[科普中国]-热风微波耦合干燥技术-

简介

热风微波耦合干燥(简称耦合干燥)是微波与热风同时作用于干燥物料的新型干燥方法和技术，但微波加热不均匀性是制约其发展的一个主要因素。热风微波耦合干燥相比微波干燥和热风干燥，可以获得干燥速率快、维生素C保留率高、复水性能良好的产品。

热风和微波串联干燥是微波和热风两个环节分别进行，从而达到干燥目的的工艺。该种方式虽然可缩短干燥时间，但各自缺点仍然存在。耦合干燥融合了微波和热风干燥的优点。两者互相结合，使食品快速干燥的同时可保证产品质量1。

1)热风微波耦合干燥能够极大地提高干燥速率,耦合干燥速度高于微波干燥,更是远远高于热风干燥速度。

2)耦合干燥产品品质得到较大的提高，感官品质好、胡萝卜素保留率高、复水性良好。

3)利用正交表可以在所涉及到的条件范围内得到较好的工艺参数组合2。

原理和特点微波作为一种能量形式。要转化为热量的形式对样品进行加热，一般须与电介质相互作用，这种转化有多种方式，其中比较肯定的两种是离子传导和偶极子的转动。微波加热干燥过程中，其传热传质机理与传统干燥有很大区别。

如图1所示，在传统的干燥过程中，随着水分在干燥样品表面的蒸发，表面的水分浓度降低，则样品内部的水分逐渐的朝着样品表面进行扩散；而能量的传递方向却与此相反，由样品表面向内部传递。温度梯度是传热的主要推动力，外部温度越高，形成的温度梯度越大：传质的推动力则是样品内外的浓度差，因此传质和传热的方向是相反的。而在介电干燥过程中热量在样品的内部产生，样品内部水分形成大量的水蒸汽，其形成的压力梯度成为传质过程主要的推动力。如果样品的初始含水量很高，则样品内部水蒸汽形成的压力上升速度较快，液态的水分也可以在压力梯度作用下从样品内部排出来，就像一种“泵”的作用。在这种“泵”效应下，液态水和气态水同时从样品内部向样品表面扩散，因此干燥速率快。物料内部的热质传递方向与物料大小有关，当物料的尺寸为微波的穿透深度1～2倍时．则热量可在内部积累，内部温度高于外部温度．传热传质方向一致，若干燥系统无其它热源，系统内部的空气温度不变，样品表面温度始终低于内部温度。当样品的尺寸相对于穿透深度而言大很多时，样品内部的热传递与传统的干燥情况类似3。

耦合干燥技术是将热风场和微波场同时作用于干燥物料，热风能有效地排除物料表面的自由水分；微波加热独特的“泵”效应能快速排除内部的自由水分和结合水分，充分发挥各自的工艺优势，其优点主要表现为：

1)实现内外同时加热；

2)环境温度上升加大系统抽湿能力；

3)合理分配两者之间能量比例，可加快干燥速度，提高产品质量，降低干燥成本；

4)充分发挥各自的工艺优势，如热风的处理量大，干燥成本低，微波场中热、质传递快；

5)干燥兼有杀菌、杀虫功效，保证了产品的安全卫生；

6)实时监控，便于实现连续生产及自动化控制1。

主要技术耦合干燥的研究目前主要停留在实验研究水平，所用设备大都由微波炉改造而来，缺少性能优良的中试和工业化设备是制约该项技术发展和应用的主要障碍4。物料在微波加热过程中，其内部温度的变化除受微波腔中电磁场分布的影响外，还与物料本身的形状、位置与介电特性等因素有关。微波是空间分布的电磁场，电场致热而磁场不致热，如果物料不动，电场作用点会导致过热，如何合理地解决微波的均匀性是本项技术的关键，目前的主要技术有以下几种。

物料随转盘运动

物料位置的改变可弱化对电磁场分布的过分依赖，平移或旋转是改变物料位置的常用方法，如：转盘式微波炉、输送带式微波干燥装置等。图2为物料随转盘运动，微波能输入位置固定，通过旋转台转动，提高了物料对微波能的吸收均匀性。

图3是实验耦合干燥装置，此装置具有在线检测样品温度及质量变化的功能．同样也是通过旋转板转动，带动物料旋转。中国科学院过程丁程研究所申请了回转式连续微波干燥装置专利俐，干燥室置于微波腔内，通过旋转盛放物料的干燥室使得物料相互混合并作空间运动，而且随着物料的不断输送，改变物料在炉腔内的横向位置，从而改善微波加热的均匀性。而微波连续带式干燥器，通过输送带改变物料的位置，又通过增加微波发生器数量、可调节输出功率等来实现物料干燥的均匀性。

然而只平移或旋转盛放物料的容器对微波干燥均匀性的改善是有限的，物料的堆积厚度也不能超过微波的穿透厚度。后来对带有转盘的微波炉中的加热不均匀程度进行了研究，指出转盘的转动在一定程度上可以改变热不均匀性，可以改善物料在同一层的热均匀性，但对于物料的不同层，其热不均匀性仍然很明显1。

物料在谐振腔内喷动

为克服平移或旋转的不同层加热不均匀性，对处理块状或颗粒状的样品．采取喷动方式对其干燥是一种有效的选择。图4是喷动式干燥原理图。微波与热风喷射的结合。使样品在喷动气流的作用下处于不断运动的状态。加热更加均匀(均匀性提高22%～30%，通过改变热风的温度、流量、微波辐射量及加热时间，得到较为合理的工艺条件。

微波动而物料不动

微波分布固定，物料平移或旋转或喷动在一定程度上改善了物料微波加热的均匀性，但这些方案最大的问题是装置必须增加运动部件．给设备干燥腔的设计和空间的有效利用带来很多不便。大型化更是困难。针对这些弊病，利用无转盘型家用微波炉改造成耦合实验干燥器，见图6。采用无转盘微波分散技术，通过波导出口处的微波模式搅拌器的扰动，改善微波场的均匀性，以胡萝卜片作为试验材料，得出该实验装置干燥的胡萝卜片的一胡萝卜素保留率、复水比、感官品质较传统的热风干燥、微波干燥的胡萝卜片好5。