超微粉碎技术的发展现状.docx

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超微粉碎技术的发展现状

超微粉碎技术的发展现状

摘要

超微粉碎技术作为一种新技术，国外研究开始于20世纪40年代，到了60年代得到了迅速发展，国内对超微粉碎技术的研究晚于国外十几年，并且发展缓慢，到80年代才得以迅猛发展。

目前已经发展成为一个研究热点，它与传统的行业相交叉，衍生出许多新的学科，促进了相关领域的发展。

本文主要介绍了超微粉碎技术的原理和定义，并对其技术特点和发展历程进行了总结，同时概述了其主要的粉碎设备和近年来国内应用广泛的超微粉碎方法，并介绍了一种新型的超微粉碎方法。

本文主体是重点介绍了超微粉碎技术在食品、中药、农药和动物饲料等行业中的应用和研究情况，并提出了超微粉碎技术在各领域应用所面临的一些问题。

虽然国内超微粉碎技术尚处于起步阶段,,但其特点与优势是公认的。

随着测量技术和粉碎理论的不断发展与完善，随着制备工程学的逐步建立以及粉粒稳定性与微粒最适度筛选确定等基础性问题的解决，超微粉碎技术必将进一步在食品、中药、农产品加工等行业得到广泛应用。

关键词：

超微粉碎，食品，中药，应用

DevelopmentofUltrafineGrindingTechnology

Abstract

Themicrosmashingtechnologytakesonekindofnewtechnology,theoverseasresearchstartedinthe1940s,obtainedtherapidlyexpandtothe60s,thehometothemicrosmashingtechnologyresearchlateintheoverseasseveralyears,anddevelopedslowly,tothe80sonlythencouldtherapiddevelopment.Atpresentalreadydevelopedintoaresearchhotspot,itwithtraditionalprofessionoverlapping,growsmanynewdisciplines,promotedtherelateddomaindevelopment.Thisarticlemainlyintroducedthemicrosmashingtechnology'sprincipleandthedefinition,andhavecarriedonthesummarytoitstechnicalcharacteristicandthedevelopmentprocess,simultaneouslyhasoutlineditsmainbreakingplantandtherecentyearsdomesticapplicationwidespreadmicrosmashingmethod,andintroducedonenewmicrosmashingmethod.Thisarticlemainbodywasintroducedwithemphasisthemicrosmashingtechnologyinprofessionandsoonfood,traditionalChinesemedicine,agriculturalchemicalsandanimalfodderapplicationsandtheresearchsituation,andproposedthemicrosmashingtechnologysomequestionswhichfacedinvariousdomainsapplication.Althoughthedomesticmicrosmashingtechnologywasstillatthestartstage,butitscharacteristicandthesuperiorityaretherecognition.Developunceasinglyalongwiththemeasuringtechniqueandthesmashingtheoryandconsummate,screensthedeterminationalongwiththepreparationengineering'sgradualestablishmentaswellasthesiltstabilityandtheparticleoptimumandsoonfoundationalquestionthesolution,themicrosmashingtechnologywillcertainlyfurtherinprofessionsandsoonfood,traditionalChinesemedicine,agriculturalproductsprocessingtoobtainthewidespreadapplication.

Keyword：

Ultrafinegrinding,food,medicine,applied

1引言

超微粉碎技术是近20年迅速发展形成的一种新技术，它可以将原材料加工成微米甚至纳米级的超细微粉，已经在各行各业得到了广泛的应用。

在发达国家被广泛应用于冶金、食品、医药、化妆品、航天航空等国民经济部门及军事领域；在国内，该项技术主要应用于中药、农产品和食品等领域。

通过超微粉碎技术的物料，具有巨大的比表面、空隙率和表面能,从而使其具有高溶解性、高吸附性、高流动性等多方面的活性和物理化学方面的新特性。

[1]通过超微粉碎的材料已被世界誉为“21世纪新材料”，而这种新的物料加工方法必将对各行各业的快速发展起到推动作用，从而深远影响人类生活。

国外超微粉碎技术开始于40年代，到了60年代得到了迅速发展，开始对粉体工程学进行系统的研究。

目前，世界上对超微粉碎技术的研究正处于活跃期；国内对超微粉碎技术的研究晚于国外十几年，并且发展缓慢，到80年代才得以迅猛发展，80年代后期才开始对粉体工程学进行系统研究：

随着国民经济的迅猛发展，全国各地涌现出来的各类粉体工程研究所、粉体技术开发公司、专业粉体产品和设备生产厂家近百余所，全国性的相关学术和信息机构也逐渐成立。

1.1超微粉碎技术的原理[2]

超微粉碎的原理与普通粉碎相同，只是细度要求更高，它利用外加机械力，使机械力转变成自由能，部分地破坏物质分子间的内聚力，来达到粉碎的目的。

天然植物的机械粉碎过程，就是用机械方法来增加天然植物的表面积，表面积增加了，亦引起自由能的增加，但不稳定，因为自由能有趋向于最小的倾向，故微粉有重新结聚的倾向，使粉碎过程达到一种粉碎与结聚的动态平衡，于是粉碎便停止在一定阶段，不再向下进行，所以要采取措施阻止其结聚，以使粉碎顺利进行。

1.2超微粉碎技术的定义

超微粉碎技术是利用机械或流体动力的方法，将物料颗粒粉碎至微米级甚至纳米级微粉的过程。

超微粉碎技术是粉体工程中的一项重要内容，包括对粉体原料的超微粉碎，高精度的分级和表面活性改变等内容。

据原料和成品颗粒的大小或粒度，粉碎可分为粗粉碎，细粉碎，微粉碎和超微粉碎4种类型（见表1—1）[3]，这是一个大概的分类。

值得注意的是，各国各行业由于超微粉体的用途，制备方法和技术水平的差别，对超微粉体的粒度有不同的划分。

表1—1粉碎类型

粉碎类型

原料粒度/mm

成品粒度/mm

粗粉碎

细粉碎

微粉碎

超微粉碎

10～100

5～50

5～10

0.5～5

5～10

0.1～5

＜100μm

＜10～25μm

1.3超微粉体的特性[4—7]

当颗粒粒度变化到某一范围时，必将伴随有从量变到质变的过程，尤其在超微粉碎阶段表现得更为突出。

因此经过超微粉碎后的超微粉体处于微观粒子和宏观物体之间的过渡状态，具有很多优良特性，如具有巨大的表面积和孔隙率，质量均匀，很好的溶解性，很强的吸附性、流动性，化学反应速度快，溶解度大，烧结温度低且烧结体强度高，填充补强性能好，又具有独特的光、电、磁性能等。

微观角度上看，超微粉碎的过程是使机械能转化为过剩自由能和弹性应力，弹性应力发生迟豫，引起晶格畸变、晶格缺陷、无定形化、表面自由能增大、生成自由基等机械力化学效应。

又因超微粉体具有量子体积效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应，故被广泛应用于高档涂料、医药、高技术陶瓷、微电子及信息材料、高级耐火及保温材料、填料和新材料产业。

由于超微粉体，尤其是纳米级粉体很容易发生团聚，形成二次粒子，导致超微粉体材料性能的严重劣化，故在特殊领域需对超微粉体进行改性，防止其团聚和结块，以提高其分散性、流变性以及光催化效果等。

2超微粉碎的设备和方法

2.1超微粉碎的方法

2.1.1普通超微粉碎方法

目前超微粉碎技术有化学合成法和机械粉碎法两种：

化学合成法产量低、加工成本高、应用范围窄；机械粉碎法成本低、产量大、是制备超微粉体的主要手段，现已大规模应用于工业生产。

机械法超微粉碎可分为干法粉碎和湿法粉碎，根据粉碎过程中产生粉碎力的原理不同，干法粉碎有气流式、高频振动式、旋转球（棒）磨式、锤击式和自磨式等几种形式；湿法粉碎主要是胶体磨和均质机。

（见表2）[8]

表2—1超微粉碎分类

类

型

原理

干

法

湿

法

气流式

高频震动式

旋转球磨式

胶体磨

均质机

利用气体通过压力喷嘴的喷射产生剧烈的冲击、碰撞和摩擦等作用力实现对物料的粉碎

利用球或棒形磨介的高频振动产生冲击、摩擦和剪切等作用力实现对物料的粉碎

利用球或棒形磨介在水平回转时产生冲击和摩擦等作用力实现对物料的粉碎

通过转子的旋转,产生急剧的速度梯度。

使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍动骚扰来粉碎物料

利用急剧的速度梯度产生强烈的剪切力,使液滴或颗粒发生变性和破裂以达到微粒化的目的

2.1.2低温超微粉碎方法[2]

在微粉制备过程中，针对具有韧性、黏性、热敏性和纤维类物料的超微粉碎，一直是生产研究中的难点和重点。

近年来，随着技术的进步，一种新的超微粉碎方法应运而生，这就是低温超微粉碎方法。

该方法不同于普通的超微粉碎法，它是利用物料在不同温度下具有不同性质的特性，将物料冷冻至脆化点或玻璃体温度之下，使其成为脆性状态，然后再用机械粉碎或气流粉碎方式，使其超细化的方法。

（1）原理

天然植物具有极明显的韧性，应用普通超微粉碎方法很难将其完全超微化。

研究发现，植物的韧性在低温下出现均匀地降低，虽然没有出现脆性转折点，但随温度降低其脆性增加的规律是存在的，且有一个最合适的低温范围，在该低温范围内，植物脆性最大。

在快速降温过程中，物料各部位出现不均匀收缩而产生内应力，导致脆弱部位极易发生破裂和龟裂、内部组织力降低。

这时，施加一定的冲击，经快速降温处理过的物料，极易破碎成细粉。

（2）方法

将物料在快速低温状态下粉碎，有三种方法：

①先将物料在液氮零下196℃快速降温至低温催化状态，迅速将其投入常温粉碎机中粉碎。

②将常温的物料，投入粉碎机中粉碎，粉碎机内部是低温状态。

③粉碎物料和粉碎机内部，均为低温进行粉碎操作。

（3）优缺点

优点：

可粉碎在常温下难以粉碎的物料，如纤维类、热敏性和受热易变质的物质（血液制品、蛋白质及酶等）；对含芳香性、挥发性成分的天然植物行低温超微粉碎，可避免有效成分的损失；在低温环境下细菌的繁殖受到抑制，避免产品污染；有利于改善物料的流动性；可提高对易燃、易爆物品粉碎的安全性。

缺点：

生产成本极高，对于低附加值的产品难以承受，故多用于附加值较高的生物类产品的超微粉化。

2.2超微粉碎设备

由于国内对超微粉碎技术的研究开展比较晚，所以大多数都是采取引进消化吸收的过程。

通过这么不断地吸收和自我发展创新，国内的超微粉碎设备在性能上已经有了很大的提高。

目前常用的超细粉碎设备按照大类可以分为气流磨、搅拌磨、研磨剥片机、砂磨机、振动磨、球磨机、压辊磨、环辊磨、高速机械冲击磨、胶体磨、行星球磨机等。

而新近开发出的超微粉碎设备有液流式粉碎机、射流粉碎机、超低温粉碎机、超临界粉碎机、超声粉碎机等[9]。

2.2.1气流粉碎机[10]

气流粉碎机主要包括5种基本类型渊：

水平圆盘式气流粉碎机、循环管式气流粉碎机、对喷式逆向气流粉碎机、撞击板靶式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机。

[11]美国Majac公司研制的对撞式气流粉碎机是流化床气流粉碎机的先导，德国Alpine公司也进行了成功的研制。

气流粉碎机是以压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作为颗粒的载体，颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性挤压、摩擦和剪切等作用，从而达到粉碎的目的。

其工作原理是：

物料加入后，气流由喷嘴喷出，产生的冲击作用以及气流膨胀呈流化床悬浮态而产生的碰撞、摩擦作用同时对物料进行粉碎，交汇点周围向上的气流在负压气流带动下通过分级装置分级，细粉被排出，粗粉在重力作用下回落入粉碎区继续被粉碎[12]。

与普通机械冲击式超微粉碎机相比，气流粉碎机可将产品粉碎得很细，粒度分布范围更窄，即粒度更均匀；又因为气体在喷嘴处膨胀可降温，粉碎过程没有伴生热量，所以粉碎温升很低。

这一特性对于低熔点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。

但也存在一些问题：

设备制造成本高，一次性投资大，能耗高，能量利用率只有2%左右，一般认为要高出其它粉碎方法数倍，因而粉体加工成本太大，这就使得它在这一领域的使用受到了一定的限制，同时，它难以实现亚微米级产品粉碎。

2.2.2球磨机[10]

球磨机是用于超微粉碎的传统设备，其特点是粉碎比大，结构简单，机械可靠性强，磨损零件容易检查和更换，工艺成熟，适应性强，产品粒度小。

但当产品粒度要达到20μm以下时，效率低，耗能大，加工时间长。

2.2.3搅拌磨、研磨剥片机、砂磨机[10]

搅拌磨、研磨剥片机、砂磨机在工作原理上很相似，都是在球磨机的基础上发展起来的，同普通球磨机相比，采用高转速和高介质充填率及小介质尺寸，获得了极高的功率密度，使细物料研磨时间大大缩短，是超微粉碎机中能量利用率最高，很有发展前途的设备。

搅拌磨在加工小于20μｍ的物料时效率大大提高，成品的平均粒度最小可达到数微米。

高功率密度（高转速）搅拌磨机可用于最大粒度小于微米以下产品，在颜料、陶瓷、造纸、涂料、化工产品中已获得了成功。

目前高功率密度搅拌磨在工业上的大规模应用有处理最小和磨损成本高两大难题。

随着高性能耐磨材料的出现，相信这些问题都能得到解决。

2.2.4振动磨[10]

振动磨是用弹簧支撑磨机体，由带有偏心块的主轴使其振动，运转时通过介质和物料的一起振动，将物料进行粉碎，其特点是介质填充率高，单位时间内的作用次数高（冲击次数为球磨机的4～5倍），因而其效率比普通球磨机高10～20倍，而能耗低数倍。

通过调节振动的振幅，振动频率，介质类型，振动磨产品的平均粒径可达2～3μｍ以下,对于脆性较大的物质可比较容易的得到亚微米级产品。

近年来通过实践，振动磨日益受到重视，原因就是振动磨对某些物料产品粒度可达到亚微米级，同时有较强的机械化学效应，且结构简单，能耗较低，磨粉效率高，易于工业规模生产。

2.2.5胶体磨[10]

胶体磨是湿式超微粒加工的新型设备，适用于各类乳化、分散、粉碎、研磨。

广泛应用在食品（果酱、果汁、蛋白质、乳制品、饮料等）、制药（制浆、营养液、中成药、膏状药剂等）、日用化工（牙膏、化妆品、洗涤剂等）、化工（颜料、涂料润滑油催化剂等）、乳化沥青、煤炭浮选剂、陶瓷蔡釉料、炸药等行业。

胶体磨的工作原理是靠一对锥形的转齿与定齿作相对运动，物料通过定转齿之间的间隙受到剪切力、磨擦力、离心力和高频振动而达到粉碎、乳化、均质、分散的目的。

为了降低因摩擦产生的大量热量，一般均配有冷却系统。

2.2.6低温粉碎机[13]

低温粉碎机在现代制药工业中应用较为广泛,其原理就是先把中西药、动植物等及在常温下呈韧性、无法粉碎的物料冷冻到脆化点以下,然后在粉碎机内被粉碎到所需的细度,而且原成份不会破坏。

江阴市某低温设备厂于1994年开始开发生产DFZ一系列超低温粉碎机,并成功地将此技术应用于甲鱼、魔芋、枸杞、茶叶、南瓜、胡椒、核桃仁、牛骨、羚羊角等原料的粉碎。

杭州某制药厂与浙江某大学共同开发了ZU-1型低温粉碎装置,该机选用SF-170型锤式粉碎机为粉碎机械。

以液氮为冷剂,可以进行多种类、小批量中药材以及食品的粉碎。

该机结构简单,拆卸方便,比较适合我国国情。

该粉碎装置可直接出料或经旋风分离后出料,视产品粒度的不同要求而定。

以上两种机型的不足之处在于产量低,对投料粒径、粉碎对象要求高。

2.2.7机械冲击式粉碎机[10]

机械冲击式粉碎机粉碎效率高，粉碎比大，结构简单，运转稳定，适合于中、软硬度物料的粉碎。

这种粉碎机不仅具有冲击和摩擦两种粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用。

超细粉体产品冲击式粉碎机由于是高速运转，有磨损和发热问题，对热敏性物质的粉碎要注意采取适宜措施。

咸阳非金属矿研究设计院作为国内开展超细粉碎技术研究最早的几家单位之一，在这一领域进行了深入研究，开发出CXF系列冲击式超细粉碎分级成套设备，该设备凭借其较低的能耗、较高的粉碎效率以及产品质量稳定等特点，受到广大用户的认可。

目前已经有三百余台售出，遍及全国各地，并出口非洲，广泛应用于滑石、高岭土、碳酸钙、蛇纹石、氧化镁、重晶石等非金属矿物的超微粉碎。

CXF51A型超细粉碎成套设备由CM51A型超细粉磨机、QF5A型涡轮式分级机、布袋收尘器、集料器以及高压风机等组成。

（见图1）

随着科技的进步，非金属矿材料的应用范围越来越广，作为非金属矿物深加工重要手段之一的超微粉碎也有了长足的进步，目前超微粉碎设备的发展趋势是大型化、自动化、节能化。

国外目前的大型干法超微粉碎设备近年来在大型化、节能化方面取得了很大进步，单机的产量已经能够达到4～5t/h，单位产品的能耗≤120kW·h/t，设备自动化水平很高，各参数的调整非常方便。

3超微粉碎技术在相关领域的应用研究现状

3.1超微粉碎技术在食品领域的应用研究现状

3.1.1超微粉碎技术在食品领域的应用现状

近年来，超微粉碎技术在食品领域的应用范围不断扩大，其技术优势有：

提高植物原料中有效成分的溶出，赋予食品更加细腻的口感，延长食品的保鲜期，改善原料的加工性能，提高食品营养价值的利用率，制造新型功能食品或新型添加剂，开发新型软饮料，最大限度地保留食品中的生物活性成分。

茶叶,含有大量的多酚类、蛋白质、氨基酸、生物碱和维生素等有机物以及多种人体所需的无机矿物元素。

然而传统的开水冲泡方法不能将茶叶的营养成分全部供人体吸收。

高彦祥[14]等研究了红茶叶和超微茶粉可溶性固形物含量的萃取动力学过程。

结果表明，茶汤可溶性固形物含量随萃取温度升高而增加，超微茶粉的等级常数是红茶叶的1.22～2.22倍。

姚秋萍、马玉芳[15]等研究表明油菜花粉超微粉多糖的溶出量和溶出速度都大于油菜花粉普通粉,超微粉碎和普通粉碎所得的油菜花粉多糖其主要官能团没有差异，因此在油菜花粉多糖提取过程中应用超微粉碎技术的前景是十分广阔的。

高云中、张晖[16]等研究结果表明，超微粉碎对蛋白的提取率与蛋白性质有一定影响。

随着粒径的不断减小所提分离蛋白的吸水性和吸油性在一定粒径范围内均有明显提高，而起泡性、泡沫稳定性以及乳化性都降低，乳化稳定性略有增加。

利用超微粉碎技术已经开发出的软饮料有：

粉茶、豆类固体饮料、超细骨粉配制的富钙饮料和速溶绿豆精等[17]。

潘思佚[18]试验比较了早籼米经超微粉碎后再进行分级的三个不同粒度范围米粉的理化特性，并以普通粉碎米粉为对照。

结果表明，随着米粉颗粒粒径的减小，其粒度分布范围减小，蛋白质含量、糊化温度、糊化液的透光率和冻融稳定性降低，酶解速度、糊化液热稳定性、冲调性能及溶解度提高，米粉的休止角和滑角增大，糊化液沉降性能和对蛋白发泡体系的持泡能力增强，耐酸性基本稳定。

Martinez-BustosF[19]等研究了高能磨机对豆类淀粉和木薯淀粉加工性能的影响，结果发现，原淀粉经球磨处理后，形状变得不规则，淀粉的水溶性成分增加了，凝胶性质也发生变化。

乳鸽冻干超微粉富含人体所需的17种氨基酸，且具有高蛋白、高能量、低脂肪的特点，对于补血养身、骨骼生成、美容润颜等都有很好的疗效[20]，是一种高级保健食品。

葡萄籽是葡萄酒产业的副产品,含有多种微量元素及多酚等生物活性物质,具有清除自由基、抗氧化、抗癌、降血脂等作用。

葡萄籽超微粉碎是指以葡萄籽细胞破壁为目的的粉碎作业。

运用现代超微粉碎技术,可将葡萄籽粉碎到粒度25μm以下。

在该细度条件下,一般细胞的破壁率≥99%。

超微粉碎后的葡萄籽,保健功效成分的溶出速率加快,活性和利用率提高。

[21]

3.1.2食品工业中应用超微粉碎技术的优点[3]

⑴效率高

由于超微粉碎技术采用了超低速气流粉碎的粉碎方法，其粉碎的速度快，瞬间即可完成，因而能最大限度地保留粉体中生物活性成分，有利于制成所需的高质量产品。

⑵营养成分易保留

在超微粉碎中冷浆粉碎方法的应用，使物料在粉碎过程中不产生局部过热现象，在低温状态下也能达到粉碎的目的，避免了在高温下营养的损失。

⑶粒径细，分布均匀

由于采用超低速气流粉碎，原料上力的分布是很均匀的。

分级系统的设置，既严格限制了大颗粒，又控制了过小颗粒，得到粒径分布均匀的超细粉，同时很大程度上增加了微粉的比表面，吸附性、溶解性等。

⑷节省原料，提高利用率

物体经超微粉碎后，超细粉一般可直接用于制剂生产，而用常规粉碎方法得到的产物仍需一些中间环节，才能达到直接用于生产的要求，这样很可能会造成原料的浪费。

⑸减少污染

超微粉碎是在封闭系统下进行粉碎的，既避免了微粉污染周围环境，又可防止空气中的灰尘污染产品。

在食品及医疗保健品中运用该技术，使微生物含量以及灰尘含量能得以极大的控制。

⑹提高发酵、酶解过程的化学反应速度

由于经过超微粉碎后的原料,具有极大的比表面，在生物、化学等反应过程中，反应接触的面积大大增加了，因而可以提高反应速度，在生产中节约时间，提高效率。

⑺利于机体对食品营养成分的吸收

研究表明经过超微粉碎后的食品，尤其是保健食品，更容易被机体所吸收，这是因为一般粉粒进入胃中，在胃液的作用下吸水溶胀，在进入小肠的过程中有效成分根据简单扩散的原理不断地通过细胞壁及细胞膜释放出来，由小肠吸收。

因颗粒的粒径较大，位于粒子内部的有效成分将穿过几个或数十个细胞壁及细胞膜方可释放出来，每个细胞壁及细胞膜两侧的有效成分的浓度差就会非常低，释放速度很慢，而颗粒在体内停留时间是有限的；并且小肠的蠕动方式造成了有效成分在细胞周围的浓度会高于小肠壁上的浓度，而使细胞壁内外的浓度差难以提高，减缓了释放速度。

其中相当一部分粒子的有效成分在未完全释放出来之前就被排出体外，使食品的生物利用率降低。

经过超微粉碎的食品，由于其粒径非常小，营养物质不必经过较长的路程就能释放出来，并且微粉体由于小而更容易吸附在小肠内壁，这样也加速了营养物质的释放速率，使食品在小肠内有足够的时间被吸收。

3.2超微粉碎在农药领域的应用研究

粉碎是农药加工中最重要的关键技术。

加工农药可湿性粉剂、水分散粒（片）剂、泡腾粒（片）剂、悬浮剂、干悬浮剂、粉剂时，影响其生物活性的主要因素是原药的粒径。

在胃毒药剂中，药粒愈小，越