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(lái)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(wú)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粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力和壓力的作用。引起剪切力和壓力作用的具體流體力學(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粒或液滴的隨意變形;
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(guò)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粒或液滴破碎。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(guò)程中受到越來(lái)越強(qiáng)烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來(lái)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(guò)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(guò)程。被均質(zhì)物料通過(guò)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(kāi)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。空穴現(xiàn)象似無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(chēng)
| 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(wú)需更換配件，無(wú)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(wú)需專(zhuān)人操作 | 需專(zhuān)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(guò)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 | 料液在高壓下流過(guò)縫隙時(shí)，液滴先是被延伸，后因通過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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(shù)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(mǎn)足高速旋轉(zhuǎn)并且不產(chǎn)生過(guò)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(shuō)，均質(zhì)壓力可以無(wú)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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