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在食品、化工、制藥等行業均質技術已成為提高產品品質的關鍵。目前國內食品行業使用的傳統均質設備多為高壓均質機、膠體磨、砂磨和輥磨機等,近年來出現了新型的高剪切均質機(高剪切乳化機)設備。至于這些均質設備在各行業中的應用,目前尚無人進行深入系統地研究。對此,筆者針對目前主要使用的高壓均質機和高剪切式均質機,從均質原理、不同物料的工藝流程以及實驗數據等方面進行了對比分析研究。

    1  均質機理分析

     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效應主要有層流效應、湍流效應和空穴效應。層流效應會引起分散相顆粒或液滴的剪切和拉長;湍流效應是在壓力波動作用下引起分散相顆粒或液滴的隨意變形;空穴效應是使形成的小氣泡瞬間破碎產生沖擊波,而引起劇烈攪動。

     高剪切均質（高剪切乳化機）機理

    目前國內常用的剪切式均質機（高剪切乳化機）線速度多為10～25 m/ s。實踐證明其均質效果并不理想。高剪切均質機（高剪切乳化機）指線速度達到44-66 m/ s的剪切式均質機（高剪切乳化機）,其主要工作部件為1級或多級相互嚙合的定轉子,每級定轉子又有數層齒圈。工作原理:轉子帶有葉片高速旋轉產生強大的離心力場,在轉子中心形成很強的負壓區,料液(液液、或液固相混合物)從定轉子中心被吸入,在離心力的作用下,物料由中心向四周擴散,在向四周擴散過程中,物料首先受到葉片的攪拌,并在葉片端面與定子齒圈內側窄小間隙內受到剪切,然后進入內圈轉齒與定齒的窄小間隙內,在機械力和流體力學效應的作用下,產生很大的剪切、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。隨著轉齒的線速度由內圈向外圈逐漸增高,粉碎環境不斷改善,物料在向外圈運動過程中受到越來越強烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來越細從而達到均質乳化目的。同時,在轉子中心負壓區,當壓力低于液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時,產生大量氣泡,氣泡隨液體流向定轉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100 m/ s ,甚至300 m/ s ,其產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C為100 m/ s ,則產生的脈沖壓力就接近200M Pa ,這就是空穴效應。強大的壓力波可使軟性、半軟性顆粒被粉碎,或硬性團聚的細小顆粒被分散。

    由分析可知,物料在定轉子腔內被均質的機理較復雜,筆者認為剪切起主導作用,其次是空穴作用。

   

    高壓均質機理

     高壓均質是利用高壓使得液料高速流過狹窄的縫隙時而受到強大的剪切力、液料被沖擊到金屬環上而產生強大撞擊力以及因靜壓力突降與突升而產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微的穩定的乳濁液或懸浮液的過程。被均質物料通過閥座與閥桿間大小可調的間隙h (一般為011 mm)時,其流速在瞬間被加速到200～300 m/ s ,從而產生巨大的壓力降,當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,液體就開始“沸騰”,迅速“汽化”,內部產生大量汽泡。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,液體中的汽泡突然破滅而重新凝結,汽泡在瞬時大量生成和潰滅就形成了空穴現象。空穴現象似無數的微型炸彈,能量強烈釋放產生強烈的高頻振動,同時伴隨著強烈的湍流產生的強烈的剪切力,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 ,其中空穴效應所起作用被認為較大。被粉碎的微粒接著又高速沖擊到沖擊環上 ,被進一步粉碎和分散。 

   比較與分析

     通過以上分析可知 ,高剪切均質機（高剪切乳化機）主要是由于定轉子之間相對的高速運動產生的高剪切作用 ,同時伴隨著較強的空穴作用對物料顆粒進行分散、細化、均質的 ;而高壓均質機主要是靠高壓流體產生的強烈、充分的空穴效應和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達到均質目的。不難理解 ,由于極強烈的空穴作用 ,高壓均質機對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適，研究發現對于纖維的粉碎最有效的力場是剪切力和研磨力 ,常溫下沖擊力對纖維是無能為力的 ,而高剪切均質機能對物料產生強烈的剪切與研磨作用 ,因此高剪切均質機（高剪切乳化機）比較適合處理含纖維較多或者理,容易出現稀奶油層 ,較硬的顆粒物料。