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高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)的區(qū)別及應(yīng)用
在食品、化工、制藥等行業(yè)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)（高剪切乳化機(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蛪毫Φ淖饔?。引起剪切力和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?；蛞旱蔚募羟泻屠L(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)。
高剪切均質(zhì)（高剪切乳化機(jī)）機(jī)理
目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)（高剪切乳化機(jī)）線速度多為10～15 m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)（高剪切乳化機(jī)）指線速度達(dá)到27-33 m/ s的剪切式均質(zhì)機(jī)（高剪切乳化機(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)子中心被吸入,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粒或液滴破碎。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)100 m/ s ,甚至300 m/ s ,其產(chǎn)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(shè)C為100 m/ s ,則產(chǎn)生的脈沖壓力就接近200M Pa ,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)為剪切起主導(dǎo)作用,其次是空穴作用。
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011 mm）時(shí),其流速在瞬間被加速到200～300 m/ s ,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)的微型彈,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。
比較與分析
通過(guò)以上分析可知 ,高剪切均質(zhì)機(jī)（高剪切乳化機(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)（高剪切乳化機(jī)）比較適合處理含纖維較多或者理,容易出現(xiàn)稀奶油層 ,較硬的顆粒物料。