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均质乳化与分散的技术应用

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撰文 : APV Taiwan 阶文彬

1. 何谓均质机

在产品制程中,将产品制作成均匀乳化状态或平均分散的现象, 该设备称为均质机。所谓的乳化或分散,是将在一般状态下不能混合的固液体或不同相位之液体,给予微混碎,使其达到均匀混合之状态。

以牛乳的脂肪球为例,牛奶的一般平均脂肪球粒径为3μ~22μ的程度,经过均质后,大约为蜗轮副0.7~1μ左右。于是,脂肪球的浮上力消失了,并可以完全混合于液体(奶水)中。

*** 长度的单位 ***

1奈米(nanometer)=10亿分之1公尺单位符号 nm

1微米(micrometer)=1百万分之1公尺单位符号 µm=1000 nm

1毫米(millimeter)=1千分之1公尺单位符号 mm=1000 µm

1厘米(centimeter)=1百分之1公尺单位符号 cm=10 mm

2. 均质机的应用领域

1. Emulsions 乳化 (液体/液体) 水相产品+油相产品=同相产品

2. Suspensions 悬浮 (固体/液体) 将粒子平均分布于产品中

注

Dispersions分散= 乳化 Emulsions + 悬浮 Suspensions

3. 使用均质机的产品利益

当产品粒子大小微细化后, 会产生下列利益:

1.提高产品性 (延长货品上架时间)

2.改变产品泽

3.改变产品口感及细腻度

4.提高产品使用寿命

5.增加产品渗透度及吸收度

6.改善产品黏稠度

4. 均质机的机械结构说明及动作原理

A. 均质机的机械结构说明

均质机的组成,是包括一个高压的活塞泵;一般而言,它包含三支或更多的活塞(Plunger), 并具有均质阀的均质装置。这个高压活塞泵, 其正常的动作是靠着一个马达的运转, 并透过皮带及飞轮,减速机等去驱动曲柄轴,由于马达的回转运动, 而转换成曲柄轴的往复式运动。

在面对机器的前方, 您可以发现,每一支活塞都具有一组吸料阀及出料阀的阀室。产品会经由高压活塞泵浦,生物态硒由于活塞的往复式运动输送到均质阀; 均质阀包含了阀座及阀, 并透过弹簧加压式来加压均质阀或油压加压式来加压均质阀, 当产品经由高压活塞泵输送到达均质阀所被加压的压力时, 产品即自均质阀释放出来, 进而发生高低压差的物理现象, 引爆强大的动能,粉碎及降低了产品粒子大小, 当加压的压力越大, 产品的均质压力越高, 反之, 加压的压力越小, 产品的均质压力越低。并藉由此种方式来控制均质压力的大小

目前生产型的均质压力,最高可做到1500 BAR。

B. 均质机的工作原理

在机械结构设计中, 我们相信有三个非常重要参数,可去降低粒子的大小:

1. Shearing剪力

2. Turbulence搅乱运动

3. Cavitation 气涡现象

而"气涡现象"是其中最重要的原因。当流体在高压下通过极小的均质阀间隙时,其潜在的位能将会被转换成动能,也就是白奴利运动定律所描述现象。

Bernoulli's Law 白奴利运动定律

系船柱

P+1/2ρV2 = K

P = Pressure in the liquid 流体压力

ρ= Density of the liquid 流体密度

V = Velocity 速度

K = a Constant (定数,常数)

这个意思就是说,当液体流入均质阀这个狭窄的间隙时,其速度会增加,而压力会降低,在这种特殊的情形下,由于压力瞬间下降,便会产生气涡现象。简单的说,当高压泵浦利用高压使流体通过均质阀间隙, 由于上述理论,使压力瞬间下降,产生高压与低压不平衡,而引起爆发作用,粉碎脂肪球,其工作压力一般在100 ~ 170 kg/cm2之间。

C. 实验型均质机单柱塞返复运动

回

产品出料

产品桶 Plunger 前

产品稳定

0~500Bar 500Bar

Packing A Gauge B

B B C

入料逆止阀出料逆止阀均质阀使用转轮, 扭力设在压力500Bar

实验型均质机单柱塞返复运动示意图

1.当柱塞(Plunger)往回时,产品经由产品桶 A区经过入料逆止阀,流向B区,当柱塞往前时,由于入料方向装有一逆止阀,产品只能往C区方向流动。

2.利用曲轴动力设计,柱塞会不断持续返复运动,造成产品会往D区(产品出料端)流动,类似一个柱塞泵。

3.在出料口,安装一均质阀,200gana-580使用转轮机械扭力(50HP以上生产型采用油压式),将背压调到500Bar(假设操作值),当柱塞往前推产品时,B区的产品会往C区流动,此时B区压力会由0Bar上升到500Bar,超过500Bar时,C区产品便由500Bar经过均质阀从D区约0Bar出料,因此造成瞬间高低压差,使强大的动能,粉碎及降低了产品粒子大小。