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微波組合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀
論文關(guān)鍵詞:微波 組合干燥 現(xiàn)狀
論文摘要:本文闡述了國(guó)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(zhǎng)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(yíng)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(guó)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
早在上世紀(jì)80年代,美國(guó)、加拿大、英國(guó)和德國(guó)就開始研究微波真空干燥技術(shù),主要集中在美國(guó)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(guó)的Karlsruhe大學(xué),英國(guó)的Queen University,希臘的國(guó)立科技大學(xué),法國(guó)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(guó)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(guó)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)、上海辰燦輕工公司、四川大學(xué)食品學(xué)院食品科學(xué)與工程系、南京三樂微波技術(shù)有限公司等。
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(yíng)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(guó)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(zhǎng)處,克服各自缺點(diǎn),借長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)、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,微波干燥的與熱風(fēng)干燥相比還是很高,單純微波干燥是不的。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(zhǎng)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、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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)12.2m的不銹鋼圓筒,中間有輸送帶,沿長(zhǎng)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、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(guó)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(cè)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)。
參考文獻(xiàn) :
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