微波組合干燥技術的研究現狀

微波組合干燥技術的研究現狀

　　論文摘要：本文闡述了國內外微波真空干燥的研究現狀，重點分析了各種微波干燥，并分析了微波真空于燥技術的幾個問題。

　　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：微波發生器將微波輻射到待干燥的物料上，當微波射人物料內部時，使物料內的水等極性分子按微波頻率作同步旋轉和擺動；水等極性分子高速旋轉的結果，使物料內部瞬時產生摩擦熱，導致物料內部和表面同時升溫，使大量的水分子從物料中蒸發逸出，從而達到干燥的目的。 

　　微波真空干燥是隨微波干燥技術發展起來的一項新的組合干燥技術。它不僅具有干燥速度快、時問短、物料溫度低、色香味及營養成分保留好等優點，而且參數容易控制，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行研究，但其技術性能還需要完善，在機理和工藝方面也還有很多問題需要深化和研究。

　　2.國內外研究現狀

　　早在上世紀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，主要集中在美國的威斯康辛大學、加利福尼亞大學，加拿大的Britis C0lumbia大學，德國的Karlsruhe大學，英國的Queen University，希臘的國立科技大學，法國的Albi研究所等。研究的內容涉及微波真空干燥機理、傳熱傳質微波真空干燥模擬、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。

　　國內目前的研究單位有江南大學食品學院、東北大學、大連水產大學、中國農業大學、浙江大學、上海工程技術大學、華南理工大學、華南農業大學、天津輕工大學、上海辰燦輕工機械公司、四川大學食品學院食品科學與工程系等。

　　江南大學食品學院進行了甘藍的微波真空和熱風聯合干燥試驗。試驗結果表明：微波真空聯合干燥縮短干燥時問48％，提高了營養成分和葉綠素的保存率，改善了干燥品質。

　　大連水產大學張國琛進行了扇貝柱的微波-真空-聯合干燥，試驗研究了微波功率、真空度，微波爐啟閉比、預處理鹽水濃度和扇貝大小對干燥效果的影響，建立了扇貝微波真空干燥的動力學模型。

　　3.微波組合干燥技術

　　組合干燥是一種具有廣闊發展前景的干燥技術，它可以發揮各種干燥工藝的長處，克服各自缺點，借長補短，達到高效率、低能耗、優品質的干燥目的。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，所以它也是與其它干燥方式組合最多的一種干燥技術，同時也是當前國際上研究最多的一種干燥技術。以下是幾種較常見的組合方式。

3.1微波熱風組合干燥（也稱微波對流干燥）

　　在與微波組合的干燥方法中，微波熱風組合干燥是研究最多的一種。由于熱風干燥時間長、質量差，故不適合干燥熱敏性物料；采用熱風微波組合干燥可以克服上述缺點。此外，微波干燥的成本與熱風干燥相比還是很高，單純微波干燥是不經濟的。熱風干燥對物料來說是從表面向內干燥，溫度梯度與水分轉移的方向相反，而微波干燥是從內部加熱，溫度梯度與水分轉移的方向相同，二者結合，可以達到既縮短干燥時間又降低成本的目的。微波與熱風干燥可以有三種結合方式。

　　3.1.1.在臨界含水率處加入微波

　　當干燥從恒速段進入降速段(即物料含水率達到臨界水分 )時將微波能引入干燥器，使物料內部產生熱量和蒸汽壓，使水分擴散至物料的表面并被排除，這時利用微波會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

　　單一的干燥系統在接近干燥終了時效率最低去除幾個百分點的水分往往需要很長的時間，利用微波可以顯著減少干燥時間。

　　3.1.3.在最初預熱階段加入微波

　　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溫度，然后用普通熱風干燥，去除表面水分，干燥時間可以縮短。

　　3.2.微波真空組合干燥

　　微波雖然具有加熱速度快、干燥時間短、選擇性好、能源利用率高和便于控制等優點 ，但單純使用微波進行食品干燥，容易產生由于過熱引起的燒傷現象和食品邊緣焦化、結殼和硬化等現象；上述現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溫度，使物料在較低的溫度下快速蒸發，同時還可避免氧化，因而改善了干燥品質。在醫藥、食品和化工領域有很多熱敏性物料需要低溫快速干燥，因此，將微波技術與真空技術相結合就成為一項極具發展前景和實用價值的新技術。從國內外有關微波干燥的研究現狀來看，微波真空組合干燥也是目前發展較快的一種組合干燥技術。

　　3.2.1.脈沖間歇式微波真空干燥

　　微波干燥雖有許多優點，但經常會發生局部過熱、表面硬化、顏色不正和加熱不均勻等現象；此外，能量效率不高也是一個缺點。產生這些現象的原因之一就是熱質傳遞控制不當，解決的方法之一是采用脈沖方式輸入微波能，即短時間的微波加熱和較長時間的間斷。試驗證明：當物料干燥到臨界水分以后，連續施加微波能并不能加速水分的蒸發；采用間歇干燥的方法，不僅可以節省能量、提高干燥效率，還可以改善干后物料的品質。脈沖間歇式微波真空干燥技術是Edh0lm于1933年提出的。采用這種技術的特點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。

　　試驗還表明，脈沖微波干燥時，微波接通時間越長、斷開時間越短，物料溫度越高。因此，通過調節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，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。試驗過程研究了顏色、復水性、密度和胡蘿卜素、維生素含量等質量指標。結果表明：如果綜合考慮，微波真空干燥的性能甚至優于真空冷凍干燥。美國加利福尼亞大學研制的微波真空干燥設備諧振腔是一個長12.2m的不銹鋼圓筒，中間有輸送帶，沿長度方向分為三個干燥區，第一干燥區的微波功率較大，真空度為1.33～3.99kPa，第二、第三干燥區的微波功率遞減。說明變功率微波真空干燥是一個研究方向。

　　3.2.3.微波熱風和真空組合干燥技術

　　Maskan利用微波和熱風組合方式干燥獼猴桃，發現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+微波+熱風的組合方式進行蘑菇的干燥試驗，發現能改善干后蘑菇的品質。大連水產大學的研究表明，熱風干燥扇貝具有較小的收縮率Durance利用微波真空與熱風組合干燥西紅柿，發現西紅柿的復水率有所改善。由此可見，微波真空干燥與熱風干燥具有一定的互補性。近些年，在高含水率和熱敏性物料的干燥中，微波真空和熱風的組合干燥也逐步得到了應用。

　　4.幾個值得探討的問題

　　4.1.關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、水產品和農副產品；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、數量、水分和在微波爐諧振腔中的位置對干燥效果均有一定影響。Dr0uzas用微波進行干燥果膠試驗時，用五個料盤放在爐內五個不同的位置，發現干燥速率有明顯區別。因此微波干燥應根據物料的特性(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，其原則如下 ：

①微波功率應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應看成是一個整體。

⑤小粒物料所用的微波功率（w/g）可以適當減小。

⑥對于熱敏性物料可以適當加大真空度或減小微波功率。

　　4.2.關于真空度

　　從蒸汽特性表可知，真空度越高，水的沸點溫度越低，水分越容易蒸發。但是在微波真空干燥時，并不是真空度越高越好，真空度增高，能耗加大，干燥成本加，而且會產生擊穿放電現象。當微波頻率為 2450MHz時，真空度 2～7kPa已經足夠了，其相應的水分汽化溫度是20℃和 40℃。對于熱敏性物料，要求物料的溫度低，所以真空度就要高一些。法國Pere教授進行了不同真空條件下的微波真空干燥試驗，試驗表明，在相同的條件下真空度從 1kPa增加到7kPa時，各單位采用的真空度數值有很大的差別，說明對于微波真空干燥中真空度的合理選擇尚需進一步研究探討。

　　5.注意事項

采用微波真空干燥時，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基本接近。

③微波干燥設備不可空載運行。

④微波可以穿透玻璃和聚合物而不損失能量。

⑤微波爐內的物料應分散布置而不要堆積。

⑥干燥過程中物料最好能夠運動。