本文介紹單級(jí)多齒衛(wèi)生級(jí)剪切乳化泵的概念、發(fā)展、設(shè)計(jì)思路及在實(shí)際中應(yīng)用。
隨著食品安全問題越來越受到老百姓的認(rèn)知和關(guān)注，國(guó)家相關(guān)法律、法規(guī)不斷健全，推動(dòng)著中國(guó)食品工業(yè)的不斷發(fā)展。對(duì)于衛(wèi)生級(jí)生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)和升級(jí)也在不斷的推進(jìn)。衛(wèi)生型工業(yè)中，衛(wèi)生級(jí)剪切乳化設(shè)備被廣泛用在乳品、飲料、調(diào)味品及精細(xì)化工行業(yè)。由于行業(yè)中設(shè)備種類較多、結(jié)構(gòu)多種多樣比如膠體磨、罐底剪切、攪拌器、剪切泵，工藝設(shè)計(jì)選型中很難區(qū)分其特點(diǎn)和適用性。單級(jí)多齒衛(wèi)生級(jí)剪切乳化泵作為要求越來越嚴(yán)格的工藝要求，有其獨(dú)特的功能優(yōu)勢(shì)。
衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食品設(shè)備的要求
歐洲EHEDG標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)3A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食品、飲料、乳品設(shè)備要求更為嚴(yán)格，3A和EH標(biāo)準(zhǔn)從選材、設(shè)計(jì)到加工處理都有嚴(yán)格的要求，主要目的為避免食品受到微生物所污染，微生物來源可能來自于原料，但也有可能來自于加工與包裝過程。如果設(shè)備衛(wèi)生設(shè)計(jì)不良，將難以清潔。微生物或原料可能殘留在裂縫或死角位置，使微生物易于藏匿殘存與繁殖，進(jìn)一步后續(xù)生產(chǎn)出現(xiàn)交叉污染。
雖然以機(jī)械工程的角度而言，設(shè)備設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)仍未使其具備工程功能，但若設(shè)計(jì)與食品衛(wèi)生安全上相抵觸時(shí)，在尋找解決方案的同時(shí)，應(yīng)將食品安全放在第一位。因此應(yīng)在食品衛(wèi)生機(jī)械設(shè)計(jì)之初，將衛(wèi)生概念融入其中，長(zhǎng)期下來可以確保食品安全、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、減少維護(hù)次數(shù)以及降低操作成本等等。
單級(jí)多齒衛(wèi)生級(jí)剪切泵的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)
剪切泵是現(xiàn)代國(guó)際上普遍采用的一種無菌制造乳、膏狀均質(zhì)產(chǎn)品的在線式生產(chǎn)設(shè)備，被廣泛用在食品、醫(yī)藥、精細(xì)化工等行業(yè)。高剪切均質(zhì)乳化泵主要是由于定轉(zhuǎn)子之間間距0.2mm~0.5mm相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心立場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，料液被吸入定轉(zhuǎn)子中心，在離心力的作用下，物料由中心向四周擴(kuò)散，在四周擴(kuò)散的過程中，先是在定子齒圈內(nèi)側(cè)窄小間隙內(nèi)受到剪切，然后進(jìn)入內(nèi)圈轉(zhuǎn)齒與定齒的窄小間隙內(nèi)，在機(jī)械力和流體力學(xué)效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料之間的相互碰撞和摩擦作用而使分散相顆粒液滴破碎。隨著轉(zhuǎn)齒的限速度由內(nèi)圈向外圈逐漸增高，粉碎環(huán)境不斷改善，物料在向外圈運(yùn)動(dòng)過程中受到越來越強(qiáng)烈的剪切、摩擦、沖擊和碰撞作用而被粉碎得越來越細(xì)從而達(dá)到均質(zhì)乳化的目的。而高壓均質(zhì)機(jī)主要是靠高壓流體產(chǎn)生的強(qiáng)烈、充分的空穴效應(yīng)和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達(dá)到均質(zhì)的目的。由于極強(qiáng)的空穴作用，高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適；研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖維性的產(chǎn)品粉碎最有效的立場(chǎng)是剪切力和研磨力，常溫下沖擊力對(duì)纖維是無能為力的，而單級(jí)多齒高剪切在線式剪切泵能對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用，因此單級(jí)多齒高剪切比較適合處理含纖維較多或者容易出現(xiàn)稀奶油、較硬的顆粒物料。
目前市場(chǎng)上剪切泵有單級(jí)、二級(jí)、三級(jí)及以上，一般混料用單級(jí)的剪切泵，要求稍嚴(yán)格的用二級(jí)的把大顆粒均質(zhì)為小顆粒，精細(xì)乳化一般選用三級(jí)的或更多，級(jí)數(shù)越多精細(xì)乳化的效果越好，但是作為衛(wèi)生行業(yè)來講，級(jí)數(shù)越多死角越多，不易清洗，給微生物殘留、滋生提供了空間，經(jīng)年累月的食品生產(chǎn)，給衛(wèi)生安全造成很大的隱患。
圖1 多級(jí)均質(zhì)乳化泵工作原理圖
單級(jí)多齒剪切乳化泵鑒于多級(jí)剪切泵設(shè)計(jì)有死角，不易清洗，CIP和SIP達(dá)不到理想的效果等缺點(diǎn)，并借鑒單級(jí)離心泵的設(shè)計(jì)原理及其結(jié)構(gòu)，同樣是把物料通過葉輪和流道輸送至下一工位，同時(shí)剪切齒又可以保證剪切乳化的功能；泵壓流道借鑒離心泵的流道設(shè)計(jì)原理，按照流體力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的泵壓通道確保物料順暢輸送，最大限度的減少次級(jí)渦輪，避免物料的溫升效應(yīng)。
圖2 離心泵結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計(jì)成單級(jí)多齒剪切泵，把原多級(jí)轉(zhuǎn)子串聯(lián)設(shè)計(jì)改為單級(jí)多排剪切齒排列，這樣保證同樣的剪切效果，并且減少了轉(zhuǎn)子在串聯(lián)的過程中增加死角位置。設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)噪音和振動(dòng)較大，剪切齒外徑增大，底板厚度保持不變，強(qiáng)度不夠,運(yùn)行過程中受力變形，金屬之間摩擦導(dǎo)致運(yùn)行不正常。轉(zhuǎn)子底板厚度由原9.1mm增加至16.1mm，這樣大大增加了工程強(qiáng)度，在輸送剪切過程中避免發(fā)生受力變形的情況。如圖3壁厚變化。
圖3 轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)齒）
剪切泵過流面遵照歐洲EHEDG標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)3A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，(1）單級(jí)設(shè)計(jì)避免死角位置；（2）所有過流面光潔度Ra≤0.8μm；流道內(nèi)原則上不設(shè)計(jì)內(nèi)凹拐角，如不可避免，內(nèi)凹拐角R值均在1.6mm以上。（3）根據(jù)客戶的不同的工藝需求，比如停產(chǎn)時(shí)，要求自排盡殘液，可設(shè)計(jì)自排盡接口，這樣更能滿足食品衛(wèi)生安全要求。
單級(jí)多齒衛(wèi)生級(jí)剪切泵主要結(jié)構(gòu)：
圖4 剪切乳化泵結(jié)構(gòu)圖
①電動(dòng)機(jī)；②泵殼；③機(jī)械密封；④轉(zhuǎn)子；⑤定子；⑥支撐腳
1.單級(jí)多齒高效剪切泵的優(yōu)點(diǎn)
（1）衛(wèi)生級(jí)生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)原則首先滿足衛(wèi)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，易清洗、無殘留，單級(jí)剪切泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于CIP/SIP，方便排除殘液。
（2）采用多齒設(shè)計(jì)，定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用，同時(shí)伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的剪切和研磨效果，從而達(dá)到剪切乳化的目的。
（3）可實(shí)現(xiàn)大批量、無限制的在線式生產(chǎn)模式，縮短生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率。
（4）高強(qiáng)度的剪切、撞擊、摩擦力要求泵殼強(qiáng)大的壁厚，所以最少6mm壁厚的模塊化堅(jiān)固設(shè)計(jì)優(yōu)化泵的性能，使其耐壓、耐震、抗沖擊、減小噪音、防腐蝕?！?/p>
圖5 單級(jí)多齒高效剪切泵
2.單級(jí)多齒高剪切剪切泵的優(yōu)點(diǎn)
一般剪切乳化泵對(duì)于長(zhǎng)纖維類產(chǎn)品均質(zhì)乳化是比較困難，很難生產(chǎn)出品質(zhì)穩(wěn)定、充分均質(zhì)、乳化的產(chǎn)品。而單級(jí)多齒高剪切剪切泵，通過特定的斜齒設(shè)計(jì)，解決常規(guī)設(shè)備無法解決的問題。
圖6 單級(jí)多齒高剪切剪切泵
3.單級(jí)多齒帶輸送剪切泵的優(yōu)點(diǎn)
相對(duì)于多相混料而言，剪切力要求不是太高，但是要求自帶輸送能力，如圖的設(shè)計(jì)采用離心泵葉輪設(shè)計(jì)通過離心力把物料輸送至外圍的剪切齒，高速剪切后再把物料輸送。單級(jí)多齒帶輸送剪切泵比較適合溶糖工藝，混合不易融水的淀粉等。
圖7 單級(jí)多齒帶輸送剪切泵
剪切乳化在工藝設(shè)計(jì)選型時(shí)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：首先根據(jù)客戶的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)工藝確定設(shè)計(jì)方案；確保產(chǎn)品的最終均質(zhì)乳化效果，是軟性體顆粒、纖維類產(chǎn)品，還是多相物料混料輸送；泵體竟可能的簡(jiǎn)單，易于排空殘液，方便CIP和SIP。
剪切乳化泵的現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)加工工藝不斷的提高，設(shè)計(jì)也日漸成熟，所以國(guó)內(nèi)的單級(jí)多齒高剪切乳化泵日漸能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，但剪切乳化設(shè)備多種多樣、良莠不齊，給工藝設(shè)計(jì)選型人員造成諸多不便，國(guó)內(nèi)的行業(yè)要求偏低，特別是食品安全問題，不能引起行業(yè)內(nèi)重視，一些公司選用成本低廉不符合衛(wèi)生要求的生產(chǎn)設(shè)備。諸多因素阻礙了國(guó)內(nèi)剪切乳化設(shè)備的發(fā)展。
結(jié)論：
綜合單級(jí)多齒剪切乳化泵的優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)狀，衛(wèi)生設(shè)備的設(shè)計(jì)宗旨首先保證食品衛(wèi)生安全可靠，其次不斷優(yōu)化泵的性能。保證高潔凈、自排盡、零死角、高品質(zhì)、高效率。對(duì)于制造商而言更好的理解其生產(chǎn)工藝，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝需求，不同的物料特性，設(shè)計(jì)不同方案，以實(shí)現(xiàn)更好的質(zhì)量和更大的收益。