淺談均質(zhì)機(jī)的機(jī)理

均質(zhì)，就是將液態(tài)物料中的固體顆粒打碎，使固體顆粒實(shí)現(xiàn)超細(xì)化，并形成均勻的懸浮乳化液的工藝過程。均質(zhì)技術(shù)已經(jīng)是一種非常重要的細(xì)化分散技術(shù)，廣泛應(yīng)用于乳品、飲料、食品、化妝品和化工行業(yè)等領(lǐng)域。在藥劑學(xué)中，藥物顆粒越小，有助于提高藥物的溶解速度及溶解度，有利于提高難溶性藥物的生物利用度；也有利于提高藥物在分散介質(zhì)中的分散性。

均質(zhì)技術(shù)的分類

1、高壓均質(zhì)技術(shù)：物料在高壓狀態(tài)下，使物料發(fā)生物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等一系列變化，最終達(dá)到均質(zhì)的效果。

2、剪切均質(zhì)技術(shù)：采用了動定轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料的超細(xì)化。

3、微射流均質(zhì)技術(shù)：使液體物料在高壓狀態(tài)下，形成高速射流，與相反方向的另一股射流形成高速碰撞，使其中的固體物料被超細(xì)化。

均質(zhì)機(jī)理

均質(zhì)機(jī)的作用力主要為剪切力和壓力。在均質(zhì)過程中，產(chǎn)生層流效應(yīng)，分散相顆粒或液滴被剪切和延伸拉碎；受到湍流效應(yīng)影響，顆粒或液滴在壓力波動下產(chǎn)生隨機(jī)變形；受到空穴效應(yīng)的影響，較高的壓力作用使小氣泡迅速破裂,釋放能量，從而引起局部液壓沖擊,造成振動。

經(jīng)過縫隙的液體，由于瞬間失壓以非常高的速度噴射出，撞擊到均質(zhì)部件上，產(chǎn)生了剪切、撞擊和空穴三種效應(yīng)。

剪切效應(yīng)

較高速度的液體流經(jīng)均質(zhì)腔縫隙時(shí)由于極大的速度梯度，會產(chǎn)生劇烈的剪切作用。分散相顆粒或液滴在強(qiáng)剪切力的作用下將發(fā)生變形，當(dāng)剪切力大到一定程度時(shí)，分散相中的液滴發(fā)生破碎。

撞擊效應(yīng)

液體流經(jīng)縫隙時(shí)，以非常高的流速撞擊到?jīng)_擊環(huán)上，造成液滴破碎。

空穴效應(yīng)

液體以較高的速度流經(jīng)均質(zhì)腔閥的縫隙時(shí)，形成極大的壓力降。當(dāng)壓力降低到液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體開始沸騰并發(fā)生極速汽化，形成大量氣泡。液體流出均質(zhì)閥時(shí)，壓力又迅速增大，導(dǎo)致氣泡突然破滅，瞬間形成大量的空穴。空穴將釋放出大量的能量，形成高頻率振動，使液滴發(fā)生破碎。

在均質(zhì)腔內(nèi)的微射流流場中，壓力和流體流速是決定空穴效應(yīng)大小的重要參數(shù)。空穴效應(yīng)由空化數(shù)$c_{v}$來描述。當(dāng)空化數(shù)$c_{v}$≦1 時(shí)會發(fā)生空化效應(yīng)，并且$c_{v}$越小空化效應(yīng)越強(qiáng)烈。

其中：$P_{E}$液體的回復(fù)壓力；$P_{V}$蒸汽壓力；$ρ_{E}$液體的密度；$V_{E}$液體縫隙處的平均速度。

常見均質(zhì)機(jī)

高壓均質(zhì)機(jī)通過壓力裝置對液體物料施加高壓進(jìn)行擠壓、延伸、撞擊、破碎的過程，主要依靠空穴效應(yīng)和湍流效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對較低。適用于柔性、半柔性的顆粒狀物料。

高剪切機(jī)靠定轉(zhuǎn)子之間的相對高速運(yùn)動產(chǎn)生的高剪切作用,使物料剪切、撕裂和混合。同時(shí)，較強(qiáng)的空穴作用對物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是處理量大，穩(wěn)定性好，設(shè)備耐用易維修。

微射流均質(zhì)機(jī)利用幾十到幾百微米左右噴嘴形成超音速射流，進(jìn)行相互對撞和非常強(qiáng)烈的剪切，在較高的均質(zhì)壓力, 產(chǎn)生較好的粒徑分布效果。優(yōu)點(diǎn)是高壓條件下可以連續(xù)化作業(yè)。

微射流均質(zhì)機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)

物料流經(jīng)單向閥后，在高壓腔泵里加壓，通過微米級的噴嘴，高速撞擊在乳化腔上，通過強(qiáng)烈的空穴，碰撞，剪切效應(yīng)，得到足夠小而均一的粒徑分布。其關(guān)鍵指標(biāo)如下：

均質(zhì)壓力

均質(zhì)過程中，能否穩(wěn)定達(dá)到物料所需均質(zhì)壓力，是均質(zhì)機(jī)選型的主要因素。

處理流量

設(shè)備的處理流量與設(shè)備選型、均質(zhì)壓力、物料粘度或濃度等因素有關(guān)。

溫度控制

對于許多溫度敏感、溫度影響性質(zhì)的物料而言，設(shè)備是否能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控進(jìn)出料的溫度（進(jìn)口溫度$T_{1}$、出口溫度$T_{2}$），其冷凝管的溫控效果能否滿足需求，是不可忽略的選型指標(biāo)。

連續(xù)作業(yè)

在生產(chǎn)型設(shè)備的選型上，連續(xù)工作能力也是非常重要的選型要素。

均質(zhì)腔

微射流均質(zhì)機(jī)核心部件，其內(nèi)部固定的幾何角度構(gòu)造對成品起到直接的作用。現(xiàn)基本采用“Y"型或“Z"型構(gòu)造的均質(zhì)腔。

“Y"型均質(zhì)腔，物料流體在加速過程中被分為兩股細(xì)流，通過微管通道后正面碰撞混合，在獲得較高的結(jié)合相對速度時(shí)其本身所受的碰撞力較為柔和，有利于混合、乳化作用。

“Z"型均質(zhì)腔，物料流在高速通過微管通道時(shí)受到的高剪切力首先將自身粒徑減小，緊接著其與均質(zhì)腔內(nèi)壁產(chǎn)生的高碰撞力進(jìn)一步對物料進(jìn)行去團(tuán)聚、松團(tuán)作用，有利于降低粒徑分布、去團(tuán)聚、分散等作用

參考資料[1]董樹. 高壓微射流參數(shù)對均質(zhì)性能影響的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 齊魯工業(yè)大學(xué).[2]李存紅, 侯艷, 符德學(xué). 高壓均質(zhì),高剪切乳化,微射流均質(zhì)的比較及在食品方面的應(yīng)用[J]. 焦作大學(xué)學(xué)報(bào), 2020.[3]吳雪, 劉斌, 馮濤. 微射流均質(zhì)機(jī)的超微粉碎機(jī)理分析[J]. 食品與機(jī)械, 2009(3):4.