食品机械与设备第七章

食品机械与设备第七章第一节：概论混合是食品加工工艺过程中重要的单元操作之一。“混合”是使两种或两种以上不同组分的物质在外力作用下由不均匀状态达到相对均匀状态的过程。经过混合操作后得到的物料称为混合物。食品加工中的混合操作的任务主要是通过混合获得化学、物理均匀度达到要求的混合产品,比如饮料、乳制品的配制,糖果、糕饼原料的配制,调味料的配制,营养强化处理,添加剂的配制等等均需要经过混合才能获得质地均匀的物料。同时通过混合可以实现某种工艺目的,例如混合在工艺过程中可以促进溶解、结晶、吸收、浸出、吸附、乳化、生物化学反应;防止悬浮物沉淀以及增加加热和冷却的均匀性等等。第2页,共38页，2024年2月25日，星期天在食品加工中,一般有以下几种类型的混合物:固体与固体、固体与液体、液体与液体、液体与气体物料相混合构成的混合物和固体一液体一气体三类物料构成的混合物。固体一固体的混合过程中,混合纯粹是粉粒体之间发生的物理现象。液体一液体的混合过程中,物料之间可以有互溶或乳化等物化反应现象。固体一液体的混合过程中,当液相多固相少时,可以形成溶液或悬浮液;当液相少固相多时,混合的结果仍然是粉粒状或是团粒状。当液相和固相的比例在某一特定的范围内,可能形成粘稠状物料或无定形团块(如面团),这时混合的特定名称可称为“捏和”或“调和”,这是一种很特殊的相变状态。固体一液体一气体的混合过程,是食品生产中特有的混合现象,一部分食品生产中要将空气或惰性气体混入物料以增加物料的体积、减小容重并改善物料的质构、流变特性和口感,如蛋液搅拌、制造充气糖果和冰淇淋等。第3页,共38页，2024年2月25日，星期天

在食品加工中,根据被混合的物料性质和状态,将混合作业机械分成混合机、搅拌机、捏和机。混合物料是以固体干物料为主的混合作业机械称为混合机;是以较低粘度的液体物料为主的混合作业机械叫做搅拌机;是以高粘度稠浆料和粘弹性物料为主的混合作业的机械称作捏合(和)机。第4页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节：液体混合机械与设备在食品加工中,液体混合主要用于互溶或互不相溶的液体与液体之间的混和,固体悬浮液的制取以及促进液体中固体的溶解、强化热交换的操作中。比如乳液的混和、原料糖浆的制备、糖果生产中的溶糖操作以及蛋品生产中的打蛋操作。其目的在于促进物料的传热,使物料温度均匀化:促进物料中各成分混合均匀:促进溶解、结晶、浸出、凝聚、吸附等过程的进行;促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。液体的混和常用的设备是搅拌机。液体的混合也称作搅拌。

第5页,共38页，2024年2月25日，星期天低、中粘度液体混合的强度取决于流型,即对流的强制程度。低、中粘度液体混合过程中对流的形式有主体对流和涡流对流。

主体对流是指在搅拌过程中,搅拌器把动能传给周围的液体,产生一股高速的液流,这股液流推动周围的液体,逐步使全部的液体在容器内流动起来,这种大范围的循环流动引起的全容器范围的混合叫做“主体对流扩散”。

涡流对流是指当搅拌产生的高速液流在静止或运动速度较低的液体中通过时,处于高速流体与低速流体的分界面上的流体受到强烈的剪切作用。因此,在此处产生大量的漩涡,这种漩涡迅速向周围扩散,一方面把更多的液体夹带着加入“宏观流动”中;另一方面又形成局部范围内物料快速而紊乱的对流运动,这种运动被称为“涡流对流”。第6页,共38页，2024年2月25日，星期天第7页,共38页，2024年2月25日，星期天低粘度液体搅拌时,叶片造成的液流有三个分速度,即轴向速度、径向速度和切向速度。其中轴向速度和径向速度对液体的搅拌混合起着主要作用。在搅拌过程中,所有叶片都存在切向速度,无论是桨式、涡轮式或是推进式叶轮,只要是安装在容器中心位置上,而叶轮的旋转速度又足够高,那么,叶片所产生的切线速度会促使液体围绕搅拌轴以圆形轨迹回转,形成不同的液流层,同时产生液面下陷的漩涡(图7-13)。叶片转速愈高,漩涡愈深,这对搅拌多相系物料的结果不是混合而是分层离散。当漩涡深度随转速增加到一定值后,还会在液体表面吸气,引起其密度变化和搅拌机振动等现象。为了减少打旋现象,最常用的方法就是在容器壁内加设挡板。

挡板有两个作用,一是改变切向流动,二是增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善湍动效果。

第8页,共38页，2024年2月25日，星期天第9页,共38页，2024年2月25日，星期天第三节固体混合机械与设备

1.混合机理在食品加工中,固体混合操作常用于原料的配制及产品的制造,如谷物、面粉的混合,粉状食品中添加辅料和添加剂,固体饮料的制造、汤粉的制造、调味粉的制造等等。固体物料主要靠机械外力产生流动引起混合。固体颗粒的流动性是有限的,流动性又主要与颗粒的大小、形状、相对密度和附着力有关。混合的形式有对流混合、扩散混合和剪切混合。

第10页,共38页，2024年2月25日，星期天(1)对流混合

对流混合又称为体积混合或移动混合。是指物料在混合容器和搅拌装置的运动作用下,各组分物料以成团的形式从一处移向另一处而产生的混合现象。这种混合作用通常发生在混合的初始阶段,对流混合的混合速度较快,但是混合的均匀程度较差。对流混合在固定容器式混合机中表现得非常明显。

(2)扩散混合

扩散混合又称为点混合。是指物料由于单个粒子以分子扩散形式向四周作无规律运动而产生的混合现象。这种混合作用通常发生在混合操作的中后期,扩散混合的混合速度较慢,但是最终达到的混合的均匀程度较高,扩散混合在旋转容器式混合机中表现得特别明显。

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(3)剪切混合剪切混合又称为面混合或切变混合。是指物料受剪切作用组分内部粒子之间产生相对滑动,物料组分被拉成愈来愈薄的料层,使组分之间接触界面愈来愈大,从而引起的混合现象。剪切混合现象在液体与固体混合的捏和机和高粘度液体的搅拌机中表现得特别明显。

在各种混合设备的工作过程中,对流、扩散和剪切混合三种形式同时存在,只是在不同的机型、物料性质和不同的混合阶段所表现的主导混合形式有所不同。在固体混合时,由于固体粒子具有自动分级的特性,混合的同时常常伴随着产生离析现象。第12页,共38页，2024年2月25日，星期天2.混合均匀度的表示方法

混合物的混合均匀程度是衡量混合机性能好坏的主要技术指标之一。通常用混合物中定量统计组分含量的变异系数CV来衡量。变异系数是指混合物中定量统计组分的含量偏离配方要求含量的程度。经过充分混合后,混合物为无秩序的,不规则排列的随机完全混合状态。这时,在混合物内任意处的随机取样中,同一种组分的摩尔分数应该接近一致。从混合机中取n个样品,每个样品中定量统计组分的摩尔分数分别为x1、x2、…、xN,当测定次数为有限次数n时,定量统计组分摩尔分数的算术平均值为:标准偏差为则变异系数为

混合物的变异系数愈大,则混合均匀程度愈差。

第13页,共38页，2024年2月25日，星期天3.混合过程在混合操作中,粉料颗粒随机分布不规则具有随机性,受混合机作用,物料流动,粉料颗粒的自动分级特性引起性质不同的颗粒产生离析。因此在任何混合操作中,粉料的混合与离析同时进行,一旦达到某一平衡状态,混合程度也就确定了,如果继续操作,混合效果的改变也不明显。混合过程中混合物的混合均匀度与混合时间的变化关系曲线称为混合特性曲线(图7-13)。第14页,共38页，2024年2月25日，星期天由混合特性曲线可以看出固体混合过程分为三个阶段,初始阶段是混合刚开始的一段时间,混合物的变异系数在短时间内迅速下降,这一阶段以对流混合为主,离析作用不明显。接着进入混合均匀阶段,混合物的变异系数下降缓慢,在这一阶段对流混合和扩散混合共同作用,同时物料有离析作用发生。当混合物的变异系数达到一定数值时,混合进入平衡阶段,这一阶段混合物的混合作用与离析作用达到动态平衡,变异系数在一定的范围内上下波动,无限地延长混合时间,无助于混合均匀度的提高。第15页,共38页，2024年2月25日，星期天第四节固液混合机械与设备固液混合原理与应用

固液混合是指粉体中加少量液体或在高粘度物质和胶体物质中添加微量细粉末混合后成为均匀的可塑性物质或胶状物质的操作。加工对象主要是高粘度的非牛顿性糊状物或粘滞性固体物料。固液混合过程常常伴有化学反应或热量传递,以及物料的胶体化、分散系团块的碎解。固液混合机理服从于非牛顿型物料的混合机理。当固体和液体开始混合时是粉体的混合,接着剪切混合占主导地位,在压延、折叠、粉碎、压缩的作用下混合形成粘度极高的浆体或塑性固体。它是对流扩散和剪力同时发生的过程。这种混合物的粘度很高,流动极为困难,要想达到混合均匀,并产生均匀的塑性物质,需要利用特制的混合器——捏和机进行混合,因此固液混合又称捏和、调和。

第16页,共38页，2024年2月25日，星期天固液混合在食品加工中应用非常广泛,通常应用于面制品的面团调制、巧克力制品、鱼肉香肠、人造奶油和混合于酪等的制造过程中。例如制造面包时,须先将面粉、酵母、奶粉、少量脂肪和水在一定温度下混合,调成胶状物质,而后利用机械动作,使其成为可拉伸而柔韧的面团。在此面团中,各种成分必须均匀分散,特别是酵母液,如果混合不够,面团就不均匀;混合过度,将影响面团的含气性。此外,还应采取保温的措施以防在混合中面团因搅拌而升温。同样在制造糕饼时,也是先将面粉、脂肪、牛奶、鸡蛋和水等原料混合,混合时,要求利用混合器将空气带人混合物中,直至使混合物具有柔软的塑性,且充分乳化并含有气体的物质。

第17页,共38页，2024年2月25日，星期天第18页,共38页，2024年2月25日，星期天第19页,共38页，2024年2月25日，星期天第20页,共38页，2024年2月25日，星期天第21页,共38页，2024年2月25日，星期天第22页,共38页，2024年2月25日，星期天第五节气液混合机械与设备第23页,共38页，2024年2月25日，星期天第24页,共38页，2024年2月25日，星期天第25页,共38页，2024年2月25日，星期天

均质是一种特殊的混合操作，包括粉碎、混合双重作用。作用：

通过乳化均质处理，使两种通常不相容的液体进行密切混合，使一种液体粉碎成为极细微粒或小液滴，分散在另一种液体中，其产物为乳状液。应用：乳品、果汁、冰激淋等。

第五节均质机

一、均质及均质操作的作用第26页,共38页，2024年2月25日，星期天1、剪切学说：二、均质机工作原理目前均质机工作过程机理有三种假说：一般：在缝隙中心处液体流速最大，在缝隙避面处液体流速最小速度梯度剪切力脂肪球破裂均质均质头结构第27页,共38页，2024年2月25日，星期天均质前后的脂肪球第28页,共38页，2024年2月25日，星期天分类：高压均质机胶体磨喷射均质机离心均质机超声波均质机三、均质机分类与结构２、撞击学说

高压作用脂肪球与均质阀发生高速撞击脂肪球破裂均质３、空穴学说

高压液料高速流动高频振动液料交替压缩与膨胀引起空穴脂肪球破裂均质第29页,共38页，2024年2月25日，星期天1、高压均质机

（1）结构：往复泵+均质阀均质机的结构第30页,共38页，2024年2月25日，星期天工作原理①往复泵→单作用泵②往复泵→双作用泵第31页,共38页，2024年2月25日，星期天双作用泵排量图

单作用泵排量图第32页,共38页，2024年2月25日，星期天均质头的结构第33页,共