高压均质机原理与故障诊断研究

摘要：高压均质机作为一种现代新型乳化设备，已广泛应用于食品、医药、轻化、微生物等诸多行业，并得到了迅速发展。现从现代乳化工艺出发，介绍高压均质机原理、结构以及特点，并对均质机的常见故障诊断与维护进行分析。

关键词：高压均质机；乳化设备；故障诊断

引言

乳化方法包括物理化学乳化法和机械法。随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究，均质技术得到了迅猛发展，相应地出现了多种不同形式的均质机，其中典型的有高压均质机、离心式均质机、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质机等，它们已在食品、制药、化妆品等行业得到了广泛应用。不同形式的均质机使用范围有所不同，我们可以根据物料的浓度、黏度等特性的不同，选择相应的均质设备[1]。近年来，高压均质机的使用范围越来越广，我们日常生活中接触的牛奶、雪糕等食品的生产中就不乏其身影。高压均质机目前在制药行业也已普遍应用，以某药厂生产的鸦胆子油乳注射液为例，从大豆磷脂、甘油和精制鸦胆子油混合的初乳液到乳液成品，共经5次高压均质，粒径从原来的20μm以上细化到了10μm以下，药品生产质量大大提高。

1高压均质机的原理与结构

所谓均质（Homogenizing），就是将液态物料中的固态物质打碎，使固态颗粒实现超细化，并形成均匀的悬浮乳化液的工艺过程[2]。在高压条件下，流体流经均质阀微小的流道时所产生强烈的湍流和剪切效应会将流体中颗粒或滴液分解成微小的粒子。市面上以意大利GEANiro生产的具有三柱塞二级均质阀的高压均质机为主流产品。柱塞泵先通过大功率电机驱动，再由曲轴和连杆带动柱塞泵进行往复运动。柱塞前端的工作腔上下各有单向阀一个，上端为出料阀，下端为进料阀。当柱塞移动时泵腔内低压，出料阀关闭，进料阀打开，物料吸入；当柱塞反方向移动时泵腔内高压，进料阀关闭，出料阀打开，物料排出。高压均质机的核心在均质阀，简单来说，均质机等于高压泵加上均质阀。前面所说的动力源和出料阀，相当于给物料形成高压。如图1所示，力F1和F2使阀芯和阀座紧紧地贴合，当物料形成高压后，先通过右边的一级均质阀，推动阀芯，使得阀芯和阀座之间产生缝隙，并产生压力P1和P2与F1和F2平衡。一般地，总压力在60MPa（600bar）以下，二级压力（P2）为总压力（P1）的20%；总压力在150MPa（1500bar）以下，二级压力（P2）为总压力（P1）的10%。物料在通过一级均质阀后，压力从P1骤降至P2，在均质阀腔内形成空穴现象，同时物料通过阀芯和阀座时的剪切作用以及其他高速撞击现象，实现了物料的细化。

2高压均质机的特点

高压均质机与胶体磨、高剪切均质机、超声波均质机的对比：（1）高压均质机颗粒微细化能力强。前面介绍了均质阀的阀芯和阀座在初始力作用下是紧紧贴合的，只有形成高压时它们之间才形成物料通过的缝隙；胶体磨和高剪切均质机都依靠定转子高速旋转来实现颗粒微细化，相对均质阀而言必然有较大的间隙；超声波均质机是利用声波和超声波在遇到物体时会迅速地交替压缩和膨胀的原理[2]，它的细化作用也没有高压均质机好。（2）高压均质机耗能较大。以最高流量1800L/h、最高压力150MPa（1500bar）的三柱塞二级均质机为例，主电机功率110kW左右。同时，为冷却柱塞，还需要提供冷却水并保持一定流量，水电的消耗量比较突出。（3）高压均质机维护工作量较大，费用较高。高压均质机由于其工作压力相对较高，密封圈、均质阀芯、阀座、柱塞等磨损较为常见。视生产情况，除日常维护外，从运行1500h以后，需要定期更换齿轮减速箱油，检查皮带张力、水油气过滤器等。

3高压均质机故障诊断与维护

影响均质效果的因素包括产品本身、均质压力、均质阀磨损程度、均质温度、产品含气量。在生产中，我们应当尽可能保证物料的质量。但高压均质机因工作时处于高压状态，部件容易损坏，因此检查它们是否被正确安装、紧固或者是否磨损且需更换十分有必要。另外，一些特殊条件下的操作，如高温SIP灭菌、频繁冲洗及不正常的操作程序等，都会影响机器及其各部件的使用寿命。下面列举高压均质机部分故障，分析其可能的原因以及排除方法，以使机器恢复正常运行。（1）进出料单向阀漏液。三柱塞高压均质机包含6个单向阀，其中3个为进料阀，3个为出料阀。图2为某进口高压均质机单向阀结构图。漏液通常是O形圈、防挤压环磨损所导致。（2）均质阀漏液。均质阀内部结构复杂，包含均质头、均质环、均质环腔、均质座、O形圈、导向套等。针对均质阀漏液、均质总压不足、达不到均质压力、均质阀噪声等现象，除了检查O形圈外，有可能是均质头和均质座等损坏所致。（3）物料流速减慢。检查主电机皮带是否打滑、主电机转速是否降低、柱塞密封有无泄漏情况，或者物料中混入空气、阀弹簧断裂都会造成物料流速减慢甚至没有物料流动。（4）主电机过载。检查是否均质压力过高、动力传送端磨损或损坏、皮带张力过紧或主电机故障。总之，高压均质机的故障出现频率与日常维护是否到位、操作是否规范等是密不可分的。因此，对高压均质机除进行例行检查外，还应根据处理物料的不同经常更换垫圈、柱塞密封圈、传送阀、阀座和弹簧、均质阀等，并定期为机器更换齿轮油、水油气过滤器、柱塞等。

4结语

高压均质机作为一种新型的乳化设备，它的细化作用在各种乳化设备中效果最为明显。我们应当对基于机械乳化法的高压均质机原理和结构有更深的认识，这有利于我们对其进行正确的故障诊断及维护，提高设备的生产效率。均质机的作用主要有：提高产品的均匀度和稳定性，增加保质期，减少反应时间从而节省大量催化剂或添加剂，改变产品的稠度，改善产品的口味和色泽等等[3]，应用在制药行业上，还能提高药品生产的质量，使病人更容易对药物进行吸收，降低患者使用的风险。相信随着乳化工艺的深化发展，高压均质机也将有更深层次的技术发展。

［参考文献］

[1]张文明，杨诗斌，宋明淦，等.剪切式均质机的结构与理论研究[J].食品与机械，2001（3）：8-10.

[2]张勇.新型高剪切均质机的理论分析与设计[D].南京：东南大学，2006.

[3]雒亚洲，鲁永强，王文磊.高压均质机的原理及应用[J].中国乳品工业，2007，35（10）：55-58.

作者：温秋明 单位：广州白云山明兴制药有限公司