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
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。
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40～66 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300m/ 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。
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zha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zha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chan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*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wei的粉碎zui有效的力场是剪切力和研磨力 ,常温下冲击力对纤wei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wei,容易出现稀奶油层 ,较硬的颗粒物料。
均质机主要分为两种：高剪切均质机与高压均质机。
高剪切均质机与高压均质机作用的区别：目前国内常用的剪切式均质机线速度多为10～ 25m/ 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30～40m/ 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。
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*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wei的粉碎zui有效的力场是剪切力和研磨力, 常温下冲击力对纤wei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wei较多或者较硬的颗粒物料。
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名称
| 高剪切均质机 | 高压均质机 |
| 原料要求 | 粉状物、块状料或水果可直接投入 | 必须先将物料融化混合为流体后方可均质 |
| 易损耗件 | 两年内无需更换配件，无易损件 | 均质阀、密封件使用两、三个月便需要经常更换 |
| 生产操作 | 灵活、简便、无需专人操作 | 需专人操作、调节 |
| 耗能 | 耗电量为高压均质机的1/3 | 耗电量高，能源浪费 |
| 适应范围 | 适用范围广 | 不适宜高粘度的物料 |
| 酸碱性 | 适应性强 | 适应性弱 |
| 均质效果 | 均质细度可达1μm以下，稳定性好 | 均质细度小，稳定性好。不过在某些行业效果较差 |
| 综合效果 | 混料、杀菌、均质同时完成 | 只能单独均质用 |
| 清洗方法 | 自动清洗 | 清洗复杂 |
高剪切均质机与高压均质机的均质机理的比较：
| 比较 | 高剪切均质机 | 高压均质机 |
| 宏观
均质
机理 | 剪切作用 | 主要通过液滴在高速旋转的转子和定子间的间隙内被剪切，以及由此间隙和转子——定子上小孔射流的综合效应来实现。 | 料液在高压下流过缝隙时，液滴先是被延伸，后因通过阀时的涡动作用，使延伸部分剪切拉碎。 | |
| 撞击作用 | 高速旋转的液滴受惯性离心力的推动，具有极大的冲击力，因而产生撞击作用。 | 在均质阀缝隙中高速冲出的液流出口处置有挡圈，因而产生高速撞击作用。 | |
| 空穴作用 | 离心力的作用使未进入环隙时的液体具有一定压力，而进入环隙后成为高速旋转液流，液体离开定子小孔后压力又回升，所以也有一定的空穴效应 | 液流进口处静压很高，过狭缝时，静压能转化为动能，压力迅速大幅度地下降，在其缝隙内瞬时引起空穴现象，离开缝隙后压力的回升又使空穴消失，因而使液滴破碎 | |
| 微观
均质
机理 | 高剪切均质机高速旋转时的液滴流动状况相当复杂，主要受控于作用在液滴表面不断变化的流动速度和由此产生的脉动压力，从而发生了分裂液滴的张力，使液滴破裂。 | 高压均质机提供给液滴破裂的能量来自于料液在进口处携带的*静压能。 |
高剪切均质机技术特点：
处理量大，适合工业化在线连续生产；粒径分布范围窄，匀度高；节约能耗、省时、；噪音低、运转平稳；消除批次间生产的品质差异；*，物料100%通过分散剪切；具有短距离、低扬程输送功能；使用简单，wei修方便；可实现自动化控制；
分散处理工艺，高剪切均质机可用于以下工艺生产：
混合糖浆、香波、洗涤液、果汁浓缩液、酸奶、甜点、混合奶制品、油墨、瓷釉。分散混合甲基纤wei素溶解、胶质体溶解、碳化物溶解、油水乳化,预混合、调味料生产、稳定剂溶解、烟尘、盐、氧化铝、农药。
搅拌悬浮液、药丸包衣、药物解聚、涂料分散、唇膏、蔬菜浓汤、芥末混合物、催化剂、消光剂、金属、颜料、改性沥青、纳米材料的制备和解聚。乳化药乳液、药膏、雪花膏、面膜、面霜、乳化香精、油水乳化、乳化沥青、树脂乳化、蜡乳化、水性聚氨脂乳化、农药。均质药乳液、药膏、雪花膏、面膜、面霜、组织匀浆、奶制品均质、果汁、打印墨水、果酱。
高压均质机技术特点：
1、高压均质机在设计上易于操作和wei护；可以用蒸馏水、纯水和清洁剂进行循环清洗(此时不要打压力开关)，或拆卸泵头进行人工清洗。
2、机器的启动/停止控制位于机器的侧面，易于操作，可用于紧急开关，并包括对主电机的热磁保护。
3、高压均质机装有抛光的全不锈钢外壳，可拆卸，便于检查和wei护。其底座立在四个带橡胶垫上。
4、此机器通过自重自吸力进料，并不需要任何进料泵。只需电力供应而不需其它设施(如水或压缩空气) 5、按照试样要求，配用不同材料的垫片；标准的垫片材料为特种塑料。柱塞密封使用了水润滑作用的特殊聚四氟乙烯材料。
5、细化作用更为强烈。这是因为工作阀的阀芯和阀座之间在初始位是紧密贴合的，只是在工作时被料液强制挤出了一条狭缝；而离心式乳化设备的转定子之间为满足高速旋转并且不产生过多的热量，必然有较大的间隙(相对均质阀而言)；同时，由于均质机的传动机构是容积式往复泵，所以从理论上说，均质压力可以无限地提高，而压力越高，细化效果就越好。
6、均质机的细化作用主要是利用了物料间的相互作用，所以物料的发热量较小，因而能保持物料的性能基本不变。
7、均质机能定量输送物料，因为它依靠往复泵送料。
8、均质机耗能较大。
9、均质机的易损使较多，wei护工作量较大，特别在压力很高的情况下。
10、均质机不适合于粘度很高的情况。
