高壓均質(zhì)技術(shù)及應用場(chǎng)景

一、高壓均質(zhì)技術(shù)簡(jiǎn)介

高壓均質(zhì) (HPH) 于 20 世紀初由 Auguste Gaulin開(kāi)發(fā)，用于使用高達 30 MPa 的壓力加工牛奶，以提高產(chǎn)品穩定性。HPH 的基本工作原理一直保持不變，涉及使用高壓泵迫使流體通過(guò)小孔。早期的成功擴大了 HPH 的用戶(hù)群，并已成為食品和飲料、制藥、廢水處理、材料生產(chǎn)和加工以及生物工藝技術(shù)等多個(gè)行業(yè)液體產(chǎn)品處理的完整單元操作，而且應用領(lǐng)域可能還會(huì )繼續擴大。

我們將簡(jiǎn)要介紹HPH在以下三個(gè)領(lǐng)域的應用：

?食品和飲料（功能性食品、食品添加物、替代食品）；

?制藥和生物技術(shù)（API處理、賦形劑處理、治療性納米顆粒、細胞破碎）；

?材料和化學(xué)品（碳納米管/石墨烯處理、納米流體、聚合物處理、納米纖維素）。

二、高壓均質(zhì)應用

?食品和飲料

HPH 植根于食品 & 飲料行業(yè)，在許多成熟的應用中仍然是一個(gè)完整的操作單元，例如確保食品安全和改善果汁和乳制品等食品的理化特性。因此，許多研究仍在探索這些傳統應用中需要改進(jìn)的領(lǐng)域。

除了對食品可持續性和氣候變化的擔憂(yōu)之外，替代食品的發(fā)展還包括植物性乳制品和肉類(lèi)、實(shí)驗室培養肉類(lèi)、精密發(fā)酵蛋白質(zhì)以及昆蟲(chóng)蛋白正在獲得消費者和商業(yè)層面的興趣。HPH 在加工替代食品中的應用在功能上與傳統食品相同，因為需要類(lèi)似的加工目標，例如提高產(chǎn)品穩定性和感官特性、增強結構和物理-化學(xué)性能以及改進(jìn)的加工性能。工藝目標、技術(shù)要求和實(shí)施方面的相似之處有助于其發(fā)展，因為傳統食品加工方面的大量先驗知識可促進(jìn)替代食品生產(chǎn)的工藝開(kāi)發(fā)和規?；糯?。

HPH 最近被應用于將肉類(lèi)廢料轉化為營(yíng)養和功能產(chǎn)品，這有助于提高肉類(lèi)行業(yè)的可持續性。HPH閥中的強大力量可以顯著(zhù)改變蛋白質(zhì)結構，例如肌原纖維破壞、解聚、蛋白質(zhì)解折疊等，從而導致蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生深刻變化，如表面疏水性和電荷，從而有助于改善各種性能。肉類(lèi)蛋白的功能特性，例如溶解度和發(fā)泡能力。HPH 還可以使生物聚合物等添加物與蛋白質(zhì)有效分散，從而改善膠體穩定性和薄膜水蒸氣滲透性等性能。HPH 實(shí)現的這些改善使原本可能被丟棄的低價(jià)值肉類(lèi)蛋白質(zhì)能夠轉化為高價(jià)值產(chǎn)品。

HPH 還被用于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有更優(yōu)化的健康益處的創(chuàng )新食品，例如功能性食品，其通常具有增強的感官特性和穩定性。納米乳液，即用約 100 nm 的液滴乳化的兩種不混溶液體的分散體，促進(jìn)了這一趨勢。這些納米乳液通過(guò)摻入親脂性成分，改善產(chǎn)品外觀(guān)和穩定性，保護敏感化合物并增強功能性成分的生物利用度。

?制藥和生物技術(shù)

HPH 最近在制藥領(lǐng)域的廣泛應用依賴(lài)于 HPH 在新應用和改進(jìn)現有產(chǎn)品或工藝中的既定能力。從廣義上講，HPH 的制藥用途可分為兩類(lèi)：賦形劑的處理，特別是聚合物類(lèi)型，以及活性藥物成分 (API)，特別是納米顆粒系統，用于增強藥物遞送。

賦形劑的處理：聚合物和膠類(lèi)，例如藻酸鹽和纖維素衍生物，是用于藥物遞送系統的常見(jiàn)藥物賦形劑。這些聚合物系統廣泛用作藥物遞送和組織工程載體液體、懸液或透皮產(chǎn)品中的增稠劑或穩定劑。HPH 通常用于這些聚合物的生產(chǎn)和改性。在口服固體劑型中，聚合物賦形劑還用作填充劑、粘合劑和崩解劑等。HPH也經(jīng)常應用于聚合物和膠類(lèi)的改性，因為它可以通過(guò)強烈的高剪切和湍流來(lái)改變聚合物的特性，包括流變特性的變化、粘度降低、zeta 電位、分子量和流體動(dòng)力學(xué)半徑減小，從而提高加工性能并實(shí)現新的制劑策略，例如將過(guò)于粘稠的聚合物凝膠納入制劑中或通過(guò)提高薄膜強度和耐水性來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。

API 的處理：HPH 用于降低 API 尺寸的能力可賦予最終藥品多種有利的特性。一個(gè)特別值得注意的應用是 API 納米晶體和納米懸浮液的形成。通過(guò)將 API 制備為納米混懸劑，可增加溶解度，從而提高難溶性藥物的生物利用度。通過(guò)提高藥物溶解度，以前因溶解度差而被認為不可行的藥物的商業(yè)化將成為可能。雖然這種方式并不新鮮，但越來(lái)越多的研究開(kāi)始側重于更好地理解產(chǎn)品和工藝之間的關(guān)系，例如配方選擇、HPH 操作條件以及工藝類(lèi)型和配置的影響。HPH 在 API 處理中的另一個(gè)值得注意的應用是納米乳液的制備。疏水性藥物溶解在油相中，然后乳化為水包油（O/W）納米乳劑，用于各種藥物遞送系統，如噴霧劑、乳膏劑和膠囊。藥物納米乳劑的優(yōu)點(diǎn)包括提高生物利用度、穩定性和控釋效應。在制藥領(lǐng)域之外，最近對納米乳化工藝各個(gè)方面的研究通過(guò)優(yōu)化乳化劑類(lèi)型和使用濃度、HPH操作條件和設備設計、工藝類(lèi)型和配置獲得了更好的工藝和產(chǎn)品理解。這些研究的許多見(jiàn)解為制藥和相關(guān)行業(yè)使用 HPH 制備納米乳液提供了指導。

納米顆粒系統：制藥行業(yè)中的納米顆粒系統形成了實(shí)現一系列臨床和治療目標的重要平臺，以實(shí)現靶向藥物遞送或有效且更安全的顯像劑。HPH 已成為處理三類(lèi)納米顆粒系統的可行機制：脂質(zhì)納米顆粒、聚合物納米顆粒和無(wú)機/混合型納米顆粒。HPH 在處理治療相關(guān)納米顆粒方面的應用不斷增加。大多數文獻報告側重于開(kāi)發(fā)不同 API 的納米顆粒產(chǎn)品和配方，使用脂質(zhì)和聚合物納米顆粒進(jìn)行基因治療、分子靶向劑和顯像劑。行業(yè)已對HPH 在納米顆粒生產(chǎn)領(lǐng)域的應用進(jìn)行了大量探索，以便為規模放大、工藝控制和優(yōu)化提供見(jiàn)解。

生物制藥和生物技術(shù)應用：涉及 HPH 的生物制藥和生物技術(shù)應用都依賴(lài)于其成熟的細胞破碎/裂解能力。這些應用包括通過(guò)批次或連續模式，使用各種細胞類(lèi)型生產(chǎn)無(wú)細胞蛋白質(zhì)合成系統、重組蛋白和病毒樣顆粒生產(chǎn)的下游處理以及從藻類(lèi)中提取油和其它產(chǎn)品。有研究分析了工藝過(guò)程和產(chǎn)品的具體細微差別，探索提高效率、質(zhì)量和控制的途徑，包括研究上游和下游單元操作之間對包涵體質(zhì)量和產(chǎn)量的相互作用，改進(jìn)細胞破碎過(guò)程監控策略以及工藝優(yōu)化策略。

?材料和化學(xué)品

聚合物生產(chǎn)和加工：天然生物聚合物被探索作為多種用途的替代和可持續材料，例如作為合成聚合物替代品、治療應用和電子材料。HPH結合酶水解等其它技術(shù)，已成功應用于納米纖維素、淀粉納米顆粒、甲殼素納米纖維和絲納米纖維等生物聚合物的生產(chǎn)。通常，天然生物聚合物不具備后續加工或最終產(chǎn)品所需的物理化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)化學(xué)處理來(lái)改變流變特性或添加增塑劑等改性劑來(lái)形成復合材料可能是必要的。在大多數情況下，HPH主要用于生產(chǎn)目的材料，之后再利用其它技術(shù)進(jìn)行后續加工步驟。在某些情況下，HPH也用于后續的改性和加工步驟，例如淀粉納米顆粒的改性、聚合物分散體的流變和結構改性以及形成納米原纖化纖維素復合材料。納米纖維素作為納米級尺寸的纖維素材料值得特別關(guān)注，其主要有三種形式：納米結晶纖維素、細菌納米纖維素和納米原纖化纖維素（NFC）。不同類(lèi)型的納米纖維素因其許多有利的特性而引起了行業(yè)的極大興趣，例如作為高強度和剛度的可生物降解天然產(chǎn)物以及表面化學(xué)修飾的可能性。納米纖維素已應用于許多領(lǐng)域，例如食品、復合材料和包裝、電子產(chǎn)品、生物醫學(xué)以及制藥。HPH 已成為加工和生產(chǎn)納米纖維素及其衍生物的便捷、可放大且相對環(huán)保的技術(shù)。HPH 的應用會(huì )導致纖維素發(fā)生多種物理化學(xué)變化，包括內外部原纖化、平均粒徑和結晶度降低以及聚合物長(cháng)鏈斷裂而導致的分子量分布影響，HPH 過(guò)程中的強烈剪切被認為是主要的作用機制。

納米級材料和流體：HPH 已應用于通過(guò)液相剝離大規模生產(chǎn)許多納米材料，例如氮化硼納米片、過(guò)渡金屬二硫化物納米片以及石墨烯及其變體。這些納米材料的后續應用通常需要將納米結構材料分散在某些介質(zhì)中，在某些情況下，可以直接使用液相剝離步驟產(chǎn)生的分散體。相應地，HPH適合用于直接生產(chǎn)各種分散體，并已被證明是一種分散和潛在改性納米材料的有效技術(shù)。許多研究成功使用 HPH 作為加工步驟來(lái)生產(chǎn)先進(jìn)材料，例如石墨烯薄膜和油墨、融入納米材料的聚合物復合材料以改善機械、熱和電性能，以及納米流體。一個(gè)特別值得關(guān)注的應用是生產(chǎn)用于電池電極涂層的石墨烯/碳納米管漿料，該應用最近獲得了顯著(zhù)的工業(yè)吸引力。

納米流體在基液中含有各種類(lèi)型的納米顆粒，例如金屬納米顆粒及其氧化物或碳納米管/石墨。這些流體已成為一種有前景的先進(jìn)熱流體，可提高發(fā)動(dòng)機冷卻或建筑溫度管理系統的傳熱性能和熱效率。HPH 已成功用于生產(chǎn)含有碳納米顆粒的納米流體，如碳納米管、金剛石、石墨或石墨烯和金屬氧化物。同樣，均質(zhì)過(guò)程已應用于相變材料乳液的生產(chǎn)，后者目前正被研究用作先進(jìn)的熱流體和儲能介質(zhì)。

在將 HPH 用于新應用時(shí)，除了考慮均質(zhì)效應與計劃應用的相關(guān)性和適當性之外，考慮以下因素有助于確定可行性：a) 可泵性，b) 能量消耗，以及 c) 磨損部件的使用壽命（例如，均質(zhì)器/泵閥和墊圈/O 形圈）。第一個(gè)因素與操作 HPH 工藝的技術(shù)可行性有關(guān)：具有高粘度或大/硬顆粒等特性的原料通常泵送性較差，無(wú)法可靠地送入均質(zhì)機。另外兩個(gè)因素影響 HPH 工藝的商業(yè)可行性，能耗過(guò)高和/或易損件磨損過(guò)快，可能導致成本過(guò)高和生產(chǎn)停機。