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浅谈均质机的机理

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均质,就是将液态物料中的固体颗粒打碎,使固体颗粒实现超细化,并形成均匀的悬浮乳化液的工艺过程。均质技术已经是一种非常重要的细化分散技术,广泛应用于乳品、饮料、食品、化妆品和化工行业等领域。在药剂学中,药物颗粒越小,有助于提高药物的溶解速度及溶解度,有利于提高难溶性药物的生物利用度;也有利于提高药物在分散介质中的分散性。

均质技术的分类

1、高压均质技术:物料在高压状态下,使物料发生物理、化学、结构性质等一系列变化,最终达到均质的效果。

2、剪切均质技术:采用了动定转子、双转子结构实现物料的超细化。

3、微射流均质技术:使液体物料在高压状态下,形成高速射流,与相反方向的另一股射流形成高速碰撞,使其中的固体物料被超细化。

均质机理

均质机的作用力主要为剪切力和压力。在均质过程中,产生层流效应,分散相颗粒或液滴被剪切和延伸拉碎;受到湍流效应影响,颗粒或液滴在压力波动下产生随机变形;受到空穴效应的影响,较高的压力作用使小气泡迅速破裂,释放能量,从而引起局部液压冲击,造成振动。经过缝隙的液体,由于瞬间失压以极高的速度喷射出,撞击到均质部件上,产生了剪切、撞击和空穴三种效应。

剪切效应

较高速度的液体流经均质腔缝隙时由于极大的速度梯度,会产生剧烈的剪切作用。分散相颗粒或液滴在强剪切力的作用下将发生变形,当剪切力大到一定程度时,分散相中的液滴发生破碎。

撞击效应

液体流经缝隙时,以极高的流速撞击到冲击环上,造成液滴破碎。

空穴效应

液体以较高的速度流经均质腔阀的缝隙时,形成极大的压力降。当压力降低到液体的饱和蒸气压时,液体开始沸腾并发生极速汽化,形成大量气泡。液体流出均质阀时,压力又迅速增大,导致气泡突然破灭,瞬间形成大量的空穴。空穴将释放出大量的能量,形成高频率振动,使液滴发生破碎。

常见均质机

高压均质机通过压力装置对液体物料施加高压进行挤压、延伸、撞击、破碎的过程,主要依靠空穴效应和湍流效应。优点是价格相对较低。适用于柔性、半柔性的颗粒状物料。

高剪切机靠定转子之间的相对高速运动产生的高剪切作用,使物料剪切、撕裂和混合。同时,较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质。优点是处理量大,稳定性好,设备耐用易维修。

微射流均质机利用几十到几百微米左右喷嘴形成超音速射流,进行相互对撞和极强烈的剪切,在较高的均质压力, 产生较好的粒径分布效果。优点是高压条件下可以连续化作业。

微射流均质机关键指标

物料流经单向阀后,在高压腔泵里加压,通过微米级的喷嘴,高速撞击在乳化腔上,通过强烈的空穴,碰撞,剪切效应,得到足够小而均一的粒径分布。其关键指标如下:

均质压力

均质过程中,能否稳定达到物料所需均质压力,是均质机选型的主要因素。

处理流量

设备的处理流量与设备选型、均质压力、物料粘度或浓度等因素有关。

温度控制

对于许多温度敏感、温度影响性质的物料而言,设备是否能够实时监控进出料的温度(进口温度、出口温度),其冷凝管的温控效果能否满足需求,是不可忽略的选型指标。

连续作业

在生产型设备的选型上,连续工作能力也是非常重要的选型要素。

均质腔

微射流均质机核心部件,其内部固定的几何角度构造对成品起到直接的作用。现基本采用“Y”型或“Z”型构造的均质腔。

“Y”型均质腔,物料流体在加速过程中被分为两股细流,通过微管通道后正面碰撞混合,在获得较高的结合相对速度时其本身所受的碰撞力较为柔和,有利于混合、乳化作用。

“Z”型均质腔,物料流在高速通过微管通道时受到的高剪切力首先将自身粒径减小,紧接着其与均质腔内壁产生的高碰撞力进一步对物料进行去团聚、松团作用,有利于降低粒径分布、去团聚、分散等作用

参考资料

[1]董树. 高压微射流参数对均质性能影响的数值模拟与实验研究[D]. 齐鲁工业大学.

[2]李存红, 侯艳, 符德学. 高压均质,高剪切乳化,微射流均质的比较及在食品方面的应用[J]. 焦作大学学报, 2020.

[3]吴雪, 刘斌, 冯涛. 微射流均质机的超微粉碎机理分析[J]. 食品与机械, 2009(3):4.

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