□何春霞□張洛明□張士偉

1黃河科技學院 工學院　鄭州　450063

2河南勃達微波設備有限公司　鄭州　450000

一種微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設備的設計

□何春霞1□張洛明1□張士偉2

1黃河科技學院 工學院鄭州450063

2河南勃達微波設備有限公司鄭州450000

為了保證中藥材的藥效并提高生產(chǎn)效率，設計了一種微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設備。通過對中藥浸膏的物質特性、干燥要求、微波真空干燥原理的分析，設計了微波真空干燥室、筒體、門體、物料系統(tǒng)。在總體方案的基礎上，對主要結構參數(shù)進行了計算，并生產(chǎn)了一套試驗設備，進行了脫水率試驗。該新型工藝設備功效提高，成本降低，體積大大減小，藥效保留多，且具有殺菌功能，特別適合于中成藥生產(chǎn)行業(yè)。

1　醫(yī)藥浸膏的物質特性與干燥要求

在人工控制條件下，為保證中藥材藥性及有效成分，必須對中藥材進行適當?shù)母稍锾幚?。傳統(tǒng)方式多采用熱風干燥，生產(chǎn)成本低，應用廣泛，但有效成分損失大，甚至有嚴重的品質衰退現(xiàn)象。隨著新技術及設備的開發(fā)應用，人們對中藥材的干燥質量、單位能耗、操作可靠性提出了更高的要求，干燥技術也向著提高產(chǎn)品質量、有效利用能源、減少環(huán)境影響、運用計算機提高自控水平、操作簡單的方向發(fā)展。

微波真空干燥技術具有干燥溫度低、干燥速度快、干燥效率高、干燥質量好、對干燥物料的適應性強等優(yōu)點，兼有滅菌功能。在一定的真空度下，可保證濕物料干燥全過程在設定的低溫下進行，是一種有效、實用、有潛力、有前景的新型干燥技術，非常適用于中成藥生產(chǎn)這個對干燥有較高要求的行業(yè)。

2　微波真空干燥的原理及特點

微波干燥利用電加熱原理，依靠高頻電磁振蕩來引發(fā)分子運動，使被加熱物發(fā)熱。微波對物體直接進行加熱，不受傳熱因素的限制［1］。真空干燥時，真空度越大，濕物料所含的水分越少，或者濕介質對應的飽和溫度越低。在真空條件下，借真空泵除去氣箱中的低壓水蒸氣及空氣等含量較少的不凝結氣體。但真空干燥時物料的脫水依靠熱傳導將外來熱量傳遞給被干燥物料，在低氣壓環(huán)境下，熱傳遞速度慢，妨礙了真空干燥優(yōu)勢的發(fā)揮［2］。

微波真空干燥結合了微波干燥和真空干燥技術，加劇了置于交變電場中物料水分子的運動，水分子間的摩擦也加劇，摩擦生熱后使物料表面水分蒸發(fā)，物料內外部形成了溫度梯度和濕度梯度，從而加速水分從物料內向外遷移，達到干燥目的。

微波真空干燥［3］充分發(fā)揮了微波干燥和真空干燥的優(yōu)勢，微波為真空干燥提供熱源，克服了真空狀態(tài)下常規(guī)熱傳導速率慢的缺點，真空又使得物料在較低溫度下進行干燥，較好地保存物料營養(yǎng)成分，改善干制品的其它品質（如褐變），縮短干燥時間，提高生產(chǎn)效率。

3　微波真空干燥新型工藝設備的基本結構及工作過程

中藥浸膏微波真空干燥設備包括真空系統(tǒng)和微波系統(tǒng)，由微波真空干燥室、微波發(fā)生器、真空泵、PLC人機界面控制系統(tǒng)、進出料門體系統(tǒng)、物料旋轉系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)可靠、高效、全自動以及微波功率和真空度可調的連續(xù)干燥。主機采用正交“品”字形分布：頂部抽真空除濕系統(tǒng)—真空罐體微波發(fā)生器—自平衡托盤—進出料定位裝置—PLC人機界面控制系統(tǒng)。

3.1主要組成部分

（1）微波真空干燥室筒體。微波真空干燥室有箱式、腔式、波導式、輻射式和表面波導等幾種，根據(jù)干燥物料及加熱要求來選擇。微波真空干燥室筒體結構和尺寸參數(shù)依據(jù)物料系數(shù)、設備材料、加工、諧振腔主模式、諧振腔輔助模式和壓力容器的規(guī)范進行設計［4］。

（2）微波發(fā)生器。微波發(fā)生器由磁控管、波導管、高壓變壓器、高壓二極管、高壓電容器、微波爐專用電風扇、高壓保險管組成。微波發(fā)生器主要功能是產(chǎn)生微波，根據(jù)干燥要求進行微波能量的輸送與分布，使中藥浸膏在微波的作用下產(chǎn)生高溫，起到干燥的作用。

（3）微波真空干燥室門體。微波真空干燥室門體是微波泄漏和真空泄漏的關鍵位置。門體設計與常規(guī)門體設計不同，采用獨特的旋轉密封與平面密封相結合的雙重密封技術。將門體與筒體通過絞鏈在一側進行連接固定，另一側在門體關閉后通過旋轉螺栓將門體固定在筒體上。門體法蘭同時設有兩凹槽，用于填充微波密封材料和真空密封材料。門體法蘭與筒體法蘭密封結構如圖1所示。

圖1　門體法蘭與筒體法蘭密封結構

（4）微波真空干燥室耦合口。耦合口是微波真空干燥室與微波傳輸系統(tǒng)的接口，場強集中，易擊穿、打火和拉弧放電。設備采用微波源多饋入口輸入方式，將饋入口選擇在圓柱腔壁上不同方位需要激發(fā)的模式強場區(qū)和可能存在的寄生模式弱場區(qū)，保證腔體內諧振模式的耦合度和干燥室內微波場分布的均勻性。耦合口方位布置如圖2所示。

（5）物料盛放與運動裝置。物料旋轉系統(tǒng)由旋轉軸、托盤、托盤架組成，電機帶動旋轉軸，經(jīng)變頻控制后可實現(xiàn)無級啟動和旋轉過程中速度的調節(jié)控制。重棒平衡技術使托盤內液態(tài)物料始終處于平衡狀態(tài)，既實現(xiàn)了中藥浸膏均勻干燥，又避免物料傾覆和料盤的碰撞與翻轉。旋轉軸與筒體封板的結構如圖3所示。

圖2　耦合口的方位布局圖

圖3　物料旋轉系統(tǒng)結構圖

3.2工作過程

中藥浸膏的初始含水量一般在40%左右，最終含水量為8%。為達到較好的低溫、殺菌干燥效果，先啟動真空泵，使真空干燥室內產(chǎn)生一定的真空度，通過真空截止閥維持干燥室內的真空度，真空度控制在0.085～0.095 MPa范圍內。然后將物料由進料口送入微波真空工作室，啟動微波源和排濕風機，使物料接受微波輻射而被加熱。為保證物料均勻地受微波能輻照，需開啟物料旋轉系統(tǒng)，使物料托盤繞旋轉軸勻速轉動，連續(xù)微波加熱，至物料達到要求的含水率，干燥結束。打開門體，通過上下料出口取出物料，完成卸料。工藝流程為：啟動真空泵→加入中藥浸膏→微波真空干燥→干燥后中藥膏。

4　主要參數(shù)設計

4.1微波總功率的確定［5］

每小時連續(xù)加熱質量m為30 kg的中藥浸膏，中藥浸膏的初始含水量X1為40%，最終含水量X2為8%（濕基），比熱容C1為4.2×103kJ/（kg·K），被加熱中藥浸膏的初溫T1為288.15 K，真空度確定的末溫T2為321.15 K，汽化潛熱Hr為2 257.2 kJ/kg，由熱力學理論計算干燥物料所需熱量：

考慮設備的加熱效率η1（一般取80%），微波轉換效率η2（一般取70%），由功率方程計算微波的總功率：

考慮到損耗，取P為30 kW。同時考慮到中藥浸膏的物質特性，微波頻率選2 450±50 MHz。

4.2最大功率耗散密度的計算

由工作負載的最大允許溫度、真空度、空氣擊穿場強與壓力的相關關系，確定最大安全工作電場強度，利用公式可計算出工作負載的最大功率耗散密度。設備真空度在0.085～0.095 MPa范圍內，最大安全工作電場強度Emax為100 kV/m，最大功率耗散密度為（式中參數(shù)可根據(jù)有關手手冊查詢）：

4.3微波諧振腔最小容積的計算

微波諧振腔最小容積：

微波真空干燥室是主要的干燥場所，物料盤、微波發(fā)生器和真空泵均布置其內。設計時應考慮工作容積、工作壓力、物料加熱升溫和防泄漏波等情況。微波真空干燥室組裝如圖4所示。

圖4　微波真空干燥室組裝圖

5　試驗及經(jīng)濟效益分析

按照上述各項參數(shù)，設計生產(chǎn)的微波真空干燥試驗設備如圖5所示。

圖5　中藥浸膏微波真空干燥試驗設備

5.1微波干燥與微波真空干燥

在相同功率作用下，作用相等的時間，設備脫水率ξ的計算如下：

式中：ΔX為脫水質量；X'為樣本質量。

對行業(yè)內常用的6 kW微波設備、設計生產(chǎn)的6 kW微波真空新型工藝設備進行脫水率對比試驗，相同水質的水1 400 g，在不同功率、不同時間內做三組試驗，為了減少試驗誤差，每組試驗做5次，取平均值，試驗結果見表1。

表1　脫水率試驗

5.2經(jīng)濟效益分析

將微波真空干燥試驗設備與多家企業(yè)加工生產(chǎn)的干燥設備進行工藝性能、經(jīng)濟效益、產(chǎn)品質量等方面的綜合比較，干燥指標對比見表2。

表2　多種干燥方式試驗

結果表明：微波真空干燥設備成本降低76%，功效是其它干燥設備的2倍，設備體積是蒸汽干燥設備的20%、噴霧干燥設備的30%，可以節(jié)約空間和凈化工廠。

6　結論

微波真空干燥醫(yī)藥浸膏新型工藝設備采用頂部正交“品”字形分布，饋能與傳動結合，布料、受熱均勻；干燥室門體采用旋轉密封和平面密封雙重密封技術，避免微波和真空的泄漏；自平衡托盤使物料始終平衡；智能上下料，自動測溫，智能除濕。整套設備功效為其它設備的2倍以上，成本降低70%左右，藥效成分保留多，工藝溫度低，適用于中藥浸膏、保健品、食品、化工產(chǎn)品，特別是糊狀、黏度較大的物料［6］。中藥浸膏微波真空干燥新型工藝設備已經(jīng)應用于醫(yī)藥工廠，取得了令人滿意的效果。

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［5］朱蕾，馮怡，徐德生，等.中藥提取物與微晶纖維素混合物的物理性質與其片劑成型性的相關性研究［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2008，39（5）：349-351.

［6］呂芹，葉世超，朱學軍，等.膏狀物料干燥設備技術分析與改進措施［J］.化工裝備技術，2006，27（5）：1-4.

In order toensure the efficacyofChinese herbal medicines and improve production efficiency，the design of a newmodel of process unit is designed that use microwave vacuum technique to dry the pharmaceutical extracts.By analyzing material properties&drying requirements of the Chinese medicine extracts and drying principle via microwave vacuum technique，the microwave vacuum drying chamber，cylinder，door and material flowsystem are designed.On the basis of the overall scheme，the main structural parameters are calculated while developing a set of test equipment to test its dehydration rate.The new model of process equipment featuring improved efficiency，reduced costs，compact in size，more reservations of drug effect and bactericidal function is especially suitable for medicine production industry.

微波真空干燥；真空度；低溫；密封；應用

Drying by Microwave&Vacuum Technique；Vacuum Leve；Low Temperature；Air-tight Seal；Application

TQ028

A

1672-0555（2016）01-051-04

2015年9月

何春霞（1980—）女，碩士，講師，主要從事是工程力學、機械工程研究