Обзор гидродинамических и кавитационных процессов при гомогенизации эмульсий и суспензий под высоким давлением. Рассматриваются особенности конструкции плунжерных головок, методы масштабирования режимов обработки и инженерные требования к оборудованию.
Физико-химические основы тонкого диспергирования эмульсий и суспензий
Гомогенизация представляет собой интенсивную механическую обработку многокомпонентных жидких систем, направленную на уменьшение размеров частиц или капель дисперсной фазы, в том числе до субмикронного диапазона, и их равномерное распределение в дисперсионной среде. В пищевой, химической, косметической и фармацевтической промышленности многие продукты имеют форму эмульсий типа «масло в воде» или тонкодисперсных суспензий. Без достаточной стабилизации такие системы могут подвергаться агрегации частиц, коалесценции капель и последующему расслоению при хранении. Гомогенизация под высоким давлением обеспечивает разрушение агломератов и измельчение дисперсной фазы за счёт сочетания высоких сдвиговых напряжений, турбулентности, локальной кавитации и ударного воздействия, возникающих при прохождении потока через узкий регулируемый зазор гомогенизирующего клапана.
Отработка рецептур и лабораторные исследования на этапах НИОКР
Разработка новых эмульсионных продуктов и исследование физико-химических свойств дисперсий требуют проведения многочисленных экспериментов с небольшими объёмами дорогостоящих компонентов. На этапе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ применяется компактный лабораторный гомогенизатор, позволяющий воспроизводить основные гидродинамические режимы, характерные для промышленных установок высокого давления. Настольные или напольные малогабаритные аппараты дают возможность устанавливать и контролировать основные параметры
обработки: рабочее давление в головке, число проходов или циклов рециркуляции, температуру продукта и достигаемую степень измельчения частиц. Проведение опытов на малых объёмах образцов сокращает расход сырья, помогает оптимизировать рецептуру и получить данные для построения распределения частиц по размерам перед масштабированием процесса.
Промышленное применение и адаптация параметров гомогенизации
При переходе от лабораторных исследований к выпуску опытных партий и мелкосерийному производству требуется увеличить объём обрабатываемого сырья, сохранив достигнутую степень дисперсности. В таких технологических линиях может применяться полупромышленный средний гомогенизатор производительностью порядка 1000–2000 л/ч в зависимости от модели и рабочего давления. Оборудование этого класса используют на предприятиях средней мощности, в цехах по переработке молока, при производстве соусов, гелей, кремов и фармацевтических мазей. Сочетание умеренных габаритов, энергопотребления и гидравлической мощности позволяет использовать такие установки как промежуточное звено между лабораторной отработкой рецептур и крупными непрерывными линиями.
Конструкция плунжерных блоков и серии высоконапорного оборудования
Основой конструкции современного высоконапорного гомогенизатора является кривошипно-шатунный механизм, приводящий плунжеры из износостойкой керамики или закалённой нержавеющей стали в возвратно-поступательное движение. Промышленный гомогенизатор ПГ комплектуется насосным блоком, рассчитанным на циклические гидравлические нагрузки; предельно допустимое давление зависит от конкретной модели и в высоконапорных исполнениях может достигать 100 МПа. Работа нескольких плунжеров со сдвигом фаз относительно коленчатого вала уменьшает пульсации нагнетаемого потока и обеспечивает более стабильную подачу продукта в гомогенизирующий клапанный узел. В двухступенчатой головке на первой ступени при более высоком давлении происходит основное измельчение частиц и капель, а на второй, работающей при меньшем давлении, разрушаются образовавшиеся агрегаты и повышается устойчивость дисперсии.
Гидродинамические условия и предотвращение повторной агрегации частиц
При прохождении жидкости через узкий зазор гомогенизирующего клапана скорость потока может возрастать до сотен метров в секунду, а статическое давление — снижаться до значений, при которых возникает локальная кавитация. Образующиеся пузырьки схлопываются в областях последующего повышения давления, создавая локальные ударные импульсы. Совместное действие кавитации, сдвига, турбулентности и столкновений с элементами клапана обеспечивает измельчение жировых шариков и твёрдых включений, в ряде процессов — до субмикронного диапазона. Для ограничения повторной агрегации частиц и теплового воздействия на продукт контролируют его температуру, при необходимости охлаждают проточную часть
и подбирают поверхностно-активные вещества или эмульгаторы, способные быстро адсорбироваться на вновь образованной межфазной поверхности.
Эксплуатационная надёжность и требования к гигиеническому исполнению
Долговечность и безопасная эксплуатация плунжерных аппаратов высокого давления зависят от точности изготовления деталей проточной части, качества уплотнений и правильного выбора материалов, совместимых с обрабатываемой средой. В гигиеническом исполнении поверхности, контактирующие с продуктом, механически или электрохимически полируют; требуемую шероховатость поверхности — часто Ra не более 0,8 мкм — устанавливают в технической документации на оборудование. Конструкция может предусматривать безразборную циркуляционную мойку (CIP), а для отдельных фармацевтических и пищевых применений — стерилизацию на месте (SIP). Возможность использования конкретных режимов мойки и стерилизации должна подтверждаться конструкцией аппарата, материалами уплотнений и документацией производителя.
