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基质微波消毒设备设计
周雪青，张晓文，邹岚，白洪涛( 北京市农业机械研究所，北京100096)
0 引言
基质作为栽培的核心，是决定植物根系生长环境的最主要因素，也是病虫害传播的媒介和繁殖场所。一方面，连作后自毒产物增多、抵抗力下降，加剧病菌传播; 另一方面，基质本身有害虫、杂草种子，使作物产量降低、品质下降。因此在设施栽培中，基质消毒是非常重要的作业环节。微波消毒兼有热效应和生物效应，其杀菌效率和效果远优于其他物理消毒方法，而且操作简便，无任何毒性、无污染和无残留，国内外科学家一直在不懈地研究和改进微波消毒技术。近年来，随着相关技术的发展，其潜在的广阔应用前景日益引起各国政府和科学家的关注，并认为这是抢占绿色农产品国际市场及其安全生产关键和重要的技术。
开发设施农业无土栽培基质消毒设备不仅可以解决目前设施农业生产中的土传病害问题，填补该项技术的国内空白，而且更能够促进我国设施农业生产装备的进一步发展。本研究根据当前设施农业的生产需求，基于微波消毒机理和特点，设计开发了基质微波消毒设备。
1 微波消毒机理
微波是指频率在300 ～ 300GHz 范围内的具有穿透性的电磁波，波长1 mm ～ 1 m。按其波长可分为分米波、厘米波和毫米波3 个波段( 表1) 。
根据目前生物学、生物物理学、生态学和电磁学的研究，微波消毒土壤的机理包括微波的热效应和生物效应( 非热效应) 。热效应是指物料吸收微波能，基质中微生物体内的水、蛋白质和核酸等由于微波的高频特性会剧烈振荡，相互摩擦产生热，使微生物体温度升高，体内的蛋白质和核酸等分子结构变性或失活，从而导致微生物体受到损害而死亡。而非热效应是指生物体内的极性分子在微波场内产生强烈的旋转效应，这种强烈的旋转使微生物的营养细胞失去活性或破坏微生物细胞内的酶系统，造成微生物死亡。
2 基质微波消毒设备总体设计
2. 1 整机结构及工作原理
基质微波消毒设备主要由微波箱体、电源架、微波发生器、转盘系统和自动控制系统等组成，其总体结构及样机如图1 所示，系统工作流程如图2所示。
设 备运行时首先对AＲM处理器进行复位操作，红外测温仪测定基质的温度，并以表格的形式存入存储器中，读出数据后，采用PID 算法对温度值进行分析处理，然后将采集到的温度值和设定的温度值同时送入控制电路，经过控制器运算得到输出控制量; 输出控制量控制驱动电路进行微波发生器的开闭和转盘系统的启停，振荡电路产生的电磁波经馈口装置输入微波腔体中，基质中的病原菌则被微波电磁场作用所产生的生物效应和热效应杀灭。由于微波是直接作用于基质，所以杀菌效果好、速度快。
2. 2 主要技术参数确定
基质微波消毒设备的主要技术参数见表2。
2. 2. 1 频率选择
目前，消毒常用的微波频率有( 915 ± 25) MHz与( 2 450 ± 50) MHz 两种。微波消毒效果与频率有关，频率低，穿透力强，加热速度慢; 频率越高，升温越快，杀菌作用越强，但穿透力差。考虑到基质的材质较为松软，结构稀松，因此微波消毒频率选择高频率2 450 MHz。
2. 2. 2 功率确定
基质消毒设备功率确定依据: 提供足够大的微波功率，使基质在较短时间内达到杀菌温度点，且保证加热的均匀性。按工作效率120 kg/h 计算，根据经验，每小时出3 批，即进料量为40 kg/批。进料、杀菌和出料时间为20 min，实际杀菌时间取18 min，其中升温时间取7 ～ 8 min。则需要的微波功率:
P = ［0. 8 × 120 × ( 75 － 25) + 6 × 540］/860/0. 7
P = ［0. 8 × 120 × ( 75 － 25) + 6 × 540］/860/0. 7
≈13. 36 kW
土壤的比热取3. 35 J/ ( g·℃) ，蒸发的水量5%× 120 = 6 kg，水的蒸发潜热取2 260 kJ/kg，微波吸收效率取70%，初始温度25 ℃，杀菌温度75 ℃( 后续的保温时间仍会有所升温) ，因此，该设备的
功率确定为15 kW。
2. 2. 3 测温方式选择
在微波消毒设备中，传统的接触测温方式测量误差大，并且不易测量，而采用非接触式测温可以解决这些问题。非接触式测温中运用最多的是辐射测温，而辐射测温中运用最多的是红外测温方式，所以，在测温方式上选择红外测温。
3 关键部件设计
3 关键部件设计
3. 1 微波消毒箱体
微波箱体采用全封闭结构，并按先进的多源多口宽带馈入。内腔壁采用1. 5 mm 厚的304#不锈钢板，外覆板全部采用2. 0 mm 厚的张浦304#不锈钢磨砂板制造。在微波加热箱物料进出口设置有微波箱门，箱门上设有观察窗，可以随时观察内部基质的运行情况，并配备开门自动断电保护装置，只要微波箱门打开，微波立即停止，防止误操作而造成微波泄漏。
3. 2 自动控制系统
微波消毒装置的核心是自动控制系统，其框架设计如图3 所示。控制主机选择AＲM 处理器，其上有芯片、存储器、A/D 转换、键盘、LED 显示器和若干接口等硬件设施。利用AＲM 开发环境进行程序输入、汇编和调试。设备设有人机交互界面，能在LED 显示器上进行运行操作、参数设置、工艺数据编程和查看信息状态等。此外，还设有自动报警功能，当温度超过临界值时会发出声光警报。
温度控制装置主要是对箱体内的温度进行控制以获得预期的杀菌效果，所以温度采集尤为重要。为了确保精确控制，选择多点测温的方式，在托盘及消毒箱体内壁上安装多个红外测温仪，然后利用单片机对红外测温仪采集到的数据进行分析处理及实时控制。
温度控制装置主要是对箱体内的温度进行控制以获得预期的杀菌效果，所以温度采集尤为重要。为了确保精确控制，选择多点测温的方式，在托盘及消毒箱体内壁上安装多个红外测温仪，然后利用单片机对红外测温仪采集到的数据进行分析处理及实时控制。
自动控制装置除了对微波消毒过程进行实时控制外，还对微波发生装置的使用情况进行记录，可以对设备使用过程中出现的故障进行报警、停机等处理。控制系统采用PLC 和HMI 控制，自动化程度高，能自动控制系统运行、自动进行故障检测，设备运行可靠，给使用、操作和日常维护带来方便，同时运行数据可存贮和记录，方便调用。控制系统人机交互界面见图4。
3. 3 转盘系统
传统的箱式微波杀菌设备采用的是水平旋转式托盘和立体吊篮式托盘。水平旋转式托盘做圆周运转，虽然在一定程度上提高了加热的均匀性，但上下盘的均匀性还有待进一步提高，本设计中采用立体吊篮式托盘，这种设计的优点是基质铺放面积大、加热均匀。转盘系统如图5 所示，配有1 kW电机和蜗轮蜗杆减速机构，采用变频调速，速度为1 ～ 10 r/min; 设有6 个托盘，尺寸为930 mm × 370mm × 50 mm。
在高温下的一个加热腔内进行基质微波消毒试验。为了使试验数据准确，减少干扰因素，盛装基质的托架材料应选用隔热、绝缘且对微波照射敏感度不高的非金属材料。基于以上考虑，非金属托架选用氧化硅特种陶瓷制成，其性能见表3。
3. 4 微波发生器
微波发生器由磁控管、高压变压器、高压二极管、高压电容器、内置放电电阻和保险管等组成。微波发生器的功能是产生微波，使无土栽培用基质在微波的作用下产生高温，进而杀灭基质中的各类病原菌。
微波发生器置于微波箱体的顶部，使设备整体外型结构紧凑、美观和流畅，占地面积小。为了使箱体内微波功率密度均匀，微波从四周宽带馈入，这样物料加热更为均匀，微波发生器采用了均匀排列方式，4 行6 列，共24 个，其主要部件见表4。
4 微波消毒试验
2016 年2 月，委托北京市理化分析测试中心对微波消毒后的基质取样进行检测( 重复3 次取样) ，检测结果见表5。检测结果表明，基质微波消毒设备平均灭菌率可达95. 57%，能够满足基质消毒的需要。
5 结束语
基于微波电磁场作用的生物效应和热效应，研究开发了基质微波消毒设备。样机研制成功后，委托北京市理化分析测试中心对基质消毒前后的样本进行了检验，试验结果表明，该机运行平稳，工作安全可靠，基质微波消毒设备平均灭菌率可达95. 57% ，能够满足基质消毒的需要。目前，该设备已在北京市农业机械研究所植物工厂内投入使用。应用基质微波消毒设备不需要施用任何化学农药，可以保证设施农产品的品质和生产安全，符合环保需要; 而且消毒后的基质可以直接使用。该设备的研制成功，不仅可以有效预防无土栽培土传病害的发生，为甲基溴的替代寻找到一种较好方法，而且在一定程度上拓宽了微波技术的应用范围。未来，随着安全绿色、高品质农产品需求的增加，微波技术在农业上的应用会越来越广泛。
