空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置

摘要

一种空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置，包括定子、转子、转轴、微波发生器和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声换能器，定子两侧端面上设置有微波发生器，定子两侧分别设置排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中，并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片中带有空腔，叶片中在空腔两侧均分布有空化通孔。新鲜脱脂奶杀菌消毒处理后与制备奶粉所需的其他营养素混合，输送至本发明上述装置中，利通过高效耦合水力空化、超声空化与微波处理，协同降低浓缩乳蛋白粘度，输出干燥后得到粉体产品。整个过程效果好、可放大性好、处理量大、成本低、可连续作业，不产生二次污染。用空化技术对浓缩乳蛋白液进行降低粘度处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过耦合水力空化、超声空化与微波技术用于处理浓缩乳蛋白以降低粘度的装置，属于蛋白类产品生产技术领域。

背景技术

蛋白质是人体不可缺少的基本营养成分。乳制品是一种重要的高品质的蛋白质来源，但其加工条件会影响粉体的性能，如溶解度、热稳定性、流动性、发泡性、胶凝性以及乳化性等。一些研究表明，由于蛋白质、盐类和糖类之间的物理化学相互作用具有变化性，乳蛋白浓缩粉在长储存时间过程中极易出现粘度高、溶解性差的问题，从而影响奶粉的工业化生产。乳蛋白的性能，如粘度，可以通过物理化学、酶等修饰来达到强化的效果。粘度的降低可以使喷雾干燥过程中的固体含量增加，对节约粉体生产的能源成本和操作成本的效果显著。因此，对浓缩乳蛋白进行预处理以降低其粘度特性，在蛋白类产品技术领域中有着重要的意义。

然而，与酶法或化学修饰相比，利用物理方法修饰蛋白质功能要求工况相对简单。水力空化方法是目前强化蛋白类产品生产工艺领域中的一种处理方法，且该技术已被证明可以提高干燥效率，特别是在食品加工、喷雾干燥、粉末水化、功能化、无垢加热、乳化和气体分散过程中。对于浓缩乳蛋白，若在喷雾干燥步骤前，其粘度能够降低20％，则意味着其固体含量将增加15％以上，具有良好的前景。此外，微波处理与超声处理同样可以辅助改变浓缩乳蛋白的物理结构，这些方法均能实现良好的处理效果。

CN207468248U公开的《一种剪切式空化装置》，WO2012077889A1公开的《FLUIDHEATER》，CN104613661A公开的《一种动力旋转加热器》虽然提出了旋转式的空化器，但均属于单纯的空化发生装置，没有降低浓缩乳蛋白粘度的功能，也未耦合其他物理方法。

发明内容

本发明针对现有蛋白类产品生产工艺存在的不足，提出一种能够高效完成蛋白质预处理的空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置。

本发明的空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴、微波发生器和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声换能器，定子两侧端面上设置有微波发生器，定子两侧分别设置排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中，并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片中带有空腔，叶片中在空腔两侧均分布有空化通孔。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～2500W。

所述微波发生器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，每侧有2～8个，单机功率为100～400W，两侧的微波发生器数量相等，一一对应。

所述进液口和排液口对角设置，以防止产生短流现象。所述进液口的液体流量为1.5～4.5m

所述转轴的转速为1000～1500r/min。

所述转子在转轴上等距分布2～6个。

所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。

所述定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～40mm。所述叶片18长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。

所述定子内部的反应温度为50～80℃(升温来自于空化现象的热效应)。

所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。所述空化通孔在叶片内空腔两侧呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布。所述叶片内空腔两侧的空化通孔相对设置，两两对正。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。

为保证空化现象的形成并高效地实现强化奶粉生产工艺，上述结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使流体通过转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。在上述极端条件下，水分子可被水解，后续生成具有强氧化性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波与微波处理技术，一方面使得浓缩乳蛋白物理结构改变，水溶性提高；另一方面改变乳蛋白的结构和粒径大小，减轻浓缩乳蛋白的交联，三种技术协同作用，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，可获得远高于三者单独使用时处理效果的总和，从而提高乳蛋白暂时性结构分解的效果，以达到降低浓缩乳蛋白粘度的最终目的。

新鲜脱脂奶通过巴氏杀菌机进行杀菌消毒处理，处理后的新鲜牛乳与制备奶粉所需的其他营养素混合，输送至本发明上述装置中，利用空化技术对浓缩乳蛋白液进行降低粘度处理操作，再通过超声波和微波技术进行进一步辅助处理；经过处理后的乳液输出干燥，得到粉体产品。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与微波技术协同进行浓缩乳蛋白处理，降低其粘度，远远比单独使用水力空化、超声空化或湿法氧化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；

4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较未精加工的空化通孔，空化效率可提高20％)；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转子叶片上开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与微波发生器，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置中的超声波换能器与微波发生器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大处理量的需求；

8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与微波技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；

11.本发明所述装置不局限于处理浓缩乳蛋白处理，对于其他类型的蛋白类物质处理，装置对降低蛋白类物质的粘度并提升产物溶解度的效应也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际工艺生产实验所得；

13.本发明所述装置对浓缩乳蛋白的处理均为物理方法修饰蛋白质功能，相较于化学方法，投入奶粉生产所遇到的监管障碍较少；

14.本装置具有高效、处理效果好的优点。

附图说明

图1是本发明空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置的结构示意图。

图2是本发明中微波发生器的分布示意图。

图3是本发明中定子和转子的截面示意图。

图4是本发明中转子的结构示意图。

图5是本发明的奶粉制备的生产工艺流程图。

图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.微波发生器，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.转子，14.空化通孔，15.空腔，16.进液口，17.楔键，18.叶片，19.储箱，20.水泵，21.本发明装置，22.水泵，23.喷雾干燥机，24.巴氏杀菌机。

具体实施方式

本发明的空化与微波耦合的浓缩乳蛋白处理装置，通过耦合水力空化、超声空化与微波技术进行乳蛋白浓缩，提高粘度，其结构如图1和图2所示，包括定子10、转子13、转轴4、微波发生器7和超声波换能器11。

定子10为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子10的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～40mm。定子10内壁上装有超声换能器11，各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接，超声波换能器11等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～2500W。耦合超声波后，可大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，提高处理效果。

如图2，两侧定子端盖8上均设置有微波发生器7，所述微波发生器7以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，每侧有2～8个，单机功率为100～400W，通过密封结构进行固定；两侧的微波发生器数量相等、一一对应，可保证定子10中不同区域所受微波强度相同，使得浓缩乳蛋白处理能够均匀高效进行，从而最大程度地实现辅助处理。

定子左侧端盖下部设置排液口1，定子右侧端盖上部设置进液口16。进液口16和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口16与出水口1分别与控制阀相连，用于控制流量。进液口的液体流量为1.5～4.5m

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子10并通过联轴器依次与增速器与动力装置(电机)连接，带动转子13在定子10内转动，转轴的转速为1000～1500r/min。转轴与定子连接处设有机械密封6，机械密封6设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转子13处于定子10的空腔中，并通过楔键17固定安装在转轴4上。

转子13为多叶片叶轮结构，在转轴4上轴向等距分布2～6个。参见图3和图4，每个转子13上的叶片18为带有空腔15的中空梯形体结构，转子13上等间隔沿周向分布4～10个叶片。叶片18长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm，空腔15为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片18中在空腔15两侧均分布有空化通孔14，空化通孔14的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。空化通孔14为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔14在叶片上呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片两端的每对空化通孔14两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的文丘里形空化通孔14的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里形空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不增加叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。空化通孔14内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

上述结构和参数是根据乳蛋白物理结构特点经过实际单因素及正交实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。

采用本发明的装置进行奶粉生产的工艺流程如图5所示，所用设施包括依次连接的巴氏杀菌机24、储箱19、本发明装置21及喷雾干燥机23。新鲜脱脂奶通过巴氏杀菌机24进行杀菌消毒处理，处理后的新鲜牛乳进入到储箱19中，与制备奶粉生产所需其他营养素按生产配比在储箱19中进行液相混合。液相混合物在储箱19中经搅拌均匀混合后通过水泵20输送至本发明装置21中。

新鲜牛乳与多种营养素的液相混合物从进液口16进入定子10中。转轴4带动转子13高速旋转，使得叶片上的空化通孔14高速剪切流体，使牛乳混合物的局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器12把电转换成与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声换能器11，超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量并提升其溃灭强度，提高处理效果。通过微波发生器7向液相混合物中发射微波，可辅助改变浓缩乳蛋白的物理结构，从而进一步提升处理效果。上述三种处理工艺协同作用，更好地达到降低浓缩乳蛋白粘度的目的。处理后的混合物经排液口1流出，再进入进液口16进行循环处理，直至获得满意的处理结果。

在本发明装置21中对浓缩乳蛋白液进行降低粘度处理后的乳液输送至喷雾干燥机23，进行最后的干燥步骤，得到粉体产品。

以下给出具体实例。

本发明通过对浓缩乳蛋白溶解度测定的单因素实验及正交实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个，共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W)，获得如下结论：

在转速1500r/min，流量为2.6m