微波技术在农产品加工领域的应用Word格式文档下载.docx
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能量产生
加热对象
加热原理
特点
微波加热
微波发生器
非金属物料中的极性分子
微波吸收
内部有选择性加热，仅加热含有极性分子的物料（含水和脂肪）
电磁加热
回路线圈
金属
电磁感应
仅加热金属
红外加热
红外发热管
红外光照射到的物体
热辐射、传导、对流
表面加热，任何物体均会发热
本项目将以微波加热技术为主要研究对象，结合应用需求，在电磁能应用技术方面取得突破，并研发系列化电磁能应用设备，实现批量生产。
1.1.
微波能的产生
微波是指波长范围为1mm~1m、频率范围为300MHz~GHz的电磁波。
国际无线电管理委员会规定的民用微波频率有：
433MHz，915MHz，245OMHz，5800MHz和22125MHz。
国内通常用于加热的微波频率为：
915MHz和245OMHz。
微波能的产生来自于微波源。
微波源是由磁控管以及为磁控管提供必要工作条件的电源所组成。
目前，在微波加热设备中绝大多数采用的是连续波磁控管。
因为这种磁控管的价格较低，工作电压低，效率高。
根据具体应用情况，磁控管大致分为三类：
（1）.300W以下的供微波理疗用；
（2）.300~1000W左右的供微波热疗（包括治癌等）、家用微波炉等用；
（3）.1000W以上的供科研和工、农业生产使用。
连续波磁控管的常用频率为915MHz和2450MHz。
频率为915MHz的磁控管可以达到比较高的功率，我国国内有30kW的磁控管生产，但价格很高。
频率为2450MHz的磁控管相对而言功率比较低一些，我国生产的产品最高可达到10kW，民用微波炉中所使用的磁控管即属于这一类，功率一般不超过1kW。
连续波磁控管的电源是微波加热设备的重要组成部分，其主要任务是为磁控管提供直流工作电压、直流磁场等。
具体电源电路的设计则根据各类型磁控管的要求和使用状态来确定。
小功率的磁控管一般采用单相半波倍压自整流电路。
这种电路利用磁控管本身单向导电的特性，将其作为一只整流二极管使用，故称为“自整流”。
利用这种电源可使磁控管在起振的瞬间建立稳定的工作模式。
这种电路的突出特点是经济、稳定、安全可靠。
大功率微波加热器的电源一般采用三相全波整流电路。
这种电路避免了三相电网负荷不均匀的问题，并可为大功率磁控管提供电源。
缺点是对器件及布线等要求高，且本身功耗加上大功率的磁控管的功耗导致系统发热明显，一般需要采用油冷或水冷方式散热降温。
1.2.微波加热和灭菌杀虫原理
1．微波加热原理
微波具有波动性、高效性、热特性和非热特性四大基本特性。
微波能够渗透到物料内部，使物料内部的分子相互作用而转化为热能。
现有理论对微波加热机制的描述一般是从极性分子及离子在微波场中的旋转和电迁移这两个角度来进行的。
物料中的分子从电结构看，一类分子叫无极性分子，另一类叫有极性分子。
极性分子在无外界电场作用时，虽然整个分子不带电，但由于分子的正负电荷中心不重合，分子呈现极性。
由于极性的存在，整个极性分子存在偶极矩。
当处于静电场中时，极性分子的排列方向将随之发生改变。
如果将其置于交变的电场之中，这些介质的极性分子取向也随着电场的极性变化而变化，这种现象称为极化。
外加电场越强，极化作用也就越强，外加电场极性变化得越快，极化得也越快，分子的热运动和相邻分子之间的摩擦作用也就越剧烈。
当被加热物质放在微波场中时，其极性分子随微波频率以每秒几十亿次的高频来回摆动，迅速产生大量的热能。
2．微波灭菌杀虫原理
水分子本身就是一种极性分子。
因此，含有水分的物料处于微波场中时，微波电磁场对物料的作用有两方面的效果：
一是微波能量转化为物料热能而对物料加热，另一种则是物料中的生物活性组成部分（如蛋白质或酶）或混合物（如细菌、霉菌等）相互作用，使它们的生理活性得到抑制或激励。
前者称为对物料的加热效应，后者则称为非热或生物效应。
微波加热方式是瞬间穿透式加热，被加热的物料直接吸收微波能而即刻生热，因而速度快且内外受热均匀。
同时，物料中的微生物也会吸收微波能而使温度升高，破坏菌体中的蛋白质成分，起到杀死微生物的作用。
另一方面，细菌处在微波电场环境下，受到电磁场作用，细菌赖以生存的细胞膜与外界交换营养物质的“离子通道”关闭，正常的生理活动受到干扰停顿，造成细胞膜的瞬间破裂，成为细菌致死的重要原因。
总地来看，微波加热和灭菌杀虫具有如下优点：
w
微波加热是由微波能量深入物体内部转为热量使物料升温，不依靠热传导，能够对物料整体里外同时加热，物料内外温差小，温度分布均匀，物料表面不易结硬壳；
微波加热热效率高，温升迅速，预热时间短，加热均匀，节省能源；
加热物料无热惯性，容易实现对物料加热温升状态的控制；
电磁场的生物效应，在低温60℃左右对细菌、霉菌和虫卵有很好的杀灭作用。
用于食品加工，既不污染食品，也不污染环境，而且不破坏食品的营养成分。
此外，对于木材，还有改进木材柔韧性的作用。
1.3.
微波能的利用
微波能的利用几乎渗透到了社会生产生活的各个领域。
从应用角度来看，主要可分为物料的快速加热及烘干、食品的杀菌灭虫以及材料改性等几个方面。
下面仅举几个具体应用领域。
1.微波加热及烘干
传统的加热方式是采用蒸汽、电热管或其它能源作为发热体，通过热传导、对流、辐射等方式对物料进行加热及烘干。
这种方式的加热过程是从表面逐渐向内部深入，且需要对加热隧道内的全部介质进行加热才能实现物料温度的升高。
不仅耗能大，而且需要比较准确的控制加热腔内的温度，才能保证物料温度不至于过高。
另外，即使采取比较高效的保温措施，对工作环境的温度影响依然很大。
微波加热则与传统加热方式完全不同，微波加热是从物料内层开始，然后由里层向外扩展，形成物料整体受热，等于增加了受热面积，而不是常规加热那样局限在物料表面界面，升温速度快。
此外，在加热箱体内，除被加热物料以外的其它物料不会吸收微波能量，温度升高很小。
因此，在微波加热过程中，除了被加热物料的升温外，没有其他热损耗，节能效果非常明显。
据文献报道，微波加热的热转换效率在95%以上，而蒸汽加热为15%以上，红外加热为50%以上。
由于微波加热时，物料是整体升温，升温速度快，因此同样长的生产线，微波加热方法的传送物料速度可比传统方法快，可有效提高单位时间的产量。
综上所述，采用微波加热的方法，对物料进行加热，具有加热速度快，节约能源，对环境影响小等优点。
资料显示，采用微波方法对物料烘干，当物料在30%以下时，具有非常显著的节能降耗效果。
这在能源日趋紧缺的今天，无疑是吸引众多用户的重要因素。
此外，对于含水率在5%以下的物料，传统的烘干方式由于空气中的湿度问题，效率非常低。
而采用微波加热烘干方式的效果更加显著。
下面以玻璃纤维丝干燥为例，说明微波干燥和红外加热干燥的经济效益分析。
要求含水率降至1%以下，目前工艺多采用红外加热干燥的方法。
对于缠绕成筒状的纱团直径约为30cm的玻璃纤维，红外加热需要十几小时，微波干燥只需几十分钟。
各项对比情况见下表。
玻璃纤维丝干燥方法的效果对比
微
波
干
燥
红外加热干燥
耗
能
175（kW.h/t）
288（kW.h/t）
外
观
洁白，色泽光亮
外泛黄，色泽不匀，平均废品率1%
手
感
柔韧，有弹性
硬脆感
含水率
＜1%
内外层不匀，内层约为3%
渗透时间
1′05″
33″
作业方式
连续生产
间歇生产
如按照年产6000吨（t）计，每吨节电113（kW.h/t），全年节电67.8万度。
0.7元/度，节省电费47．46万元。
加上降低1%的年平均报废率，金额为27万元（4500元/t）。
仅此两项合计可回收74.46万元。
如再考虑到经微波加热干燥的玻璃纤维丝，洁白，色泽光亮，柔韧，有弹性，易着色，易缠绕再加工等优点所带来的产品价格升值。
经济效益十分显著。
2.
杀菌灭虫及保鲜
随着我国食品工业标准的日趋完善，对食品中菌落总数、保鲜周期、食品的营养成分等要求也越来越鲜明。
这对以传统加工工艺为主的我国食品加工行业将是一个重大的挑战。
食品的保质期实际上主要取决于出厂时食品中的菌落总数。
利用微波对物料产生的生物效应可实现食品的低温（不超过60°
C）杀菌，可在不影响食品品质前提下，有效延长食品的保鲜时间。
微波杀菌温度低、杀菌时间短，它能在极短时间内让细菌死亡，例如大肠杆菌杀灭时间为30秒。
由于微波杀菌属于物理性质的杀菌，不存在放射性物质的残留和污染，也没有化学防腐剂成分积累对人体危害。
与食品等行业普遍使用的巴氏加热杀菌法相比，微波杀菌具有以下显著特点：
（1）
同样杀菌温度下，所需杀菌时间短；
在相同杀菌条件下，菌致死的温度低。
（2）
能同时对被杀菌物料表里实施整体杀菌。
极大地缩短杀菌周期，并保证杀菌工艺的一致性。
普通加热方法，对大肠杆菌、葡萄糖球菌等的杀灭率比较高，而对芽孢杆菌的杀灭率则不理想。
微波杀菌则对各种细菌具有很好的杀灭作用。
下图是对芽孢杆菌进行杀灭的菌致死率对照图。
据国外的文献报道，经微波杀菌的食品，其养分的保持远高于巴氏加热消毒。
由此产生的效益是极其巨大的。
杀菌作用的结果是食品的保鲜，在保持养分不损失的条件下，达到了食品保鲜的效果，并且保鲜周期增长。
在杀菌保鲜的同时，不影响食品的色泽和口感。
尤其值得一提的是，利用微波加工线进行杀菌，由于微波可穿透如塑料等外包装，因此可在食品包装完成后，透过包装进行杀菌处理，可有效避免杀菌后的二次污染问题。
目前，国外已经在包装食品行业中推广微波杀菌技术，而我国国内则在面包、糕点、月饼等生产线中开始尝试这项技术。
3.
微波加工技术
微波加热的温升速度快，且是整体加热，对食品有一种类似快速蒸煮的效果。
不仅节省了加热时间，提高了生产效率，而且有效缩短了物料在高温下的保持时间，最大限度地保存物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成分。
因此，食品的微波加工已经成为一种完全不同于传统加工技术的新兴技术。
普通加热烘干的绿茶，VC含量只有171.6mg/100g，但微波处理干燥的绿茶中，VC的含量高达428.6mg/100g。
此外，利用微波处理的食品，其它维生素及氨基酸的含量也较普通加热方式有显著提高。
利用微波加工技术生产糕点类产品，可在最大程度上保持了原料的风味。
因此，可通过对加工工艺参数的控制，在不影响口感及外观的前提下，去掉一些食品添加剂，提高糕点类产品的整体品质。
此外，由于微波加热的升温速度快，会将食品物料内的微细管道出口封闭，从而使得管道内部的气压由于温度升高而增大，导致一种“膨化”的效果。
这是一种完全不依赖于化学添加剂的膨化，不仅口感好，还可充分保持食品的原风味，对人体无害。
目前，国内已经有文献报道，在苹果片的加工中采用微波加工手段，得到了品质优良的苹果脆片。
我们在实验中也得到了相似的结果。
4.其它应用
随着能源问题的日益突出，关于微波能的应用研究，目前在国内外都是一个热点研究方向。
①美国有研究小组提出了一种微波烘干衣物的方法，并进行了初步实验。
表明采用微波烘干衣物可比热风烘干节能50%以上，且节省时间。
进一步需要解决的问题是衣物中存在微小金属物品时导致的局部过热问题。
②我国在非典期间，有人在医院进行了微波杀菌方面的实验，对病人的床单进行杀菌处理。
比对巴氏杀菌法，这种杀菌方法效率提高80%以上。
可惜的是缺乏进一步的资金支持，未能继续进行深入研究。
③氧化物陶瓷的微波烧结技术，是目前国内外化工及材料科学方面的学者研究的重要方向之一。
目前的研究结果表明，微波烧结陶瓷具有更好的力学和热学性能，如微波烧结拉伸模，优于常规烧结，也优于合金钢拉伸模。
功能陶瓷的微波烧结也取得了良好的效果。
氧化物陶瓷实样微波烧结已可得到稳定可靠的烧成率，非氧化物陶瓷的研究工作则重点在提高烧成率方面寻求突破。
在我国国内，目前从事这方面研究的学者大多属于化工及材料科学领域，缺乏自己研制设备的能力，购入设备将是主要的选择。
④利用微波的生物效应，英国的研究小组报道了一种用于杀灭土壤中害虫的微波能装置，可有效杀灭土壤中的害虫及其虫卵。
如果这一技术能够在我国得到应用，则将会大大降低蔬菜水果中的农药残留量。
⑤微波能技术还可用于污水处理，使污水处理方法变得更简易有效：
其原理是微波对流体中的不同物质进行选择性分子加热；
微波对流体中的吸波物质的物化反应具有强烈的催化作用；
流体中的固相微粒在微波场中能迅速汇聚沉降与水分离；
由于微波加热是吸波物质分子直接加热，所以废水置于微波场中，不但温升迅速，而且微波能量非常集中，并且在较低温度下就能杀灭微生物；
另外，由于微波对流体的穿透作用，置于微波场中的流体表现为加热非常均匀；
由于流体中吸收微波能的物质分子可直接将微波能转化成热能，因此不会给被处理流体带入任何新的污染物，而且节省综合耗能，设备占地面积也大大减小。
1.4.电磁能的综合应用
虽然微波加热有诸多优点，但也有其不足之处。
以下是文献中报道的两个例子：
（1）.利用微波加热烘干技术烘干魔芋块茎时，对块茎的形状要求较高。
有些形状的块茎加工后容易出现“外生内熟”的现象。
（2）.利用微波技术烘干高含水量物料（含水率60%左右）时，在30%含水率以上时的节能效果不明显，且耗时较长，生产效率不高。
以上两个例子的共同原因在于微波的选择性加热特点：
当烘干魔芋块茎时，外部的水分容易散失，而内部的水分则需要扩散到表面后才能散失。
因此，如工艺参数控制不好，或者块茎形状不合适，容易在表面形成一层“半生”的低含水率“硬壳”。
这层硬壳由于含水率低，不容易再吸收微波能，因此很难熟透。
而且又阻止了内部水分的进一步散失。
在烘干高含水率物料时，虽然升温速度快，但水分从中心向表面扩散的速度成为制约烘干速度的“瓶颈”所在，比较起热风干燥方式，优势不很明显也是必然。
鉴于如上考虑，我们研究掌握了针对具体应用场合的实际需求，将各个波长的电磁能棕合利用的技术，充分发挥各个波段电磁波的加热特点，可得到更好的效果。
例如，红外加热方式的特点在于被加热物料是从外到内逐步升温。
将此特点与微波加热相结合，就可形成真正意义上的整体加热，避免了“外生内熟”或者“内生外焦”现象。
实际上，近两年我国国内炒得很热的所谓“光波炉”就是这种方式的一个典型应用例。
只不过功率比较小，且对加热的均匀性要求不高而已。
再如，对于高含水率的物料，可采用热风与微波同时使用的方式。
而热风的产生则可参照电磁炉的工作原理，或采用特殊材料制作成为吸收微波的发热板。
这种方式的优点在于结构简单，制作容易且容易控制。
2.本项目的实施基础及创新之处
一套完整的微波加工设备的组成如下图所示。
微波加工系统主要由电源、微波发生器、微波干燥器、传动系统、排湿冷却装置、过程监控系统以及安全保护系统等几部分组成。
1.微波发生器
微波发生器是微波加工设备的关键部分，它的心脏部分是产生微波的电子管——微波管，其主要作用是产生所需要的微波（能量），然后微波通过波导装置无损耗地传输到微波谐振腔中。
多个微波谐振腔串联组成微波加工隧道。
被加工的物料由物料传送系统，连续通过微波加工隧道，实现对物料的微波加工。
通过对物料传送系统输送速度以及微波谐振腔内微波功率的控制，实现对微波加工工艺的参数调控。
微波波导
微波波导是实现微波能由微波发生器到微波谐振腔之间无损耗传输的重要元件。
微波波导的设计及加工工艺对微波加工效率乃至微波加工设备的寿命都是至关重要的。
理想的微波波导应实现合适的阻抗匹配，且保证从谐振腔中反射回来的微波不至于直接反射到微波发生器中，避免对微波发生器的损害。
3.微波谐振腔
微波谐振腔是实现物料与微波相互作用的空间，微波能量在此转化为被加工物料的内能，实现对物料的微波加工。
微波谐振腔的设计应保证微波能在谐振腔内的均匀分布，且无微波泄漏问题。
4.排湿冷却装置
排湿装置的作用是排出物体中蒸发的水蒸汽。
一般在加热器箱体的一侧和底边设有许多排湿孔，在箱体的一侧排湿孔外面设有风道，与一台离心通风机的吸气口相连，以排除箱内的水蒸汽。
微波发生器在工作过程中自身会产生热量，因此大功率的微波发生器需要配备合适的冷却系统。
冷却可采用水冷及风冷两种方式。
大功率的微波发生器一般采用水冷方式，但系统比较复杂。
小功率的微波发生器可采用风冷装置，结构简单且制作成本低。
5.传动系统
传动系统的传输速度和调速范围要适应被加工物料的工艺要求，可连续不断地将它们送入微波隧道中进行加工，并将加工后的物料输送到下一道工序。
物料输送带采用低耗微波介质材料，如聚四氟乙烯玻璃纤维带、聚乙烯带等。
传动系统由传送带、调速电机、变速箱、链条轮及滚筒等组成，传输速度由无级变速控制箱进行调节。
6.监控系统
监控系统用来调节设备的各种运行参数，以保证设备的输出功率、输送速度、排湿冷却等。
监控系统应能够根据工艺的要求，及时、方便、灵活地控制与调整。
监控系统既可安装在微波发生器上，又可与主机分开，也可以把若干台微波加工设备的监控系统集中安装在一个总控制台上，进行工艺参数的总控制。
对于由多个微波发生器所组成的微波加工系统，由于每个微波发生器的实际使用寿命不同，监控系统还应该能够对每个微波发生器的工作状态进行实时监控，对微波发生器的工作状态及时做出调整，对已经失效的微波发生器给出提示，以便用户及时对该微波发生器进行更换。
7.物料状态监视系统
物料状态监视系统主要用于监视在隧道式微波加工箱体内物料的状况。
根据前期的调研情况，这一系统在许多生产厂家为可选功能。
该系统的作用在于提供给用户一个良好的人机，可在线观察物料在微波加工隧道内的运行状况，并及时做出调整。
本项目经过两年多的研究，主要在如下几个方面取得了突破：
1.低损耗微波波导
微波从微波发生器经过微波波导传输到微波谐振腔的过程中，总会有一些损耗。
本项目主要针对2450MHz的微波波导进行了理论及实验方面的研究，总结出了一整套微波波导的设计算法。
所设计的微波波导传输效率在95%以上，且有效避免了谐振腔内微波反射对微波发生器可能造成的损害。
2.多模多源微波谐振腔
谐振腔就是微波加热器，相当于声学中的共鸣箱。
谐振腔的主要参量是谐振波长（）及品质因数（）。
若输入微波的频率等于等于谐振腔的谐振频率，则在腔内会激起强烈的振荡。
谐振频率主要取决于谐振腔的形状、尺寸、负载和波型。
微波在谐振腔体内部的反射，使得谐振腔内形成多种工作“模式”。
谐振腔内的模式越多，电磁场的分布结构就越多，谐振腔内的微波能分布也就越均匀。
传统的微波谐振腔设计理论，都是基于单个微波源和空载的情况。
单个微波源要达到工业加工所需要的功率，必须采用大功率的微波发生器。
而大功率的微波发生器不仅造价昂贵，而且对电源配备、冷却系统等方面的要求高，维护也不方便。
本项目提出了一种有负载情况下采用多个微波源实现大功率微波谐振腔的方案。
这种方案可通过低功率微波发生器的组合，实现大功率微波加工的目的。
这样，不仅对电源配备要求降低，而且可采用简单的风冷系统实现冷却。
此外，微波发生器的成本也大大降低，且微波发生器失效后的更换成本低廉，适合大面积推广应用。
但这种方案需要解决的一个关键问题就是多个微波源所发出的电磁波在谐振腔内的干涉问题。
干涉问题的存在，可能导致微波能在谐振腔内互相“抵消”，降低微波效率，即实际的微波功率不是“1+1=2”，而是“1+1〈〈2”。
本项目采用数值仿真的方法，结合实验数据，总结出了一套针对多微波源的谐振腔设计理论。
利用该理论所设计的微波谐振腔，可有效避免多个微波源所发出的微波能在谐振腔内的干涉问题。
就目前我们所掌握的资料来看，尚未发现国内外有类似的理论成果报道。
在以上研究基础上，实现了一种多模多源微波谐振腔。
前期实验表明，这种多模多源微波谐振腔可有效利用低功率微波发生器的组合，实现大功率的微波能输出。
谐振腔内微波分布均匀，制作成本及维护成本均大大降低。
3.多种物料的电磁波加工工艺
利用所研制的多模多源微波谐振腔，对多种介质的物料的电磁波加工工艺进行了理论及实验研究。
所取得的结果有：
谐振腔内存在的金属物料，其尺寸及形状是影响微波谐振腔工作效率的重要因素。
实验结果表明，只要控制好金属物料的外形及尺寸，即可有效控制其对谐振腔内微波能分布的不利影响。
这一结论不仅可用于指导谐振腔加工工艺的设计，而且可用于微波—红外组合加工时设备的设计。
此外，还可有效避免因金属物料存在而产生的“打火”、过热等问题。
对于高含水率介质的微波加工，温度可快速升高，但水分的散失速度取决于物料本身的特性以及排湿系统的合理设计。
（3）
对于低含水率的物料，微波加工的烘干效果明显，且温度升高不显著，节能效果明显。
（4）
微波加工可在不超过60°
C的温度下，在2分钟内可100%杀死物料内的米象、锯谷盗和咖啡豆象等害虫。
（5）
对于块状食品物料的加工，微波加工要取得比较理想的微波“蒸煮”效果，需与红外加工方式组合。
（6）
微波加工可在2分钟内对塑料包装的食品进行杀菌处理。
3.国内外市场分析
从目前所掌握的资料来看，本项目所涉及的电磁波加工设备，在粮食加工、食品加工、水果保鲜、工业产品的烘干等方面已经出现了巨大的市场需求。
1.粮食加工和保鲜
资料报导，收获后的稻谷在一小时之内立即干燥，与放置5、10、20小时甚至数日再进行干燥，其米质都不一样。
在日本、美国等发达国家，含水率24%的稻谷放置10小时后在进行机械干燥，只能作为饲料粮。
美国、日本、台湾省谷物干燥机械化都已达到95%以上。
台湾省的米价高出我国5～6倍，日本高出10倍甚至100倍。
因此，推广机械干燥技术是提高谷物生产效率的必由之路。
目前我国国内的粮食烘干基本还是采用非常原始的自然晾干方式。
一旦遇到阴雨天气，粮食的品质就会迅速下降，导致大量的浪费。
热风烘干方式虽然处理速度快，但耗能大且污染环境。
在能源日益紧缺的今天，已经很难满足要求。
此外，粮食的杀菌灭虫问题非常突出。
目前我国大量粮库采用的
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