微波真空干燥技術的探討

樓海軍 韋小紅

干燥既是古老的貯藏食品又是現代工業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，使微生物和化學反應引起的腐敗速度降到最低程度。通常，普通的熱風干燥容易使食品營養成分丟失，對食品質量產生不利影響-冷凍干燥雖然能使食品質量品質如色、香、味保持的較好，但成本相對較高高。所以在干燥過程中，對于物料的品質與經濟效益的綜合考慮，微波真空干燥技術被認為是較好的一項新技術。

微波真空干燥是把微波干燥和真空干燥結合在一起，充分發揮二者的干燥優勢，以優化干燥過程。微波真空干燥設備由微波諧振腔(微波發生器)、真空系統、物料旋轉盤和自動控制系統組成。

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分布狀態轉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動和相互磨擦效應，從而產生熱量。此時交變電磁場的電磁能轉化為介質內的動能，動能再轉化成熱能，使介質溫度不斷升高。

微波加熱是使被加熱物體本身成為發熱體，故稱之為內部加熱方式。這種方式不需要熱傳導的過程，電磁波從周圍或特定的方向穿過物料，使得物料內各部分在同一瞬間獲得熱能而升溫，因此能在短時間內達到均勻加熱。此時。由于物料表面水份蒸發，致使表面溫度降低，從而造成一個內高外低的溫度梯度，這個梯度的方向正好與水份蒸發的方向一致，使得蒸發加快，所以效率極高。同時由于內部產生熱量。以致于內部蒸汽迅速產生，形成壓力梯度，如果物料的初始含水率很高，物料的內部壓力非常快的升高，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化經過了兩個步驟，先是電磁能轉化為有序運動的分子動能，然后通過碰撞轉化為熱能。

在真空狀態下，水的沸點降低，從而使物料在相對較低的溫度下就可以沸騰蒸發。真空不僅能使物料在保持低溫狀態下蒸發，還能產生壓力梯度提高干燥效率。真空干燥具有干燥溫度低、產品復水性高，同時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合不僅使得物料能在較低的溫度下蒸發干燥，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。

(1)干燥速率高。

普通的干燥方法如熱風干燥，對物料來說熱量是從表面向內傳遞，而水分從內向外遷移，溫度梯度與水分轉移方向相反，這樣將導致干燥速率下降。微波干燥不必以熱傳導的形式從表面向內部傳遞，而是通過微波將能量直接作用于整個物料，使物料楚體均勻被加熱，大大縮短了加熱時間；同時由于壓力遷移動力的存在，是微波干燥具有由內向外干燥的特點，即對物料整體而言，首先從內部干燥，克服了在常規干燥中因物料外層首先干燥二形成硬殼板結阻礙內部水分繼續外移的缺點。特別對于物料本身不是熱的良導體，微波干燥優勢更明顯。

(2)提高干燥品質。

微波加熱，物料內部和表面同步進行加熱，溫度分布均勻。一般微波只與物料中的水分而不與干物質相互作用，含水較高的地方吸收輻射能較多，干物質相對較少，能更迅速地干燥，這樣起到了熱量分配自動平衡的作用。但單純的微波加熱容易產生由于過熱引起的燒傷、焦化、結殼和硬化等現象。上述現象主要是因為溫度過高和干燥過快引起的。真空干燥可以降低水的蒸發溫度，使物料在較低的溫度下迅速蒸發，同時還可以避免氧化，因此改善了干燥品質。尤其在醫藥、食品和化工等領域存在熱敏性物料的情況下，需要低溫快速干燥的條件；同時對于食品和醫藥，由于微波的微生物效應，能在較低的溫度下即可達到除菌的目的。

(3)成本低、無公害。

微波真空干燥新技術，不需要電熱烘干設備和蒸汽加熱設備；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備的1／3～1／4，也低于紅外干燥，同時對環境幾乎沒有影響。如果使用一般的加熱設備干燥，不僅影響產品的質量，甚至產生污染，而且也造成過多的能源消耗，設備存在運行成本高、經濟效益差，設備利用率低、維護費用高等突出問題。

(4)安全性。

微波不會對被加熱物料產生不安壘影響，其安全性得到國際認可。但設備仍然存在微波泄漏，所以為了保證設備的安全性，微波的泄漏量應滿足國際電工委員會(IEC)規定量。

(5)自動化控制過程。

對干燥過程進行適當的控制是必要的。微波的輸出可以通過發生器的開關來控制，操作方便，而且加熱的強度可以通過控制輸出功率來實現。如干燥的過程控制，干燥過程分為常率期、降率期和擴散期：常率期蒸發溫度基本恒定，表面呈濕潤狀態；降率期水分奇異速度減慢，物料溫度開始上升；擴散期物料導熱性變差，需要較為溫和的干燥條件。在不同時期，隨著物料干燥程度不同，溫度相應變化，因此在干燥過程中，微波功率隨著物料的干燥程度做主動調節，將物料溫度控制在設定的范圍內，從而保證成品的質量。

隨著干燥干燥設備應用的不斷推廣深入，對設備的數字化、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，以及人機界面——觸摸屏，能較好地實現上述功能。

2國內外研究現狀

2.1國外情況

20世紀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，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British Columbia大學，德國的Karlsruhe大學，英國的Queens 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的微波真空干燥操作等。目前，國外已將微波真空干燥技術應用于輕工業、食品工業、化學工業、農業和農產品加工等領域，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國內情況

目前在國內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，華南理工大學、華南農業大學、南京三樂微波技術有限公司等。微波真空干燥技術雖然在國內起步較晚，但發展比較快。隨著安全措施的到位，人們克服了對微波的恐懼心理，現已經應用到醫藥、化工、食品、化妝品等眾多行業。

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點。具有快速、高效，低溫、節能、無污染等優點。在食品干燥方面，能較好地保持食品原有的色、香、味及營養成分，可有效避免干燥過程中化學成分的氧化破壞。干燥后產品的組織機構和復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合水，同時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、干燥終點判斷困難、對物料的尺寸和形狀要求嚴格等，在干燥工藝和裝備方面仍有很多問題需要解決。所以，在完善數學模型、建立干燥過程的計算機控制、與其他干燥技術相結合等方面還需進一步開展研究。