微波干燥技术

　　微波干燥不同于传统干燥方式，其热传导方向与水分扩散方向相同。与传统干燥方式相比，具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点，因而在干燥的各个领域越来越受到重视。

微波干燥原理

　　微波是指波长范围为0.001~1m、频率范围为0.3~300GHz、具有穿透能力的电磁波。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波，通过波导输送到微波加热器，需要加热的物料在微波场的作用下被加热。

　　微波加热不同于一般的加热方式，后者是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热;而微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。这种加热是将电磁能转变成热能，其能量是通过空间或媒质以电磁波形式来传递的，对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。

　　介质对微波场的极化，表现为对电场电流密度的损耗，一般物质的介电常数不超过50，而水的介电常数为78.54。当含水物料被置于由微波发生器产生的电磁场中时，微波场以每秒几亿次的速度周期地改变外加电场的方向，使水分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面温度同时迅速升高。

　　因此微波可以在极短的时间内提高物料温度或在相同的温度下加快反应速率。

微波干燥的特点

　　1、干燥速度快，干燥时间短。由于微波特殊的加热方式使物料温度短时间内快速升高，而体加热使温度梯度同水分蒸发方向一致，提高干燥推动力致使干燥时间非常短，一般可缩短50%左右或更多。

　　2、利于药物、肥料等对温度敏感地物质的低温干燥以保持物料的性质。微波对物质的作用除有热效应以外，还以其高速的分子振荡激发极性分子不停地改变取向而产生非热效应，加速干燥过程。

　　3、产品质量高，微波加热温度均匀，表里一致干燥产品，可以做到水分分布均匀。

　　4、微波还是节能环保无公害型能源。微波源可即开即用，功率连续可调，反应易于控制，能源利用率高，热能几乎全部作用在物料上，既不浪费又不污染环境。

微波干燥技术的应用现状

　　1、微波干燥技术在国外的研究和应用

　　目前，国外微波干燥技术已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等领域得到应用。具体在造纸、陶瓷、木材、食品、沥青、污水处理、表面活性剂、香料、矿石、药物、混凝土、涂料、油漆等方面进行研究和应用。

　　德国的J.Suhm对微波干燥陶瓷等材料进行了研究。他认为由于被干燥物料能量吸入各不相同，干燥过程各异。物料湿度大于15%时则没有实质性的不同，在这种情况下，水分决定着干燥过程;湿度在5%~15%之间时，被干燥物质起着重要的作用，如果物料本身能够吸收微波能，则其温度可以升高，此时介电常数的温度相关性起着决定性作用，对某些化学品来说，可以脱去化学结合水，进行必要的材料试验可以确定能够达到所需温度;湿度低于5%干燥过程趋于缓和。他得出确定微波干燥所需功率的一条经验规律:微波输入功率每增加1kW可在1h内多蒸发掉1kg的水分，只要开始水分含量充分，这条经验规律就可行。

　　德国的Schleusener进行了微波干燥大量水体的油漆试验，将几块薄木片涂上一层漆在微波中干燥，在1.5h内进行了20个不同的干燥系列。得出结论:磁电管功率由低到中、干燥时间从6~8min缓慢增加能够得到Z佳效果。

　　英国的Mcloughlin研究了微波干燥药物粉的情况，认为尽管微波干燥技术在多种工业应用中都证明是成功的，但药物对微波的吸收率仍然很低。作者利用一种特殊的空气微波干燥系统测定了几种常见的药物纯物质和两种组分系统的介电损耗因数。结果表明含有氨基和醋酸基的药物有高介电损耗，而含有阿斯匹林基的药物都有低的介电损耗，但它们都比试验用的溶剂水的介电损耗要明显地低。

　　南非Stellenbosch大学化工系的Bradshaw研究了微波加热在矿物处理中的应用，认为许多矿石都吸收微波，而脉石则不吸收微波。

　　法国的Ledion对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究，指出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡，并研究了控温和进行选择性加热的方法。

　　Nischer等进行了微波干燥混凝土的试验，测定新混混凝土中水分含量，并对微波干燥和常规干燥作了对比，结果表明，混凝土混合后利用1000W的微波源照射90min后可完全除去其中的水分。

　　微波干燥技术在国外发展非常迅速，该技术在以上领域大都达到了工业应用的程度。

　　2、微波干燥技术在国内的研究和应用

　　我国微波干燥技术的应用始于20世纪70年代初期，已应用于轻工业、化学工业及农产品加工等方面。

　　中山大学的李源英等研究了微波加热方法分散浓缩合成荧光粉并申请ZL，在微波场的作用下驱使掺杂离子扩散进入荧光粉基质晶格中而合成荧光粉。

　　南京大学的郭学峰博士等制造纳米级催化剂FePO₄的过程中就利用微波进行了处理。

　　杭州电子工业学院的胡建人等研究了微波快速烘干硅胶的生产工艺。将微波干燥过程分为三个阶段:快速驱除硅胶内部水分、逐步蒸发硅胶表面水分和高温驱湿脱去化合水。经过这三个阶段的处理，硅胶呈强烈的深蓝色，可立即封闭保存。整个过程大约需要90~120min，远低于热力驱湿的24~48h，节省时间15~30倍。

　　太原工业大学的赵庆玲等对微波干燥煤的情况进行了总结，认为随着煤等级的上升，其介电常数和介电损耗下降，这是由于煤中固有的水分随着煤等级的下降而增加的结果。对于同等级的煤来说，随着湿度的提高，其介电常数和介电损耗增加，则干燥的速度也就越快。对微波干燥褐煤的研究结果表明:微波干燥比对流干燥快1~2个数量级。

　　清华大学同方研究ZX的马国远和西安交通大学的郁永章共同研究了热泵微波联合干燥系统。他们先建立了一个数学模型得出各干燥参数的预测值，再利用设计系统对泡沫橡胶进行干燥试验，通过试验值与预测值进行比较，从而得出结论:与热泵干燥相比，热泵微波联合干燥可以提高产量，但单位能耗除湿量降低;通过精心设计，热泵微波联合干燥在能量消耗方面可以做到与传统对流干燥相当。

　　2001年李成义发明了一种YY蔗糖的生产方法。因原料甘蔗和甜菜的化学组成相当复杂，除水分和糖分外就有十几种非糖分，传统的YY蔗糖生产都要经过二次加工。该发明包括从种植到制剂的全部连续性过程，其中的干燥过程是利用微波干燥技术，保证了产品的质量和卫生条件。

　　可用微波进行干燥的其它产品类型很多，像瓜果、蔬菜、肉类、海产品、中药材、动植物标本等。研究表明微波干燥能够Z大程度地保留物料中原有的营养成分。例如，晒干青菜的维生素、叶绿素等营养成分只能保留原有的3%，阴干可以保留17%，热片快速干燥可保留40%，FD真空冷冻干燥可以保留到70%以上，微波升华干燥的有效成分可以保留到97%，因此被称为不变性脱水。

微波干燥的应用前景

　　干燥过程几乎涉及到国民经济的所有部门，广泛应用于生产和生活中。干燥的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输和贮藏等。

　　一般的干燥方法有机械法、化学法和加热(冷冻)法。这些方法要么设备庞大，干燥费用高，要么干燥速率慢，处理量小。随着科学技术的发展，如生物制品、新型材料(多相复合材料、纳米材料、智能材料和生物医学材料等)、高级陶瓷、新型高级食品和新型药物制品等新产品的出现，传统的干燥技术和干燥器已不适用。

　　微波干燥技术和微波干燥器已在轻工业、建筑业、食品、农产品加工业等行业得到广泛的应用并表现出了强大的优越性。微波干燥无疑是适应新产品要求的一项新技术。

　　微波的体加热方式使得其干燥曲线是逆温曲线，这非常有利于干燥过程的快速平衡均匀进行。国外已有关于使用微波干燥器进行木材和陶瓷等材料的连续不间断干燥的报道。报道指出，在干燥期间，可通过红外相机拍摄任一时刻材料中水分分布情况的图片，并可利用CT扫描检测水分含量。但目前尚无关于微波干燥技术用于化肥生产过程的报道。

　　化肥工业是国民经济的支柱产业之一，化肥生产工艺日趋成熟;但化肥干燥特别是复混肥干燥过程存在着许多不利因素和问题:①干燥温度不能太高，因而干燥推动力小、干燥时间长;②干燥装置庞大，生产率低;③投资费用大，生产成本高。

　　微波场同时存在的热效应和非热效应，利用微波技术和装置可以解决以上问题，在不太高的温度下快速干燥，缩短干燥时间，提高干燥速率和生产能力。四川大学的汤建伟做了微波作用下酸解磷矿生产普钙的实验，研究表明微波能够提高磷矿矿浆的温度，改变结晶形态，促进反应进行，提高转化率。

热风微波干燥

　　微波干燥在干燥效率上占有显著优势，在干燥品质上与热风干燥有一定的差别。

　　微波干燥为全体积加热，在水分散失不及时的条件下，物料会因过热而劣变。微波干燥速度过快，Z终水分含量会难以控制，这些工艺缺陷都向单一的微波干燥提出了挑战。在开始和Z终阶段利用热风干燥分别可以起到节省能源、控制产品Z终状态等优点。

　　常压过程中热空气可以有效地排除物料表面的自由水分，脱水过程温和、缓慢，能保证物料的细胞骨架不被破坏。微波干燥过程可以加速物料内部水分的迁移。在中间阶段实现微波、热风不同方式的组合，可以提高工作效率，改善干燥品质。

　　1、热风常压微波干燥

　　热风常压微波干燥是用微波和热风同时作用于物料，通过内外协同脱水来优化干燥过程的工艺组合。国内外在这方面的报道很多：

　　Prabhanjan等应用微波对流法干燥胡萝卜薄片，干燥时间比未加入微波缩短了25%～90%，并在功率低时得到了较好的干燥品质。

　　Riva等通过热风和微波组合干燥双孢菇，不仅缩短了加工时间，产品品质和复水能力比单纯的微波干燥有所提高。

　　Sharma应用微波热风组合干燥大蒜，发现微波热风联合干燥比传统热风干燥缩短干燥时间80%～90%，并保证了很好的感官质量。

　　张琦等通过微波热风组合干燥鲜枣，发现微波功率、物料量、热风温度对干燥速率及干燥品质均有明显影响，热风微波耦合干燥与微波干燥和热风干燥单独使用相比，可以获得干燥速率快、Vc含量高、复水性能好的优质产品。

　　王顺民等研究了热风微波组合干燥对菠菜干制效果的影响，结果表明热风微波组合干燥可以很好地保持菠菜的品质，同时使菌落总数降至安全范围。

　　热风微波分阶段组合干燥是热风常压微波干燥的一种，与二者同时作用的组合干燥相比，配合的方式更加灵活。在干燥工艺中，微波的涉入有三种，即初始阶段、降速阶段和低含水量阶段。

　　初始阶段使物料快速升温，打开了水分向外迁移的通道;降速阶段物料表层是干的，水分集中在内部，此时应用微波干燥，内部产生热蒸汽压迫使水分溢向表面，迅速将其除去;考虑到物料在用热风干燥时会因内部水分难以扩散，在低含水量阶段用微波加热则可加快水蒸气外移。

　　热风常压微波组合可以提高干燥效率和经济性，在不破坏Z终产品品质特性的情况下，大大缩短干燥时间。刘小丹等通过优化红枣微波-热风联合干燥工艺，发现先用微波间隙干燥，后用热风持续干燥得到的干枣品质良好。

　　然而，热风微波干燥也有不足之处。目前，物料输送方式均由低耗微波介质材料制成的传送带输送，物料静止于传送带上，易造成与传送带接触的物料散湿效果差，且对微波干燥均匀性的改善是有限的。

　　2、热风微波流态化干燥

　　热风微波流态化干燥，是通过机械振动使农产品物料在微波场中处于流态化状态，通过鼓入热风与微波电磁场进行协同加热的联合干燥。

　　Reyes等在热风微波流态化干燥马铃薯片的试验中得到成功的应用，微波的馈入让干燥时间减少85%，并认为干燥层厚度和热风温度对产品的色泽和孔隙有很大影响。

　　韩清华等研制了集微波、机械振动、热风为一体的热风微波流态化组合干燥设备。

　　在该设备中，装有6只磁控管，均衡设置在腔体顶部，通过独立的微波波导与干燥室连接。振动流态化系统采用振动电机带动物料盘进行振动，通过减振弹簧与设备机架相连。干燥室底部设有4根电加热管连接组成热源，热风系统为独立控制。通过对胡萝卜丁的热风微波流态化联合干燥，发现保持胡萝卜原有色泽、气味和滋味的干制品的合格率达到89.63%。

　　微波流态化干燥解决了物料积压导致水分、热量散失能力差，以及微波电磁场分布不均导致干燥物料尖角糊化等技术问题。但微波干燥具有选择性，水分含量高的部位吸收热量多，水分散失快，而且温升也高于其他部位。温度升高则分子运动更加活跃，又使物料吸收微波的能力加强。二者相互作用，加剧干燥不均，这种现象叫“干层热失速”。热失速是热风微波流态化干燥物料仍然存在的问题。

真空微波干燥

　　真空微波干燥，综合了微波干燥的GX易传导和真空环境有利水分扩散的优点，可实现物料的快速干燥。真空与微波实现了优势互补，真空环境改善了常压微波干燥中水分蒸发不及时，内部温升过快而引起感官质量下降的技术缺陷，微波解决了真空环境无法实现热对流或传导而造成干燥时间延长的技术难题。真空环境使物料与氧气隔绝，对物料中易被氧化的维生素C等营养成分也客观上起到了隔离保护作用。

　　1、普通真空微波干燥

　　普通真空微波干燥是相对于冷冻环境来说的，干燥过程在没有预冷，没有冷源的条件下进行。

　　Drouzas等用微波真空工艺干燥香蕉片，得到含水量为5%～8%的产品，在温度控制在一定水平的条件下，口感、风味和复水率等指标都表现出良好的干燥品质。

　　Lin等通过微波真空干燥胡萝卜片发现，与热风干燥相比产品具有更好的复水能力、较高的α胡萝卜素和维生素C保存率，颜色、质地、风味等都达到冷冻干燥水平，干燥时间远短于热风干燥和冷冻干燥。

　　徐艳阳等对甘蓝进行热风和微波真空分阶段联合干燥试验，与一般对流干燥相比，干燥时间缩短了48%，产品营养成分和叶绿素的保存率都得到了显著地提高。

　　Bondaruk等研究了微波真空干燥马铃薯细块的工艺和品质，发现产品的淀粉和总糖分比热风干燥损失较少，微观结构有不同程度的改变。

　　卜召辉等研究了微波真空干燥金针菇的工艺条件，认为该工艺干燥的金针菇多项指标明显优于热风干燥，与冻干品接近，且干燥效率高。

　　近年来，微波真空干燥工艺技术在果蔬、食用菌、水产品等方面的研究报道很多，而真正用到工业生产的很少。国外的微波真空干燥设备已经从实验室转入工业化生产使用，但仍处于起步阶段，主要生产厂家有美国的Ferrite公司、Cober公司等。我国微波真空干燥设备多处于微型小试、间歇式加工阶段。

　　ZG农业机械化科学研究院研制开发了连续式微波真空干燥单元设备，由微波真空干燥室、微波系统、真空系统、控制系统、进出料系统、输送系统组成，如下图所示。该套设备实现了微波真空双重密封、大功率微波多孔馈入、微波真空测控等关键技术。

1-进料系统　2-输送系统　3-微波系统　4-真空干燥室　5-出料系统　6-输送电动机　7-控制系统　8-真空系统

　　韩清华等应用该设备对苹果片的加工工艺进行了优化，建立了综合性能指标的回归方程，并与热风干燥的苹果脆片进行了能耗和产品品质的对比分析，发现微波真空工艺的干燥能力、单位能耗等都比热风干燥有所改善，微波真空干燥膨化的苹果脆片在质地、风味和维生素C保存率等方面都好于热风干燥，且具有更显著的蜂窝状结构，截面孔洞增大。

　　真空微波干燥具有膨化效果，弱化了普通微波干燥干燥不均等技术缺陷。但在真空条件下，空气的击穿场强降低，气体分子易被电场电离，从而出现气体击穿、拉弧放电现象，该现象易发生在微波馈能耦合口和腔体内场强集中处，不仅会消耗微波能，而且会损坏部件并产生较大的微波反射，缩短磁控管的使用寿命，在真空微波的设计和操作中要尽量避免。

　　2、真空冷冻微波干燥

　　微波真空冷冻干燥技术是将冻结成固态的含水物质，在真空及共晶温度以下的条件下进行升华，并通过微波发生器向处于冻结状态下的待干物料提供升华潜热，从而除去被干燥物料中的水分的一种干燥方法。

　　早在20世纪50年代就有关于微波冻干的报道，由于技术和成本的限制研究进展一直缓慢。近年来：

　　Duan等在微波冷冻干燥海参时研究了微波功率、压强与辉光放电之间的关系，得到了一些可控的参数，使干燥品质与冷冻干燥相似，干燥时间缩短了一半。

　　Wang等通过微波真空冷冻干燥马铃薯片发现，经过热处理的薯片组织结构易破坏，产品的干燥品质与真空冷冻干燥的效果相当。

　　段续等研究了微波真空冷冻干燥甘蓝的主要工艺参数，发现与普通真空冷冻干燥方式相比，微波冷冻干燥大大缩短了干燥时间，并在试验中起到一定杀菌作用。

　　微波冻干的升华潜热由微波加热代替常规的辐射传导型的表面加热，在提高加热效率的同时，缩短了整个冻干的时间，减少了能量消耗。曹有福等研发的微波冷冻干燥设备，设计上由功能装置和控制装置两部分组成。功能装置主要有真空系统、制冷系统、微波加热系统、红外加热系统;控制装置包括数据采集装置、数据记录装置、功能控制装置等，具体结构如下图所示。通过利用该设备对冬枣片进行干燥，并与常规冻干品的品质和能耗进行比较，发现微波冻干冬枣片的质量指标接近常规冻干冬枣片，能耗值比常规冻干低52.58%。

　　在研究与应用中发现微波冷冻干燥也存在较多难点，需要进行大量的改进工作，才能实现工业化应用。主要集中在三个方面：

　　(1)微波设备的低压放电

　　当高频电场穿过气体时，电子被加速，并且在运动过程中与其他重粒子发生碰撞，这样电子的能量传递给了等离子中的其他粒子，然后再被加速，从电场中获得能量。

　　在真空条件下，电子的平均自由程变长，电子有足够的能量在碰撞中激发其他重离子。有电子在重离子中发生能级跃迁，由此出现放点现象。

　　微波真空冷冻干燥的低压环境更为苛刻，在真空度和微波功率的给定范围条件下，要合理设计微波真空干燥室的结构形式和尺寸，使室内的空气击穿场强在安全范围之内。要考虑谐振腔主模式和多种模式对结构的要求，以及物料系数及设备材料、加工因素等因素，保证微波真空干燥室内微波场的均匀性，避免物料介质受热不均。

　　(2)工艺的优化与控制

　　干层热失速，也称热失控(Thermal Runaway)，物料温度与微波加热相互影响，会使加热集中在物料的特定区域内而加剧干燥不均。水的微波吸收系数远大于冻结物料，微波会集中加热冻结层的融化点而使干燥失败。

　　如果微波加热功率和物料对微波的吸收不匹配，则会形成驻波和回波，严重时甚至可能损坏磁控管。农产品种类繁多，物理性质和化学性质差异很大，对不同物料建立密度、导热系数、传质系数、水分含量等物性参数数据库，优化物料量、物料尺寸、微波强度与分布等干燥工艺参数是一项工作量巨大的研究。

　　(3)温湿度的在线监测

　　微波真空干燥过程中，由于传热传质与微波相互影响，温度和相对湿度在线监测技术与其他干燥方法相比存在一定困难。而且微波干燥设备尤其是微波真空干燥设备密闭结构等复杂，设备成本较高，加之连续化生产没有完全实现，造成投资与产能不匹配，给规模化生产造成了困难。