【摘 要】本文概述了均質機的發(fā)展，重點分析了柱塞泵高壓均質機的功能、原理和基本結構以及在乳制品工業(yè)中的地位和應用，均質機選型和配套要點，同時概述了申鹿牌高壓均質機的結構和材質的特點。 引言 　　一條乳制品生產線，最關鍵的設備為：1、高壓均質機——是決定產品品質和品味的關鍵設備；2、灌裝設備；3、殺菌設備。這后兩項是決定產品保質期的關鍵設備。所以使用廠家對這三種設備都十分重視精挑細選，以選用最好設備進廠，尤其是均質機更是如此。 　　均質機根據(jù)原理和結構不同，主要有柱塞泵高壓均質機、超聲波均質機、高剪切均質機、射流均質機等等，它們共同點都可以乳化、勻漿，但對于后三種均質機由于功能原理上比較單一，所以粉碎效果相對比較差，在工業(yè)生產上應用較少。而柱塞泵高壓均質機的功能原理比較齊全，可在完成超細粉碎及乳化、勻漿的深加工中效果特別理想。這種柱塞泵高壓均質機起始于1900年，由美國Manton GauLin首先研制成功?，F(xiàn)在國際上柱塞泵高壓均質機，最大壓力從150 Bar～1600 Bar，額定流量從6到60000 L/H，在食品、精細化工、石油化工、制藥及生物工程等領域，得以廣泛應用，到目前為止還沒有比它更有成效的設備可以替代。尤其在食品行業(yè)中，加工乳品、果汁、豆奶等是必不可少關鍵設備，隨著倡導“一杯牛奶，健康一個民族”，不斷深入人心，柱塞泵高壓均質機在乳制品工業(yè)大發(fā)展中，它的應用更是引人注目，銷量急增，它的用途： 　　1、 生物細胞破碎制成新產品或提取內含物； 　　2、 液——液（不同相）均質制成水包油或油包水的乳化液； 　　3、 液——固（粉末）均質制成穩(wěn)定的勻漿液； 　　這種設備的研制，在中國起步較晚，直到1980年由原上?？萍即髮W科技人員，克服了結構、材質、制造工藝的困難，完全靠自己的力量研制成中國第一代壓力為60 Mpa高壓均質機，填補了國內空白，當時獲得上?？萍汲晒泉?。1995年還是這些科技人員研制成第二代申鹿牌系列高壓均質機，并推動組建了上海申鹿均質機有限公司。這些產品以高起點，高效能走向市場，得到用戶普遍贊譽，產品遍及全國，為中國特大馳名企業(yè)選用。如上海光明牛奶公司、內蒙古伊利乳業(yè)、蒙牛乳業(yè)、石家莊三鹿乳業(yè)、杭州娃哈哈、江蘇維維乳業(yè)等等。并出口東南亞、歐美等國。2006年推出第三代智能自動調壓系列高壓均質機，將給用戶在科學技術新品中得到更多的實惠。 　　 1 柱塞泵高壓均質機的工作原理 　　柱塞泵高壓均質機是一種深加工設備，完成這種功能，主要靠高壓均質閥完成，它的結構如圖1所示：它由閥座、閥芯及碰撞環(huán)組成。 圖1 　　在圖1中可見到高壓液料進入閥座內腔時，當它的壓力超過預先設定的高壓彈簧作用下形成的壓力，閥芯向右移動，開啟閥芯和閥座，之間形成一個很小的縫隙，約≤0.4 mm，高壓液流以極高的線速度，通常達到200～300 m/s，通過這個縫隙時，液料產生極大壓力降，瞬間失壓，膨脹、爆炸（這個復雜過程稱空穴效應），由此產生高頻振動和喘流形成強烈剪切效應，和高速撞擊在碰撞環(huán)形成的碰撞效應等，其中空穴效應起了主導作用，將存在液體中顆粒或油滴粉碎成很小的尺寸，直徑φ0.01～2μm，平均φ≤1μm，而且獲得較理想的乳化液或勻漿液。這個過程，實際上集中了超聲波均質機（空穴效應），高速剪切機（剪切效應），射流均質機（碰撞效應）等功能原理于一體，由此可見，它的功效遠遠超過了其他設備。它的產品保持原有活性、穩(wěn)定性、混合性，均質以后乳制品具有更好營養(yǎng)值、易吸收性、保質期、口味和色彩。所以一百余年來一直是國內外公認的一種高效、節(jié)能、可靠的超細粉碎、乳化勻漿設備。 　　一般均質機都具有二級均質閥。后面一級均質閥（即第二級均質閥或稱低壓閥），它的功能主要給第一級高壓一個合適的背壓，集中第一級能量，使空穴效應發(fā)生在縫隙的最佳區(qū)域；同時第一級均質后，可能因范得瓦爾斯引力作用下，微粒發(fā)生聚合，再次給予破碎，料液得到進一步的乳化和勻漿。 　　空穴效應發(fā)生區(qū)域取決于背壓大小，閥的結構及液料的粘度大小。背壓太小，空穴效應發(fā)生區(qū)域移向縫隙出口處，可能造成空穴失控，閥座的外緣容易崩塌損壞；背壓增高，空穴效應發(fā)生區(qū)域會移向縫隙進口處；背壓過高，還會引起空穴效應較少，影響均質效果，且閥座孔內壁容易崩塌損壞。所以空穴效應必須受控的?？昭ㄐl(fā)生時，會產生局部高溫和高壓，引起空穴氣融，而逐漸使均質閥座和閥桿的工作端面變得粗糙，根據(jù)這種粗糙情況，可以判斷空穴效應是受控還是失控。受控良好的，應在受蝕而變得粗糙端面上出現(xiàn)一個封閉圓環(huán)。（如圖2a） 　　如觀察到工作面上局部粗糙性是放射狀，這意味空穴失控（如圖2b），這時能量不能被全部利用。所以，第一級均質閥后面再串聯(lián)第二級均質閥，改變第二級均質閥縫隙大小可以改變第一級均質閥的背壓大?。煌瑫r，防止分散了顆粒重新聚合。 圖2 　　　　　　　　　　　　　　圖a 　　　　 圖b 　　最佳背壓要通過實驗得到，實踐中牛奶均質時最佳背壓不能大于均質壓力的20%，實際上由于牛奶生產管路相當復雜，已形成相當?shù)牡谋硥骸＿@樣，就無法獲得所需的較低背壓，甚至無法調低背壓，所以，有些均質機只有一級均質閥，它利用水力特性，形成一定背壓。 　　由于第二級均質閥主要還是集中第一級能量，所以在結構上，不裝碰撞環(huán)。如在生產實踐中，一般牛奶低壓取2 Mpa左右（20 Bar），高壓取16～18 Mpa（160～180 Bar），酸奶低壓取2～4 Mpa左右（20～40 Bar），高壓取20～25 Mpa（200～250 Bar），原則是達到均質效果，壓力取低值為宜。均質溫度對均質效果影響是很大的，溫度高飽和蒸汽壓也高，均質時空穴效應容易形成，為了提高均質效果，在保證液體物料不變性的前提下，適當提高均質溫度是有益的，實際中牛奶均質溫度一般為50～70℃，50℃是牛奶有效均質的最低溫度。超過70℃在設備中產生氣窩，工作不正常，壓力指針擺動大。溫度高一些可以促進脂肪球粉碎和分散效果更好，但不利于熱穩(wěn)定性。以上需要各地生產廠家在工藝師指導下經過實踐以取得最佳均質壓力數(shù)據(jù)。 　　 2 均質機的結構 　　柱塞泵均質機，它有傳動箱，柱塞泵、均質閥，壓力指示部分及電氣柜或變頻器組成。 　　傳動箱：有電動機、曲軸箱、活塞——這個過程是將電機高速旋轉運動變成低速往復直線運動。實踐中兩級變速，即皮帶輪及齒輪變速為好。通過變速之后，使柱塞往復速度控制在130～170 r/min。這種速度，機器穩(wěn)定、噪聲低，柱塞及其密封耐用性好。 　　柱塞泵：由活塞帶動柱塞，在泵體內作往復運動，在單向閥配合下，完成吸料，加壓進入集流管。 　　均質閥：接受集流管輸送過來高壓液料，完成超細粉碎、乳化、勻漿任務。它有兩級均質閥及其二級調壓裝置。它是完成超細粉碎、乳化、勻漿專用零部件。以上接觸液料的材質必須具備無毒、無玷污、耐磨、耐沖擊、耐酸、耐堿、耐腐蝕的條件。 　　壓力指示部分：壓力指示通常用指針式耐震壓力表。為防止壓力表使用中失控而損壞設備，常常配有電流表同時監(jiān)控。在380V電壓條件下，機器正常運行，額定流量，壓力及功率、電流成正比關系，申鹿牌均質機電流值估算公式如下： 　　I＝Q×P×2／31212 　　式中：Q：流量以升/小時（L/H）表示 　　　　　P：壓力以巴（Bar）表示（1 Mpa＝10 Bar） 　　　　　I：電流以安培（A）表示 　　例如：流量Q：5000 L/H、生產壓力P：180 Bar 　　　　　I＝5000×180×2／31212＝57.7 A 　　如果電流表指示及壓力表指示擺幅非常大，或者指示過大，都說明機器運行不正常。需要檢查、排除。 　　均質機的結構、材質、制造工藝是決定均質機性能、效率、噪聲、可靠性的關鍵。制造商都把重點放在這方面的研究上。二十余年來，申鹿均質機有限公司科技工作者認真總結前人研制開發(fā)的經驗，深入研究均質機理論，在結構上、材質上及制造工藝上有了較大突破，并取得成效。表現(xiàn)在以下三個方面： 　　2.1申鹿均質機的傳動箱采用雙出軸電機，兩面皮帶，兩面滾動軸承，曲臂齒輪，對稱傳動，軸瓦采用特種合金，正常使用條件下永久不用更換；潤滑采用飛濺式潤滑加壓力輔助潤滑（配套變頻器工作），以確保各運動部件潤滑良好，磨損小。這種結構在巴塞羅那國際博覽會上令國際同行贊嘆不已；實踐證明，這種結構，傳動平穩(wěn)、低噪聲、高效率、無技術性故障，機械平均效率提高10%左右；傳動噪聲低于電機聲，如90 KW電機噪音為90 db；45 KW電機噪音為84 dB，配在申鹿均質機SRH1000-25和SRH5000-25壓力為25 Mpa時，實測分別為88 db和83 db（按市企標分貝表置于主泵體正前方1米處檢測）。 　　2.2主泵體打破傳統(tǒng)的壓蓋平面密封和柱塞V型方式，采用壓蓋徑向密封和柱塞方形自位密封方式，所有密封材料均為第四代密封材料，耐酸堿、耐腐蝕、無毒、無污染，耐高溫達150℃以上，柱塞密封不需頻繁更換，通常3000小時以上。 　　2.3柱塞、單向閥、均質閥等硬件，都是第四代特種合金鋼材料，具有穩(wěn)定化學性能，耐磨、耐沖擊、耐酸堿等優(yōu)點，對乳品生產來說，通常6000小時以上更換與修磨，適用于二次滅菌及CIP消毒。這種材料達到國際先進水平。 這些方面成功，為申鹿均質機在國內外市場達到空前占有率起到關鍵作用。 　　 3 均質機的選型 　　一條生產線配套的理想的均質機是至關重要，因為它是產品產量、質量、成本效益的關鍵，還影響整個生產線能否正常運行，選用理想均質機的條件，應具備流量充足，壓力穩(wěn)定，均質機效果好，易損件耐用，噪音低、節(jié)能、節(jié)油、操作維修方便等優(yōu)點。結合工程項目的規(guī)模，產品種類和生產工藝流程，綜合考慮選用最理想的均質機，實踐中應抓住以下幾項主要技術參數(shù)。 　　3.1流量 　　單位用升/小時或L/H表示,指生產流量不少于銘牌標明的數(shù)據(jù)，即使壓力達到最大數(shù)值時，流量也不少于銘牌所示數(shù)據(jù)，才能確保生產線設計要求和正常運行，在進料充足條件下，制造商提供的流量數(shù)據(jù)可以通過以下計算方式求得： Q= d2/4×π2e×Vn×n×60×K/1000 L/H 式中：d:柱塞直徑，用cm表示 　　　π：3.1416 　　　2e:柱塞行程（e是曲軸偏心），用cm表示 　　　n: 柱塞的根數(shù) 　　　Vn: 柱塞速度用r/min表示 　　　k:流量系數(shù) 　　式中流量系數(shù)K的大小，決定于均質機本身的單向閥結構、材質、密封材料和密封方式以及加工精度等，即使在供料充足條件下，由于以上條件不能滿足，引起嚴重內、外泄漏導致K系數(shù)過低，造成先天性的流量不足，結果給用戶造成永久性產量效益損失過大。 　　為此，制造商提供的均質機設備必須具有合理的結構，優(yōu)良的材質，先進的密封以及良好的加工條件才能達到。 　　實踐中，要確定流量大小，若手頭無流量表時,最簡便的方法就是用稱重估算法，即在均質機額定壓力運行時，用水桶接料（或以水代料）一分鐘稱重后乘以60分就到每小時流量。例如，申鹿均質機SRH10000-35，額定壓力為28Mpa時，每分鐘測得水重是Q=167kg。SRH5000-30為額定壓力24Mpa,每分鐘測得水重Q=84kg。 　　3.2壓力 　　單位：用Mpa，Bar ， Psi.表示 　　在數(shù)值　　1Mpa≈10 Bar≈145 Psi 〈≈表示約等于〉 　　均質機銘牌上常常標有最大工作壓力〈或最大測試壓力〉用Pmax表示。還有標有額定工作壓力〈連續(xù)生產壓力〉用P表示。在生產實踐中，高壓均質機常常提倡輕負荷工作，取額定工作壓力P＝0.8Pmax。 　　例如：最大壓力Pmax25Mpa,額定生產壓力應該P≤20 Mpa為宜。即選型時注意需用生產壓力必須留有余地為宜；壓力表指示擺幅≤0.5 Mpa。在額定工作壓力下，只要達到工藝要求，保證質量的前提下，壓力取低值,以降低耗能，延長易損件使用壽命和維修周期，是十分有益的。 　　3.3均質效果 　　柱塞泵高壓均質機，均質效果關鍵另部件是高壓均質閥，同樣壓力下它的結構形式.流道、閥的材質決定了均質效果，這也是由制造商設計決定了。而均質閥在高壓條件下閥座、閥桿、碰撞環(huán)的工作端面極易磨蝕，加工制造比較困難，成本也較高。為此，選型時高壓閥座、閥芯、碰撞環(huán)等零件形狀必須簡單，以利加工，尤其使用廠家能方便加以修復，以便再次使用。目前，高壓均質閥件，普遍采用平面閥就是這個道理。選型時要注意。 　　確定均質效果，對于牛奶一般兩個參數(shù)確定，一是粒度大小，二是達到同一粒度微粒所占的比例，根據(jù)均質后達到同一粒徑的脂肪球比例，可以評估均質機效果好壞，當脂肪球直徑φ：2μm以下達到98％以上，均質效果為優(yōu)；脂肪球直徑φ：2μm以下，低于98％，在2.5μm以下高于95％時，均質效果良好；若脂肪球直徑3μm以下低于90％時，均質效果不良，即均質性能不好。 　　判斷均質效果最直觀方法是顯微鏡法，一般采用光學顯微鏡在1000x或其他適當倍率下，用目鏡的測微尺，螺旋測微尺等在視野內對脂肪球進行直接測定。如圖： 圖3 均質效果圖 　　3.4噪音 　　用分貝db表示，噪音大小與設備結構方式，加工精度,安裝條件有密切關系，均質機行業(yè)內目前還沒有國家標準，申鹿均質機按照市企　標準用分貝計放在主泵體正前方一米處測定，應小于電動機銘牌上表示分貝數(shù)是比較理想。 　　3.5耗能　　 　　均質機的耗能與均質機的結構制造精度安裝有關，在實踐中可以用下式估算： 　　N=Q×P/K（Kw） 　　式中：N耗能，用Kw表示 Q:每小時流量用L/H表示　 　　　　　P: 選用壓力，用Bar表示　　K:效率系數(shù)（各廠家不完全一樣，有　　　　　　K:30060、K:31212，K越大，耗能越?。? 　　例如：申鹿SRH5000－25　　Q:5000L/H 　　P:200Bar　　K:31212 　　N=5000×200/31212 =32Kw 　　電流表指示　　64A±10％ 　　在選型和合理電氣配套時，是十分有用的參考數(shù)據(jù) 　　3.6易損件 　　均質機易損件主要閥件，密封件，柱塞等，由于選用材質，加工工藝不同，各制造商不能一樣。對于選用設備，只能作比較才能擇優(yōu)選用。 　　3.7 適合CIP消毒全過程。接觸食品的零件閥、柱塞、密封、頂桿等件必須滿足NaOH 1.5-2%，HNO3 1.5%，85℃的要求。 　　　　　　　　　　　　4 均質機前道配套 　　工業(yè)型高壓均質機往往有幾個柱塞泵組成，柱塞隨曲軸旋轉作往復行動，在主泵體內通過進料閥，出料閥以及均質閥，完成進料——壓縮——泄放——進料——壓縮——泄放……周而復始運行。這樣，對于每一個柱塞泵來說，進料和泄放都是間隙的，管道的液流必然是脈沖狀態(tài)，即使是多柱塞合成的液流也成脈動狀態(tài)，這個脈沖（動）頻率會引起管道的共振，如果柱塞運行速度130－170r/min，柱塞每一個行程周期僅0.46－0.36秒，進出料單向閥開啟時間僅0.23－0.18秒，表明主泵體在短時間內完成進料、壓縮和泄放全過程首先必須具備穩(wěn)定進料速度和進料壓力。實踐中，選擇合理均質機的進、出料管徑，輸送泵和緩沖管，是十分必要的。 　　4.1管道選擇： 　　為了減少管道背壓，用V進表示進料管速度，V出表示出料管速度，采用V進＝V出為宜，進出料管選擇原則，必須把握流經管道速度V進＜2m/s 為宜。 　　可用下式計算驗證： 　　V進＝Q×4/3600×φ2×π?。╩/s）　 　　式中：Q：流量用m3表示 　　　　　φ：進出料管內徑用m表示 　　　　　π：3.1416表示 　　例如：申鹿SRH10000-35均質機選配管道內徑φ50即φ＝0.05m，供10000L/H即Q=10m3/H進出料是否合適，可代入公式V進＝10×4/3600×0.052×π=1.41　m/s 　　此管用在每小時流量10000L/H進出料管是合適的。 　　4.2配備合適的輸送泵 　　為了有效的開關進料閥門，均質機必須實施壓力輸送，通常在粘度1000CP以下輸入壓力取0.2－0.3Mpa,超過1000－2000CP時，輸入壓力適當提高0.3－0.6 Mpa，針對不同加工物料可選用 　　奶泵 500CP以下 　　轉子泵 1000CP以下 　　螺桿泵或齒輪泵 1000－2000 CP 　　4.3緩沖管的設置 　　進出料管道的速度較大且為脈沖（脈動）式，對于管道沖擊較大，尤其管道系統(tǒng)較為復雜，拐彎多，拐角不圓滑，很容易與管道的固有頻率發(fā)生共振，引起管道抖動，發(fā)出拍拍聲，同時影響進料，出料，為此,進出料管必須加裝緩沖管。 圖4 緩沖管 　　緩沖管結構有水庫室（a） 空氣室（b）兩種，如圖4 a.b.國產機以空氣室緩沖管為多緩沖管設計原則： 　　4.3.1以V緩：表示緩沖管的容積，V行程：表示柱塞行程容積　則V緩≥10 V行程 　　4.3.2 緩沖管同進出料管連接必須用活接頭，便于清洗和充氣。 例如申鹿牌SRH10000-35 柱塞直徑　d:5.5cmπ：3.1416 柱塞行程2e:12cm 用φ表示緩沖管內徑cm，H表示緩沖管高度cm 　　V緩≥d2×π×12×10/4=2851cm3 　　若緩沖管內徑選用φ7.6cm： 則d2×π×H/4≥V緩 　　即7.62×π×H /4≥2851　　　　　 　　H≥2851×4/7.62×π=62.84 cm　 　　此機，緩沖管：可取φ80管及高度為650mm 　　綜合上述，柱塞式高壓均質機在中國還是起步較晚，在均質機理論上，結構上，選材上及制造工藝上，及合理選用上，還有待與進一步探討、研究，務使中國均質機加速走上更耐用，更實用和更先進境地，讓國內、國際用戶更受歡迎。 來源：中外食品和包裝機械