微波真空干燥技术的探讨 微波真空干燥原理

　　干燥既是古老的贮藏食品又是现代工业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，使微生物和化学反应引起的腐败速度降到最低程度。通常，普通的热风干燥容易使食品营养成分丢失，对食品质量产生不利影响-冷冻干燥虽然能使食品质量品质如色、香、味保持的较好，但成本相对较高高。所以在干燥过程中，对于物料的品质与经济效益的综合考虑，微波真空干燥技术被认为是较好的一项新技术。
　　微波真空干燥是把微波干燥和真空干燥结合在一起，充分发挥二者的干燥优势，以优化干燥过程。微波真空干燥设备由微波谐振腔(微波发生器)、真空系统、物料旋转盘和自动控制系统组成。
　　1　微波真空干燥原理及特性
　　1.1原理
　　微波是指频率在300MHz到300KMHz的电磁波。介质物料由极性分子(水分子)和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向按照电场的极性排列取向。在高频电磁场的作用下，这些取向按交变电磁场的变化而变化，这一过程致使分子的运动和相互磨擦效应，从而产生热量。此时交变电磁场的电磁能转化为介质内的动能，动能再转化成热能，使介质温度不断升高。
　　微波加热是使被加热物体本身成为发热体，故称之为内部加热方式。这种方式不需要热传导的过程，电磁波从周围或特定的方向穿过物料，使得物料内各部分在同一瞬间获得热能而升温，因此能在短时间内达到均匀加热。此时。由于物料表面水份蒸发，致使表面温度降低，从而造成一个内高外低的温度梯度，这个梯度的方向正好与水份蒸发的方向一致，使得蒸发加快，所以效率极高。同时由于内部产生热量。以致于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度，如果物料的初始含水率很高，物料的内部压力非常快的升高，水分会在压力梯度的作用下从物料排除。在干燥的过程中能量转化经过了两个步骤，先是电磁能转化为有序运动的分子动能，然后通过碰撞转化为热能。
　　在真空状态下，水的沸点降低，从而使物料在相对较低的温度下就可以沸腾蒸发。真空不仅能使物料在保持低温状态下蒸发，还能产生压力梯度提高干燥效率。真空干燥具有干燥温度低、产品复水性高，同时对食品的色泽和口感也保持较好。所以微波干燥和真空干燥的结合不仅使得物料能在较低的温度下蒸发干燥，而且可以提高干燥效率。
　　1.2特性
　　总体而言，微波真空干燥具有以下特点。
　　(1)干燥速率高。
　　普通的干燥方法如热风干燥，对物料来说热量是从表面向内传递，而水分从内向外迁移，温度梯度与水分转移方向相反，这样将导致干燥速率下降。微波干燥不必以热传导的形式从表面向内部传递，而是通过微波将能量直接作用于整个物料，使物料楚体均匀被加热，大大缩短了加热时间；同时由于压力迁移动力的存在，是微波干燥具有由内向外干燥的特点，即对物料整体而言，首先从内部干燥，克服了在常规干燥中因物料外层首先干燥二形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点。特别对于物料本身不是热的良导体，微波干燥优势更明显。
　　(2)提高干燥品质。
　　微波加热，物料内部和表面同步进行加热，温度分布均匀。一般微波只与物料中的水分而不与干物质相互作用，含水较高的地方吸收辐射能较多，干物质相对较少，能更迅速地干燥，这样起到了热量分配自动平衡的作用。但单纯的微波加热容易产生由于过热引起的烧伤、焦化、结壳和硬化等现象。上述现象主要是因为温度过高和干燥过快引起的。真空干燥可以降低水的蒸发温度，使物料在较低的温度下迅速蒸发，同时还可以避免氧化，因此改善了干燥品质。尤其在医药、食品和化工等领域存在热敏性物料的情况下，需要低温快速干燥的条件；同时对于食品和医药，由于微波的微生物效应，能在较低的温度下即可达到除菌的目的。
　　(3)成本低、无公害。
　　微波真空干燥新技术，不需要电热烘干设备和蒸汽加热设备；微波直接与物料相互作用，不需要加热空气、大面积器壁及输送设备等，而且加热腔为金属制造的密闭空腔，能反射微波，是指不向外泄漏，从而被物料吸收。其耗能是普通干燥设备的1／3～1／4，也低于红外干燥，同时对环境几乎没有影响。如果使用一般的加热设备干燥，不仅影响产品的质量，甚至产生污染，而且也造成过多的能源消耗，设备存在运行成本高、经济效益差，设备利用率低、维护费用高等突出问题。
　　(4)安全性。
　　微波不会对被加热物料产生不安垒影响，其安全性得到国际认可。但设备仍然存在微波泄漏，所以为了保证设备的安全性，微波的泄漏量应满足国际电工委员会(IEC)规定量。
　　(5)自动化控制过程。
　　对干燥过程进行适当的控制是必要的。微波的输出可以通过发生器的开关来控制，操作方便，而且加热的强度可以通过控制输出功率来实现。如干燥的过程控制，干燥过程分为常率期、降率期和扩散期：常率期蒸发温度基本恒定，表面呈湿润状态；降率期水分奇异速度减慢，物料温度开始上升；扩散期物料导热性变差，需要较为温和的干燥条件。在不同时期，随着物料干燥程度不同，温度相应变化，因此在干燥过程中，微波功率随着物料的干燥程度做主动调节，将物料温度控制在设定的范围内，从而保证成品的质量。
　　随着干燥干燥设备应用的不断推广深入，对设备的数字化、智能化的要求越来越高，出了干燥温度的控制与显示外，还要求故障的检测与显示以及信息的上传，以便于集中管理与控制。目前，采用抗干扰性能好，具有通信功能的PLC，以及人机界面――触摸屏，能较好地实现上述功能。
　　2　国内外研究现状
　　2.1国外情况
　　20世纪80年代，美国、加拿大、德国和英国就开始研究微波真空干燥技术，主要集中在美国的威斯康辛大学、加利福尼亚大学、加拿大的British Columbia大学，德国的Karlsruhe大学，英国的Queen’s University，希腊的国立科技大学。法国的Albi研究所等。研究的内容涉及微波真空干燥机理、传热传质、微波真空干燥模拟、微波真空干燥能耗与工艺以及各种不同类型的微波真空干燥操作等。目前，国外已将微波真空干燥技术应用于轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等领域，诸如造纸、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、油漆等的加工处理。
　　2.2国内情况
　　目前在国内的研究单位有江南大学食品学院、东北大学、大连水产大学，中国农业大学、浙江大学，华南理工大学、华南农业大学、南京三乐微波技术有限公司等。微波真空干燥技术虽然在国内起步较晚，但发展比较快。随着安全措施的到位，人们克服了对微波的恐惧心理，现已经应用到医药、化工、食品、化妆品等众多行业。
　　3　展望
　　微波真空干燥综合了微波干燥和真空干燥的各自优点。具有快速、高效，低温、节能、无污染等优点。在食品干燥方面，能较好地保持食品原有的色、香、味及营养成分，可有效避免干燥过程中化学成分的氧化破坏。干燥后产品的组织机构和复水率等物理特性可以与冷冻干燥相差无几，且成本相对较低；在工业干燥方面(如真空绝热板)，加热干燥可能对材料造成焦化等破坏，微波真空干燥可以在低温条件下去除材料中剩余少量的结合水，同时还能保证绝热板的真空度。
　　目前，微波真空干燥仍存在一些问题尚待解决，如干燥过程中存在的排湿困难、加热不均、干燥终点判断困难、对物料的尺寸和形状要求严格等，在干燥工艺和装备方面仍有很多问题需要解决。所以，在完善数学模型、建立干燥过程的计算机控制、与其他干燥技术相结合等方面还需进一步开展研究。