我G“均質機”應用工藝以及發展趨勢

1990年，在巴黎舉辦的世界博覽會上，一個名叫Ａｕｇｕｓｔ Ｇａｕｌｉｎ的人展出了由他**的用于均質牛奶的裝置。而在我G，對牛奶進行均質處理還不到十年的時間。

    據有關文獻記載，Ｇａｕｌｉｎ的裝置**次使用了"Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｄ"（均質）這個詞。此后，"均質"、"均質機"、"乳化器"等這些詞都是與Ｇａｕｌｉｎ研制的裝置和工藝密不可分的。當今，世界各G生產的林林總總的均質器械，結構上盡管各有差異，究其基本原理，與Ｇａｕｌｉｎ應用的原理所差無幾，可以說只是同工異曲。

    一、均質技術

  　均質機，主要由柱塞泵以及與其組合的泵體和均質閥組成。柱塞泵的作用是將一定粘度的液態物料吸入泵體，并對物料加壓。調壓裝置是使物料在特定的壓力下通過均質閥。"均質"是指物料在均質閥中發生的細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，通過與均質閥連接的調壓裝置對均質系統調壓。?

    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，就可以控制整個系統的壓力。閥座、閥芯之間的間隙越小，系統的壓力越高，物料通過閥座、閥芯之間的流速也越高，６０Ｍｐａ時的流速高達３００米/秒左右。

   依據流體力學的理論，液體流速越高的區域，其壓力越小。因此，料液高速流動時，瞬間會產生極大的壓力降。同時，料液在柱塞泵的作用下，系統內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時間約為５０微秒，大量的能量在極短的時間內得以釋放。

    綜上所述，料液在高速流動時的剪切效應、高速噴射時的撞擊作用、瞬間強大壓力降時的空穴效應三重作用下，使物料達到超細粉碎，從而使互不相溶的液一液或液一固混懸液均質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。若應用高壓均質機將油脂粉碎**直徑小于ｌμｍ的微粒均勻分布在水中。當然，為了加工成穩定的乳化液，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。活性劑的劑量要達到足以使已加工的乳化劑具有一定的穩定期?又稱保持期，保質期?。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，以油作為連續相，應用高壓均質機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。

  　均質機屬高功率機械設備，流量二噸的高壓均質機耗能量為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，行業不同，使用的表面活性劑也各不相同，但有一點是共同的，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。例如高壓均質機４０Ｍｐａ壓力下加工乳化劑時，添加活性劑的劑量為０．２５％。應用其它均質器械，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數量級。

    總之，對于平均粒徑小于２μｍ?**小粒徑在０．１μｍ?左右的乳化劑和分數體，均可以應用高壓均質機加工獲得。均質機自問世以來，其應用*域不斷拓展，被廣泛應用在食品、飲料、牛奶制品、精細化工、制藥、生物工程等*域數以千計的產品深加工。

    隨著應用*域的不斷擴大，均質機的性能、規格有了很大的發展。從壓力區分，均質機可分為低壓－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加工幾十公斤的實驗型機、每小時加工數噸的生產型機、每小時加工幾十噸的特大型機；耗能上，又可分為普通型和高效節能型。值得一提的是，發達G家的能源并不匱乏，卻十分注重節約能源。正因為一貫注重能源的節約，才得以保證能源的充余。
    重視節約能源的理念，從廣義上講也是一種"發達"。因此，G際上十多年前就推出了具有****的**產品--高效節能型均質機，節能達４０％。這對于我G本來就與G外先進水平有著較大差距的均質機制造業，一下子又被拉大了一段不小的距離。
    我G低壓均質機在上世紀60年代，也有個別廠家生產。中、高壓均質機，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、制藥等行業新產品研制、生產的需要，上海科技大學七十年代末在G內率先進行了高壓均質機的研制工作，八十年代初研制成功。從此，我G均質機生產逐步步入了快速發展時期。G產低壓、中壓、高壓各種規格的均質機相繼投放市場，極大地滿足了我G各行各業的生產需求。#p#分頁標題#e#

    二、均質機應用工藝
    均質機超細粉碎、乳化功能，無論是從理論上，還是實際加工的乳劑和分散體所獲得的細度、均勻度的質量上，都是高速攪拌、砂磨、球磨、膠體磨、超聲波等均質器械不能比擬的。但是，如果在工藝上應用不正確、不得當，也是無法獲得滿意結果的，**少不可能獲得**佳的效果。
    均質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，應視物料粘度大小，液體表面張力的大小和**終粉碎細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，均質機粉碎細度的功能并不是無限度的。就目前普通結構的均質機而言，其極限粉碎細度在０．１－０．２μｍ。
    物料初始粒徑的大小，粒徑的均勻度，是影響均質質量的重要因素之一。工藝上要求物料的初始粒徑不但要盡可能小（一般不應大于２０μｍ），而且須經低能均質器械進行粗加工，使其粒徑大小盡可能均勻一致。原始物料粒徑的不均勻，均質時很難獲得高質量的產品。
    混合液中油脂的含量，同樣是決定其質量的重要因素之一。當施加在混合液中的能量密度相同時，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量。實驗證明，在某一范圍內，油脂比例的減少，也是增加均質效果的途徑之一，混合液的油脂含量的**大比例應該小于５０％。
    物料的粘滯度，同樣與均質效果和均質效率密切相關的。均質壓力一定時，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，均質效果較為有效。工藝上，為了達到降低粘度，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。
    均質機加工工藝上還有一個加工次數的問題。均質機只加工一次，很難使大小不一的顆粒獲得相同的能量，結果是均勻度不理想。實驗證明：均質過程中，大顆粒較容易獲得能量而被粉碎為細顆粒，而細顆粒的變小相對比較困難。由于這兩個原因，工藝上需要進行多次均質。經過數次均質，不但使顆粒逐漸變小，而且顆粒大小逐漸趨于一致，均質效果大為提高。有效均質的**多次數為九次，超過九次，效果與耗能比將得不償失。

    目前，廣泛使用的均質機大多具有二級均質的功能。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機的加工工藝問題。

    G外對均質機一級、二級閥加工效果的研究積累了豐富的經驗，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使用的，二級閥壓力的大小，關系到物料經過一級閥瞬間壓力降的大小，從而直接關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，實驗證明，二級閥工藝上選擇的壓力應控制在系統總壓力的１０％－１５％之間?，壓力選擇過高，反而適得其反。

    三、均質機的發展趨勢

    均質機的發展，一是根據實際應用的需求，二是要依托科技的發展。即：需要由新工藝、新設備、新材料等作為保證。我G均質機產業起步較晚，較G外落后了五、六十年。進展慢，６０Ｍｐａ高壓均質機的生產，較G外落后了近八十個年頭。水平相對比較低，無論是材料選擇，加工精度、使用壽命、規格品種、應用*域及能源消耗，都與G際先進水平有著不小的差距，這顯示我G均質機產業的發展任重而道遠。

    隨著我G人民生活水準的普遍提升，對乳制品、飲料的需求急劇增加，每小時幾噸的均質機已經不能適應大生產的需要，每小時產量幾十噸的特大型均質機的需求逐顯迫切。生產質量好，性能穩定，每小時產量十幾噸，乃**幾十噸的特大型均質機替代進口，是我G均質機生產企業的一項緊迫任務。

    由于特大型均質機的能耗少則一、二百千瓦，多則四、五百千瓦，能源消耗矛盾十分突出，瞄準世界先進水平，研制高效節能型均質機，盡量縮小與G外先進水平的差距，對均質機行業顯得尤為迫切和重要，這是均質機生產廠家需要化大力氣盡快攻克的一個重要課題。
    生物工程、納米技術，將是本世紀有著長足發展的新興產業。大腸桿菌、酶等細胞壁的粉碎，納米級微粒的粉碎，幾十兆帕壓力的均質機顯然是無能為力的，這就需要我們研制１００－１５０兆帕的超高壓力的均質機。在G外，這種機器已經提供生產服務多年，而在我G幾乎還是空白，這是我G均質機發展的又一個方向。
 
工作原理及特點
1.
高壓均質機以高壓往復泵（欲了解往復泵原理請點擊此處）為動力傳遞及物料輸送機構，將物料輸送**工作閥（一級均質閥及二級乳化閥）部分。要處理物料在通過工作閥的過程中，在高壓下產生強烈的剪切、撞擊和空穴作用，從而使液態物質或以液體為載體的固體顆粒得到超微細化。#p#分頁標題#e#
如圖2所示，物料在尚未通過工作閥時，一級均質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（如圖3），閥芯和閥座都被物料強制地擠開一條狹縫，同時分別產生壓力P1和P2以平衡力F1和F2。物料在通過一級均質閥（序號1、2、3）時，壓力從P1突降**P2，也就隨著這壓力能的突然釋放，在閥芯、閥座和沖擊環這三者組成的狹小區域內產生類似爆炸效應的強烈的空穴作用，同時伴隨著物料通過閥芯和閥座間的狹縫產生的剪切作用以及與沖擊環撞擊產生的高速撞擊作用，如此強烈地綜合作用，從而使顆粒得到超微細化。一般來說，P2的壓力（即乳化壓力）調得很低，二級乳化閥的作用主要是使已經細化的顆粒分布得更加均勻一些。據美GGaulin公司的資料介紹，jue大部分情況下，單單使用一級均質閥即可獲得理想的效果。
3. 相對于離心式分散乳化設備（如膠體磨、高剪切混合乳化機等），高壓均質機的特點是：
1）細化作用更為強烈。這是因為工作閥的閥芯和閥座之間在初始位是緊密貼合的，只是在工作時被料液強制擠出了一條狹縫；而離心式乳化設備的轉定子之間為滿足高速旋轉并且不產生過多的熱量，必然有較大的間隙（相對均質閥而言）；同時，由于均質機的傳動機構是容積式往復泵，所以從理論上說，均質壓力可以無限地提高，而壓力越高，細化效果就越好。