高壓均質機

高壓均質機也稱“高壓流體納米勻質機”，它可以使懸濁液狀態的物料在超高壓（最高可達60000psi）作用下，高速流過具有特殊內部結構的容腔（高壓均質腔），使物料發生物理、化學、結構性質等一系列變化，最終達到均質的效果。

基本介紹

• 中文名：高壓均質機
• 樣品最小用量：10毫升
• 最高均質壓力：200MPa
• 驅動方式：電機
• 電源：220V

簡介

“高壓流體納米勻質機”主要用於生物、醫藥、食品、化工等行業，進行細胞破碎、飲品均質、精細化工，製備脂質體、脂肪乳、納米混懸劑、微乳、脂微球、乳劑、乳品、大輸液、染料、太陽能板塗層以及導電塗層等產品，該領域國際市場規模超過100億元。其中，醫藥乳劑的生產必須採用超高壓均質機（壓力至少在20000psi以上），國內醫藥行業使用的高壓均質機幾乎完全依賴於進口。

原理

高壓均質機主要由高壓均質腔和增壓機構構成。高壓均質腔的內部具有特別設計的幾何形狀，在增壓機構的作用下，高壓溶液快速地通過均質腔，物料會同時受到高速剪下、高頻震盪、空穴現象和對流撞擊等機械力作用和相應的熱效應，由此引發的機械力及化學效應可誘導物料大分子的物理、化學及結構性質發生變化，最終達到均質的效果。

因此，高壓均質腔是設備的核心部件，其內部的特有的幾何結構是決定均質效果的主要因素。而增壓機構為流體物料高速通過均質腔提供了所需的壓力，壓力的高低和穩定性也會在一定程度上影響產品的質量。

套用

高壓勻質機是套用納米技術工藝製備納米材料最有效的生產設備之一，其套用領域非常廣泛，全球具有近百億人民幣的市場需求量。

● 製藥行業中製備脂肪粒、微乳、脂質體、混懸劑和微膠囊等；

● 生物工程產品的細胞破碎、胞內外物質的提取和均質；

● 食品和飲料工業產品的均質和乳化，提高產品穩定性；

● 化妝品、精細化工等行業產品的均質分散；

● 導電漿料、電阻漿料的生產和製備。

分類

從增壓動力來源上：

電動型

電動型以電機作為動力，向下又細分為機械型和液壓型。

機械型：電機帶動曲軸使柱塞往復運動，直接對物料進行增壓。通過多組柱塞提供連續的壓力，均質壓力較高，產量大，但物料最小量較大，同時電機帶動曲軸需要有多級減速機構，使設備效能一般且體積較大。適合用於大型生產。

液壓型：電機帶動油泵，通過液壓系統對物料進行增壓。液壓系統可提供更高的壓力，設備效能較高，體積相對較小，並且物料最小量更小。可同時適用於試驗和生產。

手動型

通過手動槓桿機構對物料進行增壓。由於是手動增壓所以產能較低，但其具有拆裝快捷，可隨身攜帶的優勢，同時需要的物料最小量很小，非常適用於進行小量試驗，可以充分滿足實驗室的研發需求。

氣動型將壓縮氣體的壓力轉化為液壓。設備需要氮氣瓶或壓縮空氣機的支持，氣體的消耗量很大，並且最高均質壓力普遍較低，但是由於沒有單獨的增壓機構，所以體積較小，適合配備有空氣壓縮機的場所使用。

從均質腔結構原理上：

第一代 碰撞型

A．穴蝕噴嘴型——直接引用了高壓切割和航空航天推進技術中的氣蝕噴嘴結構，但是由於在超高壓的作用下，物料溶液經過孔徑很微小的閥心時會產生幾倍音速的速度，並與閥心內部結構發生激烈的磨擦與碰撞，因此其使用壽命較短，並伴隨有金屬微粒殘落。

B．碰撞閥體型——通過碰撞閥（Impact valve）和碰撞環（Impactring）結構的引入，降低了局部磨損，延長了均質腔的使用壽命。但是由於其根本原理上還是通過溶液中的物料和高硬度金屬（如鎢合金）結構碰撞，所以金屬微粒的磨損殘落問題沒有徹底解決，並且截止到2013年，絕大多數的國產高壓均質機都使用了這種結構。

第二代 對射型

C．Y形互動型——根本的區別在於其套用了對射流的原理。利用特有的Y形結構，使高壓溶液中高速運動的物料自相碰撞，大大提高了腔體的使用壽命，並解決了金屬微粒殘落的問題。

第一代碰撞型均質腔在生產醫用注射液時，殘落的惰性金屬顆粒有可能發生聚集或形成更大顆粒。從病理學角度看，將導致毛細血管血流減少，進而引發人體內組織的機械性損傷，以及引起急性或慢性炎症反應。對射型均質腔的誕生從原理上解決了惰性金屬殘落的問題。但是由於內部結構原因，當物料的濃度和粘度較大時，第二代對射型較第一代更易發生阻塞。

均質腔內部結構示意圖

選擇方法

均質原理選擇

高壓均質腔是高壓均質機的核心部件，是決定均質效果的主要因素。不同內部結構的高壓均質腔，其使用範圍和均質效果都不盡相同。具體比較和選擇可參見以下表格。

表1均質腔的性能比較

均質腔參數	參數介紹	第一代	第二代
		圖A和圖B	圖C
		(碰撞型)	(對射型)
efficiency	總效能-均質的整體效果	− 效能一般	+ 效能較高
Multi-Channel	多通道-有利於工藝放大	− 不利放大	+ 可以放大
No Angle	無轉角-利於高粘度降低阻塞	+ 不易阻塞	− 易阻塞
Multi-Stage	多級別-用於增強效能	+ 可兩級均質	− 只有一級
Adjustable	可調節-用於最佳化效能	+ 可調節	− 固定式

表2 均質腔的選擇指南

類型	優點	缺點
Y形互動型 （圖C）	適用於低粘度醫藥乳劑的生產	不適用於高粘度溶液或懸濁液
碰撞閥體型（圖B）	對濃度要求在A、C之間	不建議套用於生產醫藥乳劑
穴蝕噴嘴型（圖A）	適用於高粘度溶液和懸濁液	不可套用於生產醫藥乳劑

一般而言，使用第一代均質腔的設備價格較低，但均質性能不如第二代。使用第二代均質腔的設備，對乳劑的均質效果優良，但處理高濃度、高粘度物料時，較第一代產品更易阻塞，且價格相對較高。所以最終的選擇應當根據產品需求和整體性價比來進行確定。

最高均質壓力

一般情況下，均質壓力越高越好。首先，均質壓力越高，均質後的物料粒徑將越小越均勻。這就使設備的效率更高，可以通過更少的循環次數達到期望的效果；其次，均質壓力越高，可以處理的物料種類越多。例如，某些液體乳劑只需要在20000psi就可以均質到100nm以下，而某些含有較高密度固體顆粒的混懸液，則至少要26,000psi以上的壓力下才能處理到納米級。

但同時需要注意的是均質壓力越高，發熱量則越大，高溫會影響物料的均質效果。所以，一般在沒有降溫措施的情況下，30000psi是超高壓勻質的最高壓力。

均質效果檢測

均質後的物料，在達到所需粒徑的同時，其粒徑的分布應具有集中性，不應出現粒徑大小從幾十個納米到幾微米分布相當的情況，其中均質後物料大顆粒的含量尤其需要注意。例如美國藥典中就對醫藥乳劑中的大顆粒分布做出了明確的規定。

對物料均質後的效果，最好選擇適宜的粒度儀進行檢測。如醫藥行業乳劑的檢測，美國藥典中明確規定了要採用light obscurationorlight extinction employs single-particleoptical sizing PSS（Particle Sizing Systems）測量系統的Extinction法來測定乳劑中大粒徑物料的分布。所以不同行業的用戶應根據各自行業的標準，選擇相應的粒徑測定儀進行檢測。

發展方向

隨著我國製造技術的不斷發展，已經有很多國產均質機套用在食品、化工等諸多行業。但是，自1986年中國生產第一批藥用脂肪乳以來，醫藥行業使用的超高壓勻質機幾乎全部來源於進口。其中，最主要的原因就是國產高壓均質機的核心部件高壓均質腔無法達到行業所需的技術要求。

2010年美國食品與藥物管理局（FDA）發布公告，在全美召回11批丁酸氯維地平注射用乳劑。召回原因為產品中可能含有惰性金屬顆粒物質。如果這些顆粒發生聚集形成更大的顆粒，理論上將導致毛細血管血流減少，進而引發某些組織的機械性損傷，以及引起急性或慢性炎症反應。某些組織血供減少還可能引起腦、腎、肝臟、心臟、肺等器官缺血或功能不全。因此，在醫藥行業，不推薦使用第一代碰撞型均質設備。業界常見的碰撞型均質設備早期產品和絕大多數國產機型，這些機型已不適合進行注射用乳劑的大規模生產。

今後，國產高壓均質機需要不斷提高核心部件高壓均質腔的製造技工藝，才可以在醫藥、半導體、微電子等高精尖領域得到更加廣泛的套用。