)散期：常率期蒸發(fā)溫度基本恒定，表面呈濕潤(rùn)狀態(tài)；降率期水分奇異速度減慢，物料溫度開(kāi)始上升；擴(kuò)散期物料導(dǎo)熱性變差，需要較為溫和的干燥條件。在不同時(shí)期，隨著物料干燥程度不同，溫度

8、相應(yīng)變化，因此在干燥過(guò)程中,微波功率隨著物料的干燥程度做主動(dòng)調(diào)節(jié)，將物料溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，從而保證成品的質(zhì)量。隨著干燥干燥設(shè)備應(yīng)用的不斷推廣深入，對(duì)設(shè)備的數(shù)字化、智能化的要求越來(lái)越高，出了干燥溫度的控制與顯示外，還要求故障的檢測(cè)與顯示以及信息的上傳，以便于集中管理與控制。目前，采用抗干擾性能好，具有通信功能的PLC,以及人機(jī)界面一一觸摸屏，能較好地實(shí)現(xiàn)上述功能。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外情況20世紀(jì)80年代,美國(guó)、加拿大、德國(guó)和英國(guó)就開(kāi)始研究微波真空干燥技術(shù)，主要集中在美國(guó)的威斯康辛大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、加拿大的BritishColumbia大學(xué)，德國(guó)的Karlsruhe大學(xué)，英國(guó)的Qu

9、eensUniversity,希臘的國(guó)立科技大學(xué)，法國(guó)的Albi研究所等。研究的內(nèi)容涉及微波真空干燥機(jī)理、傳熱傳質(zhì)、微波真空干燥模擬、微波真空干燥能耗與工藝以及各種不同類型的微波真空干燥操作等。目前，國(guó)外已將微波真空干燥技術(shù)應(yīng)用于輕工業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域，諸如造紙、陶瓷、木材、食品、瀝青、污水處理、表面活性劑、香料、礦石、藥物、混凝土、油漆等的加工處理。2.2國(guó)內(nèi)情況目前在國(guó)內(nèi)的研究單位有江南大學(xué)食品學(xué)院、東北大學(xué)、大連水產(chǎn)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京三樂(lè)微波技術(shù)有限公司等。微波真空干燥技術(shù)雖然在國(guó)內(nèi)起步較晚，但發(fā)展比較快。隨著安全措

10、施的到位，人們克服了對(duì)微波的恐懼心理，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用到醫(yī)藥、化工、食品、化妝品等眾多行業(yè)。3展望微波真空干燥綜合了微波干燥和真空干燥的各自優(yōu)點(diǎn)，具有快速、高效、低溫、節(jié)能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。在食品干燥方面，能較好地保持食品原有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分，可有效避免干燥過(guò)程中化學(xué)成分的氧化破壞。干燥后產(chǎn)品的組織機(jī)構(gòu)和復(fù)水率等物理特性可以與冷凍干燥相差無(wú)幾，且成本相對(duì)較低；在工業(yè)干燥方面（如真空絕熱板）,加熱干燥可能對(duì)材料造成焦化等破壞，微波真空干燥可以在低溫條件下去除材料中剩余少量的結(jié)合水，同時(shí)還能保證絕熱板的真空度。目前，微波真空干燥仍存在一些問(wèn)題尚待解決，如干燥過(guò)程中存在的排濕困難、加熱不均、干燥終點(diǎn)判斷困難、對(duì)物料的尺寸和形狀要求嚴(yán)格等，在干燥工藝和裝備方面仍有很多問(wèn)題需要解決。所以，在完善數(shù)學(xué)模型、建立干燥過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制、與其他干燥技術(shù)相結(jié)合等方面還需進(jìn)一步開(kāi)展研究。參考文獻(xiàn)崔正偉，許時(shí)嬰,孫大文微波真空干燥技術(shù)的進(jìn)展J.糧油加工與食品機(jī)械，2002,7(8):814.馬梅芳，陳騰蛟微波干燥滅菌技術(shù)在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展J.中醫(yī)藥導(dǎo)報(bào),2008,14(2):8082.曹崇文.微波真空干燥技術(shù)現(xiàn)狀J.干燥技術(shù)與設(shè)備,2004,2(3