高剪切及高壓均質(zhì)機(jī)的理論研究

【摘要】分析了高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)不同的均質(zhì)機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)做出進(jìn)一步論證。對(duì)食品均質(zhì)單元中選用高剪切或高壓均質(zhì)機(jī)有一定參考意義

【關(guān)鍵詞】均質(zhì)；機(jī)理；食品工業(yè)；

在食品、化工、制藥等行業(yè)乳化、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。

1 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?/span>或者壓力的作用。引起剪切力或者壓力
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?；蛞旱蔚募?/span>
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)。

1．1 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10～25m／s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。IKN高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到3O～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)子中心被吸人，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?；蛞旱纹扑?nbsp;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)100m／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=pec，其中 為液體密度；Ca為液體中的聲速；c為微射流速度。設(shè)C為100m／s，則產(chǎn)生的脈沖壓力就接近200MPa，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)為剪切力起主導(dǎo)作用，其次是空穴作用。

1．2 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)生的空穴爆炸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0．1mm)時(shí)，其流速在瞬間被加速到200～300m ，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?？昭ìF(xiàn)象似無(wú)數(shù)的微型炸。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)烈的湍流產(chǎn)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。

1．3 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)于纖維的粉碎zui有效的力場(chǎng)是剪切力和研磨力，常溫下沖擊力對(duì)纖維是無(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)比較適合處理含纖維較多或者較硬的顆粒物料

2 食品生產(chǎn)流程

2．1 概述

對(duì)于食品工業(yè)中常遇到的非均相固一液和液一液多相分散系，要達(dá)到高度均一穩(wěn)定，其均勻度不僅要求分散相分布均勻，而且還要求分散質(zhì)微粒細(xì)化，含固體的懸浮液要求固體顆粒微粒化，含油滴的乳狀液要求油滴(稱流體顆粒)微滴化 從概念上和作用上講，分散，均質(zhì)、乳化往往難以區(qū)分，這里統(tǒng)稱為均質(zhì)，而固體顆粒和流體顆粒均簡(jiǎn)稱為顆粒，所以均質(zhì)是使懸浮液(或乳化液)體系中的分散相顆粒分散化、均勻化的處理過(guò)程，可以同時(shí)起到降低分散顆粒的尺度和提高分散顆粒分布均勻性的作用，以得到具有合適貯存穩(wěn)定性的產(chǎn)品。從乳品及飲料的加工工藝上看，均質(zhì)后的料液基本上就是zui終產(chǎn)品。通過(guò)均質(zhì)可以將食品原料的漿、汁、液進(jìn)行細(xì)化、混合，從而大提高食品的均勻度和細(xì)度，防止或減少液狀食品物料的分層，改善外觀、色澤及香度，提高食品質(zhì)量。我們對(duì)幾種典型的食品生產(chǎn)流程進(jìn)行分析，比較不同的均質(zhì)機(jī)在食品生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用。

2．2 豆制品類

這里所指的豆制品是以大豆為主要原料生產(chǎn)的植物蛋白飲料，或者飲料干粉。生產(chǎn)工藝大致為：浸泡
一磨漿一均質(zhì)。

均質(zhì)是生產(chǎn)植物蛋白飲料*的工序?？煞乐怪旧细。苁刮接谥厩虮砻娴牡鞍踪|(zhì)量增加，緩和變稠現(xiàn)象，能提高產(chǎn)品消化性，增加成品的光澤度，改善成品的口感，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性：現(xiàn)在主要使用的均質(zhì)設(shè)備有膠體磨和高壓均質(zhì)機(jī)。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于大豆粉碎后有大量的纖維狀物質(zhì)存在，雖然植物蛋白可以經(jīng)過(guò)高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)取得一定效果，但對(duì)于生產(chǎn)中的豆渣纖維等物料卻無(wú)法進(jìn)行處理。應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高剪切均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)，則可非常有效地處理上述物料，得到很好的效果 本次課題研究進(jìn)行中，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了證明

2．3 乳制品類。

乳制品主要有鮮乳、煉乳，乳粉及其他一些乳類制品甜乳制品中含有較高濃度的蔗糖，牯度高，可防止脂肪上浮。而淡乳制品中不加糖，長(zhǎng)期放置其上部容易出現(xiàn)稀奶油層，可因振動(dòng)形成奶油粒，使其商品價(jià)值顯著降低。為防止這種缺陷，必須進(jìn)行均質(zhì)處理，使脂肪球變小，增加其表面積，從而增加脂肪球表面的酪蛋白吸附量，使脂肪球的比重增大，上浮能力變小。按照斯托克斯公式也可以看到脂肪上浮速度與其脂肪球直徑的平方成反比，所以通過(guò)均質(zhì)可以減緩脂肪上浮現(xiàn)象。

在其他乳制品，如乳粉的加工工藝中，同樣也要經(jīng)過(guò)均質(zhì)階段，因此可見(jiàn)，均質(zhì)設(shè)備在乳制品行業(yè)中的應(yīng)用是很廣泛的
目前使用的均質(zhì)設(shè)備主要是高壓均質(zhì)機(jī)。

2．4 果蔬汁飲料

均質(zhì)是渾濁果蔬計(jì)飲料制造中的*工序，均質(zhì)的目的是使混合果蔬汁中的不同粒度，不同相對(duì)密度的果肉粒度進(jìn)一步破碎并使之均勻，促進(jìn)果膠滲出，增加果汁與果膠的親和力，抑制果蔬汁分層和產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象，使果蔬汁保持均一穩(wěn)定 目前所使用的主要設(shè)備有高速粉碎機(jī)、膠體磨和高剪切均質(zhì)機(jī)。

3 試驗(yàn)研究

為了比較高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果，我們進(jìn)行了相關(guān)的工業(yè)試驗(yàn)。

3．1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

高剪切均質(zhì)機(jī) 一165 (三級(jí)，線速度為35m／s)；高壓均
質(zhì)機(jī)GJB3 25；激光粒度分析儀Master Sizer 20oo(英國(guó))；電子攝像顯微鏡Galen IlI。

3．2 試驗(yàn)及取樣

試驗(yàn)地點(diǎn)：南京海浪乳業(yè)集團(tuán)乳品生產(chǎn)車(chē)間。

試驗(yàn)均質(zhì)物料為：牛奶和未去皮大豆奶。試驗(yàn)開(kāi)機(jī)后，每分鐘在出口取樣一次，共5次c

3．3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)包括高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)牛奶的均質(zhì)樣品 高剪切均質(zhì)機(jī)分別對(duì)牛奶和豆奶的均質(zhì)樣品 粒度分析采用粒度分析儀：Master Sizer 2000，并采用顯微拍照，對(duì)樣品進(jìn)行分析比較

①高剪切均質(zhì)機(jī)對(duì)牛奶均質(zhì)后的樣品粒度情況。均質(zhì)前：平均粒度d(0．5)=2．148 zm。開(kāi)發(fā)研究d(O．11=0．24 d(O．5)=4．10 d(O．9) 114-11

圖5 高剪切均質(zhì)結(jié)果(激光粒度儀)均質(zhì)后，激光粒度分析儀測(cè)得結(jié)果見(jiàn)圖l，電子 3.4 分析及討論
攝像顯微結(jié)果，見(jiàn)圖2。
d(O．1)=0．113 d(O．5)=1．002 d(O．9)=4．001
5
—
4
l。
至。
0 O1 O1 1 10 IOD 】OOO 3000
Pdn1c1e s_ze(u m)
圈1 高剪切均質(zhì)結(jié)果【激光粒度儀)

②高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)牛奶均質(zhì)后的樣品粒度情況。

均質(zhì)前：平均粒度d(0．5)：2，148,~n均質(zhì)后，激光粒度分析儀測(cè)得結(jié)果，見(jiàn)圖3，
子攝像顯微結(jié)果，見(jiàn)圖4。
d(O．1)=0．095 d(O．5)：0．267 d(O．9)=1．206
0 01 01 1 10 】郵 1000 3000
Particle S1ze[u

圖3 高壓均質(zhì)結(jié)果【激光粒度儀通過(guò)高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)分別對(duì)物料進(jìn)行的試驗(yàn)，我們可以看出，高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)牛奶的均質(zhì)效果要好于高剪切均質(zhì)機(jī)，而高剪切均質(zhì)機(jī)對(duì)未去皮大豆的均質(zhì)效果非常明顯。由于未去皮大豆在生產(chǎn)實(shí)踐
中無(wú)法用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行加工，故本研究未給出高壓均質(zhì)來(lái)去皮大豆的均質(zhì)樣品。如前所述，高壓均質(zhì)機(jī)由于空穴作用強(qiáng)烈，易使軟性、半軟性顆粒破碎，從而達(dá)到理想的均質(zhì)效果，而高剪切均質(zhì)機(jī)在工作過(guò)程中，由定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)
高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生剪切作用，因此對(duì)含纖維物料的均質(zhì)十分有效。上述試驗(yàn)結(jié)果證明了這一點(diǎn)。
咀

4 總結(jié)與展望
_ _
圈2 高剪切均質(zhì)結(jié)果 圈4 高壓均質(zhì)結(jié)果

(顯微鏡) (顯微鏡1

③ 高剪切均質(zhì)機(jī)對(duì)豆奶均質(zhì)后的樣品粒度情況。均質(zhì)前：平均粒度d(0．5)=53．354pan均質(zhì)后，激光粒度分析儀測(cè)得結(jié)果，見(jiàn)圖5。均質(zhì)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流體混合過(guò)程，對(duì)于不同的物料、不同的工藝過(guò)程，其實(shí)現(xiàn)的具體機(jī)理也不同，對(duì)高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的研究與比較，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

由于試驗(yàn)手段的限制，對(duì)均質(zhì)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域還未能做出更詳盡的分析。相信隨著對(duì)均質(zhì)機(jī)理及設(shè)備研究的深

入，必將促進(jìn)食品及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

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