食品机械设备4课件

第五章搅拌及均质机

在食品工业中，常常使用搅拌和均质操作。搅拌，是指借助于流动两种或两种以上的物料在彼此之间相互散布的一种操作，其作用可以实现物质的均匀混合、促进溶解、气体吸收、强化热交换等物理及化学变化。均质，是指借助于流动中产生的剪切力将物料细化、将脂肪球碎化的操作。第一节搅拌的种类及其特性1、食品的搅拌主要是流体，2、按物相分类有：气体、液体、半固体及散粒状固体。3、按流体力学概念分类：牛顿型流体非牛顿型流体。一、牛顿型流体的概念在外力的推动下，由于搅拌器的作用而使流体运动。若下层不动，而在上层加一剪切力F时，就发生了运动。在稳态下，此力必与流体内由粘度而产生的内摩擦力相平衡。剪切应力与速度梯度成比例，即：牛顿型流体的特性1、对于牛顿型流体，无论搅拌程度激烈或缓和，它的粘度与静止相同，在同一搅拌设备内，各处的粘度也是一致的。2、剪切应力与速度梯度成正比。二、非牛顿型流体的概念凡是粘度随着剪切应力及速度梯度不同而变化时，即不符合式的线性关系的流体，称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的搅拌比牛顿型流体更加复杂。对表观粘度，必须指明是在某一速度梯度范围内的数值，否则是无意义的。K值的大小代表粘度的大小，而口值则代表非牛顿型的程度。非牛顿型流体分为与时间有关和与时间无关的两种。与时间有关的，如未成型的塑料这类分子量大于百万的那一类。

与时间有关的可分为宾格汉塑性、拟塑性和涨塑性三种流体；·三种流体的特性(1)宾格汉塑性流体(2)拟塑性流体(3)涨塑性流体物料在搅拌中，由于搅拌器的作用，产生了流动。这种流动发生剪切作用。但不同的物料，流体所产生的剪切力不同。对于牛顿型流体，无论搅拌程度如何，其粘度与静止时相同，在同一搅拌容器中，各处的粘度也一致，但对于非牛顿型流体，则搅拌的程度直接影响流体的性质。如搅拌拟塑性流体，流体的表观粘度值随搅拌的强化而减少，在同一搅拌容器中，流体受剪应力较大处表观粘度则较小，显然，搅拌器停转时，表观粘度呈最大。粘度是随温度的高低而明显变化的。根据这个特性，对高粘度的非牛顿型流体，根据它与温度的关系采取措施，也可以改善搅拌条件。对于涨塑性流体，流体的表观粘度则随搅拌的程度增加而增大。三、搅拌机的分类①搅拌机它以搅拌粘度较低的流体为主，适用于液—液混合及固—液悬浮液的混合，以及气—液混合等。

②调和机又称捏和机、揉和机。它以搅拌高粘度糊状物料及粘滞固体物料为主．它适合于液—液混和、固—液相混合或伴有充气、传热、改性等其他一些过程的搅拌操作。

⑧混和机它以搅拌干燥粒状固体物料为主，适合于固—固相混合。

按搅拌容器轴线的安装位置，可分为：立式搅拌机卧式搅拌机。

按搅拌机械的转速，可分为：低速搅拌机高速搅拌机。按搅拌机械的工作情况，可分为：间歇式搅拌机连续式搅拌机。搅拌机械基本结构

搅拌机械基本结构搅拌机械的种类较多，但其基本结构是一致的。主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成，分类1、搅拌机主要搅拌粘度较低的液体2、调和机主要搅拌粘度较高的糊状物料和粘滞固体物料。3、混和机主要搅拌固体物料搅拌机的基本

结构由搅拌浆、搅拌容器传动装置和轴封等组成。混合机理1、低粘度、中粘度物料的混合机理（1）主体对流（2）涡流对流2、高粘度物料的混合机理主要是搅拌的机械运动产生的剪切力，在剪切力很大时，对每一层撕到非常难以用肉眼分辨的程度，称为“混合”。液体剪切的混合作用搅拌机的结构1、浆式搅拌器

2、涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器的结构图为涡轮示意图。其结构是将桨叶直接焊于轮毂上。但折叶涡轮的桨叶则先在轮毂上开槽，桨叶嵌入后施焊。特点若将叶片改为折叶式搅拌，则可使液体产生轴向流动的效果。这种搅拌器混合效率高，有较强的剪切效应；对粘度为50MPa·s以下液体有良好的搅拌效果，适合于不互溶液体的分体、气体的溶解、固体在液体中的悬浮及溶液的热交换等。如在原料糖浆、油水混合溶液的制备中常用这种搅拌器。3、推进式叶轮搅拌器特点推进式叶轮混合效率较高，但是对于不互溶液体的搅拌，其混合效率受到一定的限制，它适合于对低粘度液料的操作，多用于液体粘度低于2Pa叫以下的固液混合。对纯液相物料，其粘度限制在SPa·s以下。分类4、搅拌罐结构的设计常用的是立式圆筒形容器，它有顶盖、筒体和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在常压或规定的温度及压力下，为物料完成其搅拌过程提供一定的空间．体长径比的选择应考虑以下三方面的因素：1、长径比对搅拌功率的影响一定结构型式搅拌器的桨叶直径与其装配的搅拌罐罐体内径通常有一定的比例范围。在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径约以5次方成正比，所以罐体直径大，搅拌功率增加。而减少长径比又无谓地损耗一些搅拌器功率。2、物料特性对罐体长径比的要求某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有特殊要求。例如发酵罐之类，为了使通过罐内的空气与发酵掖有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，就希望长径比取大些。罐体长径比对传热的影响某些需要通过搅拌器加速传热的物料，罐体韵长径比对夹套传热有显著的影响。容积一定，长径比越大则罐体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时，长径比越大，则传热表面距离中心越近，物料的温度梯度就越小，有利于提高传热效果。因此，仅从夹套传热角度考虑，一般希望长径比取大些。

根据上述因素及实践经验，搅拌罐的长径比取值为1.5~2.5。搅拌罐装料量1、装料系数2、确定筒体直径和高度档板搅拌器的传动装置调和机打蛋机有立式与卧式两种，以立式打蛋机为多用。图所示是立式打蛋机的结构简图。它通常由搅拌器、容器、传动装置及容器升降机构等组成。

其工作过程为：电机把动力传到传动装置，再传到搅拌器，搅拌器与容器间具有一定规律的相对运动，使物料得以搅拌，搅拌效果的好坏由搅拌器运动规律限制。调和机的传动机构混合机均质机食品均质机是食品的精加工机械。它常与物料的混合、搅拌及乳化机械配套使用。它的作用是将食品原料的浆、汁、液进行细化、混合、均质的处理，以提高食品质量和档次。一、高压均质机

高压均质机是以物料在高压作用下通过非常狭窄的间隙(一般<o．1mm)，造成高流速(150—200m／s)，使液料受到强大剪切力，同时，由于液料流中的脂肪球或微粒同机件发生高速撞击以及高速液料流在通过均质阀时产生的旋涡作用，使脂肪球或微粒碎裂，从而达到均质的目的，如图所示。二、离心式均质机

离心式均质机是一种兼有均质及净化功能的均质机。1．工作原理离心式均质机是以一高速回转鼓使液料在惯性离心力的作用下分成密度大、中、小三相，使密度大的物料成分(包括杂质)趋向鼓壁，密度中等的物料顺上方管道排出，密度小的脂肪类被导入上室。上室内有一块带尖齿的圆盘，使物料以很高的速度围绕该盘旋转并与其产生的剧烈的相对运动，使得局部产生旋涡，引起脂肪球破裂而达到均质的目的．2．结构离心式均质机主要由转鼓、带齿圆盘及传动机构组成。①转鼓如图5—50a所示，它由转轴、碟片等组成。为增加分离能力，一般装有数十块碟片。碟片形式与离心机的碟片相似。·②带齿圆盘结构如图所示。盘上有突出的尖齿，一般为12齿。齿的前端边缘呈流线型，后端边缘则削平。工作时，圆盘随转鼓一起回转，转鼓的上方中心处是料液进三、超声波均质机★超声波均质原理：超声波均质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设计：

物料在超声波的作用下，当处在膨胀的半个周期内，受到拉力，则料液呈气泡膨胀，当处在压缩的半个周期内，气泡则收缩，当压力变化幅度很大时，若压力振幅低于低压，被压缩的气泡会急剧崩溃，则在料液中会出现“空穴”现象，这种现象的出现，又随着振幅的变化和外压的不平衡而消失。在空穴消失的瞬时，液体的周围引起非常大的压力和温度增高，起着非常复杂而强有力的机械搅拌作用，以达到均质的目的。

★超声波均质机频率根据这个原理，超声波均质机是通过将频率为20～25kHz的超声波发生器放入料液中。★超声波均质机按超声波发生器的形式分为：机械式、磁控式和压电晶体式等。★通过一定的方法在微粒化区域内制造速度梯度以产生剪切力，使物料微粒化或打碎脂肪球以达到物料的均质。

★胶体磨则利用两盘面的相对运动来维持盘面间隙中的速度梯度和剪切力，其能量的消耗主要为动能。(1)机械式超声波均质机

机械式超声波均质机主要由喷嘴和簧片组成。如图所示：机械式超声波原理★超声波传给料液，使料液即呈现激烈的搅拌状态，料液中的大粒子便碎裂，料液遂被均质化，均质后的料液即从出口排出。★机械式超声波均质机适用于牛奶、花生油、乳化油和冰淇淋等食品的加工中.超声波均质机对安装及使用有一定的要求：①安装基础需坚固、平坦，其纵向和横向的水平度允许差为0.5／1000(mm)②因均质机冷却要求高，为此冷却措施要得当。③对密封要求高，同时还需经常加以检查。④运动部件要保持润滑，要有检查油泵的制度。

⑤均质机要注意灭菌，机器停止工作时应立即拆洗消毒。

磁控振荡式均质机磁控振荡器式均质机的超声波发生器用镍粒铁等磁歪振荡使频率达几kHz，使料液在强烈的搅拌作用而达到均质。

压电晶体振荡式均质机

压电晶体振荡器式均质机用钛酸钡或水晶振荡子作超声波发生器，使振荡频率达几十kHz以上，对料液进行强烈振荡而达均质。胶体磨胶体磨工作原理胶体磨由一固定的表面(定盘)和一旋转的表面(动盘)所组成。两表面间有可调节的微小间隙，物料就在此间隙中通过。物料通过间隙时，由于转动件高速旋转，附于旋转面上的物料速度最大，而附于固定面上的物料速度为零。其间产生急剧的速度梯度，从而物料受到强烈的剪力摩擦和湍动搅动，使物料乳化、均质。(1)定盘、动盘这是一对运动部件。工作时，物料通过定盘与动盘之间的圆环间隙，在动盘的高速转动下，物料受其剪切力、摩擦力、撞击力和高频振动等复合力的作用而被粉碎、分散、研磨、细化和均质。调节装置胶体磨均质机根据物料的性质、需要细化的程度和出料等因素进行调节。调节时，可以通过转动调节手柄由调整环带动定盘轴向位移而使空隙改变。若需要大的粒度比，调整定盘往下移；定盘向上移则为粒度比小。一般调节范围在0．005—1．5mm之间。为避免无限度地调节而引起定、动盘相碰，在调整环下方设有限位螺钉，当调节环顶到螺钉时便不能再进行调节。在食品工业中用胶体磨加工的品种有，红果酱、胡萝卜酱、桔皮酱、果汁、食用油、花生蛋白、巧克力、牛奶、豆奶、山楂糕、调味酱料、乳白鱼肝油等。另外，胶体磨还广泛用于化学工业、制药工业、化妆品工业中。均质机的设计主要考虑通过一定的方法在微粒化区域内制造速度梯度以产生剪切力，使物料微粒化或打碎脂肪球以达到物料的均质。如高压均质是通过均质阀间隙的压力降来维持速度梯度，其消耗的能量主要是压力能.离心式均质是利用带有齿形的转盘转动在径向上的线速不同而产生速度梯度。胶体磨则利用两盘面的相对运动来维持盘面间隙中的速度梯度和剪切力，其能量的消耗主要为动能。第六章蒸发结晶与离子交换设备

第一节蒸发浓缩设备蒸发是将稀溶液加热沸腾，使溶剂气化而将溶液浓缩的过程.蒸发浓缩是食品工厂中使用最广泛的浓缩方法，其设备随着生产发展的需要，不断改进和更新，不少新的结构型式，从化工、医药工业引进来，推动了浓缩工艺和设备的发展.蒸发过程的必要条件：①供应足够的热能，以维持溶液的沸腾温度和补充因溶剂气化所带走的热量.②促使溶剂蒸气迅速排除组成:蒸发设备由蒸发器(具有加热界面和蒸发表面)、冷凝器和抽气泵等部分组成．类型及特点

(1)按蒸发面上的压力分①常压浓缩设备溶剂气化后直接排入大气，蒸发面上为常压，如麦芽汁煮沸锅，常压熬糖锅等。设备结构简单、投资省、维修方便，但蒸发速率低。②真空浓缩设备溶剂从蒸发面上气化后进入负压状态，采用真空浓缩有很多优点(2)按加热蒸汽被利用的次数分

①单效浓缩设备。·。②双效浓缩设备。⑧多效浓缩设备。④带有热泵的浓缩设备。·(3)按料液的流程分

①循环式有强制循环与。自然循环之分。②单程式。4)按料液蒸发时的分布状态分①非膜式料液在蒸发器内聚集在一起，只是翻滚或在管中流动膜式蒸发器又可分为：④盘管式浓缩器；⑥中央循环管式浓缩器。形成大蒸发面②薄膜式料液在蒸发时被分散成薄膜状。薄膜式蒸发器又可分为：④升膜式；⑤降膜式，⑥片式，⑧刮板式：⑧离心式薄膜蒸发器等。薄膜式蒸发器的水分蒸发快，因其蒸发面积大，热利用率高，但结构较非膜式复杂。蒸发浓缩设备的选择①热敏性·对热过程很敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的性质称为热敏性。②结垢性有些溶液在受热后，会在加热面上形成积垢，从而增加热阻，降低传热系数，严重影响蒸发效能，甚至因此而停产。⑧发泡性有些溶液在浓缩过程中，会产生大量气泡。这些气泡易被二次蒸汽带走进入冷凝器，一方面造成溶液的损失，增加产品的损耗，另一方面污染其他设备，严重时会造成不能操作④结晶性有些溶液在浓度增加时；会有晶粒析出，大量结晶沉积则会妨碍加热面的热传导，严重时会堵塞加热管。⑤粘滞性有些料液浓度增大时，粘度也随着增大，而使流速降低，传热系数也随之减小，生产能力下降.⑥腐蚀性蒸发腐蚀性较强的料液时，设备应选用防腐蚀的材料或是结构上采用更换方便的型式，使腐蚀部分易于定期更换。选择时要全面衡量，使满足如下几点要求：①满足工艺要求，如溶液的浓缩比，浓缩后的收得率，保持溶液的特性，②传热效果好，传热系数高，热利用率高。⑧结构合理紧凑，操作清洗方便，安全可靠。④动力消耗要小，如搅拌动力或真空动力消耗等。⑤易于加工制造，维修方便，既要节省材料、耐腐蚀，又要保证足够的机械强度。常压蒸发浓缩设备

真空蒸发设备溶液在真空状态，较低温度下即沸腾、溶剂汽化，这称为真空蒸发浓缩。物料的蒸发温度为50、75℃。虽然蒸发温度比较低，但对于循环式真空蒸发设备因蒸发时间很长对热敏物质还是有较大影响的。分类(1)管式薄膜蒸发器液膜是在管壁加热时形成的，按其流动的方向可分为c①升膜式蒸发器形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。②降膜式蒸发器形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由上而下并流下降。③升降膜式蒸发器将同一蒸发器的加热管分成两程，溶液先以升膜式进行蒸发，再以降膜式进行蒸发。(2)刮板式薄膜式蒸发器液膜是靠转动的刮板作用在蒸发器内壁形成。(3)离心薄膜蒸发器利用旋转的加热面，使进入加热面的溶液在离心力场作用下形成液膜。·升膜式蒸发设备刮板式薄膜蒸发器

刮板式薄膜蒸发器有固定刮板式和活动刮板式两种。按其安装形式又有立式和卧式之分，而立式又分降膜式和升膜式两种。其结构见图6—14和图6—15。主要由转轴、料液分配盘、刮板、轴承、轴封、蒸发室和夹套加热室等组成。五、离心式薄膜蒸发器离心薄膜蒸发器的结构，它很相似于碟式分离机，但这里的碟片是中空夹层的，若干个空心锥形碟片组装在转鼓内，转鼓底与空心主轴相联．锥形碟片的小端封闭，大端则与一环箍相联，环箍上钻有若干个径向和轴向的小孔，径向孔通向碟片的中空夹层，轴向孔在若干个碟片组装后，由于上下对准而形成一个由底到顶的轴向孔道，沿环箍绅周围分布有许多箍条板式蒸发器板式蒸发器由板式加热器与汽液分离器组成，板式加热器与板式换热器结构相似。优点是:体积小，料液在器内停留时间短(仅数秒)，传热系数高，易清洗，加热面积可随意调整，适用于如牛奶、果汁等热敏性料液的蒸发。缺点是密封垫片易老化而泄漏，使用压力有限等。它不仅有单效，也有双效流程。另外一种胀流式蒸发器，也是一种新型的薄膜蒸发器，它似乎可以看作是板式蒸发器的一种变形.胀流式蒸发器的工作过程蒸汽由A进入加热段以加热流过板片间隙的料液，冷凝后由D排出。料液由召进入，经主轴管上升由喷嘴向各板分配，顺板片上升，受热开始沸腾，在板片的周围是汽液分离室，二次蒸汽由C排出，浓缩液落到底部排出系统正之外。这种新型蒸发器，有单效、双效及多效，其特点是结构紧凑，占地面积小。工艺流程第二节结晶设备一、结昌原理1．晶体的特点晶体是具有一定几何晶形，一定颜色的固体。物质自溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷时成晶体状态凝结的过程称为结晶。晶体上的物质质点储存的能量最小(对比于其他状态)，质点只能在晶体上的一定位置振动，而且振动钓平均位置不变，保持晶格不致破坏，因此晶体是一种稳定的固体状态。晶体是纯的，化学均一性的固体，同·一晶体内务个不同部位的成分和结构是相同的。对要求纯度较高的固体产品，多采用结晶的办法来提取私提纯。2．溶解与结晶当晶体置于溶剂(或未饱和的溶液)中时，它的质点受溶液分子的吸引和碰撞，即会吸收能量而均匀的扩散于溶液中(或与溶液形成化合物、水合物等)，同时已溶解的固体质点也会碰撞到晶体上，放出能量而重新结晶析出。特点1、若溶液未饱和，则溶解速度大于结晶速度，这就表现为溶解，溶解时所吸收热量称为溶解热。2、溶解速度与结晶速度慢慢趋向相等，溶解与结晶就处于动态平衡时，这时的溶液称为饱和溶液。物质溶解的量称为溶解度。3、当湿度的升高，质点能量增加，扩散运动增大，晶体的溶解量增多，溶解度就升高，溶解速度与结晶速度慢慢趋向相等，溶解与．结晶就处于动态平衡，这时的溶液称为饱和溶液。物质溶解的量称为溶解度。

4、工业生产上可采用蒸发浓缩，冷却或其他降低溶解度的方法来破坏溶液的动态平衡，使溶质结晶。晶核形成与晶体的长大晶体的形成与长大是一个比较复杂的过程，受溶质质点(或它们的水合物质点)在溶液中的碰撞、吸引、扩散、排列等因素的影响。如果它们互相碰撞，即会放出能量而聚合结晶。当溶液中不稳定的高能质点很多，多到足以