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均质机可分为高压均质和高剪切均质机
在食品、化工、制药等行业均质技术已成为提高产品品质的关键。目前国内食品行业使用的传统均质设备多为高压均质机、胶体磨、砂磨和辊磨机等,近年来出现了新型的高剪切均质机设备。至于这些均质
设备在各行业中的应用,目前尚无人进行深入系统地研究。对此,笔者针对目前主要使用的高压均质机和高剪切式均质机,从均质原理、不同物料的工艺流程以及实验数据等方面进行了对比分析研究
1 均质机理分析
液体物料分散系中分散相颗粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力和压力的作用。引起剪切力和压力作用的具体流体力学效应主要有层流效应、湍流效应和空穴效应。层流效应会引起分散相颗粒或液滴的剪切和拉长;湍流效应是在压力波动作用下引起分散相颗粒或液滴的随意变形;空穴效应是使形成的小气泡瞬间破碎产生冲击波,而引起剧烈搅动。
①高剪切均质机理
目前国内常用的剪切式均质机线速度多为10～25 m/ s。实践证明其均质效果并不理想。高剪切均质机指线速度达到30～40 m/ s的剪切式均质机,其主要工作部件为1级或多级相互啮合的定转子,每级定
转子又有数层齿圈。工作原理:转子带有叶片高速旋转产生强大的离
心力场,在转子中心形成很强的负压区,料液(液液、或液固相混合物)从定转子中心被吸入,在离心力的作用下,物料由中心向四周扩散,在向四周扩散过程中,物料首先受到叶片的搅拌,并在叶片端面与定子
齿圈内侧窄小间隙内受到剪切,然后进入内圈转齿与定齿的窄小间隙内,在机械力和流体力学效应的作用下,产生很大的剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰撞和摩擦作用而使分散相颗粒或液滴破碎。随着转齿的线速度由内圈向外圈逐渐增高,粉碎环境不断改善,物料在向外圈运动过程中受到越来越强烈地剪切、摩擦、冲击和碰撞等作用而被粉碎得越来越细从而达到均质乳化目的。同时,在转子中心负压区,当压力低于液体的饱和蒸汽压(或空气分离压)时,产生大量气泡,气泡随液体流向定转子齿圈中被剪碎或随压力升高而溃灭。溃灭瞬间,在汽泡的中心形成一股微射流,射流速度可达100 m/ s ,甚至300 m/ s ,其产生的冲击力可用水锤压力公式估算,即P = ρCaC ,其中ρ为液体密度; Ca为液体中的声速; C为微射流速度。设C为100 m/ s ,则产生的脉冲压力就接近200M Pa ,这就是空穴效应。强大的压力波可使软性、半软性颗粒被粉碎,或硬性团聚的细小颗粒被分散。
由分析可知,物料在定转子腔内被均质的机理较复杂,笔者认为剪切起主导作用,其次是空穴作用。
②高压均质机理
高压均质是利用高压使得液料高速流过狭窄的缝隙时而受到强大的剪切力、液料被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因静压力突降与突升而产生的空穴爆炸力等等综合力的作用,把原先颗粒比较粗大的乳浊液或悬浮液加工成颗粒非常细微的稳定的乳浊液或悬浮液的过程。被均质物料通过阀座与阀杆间大小可调的间隙h (一般为011 mm)时,其流速在瞬间被加速到200～300 m/ s ,从而产生巨大的压力降,当压力降低到工作温度下液体的饱和蒸汽压(或空气分离压)时,液体就开始“沸腾”,迅速“汽化”,内部产生大量汽泡。含有大量微汽泡的液体朝缝隙出口流出,流速逐渐降低,压力又随之提高,压力增加到一定值时,液体中的汽泡突然破灭而重新凝结,汽泡在瞬时大量生成和溃灭就形成了空穴现象。空穴现象似无数的微型炸弹,能量强烈释放产生强烈的高频振动,同时伴随着强烈的湍流产生的强烈的剪切力,液体中的软性、半软性颗粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒 ,其中空穴效应所起作用被认为较大。被粉碎的微粒接着又高速冲击到冲击环上 ,被进一步粉碎和分散。
比较与分析
通过以上分析可知 ,高剪切均质机主要是由于定转子之间相对的高速运动产生的高剪切作用 ,同时伴随着较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质的 ;而高压均质机主要是靠高压流体产生的强烈、充分的空穴效应和湍流作用使流体分散相中的颗粒破碎达到均质目的。不难理解 ,由于极强烈的空穴作用 ,高压均质机对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适 ;研究发现对于纤维的粉碎有效的力场是剪切力和研磨力 ,常温下冲击力对纤维是无能为力的 ,而高剪切均质机能对物料产生强烈的剪切与研磨作用 ,因此高剪切均质机比较适合处理含纤维较多或者理,容易出现稀奶油层 ,较硬的颗粒物料。
对于食品工业中常遇到的非均相固 -液和液 -液多相分散系 ,要达到高度均一稳定 ,其均匀度不仅要求分散相分布均匀 ,而且还要求分散质微粒细化 ,含固体的悬浮液要求固体颗粒微粒化 ,含油滴的乳状液要求油滴 (称流体颗粒 )微滴化。从概念上和作用上讲 ,分散、均质、乳化往往难以区分 ,这里统称为均质 ,而固体颗粒和流体颗粒均简称为颗粒 ,所以均质是使悬浮液 (或乳化液 )体系中的分散相颗粒分散化、均匀化的处理过程 ,可以同时起到降低分散颗粒的尺度和提高分散颗粒分布均匀性的作用 ,以得到具有合适贮存稳定性的产品。从乳品及饮料的加工工艺上看 ,均质后的料液基本上就是终产品。通过均质可以将食品原料的浆、汁、液进行细化、混合 ,从而大大提高食品的均匀度和细度 ,防止或减少液状食品物料的分层 ,改善外观、色泽及香度 ,提高食品质量。
豆制品类：这里所指的豆制品是以大豆为主要原料生产的植物蛋白饮料 ,或者饮料干粉。生产工艺大致为 :浸泡→磨浆 →均质。均质是生产植物蛋白饮料不可缺少的工序。可防止脂肪上浮 ,能使吸附于脂肪球表面的蛋白质量增加 ,缓和变稠现象 ,能提高产品消化性 ,增加成品的光泽度 ,改善成品的口感 ,提高产品的稳定性。现在主要使用的均质设备有胶体磨和高压均质机。但是在实际生产过程中 ,我们发现 ,由于大豆粉碎后有大量的纤维状物质存在 ,虽然植物蛋白可以经过高压均质机均质取得一定效果 ,但对于生产中的豆渣纤维等物料却无法进行处理。应用近年来发展起来的高剪切均质机进行均质 ,则可非常有效地处理上述物料 ,得到很好的效果。本次课题研究进行中 ,通过试验对这一点进行了证明。
乳制品类：乳制品主要有鲜乳、炼乳、乳粉及其他一些乳类制品。甜乳制品中含有较高浓度的蔗糖 粘度高 可防止脂肪上浮。而淡乳制品中不加糖 ,长期放置其上部可因振动形成奶油粒 ,使其商品力变小。按照斯托克斯公式也可以看到脂肪上浮速度与其脂肪球直径的平方成反比 ,所以通过均质可以减缓脂肪上浮现象。在其他乳制品 ,如乳粉的加工工艺中 ,同样也要经过均质阶段 ,因此可见 ,均质设备在乳制品行业中的应用是很广泛的。
果蔬汁饮料：均质是浑浊果蔬汁饮料制造中的特有工序 均质的目的是使混合果蔬汁中的不同粒度 ,不同相对密度的果肉粒度进一步破碎并使之均匀 ,促进果胶渗出 ,增加果汁与果胶的亲和力 ,抑制果蔬汁分层和产生沉淀现象 ,使果蔬汁保持均一稳定。目前所使用的主要设备有高速粉碎机、胶体磨和高剪切均质机。
食品纳米均质机的均质效果
影响均质乳化结果的因素有以下几点
1 均质头的形式（批次式和连续式）（连续式比批次好）
2 均质头的剪切速率 （越大，效果越好）
3 均质头的齿形结构（分为初齿，中齿，细齿，超细齿，约细齿效果越好）
4 物料在分散墙体的停留时间，均质乳化时间（可以看作同等的电机，流量越小，效果越好）
5 循环次数（越多，效果越好，到设备的期限，就不能再好）
超高速剪切均质机主要应用于处理大量生成超细悬乳液。由于同时用三个均质头(转子和定子)进行处理，可获得很窄的粒径分布,获得更小的液滴和颗粒，因而生成的混合液的稳定性更好。分散头容易更换,适合于各种不同的应用。不同的机器都有相同的转速和剪切率，这样便于规模扩产。符合CIP和SIP的清洁标准,因此特别适合于食和药品生产
高的转速和剪切率对于获得超细微悬浮液是重要的。根据一些行业特殊要求，依肯公司在ER2000系列的基础上又开发出ERS2000超高速剪切均质机。其剪切速率可以超过100.00 rpm，转子的速度可以达到40m/s。在该速度范围内，由剪切力所造成的湍流结合专门研制的电机可以使粒径范围小到纳米级。剪切力更强，乳液的粒经分布更窄。由于能量密度极高,无需其他辅助分散设备。