我G“均質(zhì)機(jī)”應(yīng)用工藝以及發(fā)展趨勢

1990年，在巴黎舉辦的世界博覽會上，一個(gè)名叫Ａｕｇｕｓｔ Ｇａｕｌｉｎ的人展出了由他**的用于均質(zhì)牛奶的裝置。而在我G，對牛奶進(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**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G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)用的原理所差無幾，可以說只是同工異曲。

    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，并對物料加壓。調(diào)壓裝置是使物料在特定的壓力下通過均質(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程。

    具體說來，柱塞泵以０．２５－０．５米/秒的低速將原始物料吸入，通過與均質(zhì)閥連接的調(diào)壓裝置對均質(zhì)系統(tǒng)調(diào)壓。?

    柱塞泵對物料加壓，例如加壓**４０Ｍｐａ，由于柱塞泵吸入與壓出料液的流速相對比較穩(wěn)定，因此，只要控制閥座與閥芯之間的間隙?也稱開啟度，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，料液高速流動時(shí)，瞬間會產(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**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，還必須添加一種稱之為表面活性劑的溶劑?也稱為乳化劑、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?又稱保持期，保質(zhì)期?。這樣形成的乳化液稱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。

    總之，對于平均粒徑小于２μｍ?**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)自問世以來，其應(yīng)用*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*域數(shù)以千計(jì)的產(chǎn)品深加工。

    隨著應(yīng)用*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)G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，G際上十多年前就推出了具有****的**產(chǎn)品--高效節(jié)能型均質(zhì)機(jī)，節(jié)能達(dá)４０％。這對于我G本來就與G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G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G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，上海科技大學(xué)七十年代末在G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G均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)逐步步入了快速發(fā)展時(shí)期。G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，極大地滿足了我G各行各業(yè)的生產(chǎn)需求。#p#分頁標(biāo)題#e#

    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)，也是無法獲得滿意結(jié)果的，**少不可能獲得**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，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**終粉碎細(xì)度的大小不同而不同。壓力不到位不行，壓力過高同樣沒有必要。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**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，簡單有效的方法是對物料加熱。對于特定的物料，例如樹脂的乳化，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**多次數(shù)為九次，超過九次，效果與耗能比將得不償失。

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

    G外對均質(zhì)機(jī)一級、二級閥加工效果的研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，相比較，我G在這方面的研究還處在起步階段。一級閥與二級閥是串聯(lián)使用的，二級閥壓力的大小，關(guān)系到物料經(jīng)過一級閥瞬間壓力降的大小，從而直接關(guān)系到一級閥的加工效果。因此，二級閥壓力的選擇并不是隨意的，實(shí)驗(yàn)證明，二級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?，壓力選擇過高，反而適得其反。

    三、均質(zhì)機(jī)的發(fā)展趨勢

    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G均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，較G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G外落后了近八十個(gè)年頭。水平相對比較低，無論是材料選擇，加工精度、使用壽命、規(guī)格品種、應(yīng)用*域及能源消耗，都與G際先進(jìn)水平有著不小的差距，這顯示我G均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

    隨著我G人民生活水準(zhǔn)的普遍提升，對乳制品、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**幾十噸的特大型均質(zhì)機(jī)替代進(jìn)口，是我G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G外先進(jìn)水平的差距，對均質(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，納米級微粒的粉碎，幾十兆帕壓力的均質(zhì)機(jī)顯然是無能為力的，這就需要我們研制１００－１５０兆帕的超高壓力的均質(zhì)機(jī)。在G外，這種機(jī)器已經(jīng)提供生產(chǎn)服務(wù)多年，而在我G幾乎還是空白，這是我G均質(zhì)機(jī)發(fā)展的又一個(gè)方向。
 
工作原理及特點(diǎn)
1.
高壓均質(zhì)機(jī)以高壓往復(fù)泵（欲了解往復(fù)泵原理請點(diǎn)擊此處）為動力傳遞及物料輸送機(jī)構(gòu)，將物料輸送**工作閥（一級均質(zhì)閥及二級乳化閥）部分。要處理物料在通過工作閥的過程中，在高壓下產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、撞擊和空穴作用，從而使液態(tài)物質(zhì)或以液體為載體的固體顆粒得到超微細(xì)化。#p#分頁標(biāo)題#e#
如圖2所示，物料在尚未通過工作閥時(shí)，一級均質(zhì)閥和二級乳化閥的閥芯和閥座在力F1和F2的作用下均緊密地貼合在一起。物料在通過工作閥時(shí)（如圖3），閥芯和閥座都被物料強(qiáng)制地?cái)D開一條狹縫，同時(shí)分別產(chǎn)生壓力P1和P2以平衡力F1和F2。物料在通過一級均質(zhì)閥（序號1、2、3）時(shí)，壓力從P1突降**P2，也就隨著這壓力能的突然釋放，在閥芯、閥座和沖擊環(huán)這三者組成的狹小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生類似爆炸效應(yīng)的強(qiáng)烈的空穴作用，同時(shí)伴隨著物料通過閥芯和閥座間的狹縫產(chǎn)生的剪切作用以及與沖擊環(huán)撞擊產(chǎn)生的高速撞擊作用，如此強(qiáng)烈地綜合作用，從而使顆粒得到超微細(xì)化。一般來說，P2的壓力（即乳化壓力）調(diào)得很低，二級乳化閥的作用主要是使已經(jīng)細(xì)化的顆粒分布得更加均勻一些。據(jù)美GGaulin公司的資料介紹，jue大部分情況下，單單使用一級均質(zhì)閥即可獲得理想的效果。
3. 相對于離心式分散乳化設(shè)備（如膠體磨、高剪切混合乳化機(jī)等），高壓均質(zhì)機(jī)的特點(diǎn)是：
1）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（相對均質(zhì)閥而言）；同時(shí)，由于均質(zhì)機(jī)的傳動機(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。