基本信息
- 项目名称：
- 新型微波萃取器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 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。我们查阅了很多资料，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，并研制了一款新型微波萃取样机。通过试验，取得了较好的数据。我们设计的这款装置，在国内外同类产品中未见报道。
- 详细介绍：
- 为了提高药用植物的萃取效率，我们进行了新型微波萃取器的设计与样机研制。 新型微波萃取器的核心技术是分层辐射微波萃取和大容量罐的应用，主要包括微波萃取罐、磁控管、矩形波导管、搅拌器、防漏截止波导管、智能过程控制系统等。 在罐体内实现分层辐射，是将磁控管安装在矩形波导管上，使微波能传输到微波萃取罐内。这样设置多层，并使微波均匀辐射，有效地解决了微波辐射均匀的问题。我们设计的微波萃取罐采用圆柱形，直径为2.4m，罐高为3.2m，容积约为10 m3，罐体采用不锈钢材料，这样反应罐与谐振腔合二为一的大容量设计，可以满足工业化的大规模生产。 我们设计了独特的防漏装置：在微波萃取罐外的波导管下部正中心处，开一窄长孔，焊接一根圆形防漏截止波导管将漏液导出，既防止萃取液在波导管内积存，还能确保微波的屏蔽。此外，智能工程控制系统使萃取过程更理想高效。 为了更好地对新型微波萃取器进行研发，我们设计并制作了一种结构新颖、实用性强的微波萃取器样机，实现了时间、温度和功率有效控制；可以实现常压、正压、负压萃取，加装冷凝管后，还可以实现回流萃取，提高了萃取率。 通过对三种中药的对比试验，微波萃取器的萃取率明显高于常规萃取方法、所用时间明显减少。 我们设计的大容量分层辐射微波萃取装置已经申报了国家专利。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 近年来许多学者从不同角度对药用植物有效成分萃取工艺进行了探索。 我们应用的微波萃取技术与传统技术相比具有设备简单、适用范围广、能量损失小、萃取速度快、节省溶剂等优点。应用微波萃取技术从天然植物中萃取有效成分，在实验室得到了广泛的研究，为中草药萃取开辟一条新的途径。 现有的微波萃取器存在许多不足，因此我们设计了一种结构新颖、实用性强的“微波萃取器”，罐体是将反应罐和谐振腔合二为一，增大了有效容积；用矩形波导管将微波能传输到萃取罐内，通过馈口均匀辐射，有效地解决了微波辐射深度不足的问题；实现了时间、温度和功率有效控制；可以实现常压、正压、负压萃取，加装冷凝管后，还可以实现回流萃取，提高了萃取率。 若要选择向大型化发展，可以应用我们 “分层辐射”的创新技术，解决大容量罐体微波辐射深度不足与不均匀的问题。 我们设计的“大容量分层辐射微波萃取装置”，已经申报了国家专利。这种微波萃取装置的主要技术指标（以10 m3罐体为例）： 1.采用915MHz磁控管。 2.罐体直径为2.4m，罐高为3.2m，材料为不锈钢，钢板厚度视承受压力及结构而定。容积可为10-30 m3。 3.主选两种矩形波导管型号BJ-9和BJ-12，截面尺寸(mm) 分别为250×125和109×54.5。 4.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，罐盖设有扼流结构。
科学性、先进性
- 普通家用微波炉或家用微波炉改装的微波萃取器，存在着很多不足。专用微波实验设备可以满足实验室的实验要求，但造价高，难以满足大规模生产。 本作品的设计理念先进，将高科技和实用性相结合，解决了现有微波萃取装置功能单一，透射深度浅，结构复杂，造价高等不足。新型微波萃取器在结构设计上体现三大独特之处： 1、将反应罐和谐振腔合二为一：微波萃取罐既是谐振腔也是反应罐，结构简单化，降低了制作难度和成本；罐体与其它构件采用焊接连接，可以承受压力，以实现常压、正压、负压萃取，加装冷凝管后，可以实现回流萃取。 2、在罐体内分多层辐射：将磁控管安装在矩形波导管上，使微波能传输到微波萃取罐内。设置多层，使微波均匀辐射，避免了微波辐射不均匀。 3、防漏设计：在微波萃取罐外的波导管下部，开一长孔，焊接一根圆形防漏截止波导管将漏液导出，既防止萃取液在波导管内积存，还能确保微波的屏蔽。 我们的新型微波萃取器样机，至今未见相关报道及相关专利产品。“大容量分层辐射微波萃取装置”已经申报了国家专利。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月在廊坊市举行的“挑战杯”2009河北省大学生课外学术科技作品竞赛中荣获省级一等奖
作品所处阶段
- 已经完成小型样机实验，开始中试阶段。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 微波萃取技术作为一项新的药物制备方法，其一系列优点被越来越多的实验研究所证实。 我们设计的微波萃取器，与同类产品相比具有鲜明的特点。其结构新颖、实用性强，罐体是将反应罐和谐振腔合二为一，增大了有效容积；用矩形波导管将微波能传输到萃取罐内，通过馈口均匀辐射，有效地解决了微波辐射深度不足的问题；实现了时间、温度和功率有效控制；可以实现常压、正压、负压萃取，加装冷凝管后，还可以实现回流萃取。 该微波萃取器结构尺寸可大可小，可以满足实验室小型装置的实验要求；也可以简化结构，满足单一民用萃取中草药的要求；同时可以实现大容量、（合成）大功率工业化萃取装置。 本设计可由工厂直接投入生产，市场很大，应用前景相当可观，必将带来良好的经济效益和巨大的社会效益。
同类课题研究水平概述
- 微波萃取技术的研究与应用起步较晚，该技术应用于有机化合物萃取的第一篇文献发表于1986年，R.Ngedye等人将样品放置于普通家用微波炉里，只需几分钟就可萃取传统加热需要很长时间的目标物质；90年代初，由加拿大环境保护部和加拿大CWT-TRAN公司携手开发了微波萃取系统，现已广泛应用到中草药、化妆品和土壤分析等领域，并于1992年开始陆续取得了许多国家和地区的专利许可。随后使用微波萃取大生产线在薄荷、海藻中提取有效物质的实验也获得成功。 目前国内用于微波中药萃取的微波频率大多选择2450MHz，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。 微波萃取装置的容积小，达不到工业化的生产规模；微波辐射的深度不高，则萃取率低。这正是影响微波技术萃取植物有效成分可否工业化大规模生产的关键因素。 目前文献及专利中所报道的微波萃取装置均存在一定的局限性。一些中药微波萃取装置，需在金属罐体上开多个孔，嵌入非金属材料并加以密封或用非金属材料（聚四氟乙烯）做成内罐后安装磁控管，一旦发生泄漏将导致严重后果。另外，这种结构的罐体直径不可能做大，因为微波的渗透深度有限，即便安装了搅拌器，大部分植物还是靠热传导加热的，微波萃取大打折扣。另外，现有的植物微波萃取装置不适合萃取大颗粒的固料。因此，在萃取前要对固料进行粉碎，萃取后液料分离的难度加大，成本提高。 本设计有三个创新点：将反应罐和谐振腔合二为一，增大了有效容积；用矩形波导管将微波能传输到萃取罐内，解决了微波辐射深度不足的问题；防漏设计。同时可分别实现常压、正压、负压萃取及回流萃取，通用性、实用性很强，在化工、食品等技术领域的单元操作中都能得到应用。 我们的设计新颖独特，适合于工业化应用，这种“大容量分层辐射微波萃取装置”申报了国家专利。 我们研制的新型微波萃取器样机，结构简单实用，可以实现常压、正压、负压萃取和回流萃取，可进行时间、温度和功率的有效控制。通过对甘草、麻黄草、枸杞三种中药的对比试验，在相同的条件下，对萃取率和萃取时间进行比较，微波萃取器的萃取率明显高于常规萃取方法、所用时间明显减少。 我们设计的新型微波萃取器，结构尺寸可大可小，可以满足实验室小型装置的实验要求；也可以实现大容量、大功率工业化萃取装置，应用前景可观，必将带来良好效益。
