高壓均質(zhì)機在食品加工中的應(yīng)用及故障排除

黃恒峰

均質(zhì)機是食品精細加工機械，往往與物料的混合、攪拌及乳化機械配套使用。均質(zhì)是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微的穩(wěn)定的乳濁液或懸浮液的過程。以牛乳的脂肪球為例，牛奶的一般平均脂肪球粒徑為3μ～22μ，均質(zhì)后大約為0.7～1μ。于是，脂肪球的上浮力減小，并可以完全混合于液體(奶水)中。

均質(zhì)機按其構(gòu)造可分為高壓均質(zhì)機、離心式均質(zhì)機（離心機），超聲波均質(zhì)機和膠體磨均質(zhì)機（膠體磨）等常見四種，但最具代表性的是高壓均質(zhì)機。

一、工作原理及效果

物料均質(zhì)的基本理論遵循斯托克斯定律，即

Vg ────重力作用下的脂肪球上浮速度，m/s；

d ── 指脂肪球直徑，m；

ρ1 、ρ2 ──── 混合液體（一般指脂肪乳）、脂肪球密度， kg/m3；

g ── 重力加速度， m/s2；

η── 混合液體的粘度 kg/（m.s）

由公式可知：要減少混合液體中顆粒的沉降速度，就應(yīng)減少顆粒的直徑，由于沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，所以顆粒直徑減少將顯著降低沉降速度，當顆粒直徑小于接近液體介質(zhì)的分子時，分子和微小顆粒之間形成一種耦合作用力，使得分離很難發(fā)生，進而阻止物料的分離或沉淀。

物料均質(zhì)前后效果對比圖

二、三個作用

1、剪切作用。當物料（主要是脂肪）以高速度通過均質(zhì)頭的窄縫時，由于渦流而對脂肪產(chǎn)生剪切力，使脂肪破裂。這是均質(zhì)作用中最重要的一步，也是最容易被忽略的一步，因為物料只有產(chǎn)生旋渦才會產(chǎn)生剪切作用，而物料能否產(chǎn)生旋渦，取決于均質(zhì)桿在物料巨大的反作用力下（約25-40MPa），均質(zhì)桿必須跟均質(zhì)座同心等距離，一旦出現(xiàn)偏心，物料就會形成井噴，而不是形成旋渦，達不到剪切作用。所以在均質(zhì)壓力正常的情況下，要通過粒徑檢測來反推物料是否產(chǎn)生剪切效果，如果出現(xiàn)粒徑檢測異常，必須馬上停機檢查均質(zhì)桿、均質(zhì)座和均質(zhì)環(huán)（沖擊環(huán)）這三件套是否正常。

2、空穴作用。液體靜壓能降至脂肪的蒸汽壓力之下，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生局部瞬間真空，形成空穴現(xiàn)象，使脂肪球爆裂而粉碎。

3、撞擊作用。當脂肪以高速度沖擊均質(zhì)閥時，使脂肪球破碎，高壓均質(zhì)機一般都是配備串聯(lián)的二級均質(zhì)閥，一級以破碎脂肪球為主，二級主要作用是使已破碎的脂肪球迅速分散到脫脂液中，避免細小的脂肪球重新聚合。在大多數(shù)的設(shè)計應(yīng)用中, 產(chǎn)品若應(yīng)用為乳化 (Emulsions), 則選用二級式均質(zhì)閥設(shè)計, 產(chǎn)品若應(yīng)用為分散 (Dispersions),則選用一級式均質(zhì)閥設(shè)計。

三、物料溫度對均質(zhì)的影響

均質(zhì)溫度對均質(zhì)效果的影響很大，因為溫度不同，液體的飽和蒸汽壓也不同：溫度高，飽和蒸汽壓也高，均質(zhì)時空氣更容易形成，均質(zhì)效果更好；但是溫度過高時，則會在設(shè)備中產(chǎn)生汽窩，降低均質(zhì)效果；同時溫度太低時，又要考慮到蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，所以具體物料對象不同，均質(zhì)溫度要求不同。

同種物料在不同溫度下的均質(zhì)效果對比

四、構(gòu)造扼要

高壓均質(zhì)機主要由高壓泵、均質(zhì)閥、傳動機構(gòu)（曲軸、連桿），以及電機和機架組成。高壓泵一般是采用三柱塞或四柱塞往復泵，通過電機恒定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩作用于泵體，獲得穩(wěn)定的排液量，均質(zhì)閥是均質(zhì)機的關(guān)鍵部件，由于物體高壓高速流動，閥座和閥芯的磨蝕特別重要，它們是易損件，一般用堅韌耐磨的鎢、鉻、鈷等耐磨合金鋼制造。

五、常見故障

高壓均質(zhì)機的常見故障可以分為工藝和機械兩個方面，機械方面的故障，主要是電機、傳動兩部分，（軸承）曲軸連桿和滑塊等方面的故障可以通過設(shè)備的定期保養(yǎng)維修來解決，工藝方面的故障克發(fā)生在以下幾個方面：

1.流量不足，壓力達不到工藝要求

這類故障發(fā)生得最多，也是鑒定均質(zhì)機最重要的指標之一。由于均質(zhì)、加工質(zhì)量等方面的因素，處于料液高速沖刷的閥門，特別是安全閥、均質(zhì)閥的密合面，由于料液高速沖擊磨蝕產(chǎn)生明顯的溝槽；柱塞則由于長時間工作的嚴重磨損，使料液的流經(jīng)通道加大，大量料液回流到低壓泵腔，使均質(zhì)或升壓的能力大大降低。在這種情況下，必須對磨損部件進行修復或更換；此外，安全閥或均質(zhì)閥（帶安全閥時）的調(diào)整不當，彈簧壓力不夠也可能導致上述故障的發(fā)生。此時，只須對設(shè)備進行適當?shù)恼{(diào)整就可恢復設(shè)備的生產(chǎn)特性。

2.壓力表指針跳動嚴重

主要是泵腔內(nèi)有空氣殘留，空氣的壓縮、膨脹使壓力指針嚴重跳動。少量的空氣可以在料液流動時被夾帶出去，泵體密封嚴重泄密，使泵腔內(nèi)的料液中混有大量的空氣。此外，充液量（傳遞壓力的媒介，例如食用油）的不夠或滲漏，也會導致壓力表指針嚴重跳動。

3.密封圈損壞

處于高溫和壓力周期性變化條件下的柱塞密封圈經(jīng)常發(fā)生損壞，因此，首先必須確保柱塞冷卻水的連續(xù)供應(yīng)，還要隨時修復更換柱塞密封圈。同時，柱塞伸入曲軸箱內(nèi)的密封損壞則會由于冷卻水的進入而導致潤滑不良，嚴重的還使曲軸連桿滑塊發(fā)生損壞。

參考江蘇宜興均質(zhì)機、上海綿竹均質(zhì)機、Tetra Pak瑞典利樂均質(zhì)機、SPX美國斯必克均質(zhì)機、Stork荷蘭斯托克均質(zhì)機。