微粉碎和超微粉碎

参考书：1.《现代食品工程高新技术》高福成主编中国轻工业出版社；2.《食品加工技术装备》张裕中主编中国轻工业出版社；3.《食品机械原理与设计》陆振曦主编中国轻工业出版社；4.《食品通用与设备》蒋迪清主编华南理工大学出版社；5.《食品机械学》上、下李兴国主编四川教育出版社；6.《食品机械设备》石一兵主编中国商业出版社。第一章微粉碎和超微粉碎粉碎操作在食品工业中的地位：1.迎合某些食品消费和生产的需要；2.增加固体表面积以利于后道处理的顺利进行；3.工程化食品和功能性食品的生产需要；4.减小粉碎粒度，可加快溶解速度、提高混合均匀度或重新赋形以改进食品的口感；5.控制多种物料相近的粒度，防止各种粉料混合后再产生自动分级的离析现象；6.进行选择性粉碎使原料颗粒内的成分进行分离；7.减小体型加快干燥脱水速度；8.许多食品产品要求有一定的粒度，以保证粉料和粒料的容积质量，使之不影响包装容积、速溶度和调理性等。超微粉碎手段出现原因：1.在功能性食品生产上，需要非常有效的超微粉碎手段将之粉碎至足够小的粒度。加之有效的混合才能保证它在食品中的均匀分布。2.膳食纤维的粒度与纤维的持水力、膨胀力有很大相互关系。3.巧克力浆料精磨后的粒度与最终产品的质构和口感特性的关系。超微粉碎技术的研究重点：超微粉碎技术已成为现代食品加工的重要新技术之一。但在超微粉碎过程中能量的利用率很低，目前对该技术本身的研究集中在如何提高能量的利用率上。例如，大型球磨机粉碎过程中的能量利用率仅0.6%，其余99.4%的能量以摩擦、热量和燥音等形式损失掉，而气流式超微粉碎机的能量利用率也仅在2%左右。第一节粉碎理论一、有关粉碎的基本概念粉碎：是用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力，达到使之破碎的单元操作。习惯上有时将大块物料分裂成小块物料的操作称为破碎；将小块物料分裂成细粉的操作称为磨碎或研磨，两者又统称粉碎。粒度：物料颗粒的大小称为粒度，它是粉碎程度的代表性尺寸。对于球形颗粒来说，其粒度即为直径；对于非球形颗粒，则有以面积、体积或质量为基准的各种名义粒度表示法。粉碎比：粉碎前后的粒度比称为粉碎比或粉碎度，它主要指粉碎前后的粒度变化，同时近似反映出粉碎设备的作业情况。一般粉碎设备的粉碎比为3～30，但超微粉碎设备可远远超出这个范围，达到300～1000以上。对于一定性质的物料来说，粉碎比是确定粉碎作业程度、选择设备类型和尺寸的主要根据之一。粉碎级别：根据被粉碎物料和成品粒度的大小，粉碎可分为粗粉碎、中粉碎、微粉碎和超微粉碎四种。粗粉碎：原料粒度在40～1500mm内。成品颗粒粒度在5～50mm。中粉碎：原料粒度在10～100mm内，成品颗粒粒度在5～10mm。微粉碎(细粉碎)：原料粒度在5～10mm内，成品颗粒粒度在100um以下。超微粉碎(超细粉碎)：原料粒度在0.5～5mm，成品颗粒粒度在10～25um以下。二、粉碎理论食品粉碎方式：挤压粉碎：挤压粉碎是指物料置于两个工作构件之间，逐渐加压，使之由弹性变形或塑性变形而至破裂粉碎的食品粉碎方式。这种粉碎方式仅适用于脆性物料。食品加工中常用的挤压方式是对辊粉碎，当对辊的线速度相等时，则为纯粹的挤压方式。被处理物料若是具有一定的韧性或塑性，则处理后物料可呈片状。例如轧制麦片、米片以及油料轧片等处理方式均属于此类。弯曲折断粉碎：弯曲折断粉碎是指物料在工作构件间承受弯曲应力超过强度极限而折断的食品粉碎方式。一般用来处理较大块的长或薄的脆性物料，例如榨油残渣油饼、玉米穗等，粉碎的粒度较低。剪切粉碎：剪切粉碎是指物料在构件间承受切应力超过强度极限而折断的食品粉碎方式。这是一种粉碎韧性物料能耗较低的粉碎方式。新形成的表面比较规则，易于控制处理后粒度的大小，一般果蔬和肉类的切块、切片、切丝、切丁都属于这一类。在小麦磨粉用的拉丝对辊磨粉机中，剪切也起着重要作用。撞击粉碎：撞击粉碎是指当物料与工作构件以相对高速运动撞击时，受到时间极短的变载荷，物料被击碎的食品粉碎方式。这种粉碎方式适用于质量较大的脆性物料。撞击粉碎应用范围很广，从较大块的破碎到微粉碎均可以使用，而且可以粉碎多种物料。最典型的撞击粉碎机械是锤式粉碎机,它在食品工业中用得很多。也有利用物料自身高速运动而碰撞粉碎的机器，称为超音速喷射粉碎机，但是其能耗很大。研磨粉碎：研磨粉碎是指物料与粗糙工作面之间在一定压力下相对运动而摩擦，使物料受到破坏，表面剥落的食品粉碎方式。这是一种既有挤压又有剪切的复杂过程。粉碎规则：粉碎物料的基本原则是只需将物料粉碎到所需的粉碎程度，而不作过度的粉碎。因此粉碎规则如下：①对被粉碎物料只需粉碎到需要的或适于下一工序加工的粉碎比，到达此程度后，应立即使物料离开粉碎机。②在粉碎操作的前后，都要过筛，凡能通过所需大小筛孔的物料，就不使它再经过粉碎机粉碎，以免引起过度粉碎，降低粉碎机的生产能力。③当所需粉碎比较大时，应分成几个步骤进行粉碎，实验证明当粉碎比在4左右时。操作效率最高。④粉碎过程尽可能单一，不应添加其他操作。粉碎操作：在粉碎操作中，首先要考虑的是采用何种粉碎方法或设备，这主要取决于被粉碎物料的大小和所要求的粉碎比及物料的物性，而其中物料的硬度和破裂性是最为重要的考虑因素。挤压和冲击力对于特别坚硬的物料很有效，剪切力（或摩擦力）对于韧性物料有效。将大块固体物料粉碎为细粉,由于一次粉碎比很大,常分为若干级,使每级担负一定的粉碎比。典型的三级粉碎流程如图1-3所示。开路磨碎是研磨操作的一种最简单的方法。这种方法不用振动筛等附属分粒设备,设备投资费用低。物料加入粉碎机中经过粉碎作用区后,即作为制品卸出,粗粒不再循环。由于有的粗粒可能会很快通过粉碎机，而有的细粒在机内停留时间很长，故制品粒度分布很宽，能量利用不充分。自由压碎可以保持物料在作用区的停留时间很短。当与开路磨碎结合时，让物料借重力落入作用区，限制了不必要细粒的粉碎，减少了过细的粉末形成。此法在功率消耗方面较经济，但由于有些大颗粒可能会迅速通过粉碎作用区，仍可能产生较宽的粒度分布。滞塞进料是利用机器出口插入筛网，限制制品的卸出，对于给定的进料速度，制品滞塞于粉碎作用区，直至粉碎成能通过筛孔的大小为止。因物料在粉碎作用区中停留时间长，细粒会受到过度粉碎，功率消耗大。滞塞进料法常用于需要细破碎制品的场合，用一台机器操作可获得很大的粉碎比。闭路磨碎（图1-4）是从粉碎机出来的物料流先经分粒系统，分出过粗的物料粒，再重新回入粉碎机，粉碎机的工作只是针对较大的颗粒，物料在粉碎作用区中的停留时间短，动力消耗较为经济。所采用的分粒方法根据送料的形式而定，采用重力加料或机械螺旋送料时，常用振动筛作为分粒设备，当用水力或气力输送时则赏用旋风分离器。助磨剂：在粉碎中，能够显著提高粉碎效率或降低能量消耗的化学物质(固态、液态或气态化学物质)称为助磨剂。由于粉碎作业，尤其是超微粉碎的能量消耗较高，能量利用率又很低，因此助磨剂的研究具有重要的理论意义和实际意义。第二节干法超微粉碎和微粉碎一、气流粉碎技术与设备基本原理：气流粉碎的基本原理是利用空气、水蒸气或其他气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍流和能量转换流，物料颗粒在这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。气流粉碎的特点：①粉碎比大，粉碎颗粒成品的平均直径在5μm以下；②在粉碎过程中设备有分级作用，粗粒由于受离心力作用不会混到细粒成品中，保证了成品粒度的均匀一致；③设备结构紧凑、磨损小且维修容易，但功率消耗大；④易实现无菌操作，卫生条件好；⑤压缩空气（或过热蒸汽）膨胀时会吸收很多能量产生制冷作用造成较低的温度，所以适合应用于对热敏性物料的超微粉碎的加工；⑥易实现多单元联合操作。例如可利用热压缩气体同时进行粉碎和干燥处理，在粉碎同时还能对两种配合比例相差很远的物料进行很好的混合，此外在粉碎的同时可喷入所需的包囊溶液对粉碎颗粒进行包囊处理。环形喷射式气流粉碎机环形喷射式气流粉碎机的工作原理和结构如图1-27示。待粉碎物料经由喂料装置输送到环形粉碎室底部喷嘴上，压缩空气从管道下方的一系列喷嘴中喷出形成高速喷射气流（射流），夹带着物料颗粒运动。在管道内的射流大致可分为外、中、内3层。各层射流的运动速度不相等，这迫使物料颗粒在粉碎室内互冲击、碰撞、摩擦以及受射流的剪切作用达到粉碎。环形喷射式气流粉碎机可适用于加工粒度分布较宽的物料。气流粉碎设备叶轮式气流粉碎机叶轮式气流粉碎机不是通过喷嘴形成的射流,而是通过叶轮形式的循环气流产生冲击和碰撞等作用力将物料进行粉碎的,该机带有两级粉碎、内分级叶轮、鼓风和排渣等机构,因此可认为是一个小型机组。该粉碎机的结构和工作原理如图1-28和图1-29所示。将小于10mm的物料颗粒，由加料器定量连续地加至第一粉碎室内，第一段粉碎叶轮的5支叶片具有30°扭转角，它有助于形成旋转风压；第二段分级叶轮的5支叶轮不具有扭转角，所以形成气流阻力。第一段粉碎叶轮形成的风压在第一粉碎室内引起气流循环，随气流旋转的物料颗粒之间就会发生相互冲击、碰撞、摩擦和剪切，并且受离心力的作用冲向内壁受到撞击、摩擦、剪切等作用而被粉碎成细颗粒；第二段分级叶轮具有分级作用。（分级是由第二段分级叶轮所产生的离心力和隔环内径之间所产生的气流吸力来决定，若颗粒受的离心力作用大于气流吸力则被滞留下来继续被粉碎，若颗粒所受的离心力作用小于气流吸力，则它被吸向中心随气流进人第二粉碎室。）进入第二粉碎室的细颗粒进行同样的粉碎和分级。高频振动式超微粉碎技术与设备基本原理：高频振动式超微粉碎的原理是：利用球形或棒形研磨介质作高频振动时产生的冲击、摩擦和剪切等作用力，来实现对物料颗粒的超微粉碎，并同时起到混合分散作用。振动磨是进行高频振动式超微粉碎的专门设备，它在干法或湿法状态下均可工作。振动磨的工作原理和结构示意图如图1-8所示，槽形或管形筒体支承于弹簧上，筒体中部有主轴，轴的两端有偏心重锤，主轴的轴承装在筒体上通过挠性轴套与电动机连接。主轴快速旋转时，偏心重锤的离心力使筒体产生一个近似于椭圆轨迹的快速振动。筒体内装有钢球或钢棒等磨介及待磨物料，筒体的振动使磨介及物料呈悬浮状态，利用磨介之间的抛射与研磨等作用力而将物料粉碎。振动粉碎的特点：振动粉碎是靠磨机系统的振动，使研磨体得到加速度运动而冲击和研磨物料的一种超细磨设备。其主要优点为：①破碎比高，粉碎时间很短；②在影响粉碎的主要因素中，如排出口径、排出面积、振动幅度、介质等均可任意地改变，因而不用分级器也可获得期望的粒度；③适应性强，可用于任何物料的超细磨，可以用于干磨或湿磨。其缺点是进料粒度不能过大。磨介尺寸与原料及成品粒度的相互关系研磨介质有钢球、钢棒、氧化铝球和不锈钢珠等，可根据物料性质和成品粒度要求选择磨介材料与形状。为提高粉碎效率，应尽量先用大直径的磨介。如较粗粉碎时可采用棒状，而超微粉碎时使用球状。一般说来，磨介尺寸越小，则粉碎成品的粒度也越小。物料充填率与粉碎率（以单位时间内的比表面的增加来表示）之间的关系振动磨磨介的充填率一般在60%～80%范围内，物料充填率（筒体内物料松容积占磨介之间空隙的百分率）在100%～130%之间。物料充填率与粉碎率（以单位时间内的比表面的增加来表示）之间的关系示于图1～11。由图可见，物料充填率高则粉碎率下降，但振动磨筒体内新生总表面积与粉碎率(纵坐标)和物料充填率(横坐标)的乘积成正比。物料充填率增加时，单位时间内新生的总表面在一定范围内仍是增加的。第四节超微粉碎或微粉碎的应用一.超微或微粉碎技术在巧克力生产上的应用：1.各组成物的相：1)巧克力属超微颗粒的多相分散体系；2)油脂在此体系中属于分散介质，是一种连续相；3)糖和可可以细小的质粒作为分散相分散于油脂连续相内；4)大部分可可、糖、乳干物质粒度在20~30μm间；5)少量和空气在此体系内属分散体。2.在常温下，精制的巧克力被看作是一种高度均一的固态混合物。3.作为一种固态混合物，各个物质被均匀地分布在油脂内，成为高度乳化的乳浊体。