粉碎、均质及混合机械与设备

第三章粉碎、均质及混合机械与设备本章主要讲述食品加工过程中需要用的各种粉碎、均质及混合机械设备。•第一节粉碎机械•第二节均质机•第三节混合机械•第四节调和机械第三章粉碎、均质及混合机械与设备第一节粉碎机械本节主要讲述在加工过程中常用的食品粉碎机械。具体内容包括以下四个方面：一、食品粉碎的基本知识二、锤式粉碎机三、辊式磨粉机四、其他粉碎机一、食品粉碎的基本知识（一）粉碎的概念利用机械的方法使固体物料由大块分裂成小块直至细粉的操作成为粉碎。粉碎是食品加工中对原料进行预处理的基本操作之一。（二）粉碎的目的有利于不同组分物料的均匀混合；便于对原料颗粒内的成分进行分离；提高物料的流动性；提高物料的工艺能力。（三）粉碎的方法粉碎的方法主要有五种：①挤压②撞击③折断④研磨⑤剪切。实际上，粉碎是一个复杂的过程，各种粉碎机械往往是采用两种或两种以上的方法对物料进行粉碎的。•（四）粉碎比•式中：ｉ———平均粉碎比；•Ｄ———物料粉碎前的平均直径，ｍｍ；•ｄ———物料粉碎后的平均直径，ｍｍ。•常用其允许的最大进料口尺寸与最大出料口尺寸之比作为粉碎比，称为公称粉碎比。一般破碎机械的公称粉碎比为３～１０，而粉磨机械则可达３０～１０００以上。•（五）粉碎操作•（１）粉碎的级数•当工艺要求的粉碎比较大时，由于一次粉碎比很大，常采用多级粉碎，使每一级负担一定的粉碎比。•多级粉碎的总粉碎比为：•ｉ０＝ｉ１·ｉ２·ｉ３··ｉｎ•（２）粉碎流程•粉碎工艺的流程有开路粉碎和闭路粉碎两种。二、锤式粉碎机锤式粉碎机是利用高速旋转的锤片对于物料施加强烈的作用而将物料粉碎的机器。其工作原理主要是撞击粉碎，同时还存在摩擦和剪切，所以既适用脆性物料，也适用于韧性物料，故也叫万能粉碎机。它的优点是结构简单，操作方便，生产效率高。缺点是作用机理复杂，粒度不能严格控制，粉碎比变化大。锤式粉碎机在食品中应用十分广泛，主要用于食品原料和中间产品的粉碎，如玉米、小麦、谷类、食盐、糖等。（一）锤式粉碎机的工作过程及结构型式锤式粉碎机主要由进料装置、机壳、转子、齿板、筛板、风机和排料装置等组成。•１—吸料管；２—锤架板；３—风机；４—回料管；５—出料管；６—集料筒；７—齿板；８—转子；９—锤片；１０—筛板•锤片形状由被破碎的物料而定，锤片棱角多，粉碎力强，耐磨性差，尖角适合粉碎纤维性物料，环形锤片磨损均匀。锤片的长度一般不超过２００ｍｍ。由于工作时不断地与物料撞击、摩擦，锤片的磨损很大，一般寿命为２００～５００ｈ。锤片的材料常为１０、２０低碳钢，为了延长使用寿命，一般要做表面渗碳和渗硼处理，或在工作面上堆焊碳化钨或耐磨合金等。•筛板是锤式粉碎机的排料装置，一般用１～１．５ｍｍ厚的优质钢板冲孔制成。通常设在转子下半周的位置。筛孔的直径一般分为四个等级，小孔１～２ｍｍ，中孔３～４ｍｍ，粗孔５～６ｍｍ，大孔８ｍｍ以上。锤式粉碎机可分为三种型式：切向喂料式、轴向喂料式和径向喂料式。切向喂料式轴向喂料式径向喂料式•（二）锤式粉碎机的主要性能参数•１．粉碎比•锤式粉碎机有很高的粉碎比，单转子式锤碎机的粉碎比在１０～１５之间。由于产品粒度的大小主要取决于筛孔的尺寸，缩小筛孔尺寸可加大粉碎比，减小产品粒度。但缩小筛孔尺寸会影响粉碎机的生产能力。•２．转子的转速•锤式粉碎机的转速取决于锤片破碎物料时所需的动能。因此，转速的大小与锤片的质量有关，质量越大，则其破碎能力越强，但旋转时的离心力也越大。故锤片及其圆周速度的增大受到粉碎机零件强度的限制。单转子式锤碎机的圆周速度为４０～５０ｍ／ｓ，转子的转速为７００～１３００ｒ／ｍｉｎ。•３．生产能力•锤式粉碎机的生产能力与转子的长度、筛板的孔隙大小、锤片的质量、转速、粉碎比、加料情况及物料的性状有关。根据经验，可用下式概略计算：Ｇ＝（３０～４５）ＤＬρ•Ｇ———生产能力，ｋｇ／ｈ；•Ｄ———按锤片外缘计算的转子直径，ｍ；•Ｌ———转子长度，ｍ；•ρ———物料粉碎前的密度，ｋｇ／ｍ３。•（三）锤式粉碎机的使用与维护•（１）锤式粉碎机工作时，应先起动机器，再投入物料。切忌在满负荷时起动。•（２）进入锤式粉碎机的物料，应通过电磁离析器去除金属杂质，以免损坏机件。•（３）要根据产品的粒度选择筛板，筛板与锤片之间的间隙要根据物料性质加以调整。我国设计的粉碎机推荐锤筛间隙为：谷物４～８ｍｍ；通用型１２ｍｍ。•（４）筛板和锤片工作时会因强大冲击力及磨损而损坏，要注意其使用情况，经常检查，随时更换。筛板的寿命不应以筛面破损为准，应视筛孔边缘的磨损程度而定。•（５）锤式粉碎机对湿度大的物料粉碎效果较差，故进入机器的物料湿度不要大于１５％。•（６）停机前，应先停止进料，待机内物料基本排空后再停机。三、辊式磨粉机辊式磨粉机是食品工作中广泛使用的一种粉碎设备，最常见于面粉工业，在啤酒生产中的麦芽粉碎操作、油料的轧胚、方便食品的轧片操作、巧克力及糖粉的加工中均有使用。（一）辊式磨粉机的基本结构和工作过程辊式磨粉机主要由机架、成对磨辊、喂料机构、松合闸机构、辊面清理装置、传动机构及吸风机构组成。其中，磨辊是磨粉机的主要部件。根据磨辊表面特性的不同，可以将磨辊分为齿辊和光辊两种。磨辊要求有足够的强度、刚度和高的硬度、表面耐磨性和均匀性。•（二）辊式磨粉机的特点及主要形式•１．辊式磨粉机的特点•（１）适合热敏性物料的粉碎辊式磨粉机对辊的轴线相互平行，同时磨辊的线速度较高，两辊间所形成的粉碎区很短，因而物料通过粉碎区的时间短，避免了粉碎过程中因物料温升过高而导致蛋白质热变性，故特别适合于热敏性物料的粉碎。•（２）可控制物料粉碎的粒度辊式磨粉机能够通过调整轧距来控制物料粒度，避免过度粉碎，节省能源，保证粉碎质量。•（３）能够进行选择性粉碎通过快慢辊速差的选择、磨辊表面几何形状和参数的选择、一次粉碎比的选择，辊式磨粉机能够实现对物料的选择性粉碎。•（４）粉碎过程稳定，便于控制由于对辊表面上每一点的几何参数和运动参数均相同，整个粉碎区的工作条件一致，故而粉碎过程稳定，也便于控制并实现自动化生产。•２．辊式磨粉机的型式•（１）等速旋转的光辊以挤压的方法粉碎物料或使物料挤压成片状。典型设备是轧麦片机、轧米片机等。•（２）差速旋转的光辊以挤压和研磨的方法粉碎物料。典型设备是面粉生产的心磨系统中使用的光辊磨粉机和巧克力精磨机等。•（３）差速旋转的齿辊以剪切、挤压和研磨的方法粉碎物料。典型设备是磨粉生产的皮磨、渣磨及尾磨系统中使用的齿辊磨粉机。•（三）辊式磨粉机的使用与维护•（１）要根据产品要求的不同粒度调整磨辊轧距。同时进入辊式磨粉机的物料粒度要控制在一定的范围内。•（２）磨辊的转速应根据物料的性态来选择，被粉碎物料的粒度越大、硬度越大，则转速应越低。•（３）工作时喂料门开启程度需能阻止一定大小的异物通过，同时严防金属和硬杂物进入磨辊之间，以免造成机器的损坏。•（４）手动磨粉机开机时要先给料后合闸，停机时要先松闸后断料。•（５）磨辊的磨齿在长时间工作后会磨损变钝，降低磨粉效率，应将磨辊卸下重新拉丝，以保证磨粉机始终处于良好的工作状态。•四、其他粉碎机简介•在食品工业生产中，对固态物料进行粉碎的设备还有气流粉碎机、振动磨、冷冻粉碎机等。•（１）气流粉碎机该类机器利用空气、蒸汽或者其他气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高速的湍流和能量转换流，物料颗粒在这种高能气流作用下悬浮输送，相互发生剧烈的冲击、碰撞和摩擦，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充分的研磨而粉碎成细小粒子。气流粉碎机可对热敏性物料进行超微粉碎，并且可以实现无菌操作、卫生条件好。•（２）振动磨振动磨工作时，筒体内装填着粒度较小的被粉碎物料和球状或圆柱状的研磨体，磨机系统作高频振动，利用筒体内的研磨体对物料的高频撞击和研磨将物料粉碎至超细。振动磨粉碎效率高、适应性强，可用于任何物料的超细磨，干磨、湿磨均可。•（３）冷冻粉碎机有些物料在常温下具有热塑性或者非常强韧，粉碎起来非常困难。冷冻粉碎机可将物料冷冻，使物料成为脆性材料然后再粉碎。第二节均质•机均质机是食品的精细加工机械，在乳品、果汁、植物蛋白饮料等的生产中应用广泛。•一、均质的目的及原理•（一）目的•均质的目的在于将液态的混合物料中粗大的脂肪球或较大的颗粒破碎细化，提高食品的均细度，防止或延缓物料分层，使其成为液相均匀、稳定的混合物。均质后的食品在口感、外观及消化吸收率等方面均有提高。•（二）均质机工作原理•（１）剪切（２）冲击（３）空穴•（三）温度对均质的影响•均质时容易形成空穴。所以，在均质前可将物料加热。例如牛乳的均质温度一般为５０～７０℃，５０℃是牛乳有效均质的最低温度，超过７０℃就会在均质机中产生“汽窝”。均质温度高，不利于蛋白质的热稳定性。二、高压均质机（一）结构及工作过程高压均质机主要由高压泵、均质阀、调节装置及传动系统组成。其中高压泵由进料腔、吸入活门、排出活门、柱塞等组成。均质阀由阀座、阀芯、弹簧、调节手柄等组成。其工作过程包括吸料和排料两个过程。高压泵结构简图１—进料腔；２—吸入活门；３—活门座；４—排出活门；５—泵体；６—冷却水管；７—柱塞；８—填料；９—垫片•高压均质机传动系统•１—柱塞；２—电动机；３—连杆；４—曲柄；•５—大齿轮；６—小齿轮；７—带轮•单作用泵排液曲线•三柱塞泵排液曲线•双级均质阀工作简图•１—阀座；２—阀芯；３—挡板环；４—弹簧；•５—调节手柄；６—第一级阀；７—第二级阀•（二）高压均质机的主要技术参数•１．生产能力•式中：Ｇ———生产能力，ｍ３／ｈ；•ｄ———柱塞直径，ｍ；•ｓ———柱塞行程，ｍ；•ｎ———柱塞每分钟往复次数，次／ｍｉｎ；•ｚ———柱塞数，个；•ψ———泵的容积系数，一般取０．８～０．９。••（三）高压均质机的使用与维护•（１）高压均质机安装时必须装旁通管，用以排除气体、残存液、洗液、消毒水等。但出料管处不得安装节流阀，进料管道里安装管间过滤器，防止杂质进入，避免均质阀严重磨损。•（２）高压均质机不得空转，起动前应先接通冷却水。•（３）起动时均质机压力不稳，应在起动后将其调整到预定值。在压力稳定之前流出的料液要让其回流以保证均质的质量。•（４）均质机正常工作时要注意观察压力表，保证压力处于正常工作范围内。有时压力表会出现指针严重跳动的情况，可能是泵体密封严重渗漏，使泵腔内的料液中混入大量空气，应及时处理。•（５）工作中如果发现均质机流量不足、压力达不到工艺要求的情况，应检查活门与活门座、阀芯与阀座的密合面是否密合良好，如出现沟槽、磨纹要及时修复或更换；安全阀或均质阀弹簧压力不够也会导致上述情况，此时应进行适当的调整使设备恢复正常。•（６）高压均质机的运动部件需要良好的润滑，工作时要注意曲轴箱里润滑油的油位，使其保持在最低油位线以上；要经常在机体连接轴处加一些润滑油，以免机体前端的填料缺油•（７）柱塞密封圈处于高温和压力周期性变化的条件下，很容易损坏，应保证柱塞冷却水的连续供应，以降低柱塞密封圈的温度，延长其使用寿命。同时，应随时检查密封圈，发现损坏及时修复、更换。•（８）均质机停止使用应立即拆洗，以免物料残留。拆洗后，将机器重新装配好，用９０℃以上的热水连续对泵体及管路消毒１０ｍｉｎ以上。三、离心均质机离心均质机常用于乳品生产，它不仅能进行均质，还可以去除牛乳中的杂质并分离细奶油，又称为净化均质机。（一）离心均质机的工作原理离心均质机有一个高速离心的转鼓，物料流至转鼓后受到强烈的离心作用，不同密度的组分便会被分离。例如：牛乳在离心均质机中会分成三相，密度最大的杂质被甩到转鼓四周，应定期排渣；密度适中的的脱脂乳从上部的均质出口排出；密度最小的稀奶油被导入稀奶油室，室内有一个带尖齿的圆盘恒速旋转，与稀奶油发生激烈的相对运动并产生空穴作用，将脂肪球打碎，均质后的稀奶油可同脱脂乳一起流出。（二）离心均质机的主要结构（1）分离转鼓离心均质机的主要工作部件是分离转鼓，由转轴、碟片等组成。转轴上有数十块锥形碟片，使液体物料在碟片间形成薄层流动，由于碟片作用，减少了液体的搅动，减小了沉降距离，增加了沉降面积，从而大大增强了