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微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 摘要 传统的甘蔗糖分提取主要采用压榨法和渗出法，存在着费时、能耗大、 提取效率低等缺点，已不能满足糖业发展的需求。而微波辅助提取技术以加 热均匀、选择性好、提取效率高、节能环保等诸多优势，逐渐受到人们的 青睐。本论文将微波技术应用到甘蔗糖分提取过程，研究蔗糖微波提取机 理，开发微波辅助提取装置，分析提取过程中工艺参数对提取效果的影响， 优化提取工艺。主要工作和成果如下： 1 设计制造微波辅助提取装置。装置微波频率为2 4 5 0 m h z ，由矩形波 导耦合传输；加热器形状为箱型2 5 0m m 2 8 0 m m 3 5 5m m ；装置设有截止 波导、扼流槽等电器密封结构和搅拌机构。 2 。分析矩形波导谐波响应。使用有限元软件a n s y s 对波导的电磁场 分布进行模拟；提取波导的散射参数，验证波导的工作状态；并分析了尺 寸变化对波导散射参数的影响。研究表明：波导的工作状态良好，具有很 高的传输效率；单模传输，宽窄边长度一定时，波导长度越短，电磁能在 波导中的损耗越小，传输效果越好。 3 使用设计的微波加热装置，根据水料比、微波输出功率、微波处理 时间、p h 值、提取次数等影响因素，设计单因素及正交试验。确定本试验 条件下微波辅助提取甘蔗糖分的最佳工艺条件为：微波输出功率5 8 6 3 w ， 提取时间18m i n ，水料比3 ：1 ( v - w ) ，p h 值7 2 ，提取1 次。 4 试验比较微波辅助提取法与传统热水浸提法的提取效果。结果表明： 采用微波辅助法提取甘蔗糖分明显地缩短了提取时间，提高了提取率以及 提取效率，优于浸提法。 最后，本文对蔗糖微波辅助提取技术做出展望。 关键词：蔗糖微波提取谐波响应有限元法 r e s e a r c ho nm i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n o f c a n es u g a rt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc a n es u g a re x t r a c t i o nm e t h o d sw e r ee x p r e s s i o na n dh o t w a t e re x t r a c t i o n t h e s em e t h o d sh a dal o to fd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s t i m e - c o n s u m i n g ，l a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dl o we x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ，a n d s oo n t h e yc o u l dn ol o n g e rm e e tt h ed e v e l o p m e n tn e e d so ft h es u g a ri n d u s t r y m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o nt e c h n o l o g yh a dg r a d u a l l ya c c e p t e db yt h ep e o p l e f o ri t su n i f o r mh e a t i n g ，g o o ds e l e c t i v i t y , h i g he x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r ， m i c r o w a v et e c h n i q u eh a db e e nu s e df o r t h ec a n es u g a re x t r a c t i o np r o c e s s t h e m a i nw o r k sa n da c h i e v e m e n t so ft h ep a p e rw e r ea sf o l l o w s 1 am i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o nd e v i c ew a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h em i c r o w a v ef r e q u e n c yw a s2 4 50 m h z t h em i c r o w a v et r a n s f e r r e db yt h e r e c t a n g l ew a v e g u i d e t h e s i z eo ft h e b o x t y p e h e a t e rw a s2 5 0 m m x 2 8 0 m m x 3 5 5m m t h e r ew e r et h ec u t - o f fw a v e g u i d e ，t h ec h o k eg r o o v e ， a n dt h ea g i t a t i n gm e c h a n i s mi nt h ed e v i c e 2 t h eh a r m o n i cr e s p o n s eo ft h er e c t a n g l ew a v e g u i d ew a sa n a l y z e d t h e e l e c t r o m a g n e t i s mf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h er e c t a n g l ew a v e g u i d ew a ss i m u l a t e d w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h ev a l u e so fs c a t t e r i n gp a r a m e t e r s i i i w a se x t r a c t e d t h ew o r ks t a t u so ft h ew a v e g u i d ew a sv a l i d a t e d t h e w a v e g u i d es i z ec h a n g i n gi m p a c to nt h es c a t t e r i n gp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a tw a v e g u i d ew o r k e di ng o o dc o n d i t i o na n dt h es h o r t e r w a v e g u i d el e n g t ht h eb e t t e r t h et r a n s m i s s i o nw h e nt h ew i d t ha n dh e i g h ti s c e r t a i n 3 c a n es u g a re x t r a c t i o nt e s tw a sd o n ew i t ht h ed e s i g n i n gm i c r o w a v e h e a t i n gd e v i c e t h ee x t r a c t i o np r o c e s sw a ss t u d i e db yt h es i n g l ef a c t o r sa n d t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e ：m i c r o w a v e o u t p u tp o w e r5 8 6 3 w , e x t r a c t i o nt i m e1 8 m i n ，l i q u i d ( i n l ) 一s o l i d 龟) r a t i oo f 3 ：l ， p h7 2 ，a n de x t r a c t e do n et i m e 4 t e s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r i n g w i t l lt r a d i t i o n a lw a t e re x t r a c t i o n m e t h o d ，m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o ne x h i b i t e dh i g h e re x t r a c t i o ne f f i c i e n c y a n dl e s se x t r a c t i o nd u r a t i o n 。 f i n a l l y , t h ep a p e rp r o s p e c t e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s u g a r m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c a n es u g a r ；m i c r o w a v ee x t r a c t i o n ；h a r m o n i cr e s p o n s e ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：穆釜字 学位论文使用授权说明 如( i 年6 月砬日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： j 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：携呈告 导师签名 年易月2 1 日 广西大学硕士学位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 1 1 概述 第一章绪论 近十几年来，我国甘蔗糖业的发展取得了飞速的进步。随着甘蔗糖业生产规模的不 断扩大和生产水平的持续提高，我国已成为世界食糖生产第三大国。广西、云南、广东、 海南四大蔗糖产区，年收获甘蔗高达1 1 3 3 万公顷，单产达每公顷6 1 5 吨，年产甘 蔗8 0 0 0 万吨，甘蔗蔗糖分达1 4 以上，年产白砂糖8 0 0 多万吨，约占我国食糖产量的 9 0 n 】。2 0 0 7 年，全国甘蔗糖销售收入5 4 8 亿元，同比增加6 2 亿元，增长1 2 7 ；甘蔗 制糖业税收4 7 7 亿元，农民种植糖料收入同比增加6 5 5 亿元，甘蔗产业的发展促进了 农民增收、企业增效和国家经济n 1 。 然而，在取得这些令人注目进展的同时，甘蔗制糖业也存在着能耗大、效率低等问 题。甘蔗制糖的过程主要包括提汁、清净、蒸发、结晶成糖等工段。传统提汁主要应用 压榨法和渗出法。压榨法要经过四至六座压榨机的压榨，并辅以复式多重渗透，需要庞 大的机械设备，提取效率低。渗出法则需要生产8 0 左右的热水，用热水与稀汁多次浸 提出甘蔗糖分，能耗巨大；而且热量通过热传导由被加热物料的表面逐步向中心传递， 加热不均匀，传递过程不易控制，时间长，效率低，热量损失严重。如何高效、节能的 提取甘蔗糖分，对蔗糖的生产意义重大。 随着微波技术的发展，2 0 世纪6 0 年代以后，除了作为信号传输手段在通讯领域应 用外，微波作为一种新型能源在生物、地质、冶金、煤炭、医药、食品等众多领域都得 到了广泛的应用。例如：微波治疗；有机合成；食品的熟化、杀菌、干燥、解冻、储藏； 植物有效成分提取等。 利用微波提取植物有效成分，能够直接作用于植物细胞，对植物有效成分具有高选 择性，可有效地保护物料中的有效成分。微波提取迅速，提取效率高；耗能较低；生产 线组成相对简单，节省投资，无污染。将微波技术应用到蔗糖提取过程无疑将节省电能、 热能的消耗，提高糖汁的质量及蔗糖提取效率，为蔗糖提取的发展开拓更为广阔的空间。 本文针对甘蔗糖厂提汁阶段，将微波辅助提取技术应用到甘蔗糖分提取过程。根据 提取要求设计试验设备；利用有限元方法分析设备波导的谐波响应特性，对波导的工作 状态进行模拟分析；通过水料比、微波输出功率、微波处理时间、p h 值、提取次数等影 l 广西大国明页士学位论文 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 响因素，设计单因素及正交试验，确定微波辅助提取甘蔗糖分的最佳工艺参数，并与传 统蒸煮提取方法进行比较，验证微波辅助提取法的先进性。 1 2 糖厂甘蔗糖分提取现状 随着制糖技术的不断发展，甘蔗提汁方法主要可分为压榨法、渗出法( 热水蒸煮法) i 2 1 压榨法 压榨法是现在普遍采用的一种比较成熟的方法。压榨法所用的设备已实现定型化， 技术成熟，历史悠久。此法的特点是将原料甘蔗经四至六座压榨机压榨，并辅以复式多 重渗透，从各方面提高糖分的提取率，获得一定数量的混合汁与蔗渣乜1 。此法需要庞大 的机械设备，能耗大，提取效率及提取率低。 1 2 2 渗出法 第二次世界大战以后，甘蔗糖厂引入渗出法进行提汁。渗出法又分为蔗丝渗出法和 蔗渣渗出法。蔗丝渗出法是在渗出设备内用热水与稀汁多次浸提出撕碎的蔗料中的蔗糖 分，用脱水机将排出的蔗渣压至含水份4 5 5 0 。蔗渣渗出法是用一台压榨机将已破碎 的蔗料处理后，经热水与稀汁多次浸提出其中的蔗糖分，再经一至二座压榨机脱水处理 排出的蔗渣口1 。此法利用热水，加热不均匀，也存在着能耗大，提取效率及提取率低的 不足。 1 3 微波辐助提取技术及微波加热设备的发展 第二次世界大战中，科学家利用微波技术发明了雷达，从此人们对微波工业发展产 生浓厚兴趣。五十年代在美国，人们利用微波加热食品取得了微波应用的第一个专利权。 六十年代，人们成功地将微波辐射膨化烟叶技术应用推广到工业化生产。相继地，微波 辐射技术被应用到：冰冻食品解冻、食品杀菌、食品干燥、脂肪含量的测定、橡胶硬化 处理、焦煤处理等各领域。世界上第一台微波消解设备在七十年代由美国c e m 公司成功 研制h 3 。1 9 8 6 年微波萃取的第一篇文献发表1 。r n g e d y e 等人应用微波技术利用普通 家用微波炉处理萃取样品进行有机化合物萃取。通过选择微波输出功率、微波处理时间 和溶剂类型，只要短短的几分钟就可完成萃取。而利用传统加热则需要几个小时甚至更 2 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 长时间。 早期人们在普通家用微波炉内利用微波技术完成大部分的提取工作，不容易控制温 度。人们近几年设计了可以回流操作的微波提取装置，这种装置的微波输出功率通过调 节脉冲间断时间的长短进行控制。侧面或顶部开孔，测温部件由开孔处探入加热腔内， 温度由温度传感器进行控制。为了防微波泄漏在打孔处连接一定直径和长度的圆截止波 导。现在国内科研单位使用的大多是这种类型的微波加热装置1 。但这种类型的微波加 热装置一般仅能初步实现微波对于植物有效成分的提取，无法分析微波对于植物有效成 分的作用，也无法得到较为准确的多项试验数据。 伴随着微波提取技术的发展，微波加热设备的研制得到了不断提高。目前用于微波 提取的微波系统具有较大的差异。从简单的家用电器微波炉和烧杯，或带有回流装置的 改造型家用电器微波炉，到专门设计的具有温度、压力控制系统及回流装置的微波提取 系统，微波提取装置在与时俱进地不断发展。 七十年代美国c e m 公司率先研制出了m a r s - x 系列微波装置。这种系统可以自动控 制加热功率和时间、精密控温。九十年代初，微波萃取系统m i c r o w a v e - a s s i s t e dp r o c e s 由加拿大c w t - t r a n 公司和加拿大环境保护部携手成功开发，现在这个系统已经广泛应用 到中草药、天然色素、香料、调味品、化妆品和土壤分析等各个领域，并相继在许多国 家获得了专利许可嗍。 7 0 年代初期，中国微波加热应用技术开始发展。目前，微波技术在农产品加工、化 工、轻工、尤其是食品工业中的应用越来越广泛。人们利用微波技术进行食品的加热、 膨化、焙烤、解冻、烹调、杀菌等。在很大程度上微波技术促进了食品工业的发展。微 波加热杀菌技术，对于那些热传导率低、质量要求严、产品价值高、用传统工艺难以解 决的物料，发挥了极其重要作用口1 。7 近几年来，为了将微波提取技术有效地应用到轻工、化工以及食品加工领域，我国 研制出了多种微波提取设备和微波加热设备，如：w k 2 0 0 0 微波快速反应系统、m k i i i 型光 纤自动控温微波消解系统( 中科院深圳南方大恒公司、上海新科微波技术应用研究所联 合研制) ，m e l 3 l 、m e i i o l 实验室用微波提取器( 上海三源生物应用技术有限公司研制) 地c 9 】 。r ro 3 广西大掌硕士学位论文 微波辅助t j 取甘蔗糖分技术和试验装j 已研究 1 4 微波辐助提取技术在食品工业上的具体应用 1 9 8 6 年g a n z l e r 等人利用微波技术，利用普通家用微波炉处理萃取样品进行天然产 物的萃取。此后又进行了油脂、蚕豆嘧啶葡萄糖苷、棉子酚、鹰爪豆碱等不同类型的化 合物的提取。通过对微波输出功率、微波处理时间和溶剂类型的控制，只要短短的几分 钟就可完成萃取。利用传统加热则需要几个小时甚至更长时间n 训。 a r m s t r o n g 等人使用丙酮溶剂，利用微波技术从柑桔中提取柑桔油成分。通过试验 表明：利用微波辅助提取方法，提取时间大大缩短，杂质引入明显减少，提取物质量也 有所提高n 1 1 。 y o u n g 使用甲醇溶液和水溶剂，利用微波技术从蘑菇中提取麦角脂醇和脂肪酸成分。 通过试验表明：利用微波辅助提取方法，大大缩短了提取时间，提高了提取效率，优于 超临界提取法n 鄹。 k a u f m a n n 利用微波技术从i o c h r o m ag e s n e r i o i d e 叶中提取w i t h a f e r i n a 、i o e h r o m o l i d e 和w i t h a c n i s t i n 成分。通过试验研究了原料含水量、原料颗粒度、溶剂种类、水料比、 微波处理时间、微波输出功率对提取效果的影响；得到了当时试验条件下的最佳提取工 艺。试验表明微波提取法较传统提取方法优越n 羽。 g a o 利用微波技术提取黄连素成分。通过试验研究了原料含水量、原料颗粒度、溶 剂种类、水料比、微波处理时间、微波输出功率对提取效果的影响。通过电子显微镜观 察显示，微波能量能够直接作用于叶片腺体细胞结构，植物细胞的结构变化对提取效果 有直接影响n 钔。 c h e m a t 利用微波技术从香菜籽中提取香芹酮及柠檬精油成分。通过试验研究了微 波处理时间、微波输出功率对提取效果的影响。利用电子显微镜观察了植物细胞在吸收 微波能量后的变化，通过显微镜可以看到香菜籽经微波处理3 0 m i n ，细胞裂开，但仅细 胞壁开裂，细胞内油腺体组织并没有受到破坏n 酊。 g i r i j a 利用微波技术从黑胡椒粉中提取胡椒碱成分。利用电子显微镜观察了植物细 胞在吸收微波能量后的变化，通过试验观察得到结论：在微波作用下具有弱离子性的细 胞壁纤维素成分会发生降解，这样细胞壁的渗透性增加了，提取效率随之提高n 引。 李核建立了微波辅助萃取动力学模型。该模型从f i c k 扩散定律出发，利用电磁场增 强扩散的理论，综合考虑颗粒度、微波处理时间、微波输出功率、微波提取温度等因素 对微波提取过程进行了模拟研究。模拟与试验结果表明，模型除微波输出功率略有偏差 4 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装，l 研究 外，其它参数的模拟结果都与试验实测值接近，模拟较为准确n ”。 程存归等人使用间歇微波辅助提取装置从黄芩中提取黄芩苷成分。通过试验研究了 提取介质种类、原料颗粒度、微波处理时间对提取效果的影响。得到该试验条件下最佳 提取工艺为：选用6 0 乙醇溶液为提取溶剂、原料颗粒度2 0 0 目、微波处理时间8 m m 。 试验结果表明：利用微波辅助提取方法，大大缩短了提取时间，提高了提取效率n 田。 陈雷等人使用m s p 1 0 0 d 密闭微波提取装置从丹参中提取丹参酮i 、丹参酮i i 以及 隐丹参酮成分。该提取装置具有压力控制附件。通过试验研究了提取介质种类、原料颗 粒度、微波处理时间对提取效果的影响，得到该试验条件下最佳提取工艺，试验表明微 波提取法较传统提取方法优越n 们。 杨屹等人使用密闭微波辅助提取装置从芦荟中提取芦荟甙成分。通过试验研究了提 取介质种类、溶剂浓度、微波处理时间对提取效果的影响，得到该试验条件下最佳提取 工艺参数啪1 。 黄瑞华利用微波技术从淫羊藿饮片中提取淫羊藿苷成分。建立了微波辅助萃取热质 同向传递数学模型。该模型采用隐式差分法求解，得出了提取物浓度、微波处理时间、 淫羊藿饮片尺寸的关系。通过试验验证了模型模拟结果与试验结果接近，模型较准确乜。 李冰利用微波技术从甘蔗中提取蔗糖成分。通过试验研究了微波处理时间、微波输 出功率对提取效果的影响。试验表明：甘蔗片厚度尺寸对蔗糖提取量影响较大。通过电 子显微镜观察显示，微波能量能够直接作用于使甘蔗中的部分细胞破裂，植物细胞的结 构变化对提取效果有直接影响乜羽。 1 5 本论文研究的主要内容 本课题来源于广西研究生教育创新计划资助项目：微波加热技术在糖厂中的应用研 究( 项目编号：2 0 0 8 1 0 5 9 3 0 8 0 2 m 4 7 ) 。 在蔗糖生产的提汁过程中，传统的甘蔗提汁方法历史悠久，设备成熟，但存在着能 耗高，效率低，污染严重，提取率低等不足。而微波提取可以直接作用于植物细胞，对 提取物具有高选择性，可有效地保护物料中的有用成分：提取快，提取效率高；低耗能； 生产线组成简单，节省投资，无污染。将微波技术应用到蔗糖提取过程无疑将节省电能、 热能的消耗，提高糖汁的质量及蔗糖提取率，为蔗糖提取的发展开拓更为广阔的空间。 本论文主要由以下几部分组成： 5 广西大掌硕士学位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 ( 1 ) 绪论 ( 2 ) 微波辅助提取甘蔗糖分机理研究 ( 3 ) 微波辅助提取装置设计 ( 4 ) 矩形波导谐波响应分析 ( 5 ) 微波辅助提取甘蔗糖分试验研究 ( 6 ) 全文总结与展望 6 广西大掌硕士学位论文 微波辅助提取 d - 蔗糖分技术和试验装，l 研究 2 1 引言 第二章微波辅助提取甘蔗糖分机理研究 传统加热方式是由外向里传递，热量主要通过热传导、热辐射进行。而微波辐射能 够直接作用于植物细胞内部，通过介质极化作用实现整体同时加热。微波提取较传统提 取质量更有保证；对萃取物具有高选择性，更能有效地保护提取物料中的有用成分；更 为高效、节能、环保。本章将从理论上研究微波辅助提取甘蔗糖分的机理，主要分析微 波的概念、性质、微波与介质的相互作用、微波热效应原理、微波对植物有效成分提取 的促进作用以及微波加热的特点。 2 2 微波的概念 微波是一种极高频电磁波，一般频率为3 x 1 0 8 3 x 1 0 1 2 n z ，波长为l m m - - - l mc 2 a 。 表2 - 1 电磁波的不同用途 t a b l e2 - 1a p p l i c a t i o no fv a r i e dm i c r o w a v e s 在通信领域电磁波的应用尤为广泛，为了避免使用时电磁波之间的相互干扰，国际 电信联盟对各种不同用途的电磁波频率做了具体的划分：工业、科学和医用的微波频率 为4 3 3m h z 、9 15m h z 、2 4 5 0m h z 、5 8 0 0 v i 王- i z 和2 212 5 m h z ，跟通信频率差别使用。 我国工业上常用的微波频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 嘲1 。 7 广西大掌硕士掌位论文微波辅助提取 a - 蔗糖分技术和试验装j l 研究 表2 - 2 国际规定的民用微波波段 t a b l e2 2c i v i l i a nb a n do fm i c r o w a v e s 2 3 微波的性质 微波的波长比普通无线电波小得多，是独立于其他无线电波的独立分支，具有一系 列独特的性质。 2 3 1 似光性 微波具有类似于光波的特性瞄1 ： ( 1 ) 微波在自由空间沿直线传播，速度等同于光速，是一种横波。 ( 2 ) 微波传播到不同物质的分界面时，根据不同物质与微波的相互作用特性，会 发生反射或折射。发生反射时符合光的反射特性。 ( 3 ) 微波传播过程中，当两列微波叠加时会发生驻波现象，形成微波的干涉。 ( 4 ) 微波传递过程严格遵守波动基本规律。包括：多普勒效应和惠更斯原理等。 2 3 2 频率高 微波的频率非常高，能量在空间中以高频电磁场的方式分布。高频电磁场存在的地 方，就有微波能量存在，微波能量的辐射作用十分显著。 2 3 3 穿透能力强 微波被称为宇宙的窗口，穿透力十分强大，可以低损耗地、自由地穿过电离层。当 微波辐射介质时，微波能量会被介质吸收。不同物质与微波的相互作用方式不同，对微 波的吸收效果也不相同。微波在介质内部传播时能量以指数方式递减嘞1 。 2 4 微波与介质的相互作用 微波以能量形式传播，通过与介质的相互作用，在介质中微波能量可以转化为热量。 8 广西大掌硕士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装j l 研究 材料不同，与微波的相互作用方式也不相同，通常可分为三种情况。 ( 1 ) 微波透明 低损耗绝缘体都属于微波透明材料。很多高分子材料都是微波透明材料。这种材料 可以使微波较自由穿过，材料本身基本上不吸收微波能量，即使长时间接受微波辐射， 材料的温度也不会上升。可以使用微波透明材料作为微波加热物质的容器。 ( 2 ) 全反射微波 多数导电性能良好的金属材料都是全反射微波材料。微波传递到这种材料的表面， 微波能不能穿过材料，基本上会被全部反射回去，反射系数接近于l 。这种材料可以用 来加工微波加热设备中的波导、谐振腔、搅拌器等。 ( 3 ) 吸收微波 介于金属与绝缘体之间的电介质材料都属于吸收微波材料。例如：各种植物成分、 动物脂肪、水、稀土等。微波可以被这种材料吸收，通过微波辐射作用，材料的温度迅 速上升，此种材料可以用于微波加热处理。 三种材料与微波的相互作用，如图2 1 凹1 所示。 2 4 1 介质的极化 穿遗 反射 、 弋e 因 暇收 图2 - 1 不同材料的微波吸收特性 f i g 2 - 1m i c r o w a v ea b s o r p t i o no f d i f f e r e n tm a t e r i a l s 电介质一般为绝缘介质。通常情况下，电介质分子内部多数的正负电荷都不活跃、 不能自由移动，因此电介质的导电性能很差。根据物质的结构特点，电介质主要可分为 有机电介质和无机电介质两大种类。根据物质的存在形态，可将电介质分为气体电介质、 液体电介质和固体电介质三大种类汹1 。 在电磁场的辐射作用下，电介质产生极化现象。主要表现如图2 2 啪1 所示。 9 广西大掌硕士学位论文 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 e 图2 - 2 电解质的极化 f 谵2 - 2p o l a r i z a t i o no fe l e c t r o l y t e 2 4 2 复介电常数和复磁导率 真实情况中，电介质分子的正负电荷在相互摩擦时会形成损耗，这种损耗作用会把 损失掉的能量转化为热量，升高电介质的温度。但电介质的正负电荷在真空电场中不会 形成损耗嘲1 。图2 3 ，2 4 分别表示的为真空电容器和充满电介质的电容器的工作情 况。 o 图2 - 3 真空电容器 f i g 2 - 3v a c u u mc a p a c i t o r 盎 轴 ( b ) o ( b ) 图2 - 4 充满电解质的真空电容器 f i g 2 - 4c a p a c i t o rf u l lo fe l e c t r o l y t e 1 0 v v 田h u 广西大掌硕士掌位论文 微波辅助提取 d - 蔗糖分技术和试验装置研究 图2 - 3 ( a ) 的电容器c o 电极之间为真空，真空中不存在极化损耗。c o 两端电压为v ， c o 上加的正弦波的角频率为国，则通过电容器c o 的电流为驯： i = i c o c o v ( 2 2 ) 式中i ：= r ，表示i 与v 有9 0 。的相位差。 如图2 - 4 ( a ) 所示，在电容器c o 的两电极间充满电介质，电介质的介电常数为s ，此 时电容器的电容量将增大为汹1 ： c = 瞩 ( 2 - 3 ) 电容器中通过的电流变为呦1 ： ，= i c o c v = i c o e c o v ( 2 - 4 ) 相应的电容器的矢量图2 - 3 ( b ) 将变为如图2 - 4 ( b ) 所示，此时电流i 和电压v 的位相差为 比二分之7 少一个万角度。假设电压v 的矢量方向为沿实轴方向，将电流矢量i 的实轴 和虚轴分量分别表示为0 ) 8 。c o y 和o ) s 。c o y ，其中s 和。为两个实数，可得汹1 ： ，= 嬲。c o v + i c o g c o y = i c o ( s 一括。) c o y( 2 5 ) 即得： 占=s。一i1占。(2-6) 占= s 一占l z o j 式中：g 为复介电常数的实部， s 。为复介电常数的虚部。 常用损耗角正切t a i l 以表示为嘲： 切n 磊2 钐 ( 2 - 7 ) 以为损耗角，厂为频率，f 为松弛极化时间。以与厂和r 之间的关系可以表示为： t a n 如= 2 加 ( 2 8 ) 介质在实际的微波场中的有效损耗厶，包含有偶极损耗、界面损耗i 和电导损 耗，可以用下面的表达式表示为啪： f 咿= 白+ 毛+ o ( 2 - 9 ) 实际上，当处于微波电磁场中的介质以动态形式作用时，磁感应强度b 和磁场强度 h 之间存在一定的相位差，b 明显滞后于h 。 l l 广西大学硕士掣啦论文 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装j l 研究 设h = h o c o s t o t ， b = b oc o s ( c o t 一6 ) ，贝l j “”： 丑= b oc o s 8 c o s c o t + b os i n 8 s i n c o t = l h oc o s c o t + l 。h os i n c a t 其中： = 鲁c o s 万一为磁性介质复磁导率的实数分量； 。= s i n6 - - - 为磁性介质复磁导率的虚数分量。 则磁性介质的复磁导率为汹1 ： 弘= i l l l p 相应地，有： t a n 驴 2 4 3 介质对电磁波的吸收 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 只有当介质的占。、”值较大时，电磁波可以最大程度的进入到介质内部，并且全 部快速的衰减，微波辐射才可以发挥最佳的功效。但微波是否能够进入材料内部，关键 在于介质界面的波阻抗值的大小，当满足波阻抗匹配时，微波可以最大程度的进入介质 被介质吸收。 根据电磁理论可知，我们可以得到微波垂直入射介质时的反射系数啪1 ： ，= 笺l ( 2 1 3 ) z , 2 + z i 其中： 真空阻抗： z t = 厝 p 式中： - t o 为真空磁导率； 氏为介电常数。 广西大学硕士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 吸波材料波阻抗： ( 2 - 1 5 ) 入射电磁波若可以最大限度的被介质吸收，则材料要满足：r = 0 ，毛= z ：， 。一f 。) = ( f - i 占) ，也就是吸收介质的和s ，。和占。要分别相等。这种理想的材 料还不存在，目前也只能做到尽量与理想情况靠近。 微波的穿透深度可以通过一下公式进行计算。其中d 为场强穿透深度，表示微波功 率减弱到零时所对应的穿透距离；d 。为功率穿透深度，表示微波功率减弱到表而处的 3 6 8 ( 1 e ) 时所对应的穿透距离：d l 陀为半功率穿透深度，表示微波功率减弱到表面 处的一半时所对应的穿透距离口。 肚赤t a n 8 ( 2 1 9 ) 冗0 s r j 妒赤( 2 - 2 0 ) 苏2 丽磊3 荷2 ( 2 2 1 ) 式中： 厶为所用电磁波的波长，c m ； ，为相对介电常数，无量纲； 万为物质的介质损耗角，o 。 微波加热对介质进行加热时，介质吸收的微波功率可以表示为。引： 尸= 2 顽c 0 6 e 2 ( 2 1 6 ) 不考虑介质的热损失，介质在微波场中的温度上升速率可以表示为口3 1 ： 一dt：掣(2-17)d 一：= - - - - - - - 二= - - 一 t 西， 微波场中介质的温度上升速率也可以表示为p 钔： a te r e 2 _ 。= _ ( 2 - 1 8 ) ， 心口 卜 1 3 广西大掌硪士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技才o p 试验裴置研三宅 式中： 户为介质的密度，k g m 3 ； c p 为介质的比热，j k ： 仃为介质热导率，w ( m k ) 。 2 5 微波辅助提取甘蔗糖分机理 微波辐射可以直接作用于植物的细胞结构，能够有效的改善植物细胞的细胞壁和原 生质膜对细胞内有效成份渗出的阻滞3 。甘蔗细胞中含有大量的水和蛋白质，它们都是 极性分子。极性分子在微波发生器产生的交变电磁场作用下，排列方向剧烈改变，分子 之间相互磨擦、碰撞，温度迅速上升，使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能 力，细胞破裂，从而蔗糖分子可以更自由地渗出，扩散到介质中。同时，微波所产生的 电磁场会加快蔗糖分子由固体内部向介质扩散的速率呻1 。 此外，甘蔗溶液中微生物的作用，会使蔗糖转化为葡萄糖和果糖，使一些非糖分转 化为有害的胶体阱1 。微波辐射可以通过热效应和非热效应( 生物效应) 进行杀菌嘲3 ，抑制 蔗糖的有害转化，提高提取率。微波提取方法可以有效地强化提取过程，效率远高于传 统的提取方法。 2 6 微波加热特点 微波加热与传统的加热方式相比有着明显的优点1 ，主要表现为：加热速度迅速h 0 。： 能够实现整体均匀加热1 ；对加热物质具有选择性m 1 ：能够保护加热物质的物理性质 c 4 3 ；节能高效：易于控制m 1 ；环保、杀菌能力强删。 2 7 本章小结 微波的波长为l m m - - 1 m ，频极高，具有似光性、频率高、穿透力强等性质。微波 以能量形式在介质中传播，能够直接作用于植物细胞内部，通过介质极化作用实现整体 同时加热。微波提取较传统提取质量更有保证：对萃取物具有高选择性，更能有效地保 护提取物料中的有用成分：更为高效、节能、环保。本章将从理论上研究微波辅助提取 甘蔗糖分的机理，主要分析微波的概念、性质、微波与介质的相互作用、微波热效应原 1 4 广西大学司仕掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 理、微波对植物有效成分提取的促进作用以及微波加热的特点。 1 5 广西大学硕士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 3 1 引言 第三章微波辅助提取装置设计 本课题“微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置的研究，设计了一台实验室用蔗 糖提取仪器。本设计采用热转换效率比较高的微波频率加热甘蔗混合溶液；根据微波传 输特性设计矩形波导为装置的传输系统，确定波导尺寸、波导耦合口位置；综合考虑物 料加工状态、模式数目、振荡模式等因素，确定加热室尺寸；设计搅拌装置，以提高提 取效率；设计电路控制图，完成对电器元件的控制。 3 2 微波加热设备装置设计应注意的问题 在设计微波加热装置时，要综合考虑加工条件、操作便利、安全等方面的要求。具 体要注意的问题见下表： 表3 - 1微波加热设备装置设计应注意的问题 t a b l e3 - 1p r o b l e m sn e e d i n ga t t e n t i o ni nd e s i g n i n g 微波加热设备装置设计应注意的问题 清洗方便 排湿功能 均匀加热 无干扰 操作安全 安装便捷 确保微波加热腔内部无死角、无积液存在 装置应具有排湿功能，使加热产生的水蒸气即使排除，避免损坏磁控管 通过对加热腔体结构及尺寸的设计，使加热腔内电磁场分布均匀 应使微波与各部件以及检测仪表之间无干扰 设计微波抑制结构，防止微波泄露 装置结构要在实现功能的基础上尽量简洁 3 3 微波辅助提取装置的组成 1 6 广西大掌硕士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 图3 1 微波辅助提取装置组成框图 f i g 3 - 1c o m p o s i t i o no fm i c r o w a v ea i d e d e x t r a c t i o ne q u i p m e n t 如图3 1 可见，该加热系统主要包括如下几大部分： ( 1 ) 微波发生系统 微波发生系统是试验加热装置的关键部分，由磁控管和微波电源组成。它具有特定 功率，为系统提供稳定度高、连续可调的微波输出。其功率大小可手动调节。 ( 2 ) 微波传输系统 微波传输系统将微波功率源发射的微波传递给加热器。在微波传输系统中，微波消 耗应最少，传递效率要高，并且要保证微波功率发生系统的工作稳定。 ( 3 ) 加热腔 加热腔是物料与微波相互作用的空间。通过对加热腔的尺寸设计保证微波在加热腔 的均匀分布。待加热物料在加热腔吸收微波，以达到处理效果。 ( 4 ) 搅拌机构 搅拌机构由电机支架、搅拌电机、搅拌棒组成；对加热物料进行搅拌，保证物料与 提取溶液充分接触，以提高提取率及提取效率。 ( 5 ) 测温元件 测温元件对加热物料进行温度测量的仪器，以便操作人员了解加热状况。 ( 6 ) 控制系统 控制系统是保证微波提取装置正常运转的重要部分。控制系统对整个系统的电器元 件进行控制，包括供电电源、磁控管、风冷电机、搅拌电机、计时器等。 微波辅助提取装置结构图、三维效果图及实物图如图3 2 所示。 微波辅助扭取廿蘑钳分拄术和试轱蕈置研究 “雌1 霹一麓一 34 微波发生系统 微波友生系统结构图如图3 - 3 所示。 i 堡! ! 塑l 一堕竺篁l j 壁苎塑! l 图3 - 3 微波发生系统组成框图 f i g3 3 m i c r o w a v eg e n e r a t i n gs y s t e m 微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装置研究 3 4 1 磁控管 ( 1 ) 连续波磁控管的结构和工作原理 磁控管主要由阴极和阳极组成。阴极与阳极同轴，阴极内部设有螺旋状加热灯丝， 负责产生电子并将电子发射到阳极。阳极是一个高频振荡回路，通常包含由多个谐振腔。 磁控管的工作频率由一般阳极确定。阴极和阳极之间的空间加有均匀的电磁场，场强的 方向与阳极轴向一致h 7 1 。电子在这一空间相互作用。磁控管的基本结构如图3 4 所示。 1 阳极块2 阴极3 能量输出端4 谐振腔孔5 谐振腔隙6 热予引线 图3 - 4 磁控管基本结构 f i g 3 - 4b a s i cs t r u c t u r eo ft h em a g n e t r o n 工作时，数千伏的直流高压直接加载在磁控管灯丝与阳极之间，且有方向与电场方 向垂直的恒定磁场施加在阳极腔内。这样在高压电场作用下阴极会不断地向阳极发射电 子，发射出的电子不断以圆周轨迹飞向阳极，在阳极各个小谐振腔中激起振荡产生极高 频率的连续微波，所形成的微波通过天线由波导传递给微波加热室m 1 。图3 5 为磁控管 的丌模射频场切向分量随时间变化曲线。图3 6 表示的是电子与波同步运行中不同相位 下的电子。 口口口口口口口 图3 - 5 丌模射频场切向分量随时间的变化 f i g 3 - 5v a r i a b l et a n g e n t i a lc o m p o n e n t sw i t ht i m eo f m o d e lr a d i of r e q u e n c yf i e l d 1 9 广西大胄酞页士掌位论文微波辅助提取甘蔗糖分技术和试验装j l 研究 猢f 盼 ( 2 ) 磁控管的选择 我国工业应用主要使用9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 这两种频率的微波。两种微波频率适 合加热的物料条件不尽相同，他们主要的应用特点比较可以通过表3 1 来了解。 表3 - 29 1 5 1 b l z 和2 4 5 0 b l h z 频率微波比较 t a b l e3 - 2c o m p a r i s o