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张文华1 卓震2
(1常州科维机械制造有限公司 江苏常州 213011，2江苏工业学院 江苏常州，213016）
摘 要：从微波干燥灭菌的原理入手，阐述了其在中药生产的应用，同时也介绍了智能化微波真空连续干燥机的特点与应用。
关键词：微波；干燥灭菌；智能化微波真空连续干燥机；应用
1 微波干燥灭菌的原理
微波是一种频率非常高的电磁波，其频率在300MHz至300kMHz之间，波长在1m到1mm之间。电磁波波长大于1m为无线电波，小于1mm为光波。微波在传输过程中遇到不同种类的物质会产生反射、透射和吸收现象，这些现象的强弱则依赖于物质本身的性质。
1.1微波加热灭菌的原理
通常，一些介质材料由极性分子和非极性分子组成。在微波电磁场的作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如，采用的微波频率为2 450 MHz，就会出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦。在这一微观过程中，微波能量转化为介质内的热量，使介质温度呈现为宏观上的升高，这就是对微波加热最通俗的解释。
微波灭菌的原理是两方面的，它既有热效应灭菌，又有非热效应灭菌，因此它具有双重杀菌功能。微波加热时，细菌体内的蛋白质、核酸成分等分子极性集团，在微波场下高速旋转、振动，一方面加热使细菌蛋白质凝固而死亡；另一方面也可以使蛋白质、核酸变性而死亡。
利用脉冲调制的微波能进行杀菌试验，可以用较小的温升达到杀菌的目的。这说明微波杀菌不只是热力杀菌，还有非热力致死细菌的能力，这就是所谓的非热效应。根据这个原理，可以在极短的时间内采用高于常规微波场能量密度的数倍或数十倍的脉冲微波能量，不但可以可靠杀死细菌，还可大大降低药品温升，降低设备的能耗。
1.2介质材料与微波场的关系
微波加热干燥是介质材料自身损耗电磁能量而加热。微波加热的一个基本条件是：物料内有能吸收微波的物质，水是吸收微波很好的介质，所以凡是含水的物质必定会吸收微波。对于金属材料，电磁场不能投入内部而是被反射出来，所以金属材料不能用微波加热。
有一部分介质虽然是非极性分子组成，但也能在不同程度上吸收微波，其原理可解释为这种物质分子在微波场下发生弹性变形而生热。另一类介质，他们基本上不吸收微波，如聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜塑料和玻璃、陶瓷等，他们能透过微波，而不吸收微波，这类材料可作为加热用的容器或支撑物。
根据介质材料与微波场之间的相互关系可分为四类：(1)导体，该种物料（如金属）能反射微波，可用于贮存或引导微波，即导体可作为干燥室和波导的材料；(2)绝缘体，也称“无损耗介电体”，几乎所有的绝缘体不反射也不吸收微波，而微波可以穿透绝缘体，因此这些材料（如陶瓷、玻璃、塑料等）可用作微波场中被加热物料的支撑装置；(3)介电体，其特性介于前二者之间，它们中的绝大部分材料可叫做“有损耗介电体”，能不同程度地吸收微波能量，并将之化为热量； (4)铁磁体，它们也吸收、反射和穿透微波，并同微波的磁场分量发生作用，且产生热量，这种材料常作为保护或扼流装置的材料，用来防止微波能量的泄漏。
在微波加热中，介质发热程度与微波频率、电磁场强度、介质自身的介电常数和介质损耗正切值等参数有关。在微波加热过程中，还存在一个穿透能力和加热深度问题。什么叫穿透能力？穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离成指数规律衰减。微波的穿透能力要比红外线大得多，其中915 MHz又比2 450 MHz的微波穿透深度大。
1.3微波加热灭菌对物料的要求
由于微波加热灭菌是与物料的水分直接相关，因此物料中应含有适量的水分，有报道说，当物料中的水分低于10％时，其灭菌效果不明显。
微波干燥或灭菌时，物料中的水分应均匀，不宜出现局部的过湿或过干现象，这样可能由于局部的温度升高剧烈，导致物料的部分焦化。
微波对不同的物料可能会出现的不同的穿透能力，如对水的穿透能力为2～3 cm，因此在物料的干燥或灭菌时，都应采取动态的物料为好，如适宜的搅拌或翻动。
2 微波干燥灭菌在中药生产的应用
2.1药材干燥与杀菌保鲜
国内已有生产设备可用于中药材的干燥、低温灭菌、防霉、杀菌保鲜等。微波干燥可杀灭微生物和霉菌，并具有消毒作用，使药材达到卫生标准，并能防止药材在贮藏过程中发霉和生虫。使用微波干燥可连续性进行药材的干燥，适用于工业化的生产加工，在干燥的同时进行杀菌，使用本方法灭菌的药材保质期相对较长。
可用于新鲜中药材杀菌保鲜，微波灭菌由于低温灭菌，未破坏新鲜药材的结构外形，使新鲜药材的保鲜加工方法更先进和变得简单易行。对新鲜药材通过微波真空冷冻脱水，可使药材快速干燥，有效成分保留完整，为中药饮片加工提供了新的生产加工方法。
微波干燥的药材由于在干燥过程中水分加热气化形成一定的压力，可迅速冲破细胞，导致细胞膜破裂，因此药材的提取过程可相对缩短，有效成分的浸出可进一步提高，收膏率亦相应提高。
在中药材干燥中应用，如微波在胆汁干燥中的应用，传统的胆汁阴干需要12 h的时间，应用微波干燥仅需要15 min；在花类药材干燥中，应用微波-气流干燥技术，首先应用微波对花类药材进行初步干燥，再进行气流干燥，克服了传统干燥法造成的花瓣过度干燥，使花瓣脱落的不足，提高了药材品质；在中药炮制方面，应用微波干燥可以克服传统加热方法火候不易控制的问题，有利于提高产品质量，促进中药现代化，可使炮制药材质地疏松，有效成分溶出率增大，破坏药材中的毒性成分等。
2.2微波对丸、颗粒、片剂等固体制剂干燥灭菌
在药品生产中，常将原料用一定的方法制成颗粒，颗粒的质量情况对成品制剂具有直接的影响，口服制剂的卫生标准国家有严格的规定，如2005版药典对口服制剂微生物限度标准(如表１所示)。
 为了达到这一标准，对固体制剂的半成品、成品灭菌是十分必要的，但在传统的灭菌方法中，由于固体制剂要求一定的水分限度，因而适宜的方法并不多，没有十分良好的方法，大多采用钴60照射，部分药粉可采用湿热灭菌，而钴60照射需要外部协助，部分生产工序的正常生产需要停止，使得药品生产不流畅，影响进程，而且国家对品种也有限制。
长期以来，我国制药生产均采用传统的加热干燥方式，他们不仅热效率低、加热时间长、占地面积大、不利于环保，其药品的药效和营养成分受到一定程度的破坏。利用微波干燥、灭菌可以避免出现以上的不利方面，利用微波的热效应和非热效应，进行低温干燥和杀菌处理，微波能量直接辐射到药品中，是药品内部温度升高，产生压力，加速被约束水分子的转移，被处理物品中的水分逐步向外蒸发，此时微波设备中再通以适当的热风，将蒸发出来的水分带走。为了保证产品质量，应严格控制热风温度、湿度和流量。利用微波干燥处理药品不仅大大提高产品质量，并可大大缩短干燥时间和节约大量的能源，经济效益十分明显。
而采用微波干燥、杀菌能充分发挥微波干燥、杀菌特性，就可以解决传统加热的弊端。例如，用精心设计的药丸微波干燥、杀菌设备，加工的药丸不龟裂，一致性好，保持原药性，大大延长了保质期。
将微波干燥灭菌技术应用于中药浓缩丸剂生产，并根据该机型生产特点，使干燥和灭菌同步完成，单元周期由原来的30～40 h缩短为5～15 min，工艺流程的操作工序由原来的15个简化为12个，整个生产周期缩短了56％，产量提高3倍，产品质量稳定、可控。
采用微波干燥灭菌设备对丸剂中的水丸、水蜜丸和浓缩水蜜丸试生产，时间表明，微波对丸药有加热均匀、干燥时间短、生产膨化作用、低温灭菌、热转换效率高、节约能源、连续化成产、提高劳动效率等优点[9]。微波干燥有利于改善工作环境，符合GMP，在丸剂生产中值得推广应用。采用微波干燥灭菌设备，对影响浓缩六味地黄丸干燥效果的因素进行了系统的分析，采用L9（34）正交实验设计，以外观、水分、溶散时限和微生物限度为指标进行综合评价和最佳工艺条件筛选。按照筛选出的工艺条件进行生产，各项指标良好。还对六味地黄丸进行微波干燥和烘箱干燥做了比较，结果发现，与烘箱干燥相比，微波干燥时丹皮酚含量损失率平均降低2.4％，灭菌率平均提高1.9％，溶散时限平均缩短22 min。
对固体制剂采用微波灭菌具有较好的灭菌效果，如使用2450 MHz微波灭菌设备对丸剂灭菌，含菌量比未经处理的样品降低94％～99％，主要成分无多大变化，一般温度在80℃微波灭菌数分钟或数十分钟就可以达到灭菌效果。蜜丸照射数分钟可杀死74％～89％的细菌，水丸照射16～22 min，可杀灭94％～99％的细菌，饮片照射2～4 min，可杀灭90％的细菌，其效果优于干热灭菌，热转化效率高，节约能源，符合GMP，并可实现自动控制及连续化生产。
2.3口服液灭菌
口服液中含有糖、生物制剂和丰富的营养物质，很容易被污染。市场上的某些口服液，因为没有很好的灭菌，在贮藏中细菌繁殖，产生气体，用户在使用时发生中毒及爆瓶事故。一些口服液生产厂家，为了防止细菌繁殖，在口服液中添加防腐剂，结果产品不能出国，采用微波杀菌的方法，能有效解决上述问题。
2.3.1灭菌效果
传统方法一般为用湿热蒸汽灭菌，需要对物料加温到121 ℃，保持20 min以上方能将细菌杀死。由于湿热灭菌热传导是由外而内，为达到这一目标，就需要有很长时间的加热时间，包括对物料长时间的升温过程，全部灭菌周期一般需要1～1.5 h方能完成，能源消耗高，效率较低。
微波灭菌是对物料内外同时进行加热，内部温度高，热传导是由内向外的，升温均匀而加热迅速，时间较短，如采用微波灭菌，可使：(1)大肠杆菌和枯草杆菌在微波场中只要加温至70℃，保持2 min就能被全部杀死；(2)湿热枯草脂肪杆菌，在微波场中，温度70℃，保持2min，即被杀死。
用5kW的微波设备进行灭菌，50s可杀灭细菌，8kW微波设备35s可杀灭细菌。
有人做过口服溶液剂微波灭菌试验：含菌量高达350万个大肠杆菌的口服溶液，密封在1～2 ml的安瓿中，经3～5kW功率，2450 MHz的微波作用15 s以上，安瓿温度接近110℃左右时，可将细胞细菌全部杀灭。金黄色葡萄球菌于此结果近似。枯草杆菌芽胞，含量为6万～8万个，液温必须达到140℃，保持20s以上才能彻底杀灭。含2 000～3 000个青菌胞子的口服溶液，在3～4kW微波功率作用下，液温达到120℃以上，经20～23s，即彻底杀灭。
2.3.2对口服液有效成分的影响程度
据国外文献报道，用微波杀菌，药品的有效成分不会分解，用传统的方法杀菌，药品的有效成分分解显著。秦皇岛某制药厂用几个样品进行了对比试验，结果和文献报道完全一样。
2.3.3微波处理口服液综合经济效果的分析
据估计，目前全国有5000个口服液生产厂家，用微波设备对口服液进行灭菌处理的厂家不到5%。如果大家都能用微波设备进行灭菌处理，不仅可以提高产品的品级，克服口服液存在的质量问题，而且可以节省大量的人力和物力资源。
3 智能化微波真空连续干燥机的特点与应用
由于微波加热干燥与常规干燥方法相比，有着显著的优越性和良好的经济效益，因而近年来微波加热干燥在制药工业中得到进一步应用。综观目前用于药品微波干燥设备的现状，只有微波干燥机、微波带式干燥机、微波真空干燥机、微波回转真空干燥机等，这述微波干燥设备虽然均都应用了微波技术，但总存在不完善之处，要么在真空条件下，却不能实现连续干燥作业；要么虽能连续操作，却不能实现在真空条件下的低温干燥。为了解决上述问题，常州科维机械制造有限公司最近研制了WDZ型智能化微波真空连续干燥机，这种新型微波干燥机就能实现在微波和真空环境中能进行连续低温干燥作业。
3.1智能化微波真空连续干燥机的结构与原理
 WDZ型智能化微波真空连续干燥机的结构 (如图1所示)。由以下主要部分组成：干燥筒体、微波发生系统、控制系统（PLC控制动态显示系统）、真空系统、传动系统、排湿系统、破碎系统、加料和出料系统、清洗系统等。广
智能化微波真空连续干燥机的工作过程是：(1)启动真空泵，对干燥筒体3内部抽真空；(2)启动输送传送系统6和破碎系统12；(3)启动供料泵2，将料筒1内的物料通过加料机构4向输送带上喷散物料；(4)启动微波加热系统5，此时干燥过程开始，微波能迅速转化为热能，将物料中的湿分转变为蒸汽，并经真空泵抽出排除；(5)连续干燥好的物料经冷却系统8冷却后破碎，由特殊设计的出料系统10、11排出收集。
运行过程中，物料的温度、输送速度及加料量均根据工艺要求和物料实际干燥状态，依照PLC内已编入的程序自动控制，使物料特性的保持和系统运行达到最佳效果。系统装有液晶显示屏，可显示箱体内物料的干燥状态和各机构的运行状况。
物料的湿分汽化后，部分蒸汽会在箱体内壁上冷凝为冷凝液，冷凝液沿箱壁流下收集并排出系统。物料连续干燥完毕后，先关闭微波发生系统，然后关停输送系统，最后关闭真空系统，开启放空口呼吸器，向干燥机内部放入洁净空气以平衡箱内负压。
干燥机内部配置的清洗系统7，可方便地对内部进行清洗。
3.2智能化微波真空连续干燥机的特点
WDZ型智能化微波真空连续干燥机集微波技术、带式连续运动技术、真空干燥技术、自动控制技术于一体，因而其将凸现出以下特点：
(1)干燥速度快。常规加热方法采用热空气、燃气、蒸汽或过热蒸汽等对物料进行加热，其实质是通过物料内部的温度梯度来实现热量传递的，因而加热速度慢。而采用微波加热，是利用微波场与物料的整体发生作用，在物料内迅速地产生热效应，加热速度很快，通常在几秒中内便可完成加热过程；
(2)干燥均匀。在微波场中的物料进行的是“体积热效应”，从而避免了常规加热系统中出现大的温度梯度，即微波加热的物料非常均匀，不会出现物料表面过热和“结壳”的现象。同时，该机的被干燥物料系连续、匀速地进行直线运动，使物料更能均匀地接受微波能量，因此大大有助于干燥产品质量的提高；
(3)连续干燥。该机内部采用能够自动纠偏的特殊材料的输送带、破碎机构、加料枪和出料器等，从而可以进行大产量的连续干燥作业。为此，在结构设计中妥善地解决了真空状态下实现加料、出料和防止微波能泄漏等技术问题；
(4)低温干燥，一方面，在微波场中，微波只与物料中的溶剂而不与基质相耦合，因此湿分就被加热、汽化、排出，而湿分的载体（基质）则主要是通过热传导给热，所以物料的温度不高，即所谓“选择性加热”。另一方面，该机是在真空环境中对物料进行干燥，从而大幅降低了溶媒的汽化温度。干燥物料的温度不高，并且可以对其控制，这样就非常适宜于低融点、热敏性类物料的干燥；
(5)灭菌功能。由于微波的“生物效应”能在较低温度下杀灭细菌，在干燥的同时，达到灭菌功能；
(6)物料收率高、操作简易。在整个干燥过程中，物料不会散失，其收料率极高，这对于贵重物料的干燥显得更为重要。同时，整个操作过程相当于自动进出料，使操作相对简易；
(7)综合应用高科技。该机运用了多项先进电子技术，如物料温度的红外遥测和控制、物料在干燥过程中的动态显示（摄像头和显示器）、PLC控制等，提高了整机的技术含量；
(8)安全可靠。设备置有特殊结构的微波扼流装置和真空密封机构，其微波漏能严格控制在国家标准以下（出厂检验距设备5cm处小于1mW/cm2）；
(9)清洗方便。设备内部多处装设清洗球，可以方便地对内部进行有效地清洗；
(10)节能。由于微波加热的可选择性和上述各大特点，不仅节约了干燥所需的加热能源，同时节省了大量的动力能量，使干燥的总能耗大大降低，是常规的真空干燥设备所无可比拟的。
总之，该设备在采用微波能源和真空技术的同时，还运用了动态结构和干燥过程动态显示手段，让物料在干燥器内作直线连续运动，使物料在微波场中和真空环境下完成干燥的全过程，从而使接收到的微波总能基本一致，物料的干燥程度也基本相同，使物料干燥均匀，并实现了连续干燥作业，从而大大克服了间歇干燥产量低、操作不便等弊病。此外，采用了真空干燥技术，其汽化温度大大降低，物料中的湿分就能迅速变成蒸汽，使物料在低温下进行干燥，特别适宜于低融点、热敏性类物料的干燥，特别是用于粘稠、胶状、极难干燥的浸膏类物料场合。
3.2智能化微波真空连续干燥机的应用
WDZ型智能化微波真空连续干燥机该机既具有微波干燥的快速、均匀、节能等优点，又具有真空状态下进行低温干燥的优势，并且还能在输送带匀速直线的作用下，使其连续进料和出料，从而提高物料干燥的效率。因此，凡是工业生产中的物料产品需要微波、真空、连续干燥三个条件兼备的场合，其均将得以广泛地应用。
WDZ型智能化微波真空连续干燥机主要用于医药、化工、食品等行业中粉状、粒状、片状、条状物料的干燥，还特别适用于膏状物料（如浸膏）的干燥。
其中，由于膏状物料的粘稠和热敏等特殊的物性，一直是干燥领域的技术难题。如果采用真空类干燥设备，由于真空状态下传导加热速度很慢，则干燥时间长、干燥不均匀；又如采用不能连续出料的微波真空干燥机，其最大的缺点是干燥物料处于静止状态，不同位置的物料接受的微波能差异很大，严重影响干燥质量；再如选择其它类干燥机设备，则会存在加热装置体积较大与干燥速度慢的不完善之处。总之，智能化微波真空连续干燥机克服了上述诸多干燥设备的不完善之处，对于极难干燥的浸膏类物料，已经取得了非常满意的效果。
参考文献:
1庄严，卓震，张文华.微波干燥灭菌及提取在中药生产的应用. 中国制药装备杂志[J].总40期.2008(12)
2张文华，卓震.智能化微波真空连续干燥机的结构、特点及应用. 中国制药装备杂志[J].总22期.2006(8)
张文华(1945)，常州科维机械制造有限公司董事长，高级工程师，研究方向：固体制剂干燥与混合设备技术
卓震，江苏工业学院机械工程系教授，江苏省科技成果管理评审专家。
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