Разница между однородной и неоднородной структурой

В неоднородной смеси компоненты находятся в разных фазах и распределены неравномерно. Пока существует разница в плотности, сила тяжести делает своё дело: лёгкая фаза поднимается вверх, тяжёлая оседает на дно. Именно поэтому в сыром молоке образуется слой сливок, а в отстоявшейся заправке для салата — слой масла.

В однородной структуре компоненты настолько малы и настолько равномерно распределены, что разделение практически прекращается. Гомогенизация уменьшает размер капель, увеличивая площадь их поверхности, а белки или эмульгаторы, покрывающие новые поверхности, предотвращают повторное слияние капель. Более подробно о процессе вы можете прочитать в нашей статье как предотвратить разделение фаз

Принцип работы гомогенизатора

Высоконапорный гомогенизатор состоит из двух основных частей: поршневого насосного блока, создающего давление, и гомогенизирующего клапана, выполняющего основную работу. Большая часть корпуса машины представляет собой насос; сама гомогенизация происходит на участке размером с ладонь.

Создание давления

Насосный блок обычно содержит от трёх до пяти поршней. Коленчатый вал преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное, поршни всасывают продукт и нагнетают его в линию высокого давления. Это объёмный насос: при каждом ходе он перемещает фиксированный объём, а производительность регулируется только изменением частоты вращения или диаметра поршней.

Здесь есть один момент, который часто вызывает путаницу на практике. Давление определяет не насос, а клапан. По мере уменьшения зазора между клапаном и седлом противодавление повышается. Увеличение частоты вращения насоса повышает не давление, а производительность.

Прохождение через клапанный зазор

Продукт под давлением проталкивается в зазор микронного размера между клапаном и седлом. В этом сужении скорость потока достигает 100-300 м/с. Продукт находится в этой зоне не секунды, а микросекунды.

Силы, разрушающие частицы

В клапанном зазоре одновременно действуют три эффекта:

Поскольку давление резко падает, внутри жидкости образуются пузырьки пара, а когда давление восстанавливается на выходе из клапана, эти пузырьки резко схлопываются. Это явление, называемое кавитацией, разрушает капли локальными ударными волнами.

Разница в скорости потока внутри сечения создаёт напряжение сдвига (shear). Капля растягивается, поскольку с одной стороны её поток движется быстрее, а с другой — медленнее, после чего разрывается.

Высокоскоростная струя, выходящая из зазора, ударяется о ударное кольцо. Оставшиеся крупные капли разделяются под воздействием этого удара.

В случае молока результат можно измерить. В натуральном молоке жировые глобулы диаметром 3-10 µm после обработки уменьшаются до 0,5-2 µm, а общая площадь поверхности жировой фазы увеличивается в четыре-шесть раз. Образовавшуюся новую поверхность сразу покрывают казеин и сывороточные белки; капли больше не сливаются и сливки не образуются.

Одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация

В одноступенчатой системе используется один клапан, и всё падение давления происходит в нём. Проблема заключается в том, что измельчённые капли сразу после выхода из клапана склонны к агрегации, особенно в продуктах с высоким содержанием жира.

В двухступенчатой системе за первым клапаном устанавливается второй клапан низкого давления. Обычно используется распределение, например 150/50 bar: первый клапан измельчает частицы, второй распределяет образовавшиеся агломераты и стабилизирует поток. На линиях производства питьевого молока, айрана и йогурта двухступенчатая система фактически является стандартом. Однако в некоторых процессах, например при производстве сливок и сливочного масла, где агрегация желательна, предпочтение отдаётся одноступенчатой системе.

Гомогенизация нагревает продукт

Практически вся затраченная энергия превращается в тепло. В качестве практического правила можно считать, что на каждые 100 bar температура продукта повышается на 2-2,5 °C. На линии, работающей при 400 bar, это означает повышение примерно на 10 °C, которое необходимо учитывать при расчёте пастеризации и охлаждения. В термочувствительных рецептурах это само по себе может изменить выбор давления.

Виды гомогенизаторов

Не все машины, продаваемые под названием «гомогенизатор», выполняют одну и ту же работу в одинаковом масштабе. Различия определяются достижимым размером частиц и вязкостью продукта.

Высоконапорный гомогенизатор (клапанного типа)

Наиболее распространённый тип в промышленности. Работает при давлении от 200 до 1 500 bar, позволяет достигать субмикронного уровня и может непрерывно работать на производственных линиях большой производительности. Стандартное оборудование для молока, напитков, соусов, косметических кремов и фармацевтических эмульсий. Модели высоконапорных гомогенизаторов HOMMAK производительностью от 20 л/ч до 30 000 л/ч относятся к этому классу.

Ротор-статорные гомогенизаторы (высокосдвиговые смесители)

Создают интенсивное сдвиговое воздействие в узком зазоре между быстро вращающимся ротором и неподвижным статором. По сравнению с клапанным типом обеспечивают более грубое распределение (обычно 1-20 µm), зато гораздо практичнее для растворения порошковых материалов в жидкости, диспергирования камедей и стабилизаторов, а также работы с вязкими продуктами. Могут работать внутри ёмкости или непосредственно в линии.

В этой группе высокосдвиговые смесители, MicroCut с вольфрамовыми лезвиями и многоступенчатый MicroMix in-line смеситель соответствуют различным потребностям. На большинстве предприятий ротор-статорный и клапанный типы не являются альтернативами друг другу, а представляют собой два разных этапа одной линии: сначала диспергирование, затем гомогенизация.

Коллоидная мельница

Между коническим ротором и статором имеется регулируемый зазор. Она предпочтительна для высоковязких и волокнистых продуктов, например тахини, горчицы и фруктовых пюре. Поскольку зазор регулируется механически, размер частиц зависит от оператора.

Ультразвуковой гомогенизатор

Разрушает частицы за счёт кавитации, создаваемой ультразвуковыми волнами в жидкости. Он очень эффективен в лабораторном масштабе; сравнительные исследования даже показывают, что при определённых условиях он обеспечивает меньший диаметр глобул, чем классическая гомогенизация. При переходе к промышленному масштабу ограничивающими факторами становятся энергоэффективность и износ зонда, поэтому эта технология не получила широкого распространения на крупных линиях.

Гомогенизаторы лабораторного и пилотного типа

Предназначены для разработки рецептур, разрушения клеток и исследований по масштабированию. Они способны достигать очень высокого давления при небольших объёмах; типичный диапазон составляет 1 000-1 500 bar при производительности 25-500 л/ч. Настройки давления и количества ступеней, подтверждённые в рамках НИОКР, определяют спецификацию производственной машины.

Сравнительная таблица

Тип	Типичный размер частиц	Рабочий диапазон	Наиболее подходящее применение
Высоконапорный клапанного типа	0,1-2 µm	200-1.500 bar	Молоко, напитки, эмульсии, фармацевтика
Ротор-статорный / высокосдвиговый	1-20 µm	Около 3 000 об/мин	Растворение порошков, диспергирование камедей, вязкие продукты
Коллоидная мельница	5-50 µm	Регулируемый зазор	Тахини, горчица, пюре, волокнистые продукты
Ультразвуковой	0,1-1 µm	Около 20 kHz	Лаборатория, небольшие объёмы
Лабораторный / пилотный тип	0,05-1 µm	400-1.500 bar	Разработка рецептур, разрушение клеток

Области применения гомогенизатора

Молоко и молочные продукты

Самая старая и крупнейшая область применения. Гомогенизация предотвращает отделение сливок, делает молоко более белым, улучшает структуру геля и способность йогурта удерживать воду, а в мороженом уменьшает образование кристаллов льда, придавая ему более кремовую текстуру. Для таких продуктов, как сливочный сыр и творог, это непосредственно связано со способностью продукта легко намазываться. Подробнее вы можете узнать на нашей странице решения для гомогенизации молока и молочных продуктов.

Пищевые продукты и напитки

В фруктовых соках предотвращает оседание мякоти, в соусах — разделение фаз, а в напитках на растительной основе — образование осадка. В майонезе и кетчупе именно гомогенизация определяет вязкость и ощущение продукта во рту. Поскольку эмульсия становится стабильной, в большинстве рецептур также снижается количество необходимых стабилизаторов и эмульгаторов.

Косметика

В кремах, лосьонах и шампунях размер капель напрямую влияет на консистенцию, блеск и срок хранения продукта. Гомогенизация под высоким давлением позволяет получать тонкие эмульсии с узким распределением, обеспечивая одинаковый результат от партии к партии.

Фармацевтика и биотехнология

В фармацевтических суспензиях однородное распределение действующего вещества является условием стабильности дозировки. При производстве липосом и наноэмульсий используются давления свыше 1 000 bar. В биотехнологии гомогенизатор представляет собой не смеситель, а устройство для разрушения клеток: клеточная стенка механически разрушается без использования химических веществ, высвобождая содержащиеся внутри белки или ферменты. В фармацевтических и лекарственных применениях материал клапана и протокол очистки имеют такое же значение, как и давление.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Используется при производстве красок, моющих средств, смол и смазок для обеспечения стабильной вязкости и узкого распределения частиц. В смазочных маслах утончение волокнистой структуры мыла напрямую влияет на показатель пенетрации и механическую стабильность продукта.

Как выбрать правильный гомогенизатор?

При запросе коммерческого предложения необходимо учитывать не только давление и производительность, но и другие параметры, указанные в представленной вам таблице.

Давление. Выбирайте значение, необходимое вашему продукту, а не максимально достижимое давление. Чрезмерно высокое давление увеличивает затраты на электроэнергию, нагрев и износ клапана; для некоторых продуктов оно также может привести к агрегации жиров и ухудшить результат.

Производительность. Рассчитывайте её исходя из фактического расхода линии. Поскольку гомогенизатор работает как объёмный насос, нежелательно, чтобы он длительное время работал без нагрузки.

Вязкость и температура. Если давление подачи недостаточно для вязких продуктов, насос входит в режим кавитации. Это одна из наиболее распространённых причин сокращения срока службы поршней и клапанов.

Гигиена и очистка. В пищевых, молочных и фармацевтических линиях совместимость с CIP, шероховатость поверхности и материал уплотнений не подлежат обсуждению.

Потребление энергии и частота вращения поршней. При одинаковой производительности потребление кВт у двух машин может существенно различаться. Машины, работающие при низкой частоте вращения поршней, создают меньше вибраций, а интервалы замены запасных частей увеличиваются.

Сервис и запасные части. Клапаны, седла и поршни являются изнашиваемыми деталями. Срок поставки определяет продолжительность простоя вашей линии.

Приблизительные диапазоны давления в зависимости от продукта

Продукт / применение	Типичное давление
Питьевое молоко, айран, йогурт	150-250 bar
Смесь для мороженого, сливки, сливочный сыр	200-400 bar
Соусы, майонез, фруктовый сок	200-350 bar
Косметические кремы и лосьоны	300-600 bar
Смазки, краски, смолы	400-800 bar
Наноэмульсии, липосомы	800-1.500 bar
Разрушение клеток (биотехнология)	1.000-2.000 bar

Таблица является отправной точкой. Точное значение определяется в ходе пилотных испытаний на основе рецептуры и целевого размера частиц.

Четыре ошибки, с которыми мы часто сталкиваемся на практике

Установка чрезмерно высокого давления. Принцип «чем больше, тем лучше» здесь не работает. Избыточное давление расходует энергию, нагревает продукт и в некоторых рецептурах провоцирует агрегацию.

Неправильное расположение гомогенизатора относительно термической обработки. При обработке молока гомогенизатор обычно устанавливается после секции нагрева пастеризатора, примерно при 60-70 °C. Гомогенизация холодного продукта снижает эффективность и увеличивает нагрузку на машину.

Продолжение производства с изношенным клапаном. По мере износа клапана и поверхности седла при одном и том же значении давления формируется другое распределение частиц. Даже если продукт соответствует спецификации, его срок хранения может сократиться. Включение измерения размера частиц в периодический контрольный список позволяет своевременно выявить такое отклонение.

Пренебрежение линией подачи. Если на всасывании насоса недостаточно доступного чистого положительного напора на всасывании, начинается кавитация. Результат: шум, вибрация и преждевременный износ поршней.

Часто задаваемые вопросы

Для чего нужен гомогенизатор? Гомогенизатор уменьшает размер жировых капель и твёрдых частиц в жидком продукте, предотвращая разделение смеси. Он улучшает вязкость, цвет, текстуру и срок хранения продукта. Поскольку эмульсия становится стабильной, в большинстве рецептур также снижается потребность в стабилизаторах и эмульгаторах.

При каком давлении работает гомогенизатор? В зависимости от применения давление варьируется от 150 bar до 2 000 bar. В производстве молока и напитков в большинстве случаев достаточно 150-250 bar. Для косметических эмульсий используются 300-600 bar, для производства наноэмульсий и липосом — значения свыше 800 bar, а для разрушения клеток — свыше 1 000 bar.

В чём разница между гомогенизатором и смесителем? Смеситель смешивает компоненты между собой, а гомогенизатор разрушает частицы. Смеситель не способен создавать капли субмикронного размера; продукт, выходящий из гомогенизатора, находится в физически стабильном состоянии эмульсии. На практике они обычно дополняют друг друга: смеситель выполняет предварительную подготовку, а гомогенизатор обеспечивает конечный размер частиц.

Что такое гомогенизированное молоко? Гомогенизированное молоко — это молоко, в котором жировые глобулы с помощью высоконапорного гомогенизатора уменьшены до размера 0,5-2 µm. На поверхности не образуется слой сливок, а жир равномерно распределяется по всему объёму молока. Процесс не изменяет питательный состав молока; содержание жиров, белков и минералов остаётся прежним.

От чего зависит цена гомогенизатора? Основными факторами, определяющими цену, являются производительность (л/ч), максимальное рабочее давление, материал клапанов и поршней, уровень автоматизации и требования к гигиенической конструкции. При одинаковой производительности между двумя машинами на 200 bar и 1 000 bar может существовать значительная разница, поэтому вместо цены по каталогу формируется предложение на основе анализа технологического процесса.

Нужно ли гомогенизировать каждый продукт? Нет. При производстве твёрдых и полутвёрдых сыров использование гомогенизированного молока делает сгусток слишком мягким и затрудняет отделение сыворотки. При производстве сливочного масла, напротив, необходимо, чтобы жировые глобулы оставались вместе. Гомогенизация является этапом, решение о котором принимается в зависимости от продукта.