微波干燥不同于傳統(tǒng)干燥方式，其熱傳導方向與水分擴散方向相同。與傳統(tǒng)干燥方式相比，具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、干燥均勻、清潔生產(chǎn)、易實現(xiàn)自動化控制和提高產(chǎn)品質量等優(yōu)點，因而在干燥的各個領域越來越受到重視。

微波是指波長范圍為0.001~1m、頻率范圍為0.3~300GHz、具有穿透能力的電磁波。微波發(fā)生器的磁控管接受電源功率而產(chǎn)生微波，通過波導輸送到微波加熱器，需要加熱的物料在微波場的作用下被加熱。

微波加熱不同于一般的加熱方式，后者是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導式加熱;而微波加熱是材料在電磁場中由介質損耗而引起的體加熱。這種加熱是將電磁能轉變成熱能，其能量是通過空間或媒質以電磁波形式來傳遞的，對物質的加熱過程與物質內(nèi)部分子的極化有著密切的關系。

介質對微波場的極化，表現(xiàn)為對電場電流密度的損耗，一般物質的介電常數(shù)不超過50，而水的介電常數(shù)為78.54。當含水物料被置于由微波發(fā)生器產(chǎn)生的電磁場中時，微波場以每秒幾億次的速度周期地改變外加電場的方向，使水分子迅速擺動，產(chǎn)生顯著的熱效應，從而使物料內(nèi)部和表面溫度同時迅速升高。

因此微波可以在極短的時間內(nèi)提高物料溫度或在相同的溫度下加快反應速率。

1、干燥速度快，干燥時間短。由于微波特殊的加熱方式使物料溫度短時間內(nèi)快速升高，而體加熱使溫度梯度同水分蒸發(fā)方向一致，提高干燥推動力致使干燥時間非常短，一般可縮短50%左右或更多。

2、利于藥物、肥料等對溫度敏感地物質的低溫干燥以保持物料的性質。微波對物質的作用除有熱效應以外，還以其高速的分子振蕩激發(fā)極性分子不停地改變?nèi)∠蚨a(chǎn)生非熱效應，加速干燥過程。

3、產(chǎn)品質量高，微波加熱溫度均勻，表里一致干燥產(chǎn)品，可以做到水分分布均勻。

4、微波還是節(jié)能環(huán)保無公害型能源。微波源可即開即用，功率連續(xù)可調(diào)，反應易于控制，能源利用率高，熱能幾乎全部作用在物料上，既不浪費又不污染環(huán)境。

1、微波干燥技術在國外的研究和應用

目前，國外微波干燥技術已在輕工業(yè)、食品工業(yè)、化學工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等領域得到應用。具體在造紙、陶瓷、木材、食品、瀝青、污水處理、表面活性劑、香料、礦石、藥物、混凝土、涂料、油漆等方面進行研究和應用。

德國的J.Suhm對微波干燥陶瓷等材料進行了研究。他認為由于被干燥物料能量吸入各不相同，干燥過程各異。物料濕度大于15%時則沒有實質性的不同，在這種情況下，水分決定著干燥過程;濕度在5%~15%之間時，被干燥物質起著重要的作用，如果物料本身能夠吸收微波能，則其溫度可以升高，此時介電常數(shù)的溫度相關性起著決定性作用，對某些化學品來說，可以脫去化學結合水，進行必要的材料試驗可以確定能夠達到所需溫度;濕度低于5%干燥過程趨于緩和。他得出確定微波干燥所需功率的一條經(jīng)驗規(guī)律:微波輸入功率每增加1kW可在1h內(nèi)多蒸發(fā)掉1kg的水分，只要開始水分含量充分，這條經(jīng)驗規(guī)律就可行。

德國的Schleusener進行了微波干燥大量水體的油漆試驗，將幾塊薄木片涂上一層漆在微波中干燥，在1.5h內(nèi)進行了20個不同的干燥系列。得出結論:磁電管功率由低到中、干燥時間從6~8min緩慢增加能夠得到最佳效果。

英國的Mcloughlin研究了微波干燥藥物粉的情況，認為盡管微波干燥技術在多種工業(yè)應用中都證明是成功的，但藥物對微波的吸收率仍然很低。作者利用一種特殊的空氣微波干燥系統(tǒng)測定了幾種常見的藥物純物質和兩種組分系統(tǒng)的介電損耗因數(shù)。結果表明含有氨基和醋酸基的藥物有高介電損耗，而含有阿斯匹林基的藥物都有低的介電損耗，但它們都比試驗用的溶劑水的介電損耗要明顯地低。

南非Stellenbosch大學化工系的Bradshaw研究了微波加熱在礦物處理中的應用，認為許多礦石都吸收微波，而脈石則不吸收微波。

法國的Ledion對微波加熱大量水溶液時表現(xiàn)出的系列性能進行了研究，指出微波加熱可在瞬時改變碳酸鈣的平衡，并研究了控溫和進行選擇性加熱的方法。

Nischer等進行了微波干燥混凝土的試驗，測定新混混凝土中水分含量，并對微波干燥和常規(guī)干燥作了對比，結果表明，混凝土混合后利用1000W的微波源照射90min后可完全除去其中的水分。

微波干燥技術在國外發(fā)展非常迅速，該技術在以上領域大都達到了工業(yè)應用的程度。

2、微波干燥技術在國內(nèi)的研究和應用

我國微波干燥技術的應用始于20世紀70年代初期，已應用于輕工業(yè)、化學工業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品加工等方面。

中山大學的李源英等研究了微波加熱方法分散濃縮合成熒光粉并申請專利，在微波場的作用下驅使摻雜離子擴散進入熒光粉基質晶格中而合成熒光粉。

南京大學的郭學峰博士等制造納米級催化劑FePO4的過程中就利用微波進行了處理。

杭州電子工業(yè)學院的胡建人等研究了微波快速烘干硅膠的生產(chǎn)工藝。將微波干燥過程分為三個階段:快速驅除硅膠內(nèi)部水分、逐步蒸發(fā)硅膠表面水分和高溫驅濕脫去化合水。經(jīng)過這三個階段的處理，硅膠呈強烈的深藍色，可立即封閉保存。整個過程大約需要90~120min，遠低于熱力驅濕的24~48h，節(jié)省時間15~30倍。

太原工業(yè)大學的趙慶玲等對微波干燥煤的情況進行了總結，認為隨著煤等級的上升，其介電常數(shù)和介電損耗下降，這是由于煤中固有的水分隨著煤等級的下降而增加的結果。對于同等級的煤來說，隨著濕度的提高，其介電常數(shù)和介電損耗增加，則干燥的速度也就越快。對微波干燥褐煤的研究結果表明:微波干燥比對流干燥快1~2個數(shù)量級。

清華大學同方研究中心的馬國遠和西安交通大學的郁永章共同研究了熱泵微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)。他們先建立了一個數(shù)學模型得出各干燥參數(shù)的預測值，再利用設計系統(tǒng)對泡沫橡膠進行干燥試驗，通過試驗值與預測值進行比較，從而得出結論:與熱泵干燥相比，熱泵微波聯(lián)合干燥可以提高產(chǎn)量，但單位能耗除濕量降低;通過精心設計，熱泵微波聯(lián)合干燥在能量消耗方面可以做到與傳統(tǒng)對流干燥相當。

2001年李成義發(fā)明了一種藥用蔗糖的生產(chǎn)方法。因原料甘蔗和甜菜的化學組成相當復雜，除水分和糖分外就有十幾種非糖分，傳統(tǒng)的藥用蔗糖生產(chǎn)都要經(jīng)過二次加工。該發(fā)明包括從種植到制劑的全部連續(xù)性過程，其中的干燥過程是利用微波干燥技術，保證了產(chǎn)品的質量和衛(wèi)生條件。

可用微波進行干燥的其它產(chǎn)品類型很多，像瓜果、蔬菜、肉類、海產(chǎn)品、中藥材、動植物標本等。研究表明微波干燥能夠最大程度地保留物料中原有的營養(yǎng)成分。例如，曬干青菜的維生素、葉綠素等營養(yǎng)成分只能保留原有的3%，陰干可以保留17%，熱片快速干燥可保留40%，F(xiàn)D真空冷凍干燥可以保留到70%以上，微波升華干燥的有效成分可以保留到97%，因此被稱為不變性脫水。

干燥過程幾乎涉及到國民經(jīng)濟的所有部門，廣泛應用于生產(chǎn)和生活中。干燥的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶劑，以便于加工、使用、運輸和貯藏等。

一般的干燥方法有機械法、化學法和加熱(冷凍)法。這些方法要么設備龐大，干燥費用高，要么干燥速率慢，處理量小。隨著科學技術的發(fā)展，如生物制品、新型材料(多相復合材料、納米材料、智能材料和生物醫(yī)學材料等)、高級陶瓷、新型高級食品和新型藥物制品等新產(chǎn)品的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的干燥技術和干燥器已不適用。

微波干燥技術和微波干燥器已在輕工業(yè)、建筑業(yè)、食品、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)等行業(yè)得到廣泛的應用并表現(xiàn)出了強大的優(yōu)越性。微波干燥無疑是適應新產(chǎn)品要求的一項新技術。

微波的體加熱方式使得其干燥曲線是逆溫曲線，這非常有利于干燥過程的快速平衡均勻進行。國外已有關于使用微波干燥器進行木材和陶瓷等材料的連續(xù)不間斷干燥的報道。報道指出，在干燥期間，可通過紅外相機拍攝任一時刻材料中水分分布情況的圖片，并可利用CT掃描檢測水分含量。但目前尚無關于微波干燥技術用于化肥生產(chǎn)過程的報道。

化肥工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，化肥生產(chǎn)工藝日趨成熟;但化肥干燥特別是復混肥干燥過程存在著許多不利因素和問題:①干燥溫度不能太高，因而干燥推動力小、干燥時間長;②干燥裝置龐大，生產(chǎn)率低;③投資費用大，生產(chǎn)成本高。

微波場同時存在的熱效應和非熱效應，利用微波技術和裝置可以解決以上問題，在不太高的溫度下快速干燥，縮短干燥時間，提高干燥速率和生產(chǎn)能力。四川大學的湯建偉做了微波作用下酸解磷礦生產(chǎn)普鈣的實驗，研究表明微波能夠提高磷礦礦漿的溫度，改變結晶形態(tài)，促進反應進行，提高轉化率。

微波干燥在干燥效率上占有顯著優(yōu)勢，在干燥品質上與熱風干燥有一定的差別。

微波干燥為全體積加熱，在水分散失不及時的條件下，物料會因過熱而劣變。微波干燥速度過快，最終水分含量會難以控制，這些工藝缺陷都向單一的微波干燥提出了挑戰(zhàn)。在開始和最終階段利用熱風干燥分別可以起到節(jié)省能源、控制產(chǎn)品最終狀態(tài)等優(yōu)點。

常壓過程中熱空氣可以有效地排除物料表面的自由水分，脫水過程溫和、緩慢，能保證物料的細胞骨架不被破壞。微波干燥過程可以加速物料內(nèi)部水分的遷移。在中間階段實現(xiàn)微波、熱風不同方式的組合，可以提高工作效率，改善干燥品質。

1、熱風常壓微波干燥

熱風常壓微波干燥是用微波和熱風同時作用于物料，通過內(nèi)外協(xié)同脫水來優(yōu)化干燥過程的工藝組合。國內(nèi)外在這方面的報道很多：

Prabhanjan等應用微波對流法干燥胡蘿卜薄片，干燥時間比未加入微波縮短了25%～90%，并在功率低時得到了較好的干燥品質。

Riva等通過熱風和微波組合干燥雙孢菇，不僅縮短了加工時間，產(chǎn)品品質和復水能力比單純的微波干燥有所提高。

Sharma應用微波熱風組合干燥大蒜，發(fā)現(xiàn)微波熱風聯(lián)合干燥比傳統(tǒng)熱風干燥縮短干燥時間80%～90%，并保證了很好的感官質量。

張琦等通過微波熱風組合干燥鮮棗，發(fā)現(xiàn)微波功率、物料量、熱風溫度對干燥速率及干燥品質均有明顯影響，熱風微波耦合干燥與微波干燥和熱風干燥單獨使用相比，可以獲得干燥速率快、Vc含量高、復水性能好的優(yōu)質產(chǎn)品。

王順民等研究了熱風微波組合干燥對菠菜干制效果的影響，結果表明熱風微波組合干燥可以很好地保持菠菜的品質，同時使菌落總數(shù)降至安全范圍。

熱風微波分階段組合干燥是熱風常壓微波干燥的一種，與二者同時作用的組合干燥相比，配合的方式更加靈活。在干燥工藝中，微波的涉入有三種，即初始階段、降速階段和低含水量階段。

初始階段使物料快速升溫，打開了水分向外遷移的通道;降速階段物料表層是干的，水分集中在內(nèi)部，此時應用微波干燥，內(nèi)部產(chǎn)生熱蒸汽壓迫使水分溢向表面，迅速將其除去;考慮到物料在用熱風干燥時會因內(nèi)部水分難以擴散，在低含水量階段用微波加熱則可加快水蒸氣外移。

熱風常壓微波組合可以提高干燥效率和經(jīng)濟性，在不破壞最終產(chǎn)品品質特性的情況下，大大縮短干燥時間。劉小丹等通過優(yōu)化紅棗微波-熱風聯(lián)合干燥工藝，發(fā)現(xiàn)先用微波間隙干燥，后用熱風持續(xù)干燥得到的干棗品質良好。

然而，熱風微波干燥也有不足之處。目前，物料輸送方式均由低耗微波介質材料制成的傳送帶輸送，物料靜止于傳送帶上，易造成與傳送帶接觸的物料散濕效果差，且對微波干燥均勻性的改善是有限的。

2、熱風微波流態(tài)化干燥

熱風微波流態(tài)化干燥，是通過機械振動使農(nóng)產(chǎn)品物料在微波場中處于流態(tài)化狀態(tài)，通過鼓入熱風與微波電磁場進行協(xié)同加熱的聯(lián)合干燥。

Reyes等在熱風微波流態(tài)化干燥馬鈴薯片的試驗中得到成功的應用，微波的饋入讓干燥時間減少85%，并認為干燥層厚度和熱風溫度對產(chǎn)品的色澤和孔隙有很大影響。

韓清華等研制了集微波、機械振動、熱風為一體的熱風微波流態(tài)化組合干燥設備，如下圖所示。

1-減振彈簧 2-振動電機 3-振動機架 4-電加熱管 5-變頻器 6-觸摸屏

7-物料盤 8-微波干燥室 9-監(jiān)視器 10-磁控管 11-引風機

在該設備中，裝有6只磁控管，均衡設置在腔體頂部，通過獨立的微波波導與干燥室連接。振動流態(tài)化系統(tǒng)采用振動電機帶動物料盤進行振動，通過減振彈簧與設備機架相連。干燥室底部設有4根電加熱管連接組成熱源，熱風系統(tǒng)為獨立控制。通過對胡蘿卜丁的熱風微波流態(tài)化聯(lián)合干燥，發(fā)現(xiàn)保持胡蘿卜原有色澤、氣味和滋味的干制品的合格率達到89.63%。

微波流態(tài)化干燥解決了物料積壓導致水分、熱量散失能力差，以及微波電磁場分布不均導致干燥物料尖角糊化等技術問題。但微波干燥具有選擇性，水分含量高的部位吸收熱量多，水分散失快，而且溫升也高于其他部位。溫度升高則分子運動更加活躍，又使物料吸收微波的能力加強。二者相互作用，加劇干燥不均，這種現(xiàn)象叫“干層熱失速”。熱失速是熱風微波流態(tài)化干燥物料仍然存在的問題。

真空微波干燥，綜合了微波干燥的高效易傳導和真空環(huán)境有利水分擴散的優(yōu)點，可實現(xiàn)物料的快速干燥。真空與微波實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，真空環(huán)境改善了常壓微波干燥中水分蒸發(fā)不及時，內(nèi)部溫升過快而引起感官質量下降的技術缺陷，微波解決了真空環(huán)境無法實現(xiàn)熱對流或傳導而造成干燥時間延長的技術難題。真空環(huán)境使物料與氧氣隔絕，對物料中易被氧化的維生素C等營養(yǎng)成分也客觀上起到了隔離保護作用。

1、普通真空微波干燥

普通真空微波干燥是相對于冷凍環(huán)境來說的，干燥過程在沒有預冷，沒有冷源的條件下進行。

Drouzas等用微波真空工藝干燥香蕉片，得到含水量為5%～8%的產(chǎn)品，在溫度控制在一定水平的條件下，口感、風味和復水率等指標都表現(xiàn)出良好的干燥品質。

Lin等通過微波真空干燥胡蘿卜片發(fā)現(xiàn)，與熱風干燥相比產(chǎn)品具有更好的復水能力、較高的α胡蘿卜素和維生素C保存率，顏色、質地、風味等都達到冷凍干燥水平，干燥時間遠短于熱風干燥和冷凍干燥。

徐艷陽等對甘藍進行熱風和微波真空分階段聯(lián)合干燥試驗，與一般對流干燥相比，干燥時間縮短了48%，產(chǎn)品營養(yǎng)成分和葉綠素的保存率都得到了顯著地提高。

Bondaruk等研究了微波真空干燥馬鈴薯細塊的工藝和品質，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的淀粉和總糖分比熱風干燥損失較少，微觀結構有不同程度的改變。

卜召輝等研究了微波真空干燥金針菇的工藝條件，認為該工藝干燥的金針菇多項指標明顯優(yōu)于熱風干燥，與凍干品接近，且干燥效率高。

近年來，微波真空干燥工藝技術在果蔬、食用菌、水產(chǎn)品等方面的研究報道很多，而真正用到工業(yè)生產(chǎn)的很少。國外的微波真空干燥設備已經(jīng)從實驗室轉入工業(yè)化生產(chǎn)使用，但仍處于起步階段，主要生產(chǎn)廠家有美國的Ferrite公司、Cober公司等。我國微波真空干燥設備多處于微型小試、間歇式加工階段。

中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制開發(fā)了連續(xù)式微波真空干燥單元設備，由微波真空干燥室、微波系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、進出料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)組成，如下圖所示。該套設備實現(xiàn)了微波真空雙重密封、大功率微波多孔饋入、微波真空測控等關鍵技術。

1-進料系統(tǒng) 2-輸送系統(tǒng) 3-微波系統(tǒng) 4-真空干燥室 5-出料系統(tǒng) 6-輸送電動機 7-控制系統(tǒng) 8-真空系統(tǒng)

韓清華等應用該設備對蘋果片的加工工藝進行了優(yōu)化，建立了綜合性能指標的回歸方程，并與熱風干燥的蘋果脆片進行了能耗和產(chǎn)品品質的對比分析，發(fā)現(xiàn)微波真空工藝的干燥能力、單位能耗等都比熱風干燥有所改善，微波真空干燥膨化的蘋果脆片在質地、風味和維生素C保存率等方面都好于熱風干燥，且具有更顯著的蜂窩狀結構，截面孔洞增大。

真空微波干燥具有膨化效果，弱化了普通微波干燥干燥不均等技術缺陷。但在真空條件下，空氣的擊穿場強降低，氣體分子易被電場電離，從而出現(xiàn)氣體擊穿、拉弧放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象易發(fā)生在微波饋能耦合口和腔體內(nèi)場強集中處，不僅會消耗微波能，而且會損壞部件并產(chǎn)生較大的微波反射，縮短磁控管的使用壽命，在真空微波的設計和操作中要盡量避免。

2、真空冷凍微波干燥

微波真空冷凍干燥技術是將凍結成固態(tài)的含水物質，在真空及共晶溫度以下的條件下進行升華，并通過微波發(fā)生器向處于凍結狀態(tài)下的待干物料提供升華潛熱，從而除去被干燥物料中的水分的一種干燥方法。

早在20世紀50年代就有關于微波凍干的報道，由于技術和成本的限制研究進展一直緩慢。近年來：

Duan等在微波冷凍干燥海參時研究了微波功率、壓強與輝光放電之間的關系，得到了一些可控的參數(shù)，使干燥品質與冷凍干燥相似，干燥時間縮短了一半。

Wang等通過微波真空冷凍干燥馬鈴薯片發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱處理的薯片組織結構易破壞，產(chǎn)品的干燥品質與真空冷凍干燥的效果相當。

段續(xù)等研究了微波真空冷凍干燥甘藍的主要工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與普通真空冷凍干燥方式相比，微波冷凍干燥大大縮短了干燥時間，并在試驗中起到一定殺菌作用。

微波凍干的升華潛熱由微波加熱代替常規(guī)的輻射傳導型的表面加熱，在提高加熱效率的同時，縮短了整個凍干的時間，減少了能量消耗。曹有福等研發(fā)的微波冷凍干燥設備，設計上由功能裝置和控制裝置兩部分組成。功能裝置主要有真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)、紅外加熱系統(tǒng);控制裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)記錄裝置、功能控制裝置等，具體結構如下圖所示。通過利用該設備對冬棗片進行干燥，并與常規(guī)凍干品的品質和能耗進行比較，發(fā)現(xiàn)微波凍干冬棗片的質量指標接近常規(guī)凍干冬棗片，能耗值比常規(guī)凍干低52.58%。

1-微波凍干倉 2-紅外凍干倉 3-速凍倉 4-冷阱 5-熱力膨脹閥 6-隔膜閥 7-截止閥 8-壓縮機 9-真空泵 10-控制系統(tǒng)

在研究與應用中發(fā)現(xiàn)微波冷凍干燥也存在較多難點，需要進行大量的改進工作，才能實現(xiàn)工業(yè)化應用。主要集中在三個方面：

(1)微波設備的低壓放電

當高頻電場穿過氣體時，電子被加速，并且在運動過程中與其他重粒子發(fā)生碰撞，這樣電子的能量傳遞給了等離子中的其他粒子，然后再被加速，從電場中獲得能量。

在真空條件下，電子的平均自由程變長，電子有足夠的能量在碰撞中激發(fā)其他重離子。有電子在重離子中發(fā)生能級躍遷，由此出現(xiàn)放點現(xiàn)象。

微波真空冷凍干燥的低壓環(huán)境更為苛刻，在真空度和微波功率的給定范圍條件下，要合理設計微波真空干燥室的結構形式和尺寸，使室內(nèi)的空氣擊穿場強在安全范圍之內(nèi)。要考慮諧振腔主模式和多種模式對結構的要求，以及物料系數(shù)及設備材料、加工因素等因素，保證微波真空干燥室內(nèi)微波場的均勻性，避免物料介質受熱不均。

(2)工藝的優(yōu)化與控制

干層熱失速，也稱熱失控(Thermal Runaway)，物料溫度與微波加熱相互影響，會使加熱集中在物料的特定區(qū)域內(nèi)而加劇干燥不均。水的微波吸收系數(shù)遠大于凍結物料，微波會集中加熱凍結層的融化點而使干燥失敗。

如果微波加熱功率和物料對微波的吸收不匹配，則會形成駐波和回波，嚴重時甚至可能損壞磁控管。農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，物理性質和化學性質差異很大，對不同物料建立密度、導熱系數(shù)、傳質系數(shù)、水分含量等物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化物料量、物料尺寸、微波強度與分布等干燥工藝參數(shù)是一項工作量巨大的研究。

(3)溫濕度的在線監(jiān)測

微波真空干燥過程中，由于傳熱傳質與微波相互影響，溫度和相對濕度在線監(jiān)測技術與其他干燥方法相比存在一定困難。而且微波干燥設備尤其是微波真空干燥設備密閉結構等復雜，設備成本較高，加之連續(xù)化生產(chǎn)沒有完全實現(xiàn)，造成投資與產(chǎn)能不匹配，給規(guī)?；a(chǎn)造成了困難。