如何选择高压均质设备？

均质（也称匀浆）是一种使液体分散体系（悬浮液或乳化液）中的分散物（构成分散相的固体颗粒或液滴）微粒化、均匀化的处理过程，其目的是降低分散物的尺寸，提高分散物悬浮稳定性及分布均匀性。

狭义的均质设备仅指高压均质机。然而，凡对分散体系统液料内相物有较明显剪切或破碎作用的设备（如胶体磨、高速剪切乳化器等），均可认为属于均质化设备。

均质设备可根据使用的能量类型及机构特点分为压力式和旋转式两大类。压力式均质设备首先使料液获得高压能，再使其在机内将高压能转化为动能，同时使分散物受到流体力学上的剪切、空穴^[1]和撞击作用而破碎。常见压力式均质设备有高压均质机和超声波乳化器等。旋转均质设备由转子与定子系统构成，直接将机械动能传递给受处理的介质，使其在定子转子间受到高速剪切作用。胶体磨和高剪切均质头是典型的旋转式均质设备。

均质在现代食品加工业中的作用越来越重要，非均相液态食品的分散相物质在连续相中的悬浮稳定性，与分散相的粒度大小及其分布均匀性密切相关，粒度越小，分布越均匀，其稳定性越大。包括乳和饮料在内的绝大多数液态食品的分散物悬浮（或沉降）稳定性，都可以通过均质处理加以提高。均质过程的本质是一种破碎过程，因此在生物技术中，也可采用均质破碎生物细胞，提高细胞提取物得率。

一、高压均质机

典型高压均质机外形如图6-33所示，其工作主体由柱塞式高压泵和均质阀两部分构成。总体上，它只是比高压泵多了起均质作用的均质阀而已，所以有时也将高压均质机称为高压均质泵。

高压均质机有多种形式。不同高压均质机的基本组成相同，差异主要表现在柱塞泵的柱塞数、均质阀级数，以及压强控制方式等方面。

（一）高压柱塞泵

高压均质机因使用的是单柱塞泵或多柱塞泵而有区别。由于单柱塞泵的输出具有波动性且流量小，因而只用于实验型均质机。生产规模的均质机使用的是多柱塞泵，目前以三柱塞泵用得最多。

图6-33 高压均质机

高压均质机的最大工作压强是其重要性能，它主要由均质机结构强度及所配电机功率所规定。不同均质机的最大工作压强可有很大差异，一般在7～104MPa。

（二）均质阀

均质阀与高压柱塞泵的输出端相连，是对料液产生均质作用、对压强进行调节的部件。

均质阀如图6-34所示，有单级和双级两种。单级均质阀只用于实验型均质机。现代工业用均质机大多采用双级均质阀。双级均质阀实际上是由两个单级均质阀串联而成。不论是单级还是双级均质阀，其主要阀件包括阀座、阀芯和均质环，图6-35所示为三者的结构及料液在均质阀内均质化情形。

图6-34 均质阀

均质阀的组合看似简单，但发生的流体力学行为相当复杂。流体经过均质阀的压强变化情形如图6-36所示。阀座内受压流体并冲向阀芯，通过由阀座与芯构成的环形窄缝时，流体会由高压低流速迅速转化为低压高流速状态，除受到巨大剪切作用以外，还受到空穴作用。自缝隙出来的高速流体最后撞在外面的均质环（也称撞击环）上，使已经碎裂的粒子进一步得到分散作用。

图6-35 均质阀主要阀件及工作原理

图6-36 均质阀中流体压强变化

一级均质阀往往仅使大乳滴破裂成小乳滴，这些小乳滴尚未得到大分子乳化物质的完全覆盖，仍有相互合并成大乳滴的可能，因此需要经第二道均质阀的进一步处理，才能使大分子乳化物质均匀地分布在新形成的两液相的界面上。采用双级均质处理的场合，一般将总压降的85%～90%分配给第一级，而将余下的10%～15%分配给第二级。

均质压强大小的调整，一般由操作人员通过转动手柄调整阀芯弹簧的压缩程度实现。弹簧压力作用下的阀芯，只有在受到大于弹簧压力的流体压力时，才能被顶开，并让流体通过缝隙而产生均质作用。

（三）其他组成部分

尽管总体上高压均质机与一般的柱塞泵相比只是多了一个均质阀，但完整的高压均质机还须配上诸如冷却水机构、压力表和过滤器等部件。

由于高速流体产生的摩擦作用会使泵体（从而也使料液）的温度升高。因此，为了使泵体能在较稳定的温度条件下运行，一般工业化高压均质机都配有冷却水系统。冷却水主要是对往复运动的柱塞进行冷却。有些无菌化生产流程中，高压均质机串接高温灭菌工序之后，这种场合为均质机配接的冷却水必须是无菌的（例如，经冷却的开水），这样才能保证料液在均质工段不受到二次污染。

高压均质机都配有高压压力表，以为操作人员进行压力调整提供压力指示。均质机的进料口一般都装有阻隔杂质进入均质机的过滤器件，以防止均质阀受到意外损伤，并延长其使用寿命。

（四）高压均质机的应用与使用

高压均质机可用来加工许多食品。不同产品应用均质机进行处理，最重要的是选择适当均质工作压力。均质压力应根据产品配方、所需产品货架寿命以及其他指标确定。表6-1所示为一些产品所应用的均质压力范围。有些产品经过一次均质处理还达不到要求，需要重复均质。(www.xing528.com)

表6-1 应用不同均质压力的产品举例

高压均质机的出料口仍然有较高压头，但它的吸程有限，一般供料容器的出口位置应高于均质机进料口，否则需使用离心泵供料。另外高压均质机应避免出现中途断料现象，否则会出现不稳定的高压冲击载荷，使均质设备受到很大的损伤。另外，物料夹入过多空气也会引起同样的冲击载荷效应，因此有些产品均质前需要进行脱气处理。

二、胶体磨

胶体磨是以剪切作用为主的均质设备，其均质部件由一高速旋转的磨盘（转动件）与一固定的磨盘（固定件）构成。胶体磨主要用于黏度较高料液的均质处理。

胶体磨按转动轴的方向分为卧式和立式两种，后者又分联轴式和分体式两种。图6-37所示为三种形式胶体磨的外形图。胶体磨磨体结构如图6-38所示，主要由机壳、磨盘、进料斗、调节盘、叶轮等构成。

图6-37 胶体磨外形图

胶体磨的关键部件是由定盘与动盘组成的磨盘。动盘与传动轴相连，定盘固定在调节盘上，通过转动调节盘手柄，可以调整定盘与动盘之间的工作面间距，从而也可以调节胶体磨均质效果及产量。固定件与转动件之间的间隙范围为50～150μm。磨盘工作面一般为锥台面状，但在锥角大小及磨齿形状方面不同的机型会有差异（图6-39）。胶体磨的磨面通常为不锈钢光面，但也有金刚砂毛面型的，以此对固体粒子磨碎并促进均质效果。

图6-38 胶体磨结构

图6-39 胶体磨的磨盘

动磨盘的传动轴可直接与电机相连（如卧式和轴联立式），也可通过皮带轮与电机相连（如分体式）。轴的转速与磨盘的直径有关，一般直径小的磨盘要求高的转速，这样才能获得与较低转速下大直径磨盘相同的均质效果。

胶体磨的工作过程为，物料在磨盘间隙中通过时，高速旋转的动盘使附在旋转面上的物料速度最大，附于定子表面上的物料速度最小，因此产生很大的速度梯度，使物料受到强烈的剪切作用而发生湍动，从而使物料均质化。

与高压均质机一样，料液从胶体磨获得的能量，也只有部分用于微粒化，而大部分转化成了摩擦热。为了防止料温（尤其是循环操作时）升高过度对料液和设备产生影响，也要用冷却水对胶体磨进行冷却。

经过胶体磨处理后的分散相粒度最低可达1～2μm以下。胶体磨与高压均质机有时可以通用，但一般说来，在表6-2所示的产品中，只有所用均质压力大于20MPa的产品（或相类似的产品）才适合用胶体磨进行处理。也就是说，胶体磨通常适用于处理较黏稠的物料。表6-2所示为胶体磨与高压均质机的性能参数比较。

表6-2 均质机与胶体磨性能参数比较

续表

三、高剪切均质机械设备

高剪切均质机械设备是一类旋转式均质设备，其关键均质部件是转子—定子对。典型转子定子对组合如图6-40所示。图6-40（1）所示的转子和定子分别有两圈齿牙，运行时，转子定子形成三个同心圆剪切面。转子里圈齿牙只有三个“齿”，且呈尖弧形结构，它既起剪切作用，也起离心泵叶轮的作用，可将均质头两端的料液吸入。图6-40（2）所示的转子的齿垂直于一块圆板，与定子配合运转时，料液只能从一端进料。另外，还可以看出，定子可以取多孔圈状形式。

转子定子对组合的形式有多种，主要差异在于齿形、齿圈数、多孔圈的孔形，以及转子定子偶合的方式等。基于转子—定子原理的均质乳化机械设备有多种形式，如涡轮均质机、涡轮乳化机、高剪切均质机、管线式乳化机、高剪切均质泵、搅拌乳化罐等。尽管名称不同，但均质原理基本相同。其工作原理是利用转子与定子间高相对速度旋转时产生的剪切作用使料液得以乳化，或使悬浮液进一步微粒化、分散化。

如图6-41所示为一种利用高速转子均质头的搅拌分散罐结构，主要由罐体与高速剪切均质头构成。

图6-40 典型高剪切转子与定子

图6-41 搅拌分散罐结构示意

将多对高速剪切均质器的转子对装于泵形外壳中，就构成了所谓的管线式乳化均质机，也称为高剪切均质泵。图6-42所示为高剪切均质泵的外形和一种由三对转子定子构成的管线式乳化均质机工作原理，物料从轴向进入，经过转子定子对的剪切作用后，最后由另一端的径向流出。

图6-42 管线式乳化均质机

除了将高速剪切均质器头安装在罐体内或泵体内以外，也有的设备将高速剪切均质器装在可移动升降的台架上。因此，可以将这种均质设备灵活地应用于不同的场合，如夹层锅、无搅拌器件的桶状容器等。事实上，实验室规模的高速剪切均质头就是可移动的。

高速剪切均质器的工作原理与胶体磨的相似，因此它们处理的料液性状与胶体磨的相似，总体上适合于处理较黏稠的物料。高速剪切均质头的转子与定子在结构上与胶体磨的转子与定子有明显区别，前者呈圆柱面状，而后者呈圆锥台面状；前者的齿壁开槽口，而后者是不开口的。在配合上也有区别，胶体磨的两盘片（定子与转子）间的间距是可调的，而高速剪切均质设备的转定子之间的间隙一般是固定不变的。