有机材料的微波真空干燥.pdf

一种对例如食品的有机材料进行微波真空干燥的设备和方法。脱水设备(20)具有真空室(24)，该真空室(24)的一端有输入模块(28)，另一端有排出模块(32)。真空室(24)具有在输入端(30)和排出端(34)之间间隔分布的、供操作者和维护者访问的进入门(80)。各进入门上安装有微波发生器(86)，微波发生器(86)被设置成穿过微波室和进入门上的微波透明窗向真空室中辐射。真空室中的一对辊(60)使有机材料(112)的容器绕水平轴转动，并且链传动机(64)将该容器沿着辊牵拉穿过真空室。

权利要求书
1.  一种用于对有机材料进行脱水的设备，包括：
真空室，所述真空室具有用于将用于所述有机材料的容器引入到所述真空室中的输入端和用于移除所述容器的排出端；
所述真空室具有进入所述真空室的多个进入门，所述进入门在所述输入端和所述排出端之间沿着所述真空室被纵向间隔开；
每个所述进入门具有至少一个磁控管，所述磁控管具有波导管；
每个所述进入门具有被设置在所述波导管和所述真空室之间的相应的微波透明窗；
在相应的进入门上的所述至少一个磁控管和波导管被设置成将微波穿过所述微波透明窗辐射进入所述真空室；
用于减小所述真空室内的压力的装置；
用于将所述容器装载到所述真空室的所述输入端中的装置；
用于使所述容器在所述真空室内转动的装置；
用于将所述转动容器从所述真空室的所述输入端穿过所述真空室移动到所述真空室的所述排出端的装置；以及
用于在所述真空室的排出端处将已脱水的有机材料的所述容器从所述真空室卸载的装置。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中，每个进入门具有多个磁控管，每个磁控管具有相应的波导管，在相应的进入门上的所述波导管被定向成使所述进入门上的所述磁控管之间的微波干扰最小化。

3.  根据权利要求2所述的设备，其中，每个波导管在相应的进入门的面中具有开口，每个开口以与在所述进入门上的其他波导管的所述开口的角度不同的角度进行定向。

4.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述真空室包括 以串联的方式设置的多个真空室模块，并且其中，所述多个进入门被设置成使得每个所述真空室模块具有相应的进入门。

5.  根据权利要求4所述的设备，其中，相邻模块之间的用于将所述容器从一个模块移动到相邻模块的通道的横截面积小于用于将所述容器在模块内移动的通道的横截面积。

6.  根据权利要求5所述的设备，其中，所述相邻模块之间的通道是微波扼流圈。

7.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述进入门被以枢转的方式附接至所述真空室。

8.  根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其中，在每个进入门上的所述磁控管被设置成大致圆形阵列。

9.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，每个微波透明窗被安装在相应的进入门上。

10.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述用于使所述容器转动的装置包括纵向延伸穿过所述真空室的两个或更多个可转动辊。

11.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述用于使所述容器转动的装置被设置成使所述容器绕水平轴转动。

12.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述用于移动所述转动容器的装置包括被设置成啮合所述容器并且沿所述可转动辊 牵引所述容器的输送机。

13.  根据权利要求12所述的设备，其中，所述输送机是链传动机。

14.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述用于装载的装置包括气闸。

15.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述用于卸载的装置包括气闸。

16.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述容器具有截头圆锥体状的开口端。

17.  根据权利要求16所述的设备，其中，所述用于使所述容器转动的装置被设置成使所述容器绕水平轴转动，所述水平轴延伸穿过所述容器的所述截头圆锥体状的开口端。

18.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，还包括在所述磁控管与相应的微波透明窗之间的微波室，所述微波室适于处于大气压下。

19.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，还包括用于冷却所述磁控管的装置。

20.  根据前述权利要求中任意项所述的设备，其中，所述脱水设备还包括用于对已脱水材料的所述容器进行清空的清空站、用于对已清空的所述容器进行清洗的清洗站以及用于用待脱水的有机材料填充已清洗的所述容器的填充站。

21.  一种用于对有机材料进行脱水的设备，包括：
真空室；
真空室进入门，所述真空室进入门在所述真空室上；
所述进入门具有多个磁控管，每个磁控管具有相应的波导管；
微波透明窗，所述微波透明窗被设置在所述波导管与所述真空室之间；
所述进入门上的所述多个磁控管和波导管被设置成将微波穿过所述微波透明窗辐射进入所述真空室；
所述波导管被定向成使所述进入门上的所述磁控管之间的微波干扰最小化；
用于减小所述真空室内的压力的装置；以及
用于使用于所述有机材料的容器在所述真空室内转动的装置。

22.  根据权利要求21所述的方法，其中，每个波导管在所述进入门的面中具有开口，每个开口以与所述进入门上的其他波导管的开口的角度不同的角度进行定向。

23.  一种用于对有机材料进行脱水的方法，包括下述步骤：
将保持待脱水的所述有机材料的微波透明容器引入真空室；
将所述真空室中的压力减小至小于大气压的压力；
使所述容器在所述真空室内转动；
将所述转动容器从输入端穿过所述真空室移动至排出端，同时将来自位于所述真空室的多个进入门上的磁控管的微波辐射穿过相应的微波透明窗应用于所述真空室中，以对所述有机材料进行脱水；每个磁控管具有相应的波导管，相应的进入门上的所述波导管被定向成使所述进入门上的所述磁控管之间的微波干扰最小化；以及
将已脱水的有机材料的所述容器从所述真空室移除。

24.  根据权利要求23所述的方法，其中，所述容器绕水平轴转动。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述水平轴延伸穿过所述容器的截头圆锥体状的开口端。

26.  根据权利要求23所述的方法，其中，将所述转动容器移动穿过所述真空室包括将所述转动容器移动穿过以串联的方式设置的多个真空室模块，每个所述模块具有所述进入门中的相应的一个进入门。

27.  根据权利要求23所述的方法，其中，来自所述磁控管的所述微波辐射在穿过所述微波透明窗进入所述真空室之前穿过处于大气压下的微波室。

说明书有机材料的微波真空干燥
背景技术
本发明涉及对有机材料，包括食品，进行微波真空干燥的设备和方法。
通常在食品加工产业和生物活性材料的生产中进行有机材料的脱水。对有机材料进行脱水是为了对储存的产品进行保藏，或产生以脱水形式使用的产品，例如，干燥的药草和各种片剂。一种用于对食品和生物活性材料进行脱水的方法是微波真空脱水。专利文献中这种方法的示例包括2009年4月23日公开的Durance等人的WO 2009/049409 A1；2009年3月19日公开的Durance等人的WO 2009/033285 A1；以及2011年7月21日公开的Fu等人的WO 2011/085467 A1。微波真空干燥是可以产生比空气干燥产品和冻干产品质量好的产品的快速方法。因为干燥是在减小的压力下进行的，水的沸点和大气的氧气含量都被降低，所以氧化敏感和热降解敏感的食物成分和药成分可以被保留成比空气干燥更高的程度。干燥过程还比空气干燥和冻干快得多。本发明针对微波真空干燥领域中的改进。
发明内容
根据本发明的一方面，提供有一种用于对有机材料进行脱水的设备。真空室具有将有机材料的容器引入到真空室中的输入端和用于移除容器的排出端。该真空室具有在真空室的输入端和真空室的排出端之间被纵向间隔开的多个进入门。每个进入门具有至少一个磁控管，磁控管具有波导管。每个进入门具有被设置在波导管和真空室之间的相应的微波透明窗。相应进入门上的至少一个磁控管和波导管被设置成将微波穿过微波透明窗辐射进入真空室。该设备具有用于减小真空室内的压力的装置，用于将容器装载到真空室的输入端中的装置，用于使容器在真空室内转动的装置、用于将转动容器从输入端穿过真空室移动到排出端的装置以及用于在排出端处卸载已脱水有机材料的 容器的装置。
根据本发明的另一方面，真空室的每个进入门具有多个磁控管，每个磁控管具有相应的波导管。每个进入门上的波导管被定向成使进入门上的磁控管之间的微波干扰最小化。可以通过使进入门的面中的波导管开口以与进入门上的其他波导管的开口的角度不同的角度进行定向来完成该微波干扰最小化。
根据本发明的另一方面，真空室包括以串联的方式设置的多个真空室模块，进入门被设置成使得每个真空室模块具有相应的进入门。
根据本发明的另一方面，提供有一种用于对有机材料进行脱水的设备，该设备包括：具有真空室进入门的真空室，位于进入门上的、被设置成将微波穿过微波透明窗辐射进入真空室的磁控管，每个磁控管具有相应的波导管。在波导管和真空室之间设置有微波透明窗。进入门上的多个磁控管和波导管被设置成将微波穿过微波透明窗辐射进入真空室。进入门上的波导管被定向成使磁控管之间的干扰最小化。该设备具有用于减小真空室内的压力的装置以及用于使有机材料的容器在真空室内转动的装置。
根据本发明的又一方面，提供有一种对有机材料进行脱水的方法。将材料的微波透明容器引入真空室，其中真空室处在小于大气压的压力下。使容器在真空室内转动，并且将转动容器从输入端穿过真空室移动到输出端，同时将来自位于真空室的多个进入门上的磁控管的微波辐射穿过相应的微波透明窗应用以对有机材料进行脱水。然后将已脱水有机材料的容器从真空室移除。
通过在真空室上设置进入门并在门上放置微波发生器和微波透明窗，本发明允许操作者和维护者对真空室的内部和微波发生器进行访问，而不需要拆开脱水设备。
适合由本发明进行脱水的有机材料的示例包括水果，无论是整个的、泥状的(puree)还是片状的、冷冻的还是未冷冻的；蔬菜，无论新鲜的还是冷冻的、整个的、泥状的还是片状的；水果汁和蔬菜汁；预煮谷物；植物胶；药物；材料片，其中水状胶体或树胶包围或封装相对不太稳定的材料的滴或颗粒以作为保护并稳定化较不敏感的材料；肉、鱼和海鲜，无论新鲜的还是冷冻的、整个的还是 片状的；以及例如奶酪和凝乳的乳制品。其中，所述水果包括：香蕉、芒果、番木瓜、菠萝、甜瓜、苹果、梨、樱桃、浆果、桃、杏、李子、葡萄、桔子、柠檬、葡萄柚；所述蔬菜包括：豌豆、豆子、玉米、胡萝卜、番茄、胡椒、药草、马铃薯、甜菜、萝卜、南瓜、洋葱、大蒜；所述预煮谷物包括大米、燕麦、小麦、大麦、玉米、亚麻籽。
根据以下优选实施方式的描述和附图，本发明的这些或其他特征变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的脱水设备的示意性剖面等距图。
图2是图1的真空室的沿线2-2的剖视图。
图3是图1的设备的真空室模块的主视图，其中进入门处于打开位置。
图4是用于有机材料的容器的部分剖面的等距图。
图5是根据本发明的第二实施方式的设备的示意图。
图6是根据本发明的第三实施方式的脱水设备的等距图。
图7是根据本发明的第四实施方式的脱水设备的等距图。
图8是图7的脱水设备的剖视图。
具体实施方式
首先参考图1至图3，脱水设备20具有以串联的方式即端到端地连接在一起的多个真空室模块22，以形成单个真空室24，有机材料的容器26通过单个真空室24被运送以进行脱水。为了方便描述，附图中所示的真空室24包括三个模块：22a、22b和22c；然而，真空室24可以包括适合特定应用和生产能力的任何数量个模块22，例如，10个模块是更多的。
在第一真空室模块22a的输入端30处放置装载模块28用于将容器26引入真空室24。在最末的真空室模块22c的输出端或排出端34放置排出模块32用于将容器移除。装载模块28和排出模块32分别具有一对气闸门，分别为气闸门36、38和气闸门40、42。这些气闸门使得容器在被装载进真空室并从真空室卸载的同时将室维持在脱水过程所需的减小的压力下。气闸门是由气缸29的活塞在壳体内可移动的自密封门。提起门打开气闸门并允许容器穿过，而放下门则关闭气闸门并形成空气密封。装载模块28和排出模块32分别具有用于移动容器的电动驱动输送机44和电动驱动输送机46。支撑在支撑台架48上的脱水设备被定向为其纵轴为基本水平方向。
每个真空室模块22为具有圆周侧壁49的大致圆柱形结构。模块22的每个端处的凸缘52被配置为：气密接合附接至相邻凸缘，用于将真空室模块连接在一起，并且用于将第一真空室模块22a串联至装载模块28；以及将最末的真空室模块22c串联至排出模块32。因此，真空室模块形成在装载模块和排出模块之间延伸的、气密的、整体的真空室24。真空室模块具有部分端壁53，部分端壁53具有开口50，开口50提供将容器26从一个模块移动到相邻模块的相邻真空室模块之间的通道。该通道的横截面积小于用于在真空室模块内移动容器的横截面积，即开口50的面积小于横跨真空室模块的横截面积。这起到微波扼流的作用，从而使室模块之间的交叉干扰最小化。
脱水设备20包括经由导管55在操作上连接至真空分配器(未示出)的真空泵54。该泵依次连接真空室模块22中的真空端口56、装载模块28中的真空端口56以及排出模块32中的真空端口56。可替换地，真空端口可以连接至例如工厂的中央真空系统的真空源。真空端口56和真空泵54之间连接有冷凝器58。为了方便描述，图1中仅示出了一个真空端口56，然而应该理解的是，当在真空室、装载模块和排出模块中需要时，可以设置多个端口56。
该设备包括用于冷却液体的制冷单元96。该制冷单元96包括压缩机、冷却风扇和制冷剂泵。压缩机、冷却风扇和制冷剂泵被连接以将制冷剂输送给冷凝器和微波发生器，从而将冷凝器和微波发生器保持在期望的温度。
如在图1和图2中可见，真空室24具有一对可转动辊60，所述可转动辊60纵向延伸穿过真空室模块并且被设置成支撑并转动容器26。辊被设置成由驱动电机(未示出)进行驱动。为了将容器26通过真空室进行运送，在真空室的下部设置了链传动机64。链传动机64包括具有用于啮合容器的后边缘的、被间隔开的挡块68的链66，并且该链66被设置成由驱动电机70、驱动柄72和对链进行啮合的齿轮74在封闭的环内进行驱动。在链环的前端和后端之间设置中间链支撑轮，以对靠近容器的下侧的链进行支撑。因此链传动机64能够通过沿着辊60滑动容器来将真空室内的容器从第一真空室模块22a的输入端移动到最末的真空室模块22c的输出端。辊60和链66延伸穿过整个真空室的长度，即穿过真空模块22和真空模块之间的开口50。
每个真空室模块22具有进入门80，该进入门80由铰链82以枢轴方式附接至真空室模块的侧壁，并且覆盖访问端口84。访问端口从水平方向成角度进行定向，以便于冷凝物和清洗水的排放。访问端口定尺寸成供操作者和维护者访问真空室的内部。例如，访问端口可以为在外部直径约为140cm的真空室模块上的直径为约60cm的端口。进入门80牢固并且可释放地闩锁真空室，并与端口84的边缘成空气密封。在进入门的内壁88内部安装有一组磁控管(微波发生器)86，其中磁控管天线伸进相应的波导管90。波导管凹进进入门的内壁88，在主视图中呈矩形、在进入门的内壁或内部面88处开口并且每个波导管以与进入门的其他波导管的角度不同的角度进行定向。这些不同的角度减小了磁控管之间的干扰，从而使由另一磁控管对一个磁控管的加热最小化，减小了真空室中电弧放电(arcing)的可能性并且在真空室中产生更均匀的微波场。在所示实施方式中，在每个进入门80中有八个磁控管。取决于特定应用的功率和干燥需求，可以提供更多的或更少的磁控管。如在图3中可见，磁控管86和波导管围绕门的面被设置成大致圆形阵列，每个磁控管和波导管以相对于该组中其他磁控管和波导管的成角度进行定向。磁控管连接至电源(未示出)以提供所需的电力。对于功率输出为12kW的每个真空室模块22，每个进入门上的磁控管的示例性组包括八个磁控管，每个磁控管为1.5kW。所示的具有三个真空室 模块的设备会相应的具有36kW的总功率输出。冷却剂被从冷却液体制冷单元96泵送到围绕磁控管的循环。在每个进入门80的内侧紧靠真空室模块的壁设置有微波透明窗92，该微波透明窗92例如由Teflon制成。在磁控管86和窗92之间放置微波室94。窗92和进入门80之间有空气密封；当进入门被关闭并且真空室被排空的情况下，窗92形成真空室的壁。在窗外，在微波室94中压力保持大气压。
脱水设备20包括可编程逻辑控制器(PLC)，该PLC被编程并连接以控制对系统的操作，该系统包括输送机电机和链传动电机、气闸门、微波发生器、真空泵和制冷剂泵。
如图4所示，容器26是由例如高密度聚乙烯的适当的微波透明材料制成的篮，该篮具有圆柱形侧壁102、封闭的底壁104、截头圆锥体状的顶壁106，在顶端处具有开口108。在底壁和截头圆锥体状壁的下壁架之间延伸的内部分割器110将内部空间分为四部分。在使用中，用于脱水的有机材料被装载到容器中至一定水平，以使得当容器在水平位置绕其纵轴转动时，有机材料被截头圆锥体状壁保留在容器内而不溢出开口108，开口108在脱水过程期间不关闭。
脱水设备20根据以下方法进行工作。关闭气闸38和气闸42。在PLC的控制下开动真空泵、传送驱动电机、链传动电机、微波发生器和制冷剂泵。将真空室内的压力减小到0.01Torr至100Torr(1.333Pa至13332Pa)的范围内的压力，可替换地，约0.1Torr至30Torr(13.33Pa至4000Pa)。将待脱水的有机材料112放进容器，并将容器放进装载模块中，其中容器的开口端108向前。关闭外部气闸门36并将装载模块排空至真空室的压力。然后打开内部气闸门38并通过输送机44和链传动机64将容器运送到真空室24的第一真空室模块22a中。一旦容器完全在真空室模块22a内，通过关闭内部气闸门38，将装载模块通气至大气压并且打开外部气闸门36，装载室就被准备用于接收第二容器。因此，在连续加工中，脱水设备能够同时处理有机材料的多个容器。在真空室24内部，容器在辊60上绕基本水平轴转动，从而使有机材料在容器内翻滚；同时容器被链传动机64沿着辊牵引，且同时微波发生器86辐照材料对材料进行脱水，即将材料的水分减小到期望水平。在容器被牵引穿 过真空室模块22b和真空室22c时该过程继续。然后，容器进入其中容器被向外部气闸门42输送的排出模块32。然后关闭内部气闸门40，将排出模块通至大气，打开外部气闸门42并将容器移除。
然后将容器倒置以通过开口108将已干燥有机材料从中倒出。通过关闭外部气闸门42，将排出模块排空至真空室的减小的压力并打开内部气闸门，来使排出模块准备用于下一个要被从真空室移除的容器。
如图5所示，可以将脱水设备20合并到产品线120中。如上所述，将真空室24、装载模块28和排出模块32设置在一起。排出模块的下游为用于清空容器的已脱水内容物的清空站122。随后是用于对已清空的容器进行清洗的清洗站124，随后是用于用待脱水的有机材料填充已清洗容器的填充/再填充站126。然后将已填充容器输送到装载模块28。因为容器26具有开口端且没有盖子，所以通过需要操作者的很少的动作或不需要操作者的动作的自动装置可以便利地对容器进行清空、清洗以及填充或再填充。
应该理解的是，建立为具有独立真空室模块的真空室是出于制造和操作便利性考虑。例如，可以将产品线建立为使用标准模块的任何期望长度或容量。模块化设计使得设备从厂商到装配用户的运送很便利。可以只对损坏模块进行修理而基本上不影响设备的其余部分。然而，对于本发明，模块化设计不是必须的。因而，在脱水设备的另一实施方式中，真空室包括整体结构而不是连接在一起的多个真空室模块。参考图6，除了真空室202是单个整体结构以及不包括连接在一起的独立真空室模块之外，脱水设备200基本与上述的脱水设备20相同。沿着输入端30和输出端34之间的真空室202的长度设置了多个进入门80a、80b和80c。与模块化干燥设备20的独立真空室模块中的进入门80设置的一样，这些进入门使得操作者和维护者可以访问真空室的内部以及访问安装在每个门中的微波发生器86。
本发明还包括其中有单个真空模块而不是如上所述的多个真空模块的脱水设备和方法。参考图7和图8，脱水设备300包括具有进入门80、可转动支撑辊60的真空室302，该进入门80带有一组微波发生器86和微波透明窗92。除了没有沿着支撑辊60输送容器 的装置以及不适合于连接至装载模块或排除模块之外，脱水设备300基本上与上述真空室模块22相同。因为进入门80待被打开来装载和卸载有机材料的容器，所以不需要装载模块和排除模块。因此，干燥设备300旨在批量干燥而不是连续加工。将待脱水的有机材料的容器26通过访问端口84放置在真空室302中。然后密封进入门80并排空真空室。脱水后，给真空室通以大气，打开进入门并移除已脱水材料的容器。该操作可以机械化或由操作者手动进行。
在前面的整个描述和附图中，以相同的附图标记来表示对应的或类似的部件。为了给本领域技术人员提供更加充分的理解，对具体细节进行描述。然而，为避免对本公开造成不必要的混淆，对公知的要素没有进行详细示出或描述。因此，描述和附图被视为说明性的意义而不是限制性的意义。
示例1
利用图7和图8所示的批量处理型脱水设备对多块奶酪进行了脱水以生产已脱水奶酪快餐产品。具有44.5％的水含量和19％的脂肪含量的5kg块的低脂陈年切达奶酪(light old cheddar cheese)被切成1cm3的立方块。平均块体积为1.0cm3，平均块重为2.34g。这些块被装载进图4所示的类型的容器中，并且该容器被放置在真空室中。真空室被排空。真空室中的压力在18Torr到22Torr的范围内。该容器被以8.5rpm的转速转动。脱水过程运行了55分钟，在此期间微波功率输出变化如下：1.5kW持续10分钟、3kW持续6分钟、1.5kW持续4分钟、3kW持续2分钟、以及最后4.5kW持续15分钟。(通过给真空室进入门上的八个磁控管中的单个磁控管提供动力来产生1.5kW，给两个磁控管提供动力来产生3kW，以此类推)。已干燥奶酪块被从真空室移除。这些奶酪块的温度为79℃至81℃。平均块体积为4.2cm3以及平均块重为1.37g。总产品重量为2.8kg。
示例2
使用10kg的奶酪块重复示例1的过程。脱水过程运行79.7分钟，在此期间微波功率输出变化如下：4.5kW持续4分钟、3kW持续11分钟、4.5kw持续1.7分钟、3kW持续14分钟、4.5kW持 续6分钟、3kW持续4分钟，以及最后4.5kW持续39分钟。除了已干燥奶酪块在从真空室移除时更热——在89℃至93℃的范围内，并且总产品重量为5.6kg之外，结果与上述示例1中的结果相同。