第五章攪拌及均質機

在食品工業(yè)中，常常使用攪拌和均質操作。攪拌，是指借助于流動兩種或兩種以上的物料在彼此之間相互散布的一種操作，其作用可以實現(xiàn)物質的均勻混合、促進溶解、氣體吸收、強化熱交換等物理及化學變化。均質，是指借助于流動中產(chǎn)生的剪切力將物料細化、將脂肪球碎化的操作。第一節(jié)攪拌的種類及其特性1、食品的攪拌主要是流體，2、按物相分類有：氣體、液體、半固體及散粒狀固體。3、按流體力學概念分類：牛頓型流體非牛頓型流體。一、牛頓型流體的概念在外力的推動下，由于攪拌器的作用而使流體運動。若下層不動，而在上層加一剪切力F時，就發(fā)生了運動。在穩(wěn)態(tài)下，此力必與流體內由粘度而產(chǎn)生的內摩擦力相平衡。剪切應力與速度梯度成比例，即：牛頓型流體的特性1、對于牛頓型流體，無論攪拌程度激烈或緩和，它的粘度與靜止相同，在同一攪拌設備內，各處的粘度也是一致的。2、剪切應力與速度梯度成正比。二、非牛頓型流體的概念凡是粘度隨著剪切應力及速度梯度不同而變化時，即不符合式的線性關系的流體，稱為非牛頓型流體。非牛頓型流體的攪拌比牛頓型流體更加復雜。對表觀粘度，必須指明是在某一速度梯度范圍內的數(shù)值，否則是無意義的。K值的大小代表粘度的大小，而口值則代表非牛頓型的程度。非牛頓型流體分為與時間有關和與時間無關的兩種。與時間有關的，如未成型的塑料這類分子量大于百萬的那一類。

與時間有關的可分為賓格漢塑性、擬塑性和漲塑性三種流體；·三種流體的特性(1)賓格漢塑性流體(2)擬塑性流體(3)漲塑性流體物料在攪拌中，由于攪拌器的作用，產(chǎn)生了流動。這種流動發(fā)生剪切作用。但不同的物料，流體所產(chǎn)生的剪切力不同。對于牛頓型流體，無論攪拌程度如何，其粘度與靜止時相同，在同一攪拌容器中，各處的粘度也一致，但對于非牛頓型流體，則攪拌的程度直接影響流體的性質。如攪拌擬塑性流體，流體的表觀粘度值隨攪拌的強化而減少，在同一攪拌容器中，流體受剪應力較大處表觀粘度則較小，顯然，攪拌器停轉時，表觀粘度呈最大。粘度是隨溫度的高低而明顯變化的。根據(jù)這個特性，對高粘度的非牛頓型流體，根據(jù)它與溫度的關系采取措施，也可以改善攪拌條件。對于漲塑性流體，流體的表觀粘度則隨攪拌的程度增加而增大。三、攪拌機的分類①攪拌機它以攪拌粘度較低的流體為主，適用于液—液混合及固—液懸浮液的混合，以及氣—液混合等。

②調和機又稱捏和機、揉和機。它以攪拌高粘度糊狀物料及粘滯固體物料為主．它適合于液—液混和、固—液相混合或伴有充氣、傳熱、改性等其他一些過程的攪拌操作。

⑧混和機它以攪拌干燥粒狀固體物料為主，適合于固—固相混合。

按攪拌容器軸線的安裝位置，可分為：立式攪拌機臥式攪拌機。

按攪拌機械的轉速，可分為：低速攪拌機高速攪拌機。按攪拌機械的工作情況，可分為：間歇式攪拌機連續(xù)式攪拌機。攪拌機械基本結構

攪拌機械基本結構攪拌機械的種類較多，但其基本結構是一致的。主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成，分類1、攪拌機主要攪拌粘度較低的液體2、調和機主要攪拌粘度較高的糊狀物料和粘滯固體物料。3、混和機主要攪拌固體物料攪拌機的基本

結構由攪拌漿、攪拌容器傳動裝置和軸封等組成。混合機理1、低粘度、中粘度物料的混合機理（1）主體對流（2）渦流對流2、高粘度物料的混合機理主要是攪拌的機械運動產(chǎn)生的剪切力，在剪切力很大時，對每一層撕到非常難以用肉眼分辨的程度，稱為“混合”。液體剪切的混合作用攪拌機的結構1、漿式攪拌器

2、渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器的結構圖為渦輪示意圖。其結構是將槳葉直接焊于輪轂上。但折葉渦輪的槳葉則先在輪轂上開槽，槳葉嵌入后施焊。特點若將葉片改為折葉式攪拌，則可使液體產(chǎn)生軸向流動的效果。這種攪拌器混合效率高，有較強的剪切效應；對粘度為50MPa·s以下液體有良好的攪拌效果，適合于不互溶液體的分體、氣體的溶解、固體在液體中的懸浮及溶液的熱交換等。如在原料糖漿、油水混合溶液的制備中常用這種攪拌器。3、推進式葉輪攪拌器特點推進式葉輪混合效率較高，但是對于不互溶液體的攪拌，其混合效率受到一定的限制，它適合于對低粘度液料的操作，多用于液體粘度低于2Pa叫以下的固液混合。對純液相物料，其粘度限制在SPa·s以下。分類4、攪拌罐結構的設計常用的是立式圓筒形容器，它有頂蓋、筒體和罐底，通過支座安裝在基礎或平臺上。罐體在常壓或規(guī)定的溫度及壓力下，為物料完成其攪拌過程提供一定的空間．體長徑比的選擇應考慮以下三方面的因素：1、長徑比對攪拌功率的影響一定結構型式攪拌器的槳葉直徑與其裝配的攪拌罐罐體內徑通常有一定的比例范圍。在固定的攪拌軸轉速下，攪拌功率與攪拌器槳葉直徑約以5次方成正比，所以罐體直徑大，攪拌功率增加。而減少長徑比又無謂地損耗一些攪拌器功率。2、物料特性對罐體長徑比的要求某些物料的攪拌反應過程對罐體長徑比有特殊要求。例如發(fā)酵罐之類，為了使通過罐內的空氣與發(fā)酵掖有充分的接觸時間，需要有足夠的液位高度，就希望長徑比取大些。罐體長徑比對傳熱的影響某些需要通過攪拌器加速傳熱的物料，罐體韻長徑比對夾套傳熱有顯著的影響。容積一定，長徑比越大則罐體盛料部分表面積越大，夾套的傳熱面積也就越大。同時，長徑比越大，則傳熱表面距離中心越近，物料的溫度梯度就越小，有利于提高傳熱效果。因此，僅從夾套傳熱角度考慮，一般希望長徑比取大些。

根據(jù)上述因素及實踐經(jīng)驗，攪拌罐的長徑比取值為1.5~2.5。攪拌罐裝料量1、裝料系數(shù)2、確定筒體直徑和高度檔板攪拌器的傳動裝置調和機打蛋機有立式與臥式兩種，以立式打蛋機為多用。圖所示是立式打蛋機的結構簡圖。它通常由攪拌器、容器、傳動裝置及容器升降機構等組成。

其工作過程為：電機把動力傳到傳動裝置，再傳到攪拌器，攪拌器與容器間具有一定規(guī)律的相對運動，使物料得以攪拌，攪拌效果的好壞由攪拌器運動規(guī)律限制。調和機的傳動機構混合機均質機食品均質機是食品的精加工機械。它常與物料的混合、攪拌及乳化機械配套使用。它的作用是將食品原料的漿、汁、液進行細化、混合、均質的處理，以提高食品質量和檔次。一、高壓均質機

高壓均質機是以物料在高壓作用下通過非常狹窄的間隙(一般<o．1mm)，造成高流速(150—200m／s)，使液料受到強大剪切力，同時，由于液料流中的脂肪球或微粒同機件發(fā)生高速撞擊以及高速液料流在通過均質閥時產(chǎn)生的旋渦作用，使脂肪球或微粒碎裂，從而達到均質的目的，如圖所示。二、離心式均質機

離心式均質機是一種兼有均質及凈化功能的均質機。1．工作原理離心式均質機是以一高速回轉鼓使液料在慣性離心力的作用下分成密度大、中、小三相，使密度大的物料成分(包括雜質)趨向鼓壁，密度中等的物料順上方管道排出，密度小的脂肪類被導入上室。上室內有一塊帶尖齒的圓盤，使物料以很高的速度圍繞該盤旋轉并與其產(chǎn)生的劇烈的相對運動，使得局部產(chǎn)生旋渦，引起脂肪球破裂而達到均質的目的．2．結構離心式均質機主要由轉鼓、帶齒圓盤及傳動機構組成。①轉鼓如圖5—50a所示，它由轉軸、碟片等組成。為增加分離能力，一般裝有數(shù)十塊碟片。碟片形式與離心機的碟片相似?！あ趲X圓盤結構如圖所示。盤上有突出的尖齒，一般為12齒。齒的前端邊緣呈流線型，后端邊緣則削平。工作時，圓盤隨轉鼓一起回轉，轉鼓的上方中心處是料液進三、超聲波均質機★超聲波均質原理：超聲波均質是利用聲波和超聲波，在遇到物體時會迅速地交替壓縮和膨脹的原理設計：

物料在超聲波的作用下，當處在膨脹的半個周期內，受到拉力，則料液呈氣泡膨脹，當處在壓縮的半個周期內，氣泡則收縮，當壓力變化幅度很大時，若壓力振幅低于低壓，被壓縮的氣泡會急劇崩潰，則在料液中會出現(xiàn)“空穴”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，又隨著振幅的變化和外壓的不平衡而消失。在空穴消失的瞬時，液體的周圍引起非常大的壓力和溫度增高，起著非常復雜而強有力的機械攪拌作用，以達到均質的目的。

★超聲波均質機頻率根據(jù)這個原理，超聲波均質機是通過將頻率為20～25kHz的超聲波發(fā)生器放入料液中?！锍暡ň|機按超聲波發(fā)生器的形式分為：機械式、磁控式和壓電晶體式等?！锿ㄟ^一定的方法在微?；瘏^(qū)域內制造速度梯度以產(chǎn)生剪切力，使物料微?；虼蛩橹厩蛞赃_到物料的均質。

★膠體磨則利用兩盤面的相對運動來維持盤面間隙中的速度梯度和剪切力，其能量的消耗主要為動能。(1)機械式超聲波均質機

機械式超聲波均質機主要由噴嘴和簧片組成。如圖所示：機械式超聲波原理★超聲波傳給料液，使料液即呈現(xiàn)激烈的攪拌狀態(tài)，料液中的大粒子便碎裂，料液遂被均質化，均質后的料液即從出口排出?！餀C械式超聲波均質機適用于牛奶、花生油、乳化油和冰淇淋等食品的加工中.超聲波均質機對安裝及使用有一定的要求：①安裝基礎需堅固、平坦，其縱向和橫向的水平度允許差為0.5／1000(mm)②因均質機冷卻要求高，為此冷卻措施要得當。③對密封要求高，同時還需經(jīng)常加以檢查。④運動部件要保持潤滑，要有檢查油泵的制度。

⑤均質機要注意滅菌，機器停止工作時應立即拆洗消毒。

磁控振蕩式均質機磁控振蕩器式均質機的超聲波發(fā)生器用鎳粒鐵等磁歪振蕩使頻率達幾kHz，使料液在強烈的攪拌作用而達到均質。

壓電晶體振蕩式均質機

壓電晶體振蕩器式均質機用鈦酸鋇或水晶振蕩子作超聲波發(fā)生器，使振蕩頻率達幾十kHz以上，對料液進行強烈振蕩而達均質。膠體磨膠體磨工作原理膠體磨由一固定的表面(定盤)和一旋轉的表面(動盤)所組成。兩表面間有可調節(jié)的微小間隙，物料就在此間隙中通過。物料通過間隙時，由于轉動件高速旋轉，附于旋轉面上的物料速度最大，而附于固定面上的物料速度為零。其間產(chǎn)生急劇的速度梯度，從而物料受到強烈的剪力摩擦和湍動攪動，使物料乳化、均質。(1)定盤、動盤這是一對運動部件。工作時，物料通過定盤與動盤之間的圓環(huán)間隙，在動盤的高速轉動下，物料受其剪切力、摩擦力、撞擊力和高頻振動等復合力的作用而被粉碎、分散、研磨、細化和均質。調節(jié)裝置膠體磨均質機根據(jù)物料的性質、需要細化的程度和出料等因素進行調節(jié)。調節(jié)時，可以通過轉動調節(jié)手柄由調整環(huán)帶動定盤軸向位移而使空隙改變。若需要大的粒度比，調整定盤往下移；定盤向上移則為粒度比小。一般調節(jié)范圍在0．005—1．5mm之間。為避免無限度地調節(jié)而引起定、動盤相碰，在調整環(huán)下方設有限位螺釘，當調節(jié)環(huán)頂?shù)铰葆敃r便不能再進行調節(jié)。在食品工業(yè)中用膠體磨加工的品種有，紅果醬、胡蘿卜醬、桔皮醬、果汁、食用油、花生蛋白、巧克力、牛奶、豆奶、山楂糕、調味醬料、乳白魚肝油等。另外，膠體磨還廣泛用于化學工業(yè)、制藥工業(yè)、化妝品工業(yè)中。均質機的設計主要考慮通過一定的方法在微?；瘏^(qū)域內制造速度梯度以產(chǎn)生剪切力，使物料微?；虼蛩橹厩蛞赃_到物料的均質。如高壓均質是通過均質閥間隙的壓力降來維持速度梯度，其消耗的能量主要是壓力能.離心式均質是利用帶有齒形的轉盤轉動在徑向上的線速不同而產(chǎn)生速度梯度。膠體磨則利用兩盤面的相對運動來維持盤面間隙中的速度梯度和剪切力，其能量的消耗主要為動能。第六章蒸發(fā)結晶與離子交換設備

第一節(jié)蒸發(fā)濃縮設備蒸發(fā)是將稀溶液加熱沸騰，使溶劑氣化而將溶液濃縮的過程.蒸發(fā)濃縮是食品工廠中使用最廣泛的濃縮方法，其設備隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，不斷改進和更新，不少新的結構型式，從化工、醫(yī)藥工業(yè)引進來，推動了濃縮工藝和設備的發(fā)展.蒸發(fā)過程的必要條件：①供應足夠的熱能，以維持溶液的沸騰溫度和補充因溶劑氣化所帶走的熱量.②促使溶劑蒸氣迅速排除組成:蒸發(fā)設備由蒸發(fā)器(具有加熱界面和蒸發(fā)表面)、冷凝器和抽氣泵等部分組成．類型及特點

(1)按蒸發(fā)面上的壓力分①常壓濃縮設備溶劑氣化后直接排入大氣，蒸發(fā)面上為常壓，如麥芽汁煮沸鍋，常壓熬糖鍋等。設備結構簡單、投資省、維修方便，但蒸發(fā)速率低。②真空濃縮設備溶劑從蒸發(fā)面上氣化后進入負壓狀態(tài)，采用真空濃縮有很多優(yōu)點(2)按加熱蒸汽被利用的次數(shù)分

①單效濃縮設備?！ぁ＂陔p效濃縮設備。⑧多效濃縮設備。④帶有熱泵的濃縮設備?！?3)按料液的流程分

①循環(huán)式有強制循環(huán)與。自然循環(huán)之分。②單程式。4)按料液蒸發(fā)時的分布狀態(tài)分①非膜式料液在蒸發(fā)器內聚集在一起，只是翻滾或在管中流動膜式蒸發(fā)器又可分為：④盤管式濃縮器；⑥中央循環(huán)管式濃縮器。形成大蒸發(fā)面②薄膜式料液在蒸發(fā)時被分散成薄膜狀。薄膜式蒸發(fā)器又可分為：④升膜式；⑤降膜式，⑥片式，⑧刮板式：⑧離心式薄膜蒸發(fā)器等。薄膜式蒸發(fā)器的水分蒸發(fā)快，因其蒸發(fā)面積大，熱利用率高，但結構較非膜式復雜。蒸發(fā)濃縮設備的選擇①熱敏性·對熱過程很敏感，受熱后會引起產(chǎn)物發(fā)生化學變化或物理變化而影響產(chǎn)品質量的性質稱為熱敏性。②結垢性有些溶液在受熱后，會在加熱面上形成積垢，從而增加熱阻，降低傳熱系數(shù)，嚴重影響蒸發(fā)效能，甚至因此而停產(chǎn)。⑧發(fā)泡性有些溶液在濃縮過程中，會產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡易被二次蒸汽帶走進入冷凝器，一方面造成溶液的損失，增加產(chǎn)品的損耗，另一方面污染其他設備，嚴重時會造成不能操作④結晶性有些溶液在濃度增加時；會有晶粒析出，大量結晶沉積則會妨礙加熱面的熱傳導，嚴重時會堵塞加熱管。⑤粘滯性有些料液濃度增大時，粘度也隨著增大，而使流速降低，傳熱系數(shù)也隨之減小，生產(chǎn)能力下降.⑥腐蝕性蒸發(fā)腐蝕性較強的料液時，設備應選用防腐蝕的材料或是結構上采用更換方便的型式，使腐蝕部分易于定期更換。選擇時要全面衡量，使?jié)M足如下幾點要求：①滿足工藝要求，如溶液的濃縮比，濃縮后的收得率，保持溶液的特性，②傳熱效果好，傳熱系數(shù)高，熱利用率高。⑧結構合理緊湊，操作清洗方便，安全可靠。④動力消耗要小，如攪拌動力或真空動力消耗等。⑤易于加工制造，維修方便，既要節(jié)省材料、耐腐蝕，又要保證足夠的機械強度。常壓蒸發(fā)濃縮設備

真空蒸發(fā)設備溶液在真空狀態(tài)，較低溫度下即沸騰、溶劑汽化，這稱為真空蒸發(fā)濃縮。物料的蒸發(fā)溫度為50、75℃。雖然蒸發(fā)溫度比較低，但對于循環(huán)式真空蒸發(fā)設備因蒸發(fā)時間很長對熱敏物質還是有較大影響的。分類(1)管式薄膜蒸發(fā)器液膜是在管壁加熱時形成的，按其流動的方向可分為c①升膜式蒸發(fā)器形成的液膜與蒸發(fā)的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。②降膜式蒸發(fā)器形成的液膜與蒸發(fā)的汽流的方向相同，由上而下并流下降。③升降膜式蒸發(fā)器將同一蒸發(fā)器的加熱管分成兩程，溶液先以升膜式進行蒸發(fā)，再以降膜式進行蒸發(fā)。(2)刮板式薄膜式蒸發(fā)器液膜是靠轉動的刮板作用在蒸發(fā)器內壁形成。(3)離心薄膜蒸發(fā)器利用旋轉的加熱面，使進入加熱面的溶液在離心力場作用下形成液膜?！どな秸舭l(fā)設備刮板式薄膜蒸發(fā)器

刮板式薄膜蒸發(fā)器有固定刮板式和活動刮板式兩種。按其安裝形式又有立式和臥式之分，而立式又分降膜式和升膜式兩種。其結構見圖6—14和圖6—15。主要由轉軸、料液分配盤、刮板、軸承、軸封、蒸發(fā)室和夾套加熱室等組成。五、離心式薄膜蒸發(fā)器離心薄膜蒸發(fā)器的結構，它很相似于碟式分離機，但這里的碟片是中空夾層的，若干個空心錐形碟片組裝在轉鼓內，轉鼓底與空心主軸相聯(lián)．錐形碟片的小端封閉，大端則與一環(huán)箍相聯(lián)，環(huán)箍上鉆有若干個徑向和軸向的小孔，徑向孔通向碟片的中空夾層，軸向孔在若干個碟片組裝后，由于上下對準而形成一個由底到頂?shù)妮S向孔道，沿環(huán)箍紳周圍分布有許多箍條板式蒸發(fā)器板式蒸發(fā)器由板式加熱器與汽液分離器組成，板式加熱器與板式換熱器結構相似。優(yōu)點是:體積小，料液在器內停留時間短(僅數(shù)秒)，傳熱系數(shù)高，易清洗，加熱面積可隨意調整，適用于如牛奶、果汁等熱敏性料液的蒸發(fā)。缺點是密封墊片易老化而泄漏，使用壓力有限等。它不僅有單效，也有雙效流程。另外一種脹流式蒸發(fā)器，也是一種新型的薄膜蒸發(fā)器，它似乎可以看作是板式蒸發(fā)器的一種變形.脹流式蒸發(fā)器的工作過程蒸汽由A進入加熱段以加熱流過板片間隙的料液，冷凝后由D排出。料液由召進入，經(jīng)主軸管上升由噴嘴向各板分配，順板片上升，受熱開始沸騰，在板片的周圍是汽液分離室，二次蒸汽由C排出，濃縮液落到底部排出系統(tǒng)正之外。這種新型蒸發(fā)器，有單效、雙效及多效，其特點是結構緊湊，占地面積小。工藝流程第二節(jié)結晶設備一、結昌原理1．晶體的特點晶體是具有一定幾何晶形，一定顏色的固體。物質自溶液中成晶體狀態(tài)析出，或從熔融狀態(tài)受冷時成晶體狀態(tài)凝結的過程稱為結晶。晶體上的物質質點儲存的能量最小(對比于其他狀態(tài))，質點只能在晶體上的一定位置振動，而且振動釣平均位置不變，保持晶格不致破壞，因此晶體是一種穩(wěn)定的固體狀態(tài)。晶體是純的，化學均一性的固體，同·一晶體內務個不同部位的成分和結構是相同的。對要求純度較高的固體產(chǎn)品，多采用結晶的辦法來提取私提純。2．溶解與結晶當晶體置于溶劑(或未飽和的溶液)中時，它的質點受溶液分子的吸引和碰撞，即會吸收能量而均勻的擴散于溶液中(或與溶液形成化合物、水合物等)，同時已溶解的固體質點也會碰撞到晶體上，放出能量而重新結晶析出。特點1、若溶液未飽和，則溶解速度大于結晶速度，這就表現(xiàn)為溶解，溶解時所吸收熱量稱為溶解熱。2、溶解速度與結晶速度慢慢趨向相等，溶解與結晶就處于動態(tài)平衡時，這時的溶液稱為飽和溶液。物質溶解的量稱為溶解度。3、當濕度的升高，質點能量增加，擴散運動增大，晶體的溶解量增多，溶解度就升高，溶解速度與結晶速度慢慢趨向相等，溶解與．結晶就處于動態(tài)平衡，這時的溶液稱為飽和溶液。物質溶解的量稱為溶解度。

4、工業(yè)生產(chǎn)上可采用蒸發(fā)濃縮，冷卻或其他降低溶解度的方法來破壞溶液的動態(tài)平衡，使溶質結晶。晶核形成與晶體的長大晶體的形成與長大是一個比較復雜的過程，受溶質質點(或它們的水合物質點)在溶液中的碰撞、吸引、擴散、排列等因素的影響。如果它們互相碰撞，即會放出能量而聚合結晶。當溶液中不穩(wěn)定的高能質點很多，多到足以