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1、乳化均质原理与均质器使用选型（干货分享）乳状液是食品和化工行业常见的一种产品状态。乳状液中以液滴或其他形式 被分散的一相称为分散相（或称内相，不连续相）；另一相是连成一片的，称为 分散介质（或称外相，连续相）。形成乳状液的重要过程就是一种液体被分裂成 小液滴，分散于另一不相混溶的液体中，形成乳状液的过程。通常向体系提供机 械能（如搅拌和均质等）可完成乳化过程（如图 1 所示）。均质就是指物料的料液在挤压，强冲击与失压膨胀的三重作用下使物料细化 从而使物料能更均匀的相互混合。它是食品或化工行业生产中经常要运用的一项 技术，其过程就是依靠搅拌装置的机械作用所产生的剪切力，将分散相撕碎成微 粒而分散
2、在连续相中，形成乳（膏）状均相物。这种操作称为均质化，是一种单元 操作，过程中使用一类加工设备，即均质器，旨在液-液分散中减少液滴的尺寸， 使分散体系更均匀。旨图 1 乳状液混合均质过程示意图初级均质预混合均屢器Water1、乳化过程中液滴发生的物理化学过程在任何情况下，液滴必需先形变才被破裂。制备乳状液一般需要有合适的乳 化剂，其作用是降低表面张力值（例如由40mNm-1降低至5mNm-i），使液滴 形变容易发生，液滴易破坏。乳化剂的另一作用是形成一个连续相的界面膜。在乳化过程中，液滴可能会重新絮凝或聚结。而多数絮凝的液滴在短时间内 又会再次被破坏，这些过程在乳化时都会同时发生（图 2 所示
3、）。液-液混合过 程中，液滴的聚并和破裂是一个动态平衡过程，各种状态液滴形成的速度受各种 复杂因素所制约，并且相互影响。液滴蛮畛图 2 形成乳状液的液滴变化示意图L预均质IL均质IIL稳定化快速 m：焉定的液滴连续相乳化剂产生乳状液需要的能量比较高的，只有十分强烈的搅拌才能达到，成本也是 昂贵的。这些能量除小部分是表面自由能的需要外，主要耗散成热能。添加合适 的乳化剂可大大地降低获得给定大小液滴所需的搅拌能量。乳化剂吸附在界面上，形成取向的界面膜，如图 3 所示。其作用：（1）降低两液相的界面张力，结果也减少由于两相界面面积增加而引起的热 力学不稳定性。（2）由于形成围绕着液滴的机械、位阻和静
4、电的位垒，降低了已分散液滴的 聚结速度，从而增加了体系的稳定性。所以选择乳化剂的目的就是形成最佳的小液滴。最佳乳化剂的条件即为：快 速吸附 、降低界面张力并形成保护膜 。图 3 乳化剂在形成乳状液中的作用示意图2、液滴破碎物理学在乳状液制备的过程中，都是通过各种方式供给体系的能量使液滴破裂，形 成稳定的乳状液。如通过强烈的搅拌和均质设备、高压液流的冲击和超声能作用 等，形成层流、湍流和空化作用(caviation)，将大液滴破裂为更小的液滴。液液分散体系体系中液滴随着外界应力的变化发生形状的变化，最终液滴破液滴破碎所涉及到的主要物理学参数如下：(1) 维持力：液滴形态的维持力(拉普拉斯压力，曲
5、面所受的内外压力差)。(2) 破碎力：液滴破裂是由于水滴表面施加切向应力所致。(3) 韦伯数(We)：液滴破碎力和液滴维持力之间的比率，液滴变化只发生在 临界韦伯数以上。WeWecrit 或 tbr Wecrit 或 tbr tbr,crit, 液滴破裂。(4) 变形时间：液滴必须暴露在切向应力下足够长的时间才能破碎。 现今在乳状液制备的过程中，通常是通过使用均质器设备来给体系供给能量使液滴破裂，形成稳定的乳状液。在固定均质条件下，乳化剂的浓度增加则会导致液滴的直径变小。如图 5 所示，固定均质条件(lOOOpsi)，旦乳化剂浓度超过一定程度，液滴大小将不再 变化，若想获得更小的液滴直径，则需
6、要考虑均质器的能量输入。型Mm押B埠图5液滴主要直径与乳化剂浓度的关系(固定均质条件lOOOpsi)3、均质乳化均质混合器是一种高分散、乳化、均质、混合和粉碎作用的高效多功能混合 器。它的速度比较高，叶轮小。它叶轮直径仅为混合罐直径的 1/101/75 。在传 统的混合搅拌理论中 ， 动能分别与转数的三次方和叶轮直径的五次方成比例， 叶轮直径增加，动能急据上升。因此，均质器采用小直径、高转数可以降低能耗， 节约能源。均质器一般结构的示意图如图 6 所示，除了一般对流外，还有冲击、挤压、 剪切和摩擦作用，物料在向上喷射过程中又受到径向推力和轴向力相交叉，因而， 对于易结团、凝絮、悬浮、粘胶等物料
7、具有乳化、分散、均质、混合和粉碎等显 著的效果。因而，它能在极短的时间内使物料中的微粒很快粉碎成亚微米细度。图 6 典型均质器结构示意图(1) 均质器中流体的运动基于均质器的几何形状不同，其中流体的流型是复杂的。一般的流动 可以是层流(旋转，简单剪切，延伸)或湍流。如图7所示。图 7 液体流动形态2)均质器的物性参数均质器在进行液液分散时，主要涉及到几种物性参数(1) 能量密度：指单位体积里所含的能量，其大小影响可达到的最小液滴尺 寸。(2) 能效：主要表征均质过程中的热损失，此参数关系到制造成本。(3) 体积流量：主要表征均质后产品的生产量，此参数关系到生产时间。(4) 产品流变性：涉及到生
8、产的限制使用，考虑到可均质的原料其中最关键的参数是能量密度 Ev,能量密度Ev等于能量输入与体积的均相体积V3)均质器类型比，可以简单地从功耗和体积流量计算。均质器的类型有如下几种高速搅拌机高压均质器 胶体磨 高剪切分散器 超声波破碎仪膜均质器他们常见的均质器结构如下图8所示:图 8 常见均质器的结构示意图4、高速搅拌机低能量体积比输入（能量密度）能量输入在搅拌容器内高度分布 （在低剪切和高剪切区域）搅拌器的几何形状和转速是主要参数f湍流流动优先 最终产品的粒度分布宽，颗粒大 搅拌过程需要避免空气混入，以避免泡沫形成 设备相当便宜，通常用于预混料生产。5、高压均质器高压均质领域使用的系统包括一
9、个高压泵，作为压力发生器，以及一个液压 消耗器，称为均质阀。泵的作用是产生在阀内分散的能量，输送被分散的流体， 保证过程中准确的流量。高压均质器是化妆品、食品中常用的乳化设备。转子和定子之间的槽 可以看作是一个恒定输送的扁平的、发散的喷嘴。破坏能量来自于通过均 质阀的高压弛豫现象。给予的压力一般从50到700 Pa（微流化器高达1600Pa）。 而设备内均质阀的几何形状是影响流型的关键因素。均质可以是单层，也 可以是多层。6、胶体磨胶体磨的均质作用基本上取决于施加在悬浮于流体中颗粒上的液压剪切力。 虽然在机器内部产生了一些压力，但它比高压均质器操作所需的压力要低得多， 而且是产生均质的次要因素
10、，而不是主要因素。在层流剪切条件下，当乳化液流经胶体磨转子和定子之间的小间隙时，会发 生液滴破碎。转子可以有多种表面轮廓（齿形），典型的转速为n=3000 min-1，由 于采用锥形设计，乳剂输送时无需施加外部压力 。定子和转子的间隙大小可改 变流体在通道中的停留时间和施加的力。7、高剪切分散剂（HSD）（超级均质器）高剪切分散器HSD，也可以被称为超级均质机，该机器的转子-定子系 统类似于胶体磨，大多由具有径向开口的同轴啮合环组成，其结构如图22所示。当流体进入系统的中心，并被转子带动，迅速加速。流体通过整个 系统的过程中，会经过多次加速和减速，从而产生巨大的切向力，使流体 被剪切成细小液滴
11、。转子的最高转速可达 20000 r min-1。8 超声均质器（ UH）超声波乳化过程可以简单描述如下：经混合的油水液体在其油水分界面上存在微观空腔，随着水的流动，这些空 腔进入声场强度大的区域，由于超声波的振动，波阮周围水的体积发生膨胀或收 缩，使超声波全部以纵波的形式在水中传播。油水分界面的空腔随着水的体积变 化所产生的张力或压力伸而缩振动。振动的本质属于体积振动，振动的频率与超 声波沉的频率相同。由于振动，空腔不断长大。当空腔生长到共振体积时，空腔 与超声波沉发生共振，体积振幅达到无限大，发生体积爆炸。爆炸产生的冲击波 与超声波合并，足以撕裂周围的液体，而混合体中水是多数载体，油是少数
12、掺人 体，很明显，在油水分界面上，油的整体强度小于水的整体强度，油被撕裂成微 滴，因表面张力悬浮于水中。据文献介绍，由超声波产生的乳化液中的粒子，有的系亚微观级，有的直径 为微米或微米以上。超声乳化作用不能在真空下发生，也不能在较高的外压下发 生，这都足以证明，液体在超声波振动下，主要靠空化而发生乳化。穿过液体 的超声波使其连续地进行压缩和膨胀。高强度的超声波提供了分散液相所需的能 量。超声波发生器压电或磁限制性换能器产生的频率 20kHz，其主要特点是超声产生相关的压力梯度导致液滴变形，局部压力下降到溶剂蒸气压 以下引起的空化产生湍流流动和高剪切效应。它可以批量运行或在线连续 使用。9、膜均
13、质器（MH）膜均质乳化法是近十几年出现的制备高性能乳液的新方法，与传统方法相比 操作简单、能耗低、表面活性剂用量少以及乳液性能高。国内外有关膜乳化法的研究主要是对操作条件和参数进行系统化研究 包括 膜性能（膜材料、膜孔径大小及分布、孔隙率等）、乳化剂、操作条件（如连续 相流速和压力、分散相压力、流体黏下图是分散相液滴形成原理示意图，多孔膜上的大量均匀孔可看作为微量分 布器，膜两侧分别是分散相和连续相，膜内外压力差为传质推动力，分散相在压 力作用下通过微孔后在另一侧的膜表面形成液滴并生长，长到一定大小时由于受 到高速流动的连续相剪切力作用而剥离膜表面，从而形成水包油或油包水型乳液 也可制备复合型
14、乳液。图 33 （ a ）膜均质器内液滴分散机理，（ b ） 由膜生产的 O/W 乳状液膜乳化法装置简图（a）装置1 （管式、中空纤维或毛细管式膜，氮气加压）；（b）装置2 （管式、 中空纤维或毛细管式膜，泵加压）；（c）装置3 （板式膜，氮气加压） 1分散相容器； 2连续相容器； 3压力表； 4膜组件； 5泵； 6阀； 7缓 冲器； 8氮气瓶； 9叶片式搅拌器上图是膜均质乳化法装置简图，由膜和膜组件、连续相循环泵、连接管道、 储槽等组成，分散相可用液氮装置加压（如图a所示）或泵加压（如图b所示）， 采用的膜大多是管式膜，个别研究也采用中空纤维膜和板式膜。当膜为平板膜时 采用图c所示的膜乳化装
15、置。所以，膜均质器的特点总结如下：（1）分散相或乳液通过微孔膜推入连续相；（ 2）高能效。乳化剂耗量少于传统方法，剪切力较小，有利于保护对剪切 力敏感的成分。3）粒径分布可能较窄。可制得分散相液滴尺寸小而均匀的单分散型乳液， 乳液的稳定性好；（4）形成的液滴大小一般为孔径的 2-3 倍；（5）对于高分散相浓度体系，需要不断循环，所以比较费时（6）工艺参数包括:膜孔径大小和材料；体积流量；施加跨膜压力；其他：温度、黏度等。10、几种均质器的比较(UITI)鋼p0,01 0J 110100Ev （MJ m3）不同均质器与液滴平均直径关系图通过前面均质乳化器的介绍，每种仪器均有自己的使用特点。上图显示了不同均质器在不同能量密度下产生的液滴尺寸关系。在此基础上，在选择合适的均质器时，要多方面考虑：1）清楚所需的产品特性 ：如 粒径分布、黏度等；（2）确定期望的生产条件 ：如 批量/连续、生产量、卫生、温度 等；（3）对不同均质器进行识别，测试和比较：如 高速搅拌机、高压均质阀、
