微波真空干燥技術(shù)的探討

樓海軍 韋小紅

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，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)干燥容易使食品營養(yǎng)成分丟失，對食品質(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，但成本相對較高高。所以在干燥過程中，對于物料的品質(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，以優(yōu)化干燥過程。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，在電磁場作用下，這些極性分子從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場的極性排列取向。在高頻電磁場的作用下，這些取向按交變電磁場的變化而變化，這一過程致使分子的運(yùn)動(dòng)和相互磨擦效應(yīng)，從而產(chǎn)生熱量。此時(shí)交變電磁場的電磁能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的動(dòng)能，動(dòng)能再轉(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)的過程，電磁波從周圍或特定的方向穿過物料，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?，水分會在壓力梯度的作用下從物料排除。在干燥的過程中能量轉(zhuǎn)化經(jīng)過了兩個(gè)步驟，先是電磁能轉(zhuǎn)化為有序運(yùn)動(dòng)的分子動(dòng)能，然后通過碰撞轉(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)。

(1)干燥速率高。

普通的干燥方法如熱風(fēng)干燥，對物料來說熱量是從表面向內(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，而是通過微波將能量直接作用于整個(gè)物料，使物料楚體均勻被加熱，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)。特別對于物料本身不是熱的良導(dǎo)體，微波干燥優(yōu)勢更明顯。

(2)提高干燥品質(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^高和干燥過快引起的。真空干燥可以降低水的蒸發(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。

(3)成本低、無公害。

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1／3～1／4，也低于紅外干燥，同時(shí)對環(huán)境幾乎沒有影響。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，而且也造成過多的能源消耗，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)用高等突出問題。

(4)安全性。

微波不會對被加熱物料產(chǎn)生不安壘影響，其安全性得到國際認(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)滿足國際電工委員會(IEC)規(guī)定量。

(5)自動(dòng)化控制過程。

對干燥過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂剖潜匾?。微波的輸出可以通過發(fā)生器的開關(guān)來控制，操作方便，而且加熱的強(qiáng)度可以通過控制輸出功率來實(shí)現(xiàn)。如干燥的過程控制，干燥過程分為常率期、降率期和擴(kuò)散期：常率期蒸發(fā)溫度基本恒定，表面呈濕潤狀態(tài)；降率期水分奇異速度減慢，物料溫度開始上升；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，溫度相應(yīng)變化，因此在干燥過程中，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，對設(shè)備的數(shù)字化、智能化的要求越來越高，出了干燥溫度的控制與顯示外，還要求故障的檢測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——觸摸屏，能較好地實(shí)現(xiàn)上述功能。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外情況

20世紀(jì)80年代，美國、加拿大、德國和英國就開始研究微波真空干燥技術(shù)，主要集中在美國的威斯康辛大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、加拿大的British Columbia大學(xué)，德國的Karlsruhe大學(xué)，英國的Queens University，希臘的國立科技大學(xué)。法國的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國內(nèi)情況

目前在國內(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)、南京三樂微波技術(shù)有限公司等。微波真空干燥技術(shù)雖然在國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展比較快。隨著安全措施的到位，人們克服了對微波的恐懼心理，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、味及營養(yǎng)成分，可有效避免干燥過程中化學(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幾，且成本相對較低；在工業(yè)干燥方面(如真空絕熱板)，加熱干燥可能對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題尚待解決，如干燥過程中存在的排濕困難、加熱不均、干燥終點(diǎn)判斷困難、對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題需要解決。所以，在完善數(shù)學(xué)模型、建立干燥過程的計(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)一步開展研究。