微射流金剛石交互容腔使用指南

 

本使用指南旨在作為一個(gè)簡(jiǎn)短的教程或參考文件，以便用戶能更好地了解微射流金剛石交互容腔的作用原理以及根據(jù)特定物料選擇合適的腔體與處理?xiàng)l件。

1. 概述

1.1定義與作用原理

微射流金剛石交互容腔是用于微射流高壓均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)腔體（IXC，Interaction Chamber），是微射流高壓均質(zhì)機(jī)的核心反應(yīng)部件。微射流金剛石交互容腔外部是316L不銹鋼材料，內(nèi)部則由多晶金剛石制成（也有氧化鋁陶瓷材質(zhì)的材質(zhì)的腔體）。

物料通過金剛石交互容腔時(shí)，在超高壓（可達(dá)60000psi/4000bar/400MPa）的作用下通過一個(gè)非常小的孔道（不到百微米）形成高速微射流，速度可達(dá)500m/s（超過音速340m/s），經(jīng)過劇烈剪切、震蕩、碰撞、空穴效應(yīng)與對(duì)射等作用進(jìn)行加工，物料發(fā)生物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等變化，最終達(dá)到粒徑減小且窄幅分布，伴隨穩(wěn)定性、均一性和透明度增加等均質(zhì)效果。

 

圖1 單通道夾套溫控型金剛石交互容腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 金剛石交互容腔與一代均質(zhì)閥類核心處理效果差異與成因

金剛石交互容腔對(duì)應(yīng)于第一代均質(zhì)閥類均質(zhì)核心，又被稱為第二代均質(zhì)核心。金剛石交互容腔除了擁有更高的剪切與均質(zhì)效率之外，其內(nèi)部多晶金剛石通道具有固定的“Y”或“Z”型幾何形狀，不隨反應(yīng)條件變化而改變，保證了每次脈沖經(jīng)過腔體前后物料的處理效果一致且不同脈沖處理效果重復(fù)性高，處理后的物料粒徑也因此分布更窄；通過金剛石微通道的復(fù)制，增加了相同時(shí)間內(nèi)的處理流量，以此確保放大生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

而一代均質(zhì)閥類核心依靠閥體部件間的微小可調(diào)縫隙來控制均質(zhì)效果，由于間隙結(jié)構(gòu)隨壓力以及物料沖擊容易發(fā)生微小形變，單次脈沖時(shí)物料所受壓力呈正太分布式，無法保證單次脈沖經(jīng)過閥體前后物料的處理效率的一致性，因此產(chǎn)生的粒徑分布寬，而且在放大生產(chǎn)時(shí)有很難達(dá)到小試時(shí)的同等效果。

1.3 類型

1.3.1 “Y”型與“Z”型

腔體基本分為兩種類型：“Y”型（圖2）和“Z”型（圖3）。這兩種類型還可以分為不同的尺寸型號(hào)，不同的通道數(shù)量：?jiǎn)瓮ǖ缹?shí)驗(yàn)型到多通道生產(chǎn)型。

圖2 “Y”型腔體內(nèi)部射流路徑

圖3 “Z”型腔體內(nèi)部射流路徑

1.3.2 主腔與輔腔

腔體可以與輔腔(APM，Auxiliary Processing Module)一起使用。輔腔可以置于“Y”型主腔體下游，以增加背壓，從而增強(qiáng)主腔的效能，穩(wěn)定流量以及延長(zhǎng)主腔體的使用壽命。

圖4 “Y”型主腔與輔腔

此外，還可以將輔腔置于“Z”型主腔體上游，以便在主腔體發(fā)揮高性能步驟前幫助預(yù)分散物料。在這種結(jié)構(gòu)中，輔腔很像是一個(gè)在線混合器或預(yù)處理器，為主腔體更小的通道和更劇烈的反應(yīng)準(zhǔn)備材料。一般情況下，輔腔是“Z”型而且流量比主腔體更大。

圖5 “Z”型主腔與輔腔

1.3.3 單通道與多通道

單通道腔體只有一個(gè)微通道，可用于小批量或?qū)嶒?yàn)室規(guī)模的樣品處理。多通道腔體（圖6-7）由多個(gè)復(fù)制且平行的微通道組成，以增加腔體處理物料的體積流量。這些通道在微射流高壓均質(zhì)的過程中都是等效的。微通道的平行復(fù)制保證了多通道腔體與單通道腔體相同的處理效果；通道數(shù)量的增加保證了在相同的時(shí)間內(nèi)，更大的物料處理流量。

 

圖6 多通道“Y”型腔體內(nèi)部射流路徑

 

圖7 多通道“Z”型腔體內(nèi)部射流路徑

2. 金剛石交互容腔選型與使用建議

2.1 使用時(shí)需要考慮的5個(gè)方面

配備金剛石交互容腔的微射流高壓均質(zhì)機(jī)可用于處理納米分散、乳劑、細(xì)胞破碎和脂質(zhì)體等。因此在明確了產(chǎn)品特性之后，選擇合適的腔體可以讓處理效率更高。為了達(dá)到最佳效果，在交互容腔選用過程中，我們需要考慮下面五個(gè)方面：

a.需要哪種類型的腔體（“Y”型還是“Z”型）：下一節(jié)有詳細(xì)介紹；

b.所需腔體的尺寸規(guī)格：選用合適規(guī)格的腔體可以避免堵塞并使處理效率最大化；

c.物料處理壓力：不是所有物料都是壓力越高越好，過度處理也會(huì)讓物料粒徑增大，探索最佳處理壓力，也是工藝優(yōu)化關(guān)鍵的一環(huán)；

d.物料處理次數(shù)：對(duì)于單次處理未完全達(dá)到要求的物料可以進(jìn)行多次處理，經(jīng)過金剛石交互容腔微射流高壓均質(zhì)的次數(shù)，也是工藝優(yōu)化中非常重要的一環(huán)；

e.物料的溫度敏感性：微射流高壓均質(zhì)過程中伴隨劇烈的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，物料經(jīng)過金石交互容腔的瞬間，溫度可以有劇烈的上升；根據(jù)物料的溫度敏感屬性，適當(dāng)使用物料換熱器進(jìn)行物料及時(shí)降溫，對(duì)溫度敏感型物料的處理至關(guān)重要。

2.2 不同物料處理時(shí)金剛石交互容腔的使用建議

通常來說，“Y”型腔體更適用于乳化、藥物包封以及脂質(zhì)體制備等液-液形態(tài)物料的處理；“Z”型更適用于細(xì)胞破碎或納米分散、解團(tuán)聚、粒徑減小、機(jī)械剝離等固-液形態(tài)物料的處理。

下面將詳細(xì)介紹在處理脂質(zhì)體、脂肪乳、微乳、細(xì)胞破碎、納米分散及粒徑減小時(shí)，金剛石交互容腔的選型及壓力建議。

2.2.1 脂質(zhì)體

水包油型載藥脂質(zhì)體： F12Y 或 F20Y（帶輔腔）               15,000-30,000psi

油包水型載藥脂質(zhì)體： H30Z                                               3,000-8,000psi

壓力過高或者孔道過小容易引起破乳。

2.2.2 脂肪乳、微乳

水包油型乳化： F12Y 或 F20Y（帶輔腔）                         15,000-30,000psi

油包水型乳化： H30Z                                                          3,000-8,000psi

2.2.3 細(xì)胞破碎

動(dòng)物細(xì)胞：H30Z                                                                  2,000-5,000psi

藻類細(xì)胞：H10Z                                                                  20,000-30,000psi

細(xì)菌細(xì)胞：H10Z                                                                 10,000-25,000psi

酵母細(xì)胞：H10Z                                                                  20,000-30,000psi

2.2.4 納米分散與粒徑減小

中藥等納米混懸液： H10Z或H30Z                                       10,000-30,000psi 

                                 F12Y                                                    15,000-30,000psi

二氧化硅等硬質(zhì)物料納米分散： H10Z或H30Z                      10,000-30,000psi

石墨烯等機(jī)械剝離：H10Z或H30Z                                         10,000-30,000psi

 

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