中草药微波萃取装置的设计

1、中草药微波萃取装置的设计                        作者：孙宏丽，闫其年，石建国，杨宝柱【摘要】  设计了一种大容量分层辐射微波萃取装置，微波频率915 MHz，容积可大于10m3；通过多根矩形波导管将微波导入萃取罐内，解决了微波穿透深度不足的问题，实现均匀加热。分析表明：大容量罐体微波辐射均匀，结构简单，安全可靠，可实现保温、恒温、常压

2、、正压、负压等萃取工作，满足不同中草药萃取的工艺要求。 【关键词】  微波萃取； 多模谐振腔； 波导管； 中草药； 微波加热微波技术在雷达、通信系统和遥感系统已得到了广泛的应用，近年来微波加热技术在医学、食品加工、石油、环境保护等领域也开始普及应用。微波技术应用在萃取领域，特别是中草药的萃取技术与装备,只是刚刚起步，还停留在实验阶段。目前国内用于微波中草药萃取的频率大多选择2 450 MHz，罐体容积0.53 m3。由于微波穿透深度有限，微波萃取设备必须配备搅拌器，实现动态提取。    目前及专利中所报道的中草药微波萃取装置均存在一定的局限性。主要有两类

3、，一类是需要加装中央套管（或叫内罐、隔离器），它是用非金属材料（如：聚四氟乙烯）制成。另一类需要在金属罐体上开多个孔，嵌入非金属材料并加以密封后安装磁控管。这两类结构的罐体直径不可能做大，因为微波的穿透深度有限，在水温度升到95时，2 450 MHz的渗透深度也只有4.8 cm，即便安装了搅拌器，大部分中草药还是靠热传导加热的，微波萃取的优势将难以体现。本文设计了一种可化萃取的大容量分层辐射微波萃取装置，罐体容积达到工业化的生产规模，且微波辐射均匀，萃取率高。1  微波的加热萃取原理    微波是指频率在300MHz300 GHz之间的电磁波,对应的波长

4、范围为1 1×10-3mm。目前应用于工业和家用的微波频率主要为915 MHz和2 450 MHz。在微波场内能够吸收微波并将其转变为热能的材料称为介电材料(或吸波介质),这类材料往往具有较大的介电常数和介电损耗系数，主要是含水、含脂肪的物料，以及极性和磁性化合物。在微波辐射下，介电材料内部的分子极化最终导致了能量的转化。因此这种在电磁场中由介质损耗引起的内加热不仅速度快，而且没有温度梯度和热应力，没有滞后效应，其能量以电磁波的形式传递，具有高效的转换效率。微波加热可对被加热物料里外一起加热,加热极快,并且热损耗小、热效率高1。微波辐射到达中草药内部的维管束和腺细胞内，由于中草药内的

5、水分大部分是在维管束和腺细胞内，水分吸收微波能后使细胞内部温度迅速上升，连续的高温使其内部压力超过细胞壁膨胀的能力，从而导致细胞内的有效成分的渗出2。2  大容量分层辐射微波萃取装置简介    大容量分层辐射微波萃取装置如图1所示，主要包括微波萃取罐、多个磁控管和矩形波导管、搅拌器、防漏截止波导管、智能控制系统等。    将磁控管安装在矩形波导管上，将微波能封闭起来，传输到罐内，通过矩形波导管上的上下馈口，在微波萃取罐内激发起电磁场，实现加热过程。    将多根矩形波导管在罐体的某一高度，圆周方

6、向均匀布置，如图2所示。通过调整波导管上馈口的位置与数量，使微波能在这一平面上均匀辐射。通过多层这样的辐射面（见图1），使整个微波萃取罐的辐射均匀。    微波萃取罐采用圆柱形，即为圆柱形谐振腔。当频率选定时，三维尺寸越大，腔体内分布模式越多，这种“多模谐振腔”可以使其中的电场分布更均匀，以改善温度分布的均匀性3。同时圆柱形结构易满足压力容器的设计要求。    罐体内设有搅拌器，中心轴通过罐体顶部的密封，与罐体外的电机连接，实现搅拌。罐体下封头中心位置装有排渣口；罐体上封头的一侧面装有进料口，另一侧面装有进液管、回流管，回流管与冷却回

7、流装置相连接；罐体上封头的正面安装温度、压力显示仪表及接入温、压传感器，通过智能控制系统，实现精确萃取。3  微波萃取罐主要结构的设计    为了加快淘汰落后产能，积极推进产业升级，根据我国中草药萃取的现状，在结构设计中，主要考虑了以下因素：大容量，满足工业化微波萃取的需要；微波辐射要均匀，萃取率高；结构简单，安全可靠，成本低；有利于使用现有装备对罐体进行加工；有利于对现有的萃取罐体进行改造；实现保温、恒温、常压、正压、负压等萃取工作，满足不同中草药萃取的工艺参数要求。1        

8、; 3.1  罐体的设计中草药萃取罐体常规设计均为圆柱形结构，易满足压力容器的设计要求。微波萃取罐体，作为微波和中草药相互作用的场所，仍采用圆柱形，即为圆柱形谐振腔，电场分布更均匀，比较适合物料的快速升温要求。本设计罐体材料为不锈钢，钢板厚度视承受压力及结构而定。罐体直径D罐体高度H=/2×n（为微波波长，n为大于2的正整数）。容积可为1030 m3。3.2  辐射结构的设计在不锈钢罐体的同一高度层面上，接入多根不锈钢矩形波导管，在圆周上对称布置（如图2所示）并焊接密封。罐体内的矩形波导管上、下方向开挖有矩形馈口，馈口用聚四氟乙烯密封，馈口的位置及数量以

9、满足罐体内微波能在这一层面均匀分布。罐体外的矩形波导管上方安装磁控管及磁控管屏蔽罩，下方焊接防漏截止波导管。加装多层矩形波导管，实现分层辐射微波萃取。根据微波萃取罐的实际结构尺寸，主选两种矩形波导管型号BJ-9和BJ- 12，截面尺寸(mm) 分别为250 mm×125 mm和109 mm×54.5 mm，材料选用不锈钢。3.3  防漏结构的设计接入罐体内矩形波导管上的馈口，一旦密封失效，萃取液将渗入波导管内，这不但影响微波能的传输，还将威胁磁控管的安全运行。为此如图3所示，在微波萃取罐外的波导管下部正中心处，开一窄长孔3，焊接一根圆形防漏截止波导管4。窄长孔和防

10、漏截止波导管可以将萃取液排出，对微波是防漏的。当液体漏出，漏液传感器将及时报警，以保证磁控管的安全。3.4  其它结构设计微波萃取罐的加热部件就是磁控管。本设计采用多个频率为915 MHz，功率10 kW左右磁控管，应用微波非相干功率合成技术5，实现了一种低成本、大功率的微波萃取罐。    两层矩形波导管中央设置有搅拌器，可用底层或顶层的矩形波导管兼做搅拌器轴的支撑架。搅拌器的作用：反射微波，使微波能更加均匀地被物料吸收并转化为热能；同时实现物料的均匀混合、促进溶解和强化热交换。    微波萃取罐体全部采用焊接连接；进液管、

11、排液管为细长管，满足截止波导管条件；进料口、排渣口设有凸凹槽及罐盖设有扼流结构6。这些措施，防止了的微波泄漏，满足微波设备1mW /cm2的国家安全标准（GB10436-89）。4  微波萃取装置的应用    本设计在工程应用上的创新之处在于：将微波能通过矩形波导管传输到罐内，由矩形波导管上的馈口辐射微波，实现罐内加热过程。由于矩形波导管为分层设计，即层与层之间的距离不变，而罐体的直径可根据生产需要增大，但不会影响微波辐射的强度与均匀度。由于馈口的面积较小，有利于承受压力，实现正压、负压萃取。    同时，微波萃取与传统热萃

12、取的相比优点在于：对萃取物具有高选择性；萃取快， 可节省近1倍的时间；溶剂用量少，比常规方法减少50 90 ；产率高，重复性好， 产品质量稳定，后处理方便；适用范围广，整体造价和运行成本低。    本设计微波萃取装置适用于块状、片状、颗粒状、粉状中草药的萃取。可将中草药饮片（单方或复方）按重量一次投入微波萃取罐中，加入溶剂，封闭进料口。根据不同中草药萃取的工艺参数，选择保温、恒温、常压、正压、负压或回流萃取。无论选择哪种萃取方式，工作前一定要关闭好进料口、排渣口，防止微波泄漏。【】  1谌伟艳,韩永忠,丁太文,等.微波热修复污染土壤技术研究进展J. 微波学报, 2008, 22(4): 66.2于定荣,杨梓懿.微波技术在中药制药中的应用J.湖南中医学