熱泵干燥技術(shù)在中藥材初加工中的應(yīng)用綜述

黃玉龍 呂斌 孫若詩(shī) 龐中存 康三江 張芳

摘要：介紹了熱泵干燥技術(shù)的原理以及熱泵干燥技術(shù)高效節(jié)能、易于控制、可調(diào)節(jié)范圍廣、效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，從熱泵設(shè)備的改進(jìn)、干燥工藝優(yōu)化、物料的品質(zhì)控制、能效利用優(yōu)勢(shì)、多種干燥方式聯(lián)合應(yīng)用等方面進(jìn)行總結(jié)了熱泵干燥技術(shù)在中藥材初加工過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：熱泵;干燥;中藥材;初加工

中圖分類號(hào)：R282.4 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-1463（2019）09-0086-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2019.09.019

Abstract：Agricultural supply-side structural reform is aimed at activating the internal power of the rural development of agriculture， and is more focused on quality， benefit and sustainable development. It is of great theoretical and practical significance to develop Gobi agricultural in Gansu province， which are demanding for services to develop modern agriculture， solving the need of grain and vegetables to compete for land and expand agricultural development space， solving the recycling utilization of agricultural waste and improving the agricultural ecological environment. The paper put forward the suggestions as followers aiming at existing problems in Gobi agricultural development： protruding the planning lead and optimizing the spatial layout;scientific and reasonable development of Gobi agriculture based on volume of water;strengthening support for scientific and technological innovation and foster new energy for Gobi agricultural development;giving full play to the advantages of location and brand， and promote coordinated development of the Belt and Road;strengthening the training of talents and promoting the development of Gobi Agriculture.

Key words：Gobi Agricultural;Agricultural supply-side structural reform;The Belt and Road;Gansu province;Status Quo;Prospect

隨著國(guó)家對(duì)中醫(yī)藥領(lǐng)域的不斷扶持和人們保健理念的增強(qiáng)，中醫(yī)藥事業(yè)進(jìn)入發(fā)展新時(shí)代，中藥需求量也持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年，我國(guó)中藥工業(yè)總產(chǎn)值為8 442億元，中藥材進(jìn)出口總數(shù)量為31.45萬t，進(jìn)出口總額為14.00億美元，中醫(yī)藥已傳播到183個(gè)國(guó)家和地區(qū)。高品質(zhì)的中藥材是中醫(yī)藥高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)中藥材的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)提出了更高的要求。植物類中藥材含水量普遍較高，在采收后的產(chǎn)地初加工環(huán)節(jié)，由于工藝技術(shù)落后、干燥設(shè)施簡(jiǎn)陋，以自然晾曬或作坊式土烘房干燥為主，造成烘干效率低，藥材有效成分破壞嚴(yán)重，容易受天氣和環(huán)境因素影響而腐爛變質(zhì)，嚴(yán)重影響中藥材品質(zhì)。因此中藥材采收后必須及時(shí)干制加工，將水分含量控制在合理范圍內(nèi)，既保證正常存儲(chǔ)，又維持其有效成分的穩(wěn)定性，以便提高中藥制品的質(zhì)量。目前，熱泵干燥由于其節(jié)能高效、烘干除濕等優(yōu)良性能，在藥材加工企業(yè)普遍得到推廣。

1 ? 熱泵干燥技術(shù)原理

熱泵干燥系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是熱泵系統(tǒng)、物料干燥室、供氣系統(tǒng)，其中熱泵系統(tǒng)主要有蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥等，供氣系統(tǒng)主要有風(fēng)機(jī)和管道。熱泵干燥系統(tǒng)根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理進(jìn)行工作，消耗少量的電能驅(qū)動(dòng)熱泵，壓縮機(jī)將工質(zhì)壓縮成為高溫高壓的氣體進(jìn)入冷凝器，在冷凝器里工質(zhì)液化釋放出高溫?zé)崃?，為干燥系統(tǒng)提供熱能;而冷凝后的工質(zhì)成為液態(tài)，經(jīng)過膨脹閥膨脹，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，轉(zhuǎn)化成低溫低壓的氣體;氣態(tài)工質(zhì)回到壓縮機(jī)，完成熱泵工質(zhì)閉路循環(huán)過程，工質(zhì)如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)干燥。熱泵干燥類似于熱風(fēng)干燥，均是利用熱空氣加熱被干物料，但熱泵干燥技術(shù)是利用被加熱的熱空氣與被干燥物料之間的對(duì)流熱交換，利用干燥介質(zhì)使熱空氣中的水分冷凝，以達(dá)到脫水干燥的目的。

2 ? 熱泵干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

一是高效節(jié)能?？諝庠礋岜酶稍锵到y(tǒng)具有較高的熱能利用率，在干燥過程中熱量回收率較高，制熱系數(shù)可達(dá)4以上。二是干燥參數(shù)易于控制。三是干燥條件可調(diào)節(jié)范圍寬。比如溫度的調(diào)節(jié)范圍在20～100 ℃，相對(duì)濕度可調(diào)節(jié)范圍在15%～80%，可以干燥多種材料，性能較其他干燥技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。四是熱泵干燥條件比較溫和，近似自然干燥，水分的蒸發(fā)速率接近水分由材料內(nèi)部向表面遷移的速率，能最大程度的保持材料的色澤、藥性等，干燥產(chǎn)物品質(zhì)好。五是運(yùn)行效率高。熱泵可以24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，無需考慮氣象條件，較自然干燥和太陽(yáng)能干燥技術(shù)，可持續(xù)干燥產(chǎn)品，能源利用率較高，運(yùn)行費(fèi)用較低。六是熱泵干燥技術(shù)對(duì)環(huán)境污染較小，與綠色可持續(xù)發(fā)展觀念相符合。

3 ? 熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用

與傳統(tǒng)干燥技術(shù)相比，熱泵干燥技術(shù)工藝優(yōu)勢(shì)明顯，在中藥材和特色果蔬的干燥方面應(yīng)用廣泛。本文將從熱泵設(shè)備的改進(jìn)、干燥工藝優(yōu)化、物料的品質(zhì)控制、能效利用優(yōu)勢(shì)、多種干燥方式聯(lián)合應(yīng)用等方面介紹。

3.1 ? 熱泵設(shè)備的改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)更好的中藥材干燥效果，通過逐步改進(jìn)熱泵干燥的控制系統(tǒng)、循環(huán)模式、制冷或干燥工質(zhì)等方法，提高熱泵干燥技術(shù)的效率和技術(shù)水平。在實(shí)際干燥過程中，有很多不穩(wěn)定因素難以準(zhǔn)確控制，為此張宇凱等[1 ]設(shè)計(jì)開發(fā)了干燥室溫濕度和風(fēng)量全程監(jiān)控系統(tǒng)，并將模糊控制與PID（proportion、integration、differentiation）控制器結(jié)合，增強(qiáng)了熱泵干燥系統(tǒng)對(duì)不穩(wěn)定因素的適應(yīng)性。不同的循環(huán)模式對(duì)除濕效果也有影響，在比較了不同循環(huán)模式對(duì)除濕效果的影響后，發(fā)現(xiàn)開路式、半開路式熱泵干燥循環(huán)中，系統(tǒng)的單位能耗除濕量較高;在閉路式熱泵干燥循環(huán)過程中，當(dāng)BAR=0.4，單位能耗除濕量比其它幾種運(yùn)行方式都高，可達(dá)1.57。

不同性質(zhì)的物料對(duì)工質(zhì)的要求也不盡相同。謝繼紅等[2 ]給出了空氣、氮?dú)?、二氧化碳、氬氣、氫氣、氦氣?種干燥工質(zhì)的熱物性數(shù)據(jù)及其計(jì)算方程，并分析了它們的適用條件?？諝庾顬槌Ｓ?，當(dāng)物料不含有易燃易氧化成分時(shí)即可采用;氮?dú)鈱俣栊怨べ|(zhì)，當(dāng)材料中含有易燃易氧化成分時(shí)，氮?dú)鉃槭走x工質(zhì);當(dāng)干燥物料需要較多工質(zhì)時(shí)可選用二氧化碳，以減少設(shè)備能耗;氬氣適于以導(dǎo)熱為主給物料傳遞熱、由介質(zhì)循環(huán)帶走水分的熱泵裝置;當(dāng)物料要求低溫短時(shí)間干燥時(shí)，氫氣工質(zhì)最適合;氦氣與氫氣條件相似，但安全程度比氫氣高，無燃燒爆炸的危險(xiǎn)。這些為熱泵干燥系統(tǒng)選擇適宜的干燥介質(zhì)提供了很好的參考。

為了減輕操作人員的工作量，需將設(shè)備的自動(dòng)化程度進(jìn)行提升。張海紅等[3 ]依據(jù)果蔬熱風(fēng)干燥特性和熱泵干燥的特點(diǎn)，研制出果蔬熱泵干燥系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)調(diào)控裝置。倪超等[4 ]將熱泵干燥技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)控制技術(shù)、SCADA技術(shù)融合，開發(fā)出一套由熱泵干燥裝置、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)組成的熱泵干燥監(jiān)控系統(tǒng)，改善了干燥試驗(yàn)過程中的監(jiān)控方式，提高了試驗(yàn)的精確性和效率，極大減輕了工作人員的勞動(dòng)負(fù)荷。

3.2 ? 熱泵干燥工藝的優(yōu)化

影響熱泵干燥工藝的因素有風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、載物量、風(fēng)量、循環(huán)模式、物料形狀等，其中干燥風(fēng)速、干燥溫度、相對(duì)濕度為主要因素。在諸多因素交互作用條件下，學(xué)者針對(duì)不同物料的干燥工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并建立了數(shù)學(xué)模型。李絢陽(yáng)等[5 ]以熱泵恒溫干燥箱研究核桃干燥特性，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)核桃干燥速率影響較大，在干燥初期風(fēng)速對(duì)干燥速率影響較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合證實(shí)核桃熱泵干燥符合Page模型。龍成樹等[6 ] 對(duì)桑葉的批量干燥研究，得出優(yōu)化工藝參數(shù)為干燥溫度64.20 ℃、風(fēng)速2.40 m/s、熱燙時(shí)間2.0 min、干燥2.25 h。李麗等[7 ]以新鮮山藥為原料，研究其熱泵干燥特性及數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)山藥熱泵干燥符合Page模型。許丹[8 ]研究了生地的熱泵干燥特性，并得到優(yōu)化工藝參數(shù)條件為干燥溫度49.8 ℃、風(fēng)速2.67 m/s、生地切片厚度3.5 mm，該工藝下生地梓醇損失率最小，僅為10.2%。

3.3 ? 熱泵干燥在品質(zhì)控制方面的優(yōu)勢(shì)

熱泵干燥技術(shù)在中藥材有效成分、產(chǎn)品復(fù)水性、色澤等品質(zhì)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯，而普通熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品有效成分流失較多，色澤一般，品質(zhì)下降嚴(yán)重，所以在干燥有效成分揮發(fā)性強(qiáng)的物料時(shí)，熱泵干燥為首選干燥技術(shù)。潘年龍等[9 ]對(duì)黃花菜熱泵干燥前后的香氣成分進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明主要香氣成分一致，烷烴類物質(zhì)相對(duì)含量大幅度減少，烯類物質(zhì)完全消失及酮類物質(zhì)大量生成;干制黃花菜含水量為95.3 g/kg，感光品質(zhì)良好，色澤金黃，無蟲蛀和霉變，有黃花菜固有的香味，無異味，能長(zhǎng)期保存，較普通自然干燥品質(zhì)有很大提升。羅磊等[10 ]通過優(yōu)化金銀花的干燥工藝，提高了金銀花干燥綜合品質(zhì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)氣調(diào)熱泵干燥金銀花也有較好的品質(zhì)。

3.4 ? 熱泵干燥在能源利用率方面的優(yōu)勢(shì)

能耗問題通常是評(píng)價(jià)干燥設(shè)備系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，高能耗帶來的高成本導(dǎo)致干燥物料成本增加而成為企業(yè)負(fù)擔(dān)，而熱泵干燥技術(shù)在能耗方面較其他干燥技術(shù)具有明顯的節(jié)能增效優(yōu)勢(shì)。苑亞等[11 ]對(duì)駿棗進(jìn)行新型熱泵干燥試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明相對(duì)于制冷工質(zhì)為R32、R134a、R290的閉路式熱泵干燥系統(tǒng)，新型熱泵干燥系統(tǒng)的小時(shí)耗電量分別降低了9.73、8.78和9.31 kW;相對(duì)于燃煤烤房，每噸干棗可節(jié)約成本約38元，并且污染物排放明顯減少。

3.5 ? 熱泵干燥與其他干燥方式聯(lián)合應(yīng)用

采用單一干燥方式有時(shí)無法滿足干燥產(chǎn)品的節(jié)本增效和品質(zhì)控制，將多種干燥方法結(jié)合或分階段采用不同干燥方式已成為農(nóng)產(chǎn)品干制生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。在干燥的前期采取熱泵低溫除濕干燥，后期采用遠(yuǎn)紅外加熱干燥，利用紅外加熱速度快、穿透性強(qiáng)的特性，達(dá)到縮短傳熱距離、提高干燥效率的效果，干燥金銀花的結(jié)果顯示產(chǎn)品品質(zhì)顯著上升[10 ]。宋小勇等[12 ]對(duì)比單一熱泵和遠(yuǎn)紅外輔助熱泵干燥對(duì)鐵棍山藥片干燥品質(zhì)的影響，表明聯(lián)合干燥可顯著提高干燥品質(zhì)。常瑞虎[13 ]設(shè)計(jì)出了一種基于太陽(yáng)能熱泵的當(dāng)歸干燥室并進(jìn)行了仿真分析，較普通干燥室干燥速率有所提升，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。研究表明，超聲波-熱泵協(xié)同干燥可以加快紅棗干燥速率。綜上所述，多種干燥手段的聯(lián)合使用，較單一干燥方式在能效方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 ? 熱泵干燥技術(shù)的局限性

熱泵干燥在干燥后期有除濕效率下降、干燥速率降低、能耗增加。熱泵的性能系數(shù)與熱泵的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度有關(guān)，提高冷凝溫度可獲得較高的干燥溫度，但會(huì)影響熱泵的性能系數(shù)和供熱量。另外，設(shè)備投資也比較大，空氣源熱泵干燥裝置投資為傳統(tǒng)干燥設(shè)備的2倍多。維修保養(yǎng)的問題也值得關(guān)注，制冷劑的泄露對(duì)熱泵干燥裝置的工作性能影響較大，必須定期對(duì)壓縮機(jī)、過濾器、冷凝器、蒸發(fā)器等裝置進(jìn)行及時(shí)保養(yǎng)維護(hù)，以保證熱泵干燥系統(tǒng)能持續(xù)處在高效率的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)制冷工質(zhì)有泄露，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充工質(zhì)。

5 ? 展望

中藥材初加工的目的就是要在最大限度保留藥材主效成分的同時(shí)，將藥材含水量控制在合理范圍，達(dá)到防劣變減損耗，利于貯藏和深加工。熱泵干燥技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、品質(zhì)可控等優(yōu)點(diǎn)，它的普遍應(yīng)用將助推中藥材產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。但熱泵干燥設(shè)備成本較高，中小微企業(yè)和種植戶采購(gòu)有困難，技術(shù)人員對(duì)設(shè)備難以及時(shí)維護(hù)。因此在提高干燥效率、降低設(shè)備成本、增強(qiáng)自動(dòng)化智能化程度方面有待進(jìn)一步研發(fā)。

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（本文責(zé)編：陳 ? ?珩）