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均质机在乳品产业中地位和应用

【摘 要】本文概述了均质机的发展，重点分析了柱塞泵高压均质机的功能、原理和基本结构以及在乳制品产业中的地位和应用，均质机选型和配套要点，同时概述了申鹿牌高压均质机的结构和材质的特点。

引言
　　一条乳制品生产线，最关键的设备为：1、高压均质机——是决定产品品质和品味的关键设备；2、灌装设备；3、杀菌设备。这后两项是决定产品保质期的关键设备。所以使用厂家对这三种设备都十分重视精挑细选，以选用最好设备进厂，尤其是均质机更是如此。
　　均质机根据原理和结构不同，主要有柱塞泵高压均质机、超声波均质机、高剪切均质机、射流均质机等等，它们共同点都可以乳化、匀浆，但对于后三种均质机由于功能原理上比较单一，所以粉碎效果相对比较差，在产业生产上应用较少。而柱塞泵高压均质机的功能原理比较齐全，可在完成超细粉碎及乳化、匀浆的深加工中效果特别理想。这种柱塞泵高压均质机起始于1900年，由美国Manton GauLin首先研制成功。现在国际上柱塞泵高压均质机，最大压力从150 Bar～1600 Bar，额定流量从6到60000 L/H，在食品、精细化工、石油化工、制药及生物工程等领域，得以广泛应用，到目前为止还没有比它更有成效的设备可以替换。尤其在食品行业中，加工乳品、果汁、豆奶等是必不可少关键设备，随着倡导“一杯牛奶，健康一个民族”，不断深进人心，柱塞泵高压均质机在乳制品产业大发展中，它的应用更是引人注目，销量急增，它的用途：
　　1、 生物细胞破碎制成新产品或提取内含物；
　　2、 液——液（不同相）均质制成水包油或油包水的乳化液；
　　3、 液——固（粉末）均质制成稳定的匀浆液；
　　这种设备的研制，在中国起步较晚，直到1980年由原上海科技大学科技职员，克服了结构、材质、制造工艺的困难，完全靠自己的气力研制成中国第一代压力为60 Mpa高压均质机，填补了国内空缺，当时获得上海科技成果二等奖。1995年还是这些科技职员研制成第二代申鹿牌系列高压均质机，并推动组建了上海申鹿均质机有限公司。这些产品以高出发点，高效能走向市场，得到用户普遍赞誉，产品遍及全国，为中国特大驰名企业选用。如上海光明牛奶公司、内蒙古伊利乳业、蒙牛乳业、石家庄三鹿乳业、杭州娃哈哈、江苏维维乳业等等。并出口东南亚、欧美等国。2006年推出第三代智能自动调压系列高压均质机，将给用户在科学技术新品中得到更多的实惠。

1 柱塞泵高压均质机的工作原理
　　柱塞泵高压均质机是一种深加工设备，完成这种功能，主要靠高压均质阀完成，它的结构如图1所示：它由阀座、阀芯及碰撞环组成。

图1

　　在图1中可见到高压液料进进阀座内腔时，当它的压力超过预先设定的高压弹簧作用下形成的压力，阀芯向右移动，开启阀芯和阀座，之间形成一个很小的缝隙，约≤0.4 mm，高压液流以极高的线速度，通常达到200～300 m/s，通过这个缝隙时，液料产生极大压力降，瞬间失压，膨胀、爆炸（这个复杂过程称空穴效应），由此产生高频振动和喘流形成强烈剪切效应，和高速撞击在碰撞环形成的碰撞效应等，其中空穴效应起了主导作用，将存在液体中颗粒或油滴粉碎成很小的尺寸，直径φ0.01～2μm，均匀φ≤1μm，而且获得较理想的乳化液或匀浆液。这个过程，实际上集中了超声波均质机（空穴效应），高速剪切机（剪切效应），射流均质机（碰撞效应）等功能原理于一体，由此可见，它的功效远远超过了其他设备。它的产品保持原有活性、稳定性、混合性，均质以后乳制品具有更好营养值、易吸收性、保质期、口味和色彩。所以一百余年来一直是国内外公认的一种高效、节能、可靠的超细粉碎、乳化匀浆设备。
　　一般均质机都具有二级均质阀。后面一级均质阀（即第二级均质阀或称低压阀），它的功能主要给第一级高压一个合适的背压，集中第一级能量，使空穴效应发生在缝隙的最佳区域；同时第一级均质后，可能因范得瓦尔斯引力作用下，微粒发生聚合，再次给予破碎，料液得到进一步的乳化和匀浆。
　　空穴效应发生区域取决于背压大小，阀的结构及液料的粘度大小。背压太小，空穴效应发生区域移向缝隙出口处，可能造成空穴失控，阀座的外缘轻易崩塌损坏；背压增高，空穴效应发生区域会移向缝隙进口处；背压过高，还会引起空穴效应较少，影响均质效果，且阀座孔内壁轻易崩塌损坏。所以空穴效应必须受控的。空穴效应发生时，会产生局部高温顺高压，引起空穴气融，而逐渐使均质阀座和阀杆的工作端面变得粗糙，根据这种粗糙情况，可以判定空穴效应是受控还是失控。受控良好的，应在受蚀而变得粗糙端面上出现一个封闭圆环。（如图2a）
　　如观察到工作面上局部粗糙性是放射状，这意味空穴失控（如图2b），这时能量不能被全部利用。所以，第一级均质阀后面再串联第二级均质阀，改变第二级均质阀缝隙大小可以改变第一级均质阀的背压大小；同时，防止分散了颗粒重新聚合。

图2

　　　　　　　　　　　　　　图a 　　　　 图b
　　最佳背压要通过实验得到，实践中牛奶均质时最佳背压不能大于均质压力的20%，实际上由于牛奶生产管路相当复杂，已形成相当的的背压。这样，就无法获得所需的较低背压，甚至无法调低背压，所以，有些均质机只有一级均质阀，它利用水力特性，形成一定背压。
　　由于第二级均质阀主要还是集中第一级能量，所以在结构上，不装碰撞环。如在生产实践中，一般牛奶低压取2 Mpa左右（20 Bar），高压取16～18 Mpa（160～180 Bar），酸奶低压取2～4 Mpa左右（20～40 Bar），高压取20～25 Mpa（200～250 Bar），原则是达到均质效果，压力取低值为宜。均质温度对均质效果影响是很大的，温度高饱和蒸汽压也高，均质时空穴效应轻易形成，为了进步均质效果，在保证液体物料不变性的条件下，适当进步均质温度是有益的，实际中牛奶均质温度一般为50～70℃，50℃是牛奶有效均质的最低温度。超过70℃在设备中产生气窝，工作不正常，压力指针摆动大。温度高一些可以促进脂肪球粉碎和分散效果更好，但不利于热稳定性。以上需要各地生产厂家在工艺师指导下经过实践以取得最佳均质压力数据。

2 均质机的结构
　　柱塞泵均质机，它有传动箱，柱塞泵、均质阀，压力指示部分及电气柜或变频器组成。
　　传动箱：有电动机、曲轴箱、活塞——这个过程是将电机高速旋转运动变成低速往复直线运动。实践中两级变速，即皮带轮及齿轮变速为好。通过变速之后，使柱塞往复速度控制在130～170 r/min。这种速度，机器稳定、噪声低，柱塞及其密封耐用性好。
　　柱塞泵：由活塞带动柱塞，在泵体内作往复运动，在单向阀配合下，完成吸料，加压进进集流管。
　　均质阀：接受集流管输送过来高压液料，完成超细粉碎、乳化、匀浆任务。它有两级均质阀及其二级调压装置。它是完成超细粉碎、乳化、匀浆专用零部件。以上接触液料的材质必须具备无毒、无玷污、耐磨、耐冲击、耐酸、耐碱、耐腐蚀的条件。
　　压力指示部分：压力指示通常用指针式耐震压力表。为防止压力表使用中失控而损坏设备，经常配有电流表同时监控。在380V电压条件下，机器正常运行，额定流量，压力及功率、电流成正比关系，申鹿牌均质机电流值估算公式如下：
　　I＝Q×P×2／31212
　　式中：Q：流量以升/小时（L/H）表示
　　　　　P：压力以巴（Bar）表示（1 Mpa＝10 Bar）
　　　　　I：电流以安培（A）表示
　　例如：流量Q：5000 L/H、生产压力P：180 Bar
　　　　　I＝5000×180×2／31212＝57.7 A
　　假如电流表指示及压力表指示摆幅非常大，或者指示过大，都说明机器运行不正常。需要检查、排除。
　　均质机的结构、材质、制造工艺是决定均质机性能、效率、噪声、可靠性的关键。制造商都把重点放在这方面的研究上。二十余年来，申鹿均质机有限公司科技工作者认真总结前人研制开发的经验，深进研究均质机理论，在结构上、材质上及制造工艺上有了较大突破，并取得成效。表现在以下三个方面：
　　2.1申鹿均质机的传动箱采用双出轴电机，两面皮带，两面转动轴承，曲臂齿轮，对称传动，轴瓦采用特种合金，正常使用条件下永久不用更换；润滑采用飞溅式润滑加压力辅助润滑（配套变频器工作），以确保各运动部件润滑良好，磨损小。这种结构在巴塞罗那国际展览会上令国际同行赞叹不已；实践证实，这种结构，传动平稳、低噪声、高效率、无技术性故障，机械均匀效率进步10%左右；传动噪声低于电机声，如90 KW电机噪音为90 db；45 KW电机噪音为84 dB，配在申鹿均质机SRH1000-25和SRH5000-25压力为25 Mpa时，实测分别为88 db和83 db（按市企标分贝表置于主泵体正前方1米处检测）。
　　2.2主泵体打破传统的压盖平面密封和柱塞V型方式，采用压盖径向密封和柱塞方形自位密封方式，所有密封材料均为第四代密封材料，耐酸碱、耐腐蚀、无毒、无污染，耐高温达150℃以上，柱塞密封不需频繁更换，通常3000小时以上。
　　2.3柱塞、单向阀、均质阀等硬件，都是第四代特种合金钢材料，具有稳定化学性能，耐磨、耐冲击、耐酸碱等优点，对乳品生产来说，通常6000小时以上更换与修磨，适用于二次灭菌及CIP消毒。这种材料达到国际先进水平。
这些方面成功，为申鹿均质机在国内外市场达到空前占有率起到关键作用。

3 均质机的选型
　　一条生产线配套的理想的均质机是至关重要，由于它是产品产量、质量、本钱效益的关键，还影响整个生产线能否正常运行，选用理想均质机的条件，应具备流量充足，压力稳定，均质机效果好，易损件耐用，噪音低、节能、节油、操纵维修方便等优点。结合工程项目的规模，产品种类和生产工艺流程，综合考虑选用最理想的均质机，实践中应捉住以下几项主要技术参数。
　　3.1流量
　　单位用升/小时或L/H表示,指生产流量不少于铭牌标明的数据，即使压力达到最大数值时，流量也不少于铭牌所示数据，才能确保生产线设计要求和正常运行，在进料充足条件下，制造商提供的流量数据可以通过以下计算方式求得：
Q= d2/4×π2e×Vn×n×60×K/1000 L/H
式中：d:柱塞直径，用cm表示
　　　π：3.1416
　　　2e:柱塞行程（e是曲轴偏心），用cm表示
　　　n: 柱塞的根数
　　　Vn: 柱塞速度用r/min表示
　　　k:流量系数
　　式中流量系数K的大小，决定于均质机本身的单向阀结构、材质、密封材料和密封方式以及加工精度等，即使在供料充足条件下，由于以上条件不能满足，引起严重内、外泄漏导致K系数过低，造成先天性的流量不足，结果给用户造成永久性产量效益损失过大。
　　为此，制造商提供的均质机设备必须具有公道的结构，优良的材质，先进的密封以及良好的加工条件才能达到。
　　实践中，要确定流量大小，若手头无流量表时,最简便的方法就是用称重估算法，即在均质机额定压力运行时，用水桶接料（或以水代料）一分钟称重后乘以60分就到每小时流量。例如，申鹿均质机SRH10000-35，额定压力为28Mpa时，每分钟测得水重是Q=167kg。SRH5000-30为额定压力24Mpa,每分钟测得水重Q=84kg。
　　3.2压力
　　单位：用Mpa，Bar ， Psi.表示
　　在数值　　1Mpa≈10 Bar≈145 Psi 〈≈表示约即是〉
　　均质机铭牌上经常标有最大工作压力〈或最大测试压力〉用Pmax表示。还有标有额定工作压力〈连续生产压力〉用P表示。在生产实践中，高压均质机经常提倡轻负荷工作，取额定工作压力P＝0.8Pmax。
　　例如：最大压力Pmax25Mpa,额定生产压力应该P≤20 Mpa为宜。即选型时留意需用生产压力必须留有余地为宜；压力表指示摆幅≤0.5 Mpa。在额定工作压力下，只要达到工艺要求，保证质量的条件下，压力取低值,以降低耗能，延长易损件使用寿命和维修周期，是十分有益的。
　　3.3均质效果
　　柱塞泵高压均质机，均质效果关键另部件是高压均质阀，同样压力下它的结构形式.流道、阀的材质决定了均质效果，这也是由制造商设计决定了。而均质阀在高压条件下阀座、阀杆、碰撞环的工作端面极易磨蚀，加工制造比较困难，本钱也较高。为此，选型时高压阀座、阀芯、碰撞环等零件外形必须简单，以利加工，尤其使用厂家能方便加以修复，以便再次使用。目前，高压均质阀件，普遍采用平面阀就是这个道理。选型时要留意。
　　确定均质效果，对于牛奶一般两个参数确定，一是粒度大小，二是达到同一粒度微粒所占的比例，根据均质后达到同一粒径的脂肪球比例，可以评估均质机效果好坏，当脂肪球直径φ：2μm以下达到98％以上，均质效果为优；脂肪球直径φ：2μm以下，低于98％，在2.5μm以下高于95％时，均质效果良好；若脂肪球直径3μm以下低于90％时，均质效果不良，即均质性能不好。
　　判定均质效果最直观方法是显微镜法，一般采用光学显微镜在1000x或其他适当倍率下，用目镜的测微尺，螺旋测微尺等在视野内对脂肪球进行直接测定。如图：

图3 均质效果图

　　3.4噪音
　　用分贝db表示，噪音大小与设备结构方式，加工精度,安装条件有密切关系，均质机行业内目前还没有国家标准，申鹿均质机按照市企　标准用分贝计放在主泵体正前方一米处测定，应小于电动机铭牌上表示分贝数是比较理想。
　　3.5耗能　　
　　均质机的耗能与均质机的结构制造精度安装有关，在实践中可以用下式估算：
　　N=Q×P/K（Kw）
　　式中：N耗能，用Kw表示 Q:每小时流量用L/H表示　
　　　　　P: 选用压力，用Bar表示　　K:效率系数（各厂家不完全一样，有　　　　　　K:30060、K:31212，K越大，耗能越小）
　　例如：申鹿SRH5000－25　　Q:5000L/H 　　P:200Bar　　K:31212
　　N=5000×200/31212 =32Kw
　　电流表指示　　64A±10％
　　在选型和公道电气配套时，是十分有用的参考数据
　　3.6易损件
　　均质机易损件主要阀件，密封件，柱塞等，由于选用材质，加工工艺不同，各制造商不能一样。对于选用设备，只能作比较才能择优选用。
　　3.7 适合CIP消毒全过程。接触食品的零件阀、柱塞、密封、顶杆等件必须满足NaOH 1.5-2%，HNO3 1.5%，85℃的要求。

　　　　　　　　　　　　4 均质机前道配套
　　产业型高压均质机往往有几个柱塞泵组成，柱塞随曲轴旋转作往复行动，在主泵体内通过进料阀，出料阀以及均质阀，完成进料——压缩——泄放——进料——压缩——泄放……周而复始运行。这样，对于每一个柱塞泵来说，进料和泄放都是间隙的，管道的液流必然是脉冲状态，即使是多柱塞合成的液流也成脉动状态，这个脉冲（动）频率会引起管道的共振，假如柱塞运行速度130－170r/min，柱塞每一个行程周期仅0.46－0.36秒，进出料单向阀开启时间仅0.23－0.18秒，表明主泵体在短时间内完成进料、压缩和泄放全过程首先必须具备稳定进料速度和进料压力。实践中，选择公道均质机的进、出料管径，输送泵和缓冲管，是十分必要的。
　　4.1管道选择：
　　为了减少管道背压，用V进表示进料管速度，V出表示出料管速度，采用V进＝V出为宜，进出料管选择原则，必须把握流经管道速度V进＜2m/s 为宜。
　　可用下式计算验证：
　　V进＝Q×4/3600×φ2×π　（m/s）　
　　式中：Q：流量用m3表示
　　　　　φ：进出料管内径用m表示
　　　　　π：3.1416表示
　　例如：申鹿SRH10000-35均质机选配管道内径φ50即φ＝0.05m，供10000L/H即Q=10m3/H进出料是否合适，可代进公式V进＝10×4/3600×0.052×π=1.41　m/s
　　此管用在每小时流量10000L/H进出料管是合适的。
　　4.2配备合适的输送泵
　　为了有效的开关进料阀门，均质机必须实施压力输送，通常在粘度1000CP以下输进压力取0.2－0.3Mpa,超过1000－2000CP时，输进压力适当进步0.3－0.6 Mpa，针对不同加工物料可选用
　　奶泵 500CP以下
　　转子泵 1000CP以下
　　螺杆泵或齿轮泵 1000－2000 CP
　　4.3缓冲管的设置
　　进出料管道的速度较大且为脉冲（脉动）式，对于管道冲击较大，尤其管道系统较为复杂，拐弯多，拐角不圆滑，很轻易与管道的固有频率发生共振，引起管道抖动，发出拍拍声，同时影响进料，出料，为此,进出料管必须加装缓冲管。

图4 缓冲管

　　缓冲管结构有水库室（a） 空气室（b）两种，如图4 a.b.国产机以空气室缓冲管为多缓冲管设计原则：
　　4.3.1以V缓：表示缓冲管的容积，V行程：表示柱塞行程容积　则V缓≥10 V行程
　　4.3.2 缓冲管同进出料管连接必须用活接头，便于清洗和充气。
例如申鹿牌SRH10000-35 柱塞直径　d:5.5cmπ：3.1416 柱塞行程2e:12cm
用φ表示缓冲管内径cm，H表示缓冲管高度cm
　　V缓≥d2×π×12×10/4=2851cm3
　　若缓冲管内径选用φ7.6cm： 则d2×π×H/4≥V缓
　　即7.62×π×H /4≥2851　　　　　
　　H≥2851×4/7.62×π=62.84 cm　
　　此机，缓冲管：可取φ80管及高度为650mm
　　综合上述，柱塞式高压均质机在中国还是起步较晚，在均质机理论上，结构上，选材上及制造工艺上，及公道选用上，还有待与进一步探讨、研究，务使中国均质机加速走上更耐用，更实用和更先进境地，让国内、国际用户更受欢迎。