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高压均质技术及应用场景

更新时间:2024-06-11浏览:35次

高压均质技术应用场景

一、高压均质技术简介

高压均质 (HPH) 20 世纪初由 Auguste Gaulin开发,用于使用高达 30 MPa 的压力加工牛奶,以提高产品稳定性。HPH 的基本工作原理一直保持不变,涉及使用高压泵迫使流体通过小孔。早期的成功扩大了 HPH 的用户群,并已成为食品和饮料、制药、废水处理、材料生产和加工以及生物工艺技术等多个行业液体产品处理的完整单元操作,而且应用领域可能还会继续扩大。

我们将简要介绍HPH在以下三个领域的应用:

食品和饮料功能性食品食品添加物替代食品);

制药和生物技术API处理赋形剂处理治疗性纳米颗粒细胞破碎);

材料和化学品碳纳米管/石墨烯处理纳米流体聚合物处理纳米纤维素)。

二、高压均质应用

食品和饮料

HPH 植根于食品 & 饮料行业,在许多成熟的应用中仍然是一个完整的操作单元,例如确保食品安全和改善果汁和乳制品等食品的理化特性。因此,许多研究仍在探索这些传统应用中需要改进的领域。

除了对食品可持续性和气候变化的担忧之外,替代食品的发展还包括植物性乳制品和肉类、实验室培养肉类、精密发酵蛋白质以及昆虫蛋白正在获得消费者和商业层面的兴趣。HPH 在加工替代食品中的应用在功能上与传统食品相同,因为需要类似的加工目标,例如提高产品稳定性和感官特性、增强结构和物理-化学性能以及改进的加工性能。工艺目标、技术要求和实施方面的相似之处有助于其发展,因为传统食品加工方面的大量先验知识可促进替代食品生产的工艺开发和规模化放大。

HPH 最近被应用于将肉类废料转化为营养和功能产品,这有助于提高肉类行业的可持续性。HPH阀中的强大力量可以显著改变蛋白质结构,例如肌原纤维破坏、解聚、蛋白质解折叠等,从而导致蛋白质的理化性质发生深刻变化,如表面疏水性和电荷,从而有助于改善各种性能。肉类蛋白的功能特性,例如溶解度和发泡能力。HPH 还可以使生物聚合物等添加物与蛋白质有效分散,从而改善胶体稳定性和薄膜水蒸气渗透性等性能。HPH 实现的这些改善使原本可能被丢弃的低价值肉类蛋白质能够转化为高价值产品。

HPH 还被用于开发和生产具有更优化的健康益处的创新食品,例如功能性食品,其通常具有增强的感官特性和稳定性。纳米乳液,即用约 100 nm 的液滴乳化的两种不混溶液体的分散体,促进了这一趋势。这些纳米乳液通过掺入亲脂性成分,改善产品外观和稳定性,保护敏感化合物并增强功能性成分的生物利用度。

制药和生物技术

HPH 最近在制药领域的广泛应用依赖于 HPH 在新应用和改进现有产品或工艺中的既定能力。从广义上讲,HPH 的制药用途可分为两类:赋形剂的处理,特别是聚合物类型,以及活性药物成分 (API),特别是纳米颗粒系统,用于增强药物递送。

赋形剂的处理:聚合物和胶类,例如藻酸盐和纤维素衍生物,是用于药物递送系统的常见药物赋形剂。这些聚合物系统广泛用作药物递送和组织工程载体液体、悬液或透皮产品中的增稠剂或稳定剂。HPH 通常用于这些聚合物的生产和改性。在口服固体剂型中,聚合物赋形剂还用作填充剂、粘合剂和崩解剂等。HPH也经常应用于聚合物和胶类的改性,因为它可以通过强烈的高剪切和湍流来改变聚合物的特性,包括流变特性的变化、粘度降低、zeta 电位、分子量和流体动力学半径减小,从而提高加工性能并实现新的制剂策略,例如将过于粘稠的聚合物凝胶纳入制剂中或通过提高薄膜强度和耐水性来提高产品质量。

API 的处理:HPH 用于降低 API 尺寸的能力可赋予最终药品多种有利的特性。一个特别值得注意的应用是 API 纳米晶体和纳米悬浮液的形成。通过将 API 制备为纳米混悬剂,可增加溶解度,从而提高难溶性药物的生物利用度。通过提高药物溶解度,以前因溶解度差而被认为不可行的药物的商业化将成为可能。虽然这种方式并不新鲜,但越来越多的研究开始侧重于更好地理解产品和工艺之间的关系,例如配方选择、HPH 操作条件以及工艺类型和配置的影响。HPH API 处理中的另一个值得注意的应用是纳米乳液的制备。疏水性药物溶解在油相中,然后乳化为水包油(O/W)纳米乳剂,用于各种药物递送系统,如喷雾剂、乳膏剂和胶囊。药物纳米乳剂的优点包括提高生物利用度、稳定性和控释效应。在制药领域之外,最近对纳米乳化工艺各个方面的研究通过优化乳化剂类型和使用浓度、HPH操作条件和设备设计、工艺类型和配置获得了更好的工艺和产品理解。这些研究的许多见解为制药和相关行业使用 HPH 制备纳米乳液提供了指导。

纳米颗粒系统:制药行业中的纳米颗粒系统形成了实现一系列临床和治疗目标的重要平台,以实现靶向药物递送或有效且更安全的显像剂。HPH 已成为处理三类纳米颗粒系统的可行机制:脂质纳米颗粒、聚合物纳米颗粒和无机/混合型纳米颗粒。HPH 在处理治疗相关纳米颗粒方面的应用不断增加。大多数文献报告侧重于开发不同 API 的纳米颗粒产品和配方,使用脂质和聚合物纳米颗粒进行基因治疗、分子靶向剂和显像剂。行业已对HPH 在纳米颗粒生产领域的应用进行了大量探索,以便为规模放大、工艺控制和优化提供见解。

生物制药和生物技术应用:涉及 HPH 的生物制药和生物技术应用都依赖于其成熟的细胞破碎/裂解能力。这些应用包括通过批次或连续模式,使用各种细胞类型生产无细胞蛋白质合成系统、重组蛋白和病毒样颗粒生产的下游处理以及从藻类中提取油和其它产品。有研究分析了工艺过程和产品的具体细微差别,探索提高效率、质量和控制的途径,包括研究上游和下游单元操作之间对包涵体质量和产量的相互作用,改进细胞破碎过程监控策略以及工艺优化策略。

材料和化学品

聚合物生产和加工:天然生物聚合物被探索作为多种用途的替代和可持续材料,例如作为合成聚合物替代品、治疗应用和电子材料。HPH结合酶水解等其它技术,已成功应用于纳米纤维素、淀粉纳米颗粒、甲壳素纳米纤维和丝纳米纤维等生物聚合物的生产。通常,天然生物聚合物不具备后续加工或最终产品所需的物理化学性质。通过化学处理来改变流变特性或添加增塑剂等改性剂来形成复合材料可能是必要的。在大多数情况下,HPH主要用于生产目的材料,之后再利用其它技术进行后续加工步骤。在某些情况下,HPH也用于后续的改性和加工步骤,例如淀粉纳米颗粒的改性、聚合物分散体的流变和结构改性以及形成纳米原纤化纤维素复合材料。纳米纤维素作为纳米级尺寸的纤维素材料值得特别关注,其主要有三种形式:纳米结晶纤维素、细菌纳米纤维素和纳米原纤化纤维素(NFC)。不同类型的纳米纤维素因其许多有利的特性而引起了行业的极大兴趣,例如作为高强度和刚度的可生物降解天然产物以及表面化学修饰的可能性。纳米纤维素已应用于许多领域,例如食品、复合材料和包装、电子产品、生物医学以及制药。HPH 已成为加工和生产纳米纤维素及其衍生物的便捷、可放大且相对环保的技术。HPH 的应用会导致纤维素发生多种物理化学变化,包括内外部原纤化、平均粒径和结晶度降低以及聚合物长链断裂而导致的分子量分布影响,HPH 过程中的强烈剪切被认为是主要的作用机制。

纳米级材料和流体:HPH 已应用于通过液相剥离大规模生产许多纳米材料,例如氮化硼纳米片、过渡金属二硫化物纳米片以及石墨烯及其变体。这些纳米材料的后续应用通常需要将纳米结构材料分散在某些介质中,在某些情况下,可以直接使用液相剥离步骤产生的分散体。相应地,HPH适合用于直接生产各种分散体,并已被证明是一种分散和潜在改性纳米材料的有效技术。许多研究成功使用 HPH 作为加工步骤来生产先进材料,例如石墨烯薄膜和油墨、融入纳米材料的聚合物复合材料以改善机械、热和电性能,以及纳米流体。一个特别值得关注的应用是生产用于电池电极涂层的石墨烯/碳纳米管浆料,该应用最近获得了显著的工业吸引力。

纳米流体在基液中含有各种类型的纳米颗粒,例如金属纳米颗粒及其氧化物或碳纳米管/石墨。这些流体已成为一种有前景的先进热流体,可提高发动机冷却或建筑温度管理系统的传热性能和热效率。HPH 已成功用于生产含有碳纳米颗粒的纳米流体,如碳纳米管、金刚石、石墨或石墨烯和金属氧化物。同样,均质过程已应用于相变材料乳液的生产,后者目前正被研究用作先进的热流体和储能介质。

在将 HPH 用于新应用时,除了考虑均质效应与计划应用的相关性和适当性之外,考虑以下因素有助于确定可行性:a) 可泵性,b) 能量消耗,以及 c) 磨损部件的使用寿命(例如,均质器/泵阀和垫圈/O 形圈)。第一个因素与操作 HPH 工艺的技术可行性有关:具有高粘度或大/硬颗粒等特性的原料通常泵送性较差,无法可靠地送入均质机。另外两个因素影响 HPH 工艺的商业可行性,能耗过高和/或易损件磨损过快,可能导致成本过高和生产停机。


 

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