История развития науки о процессах и аппаратах

3.4. Сущность гомогенизации.


Гомогенизация (от греч. homogenes — однородный) — создание однородной гомогенной структуры, не содержащей частей, различающихся по составу и свойствам и отделенных друг от друга поверхностями раздела. Гомогенизацию широко применяют в консервном производстве, когда продукт доводится до тонкодисперсной массы с частицами диаметром 20...30мкм при давлении 10... 15 МПа. В кондитерских производствах благодаря гомогенизации, которая заключается в обработке шоколадной массы в коншмашинах, эмульгаторах или меланжерах, обеспечивается равномерное распределение твердых частиц в какао-масле и снижается вязкость массы.
Частицы эмульсий, суспензий, взвесей существенно меньше по размерам, чем рабочие органы любых механических перемешивающих устройств. Размеры частиц меньше размеров вихрей, образуемых перемешивающими устройствами, и меньше размеров других неоднородностей потока сплошной среды. Вследствие инициируемого механическими смесителями движения среды ассоциации частиц перемещаются в ней как единое целое без относительного смещения компонентов дисперсной фазы и дисперсионной среды. Такое движение не может обеспечить перемешивания компонентов среды в необходимых масштабах.
Масштабы, в которых целесообразно перемешивание частиц пищевых продуктов, определяются условиями усвоения пищи. В настоящее время не выявлены границы масштабов, до которых целесообразно гомогенизировать пищевые смеси. Имеется, однако, ряд исследований, свидетельствующих о целесообразности гомогенизации пищевых продуктов вплоть до молекулярного уровня.
Для гомогенизации продуктов используют следующие физи­ческие явления: дробление частиц жидкости в коллоидной мельнице; дросселирование жидкой среды в зазорах клапанов; кавитационные явле­ния в жидкости; движение ультразвуко­вых волн в жидкой среде.

Дробление частиц жидкости в коллоидной мельнице. Между тщательно обработанными твердыми коническими поверхностями ротора и статора коллоидной мельницы (рис. 6.12) частицы эмульсии могут измельчаться до размеров 2…5 мкм, что часто оказывается достаточным для гомогенизации. Рис. 16.12. Схема коллоидной
Дросселирование жидкой среды в зазорах клапанов. Если жидкая среда, сжатая до 10...15 МПа, дросселируется, проходя через сопло малого диаметра или через дроссель (дроссельную шайбу), то сферические образования в ней при ускорении в сопле вытягиваются в длинные нити. Эти нити разрываются на части, что и служит причиной их дробления (рис. 16.13).



Вытягивание сферических образований в нитеобразные определяется тем, что ускорение потока распределено вдоль направления движения. Фронтальные элементы образований раньше тыльных их частей подвергаются ускорению и более длительное время пребывают под воздействием повышенных скоростей движения. В результате сферические жидкие частицы удлиняются.
Кавитационные явления в жидкости. Реализуются пропусканием потока сплошной среды через плавно сужающийся канал (сопло) — рисунок 16.14. В нем она ускоряется, а давление уменьшается в соответствии с уравнением Бернулли

где р — давление, Па; р — плотность жидкости, кг/м³; v — ее скорость, м/с; g— ускорение свободного падения, м/с²; Я—уровень жидкости, м.


Рис. 16.14. Схема работы клапанного гомогенизатора:
1 — рабочая камера; 2— уплотнение; 3 — клапан; 4 — корпус


При падении давления ниже давления насыщенных паров жидкость вскипает. При последующем повышении давления пузырьки паров «схлопываются». Генерируемые при этом высокоинтенсивные, но маломасштабные пульсации давления и скорости среды гомогенизируют ее.
Аналогичные явления возникают при движении (вращении) в жидкости плохообтекаемых тел. В аэродинамической тени за пло-хообтекаемыми телами понижается давление и возникают кавитационные каверны, движущиеся вместе с телами. Их называют присоединенными кавернами.
Движение ультразвуковых волн в жидкой среде. В ультразвуковых гомогенизаторах продукт протекает через специальную камеру, в которой облучается излучателем ультразвуковых волн (рис. 16.15).
При распространении бегущих волн в среде происходят относительные
смещения компонентов, повторяющиеся с частотой генерируемых колебаний (выше 16 тыс. раз в секунду). Вследствие этого границы компонентов среды размываются, частицы дисперсионной фазы дробятся и среда гомогенизируется.
При гомогенизации молока ультразвуковыми волнами и другими возмущениями установлены предельные размеры частиц молока, ниже которых гомогенизация невозможна.
Жировые частицы молока представляют собой округлые, почти сферические частицы размером 1...3 мкм (первичные шарики или ядра), объединенные по 2...50 штук и более в конгломераты (агрегаты, гроздья). В составе конгломератов отдельные частицы сохраняют свою индивидуальность, т. е. остаются четко различимыми. Конгломераты имеют форму цепочек из отдельных частиц. Целостность конгломерата определяется силами адгезионного сцепления округлых частиц.
В се реализуемые на практике способы гомогенизации обеспечивают дробление конгломератов в лучшем случае до раз­меров первичных шариков. При этом поверхности адгезионного сцепления первичных капель разрываются под действием разности динами­ческих напоров дисперсионной среды, действующих на отдельные части конгломерата. Дробление же первичных капель ультразвуковыми волнами может иметь место только по механизму образования на них поверхностных волн и срыва их гребней потоком дисперсионной среды.
Рис. 16.15. Схема ультразвукового гомогенизатора с генерированием пуль­саций непосредственно в его объеме: 1 - полость гомогенизации; 2 - вибрирующая пластина; 3 - сопло, образующее струю жидкости
Дробление наступает в тот момент, когда силы, вызывающие его, превысят силы, удерживающие первоначальную форму частиц. В этот момент отношение данных сил превысит критическое значение.
С
илами, приводящими к дроблению как первичных частиц, так и их конгломератов, являются силы (Н), создаваемые динамическим напором дисперсионной среды:
Скорость частицы v(0 рассчитывают по формуле, отражающей второй закон Ньютона (равенство произведения массы частицы на ускорение силе лобового сопротивления обтекающей ее среды):

где С_х — коэффициент лобового сопротивления движению капли; т — ее масса, кг;



Теперь скорость частицы v(r) находится интегрированием уравнения



При синусоидальных колебаниях частотой /(Гц) и амплитудой р_а (Па) при скорости звука в дисперсионной среде с (м/с) скорость среды u(t) (м/с) определяется выражением



Первоначальную форму частиц удерживают силы:
В представленных расчетных выражениях для дробления частиц единственный фактор, вызывающий дробление, — разность скоростей
для сферической частицы — это сила поверхностного натяжения

где а — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
для конгломерата частиц — это сила адгезионного сцепления первичных частиц

где о — удельная сила, Н/м²; г, — эквивалентный радиус конгломерата, м.
Отношение сил R и У_п, называемое критерием дробления, или критерием Вебера (We), записывается в виде :
для сферической частицы

для конгломерата частиц




В представленных расчётных выражениях для дробления частиц и окружающей среды [u(t) — v]. Эта разность увеличивается при уменьшении отношения плотностей р/р_к- Когда дробятся частицы жира в молоке, это отношение наибольшее и их дробление происходит наиболее трудно. Положение усугубляется тем, что частицы жира молока покрыты более вязкой оболочкой набухших белков, липидов и других веществ. За каждый цикл ультразвуковых колебаний с дробящихся капель срывается небольшое количество мелких капелек, и для протекания дробления в целом необходимо многократное приложение внешних нагрузок. Поэтому продолжительность дробления составляет многие сотни и даже тысячи циклов колебаний. Это и наблюдается на практике при скоростной видеосъемке капель масла, дробящихся ультразвуковыми колебаниями
Взаимодействие частиц с ударными волнами. Как уже сказано, под действием ультразвуковых колебаний обычной интенсивности возможно измельчение только конгломератов капель. Для измельчения первичных капель необходимы возмущения давления интенсивностью около 2 МПа. При использовании современной техники это недостижимо. Поэтому можно утверждать, что ни на каком действующем оборудовании гомогенизация молока до размера частиц менее 1...1,5 мкм не реализуется.
Дальнейшее дробление капель возможно под воздействием се­рии ударных импульсов, создаваемых в гомогенизируемой среде специальным побудителем, например поршнем, соединенным с гидравлическим или пневматическим приводом импульсного типа. Скоростная киносъемка капель, на которые воздействуют такие импульсы, показывает, что в данном случае реализуется дробление по механизму «сдувания с их поверхности мельчайших капелек». При этом возмущение скорости окружающей среды приводит к образованию волн на поверхности капель и срыву их гребешков. Многократное повторение этого явления приводит к значительному измельчению капель или частиц жира.