在食品、化工、制藥等行業(yè)均質(zhì)技術(shù)已成為提高產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)食品行業(yè)使用的傳統(tǒng)均質(zhì)設(shè)備多為高壓均質(zhì)機(jī)、膠體磨、砂磨和輥磨機(jī)等,近年來出現(xiàn)了新型的高剪切均質(zhì)機(jī)設(shè)備。至于這些均質(zhì)設(shè)備在各行業(yè)中的應(yīng)用,目前尚無人進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。對(duì)此,筆者針對(duì)目前主要使用的高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切式均質(zhì)機(jī),從均質(zhì)原理、不同物料的工藝流程以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行了對(duì)比分析研究
均質(zhì)機(jī)理分析
液體物料分散系中分散相顆?；蛞旱纹扑榈闹苯釉蚴鞘艿郊羟辛蛪毫Φ淖饔谩Ｒ鸺羟辛蛪毫ψ饔玫木唧w流體力學(xué)效應(yīng)主要有層流效應(yīng)、湍流效應(yīng)和空穴效應(yīng)。
層流效應(yīng)會(huì)引起分散相顆粒或液滴的剪切和拉長(zhǎng);
湍流效應(yīng)是在壓力波動(dòng)作用下引起分散相顆?；蛞旱蔚碾S意變形;
空穴效應(yīng)是使形成的小氣泡瞬間破碎產(chǎn)生沖擊波,而引起劇烈攪動(dòng)。
高剪切均質(zhì)機(jī)理
目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～25 m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到40～66 m/ s的剪切式均質(zhì)機(jī),其主要工作部件為1級(jí)或多級(jí)相互嚙合的定轉(zhuǎn)子,每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈.
工作原理:轉(zhuǎn)子帶有葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng),在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū),料液(液液、或液固相混合物)從定轉(zhuǎn)子中心被吸入,在離心力的作用下,物料由中心向四周擴(kuò)散,在向四周擴(kuò)散過程中,物料首先受到葉片的攪拌,并在葉片端面與定子齒圈內(nèi)側(cè)窄小間隙內(nèi)受到剪切,然后進(jìn)入內(nèi)圈轉(zhuǎn)齒與定齒的窄小間隙內(nèi),在機(jī)械力和流體力學(xué)效應(yīng)的作用下,產(chǎn)生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞和摩擦作用而使分散相顆?；蛞旱纹扑?。隨著轉(zhuǎn)齒的線速度由內(nèi)圈向外圈逐漸增高,粉碎環(huán)境不斷改善,物料在向外圈運(yùn)動(dòng)過程中受到越來越強(qiáng)烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來越細(xì)從而達(dá)到均質(zhì)乳化目的。
同時(shí),在轉(zhuǎn)子中心負(fù)壓區(qū),當(dāng)壓力低于液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時(shí),產(chǎn)生大量氣泡,氣泡隨液體流向定轉(zhuǎn)子齒圈中被剪碎或隨壓力升高而潰滅。潰滅瞬間,在汽泡的中心形成一股微射流,射流速度可達(dá)100 m/ s ,甚至300m/ s ,其產(chǎn)生的沖擊力可用水錘壓力公式估算,即P = ρCaC ,其中ρ為液體密度; Ca為液體中的聲速; C為微射流速度。設(shè)C為100 m/s ,則產(chǎn)生的脈沖壓力就接近200M Pa ,這就是空穴效應(yīng)。強(qiáng)大的壓力波可使軟性、半軟性顆粒被粉碎,或硬性團(tuán)聚的細(xì)小顆粒被分散。由分析可知,物料在定轉(zhuǎn)子腔內(nèi)被均質(zhì)的機(jī)理較復(fù)雜,筆者認(rèn)為剪切起主導(dǎo)作用,其次是空穴作用。
高壓均質(zhì)機(jī)理
高壓均質(zhì)是利用高壓使得液料高速流過狹窄的縫隙時(shí)而受到強(qiáng)大的剪切力、液料被沖擊到金屬環(huán)上而產(chǎn)生強(qiáng)大撞擊力以及因靜壓力突降與突升而產(chǎn)生的空穴爆zha力等等綜合力的作用,把原先顆粒比較粗大的乳濁液或懸浮液加工成顆粒非常細(xì)微的穩(wěn)定的乳濁液或懸浮液的過程。被均質(zhì)物料通過閥座與閥桿間大小可調(diào)的間隙h (一般為011 mm)時(shí),其流速在瞬間被加速到200～300 m/ s ,從而產(chǎn)生巨大的壓力降,當(dāng)壓力降低到工作溫度下液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時(shí),液體就開始“沸騰”,迅速“汽化”,內(nèi)部產(chǎn)生大量汽泡。含有大量微汽泡的液體朝縫隙出口流出,流速逐漸降低,壓力又隨之提高,壓力增加到一定值時(shí),液體中的汽泡突然破滅而重新凝結(jié),汽泡在瞬時(shí)大量生成和潰滅就形成了空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象似無數(shù)的微型zha彈,能量強(qiáng)烈釋放產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振動(dòng),同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的湍流chan生的強(qiáng)烈的剪切力,液體中的軟性、半軟性顆粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒 ,其中空穴效應(yīng)所起作用被認(rèn)為較大。被粉碎的微粒接著又高速?zèng)_擊到?jīng)_擊環(huán)上 ,被進(jìn)一步粉碎和分散。
比較與分析
通過以上分析可知 ,高剪切均質(zhì)機(jī)主要是由于定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用 ,同時(shí)伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)的 ;而高壓均質(zhì)機(jī)主要是靠高壓流體產(chǎn)生的強(qiáng)烈、充分的空穴效應(yīng)和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達(dá)到均質(zhì)目的。不難理解 ,由于*烈的空穴作用 ,高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適 ;研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖wei的粉碎zui有效的力場(chǎng)是剪切力和研磨力 ,常溫下沖擊力對(duì)纖wei是無能為力的,而高剪切均質(zhì)機(jī)能對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用 ,因此高剪切均質(zhì)機(jī)比較適合處理含纖wei,容易出現(xiàn)稀奶油層 ,較硬的顆粒物料。
均質(zhì)機(jī)主要分為兩種：高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)。
高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)作用的區(qū)別：目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～ 25m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到30～40m/ s 的剪切式均質(zhì)機(jī), 其主要工作部件為1 級(jí)或多級(jí)相互嚙合的定轉(zhuǎn)子, 每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈。
高剪切均質(zhì)機(jī)主要是由于定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用, 同時(shí)伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)的; 而高壓均質(zhì)機(jī)主要是靠高壓流體產(chǎn)生的強(qiáng)烈、充分的空穴效應(yīng)和湍流作用使流體分散相中的顆粒破
碎達(dá)到均質(zhì)目的。不難理解, 由于*烈的空穴作用, 高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適; 研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖wei的粉碎zui有效的力場(chǎng)是剪切力和研磨力, 常溫下沖擊力對(duì)纖wei是無能為力的,而高剪切均質(zhì)機(jī)能對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用, 因此高剪切均質(zhì)機(jī)比較適合處理含纖wei較多或者較硬的顆粒物料。
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名稱
| 高剪切均質(zhì)機(jī) | 高壓均質(zhì)機(jī) |
| 原料要求 | 粉狀物、塊狀料或水果可直接投入 | 必須先將物料融化混合為流體后方可均質(zhì) |
| 易損耗件 | 兩年內(nèi)無需更換配件，無易損件 | 均質(zhì)閥、密封件使用兩、三個(gè)月便需要經(jīng)常更換 |
| 生產(chǎn)操作 | 靈活、簡(jiǎn)便、無需專人操作 | 需專人操作、調(diào)節(jié) |
| 耗能 | 耗電量為高壓均質(zhì)機(jī)的1/3 | 耗電量高，能源浪費(fèi) |
| 適應(yīng)范圍 | 適用范圍廣 | 不適宜高粘度的物料 |
| 酸堿性 | 適應(yīng)性強(qiáng) | 適應(yīng)性弱 |
| 均質(zhì)效果 | 均質(zhì)細(xì)度可達(dá)1μm以下，穩(wěn)定性好 | 均質(zhì)細(xì)度小，穩(wěn)定性好。不過在某些行業(yè)效果較差 |
| 綜合效果 | 混料、殺菌、均質(zhì)同時(shí)完成 | 只能單獨(dú)均質(zhì)用 |
| 清洗方法 | 自動(dòng)清洗 | 清洗復(fù)雜 |
高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)機(jī)理的比較：
| 比較 | 高剪切均質(zhì)機(jī) | 高壓均質(zhì)機(jī) |
| 宏觀
均質(zhì)
機(jī)理 | 剪切作用 | 主要通過液滴在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和定子間的間隙內(nèi)被剪切，以及由此間隙和轉(zhuǎn)子——定子上小孔射流的綜合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 | 料液在高壓下流過縫隙時(shí)，液滴先是被延伸，后因通過閥時(shí)的渦動(dòng)作用，使延伸部分剪切拉碎。 | |
| 撞擊作用 | 高速旋轉(zhuǎn)的液滴受慣性離心力的推動(dòng)，具有極大的沖擊力，因而產(chǎn)生撞擊作用。 | 在均質(zhì)閥縫隙中高速?zèng)_出的液流出口處置有擋圈，因而產(chǎn)生高速撞擊作用。 | |
| 空穴作用 | 離心力的作用使未進(jìn)入環(huán)隙時(shí)的液體具有一定壓力，而進(jìn)入環(huán)隙后成為高速旋轉(zhuǎn)液流，液體離開定子小孔后壓力又回升，所以也有一定的空穴效應(yīng) | 液流進(jìn)口處?kù)o壓很高，過狹縫時(shí)，靜壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，壓力迅速大幅度地下降，在其縫隙內(nèi)瞬時(shí)引起空穴現(xiàn)象，離開縫隙后壓力的回升又使空穴消失，因而使液滴破碎 | |
| 微觀
均質(zhì)
機(jī)理 | 高剪切均質(zhì)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的液滴流動(dòng)狀況相當(dāng)復(fù)雜，主要受控于作用在液滴表面不斷變化的流動(dòng)速度和由此產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，從而發(fā)生了分裂液滴的張力，使液滴破裂。 | 高壓均質(zhì)機(jī)提供給液滴破裂的能量來自于料液在進(jìn)口處攜帶的*靜壓能。 |
高剪切均質(zhì)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：
處理量大，適合工業(yè)化在線連續(xù)生產(chǎn)；粒徑分布范圍窄，勻度高；節(jié)約能耗、省時(shí)、；噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；消除批次間生產(chǎn)的品質(zhì)差異；*，物料100%通過分散剪切；具有短距離、低揚(yáng)程輸送功能；使用簡(jiǎn)單，wei修方便；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；
分散處理工藝，高剪切均質(zhì)機(jī)可用于以下工藝生產(chǎn)：
混合糖漿、香波、洗滌液、果汁濃縮液、酸奶、甜點(diǎn)、混合奶制品、油墨、瓷釉。分散混合甲基纖wei素溶解、膠質(zhì)體溶解、碳化物溶解、油水乳化,預(yù)混合、調(diào)味料生產(chǎn)、穩(wěn)定劑溶解、煙塵、鹽、氧化鋁、農(nóng)藥。
攪拌懸浮液、藥丸包衣、藥物解聚、涂料分散、唇膏、蔬菜濃湯、芥末混合物、催化劑、消光劑、金屬、顏料、改性瀝青、納米材料的制備和解聚。乳化藥乳液、藥膏、雪花膏、面膜、面霜、乳化香精、油水乳化、乳化瀝青、樹脂乳化、蠟乳化、水性聚氨脂乳化、農(nóng)藥。均質(zhì)藥乳液、藥膏、雪花膏、面膜、面霜、組織勻漿、奶制品均質(zhì)、果汁、打印墨水、果醬。
高壓均質(zhì)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：
1、高壓均質(zhì)機(jī)在設(shè)計(jì)上易于操作和wei護(hù)；可以用蒸餾水、純水和清潔劑進(jìn)行循環(huán)清洗(此時(shí)不要打壓力開關(guān))，或拆卸泵頭進(jìn)行人工清洗。
2、機(jī)器的啟動(dòng)/停止控制位于機(jī)器的側(cè)面，易于操作，可用于緊急開關(guān)，并包括對(duì)主電機(jī)的熱磁保護(hù)。
3、高壓均質(zhì)機(jī)裝有拋光的全不銹鋼外殼，可拆卸，便于檢查和wei護(hù)。其底座立在四個(gè)帶橡膠墊上。
4、此機(jī)器通過自重自吸力進(jìn)料，并不需要任何進(jìn)料泵。只需電力供應(yīng)而不需其它設(shè)施(如水或壓縮空氣) 5、按照試樣要求，配用不同材料的墊片；標(biāo)準(zhǔn)的墊片材料為特種塑料。柱塞密封使用了水潤(rùn)滑作用的特殊聚四氟乙烯材料。
5、細(xì)化作用更為強(qiáng)烈。這是因?yàn)楣ぷ鏖y的閥芯和閥座之間在初始位是緊密貼合的，只是在工作時(shí)被料液強(qiáng)制擠出了一條狹縫；而離心式乳化設(shè)備的轉(zhuǎn)定子之間為滿足高速旋轉(zhuǎn)并且不產(chǎn)生過多的熱量，必然有較大的間隙(相對(duì)均質(zhì)閥而言)；同時(shí)，由于均質(zhì)機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是容積式往復(fù)泵，所以從理論上說，均質(zhì)壓力可以無限地提高，而壓力越高，細(xì)化效果就越好。
6、均質(zhì)機(jī)的細(xì)化作用主要是利用了物料間的相互作用，所以物料的發(fā)熱量較小，因而能保持物料的性能基本不變。
7、均質(zhì)機(jī)能定量輸送物料，因?yàn)樗揽客鶑?fù)泵送料。
8、均質(zhì)機(jī)耗能較大。
9、均質(zhì)機(jī)的易損使較多，wei護(hù)工作量較大，特別在壓力很高的情況下。
10、均質(zhì)機(jī)不適合于粘度很高的情況。
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