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均质机在乳品工业中地位和应用

2006/11/15 9:55:00

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【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工业中的地位和应用,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,在工业生产上应用较少。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代。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”,不断深入人心,柱塞泵高压均质机在乳制品工业大发展中,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人员,克服了结构、材质、制造工艺的困难,完全靠自己的力量研制成中国第一代压力为60 Mpa高压均质机,填补了国内空白,当时获得上海科技成果二等奖。1995年还是这些科技人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。这些产品以高起点,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
图1

  在图1中可见到高压液料进入阀座内腔时,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,平均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,阀座的外缘容易崩塌损坏;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,且阀座孔内壁容易崩塌损坏。所以空穴效应必须受控的。空穴效应发生时,会产生局部高温和高压,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,可以判断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,均质时空穴效应容易形成,为了提高均质效果,在保证液体物料不变性的前提下,适当提高均质温度是有益的,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,加压进入集流管。
  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,常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
  如果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,深入研究均质机理论,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,两面滚动轴承,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博览会上令国际同行赞叹不已;实践证明,这种结构,传动平稳、低噪声、高效率、无技术性故障,机械平均效率提高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,因为它是产品产量、质量、成本效益的关键,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、操作维修方便等优点。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,实践中应抓住以下<

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