Trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và hóa chất tốt, chúng ta thường cần pha trộn ổn định hai chất lỏng không hòa tan với nhau, chẳng hạn như dầu và nước, để tạo thành một hệ thống phân tán được gọi là nhũ tương. Thiết bị cốt lõi để thực hiện quá trình này là bình sữa. Bài viết này sẽ tiến hành phân tích nghiêm ngặt về bể nhũ hóa từ góc độ nguyên lý khoa học và thiết kế kỹ thuật.

I. Định nghĩa và chức năng cốt lõi

Bể nhũ tương, tên đầy đủ của bể phản ứng nhũ tương, là một thùng chứa hóa chất chính xác tích hợp nhiều chức năng như trộn, phân tán, đồng nhất, nhũ tương, sưởi ấm và làm mát. Chức năng cốt lõi của nó là phân tán một chất lỏng đồng đều và ổn định vào một chất lỏng không hòa tan khác bằng cách áp dụng lực cắt cơ học cường độ cao để tạo ra nhũ tương ổn định dưới dạng các giọt nhỏ (thường đạt đến cấp micron).

Một quá trình nhũ tương hóa thành công, không chỉ đơn giản là pha trộn, phải vượt qua sự căng thẳng giao diện lớn giữa các chất lỏng và đảm bảo rằng các giọt nhỏ mới hình thành không tập hợp lại và phân tầng.

Thứ hai, nguyên tắc làm việc: lực cắt là cốt lõi

Bể nhũ tương hoạt động dựa trên một khái niệm vật lý cốt lõi: lực cắt.

1. Tiền xử lý và trộn ban đầu: Đầu tiên, pha dầu và nguyên liệu pha nước được trộn ban đầu trong bể thông qua máy khuấy thông thường (ví dụ: loại neo, loại mái chèo) để tạo thành một hệ thống phân tán thô. Lúc này, kích thước giọt tương đối lớn, hệ thống rất không ổn định.

2. Cắt nhũ tương cao: Đây là bước quan trọng nhất. Đầu nhũ tương cắt cao nằm ở đáy hoặc hai bên bể bắt đầu quay với tốc độ cao. Đầu nhũ tương thường bao gồm rôto và stator:

Rotor: lưỡi quay tốc độ cao (tốc độ quay lên đến 0-3000 vòng/phút hoặc cao hơn, tốc độ dòng lên đến 20-40 m/s).

Stator: Tay áo cố định bất động, có khe hoặc lỗ chính xác.

Khi làm việc, vật liệu hỗn hợp thô được hút mạnh vào bên trong đầu nhũ tương bởi rôto quay tốc độ cao, và dưới tác động của lực ly tâm khổng lồ, nó được ném vào khe của stator. Khi vật liệu bị buộc phải đi qua các khe cấp micron này, nó sẽ chịu được các tác động tích hợp như lực cắt cơ học dữ dội, ma sát thủy lực tần số cao, sốc đùn và nhiễu loạn.

3. Các giọt vỡ và đồng nhất hóa: Trong trường lực cắt cường độ cao này, các giọt lớn bị xé ngay lập tức và vỡ thành các giọt nhỏ hơn theo thứ tự độ lớn. Các giọt nhỏ mới được tạo ra làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc hai pha, cho phép các chất nhũ hóa được thêm vào sau đó nhanh chóng hấp thụ vào giao diện giọt, tạo thành một lớp màng giao diện chắc chắn, giảm căng thẳng giao diện một cách hiệu quả và ngăn chặn sự tái hợp của các giọt.

4. Lưu thông và ổn định cuối cùng: vật liệu được xử lý bằng đầu nhũ tương được bắn ra ở tốc độ cao, trộn lại với các vật liệu khác trong bể, và với sự hợp tác của máy khuấy, một chu kỳ được hình thành để đảm bảo rằng mọi phần của vật liệu trong bể có thể đi qua vùng cắt cao nhiều lần và cuối cùng thu được một nhũ tương ổn định với sự phân bố hẹp kích thước giọt và chiều cao đồng đều.

III. Cấu trúc và thành phần chính

Một bể nhũ tương hoàn chỉnh là một hệ thống phức tạp, chủ yếu bao gồm:

1. Thân xe tăng:

Chất liệu: Thông thường, thép không gỉ SUS304 hoặc SUS316L được sử dụng để đảm bảo chống ăn mòn, dễ vệ sinh và tuân thủ các yêu cầu của GMP (Quy tắc quản lý chất lượng sản xuất dược phẩm).

Thiết kế: Thiết kế áo khoác để đi qua hơi nước/nước nóng (sưởi ấm) hoặc nước làm mát (làm mát), kiểm soát chính xác nhiệt độ quá trình. Bề mặt bên trong thường được đánh bóng gương để giảm dư lượng vật liệu.

2. Hệ thống trộn:

Trộn chính: thường là máy khuấy chậm (ví dụ: loại neo, loại khung), được sử dụng để trộn vĩ mô, cạo tường, ngăn chặn vật liệu coke trên bề mặt tường và hỗ trợ hình thành chu kỳ.

Đầu nhũ tương cắt cao: Các thành phần làm việc cốt lõi chịu trách nhiệm cung cấp lực cắt chính. Các dạng đầu stator khác nhau (như lỗ tròn, lỗ dài, lỗ lưới, v.v.) có thể được lựa chọn theo yêu cầu của quá trình để có được hiệu ứng cắt khác nhau.

3. Hệ thống truyền động: bao gồm động cơ, bộ giảm tốc, v.v., để khuấy và nhũ tương. Thông thường điều khiển tần số biến tần, tốc độ quay có thể được điều chỉnh vô cấp.

4. Các hệ thống phụ trợ khác:

Hệ thống chân không: được sử dụng để loại bỏ bong bóng trong vật liệu trong quá trình nhũ tương, ngăn chặn quá trình oxy hóa sản phẩm và cải thiện độ dày đặc và độ bóng của sản phẩm cuối cùng.

Hệ thống sưởi ấm/làm mát: đạt được bằng áo khoác hoặc cuộn dây.

Hệ thống điều khiển: PLC hoặc giao diện người-máy để thiết lập và ghi lại nhiệt độ, tốc độ quay, thời gian, độ chân không và các thông số quá trình khác để đạt được sản xuất tự động.

Đầu vào/đầu ra và gương: được sử dụng để cho ăn, xả, làm sạch và quan sát các điều kiện bên trong.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Khi lựa chọn hoặc đánh giá một bể nhũ tương, cần tập trung vào các thông số sau:

1. Tốc độ cắt và lực cắt: trực tiếp xác định khả năng vỡ giọt, liên quan chặt chẽ đến tốc độ dây rôto, khoảng cách rôto cố định.

2. Tốc độ dây rotor: chỉ số chính để đo cường độ làm việc của đầu nhũ tương, tốc độ dây càng cao, thường lực cắt càng mạnh.

3. Đầu vào công suất: Công suất động cơ xác định khả năng xử lý vật liệu có độ nhớt cao và hiệu quả tổng thể của thiết bị.

4. Cấu trúc rotor cố định: các kết hợp cấu trúc khác nhau phù hợp với các vật liệu có độ nhớt khác nhau và yêu cầu kích thước hạt cuối cùng khác nhau.

5. Hình thức niêm phong: Độ tin cậy và mức độ vệ sinh của con dấu cơ khí là rất quan trọng.

6. Chức năng CIP/SIP: Cho dù nó có chức năng làm sạch trực tuyến và khử trùng trực tuyến hay không, đó là yêu cầu cứng nhắc của ngành công nghiệp dược phẩm và thực phẩm.

V. Các lĩnh vực ứng dụng chính

1. Công nghiệp thực phẩm: các sản phẩm sữa (sữa chua, sữa hương vị), đồ uống, kem, nước sốt (mayonnaise, salad sauce), kem, gia vị, v.v.

2. Ngành công nghiệp mỹ phẩm: kem mặt, kem dưỡng da, serum, dầu gội đầu, sữa tắm, kem đánh răng, v.v.

3. Công nghiệp dược phẩm: nhũ tương, thuốc mỡ, kem, thuốc đạn, liposome, chất lỏng nuôi cấy tế bào, v.v.

4. Hóa chất tốt: kem thuốc trừ sâu, sơn, mực, chất bôi trơn, phân tán vật liệu nano, v.v.

VI. Kết luận

Khác xa với một thùng trộn đơn giản, bể nhũ tương là một thiết bị đồng nhất cắt cường độ cao được thiết kế dựa trên các nguyên tắc thủy động lực học chính xác. Nó tạo ra mật độ năng lượng cục bộ bằng cách chuyển đổi cấu trúc stator, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng giao diện một cách hiệu quả, do đó khắc phục lực lượng giữa các phân tử và đạt được sự tinh tế và ổn định của vật chất. Ưu điểm và nhược điểm của hiệu suất của nó trực tiếp xác định sự ổn định, kết cấu, ngoại hình và thời hạn sử dụng của sản phẩm cuối cùng. Do đó, sự hiểu biết sâu sắc về nguyên tắc và cấu trúc làm việc có ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển quy trình, lựa chọn thiết bị và kiểm soát chất lượng sản phẩm trong các ngành liên quan.