微波冷冻干燥技术的发展和有待解决的问题

微波冷冻干燥技术的发展和有待解决的问题

孙 恒，张 洁，朱鸿梅，肖尤明，徐 烈

(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200030)

摘 要：本文介绍了国内外微波冻干研究的进展情况，并对其中微波与传热传质耦合、工艺优化与控制、技术经济性以及温度测量等存在的问题进行了讨论。关键词：微波；冷冻干燥；工艺；经济性；温度测量

Development of Microwave Freeze-drying and the Problem to be Solved

SUN Heng ，ZHANG Jie ，ZHU Hong-mei ，XIAO You-ming ，XU Lie

(Institute of Refrigeration and Cryogenics ，Shanghai JiaoTong University ，Shanghai 200030，China)

Abstract ：Development of microwave freeze-drying is introduced. The thermo-electromagnetic coupling, technics optimization and control, technical economy and temperature measurement are discussed.

Key words ：microwave ；freeze-drying ；technics ；economy ；temperature measurement

中图分类号：TS203.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2005)05-0256-05

收稿日期：2004-02-03

作者简介：孙恒(1976-)，男，在读博士生，主要从事食品冷冻贮藏方面的研究。

冷冻干燥已广泛用于食品、药品及生物制品的保存，但是干燥速率低、时间长、能耗高等缺点制约了其进一步的发展。微波冷冻干燥可以克服以上缺点，因为微波是体积加热，能量以电磁波的形式进入物料内部进行加热，从而提高了干燥速率。以有实验表明微波可使冻干时间缩短几小时甚至更多[1～3]。图1比较了两种加热方式。从图2可知冷冻干燥维持真空和冷阱需消耗很多能量[1]，干燥时间缩短就可减小这部分能量的消耗。

微波冷冻干燥仍存在干燥过程较复杂、微波加热均匀性差、工艺优化与控制困难等问题。引外设备初投资也比较大，还有微波冻干装置中的温度测量等问题有

待解决。因此应从以上问题入手对此展开研究。

２微波冷冻干燥技术的研究情况

国内外对此已开展了大量工作，证实了微波冻干的良好效果及存在的问题。2.1

微波冷冻干燥技术的实验研究情况

实验工作是微波冷冻干燥研究的基础。1958年

Copson 首先进行了微波冷冻干燥的实验并获得了很好的效果[4]。1967年，Hammond.L.H.采用915MHz 微波冻干牛肉、虾和碗豆可将干燥时间分别缩短为3、3、3.75h [1]

，因而微波冻干与辐射加热相比是有竞争力的。其它

实验也得到了类似的结果[2]。Wang，Zhao Hui等1999年则研究了物料厚度、电场强度等因素对干燥时间的影响[6]。实验研究的另一个方向是微波和其它加热方式的复合干燥[6，7]。Li tvi n，S等人1998年采用微波复合干燥将冻干时间从9.5h缩短到3.75h[6]。复合干燥尽管效果很好，但系统设备更加复杂，因而限制了其实用性。

2.2微波冷冻干燥技术的理论研究情况

微波冷冻干燥的理论以常规冻干理论为基础，可分为传热传质过程与电磁场场强分布两部分。K i n g和Sandall等提出的冰前沿均匀退却(URIF)模型是冷冻干燥的基本理论，也是升华、解吸两阶段模型，吸附—升华模型等的基础[8]。早期理论的传热传质部分均基于上述模型[4][9]。微波冻干中由于热量直接进入物料内部，因而不仅会发生蒸汽再冷凝现象，而且会有蒸汽迁移现象发生。以上现象在常规冻干中可以忽略，而在微波冻干中则会产生重要的影响。Wang Zhao Hui等提出了升华冷凝模型，对此进行了较好的描述[3][5]。

３微波冷冻干燥技术存在的问题

微波冻干的主要问题在于加热均匀性差，工艺优化与控制比较困难，设备初投资大。要解决上述问题就应建立更完善的数学模型、进行经济性分析并采用合理

的温度测量方法。

3.1理论模型存在的问题

目前的理论对传热传质的研究比较完善，而比较缺乏对于电磁场分布的研究。微波冻干中两者是相互影响的，电磁场分布决定着传热传质的内热源分布，而传热传质过程的进行会不断改变电磁场的分布，如图3所示[10]。微波冻干中的这种热电耦合是确定微波冻干工艺的重要因素，而目前对此还没有全面的研究。

目前微波模型可分成三种：(1)均匀场强模型；(2)场强衰减模型；(3)场强分布模型。均匀场强加热模型假设物料内部的场强为一定值，则内热源强度为：

其中ω为角频率，ε0为真空介电常数，ε′是相对介电常数，θ为有效介电损耗角。

场强衰减模型利用Lambert's 方程来描述物料内的场强分布。Lambert's 方程为：

此前微波冻干的研究多采用均匀场强模型，如[3～5][8，9]。但此模型仅适用于尺寸远小于波长的情况下。微波在物料内的波长。对于肉类2450MHz下波长为4.3cm，微波冻干可采用大于1cm的厚度，两者相差不大，因而采用均匀场强模型会有较大误差。场强衰减模型主要适用于微波吸收能力强、衰减深度小的物料，因而广泛用于湿物料干燥过程[11]。模型的适用性取决于微波对物料的穿透深度。穿透深度Dp为微波进入材料后能量减为原值的1/e处到表面的距离，对于肉类：

由于冻干物料的微波吸收能力差，其穿透深度远大于物料的厚度，因此应用Lambert's 方程会有较大的误差。所以应计算微波冻干过程中的场强分布变化。目前电磁场计算常用的数值方法有有限差分法、有限元法边界元法(BEM)，边棱元法(EEM)、格林函数法、传输线法等，如何选择合理的方法从而完善热电偶合模型是目前工作的一个重要内容。

3.2工艺优化及控制中存在的问题

由于传热传质与微波相互影响，微波冻干工艺的研

究仍有一些问题有待解决。工艺优化应在保证干燥品质