干貨分享丨一文了解高壓均質(zhì)機(jī)

專欄：技術(shù)交流

發(fā)布日期：2024-03-01

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作者：JZ

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　　高壓均質(zhì)機(jī)是一種使用高壓來乳化、分散和粉碎的設(shè)備，且高壓均質(zhì)機(jī)適用于流體，不適用于固體和氣體。它通常通過在高壓下迫使流體通過均質(zhì)閥來工作，從而產(chǎn)生可以分散或粉碎流體中的顆粒或液滴的高能沖擊。高壓均質(zhì)機(jī)是多功能且高效的機(jī)器，可用于提高各行各業(yè)各種產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，在生物制藥、納米材料、食品及化妝品中均有廣泛的應(yīng)用。今天，有著20多年均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的金宗企業(yè)，來給大家介紹下高壓均質(zhì)機(jī)。

　　01

　　高壓均質(zhì)機(jī)的主要部件

　　?傳動(dòng)系統(tǒng)–用于提供動(dòng)力源，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)柱塞泵工作；

　　?柱塞泵–利用柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高壓流體，將物料輸送到均質(zhì)腔；

　　?均質(zhì)腔–即物料進(jìn)行均質(zhì)處理的部位，通過高壓流體對(duì)物料產(chǎn)生剪切、空化、撞擊等作用，將物料分散成均勻的狀態(tài)；

　　?均質(zhì)閥–進(jìn)行均質(zhì)處理的關(guān)鍵部件，又由閥座、閥芯和撞擊環(huán)等組成，由耐高壓、耐腐蝕的材料制成，通常采用陶瓷、司太立合金、金剛石等，閥體內(nèi)部具有特定的幾何形狀，以產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、空化、撞擊等作用。均質(zhì)機(jī)可以配置一個(gè)均質(zhì)閥﹙一級(jí)﹚或兩個(gè)均質(zhì)閥（二級(jí)），對(duì)于大多數(shù)項(xiàng)目，一級(jí)均質(zhì)就足夠了。一般二級(jí)均質(zhì)主要應(yīng)用于乳化體系。二級(jí)壓力一般為總壓力的6-12%，主要目的是分散乳化后的顆粒大小，使粒度分布的更窄。

　　?調(diào)壓裝置–用于調(diào)節(jié)閥芯及閥座之間的距離以調(diào)節(jié)均質(zhì)的壓力，可以控制物料的均質(zhì)程度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一般采用手柄調(diào)節(jié)的方式，對(duì)于中試及生產(chǎn)的設(shè)備一般采用氣推油的方式，可以通過旋鈕或PLC程序控制。

　　02

　　高壓均質(zhì)機(jī)的工作流程

　　物料由泵輸送到均質(zhì)腔，并在高壓的作用下，物料通過均質(zhì)閥。在均質(zhì)閥中，物料受到高速剪切、空化、撞擊等作用，物料中的大分子和顆粒被破碎成小分子和微粒，然后，均質(zhì)后的物料從均質(zhì)閥中排出。高壓均質(zhì)過程主要受三種作用的影響，即撞擊力、剪切力以及空穴作用，其中，撞擊力是指物料在高壓下流經(jīng)撞擊環(huán)時(shí)，與撞擊環(huán)壁或與其它物料相互碰撞時(shí)產(chǎn)生的力，是高壓均質(zhì)機(jī)中重要的均質(zhì)作用力。剪切力是通過均質(zhì)閥中的狹窄通道來產(chǎn)生的。在均質(zhì)閥的狹窄通道中，物料的流速會(huì)急劇增加，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力。空穴作用是指物料在高壓力流經(jīng)均質(zhì)閥時(shí)，在其狹窄的通道中，物料的流速會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致壓力降低，當(dāng)壓力降低到臨界值時(shí)，物料中的溶解氣體會(huì)發(fā)生氣化，形成空穴，空穴在高壓流體的沖擊下會(huì)迅速膨脹，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力和剪切力，進(jìn)而破壞物料中的顆粒，達(dá)到均質(zhì)的目的。高壓均質(zhì)機(jī)中的剪切力與撞擊力以及空穴作用具有協(xié)同作用，可以相互促進(jìn)，從而提高均質(zhì)效果。

　　03

　　高壓均質(zhì)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

　　壓力-壓力是高壓均質(zhì)機(jī)最重要的參數(shù)之一，決定了均質(zhì)效果。一般來說，壓力越高，均質(zhì)效果越好；

　　均質(zhì)次數(shù)–即物料通過均質(zhì)機(jī)的次數(shù)。一般來說，均質(zhì)次數(shù)也是越多，均質(zhì)效果越好。

　　均質(zhì)閥組結(jié)構(gòu)–不同體系的物料需要的能量是不同的。對(duì)于乳化體系，需要提供足夠強(qiáng)的剪切力以達(dá)到減小顆粒大小并且分布均勻的效果。乳化體系和粉碎體系需要能量不同，ATS提供不同類型的均質(zhì)閥以滿足不同的應(yīng)用體系。

　　溫度–均質(zhì)過程是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能及熱能的方式，在乳化和破碎過程中會(huì)伴隨著熱量的產(chǎn)生，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的工作也會(huì)積聚熱量，會(huì)影響到均質(zhì)機(jī)的使用效果及使用壽命。ATS均質(zhì)機(jī)帶內(nèi)置控溫模塊，在均質(zhì)點(diǎn)就可進(jìn)行控溫，有效保證物料活性，且ATS生產(chǎn)型均質(zhì)機(jī)帶油泵風(fēng)冷系統(tǒng)、柱塞冷卻系統(tǒng)、物料換熱系統(tǒng)，從動(dòng)力端到工作端均可保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　此外，還要考慮進(jìn)樣流量，流量決定了均質(zhì)機(jī)的生產(chǎn)效率。流量越大，生產(chǎn)效率越高。

　　04

　　高壓均質(zhì)機(jī)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

　　高壓均質(zhì)機(jī)在生物制藥中有著廣泛的應(yīng)用，最常見的應(yīng)用的各種細(xì)胞的破碎，以釋放存在于細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)物。如使用大腸桿菌表達(dá)重組蛋白時(shí)，產(chǎn)物常以包涵體形式存在于細(xì)胞內(nèi)，如胰島素，需要使用高壓均質(zhì)機(jī)裂解細(xì)胞，以釋放包涵體，以進(jìn)行后續(xù)的純化工作。在基于病毒的疫苗生產(chǎn)工藝中，由于很多病毒顆粒不能在培養(yǎng)過程中有效地釋放到細(xì)胞外的培養(yǎng)基中，也需要使用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行細(xì)胞裂解，以釋放病毒顆粒。在使用大腸桿菌或酵母進(jìn)行基于病毒樣顆粒技術(shù)的疫苗生產(chǎn)中，也需要使用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行菌體裂解，以釋放生產(chǎn)的病毒樣顆粒。

　　其次可用于一些復(fù)雜制劑，如脂質(zhì)體、白蛋白納米粒、微球、乳劑及混懸劑等。用于控制粒度大小及粒徑的均勻分布。

　　高壓均質(zhì)機(jī)在化妝品中也有多方面的應(yīng)用。包括從化妝品原料到化妝品成品均需使用到高壓均質(zhì)機(jī)。

　　如乳化-乳液、乳霜、膏霜等化妝品都是乳化體系。在乳化過程中，高壓均質(zhì)機(jī)可以通過強(qiáng)大的剪切力和空穴作用將油相和水相均勻分散，從而制備出穩(wěn)定性好的乳化體系；

　　分散-色素、香精、活性成分等物質(zhì)在化妝品中具有重要的作用，但這些物質(zhì)需要均勻分散，才能發(fā)揮其應(yīng)有的效果。高壓均質(zhì)機(jī)可以將色素、香精、活性成分等物質(zhì)均勻分散，從而提高化妝品的使用效果。

　　破壁–一般用于做化妝品原料。許多化妝品的活性成分是通過生物發(fā)酵的方式大規(guī)模生產(chǎn)的，這些活性成分有些存在于細(xì)胞中，需要破壁才能釋放出來。高壓均質(zhì)機(jī)即可將細(xì)胞破開，從而釋放出細(xì)胞中的活性成分。

　　包埋–有些化妝品活性成分會(huì)存在易氧化,光不穩(wěn)定等特點(diǎn)，需要使用脂質(zhì)體或其他材料進(jìn)行包裹。高壓均質(zhì)機(jī)可以起到脂質(zhì)體包裹控制粒徑大小均一的效果。

　　高壓均質(zhì)機(jī)在食品中也是一種常用的技術(shù)，如用于將牛乳中的脂肪球均勻分散，從而提高牛乳的穩(wěn)定性和口感；用于將果汁中的果肉顆粒均勻分散，從而提高果汁的口感和營養(yǎng)價(jià)值；以及一些腸內(nèi)營養(yǎng)乳，微膠囊包埋等應(yīng)用。

　　高壓均質(zhì)機(jī)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是材料科學(xué)，如納米材料的制備，包括制備納米纖維素，制備納米碳材料如用于導(dǎo)電漿料的炭黑、碳納米管及石墨烯的分散用于電催化的Pt/C催化劑，制備拋光液如一些納米氧化鋁漿料等。

　　綜上所述，高壓均質(zhì)機(jī)在各種應(yīng)用中的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

　　均質(zhì)效果好-高壓均質(zhì)機(jī)可以產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力、撞擊力和空穴作用，從而使物料尺寸有效降低或均勻分散；

　　操作簡(jiǎn)單-高壓均質(zhì)機(jī)的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率；

　　高性價(jià)比–相比超聲等技術(shù)，高壓均質(zhì)機(jī)的成本相對(duì)較低，提高了生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。