Гомогенизация под высоким давлением: принципы, характеристики и приложения

03.01.2024

Гомогенизация под высоким давлением — это технология, в которой высокое давление используется для эмульгирования, диспергирования и разрушения материалов. Гомогенизатор высокого давления подходит для жидкостей, но не для твердых веществ и газов. Обычно он работает путем пропускания жидкости через гомогенизирующий клапан под высоким давлением, создавая высокоэнергетический удар, который может рассеивать или разрушать частицы или капли в жидкости. Гомогенизаторы высокого давления — это универсальные и эффективные приборы, которые можно использовать для улучшения качества и стабильности различных продуктов в самых разных отраслях промышленности. Гомогенизаторы высокого давления широко используются в биофармацевтической, наноматериальной, пищевой и косметической промышленности.

К основным компонентам гомогенизатора высокого давления относятся:

1. Система трансмиссии – используется для обеспечения источника питания, преобразования электрической энергии в механическую и привода в работу плунжерного насоса;
2. Плунжерный насос – использует возвратно-поступательное движение плунжера для создания жидкости под высоким давлением для транспортировки материалов в гомогенную камеру;
3. Камера гомогенизации – то есть часть, где материал гомогенизируется. Жидкость под высоким давлением оказывает на материал сдвиговое, кавитационное и ударное воздействие, приводя материал в однородное состояние;
4. Клапан гомогенизации – ключевой компонент процесса гомогенизации, который состоит из седла клапана, сердечника клапана и ударного кольца. Он изготовлен из устойчивых к высокому давлению и коррозионностойких материалов, обычно керамики, стеллита, алмаза и т. д. Внутренняя часть корпуса клапана имеет определенную геометрическую форму, обеспечивающую сильный сдвиг, кавитацию, удар и другие эффекты. Гомогенизатор может быть оснащен одним клапаном гомогенизации (одноступенчатый) или двумя клапанами гомогенизации (двухступенчатый). Для большинства проектов достаточно одноступенчатой гомогенизации. Двухступенчатая гомогенизация в основном используется в системах эмульгирования. Давление вторичной ступени обычно составляет 6-12% от общего давления. Основная цель этой конструкции — диспергировать эмульгированные частицы по размерам и сделать распределение частиц по размерам более узким.
5. Устройство регулирования давления – используется для регулировки расстояния между сердечником клапана и седлом клапана для регулировки однородного давления и контроля однородности материала. Для лабораторного оборудования обычно используется метод регулировки ручки. Для пилотного и производственного оборудования будет использоваться метод «воздушного давления масла», которым можно управлять с помощью ручек или программ ПЛК.

Рабочий процесс гомогенизатора высокого давления обычно включает в себя следующие этапы: материал попадает в камеру гомогенизации с помощью насоса, и под высоким давлением материал проходит через клапан гомогенизации. В клапане гомогенизации материал подвергается высокоскоростному сдвигу, кавитации, ударному воздействию, при этом крупные молекулы и частицы материала разбиваются на более мелкие молекулы и частицы. Затем гомогенизированный материал выгружают из клапана гомогенизации. На процесс гомогенизации под высоким давлением в основном влияют три эффекта: сила удара, сила сдвига и кавитация. Среди них сила удара относится к тому моменту, когда материал проходит через ударное кольцо под высоким давлением и сталкивается со стенкой ударного кольца или другими материалами. Это важная гомогенизирующая сила в гомогенизаторе высокого давления. Сдвиговая сила создается через узкий канал в клапане гомогенизации. В узком канале клапана гомогенизации скорость потока материала резко увеличивается, что приводит к высокой силе сдвига. Кавитация означает, что когда материал проходит через клапан гомогенизации под высоким давлением, в его узком канале скорость потока материала резко увеличивается, что приводит к снижению давления. Когда давление снизится до критического значения, растворенный в материале газ начнет испаряться и образовывать полости. Полости будут быстро расширяться под воздействием жидкости под высоким давлением и создавать сильные ударные и сдвиговые силы, тем самым разрушая частицы в материале и достигая однородности. Сила сдвига, сила удара и кавитация в гомогенизаторе высокого давления имеют синергетический эффект и могут способствовать друг другу, улучшая результат гомогенизации.

К рабочим параметрам гомогенизаторов высокого давления относятся:

1. Давление. Давление является одним из важнейших параметров гомогенизатора высокого давления, определяющим эффект гомогенизации. Вообще говоря, чем выше давление, тем лучше эффект гомогенизации;
2. Количество проходов – количество раз, которое материал проходит через гомогенизатор. Вообще говоря, чем больше проходов, тем лучше эффект гомогенизации.
3. Однородная структура группы клапанов. Разные материалы требуют разной технологической мощности. Для систем эмульгирования необходимо обеспечить достаточно большую силу сдвига для достижения эффекта уменьшения размера частиц и их равномерного распределения. Системы эмульгирования и системы разрушения требуют разной энергии. ATS предлагает различные типы клапанов гомогенизации для различных систем применения.
4. Кроме того, необходимо учитывать скорость подачи, а скорость потока определяет эффективность производства гомогенизатора. Чем больше скорость потока, тем выше эффективность производства;
5. Температура. Процесс гомогенизации — это способ преобразования механической энергии в кинетическую и тепловую энергию. Процесс эмульгирования и разрушения будет сопровождаться выделением тепла. В то же время при длительной работе также будет накапливаться тепло, что повлияет на производительность и использование гомогенизатора. жизнь. Гомогенизатор ATS имеет встроенный модуль контроля температуры, который может контролировать температуру в точке гомогенизации для эффективного обеспечения активности материала. Гомогенизатор производственного типа АТС имеет систему воздушного охлаждения масляного насоса, систему охлаждения плунжера и систему теплообмена материала. От силовой стороны до рабочей стороны можно гарантировать стабильную работу оборудования.

Гомогенизаторы высокого давления широко используются в биофармацевтике. Наиболее распространенным применением является разрушение различных клеток с целью высвобождения продуктов, экспрессируемых внутри клеток. Например, когда E. coli используется для экспрессии рекомбинантных белков, продукты часто существуют в клетке в форме телец включения, таких как инсулин. Для лизиса клеток необходимо использовать гомогенизатор высокого давления для высвобождения телец включения для последующей очистки. В процессе производства вакцин на основе вирусов, поскольку многие вирусные частицы не могут быть эффективно высвобождены во внеклеточную среду во время процесса культивирования, для лизиса клеток для высвобождения вирусных частиц также требуется гомогенизатор высокого давления. При производстве вакцин на основе технологии вирусоподобных частиц с использованием E.coli или дрожжей также необходимо использовать гомогенизатор высокого давления для лизиса клеток с целью высвобождения образующихся вирусоподобных частиц.

Во-вторых, его можно использовать в некоторых сложных составах, таких как липосомы, наночастицы альбумина, микросферы, эмульсии и суспензии. Гомогенизатор в основном используется для контроля размера частиц и достижения равномерного распределения частиц по размерам.

Гомогенизаторы высокого давления также имеют множество применений в косметике, от косметического сырья до готовой косметики, например:

1. Эмульгирование. Косметические средства, такие как лосьоны и кремы, представляют собой системы эмульгирования. В процессе эмульгирования гомогенизатор высокого давления может равномерно диспергировать масляную и водную фазы за счет высокой силы сдвига и кавитации, тем самым подготавливая эмульгированную систему с хорошей стабильностью;
2. Дисперсия. Такие вещества, как пигменты, ароматизаторы и активные ингредиенты, играют важную роль в косметике, но для достижения желаемого эффекта эти вещества должны быть равномерно диспергированы. Гомогенизатор высокого давления позволяет равномерно диспергировать пигменты, ароматизаторы, активные ингредиенты и другие вещества, тем самым повышая эффективность косметики.
3. Разрушение клеточной стенки – обычно используется для производства косметического сырья. Многие активные ингредиенты косметики производятся в больших масштабах посредством биологической ферментации. Некоторые из этих активных ингредиентов существуют в клетках и требуют процесса разрушения, чтобы высвободиться. Гомогенизатор высокого давления может разрушить клетки и высвободить активные ингредиенты внутри клеток.
4. Инкапсуляция. Некоторые косметические активные ингредиенты склонны к окислению и нестабильности света, поэтому их необходимо инкапсулировать в липосомы или другие материалы. Гомогенизатор высокого давления позволяет добиться эффекта инкапсуляции липосом и контроля однородности размера частиц.

Гомогенизация под высоким давлением также широко используется в пищевой промышленности. Например, его используют для равномерного распределения жировых шариков в молоке, тем самым улучшая стабильность и вкус молока; используется для равномерного диспергирования частиц мякоти в соке, тем самым улучшая вкус и пищевую ценность; а также некоторое молоко для энтерального питания, инкапсулирование микрокапсул и другие применения.

Другой областью применения гомогенизатора высокого давления является материаловедение, такое как получение наноматериалов, включая получение наноцеллюлозы и наноуглеродных материалов, таких как углеродная сажа для проводящих суспензий, углеродные нанотрубки и дисперсия графена, а также катализатор Pt/C для электрокатализа. и приготовьте полирующую жидкость, например, суспензию нанооксида алюминия.

Подводя итог, к основным преимуществам гомогенизаторов высокого давления в различных применениях можно отнести:

Хороший результат гомогенизации - гомогенизатор высокого давления может создавать сильную силу сдвига, ударную силу и эффект кавитации, тем самым эффективно уменьшая размер материала или равномерно его диспергируя;

Простота эксплуатации - работа гомогенизатора высокого давления относительно проста, легко автоматизируется и повышает эффективность производства;

Высокая экономическая эффективность – по сравнению с такими технологиями, как ультразвук, стоимость гомогенизаторов высокого давления относительно низкая, что повышает экономичность производственного процесса.

В будущем достижимое давление и скорость потока гомогенизаторов высокого давления могут быть еще больше увеличены, а конструкция и система управления камерой гомогенизации могут быть дополнительно улучшены, чтобы ее можно было использовать в более широком диапазоне областей.