均质机在乳品产业中地位和应用

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