高剪切均質(zhì)機(jī)是用于對粘度低于0.2Pa.s,溫度低于80℃的液體物料(液-液相或液-固相)的均質(zhì)\乳化的一種設(shè)備.主要應(yīng)用于食品或化工行業(yè)，如:乳品、飲料、化妝品、藥品等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中的均質(zhì)、乳化工序。它采用不銹鋼系統(tǒng)，可有效地分離護(hù)體樣品表面和被包含在內(nèi)的微生物均一樣品，樣品裝在一次性無菌均質(zhì)袋中，不與儀器接觸，具有均質(zhì)柔和、樣品無污染、無損傷、不升溫、不需滅菌處理，不需洗刷器皿的特點(diǎn)，滿足快速、結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好的要求。
高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)的區(qū)別：
1 均質(zhì)機(jī)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(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)會引起分散相顆粒或液滴的剪切和拉長;湍流效應(yīng)是在壓力波動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。
高剪切均質(zhì)機(jī)機(jī)理：
目前國內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～25 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)指線速度達(dá)到30～40 m/ s的剪切式均質(zhì)機(jī),其主要工作部件為1級或多級相互嚙合的定轉(zhuǎn)子,每級定轉(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,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?；蛞旱纹扑?。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)動過程中受到越來越強(qiáng)烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來越細(xì)從而達(dá)到均質(zhì)乳化目的。同時,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,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 = ρGaG ,其中ρ為液體密度; Ga為液體中的聲速; G為微射流速度。設(shè)G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狹窄的縫隙時而受到強(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(xì)微的穩(wěn)定的乳濁液或懸浮液的過程。被均質(zhì)物料通過閥座與閥桿間大小可調(diào)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(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,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,液體中的汽泡突然破滅而重新凝結(jié),汽泡在瞬時大量生成和潰滅就形成了空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象似無數(shù)的微型炸彈,能量強(qiáng)烈釋放產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振動,同時伴隨著強(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沖擊到?jīng)_擊環(huán)上 ,被進(jìn)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(zhì)機(jī)主要是由于定轉(zhuǎn)子之間相對的高速運(yùn)動產(chǎn)生的高剪切作用 ,同時伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對物料顆粒進(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)對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適 ;研究發(fā)現(xiàn)對于纖維的粉碎zui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(zhì)機(jī)能對物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用 ,因此高剪切均質(zhì)機(jī)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。
對于食品工業(yè)中常遇到的非均相固 -液和液 -液多相分散系 ,要達(dá)到高度均一穩(wěn)定 ,其均勻度不僅要求分散相分布均勻 ,而且還要求分散質(zhì)微粒細(xì)化 ,含固體的懸浮液要求固體顆粒微?；?,含油滴的乳狀液要求油滴 (稱流體顆粒 )微滴化。從概念上和作用上講 ,分散、均質(zhì)、乳化往往難以區(qū)分 ,這里統(tǒng)稱為均質(zhì) ,而固體顆粒和流體顆粒均簡稱為顆粒 ,所以均質(zhì)是使懸浮液 (或乳化液 )體系中的分散相顆粒分散化、均勻化的處理過程 ,可以同時起到降低分散顆粒的尺度和提高分散顆粒分布均勻性的作用 ,以得到具有合適貯存穩(wěn)定性的產(chǎn)品。從乳品及飲料的加工工藝上看 ,均質(zhì)后的料液基本上就是zui終產(chǎn)品。通過均質(zhì)可以將食品原料的漿、汁、液進(jìn)行細(xì)化、混合 ,從而大大提高食品的均勻度和細(xì)度 ,防止或減少液狀食品物料的分層 ,改善外觀、色澤及香度 ,提高食品質(zhì)量。
