中草药微波萃取装置的设计

中草药微波萃取装置的设计
（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）
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、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0.5～3 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。

目前文献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，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。

本文设计了一种可工业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300MHz～300 GHz之间的电磁波,对应的波长范围为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。

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=λ/2×n（λ为微波波长，n为大于2的正整数）。

容积可为10～30 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、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。

【参考文献】
［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］.湖南中医学院学报,2004,24(3):58.
［3］沈致远.微波技术［M］.北京：国防工业出版社,1980:31.
［4］郭银景,吕文红,唐富华,等.电磁兼容原理及应用教程［M］.北京:清华大学出版社,2004：185.
［5］唐蜜,郭庆功,周敏.微波非相干功率合成数值仿真和实验研究［J］.材料导报,2007,21(11A):263.
［6］李宗谦,余京兆,高葆新.微波工程基础［M］ .北京：清华大学出版社, 2004:213.。