張文華¹  卓震²

   (1常州科維機械制造有限公司 江蘇常州 213011，2江蘇工業(yè)學院 江蘇常州，213016） 

摘  要：從微波干燥滅菌的原理入手，闡述了其在中藥生產(chǎn)的應用，同時也介紹了智能化微波真空連續(xù)干燥機的特點與應用。

關鍵詞：微波；干燥滅菌；智能化微波真空連續(xù)干燥機；應用

    微波是一種頻率非常高的電磁波，其頻率在300MHz至300kMHz之間，波長在1m到1mm之間。電磁波波長大于1m為無線電波，小于1mm為光波。微波在傳輸過程中遇到不同種類的物質(zhì)會產(chǎn)生反射、透射和吸收現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的強弱則依賴于物質(zhì)本身的性質(zhì)。

    通常，一些介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成。在微波電磁場的作用下，介質(zhì)中的極性分子從原來的熱運動狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟隨微波電磁場的交變而排列取向。例如，采用的微波頻率為2 450 MHz，就會出現(xiàn)每秒24億5千萬次交變，分子間就會產(chǎn)生激烈的摩擦。在這一微觀過程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱量，使介質(zhì)溫度呈現(xiàn)為宏觀上的升高，這就是對微波加熱最通俗的解釋。

    微波滅菌的原理是兩方面的，它既有熱效應滅菌，又有非熱效應滅菌，因此它具有雙重殺菌功能。微波加熱時，細菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸成分等分子極性集團，在微波場下高速旋轉(zhuǎn)、振動，一方面加熱使細菌蛋白質(zhì)凝固而死亡；另一方面也可以使蛋白質(zhì)、核酸變性而死亡。

    利用脈沖調(diào)制的微波能進行殺菌試驗，可以用較小的溫升達到殺菌的目的。這說明微波殺菌不只是熱力殺菌，還有非熱力致死細菌的能力，這就是所謂的非熱效應。根據(jù)這個原理，可以在極短的時間內(nèi)采用高于常規(guī)微波場能量密度的數(shù)倍或數(shù)十倍的脈沖微波能量，不但可以可靠殺死細菌，還可大大降低藥品溫升，降低設備的能耗。

    微波加熱干燥是介質(zhì)材料自身損耗電磁能量而加熱。微波加熱的一個基本條件是：物料內(nèi)有能吸收微波的物質(zhì)，水是吸收微波很好的介質(zhì)，所以凡是含水的物質(zhì)必定會吸收微波。對于金屬材料，電磁場不能投入內(nèi)部而是被反射出來，所以金屬材料不能用微波加熱。

    有一部分介質(zhì)雖然是非極性分子組成，但也能在不同程度上吸收微波，其原理可解釋為這種物質(zhì)分子在微波場下發(fā)生彈性變形而生熱。另一類介質(zhì)，他們基本上不吸收微波，如聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜塑料和玻璃、陶瓷等，他們能透過微波，而不吸收微波，這類材料可作為加熱用的容器或支撐物。

    根據(jù)介質(zhì)材料與微波場之間的相互關系可分為四類：(1)導體，該種物料（如金屬）能反射微波，可用于貯存或引導微波，即導體可作為干燥室和波導的材料；(2)絕緣體，也稱“無損耗介電體”，幾乎所有的絕緣體不反射也不吸收微波，而微波可以穿透絕緣體，因此這些材料（如陶瓷、玻璃、塑料等）可用作微波場中被加熱物料的支撐裝置；(3)介電體，其特性介于前二者之間，它們中的絕大部分材料可叫做“有損耗介電體”，能不同程度地吸收微波能量，并將之化為熱量； (4)鐵磁體，它們也吸收、反射和穿透微波，并同微波的磁場分量發(fā)生作用，且產(chǎn)生熱量，這種材料常作為保護或扼流裝置的材料，用來防止微波能量的泄漏。 

    在微波加熱中，介質(zhì)發(fā)熱程度與微波頻率、電磁場強度、介質(zhì)自身的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切值等參數(shù)有關。在微波加熱過程中，還存在一個穿透能力和加熱深度問題。什么叫穿透能力？穿透能力就是電磁波穿入到介質(zhì)內(nèi)部的本領，電磁波從介質(zhì)的表面進入并在其內(nèi)部傳播時，由于能量不斷被吸收并轉(zhuǎn)化為熱，它所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離成指數(shù)規(guī)律衰減。微波的穿透能力要比紅外線大得多，其中915 MHz又比2 450 MHz的微波穿透深度大。

    由于微波加熱滅菌是與物料的水分直接相關，因此物料中應含有適量的水分，有報道說，當物料中的水分低于10％時，其滅菌效果不明顯。

    微波干燥或滅菌時，物料中的水分應均勻，不宜出現(xiàn)局部的過濕或過干現(xiàn)象，這樣可能由于局部的溫度升高劇烈，導致物料的部分焦化。

    微波對不同的物料可能會出現(xiàn)的不同的穿透能力，如對水的穿透能力為2～3 cm，因此在物料的干燥或滅菌時，都應采取動態(tài)的物料為好，如適宜的攪拌或翻動。

    國內(nèi)已有生產(chǎn)設備可用于中藥材的干燥、低溫滅菌、防霉、殺菌保鮮等。微波干燥可殺滅微生物和霉菌，并具有消毒作用，使藥材達到衛(wèi)生標準，并能防止藥材在貯藏過程中發(fā)霉和生蟲。使用微波干燥可連續(xù)性進行藥材的干燥，適用于工業(yè)化的生產(chǎn)加工，在干燥的同時進行殺菌，使用本方法滅菌的藥材保質(zhì)期相對較長。

    可用于新鮮中藥材殺菌保鮮，微波滅菌由于低溫滅菌，未破壞新鮮藥材的結(jié)構(gòu)外形，使新鮮藥材的保鮮加工方法更先進和變得簡單易行。對新鮮藥材通過微波真空冷凍脫水，可使藥材快速干燥，有效成分保留完整，為中藥飲片加工提供了新的生產(chǎn)加工方法。

    微波干燥的藥材由于在干燥過程中水分加熱氣化形成一定的壓力，可迅速沖破細胞，導致細胞膜破裂，因此藥材的提取過程可相對縮短，有效成分的浸出可進一步提高，收膏率亦相應提高。

    在中藥材干燥中應用，如微波在膽汁干燥中的應用，傳統(tǒng)的膽汁陰干需要12 h的時間，應用微波干燥僅需要15 min；在花類藥材干燥中，應用微波-氣流干燥技術，首先應用微波對花類藥材進行初步干燥，再進行氣流干燥，克服了傳統(tǒng)干燥法造成的花瓣過度干燥，使花瓣脫落的不足，提高了藥材品質(zhì)；在中藥炮制方面，應用微波干燥可以克服傳統(tǒng)加熱方法火候不易控制的問題，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進中藥現(xiàn)代化，可使炮制藥材質(zhì)地疏松，有效成分溶出率增大，破壞藥材中的毒性成分等。

    在藥品生產(chǎn)中，常將原料用一定的方法制成顆粒，顆粒的質(zhì)量情況對成品制劑具有直接的影響，口服制劑的衛(wèi)生標準國家有嚴格的規(guī)定，如2005版藥典對口服制劑微生物限度標準(如表１所示)。

    為了達到這一標準，對固體制劑的半成品、成品滅菌是十分必要的，但在傳統(tǒng)的滅菌方法中，由于固體制劑要求一定的水分限度，因而適宜的方法并不多，沒有十分良好的方法，大多采用鈷60照射，部分藥粉可采用濕熱滅菌，而鈷60照射需要外部協(xié)助，部分生產(chǎn)工序的正常生產(chǎn)需要停止，使得藥品生產(chǎn)不流暢，影響進程，而且國家對品種也有限制。

    長期以來，我國制藥生產(chǎn)均采用傳統(tǒng)的加熱干燥方式，他們不僅熱效率低、加熱時間長、占地面積大、不利于環(huán)保，其藥品的藥效和營養(yǎng)成分受到一定程度的破壞。利用微波干燥、滅菌可以避免出現(xiàn)以上的不利方面，利用微波的熱效應和非熱效應，進行低溫干燥和殺菌處理，微波能量直接輻射到藥品中，是藥品內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生壓力，加速被約束水分子的轉(zhuǎn)移，被處理物品中的水分逐步向外蒸發(fā)，此時微波設備中再通以適當?shù)臒犸L，將蒸發(fā)出來的水分帶走。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，應嚴格控制熱風溫度、濕度和流量。利用微波干燥處理藥品不僅大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，并可大大縮短干燥時間和節(jié)約大量的能源，經(jīng)濟效益十分明顯。

    而采用微波干燥、殺菌能充分發(fā)揮微波干燥、殺菌特性，就可以解決傳統(tǒng)加熱的弊端。例如，用精心設計的藥丸微波干燥、殺菌設備，加工的藥丸不龜裂，一致性好，保持原藥性，大大延長了保質(zhì)期。

    將微波干燥滅菌技術應用于中藥濃縮丸劑生產(chǎn)，并根據(jù)該機型生產(chǎn)特點，使干燥和滅菌同步完成，單元周期由原來的30～40 h縮短為5～15 min，工藝流程的操作工序由原來的15個簡化為12個，整個生產(chǎn)周期縮短了56％，產(chǎn)量提高3倍，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可控。

    采用微波干燥滅菌設備對丸劑中的水丸、水蜜丸和濃縮水蜜丸試生產(chǎn)，時間表明，微波對丸藥有加熱均勻、干燥時間短、生產(chǎn)膨化作用、低溫滅菌、熱轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)約能源、連續(xù)化成產(chǎn)、提高勞動效率等優(yōu)點^[9]。微波干燥有利于改善工作環(huán)境，符合GMP，在丸劑生產(chǎn)中值得推廣應用。采用微波干燥滅菌設備，對影響濃縮六味地黃丸干燥效果的因素進行了系統(tǒng)的分析，采用L9（34）正交實驗設計，以外觀、水分、溶散時限和微生物限度為指標進行綜合評價和最佳工藝條件篩選。按照篩選出的工藝條件進行生產(chǎn)，各項指標良好。還對六味地黃丸進行微波干燥和烘箱干燥做了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與烘箱干燥相比，微波干燥時丹皮酚含量損失率平均降低2.4％，滅菌率平均提高1.9％，溶散時限平均縮短22 min。

    對固體制劑采用微波滅菌具有較好的滅菌效果，如使用2450 MHz微波滅菌設備對丸劑滅菌，含菌量比未經(jīng)處理的樣品降低94％～99％，主要成分無多大變化，一般溫度在80℃微波滅菌數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘就可以達到滅菌效果。蜜丸照射數(shù)分鐘可殺死74％～89％的細菌，水丸照射16～22 min，可殺滅94％～99％的細菌，飲片照射2～4 min，可殺滅90％的細菌，其效果優(yōu)于干熱滅菌，熱轉(zhuǎn)化效率高，節(jié)約能源，符合GMP，并可實現(xiàn)自動控制及連續(xù)化生產(chǎn)。

    口服液中含有糖、生物制劑和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，很容易被污染。市場上的某些口服液，因為沒有很好的滅菌，在貯藏中細菌繁殖，產(chǎn)生氣體，用戶在使用時發(fā)生中毒及爆瓶事故。一些口服液生產(chǎn)廠家，為了防止細菌繁殖，在口服液中添加防腐劑，結(jié)果產(chǎn)品不能出國，采用微波殺菌的方法，能有效解決上述問題。

    傳統(tǒng)方法一般為用濕熱蒸汽滅菌，需要對物料加溫到121 ℃，保持20 min以上方能將細菌殺死。由于濕熱滅菌熱傳導是由外而內(nèi)，為達到這一目標，就需要有很長時間的加熱時間，包括對物料長時間的升溫過程，全部滅菌周期一般需要1～1.5 h方能完成，能源消耗高，效率較低。

    微波滅菌是對物料內(nèi)外同時進行加熱，內(nèi)部溫度高，熱傳導是由內(nèi)向外的，升溫均勻而加熱迅速，時間較短，如采用微波滅菌，可使：(1)大腸桿菌和枯草桿菌在微波場中只要加溫至70℃，保持2 min就能被全部殺死；(2)濕熱枯草脂肪桿菌，在微波場中，溫度70℃，保持2min，即被殺死。

    用5kW的微波設備進行滅菌，50s可殺滅細菌，8kW微波設備35s可殺滅細菌。

    有人做過口服溶液劑微波滅菌試驗：含菌量高達350萬個大腸桿菌的口服溶液，密封在1～2 ml的安瓿中，經(jīng)3～5kW功率，2450 MHz的微波作用15 s以上，安瓿溫度接近110℃左右時，可將細胞細菌全部殺滅。金黃色葡萄球菌于此結(jié)果近似?？莶輻U菌芽胞，含量為6萬～8萬個，液溫必須達到140℃，保持20s以上才能徹底殺滅。含2 000～3 000個青菌胞子的口服溶液，在3～4kW微波功率作用下，液溫達到120℃以上，經(jīng)20～23s，即徹底殺滅。

    據(jù)國外文獻報道，用微波殺菌，藥品的有效成分不會分解，用傳統(tǒng)的方法殺菌，藥品的有效成分分解顯著。秦皇島某制藥廠用幾個樣品進行了對比試驗，結(jié)果和文獻報道完全一樣。

    據(jù)估計，目前全國有5000個口服液生產(chǎn)廠家，用微波設備對口服液進行滅菌處理的廠家不到5%。如果大家都能用微波設備進行滅菌處理，不僅可以提高產(chǎn)品的品級，克服口服液存在的質(zhì)量問題，而且可以節(jié)省大量的人力和物力資源。

    由于微波加熱干燥與常規(guī)干燥方法相比，有著顯著的優(yōu)越性和良好的經(jīng)濟效益，因而近年來微波加熱干燥在制藥工業(yè)中得到進一步應用。綜觀目前用于藥品微波干燥設備的現(xiàn)狀，只有微波干燥機、微波帶式干燥機、微波真空干燥機、微波回轉(zhuǎn)真空干燥機等，這述微波干燥設備雖然均都應用了微波技術，但總存在不完善之處，要么在真空條件下，卻不能實現(xiàn)連續(xù)干燥作業(yè)；要么雖能連續(xù)操作，卻不能實現(xiàn)在真空條件下的低溫干燥。為了解決上述問題，常州科維機械制造有限公司最近研制了WDZ型智能化微波真空連續(xù)干燥機，這種新型微波干燥機就能實現(xiàn)在微波和真空環(huán)境中能進行連續(xù)低溫干燥作業(yè)。

    WDZ型智能化微波真空連續(xù)干燥機的結(jié)構(gòu) (如圖1所示)。由以下主要部分組成：干燥筒體、微波發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（PLC控制動態(tài)顯示系統(tǒng)）、真空系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、排濕系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、加料和出料系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等。廣

    智能化微波真空連續(xù)干燥機的工作過程是：(1)啟動真空泵，對干燥筒體3內(nèi)部抽真空；(2)啟動輸送傳送系統(tǒng)6和破碎系統(tǒng)12；(3)啟動供料泵2，將料筒1內(nèi)的物料通過加料機構(gòu)4向輸送帶上噴散物料；(4)啟動微波加熱系統(tǒng)5，此時干燥過程開始，微波能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，將物料中的濕分轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，并?jīng)真空泵抽出排除；(5)連續(xù)干燥好的物料經(jīng)冷卻系統(tǒng)8冷卻后破碎，由特殊設計的出料系統(tǒng)10、11排出收集。

    運行過程中，物料的溫度、輸送速度及加料量均根據(jù)工藝要求和物料實際干燥狀態(tài)，依照PLC內(nèi)已編入的程序自動控制，使物料特性的保持和系統(tǒng)運行達到最佳效果。系統(tǒng)裝有液晶顯示屏，可顯示箱體內(nèi)物料的干燥狀態(tài)和各機構(gòu)的運行狀況。

    物料的濕分汽化后，部分蒸汽會在箱體內(nèi)壁上冷凝為冷凝液，冷凝液沿箱壁流下收集并排出系統(tǒng)。物料連續(xù)干燥完畢后，先關閉微波發(fā)生系統(tǒng)，然后關停輸送系統(tǒng)，最后關閉真空系統(tǒng)，開啟放空口呼吸器，向干燥機內(nèi)部放入潔凈空氣以平衡箱內(nèi)負壓。

    干燥機內(nèi)部配置的清洗系統(tǒng)7，可方便地對內(nèi)部進行清洗。

    WDZ型智能化微波真空連續(xù)干燥機集微波技術、帶式連續(xù)運動技術、真空干燥技術、自動控制技術于一體，因而其將凸現(xiàn)出以下特點：

    (1)干燥速度快。常規(guī)加熱方法采用熱空氣、燃氣、蒸汽或過熱蒸汽等對物料進行加熱，其實質(zhì)是通過物料內(nèi)部的溫度梯度來實現(xiàn)熱量傳遞的，因而加熱速度慢。而采用微波加熱，是利用微波場與物料的整體發(fā)生作用，在物料內(nèi)迅速地產(chǎn)生熱效應，加熱速度很快，通常在幾秒中內(nèi)便可完成加熱過程；

    (2)干燥均勻。在微波場中的物料進行的是“體積熱效應”，從而避免了常規(guī)加熱系統(tǒng)中出現(xiàn)大的溫度梯度，即微波加熱的物料非常均勻，不會出現(xiàn)物料表面過熱和“結(jié)殼”的現(xiàn)象。同時，該機的被干燥物料系連續(xù)、勻速地進行直線運動，使物料更能均勻地接受微波能量，因此大大有助于干燥產(chǎn)品質(zhì)量的提高；

    (3)連續(xù)干燥。該機內(nèi)部采用能夠自動糾偏的特殊材料的輸送帶、破碎機構(gòu)、加料槍和出料器等，從而可以進行大產(chǎn)量的連續(xù)干燥作業(yè)。為此，在結(jié)構(gòu)設計中妥善地解決了真空狀態(tài)下實現(xiàn)加料、出料和防止微波能泄漏等技術問題；

    (4)低溫干燥，一方面，在微波場中，微波只與物料中的溶劑而不與基質(zhì)相耦合，因此濕分就被加熱、汽化、排出，而濕分的載體（基質(zhì)）則主要是通過熱傳導給熱，所以物料的溫度不高，即所謂“選擇性加熱”。另一方面，該機是在真空環(huán)境中對物料進行干燥，從而大幅降低了溶媒的汽化溫度。干燥物料的溫度不高，并且可以對其控制，這樣就非常適宜于低融點、熱敏性類物料的干燥；

    (5)滅菌功能。由于微波的“生物效應”能在較低溫度下殺滅細菌，在干燥的同時，達到滅菌功能；

    (6)物料收率高、操作簡易。在整個干燥過程中，物料不會散失，其收料率極高，這對于貴重物料的干燥顯得更為重要。同時，整個操作過程相當于自動進出料，使操作相對簡易；

    (7)綜合應用高科技。該機運用了多項先進電子技術，如物料溫度的紅外遙測和控制、物料在干燥過程中的動態(tài)顯示（攝像頭和顯示器）、PLC控制等，提高了整機的技術含量；

    (8)安全可靠。設備置有特殊結(jié)構(gòu)的微波扼流裝置和真空密封機構(gòu)，其微波漏能嚴格控制在國家標準以下（出廠檢驗距設備5cm處小于1mW/cm²）；

    (9)清洗方便。設備內(nèi)部多處裝設清洗球，可以方便地對內(nèi)部進行有效地清洗；

    (10)節(jié)能。由于微波加熱的可選擇性和上述各大特點，不僅節(jié)約了干燥所需的加熱能源，同時節(jié)省了大量的動力能量，使干燥的總能耗大大降低，是常規(guī)的真空干燥設備所無可比擬的。

    總之，該設備在采用微波能源和真空技術的同時，還運用了動態(tài)結(jié)構(gòu)和干燥過程動態(tài)顯示手段，讓物料在干燥器內(nèi)作直線連續(xù)運動，使物料在微波場中和真空環(huán)境下完成干燥的全過程，從而使接收到的微波總能基本一致，物料的干燥程度也基本相同，使物料干燥均勻，并實現(xiàn)了連續(xù)干燥作業(yè)，從而大大克服了間歇干燥產(chǎn)量低、操作不便等弊病。此外，采用了真空干燥技術，其汽化溫度大大降低，物料中的濕分就能迅速變成蒸汽，使物料在低溫下進行干燥，特別適宜于低融點、熱敏性類物料的干燥，特別是用于粘稠、膠狀、極難干燥的浸膏類物料場合。

    WDZ型智能化微波真空連續(xù)干燥機該機既具有微波干燥的快速、均勻、節(jié)能等優(yōu)點，又具有真空狀態(tài)下進行低溫干燥的優(yōu)勢，并且還能在輸送帶勻速直線的作用下，使其連續(xù)進料和出料，從而提高物料干燥的效率。因此，凡是工業(yè)生產(chǎn)中的物料產(chǎn)品需要微波、真空、連續(xù)干燥三個條件兼?zhèn)涞膱龊?，其均將得以廣泛地應用。

    WDZ型智能化微波真空連續(xù)干燥機主要用于醫(yī)藥、化工、食品等行業(yè)中粉狀、粒狀、片狀、條狀物料的干燥，還特別適用于膏狀物料（如浸膏）的干燥。

    其中，由于膏狀物料的粘稠和熱敏等特殊的物性，一直是干燥領域的技術難題。如果采用真空類干燥設備，由于真空狀態(tài)下傳導加熱速度很慢，則干燥時間長、干燥不均勻；又如采用不能連續(xù)出料的微波真空干燥機，其最大的缺點是干燥物料處于靜止狀態(tài)，不同位置的物料接受的微波能差異很大，嚴重影響干燥質(zhì)量；再如選擇其它類干燥機設備，則會存在加熱裝置體積較大與干燥速度慢的不完善之處?？傊悄芑⒉ㄕ婵者B續(xù)干燥機克服了上述諸多干燥設備的不完善之處，對于極難干燥的浸膏類物料，已經(jīng)取得了非常滿意的效果。

1莊嚴，卓震，張文華.微波干燥滅菌及提取在中藥生產(chǎn)的應用. 中國制藥裝備雜志[J].總40期.2008(12)

2張文華，卓震.智能化微波真空連續(xù)干燥機的結(jié)構(gòu)、特點及應用. 中國制藥裝備雜志[J].總22期.2006(8)

張文華(1945)，常州科維機械制造有限公司董事長，高級工程師，研究方向：固體制劑干燥與混合設備技術

卓震，江蘇工業(yè)學院機械工程系教授，江蘇省科技成果管理評審專家。