一種微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)

□何春霞□張洛明□張士偉

1黃河科技學(xué)院 工學(xué)院　鄭州　450063

2河南勃達(dá)微波設(shè)備有限公司　鄭州　450000

一種微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)

□何春霞1□張洛明1□張士偉2

1黃河科技學(xué)院 工學(xué)院鄭州450063

2河南勃達(dá)微波設(shè)備有限公司鄭州450000

為了保證中藥材的藥效并提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了一種微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設(shè)備。通過(guò)對(duì)中藥浸膏的物質(zhì)特性、干燥要求、微波真空干燥原理的分析，設(shè)計(jì)了微波真空干燥室、筒體、門(mén)體、物料系統(tǒng)。在總體方案的基礎(chǔ)上，對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并生產(chǎn)了一套試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了脫水率試驗(yàn)。該新型工藝設(shè)備功效提高，成本降低，體積大大減小，藥效保留多，且具有殺菌功能，特別適合于中成藥生產(chǎn)行業(yè)。

1　醫(yī)藥浸膏的物質(zhì)特性與干燥要求

在人工控制條件下，為保證中藥材藥性及有效成分，必須對(duì)中藥材進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚怼鹘y(tǒng)方式多采用熱風(fēng)干燥，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用廣泛，但有效成分損失大，甚至有嚴(yán)重的品質(zhì)衰退現(xiàn)象。隨著新技術(shù)及設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，人們對(duì)中藥材的干燥質(zhì)量、單位能耗、操作可靠性提出了更高的要求，干燥技術(shù)也向著提高產(chǎn)品質(zhì)量、有效利用能源、減少環(huán)境影響、運(yùn)用計(jì)算機(jī)提高自控水平、操作簡(jiǎn)單的方向發(fā)展。

微波真空干燥技術(shù)具有干燥溫度低、干燥速度快、干燥效率高、干燥質(zhì)量好、對(duì)干燥物料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，兼有滅菌功能。在一定的真空度下，可保證濕物料干燥全過(guò)程在設(shè)定的低溫下進(jìn)行，是一種有效、實(shí)用、有潛力、有前景的新型干燥技術(shù)，非常適用于中成藥生產(chǎn)這個(gè)對(duì)干燥有較高要求的行業(yè)。

2　微波真空干燥的原理及特點(diǎn)

微波干燥利用電加熱原理，依靠高頻電磁振蕩來(lái)引發(fā)分子運(yùn)動(dòng)，使被加熱物發(fā)熱。微波對(duì)物體直接進(jìn)行加熱，不受傳熱因素的限制［1］。真空干燥時(shí)，真空度越大，濕物料所含的水分越少，或者濕介質(zhì)對(duì)應(yīng)的飽和溫度越低。在真空條件下，借真空泵除去氣箱中的低壓水蒸氣及空氣等含量較少的不凝結(jié)氣體。但真空干燥時(shí)物料的脫水依靠熱傳導(dǎo)將外來(lái)熱量傳遞給被干燥物料，在低氣壓環(huán)境下，熱傳遞速度慢，妨礙了真空干燥優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮［2］。

微波真空干燥結(jié)合了微波干燥和真空干燥技術(shù)，加劇了置于交變電場(chǎng)中物料水分子的運(yùn)動(dòng)，水分子間的摩擦也加劇，摩擦生熱后使物料表面水分蒸發(fā)，物料內(nèi)外部形成了溫度梯度和濕度梯度，從而加速水分從物料內(nèi)向外遷移，達(dá)到干燥目的。

微波真空干燥［3］充分發(fā)揮了微波干燥和真空干燥的優(yōu)勢(shì)，微波為真空干燥提供熱源，克服了真空狀態(tài)下常規(guī)熱傳導(dǎo)速率慢的缺點(diǎn)，真空又使得物料在較低溫度下進(jìn)行干燥，較好地保存物料營(yíng)養(yǎng)成分，改善干制品的其它品質(zhì)（如褐變），縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

3　微波真空干燥新型工藝設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

中藥浸膏微波真空干燥設(shè)備包括真空系統(tǒng)和微波系統(tǒng)，由微波真空干燥室、微波發(fā)生器、真空泵、PLC人機(jī)界面控制系統(tǒng)、進(jìn)出料門(mén)體系統(tǒng)、物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)可靠、高效、全自動(dòng)以及微波功率和真空度可調(diào)的連續(xù)干燥。主機(jī)采用正交“品”字形分布：頂部抽真空除濕系統(tǒng)—真空罐體微波發(fā)生器—自平衡托盤(pán)—進(jìn)出料定位裝置—PLC人機(jī)界面控制系統(tǒng)。

3.1主要組成部分

（1）微波真空干燥室筒體。微波真空干燥室有箱式、腔式、波導(dǎo)式、輻射式和表面波導(dǎo)等幾種，根據(jù)干燥物料及加熱要求來(lái)選擇。微波真空干燥室筒體結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)依據(jù)物料系數(shù)、設(shè)備材料、加工、諧振腔主模式、諧振腔輔助模式和壓力容器的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)［4］。

（2）微波發(fā)生器。微波發(fā)生器由磁控管、波導(dǎo)管、高壓變壓器、高壓二極管、高壓電容器、微波爐專(zhuān)用電風(fēng)扇、高壓保險(xiǎn)管組成。微波發(fā)生器主要功能是產(chǎn)生微波，根據(jù)干燥要求進(jìn)行微波能量的輸送與分布，使中藥浸膏在微波的作用下產(chǎn)生高溫，起到干燥的作用。

（3）微波真空干燥室門(mén)體。微波真空干燥室門(mén)體是微波泄漏和真空泄漏的關(guān)鍵位置。門(mén)體設(shè)計(jì)與常規(guī)門(mén)體設(shè)計(jì)不同，采用獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)密封與平面密封相結(jié)合的雙重密封技術(shù)。將門(mén)體與筒體通過(guò)絞鏈在一側(cè)進(jìn)行連接固定，另一側(cè)在門(mén)體關(guān)閉后通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓將門(mén)體固定在筒體上。門(mén)體法蘭同時(shí)設(shè)有兩凹槽，用于填充微波密封材料和真空密封材料。門(mén)體法蘭與筒體法蘭密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　門(mén)體法蘭與筒體法蘭密封結(jié)構(gòu)

（4）微波真空干燥室耦合口。耦合口是微波真空干燥室與微波傳輸系統(tǒng)的接口，場(chǎng)強(qiáng)集中，易擊穿、打火和拉弧放電。設(shè)備采用微波源多饋入口輸入方式，將饋入口選擇在圓柱腔壁上不同方位需要激發(fā)的模式強(qiáng)場(chǎng)區(qū)和可能存在的寄生模式弱場(chǎng)區(qū)，保證腔體內(nèi)諧振模式的耦合度和干燥室內(nèi)微波場(chǎng)分布的均勻性。耦合口方位布置如圖2所示。

（5）物料盛放與運(yùn)動(dòng)裝置。物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)軸、托盤(pán)、托盤(pán)架組成，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，經(jīng)變頻控制后可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中速度的調(diào)節(jié)控制。重棒平衡技術(shù)使托盤(pán)內(nèi)液態(tài)物料始終處于平衡狀態(tài)，既實(shí)現(xiàn)了中藥浸膏均勻干燥，又避免物料傾覆和料盤(pán)的碰撞與翻轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸與筒體封板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　耦合口的方位布局圖

圖3　物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2工作過(guò)程

中藥浸膏的初始含水量一般在40%左右，最終含水量為8%。為達(dá)到較好的低溫、殺菌干燥效果，先啟動(dòng)真空泵，使真空干燥室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，通過(guò)真空截止閥維持干燥室內(nèi)的真空度，真空度控制在0.085～0.095 MPa范圍內(nèi)。然后將物料由進(jìn)料口送入微波真空工作室，啟動(dòng)微波源和排濕風(fēng)機(jī)，使物料接受微波輻射而被加熱。為保證物料均勻地受微波能輻照，需開(kāi)啟物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使物料托盤(pán)繞旋轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)微波加熱，至物料達(dá)到要求的含水率，干燥結(jié)束。打開(kāi)門(mén)體，通過(guò)上下料出口取出物料，完成卸料。工藝流程為：?jiǎn)?dòng)真空泵→加入中藥浸膏→微波真空干燥→干燥后中藥膏。

4　主要參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1微波總功率的確定［5］

每小時(shí)連續(xù)加熱質(zhì)量m為30 kg的中藥浸膏，中藥浸膏的初始含水量X1為40%，最終含水量X2為8%（濕基），比熱容C1為4.2×103kJ/（kg·K），被加熱中藥浸膏的初溫T1為288.15 K，真空度確定的末溫T2為321.15 K，汽化潛熱Hr為2 257.2 kJ/kg，由熱力學(xué)理論計(jì)算干燥物料所需熱量：

考慮設(shè)備的加熱效率η1（一般取80%），微波轉(zhuǎn)換效率η2（一般取70%），由功率方程計(jì)算微波的總功率：

考慮到損耗，取P為30 kW。同時(shí)考慮到中藥浸膏的物質(zhì)特性，微波頻率選2 450±50 MHz。

4.2最大功率耗散密度的計(jì)算

由工作負(fù)載的最大允許溫度、真空度、空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)與壓力的相關(guān)關(guān)系，確定最大安全工作電場(chǎng)強(qiáng)度，利用公式可計(jì)算出工作負(fù)載的最大功率耗散密度。設(shè)備真空度在0.085～0.095 MPa范圍內(nèi)，最大安全工作電場(chǎng)強(qiáng)度Emax為100 kV/m，最大功率耗散密度為（式中參數(shù)可根據(jù)有關(guān)手手冊(cè)查詢）：

4.3微波諧振腔最小容積的計(jì)算

微波諧振腔最小容積：

微波真空干燥室是主要的干燥場(chǎng)所，物料盤(pán)、微波發(fā)生器和真空泵均布置其內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮工作容積、工作壓力、物料加熱升溫和防泄漏波等情況。微波真空干燥室組裝如圖4所示。

圖4　微波真空干燥室組裝圖

5　試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益分析

按照上述各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的微波真空干燥試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。

圖5　中藥浸膏微波真空干燥試驗(yàn)設(shè)備

5.1微波干燥與微波真空干燥

在相同功率作用下，作用相等的時(shí)間，設(shè)備脫水率ξ的計(jì)算如下：

式中：ΔX為脫水質(zhì)量；X'為樣本質(zhì)量。

對(duì)行業(yè)內(nèi)常用的6 kW微波設(shè)備、設(shè)計(jì)生產(chǎn)的6 kW微波真空新型工藝設(shè)備進(jìn)行脫水率對(duì)比試驗(yàn)，相同水質(zhì)的水1 400 g，在不同功率、不同時(shí)間內(nèi)做三組試驗(yàn)，為了減少試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)做5次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　脫水率試驗(yàn)

5.2經(jīng)濟(jì)效益分析

將微波真空干燥試驗(yàn)設(shè)備與多家企業(yè)加工生產(chǎn)的干燥設(shè)備進(jìn)行工藝性能、經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量等方面的綜合比較，干燥指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2　多種干燥方式試驗(yàn)

結(jié)果表明：微波真空干燥設(shè)備成本降低76%，功效是其它干燥設(shè)備的2倍，設(shè)備體積是蒸汽干燥設(shè)備的20%、噴霧干燥設(shè)備的30%，可以節(jié)約空間和凈化工廠。

6　結(jié)論

微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設(shè)備采用頂部正交“品”字形分布，饋能與傳動(dòng)結(jié)合，布料、受熱均勻；干燥室門(mén)體采用旋轉(zhuǎn)密封和平面密封雙重密封技術(shù)，避免微波和真空的泄漏；自平衡托盤(pán)使物料始終平衡；智能上下料，自動(dòng)測(cè)溫，智能除濕。整套設(shè)備功效為其它設(shè)備的2倍以上，成本降低70%左右，藥效成分保留多，工藝溫度低，適用于中藥浸膏、保健品、食品、化工產(chǎn)品，特別是糊狀、黏度較大的物料［6］。中藥浸膏微波真空干燥新型工藝設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)藥工廠，取得了令人滿意的效果。

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In order toensure the efficacyofChinese herbal medicines and improve production efficiency，the design of a newmodel of process unit is designed that use microwave vacuum technique to dry the pharmaceutical extracts.By analyzing material properties&drying requirements of the Chinese medicine extracts and drying principle via microwave vacuum technique，the microwave vacuum drying chamber，cylinder，door and material flowsystem are designed.On the basis of the overall scheme，the main structural parameters are calculated while developing a set of test equipment to test its dehydration rate.The new model of process equipment featuring improved efficiency，reduced costs，compact in size，more reservations of drug effect and bactericidal function is especially suitable for medicine production industry.

微波真空干燥；真空度；低溫；密封；應(yīng)用

Drying by Microwave&Vacuum Technique；Vacuum Leve；Low Temperature；Air-tight Seal；Application

TQ028

A

1672-0555（2016）01-051-04

2015年9月

何春霞（1980—）女，碩士，講師，主要從事是工程力學(xué)、機(jī)械工程研究