中草藥微波萃取裝置的設計

1、中草藥微波萃取裝置的設計                        作者：孫宏麗，閆其年，石建國，楊寶柱【摘要】  設計了一種大容量分層輻射微波萃取裝置，微波頻率915 MHz，容積可大于10m3；通過多根矩形波導管將微波導入萃取罐內(nèi)，解決了微波穿透深度不足的問題，實現(xiàn)均勻加熱。分析表明：大容量罐體微波輻射均勻，結構簡單，安全可靠，可實現(xiàn)保溫、恒溫、常壓

2、、正壓、負壓等萃取工作，滿足不同中草藥萃取的工藝要求。 【關鍵詞】  微波萃取； 多模諧振腔； 波導管； 中草藥； 微波加熱微波技術在雷達、通信系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)已得到了廣泛的應用，近年來微波加熱技術在醫(yī)學、食品加工、石油、環(huán)境保護等領域也開始普及應用。微波技術應用在萃取領域，特別是中草藥的萃取技術與裝備,只是剛剛起步，還停留在實驗階段。目前國內(nèi)用于微波中草藥萃取的頻率大多選擇2 450 MHz，罐體容積0.53 m3。由于微波穿透深度有限，微波萃取設備必須配備攪拌器，實現(xiàn)動態(tài)提取。    目前及專利中所報道的中草藥微波萃取裝置均存在一定的局限性。主要有兩類

3、，一類是需要加裝中央套管（或叫內(nèi)罐、隔離器），它是用非金屬材料（如：聚四氟乙烯）制成。另一類需要在金屬罐體上開多個孔，嵌入非金屬材料并加以密封后安裝磁控管。這兩類結構的罐體直徑不可能做大，因為微波的穿透深度有限，在水溫度升到95時，2 450 MHz的滲透深度也只有4.8 cm，即便安裝了攪拌器，大部分中草藥還是靠熱傳導加熱的，微波萃取的優(yōu)勢將難以體現(xiàn)。本文設計了一種可化萃取的大容量分層輻射微波萃取裝置，罐體容積達到工業(yè)化的生產(chǎn)規(guī)模，且微波輻射均勻，萃取率高。1  微波的加熱萃取原理    微波是指頻率在300MHz300 GHz之間的電磁波,對應的波長

4、范圍為1 1×10-3mm。目前應用于工業(yè)和家用的微波頻率主要為915 MHz和2 450 MHz。在微波場內(nèi)能夠吸收微波并將其轉變?yōu)闊崮艿牟牧戏Q為介電材料(或吸波介質(zhì)),這類材料往往具有較大的介電常數(shù)和介電損耗系數(shù)，主要是含水、含脂肪的物料，以及極性和磁性化合物。在微波輻射下，介電材料內(nèi)部的分子極化最終導致了能量的轉化。因此這種在電磁場中由介質(zhì)損耗引起的內(nèi)加熱不僅速度快，而且沒有溫度梯度和熱應力，沒有滯后效應，其能量以電磁波的形式傳遞，具有高效的轉換效率。微波加熱可對被加熱物料里外一起加熱,加熱極快,并且熱損耗小、熱效率高1。微波輻射到達中草藥內(nèi)部的維管束和腺細胞內(nèi)，由于中草藥內(nèi)的

5、水分大部分是在維管束和腺細胞內(nèi)，水分吸收微波能后使細胞內(nèi)部溫度迅速上升，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過細胞壁膨脹的能力，從而導致細胞內(nèi)的有效成分的滲出2。2  大容量分層輻射微波萃取裝置簡介    大容量分層輻射微波萃取裝置如圖1所示，主要包括微波萃取罐、多個磁控管和矩形波導管、攪拌器、防漏截止波導管、智能控制系統(tǒng)等。    將磁控管安裝在矩形波導管上，將微波能封閉起來，傳輸?shù)焦迌?nèi)，通過矩形波導管上的上下饋口，在微波萃取罐內(nèi)激發(fā)起電磁場，實現(xiàn)加熱過程。    將多根矩形波導管在罐體的某一高度，圓周方

6、向均勻布置，如圖2所示。通過調(diào)整波導管上饋口的位置與數(shù)量，使微波能在這一平面上均勻輻射。通過多層這樣的輻射面（見圖1），使整個微波萃取罐的輻射均勻。    微波萃取罐采用圓柱形，即為圓柱形諧振腔。當頻率選定時，三維尺寸越大，腔體內(nèi)分布模式越多，這種“多模諧振腔”可以使其中的電場分布更均勻，以改善溫度分布的均勻性3。同時圓柱形結構易滿足壓力容器的設計要求。    罐體內(nèi)設有攪拌器，中心軸通過罐體頂部的密封，與罐體外的電機連接，實現(xiàn)攪拌。罐體下封頭中心位置裝有排渣口；罐體上封頭的一側面裝有進料口，另一側面裝有進液管、回流管，回流管與冷卻回

7、流裝置相連接；罐體上封頭的正面安裝溫度、壓力顯示儀表及接入溫、壓傳感器，通過智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精確萃取。3  微波萃取罐主要結構的設計    為了加快淘汰落后產(chǎn)能，積極推進產(chǎn)業(yè)升級，根據(jù)我國中草藥萃取的現(xiàn)狀，在結構設計中，主要考慮了以下因素：大容量，滿足工業(yè)化微波萃取的需要；微波輻射要均勻，萃取率高；結構簡單，安全可靠，成本低；有利于使用現(xiàn)有裝備對罐體進行加工；有利于對現(xiàn)有的萃取罐體進行改造；實現(xiàn)保溫、恒溫、常壓、正壓、負壓等萃取工作，滿足不同中草藥萃取的工藝參數(shù)要求。1        

8、; 3.1  罐體的設計中草藥萃取罐體常規(guī)設計均為圓柱形結構，易滿足壓力容器的設計要求。微波萃取罐體，作為微波和中草藥相互作用的場所，仍采用圓柱形，即為圓柱形諧振腔，電場分布更均勻，比較適合物料的快速升溫要求。本設計罐體材料為不銹鋼，鋼板厚度視承受壓力及結構而定。罐體直徑D罐體高度H=/2×n（為微波波長，n為大于2的正整數(shù)）。容積可為1030 m3。3.2  輻射結構的設計在不銹鋼罐體的同一高度層面上，接入多根不銹鋼矩形波導管，在圓周上對稱布置（如圖2所示）并焊接密封。罐體內(nèi)的矩形波導管上、下方向開挖有矩形饋口，饋口用聚四氟乙烯密封，饋口的位置及數(shù)量以

9、滿足罐體內(nèi)微波能在這一層面均勻分布。罐體外的矩形波導管上方安裝磁控管及磁控管屏蔽罩，下方焊接防漏截止波導管。加裝多層矩形波導管，實現(xiàn)分層輻射微波萃取。根據(jù)微波萃取罐的實際結構尺寸，主選兩種矩形波導管型號BJ-9和BJ- 12，截面尺寸(mm) 分別為250 mm×125 mm和109 mm×54.5 mm，材料選用不銹鋼。3.3  防漏結構的設計接入罐體內(nèi)矩形波導管上的饋口，一旦密封失效，萃取液將滲入波導管內(nèi)，這不但影響微波能的傳輸，還將威脅磁控管的安全運行。為此如圖3所示，在微波萃取罐外的波導管下部正中心處，開一窄長孔3，焊接一根圓形防漏截止波導管4。窄長孔和防

10、漏截止波導管可以將萃取液排出，對微波是防漏的。當液體漏出，漏液傳感器將及時報警，以保證磁控管的安全。3.4  其它結構設計微波萃取罐的加熱部件就是磁控管。本設計采用多個頻率為915 MHz，功率10 kW左右磁控管，應用微波非相干功率合成技術5，實現(xiàn)了一種低成本、大功率的微波萃取罐。    兩層矩形波導管中央設置有攪拌器，可用底層或頂層的矩形波導管兼做攪拌器軸的支撐架。攪拌器的作用：反射微波，使微波能更加均勻地被物料吸收并轉化為熱能；同時實現(xiàn)物料的均勻混合、促進溶解和強化熱交換。    微波萃取罐體全部采用焊接連接；進液管、

11、排液管為細長管，滿足截止波導管條件；進料口、排渣口設有凸凹槽及罐蓋設有扼流結構6。這些措施，防止了的微波泄漏，滿足微波設備1mW /cm2的國家安全標準（GB10436-89）。4  微波萃取裝置的應用    本設計在工程應用上的創(chuàng)新之處在于：將微波能通過矩形波導管傳輸?shù)焦迌?nèi)，由矩形波導管上的饋口輻射微波，實現(xiàn)罐內(nèi)加熱過程。由于矩形波導管為分層設計，即層與層之間的距離不變，而罐體的直徑可根據(jù)生產(chǎn)需要增大，但不會影響微波輻射的強度與均勻度。由于饋口的面積較小，有利于承受壓力，實現(xiàn)正壓、負壓萃取。    同時，微波萃取與傳統(tǒng)熱萃

12、取的相比優(yōu)點在于：對萃取物具有高選擇性；萃取快， 可節(jié)省近1倍的時間；溶劑用量少，比常規(guī)方法減少50 90 ；產(chǎn)率高，重復性好， 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，后處理方便；適用范圍廣，整體造價和運行成本低。    本設計微波萃取裝置適用于塊狀、片狀、顆粒狀、粉狀中草藥的萃取?？蓪⒅胁菟庯嬈▎畏交驈头剑┌粗亓恳淮瓮度胛⒉ㄝ腿」拗?，加入溶劑，封閉進料口。根據(jù)不同中草藥萃取的工藝參數(shù)，選擇保溫、恒溫、常壓、正壓、負壓或回流萃取。無論選擇哪種萃取方式，工作前一定要關閉好進料口、排渣口，防止微波泄漏。【】  1諶偉艷,韓永忠,丁太文,等.微波熱修復污染土壤技術研究進展J. 微波學報, 2008, 22(4): 66.2于定榮,楊梓懿.微波技術在中藥制藥中的應用J.湖南中醫(yī)學