柱塞泵高压均质机是一种深加工设备, 这种功能主要靠高压均质阀完成, 它的结构如图 1 所示:由阀座、阀芯及碰撞环组成。

在图 1 中可见到高压液料进入阀座内腔时, 当它的压力超过预先设定的高压弹簧作用下形成的压力, 阀芯向右移动,开启阀芯和阀座, 之间形成一个很小的缝隙, 约 ≤0.4mm , 高压液流以极高的线速度( 通常达到 200～300m/s ) , 通过这个缝隙时, 液料产生极大压力降, 瞬间失压, 膨胀、爆炸( 这个复杂过程称空穴效应) , 由此产生高频振动和湍流,形成强烈剪切效应和高速撞击在碰撞环形成的碰撞效应等, 其中空穴效应起了主导作用,将存在液体中颗粒或油滴粉碎成很小的尺寸, 直径 φ0.01～2μm , 平均 φ≤1μm , 而且获得较理想的乳化液或匀浆液。这个过程, 实际上集中了超声波均质机( 空穴效应) 、高速剪切机( 剪切效应) 、射流均质机( 碰撞效应) 等功能原理于一体, 由此可见, 它的功效远远超过了其他设备。它的产品保持原有活性、稳定性、混合性, 均质以后乳制品具有更好营养值、易吸收性、保质期、口味和色彩。所以一百余年来一直是国内外公认的一种高效、节能、可靠的超细粉碎、乳化匀浆设备。

一般均质机都具有二级均质阀。后面一级均质阀即第二级均质阀( 或称低压阀) , 它的功能主要给第一级高压一个合适的背压, 集中第一级能量, 使空穴效应发生在缝隙的最佳区域; 同时第一级均质后,可能因范得瓦尔斯引力作用下, 微粒发生聚合, 再次给予破碎, 料液得到进一步的乳化和匀浆。

空穴效应发生区域取决于背压大小, 阀的结构及液料的粘度大小。背压太小, 空穴效应发生区域移向缝隙出口处, 可能造成空穴失控, 阀座的外缘容易崩塌损坏; 背压增高, 空穴效应发生区域会移向缝隙进口处; 背压过高, 还会引起空穴效应较少, 影响均质效果,且阀座孔内壁容易崩塌损坏。所以空穴效应必须也受控的。空穴效应发生时, 会产生局部高温和高压, 引起空穴气融, 逐渐使均质机阀座和阀杆的工作端面变得粗糙, 根据这种粗糙情况, 可以判断空穴效应是受控还是失控。受控良好的, 应在受蚀而变得粗糙端面上出现一个封闭圆环 ( 如图 2a ) 。

如观察到工作面上局部粗糙性是放射状, 这意味空穴失控 ( 如图 2b ) , 这时能量不能被全部利用。所以, 第一级均质阀后面再串联第二级均质阀, 改变第二级均质阀缝隙大小可以改变第一级均质阀的背压大小; 同时, 防止分散了颗粒重新聚合。

最佳背压要通过实验得到, 实践中牛奶均质时最佳背压不能大于均质压力的 20% , 实际上由于牛奶生产管路相当复杂, 已形成相当的的背压。这样, 就无法获得所需的较低背压,甚至无法调低背压, 所以,有些均质机只有一级均质阀, 它利用水力特性, 形成一定背压。

由于第二级均质阀主要还是集中第一级能量,所以在结构上, 不装碰撞环。如在生产实践中,一般牛奶低压取 2MPa 左右 ( 20Bar ) , 高压取 16～18MPa( 160～180Bar ) , 酸奶低压取 2～4MPa 左右( 20～40Bar ) ,高压取 20～25MPa ( 200～250Bar ) , 原则上是为达到均质效果, 压力取低值为宜。均质温度对均质效果影响是很大的, 温度高, 饱和蒸汽压也高,均质时空穴效应容易形成, 为了提高均质效果, 在保证液体物料不变性的前提下, 适当提高均质温度是有益的, 实际生产中牛奶均质温度一般为50～70℃ ,50℃ 是牛奶有效均质的最低温度。超过 70℃ 在设备中产生气窝, 工作不正常, 压力指针摆动大。温度高一些可以促进脂肪球粉碎和分散效果更好, 但不利于热稳定性。以上需要各地生产厂家在工艺师指导下经过实践以取得最佳均质压力数据。