微波真空干燥（共9篇）
微波真空干燥 篇1
中药生产一般均会涉及提取、消毒灭菌与干燥等多个工序, 相应的技术与设备也琳琅满目, 其各有特点与各自的应用领域, 能在众多提取、灭菌与干燥工艺中寻找到既高效又节能的技术及设备一直是人们所追求的目标。随着科学技术的进步, 超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥当属目前众多相关技术及设备中最为高效与节能的。本文以上海远跃轻工机械有限公司产品为例, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述其技术及设备的特点, 目的是推进其在中药生产等领域的应用。
1 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
1.1 超声微波连续逆流提取所涉及的几个概念
1.1.1 连续逆流提取
连续逆流一般为多级提取, 操作时底流液 (药材) 与溢流液 (溶剂) 在提取单位中沿相反方向运动, 实现固—液二相连续接触性提取。此方式的特点: (1) 溶剂使用量少; (2) 提取效率高; (3) 提取液的浓度也相对较高; (4) 提取周期短; (5) 单位质量的提取液浓缩所消耗的能量少。
1.1.2 超声 (波) 提取
超声波是指频率在20~50 000 k Hz之间的机械波。其原理:超声波能产生机械效应、空化效应及热效应, 超声波发生器产生高于20 k Hz的超音频电信号, 通过浸入式换能器转成同频率的机械振荡而传播到提取液介质中, 并以超音频纵波的形式在提取液中疏密相间地向前辐射, 使提取液振荡而产生许多的微小气泡。由于超音频纵波传播的负压和正压区交替作用产生超过10 000个标准大气压的微小气泡并随即爆破, 形成了对物料表面的细微局部撞击, 使物料迅速击碎、分解。在这种被称作“空化”效应的过程中, 连续不断作用于溶质, 使中药材及其他天然物在溶液中产生“湍动”效应, 使边界层减薄, 产生的界面效应增大了固液两相的传质面积, 产生的聚能效应活化了分离物质。经超声处理的植物细胞壁被击破, 而形成空洞, 细胞周围轮廓不完整。
在超声波的空化、粉碎等特殊作用下, 细胞在溶媒中瞬时产生的空化泡崩溃而破裂, 以使溶媒渗透到细胞内部, 从而使细胞中的成分溶于溶剂之中, 以加速相互的渗透、溶解。细胞的破裂为成分向溶媒的扩散提供了条件, 提高了有效成分的提出率, 从而达到了加速提取有效成分的目的。
1.1.3 微波提取
微波 (辅助) 提取原理:微波是波长介于1~1 000 mm (频率介于3×106~3×109 Hz) 的电磁波, 具有反射、穿透、吸收等特性, 不同物质的介电常数、比热容、形状及含水量不同将导致各种物质吸收微波能的能力不同。微波能是一种能量形式, 它在传输过程中能对许多由极性分子组成的物质产生作用 (大部分有机物都是极性分子) , 微波电磁场使物质的分子产生瞬时极化。在微波场下, 极性分子以及极化分子以每秒数十亿次高频旋转而产生热效应 (例如, 当用频率为2 450 MHz的微波能作萃取时, 溶质或溶剂的分子以24.5亿次/s的速度做变换运动) 。与此同时, 高速运动的分子其溶解、扩散、迁移运动也相应加速, 上述在传统提取中依靠加热来推动的过程, 在微波推动下得以迅速完成, 从而达到加速提取的目的。
1.1.4 超声 (波) 与微波提取特点比较
1.1.4. 1 超声 (波) 提取的优缺点
优点: (1) 提取温度低, 一般在40~50℃水温下进行超声波强化萃取, 不会破坏中药材中某些具有热不稳定、易水解或氧化特性的药效成分。 (2) 常压提取, 安全性好, 操作简单易行, 维护保养方便。 (3) 提取效率高, 超声波强化萃取30~50 min即可获最佳提取率, 萃取时间仅为水煮、醇沉法的1/4或更少。 (4) 提取充分, 提取量是传统方法的2倍左右。 (5) 适用范围广, 绝大多数的中药材各类成分均可采用超声提取, 其与溶剂和目标萃取物的性质 (如极性) 关系不大。因此, 可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广。 (6) 减少能耗, 由于超声提取无需加热或加热温度低, 提取时间短, 因此低能耗, 工艺成本低。 (7) 原料处理量大, 成倍或数倍提高, 且杂质少, 有效成分易于分离、净化。
缺点: (1) 受超声波衰减因素的制约, 超声有效作用区域为一环形, 如果提取罐的直径太大, 在罐的周壁就会形成超声空白区。若将换能器振子粘接在罐的周壁上 (就做成多边形) , 则罐壁太厚, 超声波声能损失太大。 (2) 功率难以和罐的容积相匹配, 6 000 L的罐需要120~180 k W超声输出功率, 如此大的功率, 使超声波设备制造难度增大, 同时成本也无法使用户接受。
1.1.4. 2 微波 (辅助) 提取的优缺点
优点: (1) 传统热提取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行, 而微波介电加热是里外同时加热, 没有高温热源, 消除了热梯度, 提取效率大大提高, 有效地保护中药材中的有效成分。 (2) 微波加热量是以穿透方式, 热量又产自于分子的高频旋转、磨擦, 无热阻。因此, 提取的时间短、速度快, 时间仅常规提取的1/4~1/10, 而且没有热惯性, 可用编程控制。 (3) 微波能有超常的提取能力, 同样的原料用常规方法需两三次提净, 在微波场下可一次性提净, 简化工艺流程。 (4) 溶媒耗量少, 仅常规量的50%~10%, 所加溶媒可一次提净, 既节省溶媒又大大减少下道浓缩工序的蒸发量, 节能省时。 (5) 微波提取的能源为电能所产生的电磁波, 可联动生产线, 既卫生又符合GMP。 (6) 微波的良好选择性, 提取又在高于或略高于室温的条件下进行, 从而提高产品纯度, 质量大大改善, 又能适于提取热不稳定物质。 (7) 可水提、醇提、脂提, 适用广泛。
缺点: (1) 微波有效穿透深度有限, 其有效作用范围也集中在微波馈口附近。对大容积罐体, 形成弱功率区效果不显著。 (2) 罐式微波提取设备:微波装机功率较大、制造难度高, 提取生产只能分批次作业, 加料、进液、出液、出渣等辅助时间较长, 降低了整机利用率。 (3) 微波效果与起始温度有关, 一般来说, 起始温度高, 对比较提取有利。
1.2 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
超声微波连续逆流提取技术是综合超声波及微波提取的优点于一体, 在“有所为, 有所不为”的思路下, 在连续逆流提取机组上有机地整合超声波及微波技术, 并克服其相应不足之处, 目前上海远跃轻工机械有限公司开发了超声微波连续逆流提取设备。
1.2.1 超声微波连续逆流提取设备原理
待提取的固体物料从送料器上部料斗加入, 通过螺旋定量控制加料速度, 并将物料不断地送至浸出舱顶端;在浸出舱中, 一套特制的螺旋推进器将物料平稳均匀地由一端推向另一端, 在此过程中有效成分被逆向流动的溶媒连续地浸出, 残渣由出渣口排渣器排出。同时, 在浸出舱内底部置有超声波换能器, 并在另一部分置有微波发生器, 其功率相对单一机型而言功率低。
溶媒从浸出舱进液口定量加入, 在重力的作用下, 并通过机械波与电磁波的双重作用, 溶媒渗透固体物料并在流向出液口的过程中浓度不断加大。固液两相始终保持逆流相对运动和理想的料液浓度差 (梯度) , 并不断更新接触界面, 提取液经浸出舱一端的固液分离机构导出。
同时, 浸出舱具有加热夹套, 可通过蒸汽、热水等热媒对系统进行加热、保温。
超声微波连续逆流提取设备外形如图1所示。
1.2.2 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
(1) 适合于形体较大的原料, 不需将原料粉碎。
(2) 没有高温热源, 消除热梯度, 提取纯度高。同时, 温度低, 有利于热敏性药物成分的提取, 减少杂质含量。与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可降低提取温度10~30℃, 提取时间相应缩短。
(3) 与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可提高得率5%~10%。
(4) 空化效应及穿透式加热, 若常规提取完成时间需8 h的话, 超声微波连续逆流提取只需时间30~50min。另外, 常规2~3次提取, 超声微波连续逆流提取只需1次。
(5) 与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可减少溶剂量、减少提取液总量达40%, 相应其浓缩能耗降低40%。
(6) 超声微波连续逆流提取设备单机处理能力200~600 kg/h, 并可连续化生产。其机理和特点非常适合需要大批量处理的原料。
(7) 超声微波连续逆流提取设备占地面积小, 约为相同产量常规提取设备的20%。
(8) 操作过程仅需2人, 劳动强度低, 操作环境好。
(9) 一般来说, 常规提取平均消耗蒸汽量为10~80kg/t原料 (根据提取温度) 。而超声微波连续逆流提取设备消耗超声波和微波电能折合约为30~50 k W·h/t原料 (同时消耗少量蒸汽) 。
超声微波连续逆流提取与常规提取两种方式对比参见图2、图3。
2 微波管式灭菌技术及设备的特点
2.1 微波灭菌机理探讨
2.1.1 微波灭菌机理
通常介质材料由极性分子和非极性分子组成, 在微波电磁场的作用下, 介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如, 采用的微波频率为2 450 MHz, 就会出现24.5亿次/s交变, 电场正负频繁交换变化, 极性介质也随电场磁性变化而变更, 相互激烈的摩擦产生高热, 其蛋白质、核糖核酸和酶失活而达到灭菌的效果。
微波灭菌的原理是两方面的, 它既有热效应灭菌, 又有非热效应灭菌, 因此它具有双重杀菌功能。微波加热时, 细菌体内的蛋白质、核酸成分等分子极性, 在微波场下高速旋转、振动, 一方面加热使细菌蛋白质凝固而死亡;另一方面也可以使蛋白质、核酸变性而死亡。
水是微波的强吸收介质, 微波可让微生物中的水分子形成电偶极性并随电场改变而高速转动, 导致细胞膜结构破裂、细胞分子间氢键松弛性破坏。温度的升高, 使细胞中的蛋白质凝固而造成微生物的死亡, 从而达到灭菌的目的。
2.1.2 影响微波灭菌的因素
(1) 穿透深度。微波在液体中的穿透深度有限。2 450 MHz的微波在水中穿透深度仅为20 mm, 超过这一深度, 微波作用极为微弱 (主要表现为热效应) 。
(2) 功率密度。微波的功率密度直接影响灭菌效率, 功率密度高, 非热效应显著, 灭菌效果随之提升;功率密度低, 灭菌效果不显著, 以热效应为主。
2.1.3 微波灭菌机理探讨
(1) 微波是否会破坏有效成分?基于有效物质的破坏是分子内化学键的断裂或重组, 有效物质的破坏取决于加热达到的温度。然而, 微波是一种加热方式, 是否破坏有效物质取决于加热达到何种温度。笔者认为:低于物质能承受的上限温度, 微波能不足以破坏分子内化学键, 因此不会影响其有效成分。
(2) 能否在更低温度灭菌?目前的微波灭菌是建立在连续波基础上, 热效应与非热效应共同作用, 还不能脱离热效应单独作用。而低于65℃, 微波灭菌效果不显著。此外, 更新的微波形式和灭菌机理正在建立中。
2.2 微波管式灭菌技术的特点
微波管式灭菌设备扬长避短, 充分提升了微波的杀菌效应, 又避免了其局限性。该机组具有以下特点:
(1) 时间短、速度快。微波则利用其透射作用, 以热效应和非热效应的共同作用, 使物品内外均匀地、迅速升温杀灭细菌。其处理时间大大缩短, 在强功率密度强度下, 甚至只要几秒至数十秒即达到满意效果。
(2) 低温灭菌、保持药品成分。相比常规热力灭菌, 在比较低的温度、较短的时间内就能获得灭虫杀菌效果, 一般灭菌温度在70~80℃, 处理时间3~5 min。同时, 微波特有加工方式能保留更多的有效成分, 保持原有的色、香、味、形等风味。
(3) 节约能源。微波电磁转换率高, 一般在70%以上, 优于电加热的热效率。加之, 微波是直接对药品进行磁热能量转换, 微波加热器本身不会被加热, 因而不存在额外的热功耗, 所以节能省电, 相比节电30%~50%。
(4) 灭菌均匀彻底。常规热力灭菌是从物料表面开始的, 由表及里地渐次加热, 内外存在温差梯度, 造成内外灭菌效果不一致。而微波的穿透性, 使表面与内部同时受热, 保证内外均匀杀菌。这一特点尤其适用于粘稠物料。
(5) 易自动化生产。微波设备操作简便, 没有热惯性, 能根据生产工艺要求实时调控。整条生产线只需1~2名操作工。在改善劳动条件同时, 工作环境和卫生条件符合GMP。
(6) 工艺先进。微波杀菌设备不需要锅炉、复杂的管道系统等, 只需水、电基本条件即可, 对厂房无特殊要求。投资少、见效快。
(7) 节省占地面积。微波设备无高温余热, 不产生热辐射, 能改善工作环境。而且设备结构紧凑、节省厂房面积。
(8) 灭菌功能广泛。既可杀灭细菌、酵母、霉菌, 还能灭酶。
2.3 微波灭菌设备
上海远跃轻工机械有限公司开发的最新微波管式灭菌设备 (如图4所示) , 是在以往管式微波灭菌基础上创新发展的。它采用了具有专利的盒形微波处理器, 在微波热效应的基础上, 最大限度强化了微波的非热效应, 达到低温短时灭菌的效果。
上海远跃轻工机械有限公司的微波灭菌设备的灭菌流程如图5所示, 其内部结构呈管式结构 (如图6所示) , 并在图6结构内采用串联方式配置若干个具有专利的盒形微波处理器, 如图7所示。
其特点: (1) 在管道中经过的物料, 全部落在微波穿透深度以内, 不存在微波照射不到的死角, 呈均匀有效的场分布; (2) 在加热器内, 具有极高的功率密度, 强大的非热效应造成细胞膜在短时间内穿孔; (3) 物料连续流过处理器停留时间只需10~30 s, 停留时间短, 最大程度减少热损害, 保证产品品质, 即便对于粘稠物料, 也不会产生结垢、结焦等问题; (4) 可连续生产, 提高整体效率, 终温仅70~80℃, 达到杀菌性灭菌效果; (5) 热能回用, 消耗少, 运行经济; (6) 可CIP, 系统耐6×105Pa压力, 生产后可SIP; (7) 占地小, 操作简便, 自动化程度高; (8) 极高的通用性和可靠性。
其灭菌应用范围:各种粘度的液态物料, 热敏性物料, 易结垢、易结焦的液态物料, 含悬浮颗粒的物料。不适应灭菌范围:已灌装的物料、难以流动物料、受热凝结或沉淀的物料。
3 真空带式干燥技术及设备的特点
3.1 真空干燥的原理
真空干燥的过程就是被干燥物料置放在密封的腔体内, 用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热, 使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面, 水分子在物料表面获得足够的动能, 在克服分子间的相互吸引力后, 逃逸到真空室的低压空间, 从而被真空泵抽走的过程。
3.2 真空带式干燥设备的组成与特点
3.2.1 真空带式干燥设备的组成
上海远跃轻工机械有限公司开发的YTLD系列真空带式干燥机的外形与内部结构如图8所示。主要有:干燥机筒体、布料机构、喷嘴、履带输送装置、螺旋输送器、PTFE输送带、张紧装置、纠偏装置、破碎机构、滚轮机架、刮料机构、出料机构、气动刀闸阀、旋转清洗球、测试仪表、电控柜等。
真空带式干燥机干燥流程如图9所示。干燥是借助于热能加热物料, 气化物料中水分。其热源来自履带下面传导热量, 由于真空条件水分气化温度低, 一般在30~90℃之间时浸膏或其他物料就沸腾发泡 (图10是当归浸膏沸腾发泡) , 物料中的水分很快就被真空抽走而闪蒸。同时, 其进料、干燥、粉碎、收粉在密闭系统进行。
3.2.2 真空带式干燥设备的特点
(1) 全程真空状态完成连续干燥工艺, 符合GMP。
(2) 在40~130℃之间干燥都能实现。在40~90℃干燥时, 热敏性药物不变性。
(3) 干燥机加热源多样化:可采用蒸汽直接加热、过热水加热, 电加热转换导热油加热等, 自动温控容易实现。
(4) 干燥过程物料温度60~80℃之间, 45~60 min后开始连续出颗粒直至批量完成, 并直接在真空状况下在干燥机内完成粉碎制颗粒。
(5) 节约用电, 节约蒸汽, 能耗小、无“三废”、低噪音。
(6) 有CIP功能, 可自动清洗、快速方便, 完成干燥机内腔清理工作。
3.3 真空带式干燥技术特点
表1为不同干燥方法性能比较, 从表1中可看到: (1) 离心喷雾干燥连续生产, 产量大。但温度高, 热敏性物易被破坏, 容易粘壁, 物损大, 能耗较高; (2) 真空烘箱干燥周期长, 效率低, 能耗高, 间断操作, 容易染菌和吸潮, 产品损失大; (3) 冷冻干燥能够得到出色的产品溶解性和高质量的产品, 但产量低, 成本太高。
真空带式干燥是综合各种干燥优点于一体的干燥设备。这是由于: (1) 与其他真空干燥相比, 带式干燥过程中被干燥物料随同传送带移动时, 物料颗粒间的相对位置固定, 具有相同的干燥时间。 (2) 当湿物料进料后, 在传送带上完成预热、恒速干燥、降温干燥、降温冷却及干品下线等过程。因此, 对进料量及含湿量、传送带走速、干燥温度及工作真空度等操作参数可独立控制, 从而保证设备工作的可靠性和操作条件的优化。
4 结语
本文以上海远跃轻工机械有限公司产品为例, 由概念或机理入手, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述了其技术及设备的特点。从实践情况来看, 超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3个设备既可单机使用, 也可联线使用。也可以说:超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥设备是目前高效节能、连续高产与符合GMP的设备之一。
摘要：由概念或机理入手, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述其技术及设备的特点。
关键词：超声微波连续逆流提取,微波灭菌,真空带式干燥,技术及设备,特点
参考文献
[1]邓修.中药制药工程与技术[M].上海:华东理工大学出版社, 2005 (5)
[2]郭维图.辐射灭菌工艺及其设备在药品生产中的应用.机电信息, 2007 (5) :11
[3]徐成海等.真空干燥[M].北京:化学工业出版社, 2004
微波真空干燥 篇2
微波干燥机测控系统的现状与发展
（姓名）***
河北科技师范学院 机电工程学院 电气工程及其自动化 **班
（指导老师）***
摘 要：本文阐述了微波干燥的工作原理及特点，介绍了国内外现状及发展趋势，并对目前的集中微波干燥控制方案进行了对比。测控系统是干燥机的中枢，其性能对被干燥产品的质量及公司效益有较大影响。因此，本设计是一个基于单片机的智能化测控系统，从而使得干燥的能耗低、效率高、操作方便、参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。
关键词：微波干燥机；现状及发展；单片机；测控系统 [1]
引言
目前，越来越多的农产品需要长期储存，干燥的基本目标是保持干燥过程稳定的前提下，以最低的干燥成本和能耗得到物料最优的烘干品质。
传统的热风加热方式使干燥机热效率比较低，干燥成本高。微波以其独特的加热方式，提高了热能利用率，降低了生产成本，因此微波干燥机被广泛应用于物料干燥中。但不同的物料吸收微波性能和传热传质特性不同以及热敏性能不同，对干燥过程的温度、湿度和干燥时间的控制提出了严格的要求，尤其是变温、间隙式等节能高效干燥方式，对干燥过程参数的控制提出了更高的要求。
测控系统是干燥机的中枢[2]，它具有对工作台、传送带、鼓风机等元件以及对温度、湿度等参量的测控功能，其性能对被干燥产品的质量及公司效益有较大影响。
因此，针对农副产品的干燥要求，并基于现有的一种微波连续干燥机，很有必要设计一个智能化测控系统，使得干燥的能耗低，效率高，操作方便，参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。微波干燥机的基本原理及特点
1.1 微波干燥原理
微波是一种波长极短的电磁波，波长在1mm到1m之间，其相应频率在300GHz至300MHz之间。微波加热技术是利用电磁波把能量传播到被加热物体的内部，加热达到生产所需求的一种新技术。为了不干扰雷达和通信设备的正常工作，医用、工业加热和烹调用磁控管的工作频率通常为915±25兆赫及2450±50兆赫[3]。
微波干燥依赖于微波加热[4]。微波的加热机理完全不同于传统的加热方法（传导、对流、辐射）。当微波照射到含水物料时，由于水分子是极性分子，极性分子排列从杂乱无章非极性状态变成有序排列。当外电场方向反复变动时，极性分子相应随之反复转换，频繁地摆动，在摆动过程中，造成分子间类似摩擦作用而产生大量热量，物料的温度也随之升高。微波加热就是利用介电损耗原理将微波能转化成为物料加热所需要的热能，物料吸收热量与其物料电介质的损耗因子成正比。由于水（或其它溶剂）的电介质损耗因子比其他物质大得多，所以水（或其它溶剂）分子优先吸收微波能，水分子由物料内部向表面移动，继续吸收微波能，水分变成水蒸汽而被排走，从而迅速完成干燥的目的。
1.2 微波干燥设备的特点
（1）均匀快速，这是微波干燥的主要特点。由于微波具有较大的穿透能力，加热时可使介质内部直接产生热量。
（2）具有选择性，微波加热与物质的本身性质有关、在一定频率的微波场中，水由于其介质损耗比其它物料大，故水分比其它干物料的吸热量大得多；同时由于微波加热是表里同时进行，内部水份可以很快地被加热并直接蒸发出来，这样陶瓷坯体可以在很短的时间内经加热而脱模。
（3）热效率高、反应灵敏，由于热量直接来自于干燥物料内部，热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔本身不吸热，不吸收微波，全部发射作用于物料，热效率高。
1.3 微波连续干燥机的结构与工作原理
微波连续干燥机由进料斗、干燥腔（微波发生器、波装导置）、输送装置、仪表控制柜、控制系统和机架等组成。5个干燥腔串联在一起，每个干燥腔内均安装有3个微波磁控管和驻波管，物料输送带由变频电机驱动穿过相互串联的5 个微波干燥腔。在每个干燥腔上安装1个红外温度传感器、1个湿度传感器和1个排湿风机。在进料口和排料口各安装1个水分传感器。仪表控制柜上安装有物料表面温度显示仪、空气温湿度显示仪、风机控制开关、水分显示仪、变频调速显示仪、电源开关、磁控管功率调节开关、磁控管工作时间调节开关、输送带电机开关。各显示仪分别与相应的传感器连接[5]。
工作时，物料从进料口落到物料输送带上，物料输送带在电机的驱动下，穿过相互
串联的微波干燥腔，在每个干燥腔内物料受到微波加热作用，温度升高，同时物料中的水分向外蒸发，在排湿风机的作用下，干燥腔内的水蒸气不断被排到腔外，被干燥后的物料从出料口排出。在干燥过程中，湿度传感器和温度传感器不断采集各个干燥腔内的湿度和物料温度，水分传感器采集物料的水分含量，将这些信息输送到控制系统，从而控制磁控管的输出功率、排湿风速和物料输送带的运行速度，调节干燥腔的温度和湿度以及干燥时间，保证物料干燥品质和干燥效率。控制系统能根据物料在干燥过程中温度、湿度和物料含水率的变化，不断优化控制参数，自动调节系统参数，实现干燥工艺参数的动态优化。国内外研究现状
早在上世纪80年代[6]，美国、加拿大、英国和德国就开始研究微波真空干燥技术，主要集中在美国的威斯康辛大学、加利福尼亚大学，加拿大的British Columbia大学，德国的Karlsruhe大学，英国的Queen’s University，希腊的国立科技大学，法国的Albi研究所等[7]。研究的内容涉及微波真空干燥机理、传热传质、微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型物料（香蕉，萝卜片，土豆，浆果等）的微波真空干燥操作等。
30年来，中国的许多干燥技术已得到了工业化应用[8]，主要有喷雾干燥、流态化干燥(普通流化床,振动流化床,内加热流化床,流化床喷雾造粒干燥)、蒸汽回转干燥、气流干燥、回转圆筒干燥、旋转快速干燥、圆盘干燥、带式干燥、双锥回转真空干燥、桨叶式干燥、冷冻干燥、微波及远红外干燥、粮食干燥等。常规干燥设备基本可以满足生产需要，有部分机型已达到国际当代水平并出口到国外[9]。
干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响，还在于它往往是生产过程的最后工序，操作的好坏直接影响产品质量，从而影响市场竞争力和经济效益。我国有许多产品，就纯度而言已经达到甚至超过国外产品，只是因为干燥技术不如国外，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去，在国际市场竞争中处于劣势，有的售价仅为国外同类产品的三分之一。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。椐估计，我国生产的干燥设备种类仅为国外的30%～40%。由此可见，我国干燥技术研究仍然是任重而道远。国内外微波干燥机的发展趋势
微波干燥总的发展趋势是改革创新、节能降耗、降低成本、提高其经济性[10]。干燥技术随着有关产业的发展有较大进展，干燥技术涉及不同类型产品的品质、形
状、干燥前后的物态。干燥设备的能耗在工业发达国家超过其能耗总量的10%，因此，降低干燥设备能耗是涉及面广的长远课题。目前,工业生产对干燥技术的需求剧增，这就促进了干燥设备的发展，尤其是机电一体化、制造加工标准化、提高调控水平等成了干燥设备研究发展的方向。近期内干燥技术要有突破性进展还相当困难，一般是趋于技术革新。目前，在世界范围内干燥设备的主要研究方向是有效利用能源、提高产品质量与产量、减少环境污染、安全操作、易于控制和一机多用等。具体研究课题为[11]：
(1)在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质。
(2)大量使用间接加热方式。
(3)采用组合式传热方式(对流、传导与介电或热辐射的组合)。
(4)采用容积式加热(微波或高频场)。
(5)组合使用不同类型干燥器。
(6)采用间断传热方式[12]。
(7)运用新型或更为有效的供热方法(如脉冲燃烧、感应加热等)。
(8)运用新型气固接触技术(如二维喷动床、旋转喷动床等)。
(9)应用计算机辅助设计,设计灵活的、多用途的干燥器[13]。
(10)使用模糊逻辑、神经网、专家系统等实现干燥过程的控制。方案对比
4.1 基于工控机 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，其最大的优势是便于管理，而且机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力[14]。
尽管工控机具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的：数据处理能力差，价格较高，具体如下：（1）配置硬盘容量小；（2）数据安全性低；（3）存储选择性小。
4.2 基于PLC
PLC是英文Programmable Logic Controller的简称，翻译过来就是可编程逻辑控制器。PLC是一种数字运算操作的电子系统，广泛应用于工业控制。它采用可以编制程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指令，而且还能以数字或模拟的方式输入和输出，控制各类的机械或生产过程[15]。
PLC更注重于工业应用，其最大的特点就是可靠性高，抗干扰能力强，便于维护，但是执行速度慢，投资成本高。
4.3 基于单片机
单片机是指集成在一块芯片上的完整的计算机系统[16]。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上[17]。单片机技术含量高，工作量很大的，对于抗干扰、模块化要求低，但是单片机编写的程序更合理，使用灵活，成本低廉，性价比高，应用更广泛。
4.4 方案选择
根据以上方案的具体分析，从工程的角度，对基于PLC、工控机以及单片机测控系统方案进行选择：
（1）工控机虽然便于管理，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力，但是其劣势也是非常明显的：数据处理能力差，成本较高。
（2）对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。
（3）对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行[18]。
综上所述，基于微波干燥测控系统的改革创新、节能降耗、降低成本、提高其经济性的发展趋势，在保证生产规范化的前提下,为提高产品质量,降低成本,满足需要,保证安全生产，本设计最终选择性价比高、使用灵活、应用广泛的单片机测控系统的方案。5 总结
随着计算机技术的迅速发展,将微型计算机技术引入测控系统中[19],不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题,而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性[20],显著增强测控系统的自动化、智能化程度。这就在一定程度上实现了微波干燥技术的改革创新、节能降耗、经济效益的提高。
通过参考中外相关文献[21]，我对微波干燥的原理与应用有了较全面的认识，基于国内外微波干燥技术的现状与发展趋势，以及对基于PLC、工控机、单片机等测控系统的分析与方案选择，本文将设计一个基于单片机的智能化测控系统，使得干燥的能耗低，效率高，操作方便，参数控制精度高，保证物料品质，提高物料干燥过程的自动化和智能化水平。参考文献
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微波真空干燥 篇3
关键词：苹果；微波干燥；干燥特性；薄层干燥模型
中图分类号： S126；TS255.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0529-04
收稿日期：2014-11-04
基金项目：国家自然科学基金（编号：21206051）；江苏省产学研联合创新资金（编号：BY20130155-22）。
作者简介：李静（1972—），女，江苏无锡人，硕士，讲师，研究方向为食品装备与无损检测。E-mail：lisytu@163.com。干燥是一个复杂的传热传质过程，食品干燥因其物料结构的差异而变得更为复杂。工业应用中，用于食品的干燥设备较单纯去除水分的装置更为复杂，故需要更为有效的模型用于工艺设计、参数优化、能量集成及过程控制[1]。虽然在食品干燥中，模型的研究非常重要，但目前还没有既能广泛应用于实践又有统一表达形式的理论模型。因此，干燥过程中的试验研究在模型确立上就显得尤为必要。食品干燥的数学模型中薄层干燥模型是基于液相扩散理论而建立的，并在实践中得到了很好的验证。
薄层干燥模型一般可分为理论方程、半经验方程和经验方程，其中半经验方程因拟合度高、误差小，应用比较广泛。Akpinar选用13种薄层干燥模型对包括苹果在内的果蔬进行研究，在热风干燥中最适合用Midilli-Kucuk模型描述[2]。Menges等选用了14种干燥模型对苹果在不同温度、不同风速条件下的热风干燥特性进行研究，认为Midilli模型在60～80 ℃、1.0～3.0 m/s范围内对产品水分比变化的描述最为适合[3]。Sacilik等研究了5～9 mm有机苹果片在干燥温度40、 50、60 ℃下的干燥特性和干燥模型，认为Logarithmic模型在10个模型中是最优的[4]。关志强等利用9种模型对不同热风温度、风速下荔枝果肉的干燥试验数据进行非线性拟合，通过比较检验指标及试验验证，显示Page模型是描述荔枝果肉薄层热风干燥过程的最优模型[5]。李辉等研究了荔枝果肉的真空微波干燥特性，对12种干燥模型进行非线性回归拟合求解并确定模型系数，结果发现Modified Henderson and Pabis模型更能准确表达与预测荔枝果肉微波真空干燥过程的水分变化规律[6]。
国内外大量的研究集中在干燥过程中不同温度、功率等参数影响[7-12]，鲜有在不同排湿压力下微波干燥过程特性及模型的研究报道。本研究利用恒温微波干燥系统，研究排湿压力对苹果干燥特性的影响，并建立苹果微波干燥动力学模型，旨在阐明苹果微波干燥规律，为工业应用提供科学依据。
1材料与方法
1.1材料
以地产苹果为样品材料。经测定，最初含水率在87%。样品被切割成10 mm×10 mm×10 mm小块，在80 ℃热水中处理1 min，以抑制酶反应。每个试验采用40 g样品，并被处理到约11%的含水率。所有的试验重复3次。
1.2干燥设备
利用研发定温微波系统进行试验，试验设备如图1所示。系统采用微波炉（Beaumark 02314，日本松下电器实业有限公司） 最大输出功率600 W。对控制电路进行改造，功率通过相位控制器进行自动连续调节，用以控制物料中心的温度，使得试验可以在定温下完成。
采用电子称（P-2002，美国丹佛仪器公司）对干燥过程中的样品质量在线测量并进行数据采集。采用光纤传感器（加拿大Nortech 光纤公司）插入样品中心用于物料中心温度测量和在线温度控制。采用数据采集卡（PCI 6014，美国国家仪器公司）收集样品的温度和质量并传递给计算机用于控制和记录。采用自主开发的LabView程序（美国国家仪器公司）用于实现功率控制、质量读取、温度监测和控制。
在微波干燥过程中，样品被安放在圆柱形聚四氟乙烯容器内的多孔筛上。容器上设置进气孔和出气孔。进气管穿过进气孔和多孔筛到达容器的底部。排气管通过排气孔将载体气体排放到容器外。采用压缩空气作为载体气体将干燥过程中产生的水蒸气排出容器外，以控制排湿压力。
1.3试验方法
苹果粒的初始水分测量采用标准烘干法，于70 ℃烘至恒质量。在试验过程中，干燥温度预设为70 ℃，试验中排湿压力设置为17.24、34.47、68.95 kPa，记录不同排湿压力下的物料温度、质量，并比较干后的物料品质。追加验证试验中排湿压力设置为51.72 kPa，在线记录物料质量。
1.4试验指标计算方法
1.4.1水分比干燥样品在t时间内水分的变化可以用水分比（MR）表示：
式中：Mt为t时刻含水量，%；M0为初始时刻含水量，%；Me为平衡含水量，%。在微波干燥过程中，空气的相对湿度连续变化时，水分比也可以简化为用Mt/M0替代。
1.4.2干燥速率
式中：Ui为i时刻样品的干燥速率，g/g·h；Mi为i时刻样品的干基含水率，%。
1.4.3有效水分扩散系数DeffFick方程可以用来描述生物制品降速干燥特性。当具有相同初始含水率的样品进行较长时间的干燥试验时，Fick扩散方程可以简化为如下形式：
式中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；L0为样品厚度的一半，m。
在不同排湿压力的干燥条件下，用试验数据拟合lnMR-t直线方程，根据直线方程的斜率- π2Deff4L02计算Deff。
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1.5薄层干燥模型
在参阅国内外相关文献[13-20]的基础上，采用了8种经验或半经验的数学模型对苹果控湿微波干燥的试验数据进行模拟，如表1所示。
1.6数据处理
采用Origin 8.0软件进行模型的非线性回归，使用下述统计检验指标来评价数学模型的预测值与试验值的拟合程度。
1.6.1决定系数R2
1.6.2卡方χ2
1.6.3标准误差eRMSE
式中：MRexp，i为试验观测值；MRpre，i为模型预测值；MRexp为试验观测值的算术平均值；N为试验观测值个数；P为参数个数。
2结果与分析
2.1排湿压力对干燥特性的影响
不同排湿压力下苹果微波的干燥曲线和干燥速率曲线如图2所示。
由图2-a可知，随着排湿压力的上升，苹果的干燥曲线变陡，干燥时间变短；由图2-b可知，不同排湿压力下，干燥速率都存在加速期、缓慢降速期、快速降速期3个阶段，这与恒定功率下的典型干燥曲线的特征不同。排湿压力对加速期及缓慢降速期影响较大。在干燥初期的加速期，干燥速率会很快加速上升并到达干燥速率峰值，排湿压力越大，对应的干燥速率峰值越大。缓慢降速期出现在干燥中期，也是物料失水的主要阶段，排湿压力越大，对应的干燥速率越大。
2.2微波干燥干燥方程的拟合
用Origin8.0对试验水分比MR以表中的8个模型进行非线性拟合，模型中的干燥时间t的单位为min。表2为不同排湿压力下8个模型的常数及拟合检验指标R2、χ2、eRMSE。在所有模型中，R2高于0.99的模型包括：Page模型、Henderson 模型、Logarithmic模型、Two-term model模型，均可用于描述苹果干燥过程中水分比随时间的变化规律。其中，Page模型的R2最大、χ2与eRMSE最小，且Page模型属于半经验公式，具有更明确的传质动力学意义，因此，Page模型是最优模型。
2.3Page模型的求解
从表2可以看出，Page模型的R2均大于0.998 16，χ2均小于1.478 88×10-4，eRMSE均小于0.020 41，拟合度好。Page
模型中的干燥常数k与n是苹果微波干燥下的固有特征参数，是干燥温度、排湿压力p等的函数。本试验干燥温度保持恒定，因此，k与n是排湿压力p的函数。采用二次多项式拟合Page模型中的干燥参数n、k，结果为：
2.4干燥模型验证
为了验证模型拟合的准确性，采用排湿压力p=51.72 kPa 的追加试验，比较水分比MR的试验值与Page模型的预测值，结果如图3所示。
由图3可以看出，试验值与模型预测的一致性好。因此，Page模型能够较好地反映控制排湿压力下苹果干燥中水分变化的规律。
2.5有效水分扩散系数
将试验数据转换为lnMR-t，并进行线性拟合，拟合方程的斜率为B，根据式B=-π2Deff4L20，从而计算得Deff。不同干燥条件下苹果有效水分扩散系数如表3所示。
3结论
苹果微波干燥特性与排湿压力有关，排湿压力越大，干燥速率越快。
利用试验数据对8种常见的食品干燥模型进行非线性拟合，比较评价决定系数R2、卡方χ2、标准误差eRMSE。拟合结果表明，Page模型的R2均大于0.998 16，χ2均小于1.4788 8×10-4，eRMSE均小于0.020 41，拟合度好，适合描述苹果微波干燥水分比与干燥时间之间的关系。经过追加试验验证，结果表明Page模型可以很好地描述苹果在不同排湿压力下微波干燥过程中水分比的变化规律。
对试验数据进行处理，计算出70 ℃下排湿压力17.24～68.95 kPa，苹果微波干燥有效扩散系数为2.376 8×10-8～2941 76×10-8 m2/s，排湿压力越大，有效水分扩散系数越大。参考文献：
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微波真空干燥 篇4
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
1) 原辅料。南美白对虾 (冻虾) :平阳海跃食品有限公司;辣椒粉、花椒粉、胡椒粉、白砂糖、姜粉、蒜等;市场购买味精-莲花味精;2) 试剂及药品。K2CO3、NaOH、NaCl、HCl, 分析纯-郑州派尼化学试剂厂;琼脂粉-食品级-北京奥博星生物技术有限责任公司;酵母浸膏、葡萄糖、胰蛋白胨-食品级-北京奥博星生物技术有限责任公司;甘油-食品级-天津天力化学试剂有限公司。
1.2 主要仪器与设备
HH-2数显恒温水浴锅, 国华电器有限公司;
BS224s电子天平 (感量0.001g) , 北京赛多利斯仪器系统有限公司;
CS202电热保温烘箱, 重庆实验设备厂制造;
冰箱, 博西华家用电器有限公司;
TA-XT.Plus型食品物性测定仪, 英国Stabe Micro Systems公司;
CM-5型色差计, 日本Konica Minolta公司;
真空微波干燥机, 平阳海跃食品有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 工艺流程
鲜对虾→清洗、挑选→冷冻贮藏→解冻→清洗、挑选→漂烫→浸渍调味→干燥→杀菌→包装→产品。
1.3.2 测定指标与方法
1) 挥发性盐基氮 (微量扩散法) ;2) 水分的测定 (直接干燥法) ;3) 微生物的检测:大肠杆菌、细菌总数:按GBö4789.2021994方法测定;4) 失重率测定。失失重率重率式中G1为烫漂前对虾质量 (g) ;G2为烫漂后对虾质量 (g) ;5) 硬度与弹性:采用Stable Micro System公司的物性测试仪进行测试;6) 感官评定:按GB/16290规定, 进行色香味及质地的评价。
2 结果与讨论
2.1 单因素试验结果
1) 微波功率对烤虾干燥的影响。将真空度设置为0.09MPa, 装载量设置为300g, 分别研究微波功率为2kW、3kW、4kW的干燥特性, 可以看出, 微波功率对烤虾失水的影响, 在干燥阶段大致分为3个阶段, 即快速、匀速、降速阶段;2) 装载量对烤虾干燥的影响。将微波功率设置为4kW, 真空度设置为0.08, 分别研究装载量为200g、300g、400g的干燥特性, 结果如下:装载量对烤虾失水的影响, 主要为在微波功率和真空度一定的条件下, 装载量越少, 对虾失水越快, 反之就越慢;3) 真空度对烤虾干燥的影响。当微波功率和装载量一定的条件下, 不用真空度对于干燥速率的影响基本相同, 各条曲线基本重合, 真空度对于干燥速率的影响很小。
2.2 微波真空干燥实验的结果
在单因素试验的基础上, 根据Box-Behnken中心组合设计原理, 选取微波功率、装载量和真空度用量为自变量, 以产品的评分Y为响应值, 利用Design Exper7.1软件设计了3因素3水平的响应面试验, 响应曲面法的结果分析:当微波功率设置为4kW, 装载量为300g, 真空度设置为0.09MPa为最佳工艺参数。
2.3 微波真空最佳参数的验证实验
1) 物性分析。将所有干燥条件得到的烤虾利用质构仪进行物性分析, 其最佳参数结果如下:通过质构图计算得:硬度平均为21900g, 咀嚼性平均为10250.32g, 凝聚力平均为20168.97g;2) 感官评定。由5名品评员组成感官评价小组, 评价珍味烤虾的色泽、风味、口感, 取平均分为最终感官得分。
评定结果:最佳参数最终得分为90分
3 结论
1) 微波真空联合干燥白对虾工艺的最优参数为微波时间25 s、微波功率4kw, 装载量300g, 真空度0.09MPa, 可以获得较高质量的白对虾干制品;2) 通过物性数据对比显示和感官分析, 最佳参数该组数据得分明显好于其他各组。
参考文献
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WHZ系列微波回转真空干燥机 篇5
(1)采用特制模压馈能波导,确保微波能的最佳输送;
(2)认真计算和制作,最合理地分布波导,确保最佳匹配,微波输入驻波比P<1.5;(3)采用军工单位制作和精密检测仪器,使达到驻波比P<1.5有了科学保证;
(4)应用微波谐振技术,科学设计干燥腔,使“回轰”率近于零,保证磁控管长久、稳定工作;
(5)为避免微波对其他元器件的干扰和损害,设计和制作了不同的抑止器,既保证了其他元器件的正常工作,也减少了微波能损失;
(6)巧妙设计控制电路,使用PLC控制,触摸屏操作,使智能控制技术在微波干燥的温度控制中,有“用武之地”(一般只能做到时间比例调节),使温度控制平稳、准确、超调量小;
(7)用多种微波抑止方法,使微波能泄露远低于国家标准的5 mu/cm2,(本公司企标为1 mu/cm2)实际做到<0.1mu/cm2,保证操作人员的安全健康;
(8)磁控管循环水冷却,变压器油冷却,增加了所有电器元件的使用寿命,为节约水资源,设计了自然冷却,循环用水方法,绝对用水量为水环真空泵的用水量,相当于冷却用水为零;
(9)按GMP理念制作,内腔精心抛光,圆弧过渡,无死角,外形美观大方,操作方便;
(10)带动挂篮转动的电机是变频调速的,不仅可任意调节挂兰转速,更重要的是由于变频器的平稳起动,保证了减速机在内的传动机稳定长寿。
常州市震华干燥设备有限公司
总经理:张科地址:江苏省常州市遥观镇钱家工业园邮编:213011
电话:0519-88374111 13861089555传真:0519-88375111
悬臂式大开门真空微波干燥机 篇6
特点: (1) 正面大开门, 全盘物料可整体装、卸, 节省时间; (2) 清洗方便, 托架可全部脱离干燥箱体, 可彻底清洗箱体内表面; (3) 干燥均匀, 转盘可变频调速。
技术参数: (1) 干燥能力为5～30 kg水/h; (2) 托盘数量为4～10个; (3) 微波功率为5～40 kW。
黑龙江迪尔制药机械有限责任公司
地址:黑龙江省佳木斯市林海路37号
电话:0454-8779025/8782182
产品技术咨询:0454-8771259/13946458980
邮箱:gcdr@vip.sohu.com
总经理专线:0454-8771259
传真:0454-8782365/8783626
网址:www.dryj.net
悬臂式大开门真空微波干燥机 篇7
特点:
(1) 正面大开门, 全盘物料可整体装、卸, 节省时间;
(2) 清洗方便, 托架可全部脱离干燥箱体, 可彻底清洗箱体内表面;
(3) 干燥均匀, 转盘可变频调速。
技术参数:
(1) 干燥能力为5～30 kg水/h;
(2) 托盘数量为4～10个;
(3) 微波功率为5～40 k W。
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悬臂式大开门真空微波干燥机 篇8
该设备适用于中药、食品、化工等行业需要低温干燥的产品,如中药浸膏、中药丸剂等。
特点:(1)正面大开门,全盘物料可整体装、卸,节省时间;(2)清洗方便,托架可全部脱离干燥箱体,可彻底清洗箱体内表面;(3)干燥均匀,转盘可变频调速。
技术参数:(1)干燥能力为5~30 kg/h;(2)托盘数量为4~10个;(3)微波功率为5~40 k W。
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悬臂式大开门真空微波干燥机 篇9
特点: (1) 正面大开门, 全盘物料可整体装卸, 节省时间; (2) 清洗方便, 托架可全部脱离干燥箱体, 可彻底清洗箱体内表面; (3) 干燥均匀, 转盘可变频调速。
技术参数: (1) 干燥水的能力为5~30 kg/h; (2) 托盘数量为4~10个; (3) 微波功率为5~40 k W。
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