微波技术在食品及化学工业中的应用

[摘 要]微波是一种电磁能量，是一种对食品、化工产品加工的高效节能技术。本文探讨了微波技术在茶叶加工、橡胶硫化与脱硫中的应用，分析了微波技术与传统加工技术的效果对比。

[关键词]微波能 干燥 硫化 脱硫

微波是频率在300 MHz～300 GHz之间，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间的一种非电离电磁能。微波技术起源于20世纪30年代，最初应用于电视、广播、通讯技术中。1945年，美国人首先发现了微波的又一特性——热效应，并首次将微波作为一种非通讯的能源应用于工业、农业乃至科学研究中。微波工业应用就是指利用微波的能量作用于物体实现需要的目标。微波能应用的特点在于一是以“能量转换”为基础，即微波所产生的热量是被加热物体的分子通过偶极回转、分子极化后转化成的，并非热传导；二是具有很高的传热效率，相当于对流传热的5倍。

微波能的作用原理是当物体被置于超高频电流的交变电场中受到微波作用时，物体中的极性分子处于激烈、快速的震荡和回转中，产生自感应，使物体获得热量，进而发生物理的、化学的或者生物的变化。

目前用于工业应用的微波有两个频率：2450MHz和915MHz，产生微波的核心部件是磁控管，磁控管是组成微波源的主要部件。

微波工业应用主要在替代传统工艺、产品附加值高及适用于微波（吸收微波能力比较强）的领域取得快速发展，主要是茶叶加工、橡胶脱硫、活性炭和竹炭高温烧制、陶瓷材料、能源材料（磁性材料、锂电池材料）的烧结和环保（生物质能、水处理、有机物处理（工业废水、废料除毒））等领域。

1. 微波技术应用于茶叶杀青、干燥

微波杀青、干燥是微波发生器将微波辐射到杀青、干燥的物料并穿透到物料内部时,诱使物料的水等极性分子随之同步旋转，例如采用915MHz微波干燥物料,其体内极性分子每秒钟旋转9.15亿次,如此的高速旋转使物料瞬时产生摩擦热,导致物料表面与内部同时升温,且内部温度高于物料表面温度,使大量的水分子从物料中逸出而被蒸发带走,这样达到杀青、干燥的目的。这种杀青、干燥方法的特点是加热时间短,内外温度一致,其热传递方向从内向外与湿传递方向也一致,不同于常规加热方式需要一定时间才能将热量从外部加热到内部,存在内外温度差和湿、热传递方向相反的问题。

茶叶杀青、干燥的要求是杀青后茶叶的含水率为58%～60%,干燥后的含水率达6%,保持茶叶的原味、原样、原色,保证基本营养成份不失,同时要求安全卫生。但不同季节所产的茶叶,由于生理结构不同、组织细嫩程度不一,如清明前后茶大多是组织较嫩的叶芽,而夏秋季用于制茶的原料大多是组织较老的叶片,其杀青、干燥的工艺要求亦有所不同,这给杀青、干燥带来了难度。制成后的茶叶大多用于泡茶饮用,要求杀青的茶叶一经开水泡开,色泽、形态、味道及营养成分与新鲜茶叶基本一致。而目前茶叶的炒青工艺和热风干燥工艺随意性大,茶叶易产生红梗、红叶、色泽不均、叶边焦黄、带有烟焦味等问题,其品质较难控制。而微波能具有透人茶叶的内部加热,以及无需高温热介质的特点,从根本上改变了依赖高温介质和热传导加热升温的常规加热杀菌抑酶的方法,同时由于微波电磁场在杀青、干燥过程中还具有非热效应,可大大缩短了杀青、杀菌时间,有利于茶叶干燥后的贮藏以及卫生标准。因此,采用微波杀青、干燥茶叶可解决传统杀青、干燥方式中存在的问题。

2. 微波技术应用于橡胶加工

（1）橡胶硫化

橡胶是一种偶极材料，适合于微波加热。当接收微波作用时，橡胶分子处于激烈、快速的震荡和回转之中，从而产生自感应，获得热量。电场的频率越高、胶料的极性大，则升温效果越明显，由于微波加热从内部开始，其过程迅速而稳定，从室温到200°C仅需数十秒。目前橡胶行业使用的微波频率为2450MHz和915MHz两种，其快速升温特别适合短流程硫化生产线，同样也可适合于厚壁制品的预热以及废胶的再生。

在实际生产中，为了达到节能、缩短流程和确保质量等多方面的目的，在微波加热段得后面往往加装热空气或远红外补充加热装置。

橡胶工业所用的微波设备,功率都在12～24 KW。1度电用于微波加热可使22 kg的未硫化半成品从室温加热到硫化温度。曾经做过对比,用微波硫化350 kg挤出胶条耗电50度,而盐浴硫化耗电量达180度。对于导电性差的橡胶材料而言,使用微波不仅节能、降耗、省时,还能减少设备占用的空间。

例如微波硫化用于橡胶挤出制品时,其流水线所占面积仅为蒸汽加热流水线的1/5～1/4。原因在于微波加热所产生的热量几乎全部为橡胶所吸收，而在蒸汽硫化中90%的热量消失于对流过程，被加热装置（硫化罐）或周围介质所吸收。

（2）橡胶脱硫

废旧橡胶再生是指废旧硫化橡胶经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程,使其从弹性状态变成具有塑性和粘性的、能够再硫化的橡胶。再生过程的实质是在热、氧、机械作用和再生剂的化学与物理作用等的综合作用下,使硫化胶S—S键和S—C键网络破坏降解。

微波脱硫是利用在变化频率极高的微波场中，一切极性基团都会随微波场变化而剧烈运动，会在极性基团和分子之间产生巨大能量。硫化橡胶分子间及大分子内都存在S—S键和S—C键，可将其看成是一种硫醚键的偶极矩，因而硫化橡胶都会在微波场中发生偶极极化，并且硫醚键的偶极矩较大，在微波场中该处获得的能量也较大。而且，一般硫化橡胶中都含有炭黑，而炭黑吸收微波的能力很强，因此，在微波能的作用下可使硫化橡胶的S—S键和S—C键断裂，破坏硫化胶的网状结构获得塑性而使之再生。

微波脱硫法是非机械、非化学的一步再生法，相比传统方法，脱硫时间短，生产效率高，质量优良，无须添加再生活化剂，生产过程无污染，对极性和非极性橡胶都有效，并且，通过控制微波场的强度，可获得必需可塑性的再生胶。

在充分理解和掌握微波能应用理论和技术的基础上，与具体行业的生产工艺技术的有效结合是微波能工业应用的关键因素之一。根据具体行业生产工艺的需求，实现微波能应用设备（或生产线）和生产工艺的标准化的是扩大微波能应用市场规模的核心关键因素。随着微波技术的发展，未来微波将不断扩大应用领域，在环保、化工、新材料等领域都有巨大的发展空间。

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