离心分离机和牛奶标准化

离心分离机

图 7.2.1

Gustaf de Laval——首台连续式离心分离机的发明者

历史小档案

1877年4月18日的德国贸易期刊“Milch-Zeitung”中介绍了一种新发明——从牛奶中分离奶油的装置。这是一个“可以旋转的鼓，旋转一定时间后，奶油会浮在表面，然后可按常规方式撇取”。

阅读此文后，年轻的瑞典工程师Gustaf de Laval表示：“我要证明离心力在瑞典也会像在德国一样发挥作用。”1879年1月15日的“Stockolms Dagblag”日报报道：“用于分离奶油的离心分离机自昨天起开始展出，并在每天早上11点至中午12点在Regeringsgatan大街41号一楼进行演示。这个机器可以比作一个靠皮带和皮带轮驱动的转鼓。奶油比牛奶轻，受离心力作用浮到牛奶表面，流入一个流道，然后被引入一个收集容器中。下方的牛奶从转鼓的周围甩出，进入另一流道，然后被引入一个单独的收集容器中。”

自1890年以来，Gustaf de Laval制造的分离机装上了一种特殊设计的锥形碟片。这项技术的专利于1888年授予德国人Freiherr von Bechtolsheim，并于1889年被瑞典公司AB Separator（Gustaf de Laval为其股东之一）收购。如今，大多数同类机型均配备锥形碟片组。

图 7.2.2

Alfa A1——最早期分离机之一，自1882年开始生产

重力沉降

从历史角度看，离心分离机算是近代的一项发明。大约一百年前，把一种物质从另一种物质中分离出来的技术仍是依赖重力的自然沉降过程。

沉降在自然界中每时每刻都在发生。水坑中运动的黏土颗粒很快会沉降，使水变得清澈。被海浪或泳者脚部激起的沙尘也是如此。泄漏至海中的石油因轻于水而上浮，在海面形成一层油膜。

重力沉降也是乳业最早用于分离乳脂的技术。刚挤出的牛奶放置在一个容器中，一段时间后，脂肪球聚集漂浮在牛奶上部，形成一层奶油，随后可手工撇取。

图 7.2.3 沙子和油与水混合后，沙子下沉，油上浮

沉降分离的条件

待处理液体必须为分散体系，即两相或多相的混合物，其中一相为连续相。在牛奶中，乳浆或脱脂牛奶是连续相。脂肪以直径不超过15μm的小球形式分散在脱脂牛奶中。牛奶也有第三相——由乳房细胞、草屑、毛发等固体颗粒组成的分散相。

待分离各相不得互溶。溶液中的物质无法通过沉降分离。

已溶解的乳糖无法通过离心分离，但可在结晶后沉降分离乳糖晶体。

另外，待分离各相密度不得相同。牛奶中各相满足此条件：固体杂质密度高于脱脂牛奶，而脂肪球密度低于脱脂牛奶。

沉降分离如何进行？

将石块投入水中，若不沉底反而令人惊讶。同理，软木浮起才符合人们预期。因为经验告诉我们，石头比水“重”，而软木塞比水“轻”。

但若将石块投入高密度液态金属水银中会怎样呢？或者，在水银中投入铁块又会怎样呢？我们没有这方面的经验去预测结果，我们可能认为铁块会沉，但实际上，石头和铁块都会浮起来。

密度

每种物质均具备一种名为密度的物理属性。密度是衡量物质轻重量级的单位，可用kg/m³来表示。如果我们称量1m3的铁，秤指向7860kg，则铁的密度为7860kg/m³。室温下水的密度为1000kg/m³，而石头（比如花岗岩）、软木塞和水银的密度分别为2700kg/m³、180kg/m³和13550kg/m³。

物体在液体中的沉浮基本上取决于其密度与液体密度。物体密度高于液体则下沉，反之则上浮。

图7.2.4 软木塞比水轻，上浮。石头比水重，下沉

密度通常用希腊字母ρ表示。设颗粒密度为ρ_p，液体密度为ρ_l，密度差可表示为（ρ_p-ρ_l）。如果把石头扔入水中，密度差为(2700–1000)=1700kg/m³。

结果是正值，因为石头的密度比水的密度大，故石头下沉！

软木塞与水的密度差可表示为：(180–1000)=–820kg/m3。这次结果为负值。因为软木塞密度小，将其投入水中，它将克服重力的作用浮上表面。

图7.2.5 铁、石头和软木塞的密度都比水银低，因此上浮

沉降和上浮速度

固体颗粒或液滴在重力作用下于黏性流体介质中运动时，最终会达到恒定速度，这个速度被为沉降速度。若颗粒密度低于流体介质，颗粒将以上浮速度上浮，此速度统称为v_g（g=重力）。沉降/上浮速度的大小由以下物理量决定：

• 颗粒直径 d m
• 颗粒密度 ρ_p kg/m³
• 连续相密度 ρ_l kg/m³
• 连续相黏度 η kg/m s
• 重力加速度 g = 9.81 m/s²

已知上述量值后，可通过斯托克斯定律推导出的以下公式计算颗粒或液滴的沉降/上浮速度：

以下公式（公式1）表明，颗粒或液滴的沉降/上浮速度：

Formula 7.2.1

• 随颗粒直径的平方而增加，这意味着d=2cm的颗粒的沉降/上浮速度比d=1cm的颗粒快4倍（2²=4）。
• 随两相密度差增大而增加。
• 随连续相黏度降低而增加。

脂肪球的上浮速度

将鲜奶静置于容器中，脂肪球会开始上浮，直至牛奶表面。其上浮速度可通过上述公式计算。环境温度约为35℃时，以下平均值适用：

d = 3 µm = 3 x 10^–6 m
(ρ_p – ρ_l) = (980 – 1 028) = – 48 kg/m³
h = 1.42 cP (centipoise) = 1.42 x 10^–3 kg/m, s

将这些数值代入公式：

Formula 7.2.2

从计算结果可以看出，脂肪球上升速度非常慢。一个3 μm直径的脂肪球的上浮速度为0.6mm/h。如果脂肪球直径增大一倍，上浮速度将为2²×0.6=2.4mm/h。实际上，脂肪球会聚集成更大团块，因此上浮速度要快得多。图7.2.6展示了不同直径脂肪球在重力作用下于奶浆中的运动。t=0时，脂肪球位于容器底部。t分钟后，发生一定上浮；3t分钟后，最大的脂肪球已到达表面。此时，中等大小的脂肪球已升至一半高度，而最小的脂肪球仅移动四分之一距离。中等大小的脂肪球将在6t分钟内到达表面，而最小的脂肪球则需要12t分钟。

图7.2.6 不同直径脂肪球的上浮速度

批次式重力分离

图7.2.7中的容器A盛放有分散体系，其分散相由均匀一致（直径均为d）、密度高于液体的固体颗粒组成。为使所有颗粒从液面沉到容器底部，悬浮液须静置足够长的时间。这种情况下的沉降距离为h₁米。

图7.2.7 容积相同但沉降距离不同的两个沉降容器

h₁ 和 h₂; h₁ > h₂

若缩短沉降距离，则可减少完全分离所需时间。容器B的高度降低，但面积扩大，因此容积保持不变，沉降距离（h₂）缩减至h₁的1/5，因此，完全分离所需时间也相应减至1/5。但沉降距离和时间的缩减程度越大，容器所需面积也越大。

连续式重力分离

图7.2.8展示了一种可用于连续分离非均径颗粒的简易容器。含有泥浆颗粒的液体从容器一端加入，并以一定的速度流向另一端的溢流口。流动过程中，由于直径不同，颗粒以不同的速率沉降。

图7.2.8 用于连续固液分离的容器

挡板提升沉降能力

增大总面积可提升沉降容器的处理能力，但会使容器变得庞大笨重。而通过在容器中插入水平挡板，可增加分离可用面积，如图7.2.9所示。

图7.2.9 分离容器中的水平挡板提升了沉降能力

这样便有若干个“分离流道”，流道内颗粒的沉降速率与图7.2.8所示容器中的沉降速率相同。容器的总处理量随分离流道数量的增加而倍增。而可用于分离的总表面积（即所有挡板面积的总和）与分离流道数量的乘积，决定了容器在不降低分离效率（即不使任何超限颗粒随澄清液流失）的前提下，能够处理的最大流量。

当悬浮液在带有水平挡板的容器中连续分离时，累积的沉降颗粒会逐渐堵塞分离通道，导致分离停止。

如果该容器装上如图7.2.10所示的倾斜挡板，那么在重力的影响下，沉积在挡板上的颗粒将从挡板上滑下，并堆积在容器的底部。

图7.2.10 沉降容器内的倾斜挡板产生层流，使颗粒向下滑动

为什么已沉淀在挡板上的颗粒不会被挡板之间向上流动的液体冲走呢？图7.2.11通过分离流道局部剖面图给出了解释：当液体从挡板之间通过时，紧邻挡板的液体边界层受到摩擦阻力，速度降为零。

图7.2.11 分离流道中各个点的颗粒流速。

箭头长度对应颗粒流速

该静止边界层对下一层又产生阻力，依此类推，直至流道中心流速最高处。由此形成图中所示的流速分布曲线，此时流道内为层流状态。在这种情况下，静止边界区的沉降颗粒仅受重力作用。

在计算流过带倾斜挡板的容器的最大流量时，需采用投影面积。

为最大限度利用分离容器的处理能力，需设置最大沉降面积供颗粒沉降。沉降距离不直接影响处理能力，但需维持最小流道宽度，以防沉降颗粒将流道堵塞。

一固相两液相的连续分离

采用图7.2.12类似装置，可利用重力实现两种混合液体的分离，同时从混合物中分离浆状固体颗粒。

图7.2.12 用于连续分离两种混合液相并同步沉降固相的容器

B   入口
B₁ 轻液溢流口
B₂ 挡板（阻止轻液从重液出口排出）

分散体系自入口处下行，流经开口B，在B液位处形成界面层并水平扩散。自此高度起，比两种液体密度大的固体颗粒沉降至容器底部。两种液相中密度较低者上浮至液面并从溢流口B1处流出。密度较高者向下运动，在挡板B2下方通过并从较低的出口排出。挡板B2可防止轻液流向错误路径。

离心分离

沉降速度

图7.2.13 旋转的容器产生离心力

若使盛有液体的容器旋转，就会产生离心力，如图7.2.13所示。这会产生离心加速度a。与静止容器中恒定的重力加速度g不同，离心加速度随距旋转轴的距离（半径r）和旋转速度（用角速度ω表示）的增加而增加（图7.2.14）。

图7.2.14 简易分离机

加速度可通过公式2）来计算：

Formula 7.2.3

将前述斯托克斯定律（公式1）中的重力加速度g替换为离心加速度rω²，可得公式3）。公式3）可用于计算分离机中各颗粒的沉降速度。

公式7.2.3

脂肪球的上浮速度

前面使用公式1）发现，在重力的作用下，直径3μm的单个脂肪球的上浮速度为0.166×10^–6m/s或0.6mm/h。

现可采用公式3）计算离心机中径向位置0.2m处相同直径的脂肪球的上浮速度，其中离心机转速n=5400rpm。 

角速度计算公式为：

公式 7.2.4

假设2π 为一转，n为每分钟转数（rpm），转速（ n ） 为5400rpm， 则角速度（ ω ）为：ω=564.49rad/s

沉降速度（v）则为：

Formula 7.2.5

即1.08mm/s或3896.0mm/h。

用离心力场中的沉降速度除以重力场中的沉降速度可以得出离心分离相较于重力沉降的效率。离心沉降速度比重力沉降快约3896.0/0.6≈6500倍。

固体颗粒的连续离心分离——澄清

用于连续固液分离的离心转鼓如图7.2.15所示，这一操作称为澄清。设想图7.2.10的沉降容器翻转90°，并绕轴旋转，即可得到离心分离机的剖面图。

图7.2.15 将挡板容器翻转90°并旋转，可形成一个用于连续固液分离的离心转鼓

分离流道

图7.2.15还显示，离心转鼓内有锥形碟片形式的挡板插件，这一设计可增大沉降可用面积。碟片层层叠合，形成碟片组。焊接在碟片上的径向条带被称为“垫条”，用于确保碟片间距恒定，从而形成分离流道。流道宽度由垫条厚度决定。图7.2.16展示了液体的流动路径：从流道外缘（半径r1处）进入流道，从内缘（半径r2处）流出流道，然后继续流向出口。

图7.2.16 分离流道的简化图及分离过程中固体颗粒在液体内的运动路径

颗粒穿过流道时，向外沉降至碟片处，形成流道的上边界。

流道各部分的液体流速W不尽相同，紧邻碟片处趋近于零，流道中心达到最大值。离心力作用于所有颗粒，使其以沉降速度v向分离器外周运动。因此，颗粒一方面以速度W随液体流动，另一方面以沉降速度v向外周径向移动。

合速度vp为两者矢量和，运动方向如图中矢量箭头所示。为简化分析，假设颗粒沿图中虚线作直线运动。

为实现分离，颗粒必须在抵达B'点（半径≥r2）前沉降至上碟片。颗粒沉降后，碟片表面液流速度极小，颗粒不再被液流携带，而是在离心力作用下沿碟片下表面向外滑动，最终从外缘B点甩出并沉积于离心转鼓外周壁。

极限颗粒

极限颗粒是指某种特定尺寸的颗粒：若它从最不利位置（图7.2.17中点A）出发，恰好能抵达上碟片B'点。所有比极限颗粒大的颗粒均可被分离。

图7.2.17 所有比极限颗粒大且位于阴影区域的颗粒均可被分离

如图所示，部分比极限颗粒小且从A与B之间的C点进入流道的颗粒也可被分离。颗粒越小，C点需越靠近B点才能实现分离。

牛奶的连续离心分离

图7.2.18 在离心净乳机转鼓中，牛奶从外周进入碟片组并沿通道向内流动

澄清

如图7.2.18所示，在离心净乳机中，牛奶从碟片组的外缘进入分离流道，径向通过流道向内流向旋转轴，最终从顶部出口排出。流经碟片组时，固体杂质被分离并沿碟片下表面甩向净乳机转鼓的外周，最终在那里的沉渣区完成收集。由于牛奶流经碟片的整个径向宽度，因此流经所用时间足以让极细小的颗粒实现分离。离心净乳机和分离机最大的不同在于碟片组的设计。净乳机没有分配孔，而是在碟片外周开设槽道。出口的数量也有所不同——净乳机只有一个，而分离机却有两个。

分离

图7.2.19 在离心分离机转鼓中，牛奶通过分配孔进入碟片组

离心分离机中的碟片组设有垂直排列的分配孔。图7.2.19为脂肪球在分离机碟片组中与牛奶分离过程的示意图。图7.2.21为碟片组实物图。图7.2.20则更详细地说明了这一现象。

牛奶从垂直排列的分配孔进入，分配孔距碟片组边缘有一定距离。在离心力的作用下，牛奶中的沉淀物和脂肪球根据其相对于连续介质（即脱脂牛奶）的密度，开始在分离流道中径向向外或向内沉降。

与在净乳机中一样，牛奶中的高密度固体杂质迅速向分离机外周沉降，并汇集于沉渣区。在此过程中，流道内的脱脂牛奶向碟片外周流动，这有助于固渣的沉淀。奶油，即脂肪球，比脱脂牛奶的密度小，因此在流道内向内朝旋转轴方向移动，最终从轴向出口排出。

脱脂牛奶向外流动至碟片组外侧空间，经碟片组顶部与转鼓锥形罩之间的流道，从一个同心脱脂牛奶出口排出。

图7.2.20 碟片组局部剖面图，展示牛奶通过分配孔进入，以及脂肪球从脱脂牛奶中分离的过程

脱脂效率

从牛奶中能分离出多少脂肪量取决于分离机的设计、分离机中牛奶的流量以及脂肪球的粒径分布。

最小的脂肪球（通常小于1μm），在规定流速下来不及上浮，就会随脱脂牛奶排出分离机。脱脂牛奶中的剩余脂肪含量通常介于0.04-0.07%之间，据此，称该设备的脱脂能力为0.04-0.07%。

如果通过设备的牛奶流量减小，则通过分离流道的牛奶流量也会减小。这样，脂肪球可获得更充分时间上浮并通过奶油出口排出。因此，分离机的脱脂效率随处理量降低而升高，反之亦然。

奶油的脂肪含量

进入分离机的全脂牛奶被分离为脱脂牛奶与奶油两种液流，其中奶油约占处理总量的10%。奶油的排出比例决定其脂肪含量。

若全脂牛奶的脂肪含量为4%、处理量为20000l/h，则通过分离机的总脂肪量为：

如果要求奶油的脂肪含量为40%，则必须用一定量的脱脂牛奶来稀释此奶油，最终排出的液体总量为：

其中800l/h为纯脂肪，剩下的1200l/h为脱脂牛奶。在奶油和脱脂牛奶出口处安装调节阀，可调节两种液流的相对流量，以获得所需脂肪含量的奶油。

图7.2.21 带分配孔与垫条的碟片组

固渣排出

积聚在分离机转鼓沉渣区的固渣包括草屑、毛发、乳腺细胞、白血球（白细胞）、红血球及细菌等。牛奶中的沉淀物总量因情况而异，通常约为1千克/10000升。

沉渣区容积因分离机规格而异，从3.5升到30升不等。

对于蓄渣型牛奶分离机，需频繁人工拆卸转鼓并清理沉渣区，这需要大量的体力劳动。

自净式或排渣型分离机则具备预设间隔自动排渣功能（图7.2.22），无需人工清洗。固渣排放系统将在本章最后“排渣系统”中介绍。

图7.2.22 通过短暂开启转鼓外周沉渣区排出固渣

在牛奶分离过程中，固渣的排出通常每隔30-60分钟进行一次。

离心分离机的基础设计

图7.2.25和图7.2.26为自净式分离机的剖面图。由图可见，转鼓包括两个主要部分：主体和机罩。它们通过螺纹锁环固定在一起。碟片组被压紧在顶罩和转鼓中心的分配器之间。现代分离机主要分为两类：半开式和密闭式。

半开式设计

出口配备压力盘的离心分离机（图7.2.23）称为半开式分离机（区别于溢流排料的老式开放式分离机）。

图7.2.23 半开式（压力盘）自净分离机

1 脱脂牛奶压力室
2 奶油压力室
3 碟片组
4 分配器

在半开式分离机中，牛奶通过一个固定的轴向进料管，从进料口（通常在顶部）进入转鼓。

牛奶进入分配器（4）后，被加速至转鼓的转速，随后进入碟片组（3）的分离流道。离心力将牛奶向外抛甩，形成一个内表面为圆柱形的液环。液环在大气压下与空气接触，这意味着牛奶表面的压力也等于大气压。随着与旋转轴距离的增大，压力也逐渐增大，在转鼓的外周达到最大值。

较重的固体颗粒向外沉降并沉积于沉渣区。奶油向内朝旋转轴方向移动，经流道进入奶油压力室（2）。脱脂牛奶从碟片组外缘流出，经顶部碟片与转鼓顶罩间隙进入脱脂牛奶压力室（1）。

压力盘

在半开式分离机中，奶油和脱脂牛奶的出口处都有一个特殊的出口装置——压力盘，如图7.2.24所示。基于这一出口设计，半开式分离机通常被称为压力盘式分离机。

图7.2.24 位于半开式转鼓顶部的压力盘出口

固定压力盘的边缘浸入旋转液柱中，持续排出一定量的液体。旋转液体的动能在压力盘中转化为压力，该压力始终等于下游管路中的压降。

若下游压力升高，转鼓内液位将向内移动，从而自动抵消出口的节流效应。为防止产品混入空气，需确保压力盘始终被液体充分浸没。

密闭式设计

图7.2.25 密闭式分离机转鼓及出口剖面图

1. 奶油出口泵
2. 脱脂牛奶出口泵
3. 转鼓顶罩
4. 碟片组
5. 分配孔
6. 锁紧环
7. 分配器
8. 滑动转鼓底
9. 转鼓主体
10. 空心转鼓主轴

如图7.2.25所示，在密闭式分离机中，牛奶通过转鼓主轴进入转鼓，被加速至与转鼓相同的转速后，流经碟片组的分配孔。

密闭式分离机的转鼓在操作过程中完全充满牛奶，中心没有空气。因此，密闭式分离机可视为密闭管道系统的一部分。

外部产品泵产生的压力，足以克服产品流经分离机、最终进入奶油和脱脂牛奶出口处排料泵这一过程中产生的流动阻力。泵叶轮的直径可根据出口压力要求进行设计。

奶油中脂肪含量的控制

压力盘式分离机

压力盘式分离机的奶油排出量通过奶油出口的节流阀进行调节。若逐步打开阀门，排出的奶油量将增加，但其脂肪含量会逐步降低。

因此，特定的流量对应特定的奶油脂肪含量。若全脂牛奶的脂肪含量为4%，欲得到脂肪含量为40%的奶油，根据前述计算，奶油出口的排放量应调节至2000l/h。如图7.2.27所示，脱脂牛奶出口（1）的压力需根据分离机型号和处理量，通过调节阀设定在特定值。随后应调节奶油出口处的节流阀（2），以获得与所需脂肪含量相匹配的流量。

图7.2.27 出口配备手动控制装置的压力盘式分离机

1. 带压力调节阀的脱脂牛奶出口
2. 奶油节流阀
3. 奶油流量计

奶油流量的任何变化，都将引起脱脂牛奶流量同等幅度（且方向相反）的变化。脱脂牛奶出口处安装了自动恒压装置，可确保出口背压恒定，不受奶油流量变化的影响。

奶油流量计

在压力盘式分离机中，奶油排出量由装有内置流量计（3）的奶油阀（2）控制。阀门开度通过螺钉调节，经节流的流体流经带刻度的玻璃管。管内有一个纺锤形浮子，奶油流动时会将浮子托起，使其在刻度标尺上处于某一位置，此位置随奶油流量及黏度变化而改变。

通过分析进料全脂牛奶的脂肪含量，并结合目标脂肪含量计算出所需的奶油流量，即可初步设定流量大小，并据此调节节流螺钉。待检测出奶油的实际脂肪含量后，可再进行精细调整。此时操作人员便能确定，当奶油脂肪含量达标时，浮子应处的读数位置。

奶油的脂肪含量受进料全脂牛奶的脂肪含量波动及生产线中流量变化的影响。其他类型的仪器（例如自动在线系统）可与控制系统结合使用，以测量奶油的脂肪含量，使脂肪含量保持恒定值。

密闭式分离机

密闭式分离机上的恒压装置如图7.2.28所示。图中的阀是隔膜阀，可通过调节隔膜上方的压缩空气来设定所需的产品压力。

图7.2.28 脱脂牛奶出口配备自动恒压装置的密闭式分离机转鼓

在分离过程中，隔膜同时受到上方恒定气压与下方产品（脱脂牛奶）压力的作用。若脱脂牛奶压力下降，预设的气压将推动隔膜下移，固定在隔膜上的阀塞随之向下运动，使通道变窄。这种节流作用会使脱脂牛奶出口压力回升至预设值。当脱脂牛奶压力升高时，装置则执行相反动作，重新恢复预设压力。

图7.2.26 密闭式分离机剖面图

11. 机架罩
12. 沉渣旋流器
13. 电机
14. 齿轮
15. 操作水系统
16. 空心转鼓主轴

密闭式与压力盘式分离机的出口性能差异

图7.2.29是压力盘式与密闭式分离机上奶油出口的简图，展示了两类设备的关键差异。压力盘式分离机的压力盘外径必须浸入旋转的液柱中。浸入深度取决于奶油的脂肪含量。分离机内奶油的脂肪含量在内侧自由液面处最高。自此，随着直径增大，脂肪含量逐渐降低。

图7.2.29 压力盘式与密闭式分离机的奶油出口以及不同距离处对应的脂肪浓度

1. 空气柱
2. 奶油外侧液面
3. 奶油内侧液面
4. 所需奶油脂肪含量对应液面

当分离机排出的奶油脂肪含量升高时，奶油液面会被迫向内移动，奶油内侧自由液面到压力盘外缘的距离随之增大。因此，若要排出脂肪含量为40%的奶油，奶油内侧自由液面处的脂肪含量必须远高于此值。此处的奶油必须处于过度浓缩状态，以使其脂肪含量高于分离机排出的奶油。此举可能会导致最内层（面向空气柱）的脂肪球因摩擦增大而破裂，进而引发挂壁问题，使脂肪的氧化和水解敏感性增加。

密闭式分离机从脂肪含量最高的中心区域抽取奶油，因此无需过度浓缩。

在处理高脂奶油时，出口性能差异更为显著：当脂肪含量达72%时，脂肪球实际上已相互接触。要想从压力盘式分离机上获得脂肪含量更高的奶油是完全不可能的，因为这需要对奶油进行极高程度的过度浓缩，而压力盘式分离机根本无法创造出所需的压力条件。而密闭式分离机能够产生更高压力，从而可分离出球状脂肪含量超过72%的奶油。

排渣系统

生产和原位清洗

分离过程中，转鼓的内底— —即滑动转鼓底——被其下方的水压向上推压，紧贴于转鼓顶罩的密封环上。滑动转鼓底的位置由其顶部压力、产品压力以及底部水压三者之间的差值共同决定。

产品和原位清洗溶液中的沉降物积聚在转鼓周围的沉渣区中，直至触发排渣。为有效清洗大型分离机转鼓的大面积表面，在清洗循环的水冲洗阶段，便有大量沉渣与液体一同排出。

图7.2.30 向分离机提供操作用水、确保正常排渣性能的阀系统

1. 滑动转鼓底
2. 排渣口
3. 操作水模块

排渣

排渣程序可通过预设定时器或流程中的某种传感器自动触发，或通过手动按钮启动。

具体排渣程序因离心机类型而异，但基本原理是注入固定量的水以触发平衡水的排出。当水从滑动转鼓底下方排出时，转鼓瞬间下落，沉渣即可从转鼓外周排出。辅助系统（操作水模块）自动供给新的平衡水以关闭转鼓。水推动滑动转鼓底向上移动，压紧密封环。排渣过程在几分秒内完成。

离心机机架吸收沉渣离开旋转转鼓所产生的能量。沉渣在重力作用下从机架排入容器、泵或污水管道。

驱动单元

乳品分离机的转鼓安装在一根由上下轴承组支撑的立轴上。在大多数离心机中，立轴通过水平轴上的蜗轮蜗杆机构与电机轴连接，以获得适当转速，同时实现直接联接。转速由VFD（变频驱动器）控制。

脂肪和蛋白质的标准化

产品混合的基本计算方法

标准化是指根据需求调整牛奶或乳制品的脂肪含量：通过添加适量奶油或脱脂牛奶，使产品达到指定的脂肪含量。

为实现不同脂肪含量的产品混合后达到目标脂肪含量所需的配比，可采用多种办法，包括全脂牛奶与脱脂牛奶、奶油与全脂牛奶、奶油与脱脂牛奶，以及脱脂牛奶与无水乳脂（AMF）的混合。

其中常用的一种方法摘自J.G. Davis所著的《乳业词典》（A Dictionary of Dairying），以下示例说明：

需将多少千克脂肪含量为A%的奶油与脂肪含量为B%的脱脂牛奶混合，才能得到脂肪含量为C%的混合物？答案可从矩形图（图7.2.31）中获得，图中已标注脂肪含量的给定数值。

图7.2.31 产品C中脂肪含量的计算

沿对角线相减得到C-B=2.95和A-C=37。

即：将2.95kg脂肪含量为40%的奶油与37kg脂肪含量为0.05%的脱脂牛奶混合，可得到39.95kg脂肪含量为3%的标准化产品。

A 奶油脂肪含量, %                           40
B 脱脂奶脂肪含量, %                    0.05
C 终产品脂肪含量, %                       3

根据以下公式，可计算获得所需量（X）的C所需的A与B的量：.

公式 7.2.8

标准化原理

若所有其他相关参数保持不变，则分离机排出的奶油与脱脂牛奶具有恒定的脂肪含量。无论是人工控制还是自动化控制，标准化原理都是一致的，如图7.2.32所示。

图中数据基于100kg脂肪含量为4%的全脂牛奶，理想目标是生产出3%的标准化牛奶以及含脂40%的剩余奶油。

分离100kg的全脂牛奶可得到90.1kg含脂0.05%的脱脂牛奶和9.9kg含脂40%的奶油。

必须在脱脂牛奶中加入7.2kg脂肪含量为40%的奶油，才能获得97.3kg脂肪含量为3%的市售奶，剩下9.9-7.2=2.7kg脂肪含量为40%的剩余奶油。

图7.2.32 脂肪标准化原理

直接在线标准化

图7.2.34 直接在线标准化系统以加工单元形式预组装

在产品组合多样化的现代乳品加工厂中，直接在线标准化通常与分离工艺相结合。过去，标准化依靠人工操作，但随着处理量增加，对快速、精确的标准化方法的需求日益增长，这些方法不受原奶脂肪含量季节性波动影响。通过控制阀、流量计、质量流量计、温度变送器及计算机控制回路，可调节牛奶与奶油的脂肪含量至目标值。该设备通常以单元形式组装（图7.2.34）。

为实现精确标准化，脱脂牛奶出口压力必须保持恒定。无论分离后设备造成的流量或压降变化如何，该压力必须保持稳定，这要靠安装在脱脂牛奶出口附近的恒压阀来实现。

为确保工艺精度，需测量以下可变参数：

• 进料乳脂肪含量的波动
• 流量的波动
• 预热温度的波动

多数变量相互关联，任一工序的偏差往往会导致全流程偏差。奶油的脂肪含量可在分离机性能范围内任意调节，其基于重复性的标准偏差为0.15%。对于标准化牛奶，其乳脂含量基于重复性的标准偏差应小于0.015%。

通常，全脂牛奶在进入分离机之前，要在巴氏杀菌机中加热至55-65℃。分离后，需将奶油标准化至预设脂肪含量。为实现这一目标，需将计算得出的标准化用奶油与适量脱脂牛奶重新混合。剩余奶油直接进入奶油巴氏杀菌机，流程如图7.2.33所示。

图7.2.33 直接在线标准化系统以加工单元形式预组装

特定条件下，在线标准化系统也可用于冷乳离心分离机，但必须确保乳脂中的所有脂肪微粒在低温下有充足时间（10-12小时）完全结晶。这是因为密度会随结晶程度变化，从而影响质量流量计的测量精度——此类设备需在安装后完成校准。

奶油脂肪控制系统

分离机出口奶油的脂肪含量由其流量决定。奶油的脂肪含量与其流量成反比。因此，一些标准化系统使用流量计来控制脂肪含量。只要分离前全脂牛奶的温度与脂肪含量保持恒定，这是最快速且精确的方法。若这些参数变化，脂肪含量将出现偏差。

可采用多种仪器对奶油的脂肪含量进行连续测量。仪器发出的信号会调节奶油的流量，从而确保脂肪含量达到目标值。这种方法精度高，且对奶温和脂肪含量的变化非常敏感。但该控制方式的响应速度较慢，系统受干扰后需要较长时间才能将脂肪含量恢复至目标值。

图7.2.35中有两种变送器，分别测量标准化奶油与脱脂奶的流量。控制系统（4）会根据这两种流量数据，计算出全脂奶流量。质量流量计（1）会测量奶油密度并将该值转换为脂肪含量。结合脂肪含量和流量数据。控制系统会驱动调节阀（3）动作，以获取所需的脂肪含量。

图7.2.35 保持奶油脂肪含量恒定的控制回路

1. 质量流量计
2. 流量计
3. 控制阀
4. 控制柜
5. 恒压阀

级联控制

图7.2.36 不同控制系统之间反应时间的差异

如图7.2.36所示，将脂肪含量精确测量与快速流量计量相结合的级联控制具有明显优势。当系统受干扰时（例如由自净式离心机反复部分排渣、奶油温度变化或进料乳脂肪含量变化所引发），由图可知：

• 单独使用流量控制系统虽然反应较快，但在系统恢复稳定后，奶油的脂肪含量仍会偏离预设值。
• 单独使用密度测量系统虽然反应较慢，但奶油的脂肪含量能回归预设值。
• 在级联控制中，当两种系统结合使用时，可快速回归预设值。

因此，级联控制系统能够减少产品损失并提高结果准确性。计算机可监测奶油的脂肪含量、流量及其调节阀的开度。

回路中的质量流量计（见图7.2.35中的1）连续测量奶油的密度（单位体积质量，如kg/m3）。由于奶油中的脂肪密度比乳浆低，故而密度与脂肪含量成反比。

质量流量计以电信号形式向计算机持续传送密度数值，信号的强度与奶油的密度成正比：密度增加意味着奶油中脂肪含量降低，此时信号增强。

任何密度变化都会改变质量流量计向计算机发出的信号，导致测量值偏离计算机程序中的设定值。计算机随即按测量值与设定值的偏差量，改变输出至调节阀的信号。调节阀的开度随之改变，使密度（即脂肪含量）恢复至正确值。

在图7.2.35所示控制回路中，质量流量计（1）持续测量奶油管线的流量与密度，并向计算机发送信号。

级联控制针对进料全脂牛奶中脂肪含量的波动进行必要修正。级联控制通过比较以下参数实现：

• 通过质量流量计的流量（流量与奶油脂肪含量成正比）。
• 质量流量计测得的密度（密度与奶油脂肪含量成反比）。

随后，控制柜中的计算机（4）计算出全脂牛奶实际的脂肪含量，并调节控制阀做出必要调整。系统将持续记录标准化牛奶的脂肪含量。

基于密度测量的脂肪含量控制

奶油脂肪含量的测量基于脂肪含量与密度之间存在的固有联系。由于奶油中的脂肪比乳浆轻，因此脂肪含量与密度呈反比关系。

在此背景下，需重点注意：奶油的密度还会受到温度与含气量的影响。气体是牛奶中最轻的相，大部分气体会随奶油相移动，从而降低其密度。因此，保持牛奶中含气量恒定至关重要。牛奶中可能含有不同比例的空气及其他气体，但可将6%视为平均值。超过这个值可能会引发各种各样的问题。例如，牛奶的体积计量不准确、加热过程中设备结垢加剧等。有关牛奶中气体的更多详情，请参阅第7.7章《脱气罐》。

保持牛奶中含气量恒定最简单且最常用的方法是在加工前，将原奶置于贮罐（奶仓）中静置至少1小时。否则，应在分离工序前完成脱气处理。

提高分离温度会降低奶油密度；反之，降低分离温度则奶油密度升高。为调节分离温度，需要在奶油管道上安装一个温度变送器。温度变送器可持续测量液体温度，并将温度数值传送至控制模块。

质量流量计可持续测量液体密度，并将密度数值传送至控制模块。

流量计

流量计可持续测量液体流量，并将流量数值传送至控制模块。

奶油和脱脂牛奶的流量控制阀

计算机会将质量流量计的测量值信号与预设参考值信号进行比对。如图7.2.35所示，若测量值与预设值存在偏差，计算机会调整发送至质量流量计下游控制阀的输出信号。这一操作会重新设定阀门开度，改变分离机输出的奶油流量，从而校正其脂肪含量。

奶油再混合的控制回路

图7.2.37所示控制回路用于调控持续添加进脱脂牛奶中的奶油量，以确保标准化牛奶达到规定的脂肪含量。回路中装有两个流量计（2）：一个位于奶油添加管线上，另一个位于脱脂牛奶管线上。

图7.2.37 将奶油再混入脱脂牛奶的控制回路

2. 流量计
3. 控制阀
4. 控制柜
6. 换向阀
7. 止回阀

流量计产生的信号会传送至计算机，计算机会生成两组信号的比值。计算机将对比实测比值与预设参考值，然后向奶油管线上的调节阀发送信号。

标准化牛奶中的脂肪含量不足意味着奶油添加量过低。此时，两组流量计的信号比值将低于参考值，计算机随之改变输送至控制阀的输出信号，使阀门关闭，产生更大压降，促使更多奶油进入再混合 管线。这会再次影响传送至计算机的信号；调整会持续进行，确保奶油添加量达标。

奶油和脱脂牛奶再混合的基础是二者已知且稳定的脂肪含量。奶油脂肪含量通常稳定控制在35%-40%之间，而脱脂牛奶的脂肪含量则由分离机的脱脂效率决定。

精确的密度控制与在脱脂牛奶出口处的恒压控制结合，可确保满足控制混合的所需条件。即便流经分离机的流量发生变化，或进料全脂牛奶的脂肪含量出现波动，奶油与脱脂牛奶仍能按精确比例混合，确保标准化牛奶的脂肪含量始终符合预设标准。

奶油添加回路中的流量计和调节阀与脂肪含量控制回路中的这些装置是同一类型。

完整的直接标准化生产线

完整的直接标准化生产线如图7.2.38所示。脱脂牛奶出口处的压力控制系统（5）可维持恒定压力，不受下游设备压降波动的影响。奶油调节系统通过调节分离机排出的奶油流量，确保排出奶油的脂肪含量保持恒定。该调节过程不受处理量或进料全脂牛奶脂肪含量变化的影响。最后，比例控制器将脂肪含量稳定的奶油与脱脂牛奶按设定比例进行再混合，得到规定脂肪含量的标准化牛奶。牛奶和奶油的脂肪含量基于重复性的标准偏差应分别小于0.015%和0.15%。

图7.2.38 牛奶和奶油自动直接标准化的完整流程

脂肪标准化的可选方案

在奶酪生产等场景中，有时需以非脂乳固体为基准对脂肪进行标准化处理。在与分离机相连的脱脂牛奶管线上安装第二个质量流量计，便可满足这一要求。安装方式如图7.2.39所示。此质量流量计具备双重作用：

1. 提升脂肪标准化的精度。

2. 密度测量值可作为非脂乳固体含量的计算依据。

控制系统将脱脂牛奶密度值转换为非脂乳固体含量，并据此调控脂肪与非脂乳固体的比例。

另一方面，若进料乳脂肪含量低于标准化牛奶的目标脂肪含量，则需从分离机出口管线中分流掉已计算出体积的脱脂牛奶，再将剩余部分的脱脂牛奶与奶油混合。

图7.2.39 脱脂牛奶管线上带质量流量计的脂肪与非脂乳固体比例标准化系统

蛋白质标准化

还可连接产品分析仪，以分析标准化牛奶中的实际蛋白质含量。通过此配置，即可实现脂肪与蛋白质比例的标准化控制。若在该分析仪基础上增设一条蛋白质配料线，则可同步完成脂肪与蛋白质含量的标准化。

在奶酪乳的生产中，这套设备能通过全自动流程精确调控脂肪与蛋白质的比例。为灵活适应高脂/低脂及不同蛋白质含量奶酪的生产需求，还可在标准化牛奶生产线上连接三条独立的配料线。具体配置如图7.2.40所示。

图7.2.40 以三种配料实现牛奶与奶油的脂肪及蛋白质标准化

1. 质量流量计
2. 流量计
3. 控制阀
4. 控制柜
5. 恒压阀
6. 换向阀
7. 止回阀
8. 产品分析仪

配料

图7.2.41 用于连续排放芽孢与细菌浓缩物的两相分离机转鼓

图7.2.42 用于间歇排放芽孢与细菌浓缩物的单相分离机转鼓

也可采用其他方案，例如添加奶油和乳清奶油——这在奶酪乳的标准化过程中有时是必需的。可通过质量流量计自动测量奶油配料的脂肪含量。为利用乳清分离得到的奶油，可“分流”掉相应体积的普通奶油。这种配置能让品质更优的奶油用于生产优质黄油及各类奶油（如搅打奶油）。具体配置如图7.2.40所示。

除菌分离机

采用特殊设计的离心分离机可用于去除牛奶中的芽孢和细菌。

此类设备最初旨在延长市售乳品的货架期，如今则常作为奶酪乳巴氏杀菌或预杀菌的辅助手段，同时也用于提升奶粉和乳清粉的品质。

由于细菌（尤其是耐热芽孢）的密度明显比牛奶高，此类分离机成为去除牛奶中细菌芽孢的高效手段。鉴于芽孢对热处理也有耐受性，该设备可作为预杀菌、巴氏杀菌及灭菌工艺的有效补充。

早期的除菌分离机采用实心转鼓结构，转鼓周围设有喷嘴。相当长一段时间内，人们认为必须通过周围喷嘴或重相出口保证重相的连续流动，才能实现高效分离。对于采用垂直筒壁的老式实心转鼓离心机而言，上述观点或许成立，但对于碟片组外侧设有沉渣区的自净式分离机而言，运行过程中可持续收集细菌与芽孢，还可按照预设间隔进行间歇式排渣。

目前的除菌分离机有两种类型：

• 两相型：顶部设有两个出口，一个通过特殊顶部碟片连续排出芽孢与细菌浓缩物，另一个用于排出除菌后的相。（图7.2.41）
• 单相型：转鼓顶部仅设一个出口，供净化后的牛奶排出。而芽孢与细菌浓缩物则收集在转鼓的沉渣区，按预设间隔排出。（图7.2.42）

两相分离机排出的芽孢与细菌浓缩物量可达进料量的3%-10%（具体数值取决于加工解决方案），而单相分离机的排渣量则取决于设备规格与排渣间隔。

芽孢与细菌浓缩物的干物质含量始终高于其来源乳。这是因为部分较大的酪蛋白胶束会随细菌和芽孢一同被分离出来。提高处理温度可增加芽孢与细菌浓缩物中的蛋白质含量。最适温度范围为50-55℃。

芽孢与细菌的减少效果以百分比表示。

目前，除菌分离机已在奶酪、饮用奶及奶粉等产品的生产中得到应用。梭菌属的厌氧芽孢杆菌是奶酪生产者最忌惮的细菌之一，即便微量存在也可能引发奶酪后期产气膨胀问题。这正是奶酪乳需要采用除菌分离机的原因。饮用奶生产商通过同类分离机减少需氧芽孢杆菌（如蜡样芽孢杆菌）的数量，以延长产品货架期。乳清粉及奶粉生产商则通过除菌分离机降低高品质奶粉中需氧及厌氧芽孢杆菌的含量。

第14章《奶酪》中探讨了将除菌分离机集成到奶酪乳巴氏杀菌生产线中的具体方案。

卧螺离心机

在乳品行业中，离心机用于收集沉淀酪蛋白、结晶乳糖等特殊产品。然而，由于进料固形物含量较高，前述碟片转鼓式离心净乳机并不适用于此类作业。

最常用的机型是卫生级篮式离心机和卧螺离心机（图7.2.43）。可连续运行的卧螺离心机具有广泛的应用场景，甚至可用于豆奶生产，而专门改进的型号则广泛被用于污水处理厂的污泥脱水。

图7.2.43 卧螺离心机

卧螺离心机是一种通过离心力作用在细长转鼓内实现悬浮固体连续沉降的设备。其区别于其他离心机的特征在于配备有轴向螺旋输送器，可连续不断地从转子中排出分离出的固渣。输送器与转鼓同向旋转，但存在微小转速差，从而产生“螺旋推送”效应。卧螺离心机的其它典型特征包括：

1. 细长的锥筒形转鼓绕水平轴旋转。
2. 固渣从窄端排出，液相从宽端排出，形成逆流。

卧螺离心机的功用

进料悬浮液通过入口管引入输送器的进料区，经加速后导入旋转的转子内部（图7.2.44）。

固渣因比重高于液体，在强烈的离心加速度作用下（通常为2000-4000g）几乎瞬间沉积于转鼓内壁，从而形成清澈的内环状液流。

固渣排放

密实固相通过螺旋输送器轴向输送至转子窄端。螺旋输送器由齿轮带动，速度与转鼓略有差异。在输送至排放口的过程中，固渣由螺旋输送器的叶片沿干燥区抬升，脱离液池。在干燥区，更多液体被排出并回流至液池。最终，干燥固渣经排放口排出转鼓，进入环绕转子的容器收集室。随后固渣借助重力经出料漏斗排出设备。

废液排放（开放式）

液相在离心力作用下形成中空圆柱体，在输送器叶片之间的螺旋通道中流向转子的大端。在此，液体从可径向调节的堰板溢出，进入收集容器的中心腔室，在重力作用下排出。

废液排放（加压式）

部分卧螺离心机配备了图7.2.44所示的压力盘（4），用于液相的加压排放。溢过堰板的液体进入压力室，在此再次形成一个中空的旋转圆柱体。固定压力盘的流道浸入旋转的液体中，从而产生压差。液体穿过流道向下流动，将旋转的能量转化为压头，足够泵送液体流出机器进入后续工序。

图7.2.44 带加压排放装置的卧螺离心机转子剖面图

1. 进料悬浮液
2. 液相排料口
3. 固相排料口（重力排料）
4. 压力室和压力盘
5. 转鼓
6. 螺旋输送器

连续过程

在卧螺离心机中，整个过程的三个阶段——流入、沉降到一个同心层、分别去除液相和固相，均以完全连续的流态进行。

主要组件

卧螺离心机的主要组件有转鼓、输送器、齿轮箱（三者共同构成转子）和机架（配备机罩）、收集容器、驱动电机和皮带传动装置。

转鼓

转鼓通常由一个锥体部分和一个或几个柱体部分通过法兰连接构成。柱体部分构成液池，锥体部分构成干燥区。

壳体内壁通常设计有肋条和沟槽，可防止输送器旋转时固渣从边缘滑落。

锥体部分末端连接一个圆柱形短管，根据机型不同，短管上设有单排或双排固渣排料口。这些排料口通常内衬可更换的硬质合金或陶瓷衬套，以防止磨损。宽端由端盖封闭，端盖设有四个或更多溢流孔，用于调节转子内的径向液位。通过调节堰板环，可轻松改变液位高度。当澄清液相通过压力盘（4）排放时，可调堰板将液流导入压力室。转子由电机通过V型皮带和皮带轮驱动。

输送器

输送器由轴承支撑悬在转鼓中，相对转鼓或慢或快地转动，推动沉渣向窄端的排渣口移动。输送器螺旋叶片的配置因应用而异：其螺距（叶片间距）可疏可密，叶片可与旋转轴垂直或与转鼓罩的锥体部分垂直。多数型号配备单螺旋输送器，但也有部分机型采用双螺旋结构。

齿轮箱

齿轮箱的作用是产生螺旋推送效应，即转鼓和输送器之间的速度差。齿轮箱安在转鼓的中空轴上，并通过同轴的花键轴来驱动输送器。

太阳轮轴的延伸部分——即齿轮箱的中心轴——从转鼓对侧端部伸出。该轴可由辅助电机驱动，使输送器能以相对于转鼓的不同转速运行。

齿轮箱可采用行星式或摆线针轮式；前者产生负向螺旋推送速度（输送器转速低于转鼓），而后者配备有偏心轴，可产生正向螺旋推送速度。

机架与容器

机架与容器的设计形式多样，但原则上，机架为刚性低碳钢结构，承载转子部件并安装于隔振装置之上。容器是焊接不锈钢结构，配有铰链盖，可将转鼓完全密封。其内部设有分隔腔室，用于收集和排放分离后的液相和固相。

液体可在重力下或如图7.2.43所示压力盘（4）的压力下排放。固渣在重力下排放，必要时可配合振动器辅助排料，使其落入收集容器或传送带上以继续运输。