高壓均質機在食品加工中的應用及故障排除

黃恒峰

均質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。

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

一、工作原理及效果

物料均質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，使得分離很難發生，進而阻止物料的分離或沉淀。

物料均質前后效果對比圖

二、三個作用

1、剪切作用。當物料（主要是脂肪）以高速度通過均質頭的窄縫時，由于渦流而對脂肪產生剪切力，使脂肪破裂。這是均質作用中最重要的一步，也是最容易被忽略的一步，因為物料只有產生旋渦才會產生剪切作用，而物料能否產生旋渦，取決于均質桿在物料巨大的反作用力下（約25-40MPa），均質桿必須跟均質座同心等距離，一旦出現偏心，物料就會形成井噴，而不是形成旋渦，達不到剪切作用。所以在均質壓力正常的情況下，要通過粒徑檢測來反推物料是否產生剪切效果，如果出現粒徑檢測異常，必須馬上停機檢查均質桿、均質座和均質環（沖擊環）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，會在液體內部產生局部瞬間真空，形成空穴現象，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閥時，使脂肪球破碎，高壓均質機一般都是配備串聯的二級均質閥，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。在大多數的設計應用中, 產品若應用為乳化 (Emulsions), 則選用二級式均質閥設計, 產品若應用為分散 (Dispersions),則選用一級式均質閥設計。

三、物料溫度對均質的影響

均質溫度對均質效果的影響很大，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，均質時空氣更容易形成，均質效果更好；但是溫度過高時，則會在設備中產生汽窩，降低均質效果；同時溫度太低時，又要考慮到蛋白質的熱穩定性，所以具體物料對象不同，均質溫度要求不同。

同種物料在不同溫度下的均質效果對比

四、構造扼要

高壓均質機主要由高壓泵、均質閥、傳動機構（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，通過電機恒定轉速產生恒定轉矩作用于泵體，獲得穩定的排液量，均質閥是均質機的關鍵部件，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備的定期保養維修來解決，工藝方面的故障克發生在以下幾個方面：

1.流量不足，壓力達不到工藝要求

這類故障發生得最多，也是鑒定均質機最重要的指標之一。由于均質、加工質量等方面的因素，處于料液高速沖刷的閥門，特別是安全閥、均質閥的密合面，由于料液高速沖擊磨蝕產生明顯的溝槽；柱塞則由于長時間工作的嚴重磨損，使料液的流經通道加大，大量料液回流到低壓泵腔，使均質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，安全閥或均質閥（帶安全閥時）的調整不當，彈簧壓力不夠也可能導致上述故障的發生。此時，只須對設備進行適當的調整就可恢復設備的生產特性。

2.壓力表指針跳動嚴重

主要是泵腔內有空氣殘留，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常發生損壞，因此，首先必須確保柱塞冷卻水的連續供應，還要隨時修復更換柱塞密封圈。同時，柱塞伸入曲軸箱內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生損壞。

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