本文介紹單級多齒衛(wèi)生級剪切乳化泵的概念、發(fā)展、設計思路及在實際中應用。
隨著食品安全問題越來越受到老百姓的認知和關注，國家相關法律、法規(guī)不斷健全，推動著中國食品工業(yè)的不斷發(fā)展。對于衛(wèi)生級生產設備改進和升級也在不斷的推進。衛(wèi)生型工業(yè)中，衛(wèi)生級剪切乳化設備被廣泛用在乳品、飲料、調味品及精細化工行業(yè)。由于行業(yè)中設備種類較多、結構多種多樣比如膠體磨、罐底剪切、攪拌器、剪切泵，工藝設計選型中很難區(qū)分其特點和適用性。單級多齒衛(wèi)生級剪切乳化泵作為要求越來越嚴格的工藝要求，有其獨特的功能優(yōu)勢。
衛(wèi)生標準對食品設備的要求
歐洲EHEDG標準和美國3A標準對食品、飲料、乳品設備要求更為嚴格，3A和EH標準從選材、設計到加工處理都有嚴格的要求，主要目的為避免食品受到微生物所污染，微生物來源可能來自于原料，但也有可能來自于加工與包裝過程。如果設備衛(wèi)生設計不良，將難以清潔。微生物或原料可能殘留在裂縫或死角位置，使微生物易于藏匿殘存與繁殖，進一步后續(xù)生產出現(xiàn)交叉污染。
雖然以機械工程的角度而言，設備設計的基本目標仍未使其具備工程功能，但若設計與食品衛(wèi)生安全上相抵觸時，在尋找解決方案的同時，應將食品安全放在第一位。因此應在食品衛(wèi)生機械設計之初，將衛(wèi)生概念融入其中，長期下來可以確保食品安全、延長設備使用壽命、減少維護次數(shù)以及降低操作成本等等。
單級多齒衛(wèi)生級剪切泵的特點及設計
剪切泵是現(xiàn)代國際上普遍采用的一種無菌制造乳、膏狀均質產品的在線式生產設備，被廣泛用在食品、醫(yī)藥、精細化工等行業(yè)。高剪切均質乳化泵主要是由于定轉子之間間距0.2mm~0.5mm相對的高速運動產生的強大的離心立場，在轉子中心形成很強的負壓區(qū)，料液被吸入定轉子中心，在離心力的作用下，物料由中心向四周擴散，在四周擴散的過程中，先是在定子齒圈內側窄小間隙內受到剪切，然后進入內圈轉齒與定齒的窄小間隙內，在機械力和流體力學效應的作用下，產生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料之間的相互碰撞和摩擦作用而使分散相顆粒液滴破碎。隨著轉齒的限速度由內圈向外圈逐漸增高，粉碎環(huán)境不斷改善，物料在向外圈運動過程中受到越來越強烈的剪切、摩擦、沖擊和碰撞作用而被粉碎得越來越細從而達到均質乳化的目的。而高壓均質機主要是靠高壓流體產生的強烈、充分的空穴效應和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達到均質的目的。由于極強的空穴作用，高壓均質機對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適；研究發(fā)現(xiàn)對于纖維性的產品粉碎最有效的立場是剪切力和研磨力，常溫下沖擊力對纖維是無能為力的，而單級多齒高剪切在線式剪切泵能對物料產生強烈的剪切與研磨作用，因此單級多齒高剪切比較適合處理含纖維較多或者容易出現(xiàn)稀奶油、較硬的顆粒物料。
目前市場上剪切泵有單級、二級、三級及以上，一般混料用單級的剪切泵，要求稍嚴格的用二級的把大顆粒均質為小顆粒，精細乳化一般選用三級的或更多，級數(shù)越多精細乳化的效果越好，但是作為衛(wèi)生行業(yè)來講，級數(shù)越多死角越多，不易清洗，給微生物殘留、滋生提供了空間，經年累月的食品生產，給衛(wèi)生安全造成很大的隱患。
圖1 多級均質乳化泵工作原理圖
單級多齒剪切乳化泵鑒于多級剪切泵設計有死角，不易清洗，CIP和SIP達不到理想的效果等缺點，并借鑒單級離心泵的設計原理及其結構，同樣是把物料通過葉輪和流道輸送至下一工位，同時剪切齒又可以保證剪切乳化的功能；泵壓流道借鑒離心泵的流道設計原理，按照流體力學優(yōu)化設計的泵壓通道確保物料順暢輸送，最大限度的減少次級渦輪，避免物料的溫升效應。
圖2 離心泵結構圖
設計成單級多齒剪切泵，把原多級轉子串聯(lián)設計改為單級多排剪切齒排列，這樣保證同樣的剪切效果，并且減少了轉子在串聯(lián)的過程中增加死角位置。設計及驗證過程中發(fā)現(xiàn)噪音和振動較大，剪切齒外徑增大，底板厚度保持不變，強度不夠,運行過程中受力變形，金屬之間摩擦導致運行不正常。轉子底板厚度由原9.1mm增加至16.1mm，這樣大大增加了工程強度，在輸送剪切過程中避免發(fā)生受力變形的情況。如圖3壁厚變化。
圖3 轉子（轉齒）
剪切泵過流面遵照歐洲EHEDG標準和美國3A標準設計，(1）單級設計避免死角位置；（2）所有過流面光潔度Ra≤0.8μm；流道內原則上不設計內凹拐角，如不可避免，內凹拐角R值均在1.6mm以上。（3）根據(jù)客戶的不同的工藝需求，比如停產時，要求自排盡殘液，可設計自排盡接口，這樣更能滿足食品衛(wèi)生安全要求。
單級多齒衛(wèi)生級剪切泵主要結構：
圖4 剪切乳化泵結構圖
①電動機；②泵殼；③機械密封；④轉子；⑤定子；⑥支撐腳
1.單級多齒高效剪切泵的優(yōu)點
（1）衛(wèi)生級生產設備設計原則首先滿足衛(wèi)生設計標準，易清洗、無殘留，單級剪切泵結構簡單、緊湊，易于CIP/SIP，方便排除殘液。
（2）采用多齒設計，定轉子之間相對的高速運動產生的高剪切作用，同時伴隨著較強的空穴作用對物料顆粒進行分散、細化、均質，可實現(xiàn)極強的剪切和研磨效果，從而達到剪切乳化的目的。
（3）可實現(xiàn)大批量、無限制的在線式生產模式，縮短生產工藝、提高生產效率。
（4）高強度的剪切、撞擊、摩擦力要求泵殼強大的壁厚，所以最少6mm壁厚的模塊化堅固設計優(yōu)化泵的性能，使其耐壓、耐震、抗沖擊、減小噪音、防腐蝕?！?/p>
圖5 單級多齒高效剪切泵
2.單級多齒高剪切剪切泵的優(yōu)點
一般剪切乳化泵對于長纖維類產品均質乳化是比較困難，很難生產出品質穩(wěn)定、充分均質、乳化的產品。而單級多齒高剪切剪切泵，通過特定的斜齒設計，解決常規(guī)設備無法解決的問題。
圖6 單級多齒高剪切剪切泵
3.單級多齒帶輸送剪切泵的優(yōu)點
相對于多相混料而言，剪切力要求不是太高，但是要求自帶輸送能力，如圖的設計采用離心泵葉輪設計通過離心力把物料輸送至外圍的剪切齒，高速剪切后再把物料輸送。單級多齒帶輸送剪切泵比較適合溶糖工藝，混合不易融水的淀粉等。
圖7 單級多齒帶輸送剪切泵
剪切乳化在工藝設計選型時時需注意以下幾點：首先根據(jù)客戶的現(xiàn)場實際生產工藝確定設計方案；確保產品的最終均質乳化效果，是軟性體顆粒、纖維類產品，還是多相物料混料輸送；泵體竟可能的簡單，易于排空殘液，方便CIP和SIP。
剪切乳化泵的現(xiàn)狀
目前國內加工工藝不斷的提高，設計也日漸成熟，所以國內的單級多齒高剪切乳化泵日漸能滿足國內市場的需求，但剪切乳化設備多種多樣、良莠不齊，給工藝設計選型人員造成諸多不便，國內的行業(yè)要求偏低，特別是食品安全問題，不能引起行業(yè)內重視，一些公司選用成本低廉不符合衛(wèi)生要求的生產設備。諸多因素阻礙了國內剪切乳化設備的發(fā)展。
結論：
綜合單級多齒剪切乳化泵的優(yōu)點和現(xiàn)狀，衛(wèi)生設備的設計宗旨首先保證食品衛(wèi)生安全可靠，其次不斷優(yōu)化泵的性能。保證高潔凈、自排盡、零死角、高品質、高效率。對于制造商而言更好的理解其生產工藝，根據(jù)不同的生產工藝需求，不同的物料特性，設計不同方案，以實現(xiàn)更好的質量和更大的收益。
