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我国“均质机”应用工艺以及发展趋势
来源:www.langtongjixie.com | 发布时间:2011/7/13 | 浏览次数:

1990年,在巴黎举办的世界博览会上,一个名叫August Gaulin的人展出了由他发明的用于均质牛奶的装置。而在我国,对牛奶进行均质处理还不到十年的时间。

    据有关文献记载,Gaulin的装置第一次使用了"Homogenized"(均质)这个词。此后,"均质"、"均质机"、"乳化器"等这些词都是与Gaulin研制的装置和工艺密不可分的。当今,世界各国生产的林林总总的均质器械,结构上尽管各有差异,究其基本原理,与Gaulin应用的原理所差无几,可以说只是同工异曲。

    一、均质技术

   均质机,主要由柱塞泵以及与其组合的泵体和均质阀组成。柱塞泵的作用是将一定粘度的液态物料吸入泵体,并对物料加压。调压装置是使物料在特定的压力下通过均质阀。"均质"是指物料在均质阀中发生的细化和均匀混和的加工过程。

    具体说来,柱塞泵以0.25-0.5米/秒的低速将原始物料吸入,通过与均质阀连接的调压装置对均质系统调压。

    柱塞泵对物料加压,例如加压至40Mpa,由于柱塞泵吸入与压出料液的流速相对比较稳定,因此,只要控制阀座与阀芯之间的间隙也称开启度,就可以控制整个系统的压力。阀座、阀芯之间的间隙越小,系统的压力越高,物料通过阀座、阀芯之间的流速也越高,60Mpa时的流速高达300米/秒左右。

   依据流体力学的理论,液体流速越高的区域,其压力越小。因此,料液高速流动时,瞬间会产生极大的压力降。同时,料液在柱塞泵的作用下,系统内积累了较大的能量密度,这种能量密度大约在600-800kw/cm3。料液在阀座与阀芯之间的流经时间约为50微秒,大量的能量在极短的时间内得以释放。

    综上所述,料液在高速流动时的剪切效应、高速喷射时的撞击作用、瞬间强大压力降时的空穴效应三重作用下,使物料达到超细粉碎,从而使互不相溶的液一液或液一固混悬液均质成液一液乳化剂或液一固分散体。

    我们以加工油水乳化液为例。油和水是二种互不相溶的液体。若应用高压均质机将油脂粉碎至直径小于lμm的微粒均匀分布在水中。当然,为了加工成稳定的乳化液,还必须添加一种称之为表面活性剂的溶剂也称为乳化剂、稳定剂等,活性剂的作用一是降低油水混合液的表面张力,二是阻止微小颗粒的凝聚和分层。活性剂的剂量要达到足以使已加工的乳化剂具有一定的稳定期又称保持期,保质期。这样形成的乳化液称之为水包油型乳化液,它可以用水加以稀释。反之,以油作为连续相,应用高压均质机将水以微小颗粒均匀分布在油中,这样形成的乳化液称之为油包水型乳化液,它只能用油加以稀释。

   均质机属高功率机械设备,流量二吨的高压均质机耗能量为45kw,而同样流量的胶体磨的耗能量只有7.5kw。以加工乳化液为例,行业不同,使用的表面活性剂也各不相同,但有一点是共同的,即乳化液所添加的表面活性剂剂量的多少,取决于乳化过程中所获得的能量的大小。所获能量越大,所添加的剂量越少。例如高压均质机40Mpa压力下加工乳化剂时,添加活性剂的剂量为0.25%。应用其它均质器械,如用胶体磨加工乳化液,由于从胶体磨获得的能量小得多,因此,添加剂的剂量必须在2.25%,二者之差近乎于一个数量级。

    总之,对于平均粒径小于2μm最小粒径在0.1μm左右的乳化剂和分数体,均可以应用高压均质机加工获得。均质机自问世以来,其应用领域不断拓展,被广泛应用在食品、饮料、牛奶制品、精细化工、制药、生物工程等领域数以千计的产品深加工。

    随着应用领域的不断扩大,均质机的性能、规格有了很大的发展。从压力区分,均质机可分为低压-25Mpa、中压-40Mpa、高压-60Mpa、超高压-100Mpa以上四种类型;流量上可分为每小时加工几十公斤的实验型机、每小时加工数吨的生产型机、每小时加工几十吨的特大型机;耗能上,又可分为普通型和高效节能型。值得一提的是,发达国家的能源并不匮乏,却十分注重节约能源。正因为一贯注重能源的节约,才得以保证能源的充余。

    重视节约能源的理念,从广义上讲也是一种"发达"。因此,国际上十多年前就推出了具有知识产权的专利产品--高效节能型均质机,节能达40%。这对于我国本来就与国外先进水平有着较大差距的均质机制造业,一下子又被拉大了一段不小的距离。

    我国低压均质机在上世纪60年代,也有个别厂家生产。中、高压均质机,因加工工艺和材料等原因,在我国一直是空白。随着奶制品、饮料、化工、制药等行业新产品研制、生产的需要,上海科技大学七十年代末在国内率先进行了高压均质机的研制工作,八十年代初研制成功。从此,我国均质机生产逐步步入了快速发展时期。国产低压、中压、高压各种规格的均质机相继投放市场,极大地满足了我国各行各业的生产需求。

    二、均质机应用工艺

    均质机超细粉碎、乳化功能,无论是从理论上,还是实际加工的乳剂和分散体所获得的细度、均匀度的质量上,都是高速搅拌、砂磨、球磨、胶体磨、超声波等均质器械不能比拟的。但是,如果在工艺上应用不正确、不得当,也是无法获得满意结果的,至少不可能获得最佳的效果。

    均质加工所选用压力的大小,决定了物料获得能量的大小。一般讲来,粉碎所需要的能量,应视物料粘度大小,液体表面张力的大小和最终粉碎细度的大小不同而不同。压力不到位不行,压力过高同样没有必要。物料粉碎粒径越小,所需的能量越大。一般讲,均质压力增大,微粒的平均粒径减小,但微粒粒径变小的速率随之减慢。这表明,即便使用了很高的压力,均质机粉碎细度的功能并不是无限度的。就目前普通结构的均质机而言,其极限粉碎细度在0.1-0.2μm。

    物料初始粒径的大小,粒径的均匀度,是影响均质质量的重要因素之一。工艺上要求物料的初始粒径不但要尽可能小(一般不应大于20μm),而且须经低能均质器械进行粗加工,使其粒径大小尽可能均匀一致。原始物料粒径的不均匀,均质时很难获得高质量的产品。

    混合液中油脂的含量,同样是决定其质量的重要因素之一。当施加在混合液中的能量密度相同时,油脂含量的增加,意味着单元获得的平均能量的减小,直接影响着混合液的质量。实验证明,在某一范围内,油脂比例的减少,也是增加均质效果的途径之一,混合液的油脂含量的最大比例应该小于50%。

    物料的粘滞度,同样与均质效果和均质效率密切相关的。均质压力一定时,物料粘度的增加,例如从2CP增加到200CP,物料的粒径随之变大,粘度超过200CP,粒径变大尤为明显。因此,物料粘度低于200CP,均质效果较为有效。工艺上,为了达到降低粘度,简单有效的方法是对物料加热。对于特定的物料,例如树脂的乳化,利用油脂溶于某一种特定的溶剂中,也能方便有效的降低油脂的粘度。

    均质机加工工艺上还有一个加工次数的问题。均质机只加工一次,很难使大小不一的颗粒获得相同的能量,结果是均匀度不理想。实验证明:均质过程中,大颗粒较容易获得能量而被粉碎为细颗粒,而细颗粒的变小相对比较困难。由于这两个原因,工艺上需要进行多次均质。经过数次均质,不但使颗粒逐渐变小,而且颗粒大小逐渐趋于一致,均质效果大为提高。有效均质的最多次数为九次,超过九次,效果与耗能比将得不偿失。

    目前,广泛使用的均质机大多具有二级均质的功能。一级阀(高压阀,下同)与二级阀(低压阀,下同)所选用的压力大小也涉及到均质机的加工工艺问题。

    国外对均质机一级、二级阀加工效果的研究积累了丰富的经验,相比较,我国在这方面的研究还处在起步阶段。一级阀与二级阀是串联使用的,二级阀压力的大小,关系到物料经过一级阀瞬间压力降的大小,从而直接关系到一级阀的加工效果。因此,二级阀压力的选择并不是随意的,实验证明,二级阀工艺上选择的压力应控制在系统总压力的10%-15%之间,压力选择过高,反而适得其反。

    三、均质机的发展趋势

    均质机的发展,一是根据实际应用的需求,二是要依托科技的发展。即:需要由新工艺、新设备、新材料等作为保证。我国均质机产业起步较晚,较国外落后了五、六十年。进展慢,60Mpa高压均质机的生产,较国外落后了近八十个年头。水平相对比较低,无论是材料选择,加工精度、使用寿命、规格品种、应用领域及能源消耗,都与国际先进水平有着不小的差距,这显示我国均质机产业的发展任重而道远。

    随着我国人民生活水准的普遍提升,对乳制品、饮料的需求急剧增加,每小时几吨的均质机已经不能适应大生产的需要,每小时产量几十吨的特大型均质机的需求逐显迫切。生产质量好,性能稳定,每小时产量十几吨,乃至几十吨的特大型均质机替代进口,是我国均质机生产企业的一项紧迫任务。

    由于特大型均质机的能耗少则一、二百千瓦,多则四、五百千瓦,能源消耗矛盾十分突出,瞄准世界先进水平,研制高效节能型均质机,尽量缩小与国外先进水平的差距,对均质机行业显得尤为迫切和重要,这是均质机生产厂家需要化大力气尽快攻克的一个重要课题。

    生物工程、纳米技术,将是本世纪有着长足发展的新兴产业。大肠杆菌、酶等细胞壁的粉碎,纳米级微粒的粉碎,几十兆帕压力的均质机显然是无能为力的,这就需要我们研制100-150兆帕的超高压力的均质机。在国外,这种机器已经提供生产服务多年,而在我国几乎还是空白,这是我国均质机发展的又一个方向。
 

 
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