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我國(guó)“均質(zhì)機(jī)”應(yīng)用工藝以及發(fā)展趨勢(shì)
來(lái)源:www.nag.net.cn | 發(fā)布時(shí)間:2011/7/13 | 瀏覽次數(shù):

1990年,在巴黎舉辦的世界博覽會(huì)上,一個(gè)名叫August Gaulin的人展出了由他發(fā)明的用于均質(zhì)牛奶的裝置。而在我國(guó),對(duì)牛奶進(jìn)行均質(zhì)處理還不到十年的時(shí)間。

    據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載,Gaulin的裝置第一次使用了"Homogenized"(均質(zhì))這個(gè)詞。此后,"均質(zhì)"、"均質(zhì)機(jī)"、"乳化器"等這些詞都是與Gaulin研制的裝置和工藝密不可分的。當(dāng)今,世界各國(guó)生產(chǎn)的林林總總的均質(zhì)器械,結(jié)構(gòu)上盡管各有差異,究其基本原理,與Gaulin應(yīng)用的原理所差無(wú)幾,可以說(shuō)只是同工異曲。

    一、均質(zhì)技術(shù)

   均質(zhì)機(jī),主要由柱塞泵以及與其組合的泵體和均質(zhì)閥組成。柱塞泵的作用是將一定粘度的液態(tài)物料吸入泵體,并對(duì)物料加壓。調(diào)壓裝置是使物料在特定的壓力下通過(guò)均質(zhì)閥。"均質(zhì)"是指物料在均質(zhì)閥中發(fā)生的細(xì)化和均勻混和的加工過(guò)程。

    具體說(shuō)來(lái),柱塞泵以0.25-0.5米/秒的低速將原始物料吸入,通過(guò)與均質(zhì)閥連接的調(diào)壓裝置對(duì)均質(zhì)系統(tǒng)調(diào)壓。

    柱塞泵對(duì)物料加壓,例如加壓至40Mpa,由于柱塞泵吸入與壓出料液的流速相對(duì)比較穩(wěn)定,因此,只要控制閥座與閥芯之間的間隙也稱(chēng)開(kāi)啟度,就可以控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。閥座、閥芯之間的間隙越小,系統(tǒng)的壓力越高,物料通過(guò)閥座、閥芯之間的流速也越高,60Mpa時(shí)的流速高達(dá)300米/秒左右。

   依據(jù)流體力學(xué)的理論,液體流速越高的區(qū)域,其壓力越小。因此,料液高速流動(dòng)時(shí),瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的壓力降。同時(shí),料液在柱塞泵的作用下,系統(tǒng)內(nèi)積累了較大的能量密度,這種能量密度大約在600-800kw/cm3。料液在閥座與閥芯之間的流經(jīng)時(shí)間約為50微秒,大量的能量在極短的時(shí)間內(nèi)得以釋放。

    綜上所述,料液在高速流動(dòng)時(shí)的剪切效應(yīng)、高速噴射時(shí)的撞擊作用、瞬間強(qiáng)大壓力降時(shí)的空穴效應(yīng)三重作用下,使物料達(dá)到超細(xì)粉碎,從而使互不相溶的液一液或液一固混懸液均質(zhì)成液一液乳化劑或液一固分散體。

    我們以加工油水乳化液為例。油和水是二種互不相溶的液體。若應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)將油脂粉碎至直徑小于lμm的微粒均勻分布在水中。當(dāng)然,為了加工成穩(wěn)定的乳化液,還必須添加一種稱(chēng)之為表面活性劑的溶劑也稱(chēng)為乳化劑、穩(wěn)定劑等,活性劑的作用一是降低油水混合液的表面張力,二是阻止微小顆粒的凝聚和分層;钚詣┑膭┝恳_(dá)到足以使已加工的乳化劑具有一定的穩(wěn)定期又稱(chēng)保持期,保質(zhì)期。這樣形成的乳化液稱(chēng)之為水包油型乳化液,它可以用水加以稀釋。反之,以油作為連續(xù)相,應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)將水以微小顆粒均勻分布在油中,這樣形成的乳化液稱(chēng)之為油包水型乳化液,它只能用油加以稀釋。

   均質(zhì)機(jī)屬高功率機(jī)械設(shè)備,流量二噸的高壓均質(zhì)機(jī)耗能量為45kw,而同樣流量的膠體磨的耗能量只有7.5kw。以加工乳化液為例,行業(yè)不同,使用的表面活性劑也各不相同,但有一點(diǎn)是共同的,即乳化液所添加的表面活性劑劑量的多少,取決于乳化過(guò)程中所獲得的能量的大小。所獲能量越大,所添加的劑量越少。例如高壓均質(zhì)機(jī)40Mpa壓力下加工乳化劑時(shí),添加活性劑的劑量為0.25%。應(yīng)用其它均質(zhì)器械,如用膠體磨加工乳化液,由于從膠體磨獲得的能量小得多,因此,添加劑的劑量必須在2.25%,二者之差近乎于一個(gè)數(shù)量級(jí)。

    總之,對(duì)于平均粒徑小于2μm最小粒徑在0.1μm左右的乳化劑和分?jǐn)?shù)體,均可以應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)加工獲得。均質(zhì)機(jī)自問(wèn)世以來(lái),其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,被廣泛應(yīng)用在食品、飲料、牛奶制品、精細(xì)化工、制藥、生物工程等領(lǐng)域數(shù)以千計(jì)的產(chǎn)品深加工。

    隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,均質(zhì)機(jī)的性能、規(guī)格有了很大的發(fā)展。從壓力區(qū)分,均質(zhì)機(jī)可分為低壓-25Mpa、中壓-40Mpa、高壓-60Mpa、超高壓-100Mpa以上四種類(lèi)型;流量上可分為每小時(shí)加工幾十公斤的實(shí)驗(yàn)型機(jī)、每小時(shí)加工數(shù)噸的生產(chǎn)型機(jī)、每小時(shí)加工幾十噸的特大型機(jī);耗能上,又可分為普通型和高效節(jié)能型。值得一提的是,發(fā)達(dá)國(guó)家的能源并不匱乏,卻十分注重節(jié)約能源。正因?yàn)橐回炞⒅啬茉吹墓?jié)約,才得以保證能源的充余。

    重視節(jié)約能源的理念,從廣義上講也是一種"發(fā)達(dá)"。因此,國(guó)際上十多年前就推出了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利產(chǎn)品--高效節(jié)能型均質(zhì)機(jī),節(jié)能達(dá)40%。這對(duì)于我國(guó)本來(lái)就與國(guó)外先進(jìn)水平有著較大差距的均質(zhì)機(jī)制造業(yè),一下子又被拉大了一段不小的距離。

    我國(guó)低壓均質(zhì)機(jī)在上世紀(jì)60年代,也有個(gè)別廠家生產(chǎn)。中、高壓均質(zhì)機(jī),因加工工藝和材料等原因,在我國(guó)一直是空白。隨著奶制品、飲料、化工、制藥等行業(yè)新產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的需要,上?萍即髮W(xué)七十年代末在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了高壓均質(zhì)機(jī)的研制工作,八十年代初研制成功。從此,我國(guó)均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)逐步步入了快速發(fā)展時(shí)期。國(guó)產(chǎn)低壓、中壓、高壓各種規(guī)格的均質(zhì)機(jī)相繼投放市場(chǎng),極大地滿足了我國(guó)各行各業(yè)的生產(chǎn)需求。

    二、均質(zhì)機(jī)應(yīng)用工藝

    均質(zhì)機(jī)超細(xì)粉碎、乳化功能,無(wú)論是從理論上,還是實(shí)際加工的乳劑和分散體所獲得的細(xì)度、均勻度的質(zhì)量上,都是高速攪拌、砂磨、球磨、膠體磨、超聲波等均質(zhì)器械不能比擬的。但是,如果在工藝上應(yīng)用不正確、不得當(dāng),也是無(wú)法獲得滿意結(jié)果的,至少不可能獲得最佳的效果。

    均質(zhì)加工所選用壓力的大小,決定了物料獲得能量的大小。一般講來(lái),粉碎所需要的能量,應(yīng)視物料粘度大小,液體表面張力的大小和最終粉碎細(xì)度的大小不同而不同。壓力不到位不行,壓力過(guò)高同樣沒(méi)有必要。物料粉碎粒徑越小,所需的能量越大。一般講,均質(zhì)壓力增大,微粒的平均粒徑減小,但微粒粒徑變小的速率隨之減慢。這表明,即便使用了很高的壓力,均質(zhì)機(jī)粉碎細(xì)度的功能并不是無(wú)限度的。就目前普通結(jié)構(gòu)的均質(zhì)機(jī)而言,其極限粉碎細(xì)度在0.1-0.2μm。

    物料初始粒徑的大小,粒徑的均勻度,是影響均質(zhì)質(zhì)量的重要因素之一。工藝上要求物料的初始粒徑不但要盡可能。ㄒ话悴粦(yīng)大于20μm),而且須經(jīng)低能均質(zhì)器械進(jìn)行粗加工,使其粒徑大小盡可能均勻一致。原始物料粒徑的不均勻,均質(zhì)時(shí)很難獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。

    混合液中油脂的含量,同樣是決定其質(zhì)量的重要因素之一。當(dāng)施加在混合液中的能量密度相同時(shí),油脂含量的增加,意味著單元獲得的平均能量的減小,直接影響著混合液的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明,在某一范圍內(nèi),油脂比例的減少,也是增加均質(zhì)效果的途徑之一,混合液的油脂含量的最大比例應(yīng)該小于50%。

    物料的粘滯度,同樣與均質(zhì)效果和均質(zhì)效率密切相關(guān)的。均質(zhì)壓力一定時(shí),物料粘度的增加,例如從2CP增加到200CP,物料的粒徑隨之變大,粘度超過(guò)200CP,粒徑變大尤為明顯。因此,物料粘度低于200CP,均質(zhì)效果較為有效。工藝上,為了達(dá)到降低粘度,簡(jiǎn)單有效的方法是對(duì)物料加熱。對(duì)于特定的物料,例如樹(shù)脂的乳化,利用油脂溶于某一種特定的溶劑中,也能方便有效的降低油脂的粘度。

    均質(zhì)機(jī)加工工藝上還有一個(gè)加工次數(shù)的問(wèn)題。均質(zhì)機(jī)只加工一次,很難使大小不一的顆粒獲得相同的能量,結(jié)果是均勻度不理想。實(shí)驗(yàn)證明:均質(zhì)過(guò)程中,大顆粒較容易獲得能量而被粉碎為細(xì)顆粒,而細(xì)顆粒的變小相對(duì)比較困難。由于這兩個(gè)原因,工藝上需要進(jìn)行多次均質(zhì)。經(jīng)過(guò)數(shù)次均質(zhì),不但使顆粒逐漸變小,而且顆粒大小逐漸趨于一致,均質(zhì)效果大為提高。有效均質(zhì)的最多次數(shù)為九次,超過(guò)九次,效果與耗能比將得不償失。

    目前,廣泛使用的均質(zhì)機(jī)大多具有二級(jí)均質(zhì)的功能。一級(jí)閥(高壓閥,下同)與二級(jí)閥(低壓閥,下同)所選用的壓力大小也涉及到均質(zhì)機(jī)的加工工藝問(wèn)題。

    國(guó)外對(duì)均質(zhì)機(jī)一級(jí)、二級(jí)閥加工效果的研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),相比較,我國(guó)在這方面的研究還處在起步階段。一級(jí)閥與二級(jí)閥是串聯(lián)使用的,二級(jí)閥壓力的大小,關(guān)系到物料經(jīng)過(guò)一級(jí)閥瞬間壓力降的大小,從而直接關(guān)系到一級(jí)閥的加工效果。因此,二級(jí)閥壓力的選擇并不是隨意的,實(shí)驗(yàn)證明,二級(jí)閥工藝上選擇的壓力應(yīng)控制在系統(tǒng)總壓力的10%-15%之間,壓力選擇過(guò)高,反而適得其反。

    三、均質(zhì)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

    均質(zhì)機(jī)的發(fā)展,一是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求,二是要依托科技的發(fā)展。即:需要由新工藝、新設(shè)備、新材料等作為保證。我國(guó)均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚,較國(guó)外落后了五、六十年。進(jìn)展慢,60Mpa高壓均質(zhì)機(jī)的生產(chǎn),較國(guó)外落后了近八十個(gè)年頭。水平相對(duì)比較低,無(wú)論是材料選擇,加工精度、使用壽命、規(guī)格品種、應(yīng)用領(lǐng)域及能源消耗,都與國(guó)際先進(jìn)水平有著不小的差距,這顯示我國(guó)均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

    隨著我國(guó)人民生活水準(zhǔn)的普遍提升,對(duì)乳制品、飲料的需求急劇增加,每小時(shí)幾噸的均質(zhì)機(jī)已經(jīng)不能適應(yīng)大生產(chǎn)的需要,每小時(shí)產(chǎn)量幾十噸的特大型均質(zhì)機(jī)的需求逐顯迫切。生產(chǎn)質(zhì)量好,性能穩(wěn)定,每小時(shí)產(chǎn)量十幾噸,乃至幾十噸的特大型均質(zhì)機(jī)替代進(jìn)口,是我國(guó)均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

    由于特大型均質(zhì)機(jī)的能耗少則一、二百千瓦,多則四、五百千瓦,能源消耗矛盾十分突出,瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平,研制高效節(jié)能型均質(zhì)機(jī),盡量縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,對(duì)均質(zhì)機(jī)行業(yè)顯得尤為迫切和重要,這是均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)廠家需要化大力氣盡快攻克的一個(gè)重要課題。

    生物工程、納米技術(shù),將是本世紀(jì)有著長(zhǎng)足發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。大腸桿菌、酶等細(xì)胞壁的粉碎,納米級(jí)微粒的粉碎,幾十兆帕壓力的均質(zhì)機(jī)顯然是無(wú)能為力的,這就需要我們研制100-150兆帕的超高壓力的均質(zhì)機(jī)。在國(guó)外,這種機(jī)器已經(jīng)提供生產(chǎn)服務(wù)多年,而在我國(guó)幾乎還是空白,這是我國(guó)均質(zhì)機(jī)發(fā)展的又一個(gè)方向。
 

 
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