微波組合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

微波組合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　論文摘要：本文闡述了國內(nèi)外微波真空干燥的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了各種微波干燥，并分析了微波真空于燥技術(shù)的幾個(gè)問題。

　　1.序言

　　微波是指頻率為300MHz～300GHz、波長為lmm～lm的電磁波。它的干燥原理是：微波發(fā)生器將微波輻射到待干燥的物料上，當(dāng)微波射人物料內(nèi)部時(shí)，使物料內(nèi)的水等極性分子按微波頻率作同步旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)；水等極性分子高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，使物料內(nèi)部瞬時(shí)產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致物料內(nèi)部和表面同時(shí)升溫，使大量的水分子從物料中蒸發(fā)逸出，從而達(dá)到干燥的目的。 

　　微波真空干燥是隨微波干燥技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)新的組合干燥技術(shù)。它不僅具有干燥速度快、時(shí)問短、物料溫度低、色香味及營養(yǎng)成分保留好等優(yōu)點(diǎn)，而且參數(shù)容易控制，能干燥多種不同類型的物料。目前我國雖有一些單位正在進(jìn)行研究，但其技術(shù)性能還需要完善，在機(jī)理和工藝方面也還有很多問題需要深化和研究。

　　2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　早在上世紀(jì)80年代，美國、加拿大、英國和德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Britis C0lumbia大學(xué)，德國的Karlsruhe大學(xué)，英國的Queen 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物料（香蕉，蘿卜片，果膠，土豆，漿果等）的微波真空干燥操作等。

　　國內(nèi)目前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)、上海工程技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、天津輕工大學(xué)、上海辰燦輕工機(jī)械公司、四川大學(xué)食品學(xué)院食品科學(xué)與工程系等。

　　江南大學(xué)食品學(xué)院進(jìn)行了甘藍(lán)的微波真空和熱風(fēng)聯(lián)合干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：微波真空聯(lián)合干燥縮短干燥時(shí)問48％，提高了營養(yǎng)成分和葉綠素的保存率，改善了干燥品質(zhì)。

　　大連水產(chǎn)大學(xué)張國琛進(jìn)行了扇貝柱的微波-真空-聯(lián)合干燥，試驗(yàn)研究了微波功率、真空度，微波爐啟閉比、預(yù)處理鹽水濃度和扇貝大小對(duì)干燥效果的影響，建立了扇貝微波真空干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

　　3.微波組合干燥技術(shù)

　　組合干燥是一種具有廣闊發(fā)展前景的干燥技術(shù)，它可以發(fā)揮各種干燥工藝的長處，克服各自缺點(diǎn)，借長補(bǔ)短，達(dá)到高效率、低能耗、優(yōu)品質(zhì)的干燥目的。由于微波干燥是一種完全不同于其它干燥方式的干燥技術(shù)，所以它也是與其它干燥方式組合最多的一種干燥技術(shù)，同時(shí)也是當(dāng)前國際上研究最多的一種干燥技術(shù)。以下是幾種較常見的組合方式。

3.1微波熱風(fēng)組合干燥（也稱微波對(duì)流干燥）

　　在與微波組合的干燥方法中，微波熱風(fēng)組合干燥是研究最多的一種。由于熱風(fēng)干燥時(shí)間長、質(zhì)量差，故不適合干燥熱敏性物料；采用熱風(fēng)微波組合干燥可以克服上述缺點(diǎn)。此外，微波干燥的成本與熱風(fēng)干燥相比還是很高，單純微波干燥是不經(jīng)濟(jì)的。熱風(fēng)干燥對(duì)物料來說是從表面向內(nèi)干燥，溫度梯度與水分轉(zhuǎn)移的方向相反，而微波干燥是從內(nèi)部加熱，溫度梯度與水分轉(zhuǎn)移的方向相同，二者結(jié)合，可以達(dá)到既縮短干燥時(shí)間又降低成本的目的。微波與熱風(fēng)干燥可以有三種結(jié)合方式。

　　3.1.1.在臨界含水率處加入微波

　　當(dāng)干燥從恒速段進(jìn)入降速段(即物料含水率達(dá)到臨界水分 )時(shí)將微波能引入干燥器，使物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量和蒸汽壓，使水分?jǐn)U散至物料的表面并被排除，這時(shí)利用微波會(huì)非常顯著地提高干燥速度。

　　3.1.2.在干燥器的終端加入微波

　　單一的干燥系統(tǒng)在接近干燥終了時(shí)效率最低去除幾個(gè)百分點(diǎn)的水分往往需要很長的時(shí)間，利用微波可以顯著減少干燥時(shí)間。

　　3.1.3.在最初預(yù)熱階段加入微波

　　在干燥前物料含水率較高，可以先用微波將物料加熱到蒸發(fā)溫度，然后用普通熱風(fēng)干燥，去除表面水分，干燥時(shí)間可以縮短。

　　3.2.微波真空組合干燥

　　微波雖然具有加熱速度快、干燥時(shí)間短、選擇性好、能源利用率高和便于控制等優(yōu)點(diǎn) ，但單純使用微波進(jìn)行食品干燥，容易產(chǎn)生由于過熱引起的燒傷現(xiàn)象和食品邊緣焦化、結(jié)殼和硬化等現(xiàn)象；上述現(xiàn)象多半是由于溫度過高和干燥過快引起的。采用真空可以降低水的蒸發(fā)溫度，使物料在較低的溫度下快速蒸發(fā)，同時(shí)還可避免氧化，因而改善了干燥品質(zhì)。在醫(yī)藥、食品和化工領(lǐng)域有很多熱敏性物料需要低溫快速干燥，因此，將微波技術(shù)與真空技術(shù)相結(jié)合就成為一項(xiàng)極具發(fā)展前景和實(shí)用價(jià)值的新技術(shù)。從國內(nèi)外有關(guān)微波干燥的研究現(xiàn)狀來看，微波真空組合干燥也是目前發(fā)展較快的一種組合干燥技術(shù)。

　　3.2.1.脈沖間歇式微波真空干燥

　　微波干燥雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)常會(huì)發(fā)生局部過熱、表面硬化、顏色不正和加熱不均勻等現(xiàn)象；此外，能量效率不高也是一個(gè)缺點(diǎn)。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因之一就是熱質(zhì)傳遞控制不當(dāng)，解決的方法之一是采用脈沖方式輸入微波能，即短時(shí)間的微波加熱和較長時(shí)間的間斷。試驗(yàn)證明：當(dāng)物料干燥到臨界水分以后，連續(xù)施加微波能并不能加速水分的蒸發(fā)；采用間歇干燥的方法，不僅可以節(jié)省能量、提高干燥效率，還可以改善干后物料的品質(zhì)。脈沖間歇式微波真空干燥技術(shù)是Edh0lm于1933年提出的。采用這種技術(shù)的特點(diǎn)是使物料中的水分和溫度在間歇階段能夠均衡再分配，減少水分梯度，這將有利于提高下階段的干燥速率。

　　試驗(yàn)還表明，脈沖微波干燥時(shí)，微波接通時(shí)間越長、斷開時(shí)間越短，物料溫度越高。因此，通過調(diào)節(jié)脈沖比或真空度可以改變物料的溫度。

　　3.2.2.變功率微波真空干燥

　　加拿大食品工程研究所 Christene H．等進(jìn)行了蘿卜片的變功率微波真空干燥，微波的頻率為2450MHz，微波功率4kW可調(diào)，真空度為13.3kPa，蘿卜片的終水分為10％，微波諧振腔為圓筒形，直徑350mm，長度500mm，采用的干燥工藝為：干燥開始后的最初19min微波功率為3kW，中間4min為1kW，最后10min為0.5kW。試驗(yàn)過程研究了顏色、復(fù)水性、密度和胡蘿卜素、維生素含量等質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)果表明：如果綜合考慮，微波真空干燥的性能甚至優(yōu)于真空冷凍干燥。美國加利福尼亞大學(xué)研制的微波真空干燥設(shè)備諧振腔是一個(gè)長12.2m的不銹鋼圓筒，中間有輸送帶，沿長度方向分為三個(gè)干燥區(qū)，第一干燥區(qū)的微波功率較大，真空度為1.33～3.99kPa，第二、第三干燥區(qū)的微波功率遞減。說明變功率微波真空干燥是一個(gè)研究方向。

　　3.2.3.微波熱風(fēng)和真空組合干燥技術(shù)

　　Maskan利用微波和熱風(fēng)組合方式干燥獼猴桃，發(fā)現(xiàn)干后獼猴桃的收縮率(76％)小于單純的微波干燥(85％)，而且顏色也有很大改善。Szab0利用熱風(fēng)+微波+熱風(fēng)的組合方式進(jìn)行蘑菇的干燥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)能改善干后蘑菇的品質(zhì)。大連水產(chǎn)大學(xué)的研究表明，熱風(fēng)干燥扇貝具有較小的收縮率Durance利用微波真空與熱風(fēng)組合干燥西紅柿，發(fā)現(xiàn)西紅柿的復(fù)水率有所改善。由此可見，微波真空干燥與熱風(fēng)干燥具有一定的互補(bǔ)性。近些年，在高含水率和熱敏性物料的干燥中，微波真空和熱風(fēng)的組合干燥也逐步得到了應(yīng)用。

　　4.幾個(gè)值得探討的問題

　　4.1.關(guān)于物料的尺寸和形狀

微波干燥的物料種類繁多，成分和狀態(tài)也各不相同，按形狀分有液狀、糊狀、漿狀、粒狀、片狀、粉狀；按類型分有蔬菜、水果、谷物、藥品、水產(chǎn)品和農(nóng)副產(chǎn)品；就尺寸而言可以小到菜籽，大到人參、蘑菇。微波干燥的研究表明，物料的大小、形狀、數(shù)量、水分和在微波爐諧振腔中的位置對(duì)干燥效果均有一定影響。Dr0uzas用微波進(jìn)行干燥果膠試驗(yàn)時(shí)，用五個(gè)料盤放在爐內(nèi)五個(gè)不同的位置，發(fā)現(xiàn)干燥速率有明顯區(qū)別。因此微波干燥應(yīng)根據(jù)物料的特性(介電特性熱物理特性、含水率和形狀、大小)選擇干燥工藝和參數(shù)，其原則如下 ：

①微波功率應(yīng)與干燥的物料量相匹配。

②待干燥的物料其大小和含水率應(yīng)盡可能均勻一致。

③考慮微波的穿透深度，大塊物料最好先處理成小的粒狀或片狀。

④粉狀物料如果堆積在一起時(shí)應(yīng)看成是一個(gè)整體。

⑤小粒物料所用的微波功率（w/g）可以適當(dāng)減小。

⑥對(duì)于熱敏性物料可以適當(dāng)加大真空度或減小微波功率。

　　4.2.關(guān)于真空度

　　從蒸汽特性表可知，真空度越高，水的沸點(diǎn)溫度越低，水分越容易蒸發(fā)。但是在微波真空干燥時(shí)，并不是真空度越高越好，真空度增高，能耗加大，干燥成本加，而且會(huì)產(chǎn)生擊穿放電現(xiàn)象。當(dāng)微波頻率為 2450MHz時(shí)，真空度 2～7kPa已經(jīng)足夠了，其相應(yīng)的水分汽化溫度是20℃和 40℃。對(duì)于熱敏性物料，要求物料的溫度低，所以真空度就要高一些。法國Pere教授進(jìn)行了不同真空條件下的微波真空干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在相同的條件下真空度從 1kPa增加到7kPa時(shí)，各單位采用的真空度數(shù)值有很大的差別，說明對(duì)于微波真空干燥中真空度的合理選擇尚需進(jìn)一步研究探討。

　　5.注意事項(xiàng)

采用微波真空干燥時(shí)，有一些問題需要注意：

①微波能被金屬反射，干燥物料和測試傳感器中不可混入金屬。

②待干燥物料的大小和形狀應(yīng)基本接近。

③微波干燥設(shè)備不可空載運(yùn)行。

④微波可以穿透玻璃和聚合物而不損失能量。

⑤微波爐內(nèi)的物料應(yīng)分散布置而不要堆積。

⑥干燥過程中物料最好能夠運(yùn)動(dòng)。