微波低温真空干燥的特点

　　微波低温真空干燥是近几年来发展起来的新技术, 它不需要电热烘干设备和蒸气加热设备, 耗能是普通干燥设备的1/ 3～1/ 4。采用普通的热循环设备会对产品产生一定的污染, 并造成过多的能源消耗。微波干燥则是利用磁控管产生的辐射波(波长在电磁频谱中介于红外线与电磁波之间) , 既可干燥又可灭菌, 还可杀虫、灭卵、杀螨, 适于重要原料干灭, 不影响被干燥物料的色、香、味及其成分; 并能改善劳动条件、工作环境和卫生条件, 符合药品GM P 要求。微波低温真空干燥与普通的干燥设备相比有其*的优点: 微波低温真空干燥是一种节能降耗型的技术; 它的生产速度快, 效率高, 成本低; 设备占地小, 投资回收期短。此技术除用于干燥灭菌、萃取外还可用于浓缩、膨化及低温脱水,应用范围正在不断拓展。

　　2　国内微波低温真空干燥设备的现状

　　微波干燥灭菌的安全性一直受人关注, 确保微波不外泄, 这是安全的关键。在上世纪六、七十年代, 美、

　　欧、日已将微波技术应用于工业生产及日常生活中。我国虽起步较晚, 但已逐渐缩小差距。工业上, 已有研究成果产业化的产品在医药生产中推广应用, 日常生活中的微波炉也已广泛使用。早在60 年代, 日本JEOLJSA -5 型微波灭菌装置已与注射剂机组组成连续化生产线, 产量达12 000 支/ h。微波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, 现已应用到医药、化工、轻工、食品、化妆品等行业。

　　微波低温真空干燥设备主要组成见图1, 主要用于药材的提取浓缩后的产出物——浸膏的干燥, 如药品的胶囊剂、片剂、丸剂类等的干燥处理, 目前我国微波技术在食品行业应用已比较成熟, 但微波低温真空干燥设备用于制药行业, 才刚刚走出中试阶段进入工业化生产, 在使用中出现了许多问题。究其原因: (1) 微波低温真空干燥设备生产厂家对整个低温干燥工艺掌握不够确切, 温度及加热时间控制不, 药物在真空沸腾时常溢出箱体, 浸膏造成大量损失或加热过度使浸膏焦化而产生浪费; (2) 箱体内表面带水, 水沿箱壁回流到浸膏里。

　　3　微波低温真空干燥、灭菌设备工作机理

　　在真空干燥设备中经常用到微波加热。微波是指频率在0. 3～ 300 GHz 之间, 或者说波长在1～ 1 000mm 之间的超高频电磁波, 电磁波波长大于1 000 mm为无线电波, 小于1 mm 为光波。微波在传输过程中遇到不同种类的物质, 会产生反射、透射和吸收现象, 产生各种现象的强弱取决于物质本身的性质。

　　微波在绝缘体(或称电介质) 间传输时, 能够产生穿透、反射和吸收。根据物质穿透常数的不同, 其穿透深度、反射系数、吸收系数不同。玻璃的相对介电常数为5. 5～ 7, 陶瓷为5. 7～ 6. 3, 这些物质吸收微波的能力较小。而水在3000MHz 时的相对介电常数为77, 具有较强吸收微波的能力, 在加热过程中, 能够把微波能量转换成热能。因此, 微波加热常用于干燥过程。

　　水是极性分子, 即水分子的正电荷中心与负电荷中心不重合, 具有一*偶极矩, 在无电场情况下, 总偶极矩等于零, 不对外呈现极性。当处于电磁波的交变电场中时, 每个极性分子都有向电场方向转向的特性,电场强度越强, 转向越强烈。由于是交变电场, 极性分子的转向跟着变换, 在变向过程中会产生摩擦损耗, 把一部分电磁波能量转化为分子热动能, 这种摩擦生热的损耗称为介质损耗, 这就是微波加热的原理。

　　在干燥方面: 药物干燥速度快, 干燥的产品也较均匀洁净。因为微波作用于湿物料, 其中所含水分即被均匀加热, 它与传导、对流和辐射三种干燥的传热方式相比, 没有传热途径和传热时间, 热损失少, 在干燥过程中, 湿物料内部水分往往比表面高, 则物料内部吸收的能量多, 温度比表面高, 这样湿物料的温度递度与水的扩散方向是一致的, 从而提高了水分的扩散速率, 加快了干燥速度。此外, 微波还具有选择性加热的特点。由于水的介电常数比固体物料大得多, 故湿物料中的水分就会迅速汽化, 而固体物料因吸收微波的能力小, 不会升温过高, 有效成分不受破坏, 有利于保证产品的质量。

　　在灭菌方面: 首先, 药物中的极性介质也随电场磁性变化而复更, 相互摩擦产生高热(当微波通过某种介质时, 药物介质能吸收波能, 那此微波能量就能在介质中转换为热能) , 使药物中的蛋白质、核糖核酸和酶失活而达到灭菌效果。其次, 水是微波的强吸收介质, 微波可让微生物中的水分子形成电偶极性并随电场改变而高速转动, 导致细胞膜结构破裂, 细胞分子间氢键松弛破坏。温度的升高, 使细胞中的蛋白质凝固而造成微生物的死亡, 从而达到灭菌的目的。微波加热器是由微波加热管产生微波后, 通过波导输送到微波加热器中,微波能转变为热能被产品中的水分吸收, 使水分汽化蒸发, 它常用于片剂, 胶囊剂、颗粒剂等湿颗粒的干燥,药材粉末、中药饮片、丸剂(蜜丸、水丸) 的干燥灭菌。同样的道理, 还具有杀灭虫、螨、卵等作用。

　　4　微波低温真空干燥设备核心技术的研究探讨

　　当箱体内真空度达到0. 09M Pa 时, 物料置于高频电场内, 由于受到2 450MHz 微波磁控管的作用, 使物料在低温下沸腾, 并通过真空泵抽取分布在箱内的二次蒸气来达到干燥、杀菌的目的。

　　根据微波的反射、穿透、吸收特性, 箱体必须经受住负压并能防止微波泄漏, 采用不锈钢材料制作, 箱内的料架需采用绝缘材料(如陶瓷器、玻璃、耐热塑料) 制作, 以达到微波穿透性目的, 否则不仅会影响加热时间, 而且会引起短路, 腔内放电打火。

　　目前国产设备特点:

　　(1) 核心部件均为国外公司生产, 如PLC 编程控制器、磁控管、微波变压器、变频器。

　　(2) 微波发生器由多个独立供电控制电路组成, 每个磁控管均由一台电流过载保护装置独立控制。并对各独立电器发热部件进行冷却有油浸式冷却和水管式循环冷却2 种方式, 以保证长时间高压大电流工作。设备的出口、进口装有微波抑制器以符合微波泄漏量< 5mw/cm 2的国家标准。

　　(3) 回转系统: 输送采用聚四氟乙烯板框结构, 安全, 调速器为变频无级调速, 性能稳定。但目前采用锥齿轮传动, 在单边受力的情况下, 出现料框下沉。在浸膏大量沸腾时, 会溢出料框, 而使料框倾斜, 造成浸膏直接翻出, 并卡死。使浸膏造成极大浪费。

　　(4) 排风系统: 单元加热箱顶部有排风罩, 可与车间的排风系统连接。

　　( 5) 测温控制系统: 加热箱有红外辐射测温仪测温, 实现温度自动控制, 但误差可能比较大。

　　(6) 采用PLC 编程控制系统, 使调整微波功率、温度、操作比较方便。

　　(7) 箱体采用不锈钢材料制作, 但没有保温装置。使浸膏蒸发出来的水汽, 冷凝附着在箱体内壁。这样会使水滴回落到料盘里, 造成局部干浸膏的水分增加。

　　目前国内市场上有些设备制造厂家生产的微波低温真空干燥设备, 其干燥时的主要缺陷是: 由于物料含水量不一样, 会产生物料干燥后水分过多或物料水分过少而出现碳化, 使物料的颜色发黑。箱体内壁有水滴出现, 如掉入到物料中可产生部分产品水分过高, 而影响质量。产生这些缺陷的主要原因是由于干燥温度控制不当及测温精度较低造成的。为克服上述缺陷, 对微波低温真空干燥的温度控制工艺、测温器选择及安装工艺及结构设计进行了探讨。

　　4. 1　干燥程度的控制方法

　　对于浸膏的含水量一般要求控制在5% 以下。干燥前物料因其特性、批次、种类的不同而造成干燥程度不一致。低温干燥时要根据不同的物料特性、批次及种类对磁控管开启数量、频次进行调整, 对温度、加热周期、负压大小, 都要进行多次正交试验, 以确定浸膏产品的干燥工艺。由于物料的温度测定是靠转动料架通过红外测温方法来达到的, 测量精度很难得到保证。为此干燥程度主要是以加热开始到中后期保证浸膏在沸腾时不满到料框高度的75%～ 85% 为准, 在后期由于接近干燥值, 可放慢加热速率以保证浸膏既能干透又不至于变焦。因此PLC 编程时要考虑磁控管部件在各个不同时期的开启时间, 释放功率量的大小等相互关系。

　　4. 2　真空箱体内监视技术

　　采用可转动式摄像技术, 对浸膏进行在线监视沸腾状态。

　　4. 3　回转系统——料框结构的设计技术

　　目前采用锥齿轮传动在单边受力的情况下, 出现料框下沉, 若改为蜗轮减速机进行自锁即可解决。回转系统料框设计一般采用重力下垂方式, 当浸膏沸腾过量时, 就会溢出料框, 这里可设计一种同步偏心机构, 使料框意外情况下在回转时始终保证浸膏不流出, 

　　5　总　结

　　由于微波低温真空干燥设备是一种机电一体化产品, 其干燥质量还跟自控有着密切的。只要生产厂家对整个微波低温真空干燥设备的工艺能准确掌握,能控制微波低温真空干燥设备关键部件的精度和选择合理的安装方式, 制造出符合生产实际的微波低温真空干燥设备是*可行的。

　　参考文献:

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