一种微波真空干燥医药浸膏新型工艺设备的设计

□何春霞□张洛明□张士伟

1黄河科技学院 工学院　郑州　450063

2河南勃达微波设备有限公司　郑州　450000

一种微波真空干燥医药浸膏新型工艺设备的设计

□何春霞1□张洛明1□张士伟2

1黄河科技学院 工学院郑州450063

2河南勃达微波设备有限公司郑州450000

为了保证中药材的药效并提高生产效率，设计了一种微波真空干燥医药浸膏新型工艺设备。通过对中药浸膏的物质特性、干燥要求、微波真空干燥原理的分析，设计了微波真空干燥室、筒体、门体、物料系统。在总体方案的基础上，对主要结构参数进行了计算，并生产了一套试验设备，进行了脱水率试验。该新型工艺设备功效提高，成本降低，体积大大减小，药效保留多，且具有杀菌功能，特别适合于中成药生产行业。

1　医药浸膏的物质特性与干燥要求

在人工控制条件下，为保证中药材药性及有效成分，必须对中药材进行适当的干燥处理。传统方式多采用热风干燥，生产成本低，应用广泛，但有效成分损失大，甚至有严重的品质衰退现象。随着新技术及设备的开发应用，人们对中药材的干燥质量、单位能耗、操作可靠性提出了更高的要求，干燥技术也向着提高产品质量、有效利用能源、减少环境影响、运用计算机提高自控水平、操作简单的方向发展。

微波真空干燥技术具有干燥温度低、干燥速度快、干燥效率高、干燥质量好、对干燥物料的适应性强等优点，兼有灭菌功能。在一定的真空度下，可保证湿物料干燥全过程在设定的低温下进行，是一种有效、实用、有潜力、有前景的新型干燥技术，非常适用于中成药生产这个对干燥有较高要求的行业。

2　微波真空干燥的原理及特点

微波干燥利用电加热原理，依靠高频电磁振荡来引发分子运动，使被加热物发热。微波对物体直接进行加热，不受传热因素的限制［1］。真空干燥时，真空度越大，湿物料所含的水分越少，或者湿介质对应的饱和温度越低。在真空条件下，借真空泵除去气箱中的低压水蒸气及空气等含量较少的不凝结气体。但真空干燥时物料的脱水依靠热传导将外来热量传递给被干燥物料，在低气压环境下，热传递速度慢，妨碍了真空干燥优势的发挥［2］。

微波真空干燥结合了微波干燥和真空干燥技术，加剧了置于交变电场中物料水分子的运动，水分子间的摩擦也加剧，摩擦生热后使物料表面水分蒸发，物料内外部形成了温度梯度和湿度梯度，从而加速水分从物料内向外迁移，达到干燥目的。

微波真空干燥［3］充分发挥了微波干燥和真空干燥的优势，微波为真空干燥提供热源，克服了真空状态下常规热传导速率慢的缺点，真空又使得物料在较低温度下进行干燥，较好地保存物料营养成分，改善干制品的其它品质（如褐变），缩短干燥时间，提高生产效率。

3　微波真空干燥新型工艺设备的基本结构及工作过程

中药浸膏微波真空干燥设备包括真空系统和微波系统，由微波真空干燥室、微波发生器、真空泵、PLC人机界面控制系统、进出料门体系统、物料旋转系统组成，可实现可靠、高效、全自动以及微波功率和真空度可调的连续干燥。主机采用正交“品”字形分布：顶部抽真空除湿系统—真空罐体微波发生器—自平衡托盘—进出料定位装置—PLC人机界面控制系统。

3.1主要组成部分

（1）微波真空干燥室筒体。微波真空干燥室有箱式、腔式、波导式、辐射式和表面波导等几种，根据干燥物料及加热要求来选择。微波真空干燥室筒体结构和尺寸参数依据物料系数、设备材料、加工、谐振腔主模式、谐振腔辅助模式和压力容器的规范进行设计［4］。

（2）微波发生器。微波发生器由磁控管、波导管、高压变压器、高压二极管、高压电容器、微波炉专用电风扇、高压保险管组成。微波发生器主要功能是产生微波，根据干燥要求进行微波能量的输送与分布，使中药浸膏在微波的作用下产生高温，起到干燥的作用。

（3）微波真空干燥室门体。微波真空干燥室门体是微波泄漏和真空泄漏的关键位置。门体设计与常规门体设计不同，采用独特的旋转密封与平面密封相结合的双重密封技术。将门体与筒体通过绞链在一侧进行连接固定，另一侧在门体关闭后通过旋转螺栓将门体固定在筒体上。门体法兰同时设有两凹槽，用于填充微波密封材料和真空密封材料。门体法兰与筒体法兰密封结构如图1所示。

图1　门体法兰与筒体法兰密封结构

（4）微波真空干燥室耦合口。耦合口是微波真空干燥室与微波传输系统的接口，场强集中，易击穿、打火和拉弧放电。设备采用微波源多馈入口输入方式，将馈入口选择在圆柱腔壁上不同方位需要激发的模式强场区和可能存在的寄生模式弱场区，保证腔体内谐振模式的耦合度和干燥室内微波场分布的均匀性。耦合口方位布置如图2所示。

（5）物料盛放与运动装置。物料旋转系统由旋转轴、托盘、托盘架组成，电机带动旋转轴，经变频控制后可实现无级启动和旋转过程中速度的调节控制。重棒平衡技术使托盘内液态物料始终处于平衡状态，既实现了中药浸膏均匀干燥，又避免物料倾覆和料盘的碰撞与翻转。旋转轴与筒体封板的结构如图3所示。

图2　耦合口的方位布局图

图3　物料旋转系统结构图

3.2工作过程

中药浸膏的初始含水量一般在40%左右，最终含水量为8%。为达到较好的低温、杀菌干燥效果，先启动真空泵，使真空干燥室内产生一定的真空度，通过真空截止阀维持干燥室内的真空度，真空度控制在0.085～0.095 MPa范围内。然后将物料由进料口送入微波真空工作室，启动微波源和排湿风机，使物料接受微波辐射而被加热。为保证物料均匀地受微波能辐照，需开启物料旋转系统，使物料托盘绕旋转轴匀速转动，连续微波加热，至物料达到要求的含水率，干燥结束。打开门体，通过上下料出口取出物料，完成卸料。工艺流程为：启动真空泵→加入中药浸膏→微波真空干燥→干燥后中药膏。

4　主要参数设计

4.1微波总功率的确定［5］

每小时连续加热质量m为30 kg的中药浸膏，中药浸膏的初始含水量X1为40%，最终含水量X2为8%（湿基），比热容C1为4.2×103kJ/（kg·K），被加热中药浸膏的初温T1为288.15 K，真空度确定的末温T2为321.15 K，汽化潜热Hr为2 257.2 kJ/kg，由热力学理论计算干燥物料所需热量：

考虑设备的加热效率η1（一般取80%），微波转换效率η2（一般取70%），由功率方程计算微波的总功率：

考虑到损耗，取P为30 kW。同时考虑到中药浸膏的物质特性，微波频率选2 450±50 MHz。

4.2最大功率耗散密度的计算

由工作负载的最大允许温度、真空度、空气击穿场强与压力的相关关系，确定最大安全工作电场强度，利用公式可计算出工作负载的最大功率耗散密度。设备真空度在0.085～0.095 MPa范围内，最大安全工作电场强度Emax为100 kV/m，最大功率耗散密度为（式中参数可根据有关手手册查询）：

4.3微波谐振腔最小容积的计算

微波谐振腔最小容积：

微波真空干燥室是主要的干燥场所，物料盘、微波发生器和真空泵均布置其内。设计时应考虑工作容积、工作压力、物料加热升温和防泄漏波等情况。微波真空干燥室组装如图4所示。

图4　微波真空干燥室组装图

5　试验及经济效益分析

按照上述各项参数，设计生产的微波真空干燥试验设备如图5所示。

图5　中药浸膏微波真空干燥试验设备

5.1微波干燥与微波真空干燥

在相同功率作用下，作用相等的时间，设备脱水率ξ的计算如下：

式中：ΔX为脱水质量；X'为样本质量。

对行业内常用的6 kW微波设备、设计生产的6 kW微波真空新型工艺设备进行脱水率对比试验，相同水质的水1 400 g，在不同功率、不同时间内做三组试验，为了减少试验误差，每组试验做5次，取平均值，试验结果见表1。

表1　脱水率试验

5.2经济效益分析

将微波真空干燥试验设备与多家企业加工生产的干燥设备进行工艺性能、经济效益、产品质量等方面的综合比较，干燥指标对比见表2。

表2　多种干燥方式试验

结果表明：微波真空干燥设备成本降低76%，功效是其它干燥设备的2倍，设备体积是蒸汽干燥设备的20%、喷雾干燥设备的30%，可以节约空间和净化工厂。

6　结论

微波真空干燥医药浸膏新型工艺设备采用顶部正交“品”字形分布，馈能与传动结合，布料、受热均匀；干燥室门体采用旋转密封和平面密封双重密封技术，避免微波和真空的泄漏；自平衡托盘使物料始终平衡；智能上下料，自动测温，智能除湿。整套设备功效为其它设备的2倍以上，成本降低70%左右，药效成分保留多，工艺温度低，适用于中药浸膏、保健品、食品、化工产品，特别是糊状、黏度较大的物料［6］。中药浸膏微波真空干燥新型工艺设备已经应用于医药工厂，取得了令人满意的效果。

［1］潘永康.现代干燥技术［M］.北京：化学工业出版社，1998.

［2］库德，牟久大.先进干燥技术［M］.李占勇，译.北京：化学工业出版社，2005.

［3］刘俊.中药浸膏专用真空带式干燥机的研制［J］.化工装备技术，2005，26（3）：10-12.

［4］张国琛，毛志怀，牟晨晓，等.微波真空干燥扇贝柱的物理和感观特性研究 ［J］.农业工程学报，2004，20（3）：141-144.

［5］朱蕾，冯怡，徐德生，等.中药提取物与微晶纤维素混合物的物理性质与其片剂成型性的相关性研究［J］.中国医药工业杂志，2008，39（5）：349-351.

［6］吕芹，叶世超，朱学军，等.膏状物料干燥设备技术分析与改进措施［J］.化工装备技术，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；低温；密封；应用

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，硕士，讲师，主要从事是工程力学、机械工程研究