（化学工程专业论文）超临界流体抗溶剂雾化技术制备peg和bsa微粒.pdf

摘要 摘要 与传统的微粒制备方法( 如机械粉碎与研磨、溶液结晶、化学反应等) 相比，超 临界流体微粒化技术具有产品纯度高、几何形状均一、粒径分布窄、制造工艺简单、 操作适中等许多优点，尤其对热敏感、结构不稳定和具有生物活性的物系的处理具有 明显优势。超临界流体抗溶剂雾化s a s a ( s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n ta t o m i z a t i o n ， s a s a ) 技术以p g s s 和s e d s 技术为基础，综合了p g s s 和s e d s 的优点，适合于处理 含水体系。本文介绍一套自行设计及搭建的s a s a 实验装置，以该技术研究制备高分 子、蛋白质微粒，以及它们的复合微粒；探讨压力、溶液流量和溶液浓度等工艺参数 对形成的微粒粒径、粒径分布及蛋白质活性的影响；计算实验涉及体系的高压相平衡， 为该技术的进一步开发提供理论指导。 本文首先研究了实验体系所涉及的二元和三元系统的高压相行为。用p r 状态方 程对c 0 2 + 丙酮体系的高压汽液平衡进行计算，取得较好的效果。对c 0 2 + 乙醇，c 0 2 + 水，乙醇+ 水三个二元体系的高压汽液平衡计算也取得了满意的效果。对c 0 2 + 乙醇+ 水三元体系高压汽液平衡数据进行了预测，所得结果基本上与实验值相符。因此，可 以运用这些计算方法确定s a s a 技术过程中体系所处的状态，从而和所制备的微粒 联系起来。 用s a s a 工艺分别以n 2 和c 0 2 从p e g 6 0 0 0 的丙酮溶液中成功制备了p e g 微粒。 结果表明，所制备的微粒形态基本为球形，并且粒径分布可以方便地控制在1 - 5 i - t m 之 间。在n 2 系统中，p e g 微粒随预膨胀压力增大而减少，粒径分布变窄；低p e g 丙酮 溶液流量下制备的微粒粒径分布较窄；高p e g 溶液浓度所制备的微粒粒径要比低溶 液浓度下明显大，粒径分布也宽；在研究范围内，喷嘴尺寸对微粒粒径影响不大。在 c 0 2 系统中，增大预膨胀压力会造成不规则微粒增多，低流量和低浓度更有利于制备 更小的微粒。n 2 系统制备的微粒的形态和大小对操作条件不敏感，因此，更适合制备 p e g 微粒。以c 0 2 作为超临界流体，探讨了s a s a 技术从p e g 6 0 0 0 的乙醇水溶液 中制备p e g 微粒，并研究控制喷嘴前后压力不同( 即控制喷嘴前压力p l 和喷嘴后压 力n ) 对实验结果的影响。喷嘴前后压力差降低会造成雾化效果不好；固定p l ，升 高b 造成抗溶剂效果增大；当n 接近乙醇c 0 2 混合物的临界点压力，n 为大气压时 具有最好的雾化效果。 以s a s a 工艺用c 0 2 成功地从b s a 乙醇水溶液中制备了b s a 微粒。研究各种 摘要 操作参数对微粒形态、平均粒径和蛋白质活性的影响。结果表明，在各种操作条件下 制备的b s a 产品均为球形微粒，且粒径均在3 岫以下。通过改变操作条件可以有效 地控制微粒的形态和大小：增大压力使得粒径变小，粒径分布变窄；降低溶液流量会 使微粒变小，粒径分布变窄；增高b s a 浓度会明显增大微粒粒径，粒径分布也随之 变宽；乙醇浓度对微粒的影响不大。在所有操作条件下获得的b s a 微粒的活性损失 在0 2 5 之间。溶液流量和乙醇浓度是影响b s a 活性的主要因素，流量越小或乙醇 浓度越高，b s a 活性损失越大。 用s a s a 技术研究制备不同p e g b s a 进料配比下的高分子和蛋白质复合微粒。 结果表明，不同进料配比下的微粒大部分为球形；但从产品的溶出度来看，低b s a 含量情况下的控释效果较好，说明采用p e g 可以对b s a 进行包裹并获得控释效果。 关键词：超临界流体；微粒化；牛血清白蛋白；聚乙二醇；复合微粒 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o p a r t i c l e sw i t hn a l t o wp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n sa r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ， s u c h 弱b i o c h e m i s t r y ，m a t e r i a l s ，p h a r m a c e u t i c a l s ，c o s m e t i c s ，e t c ，d u et ot h e i re x c e l l e n t c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dp h y s i c a le f f e c t s a sar e s u l t , t h eg e n e r a t i o no fm i c r o p a r t i c l e sh a s b e e nt h ef o c u so fn u m e r o u sr e s e a r c hp r o j e c t si nt h ep a s td e c a d e s u p e r c r i t i c a lf l u i da s s i s t e d t e c h n o l o g i e sa l l o wt h eg e n e r a t i o no fp a r t i c l e st h a ta r ed i f f i c u l to re v e ni m p o s s i b l et ob e a c h i e v e db yc l a s s i c a lm e t h o d ss u c ha sm i l l i n g ，c r y s t a l l i z a t i o n ，s p r a yd r y i n go rc h e m i c a l r e a c t i o n ，p a r t i c u l a r l y f o rs u b s t a n c e sw i t ht h e r m a l s e n s i t i v i t y ，s t r u c t u r ei n s t a b i l i t y o r b i o a c t i v i t y i nt h i st h e s i s ，as u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n t - a t o m i z a t i o n ( s a s a ) a p p a r a t u sw a s e s t a b l i s h e df o rm i c r o n i z a t i o no fp o l y m e r , p r o t e i n ，a n dt h e i rm i c r o c o m p o s i t e sf r o mo r g a n i c o ra q u e o u ss o l u t i o n s t h es a s ap r o c e s sc o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fp g s s t ma n dt h e s e d s t mp r o c e s s ，c o u l dv a r yt w o o p e r a t i n gp r e s s u r e s t oc o n t r o l p a r t i c l e s i z ea n d m o r p h o l o g y p r i o rt ot h em i c r o n i z a t i o no ft h es t u d i e ds y s t e m s ，t h ev a p o r - l i q u i de q u i l i b r i u m ( v l e ) o ft h eb i n a r yc 0 2 a c e t o n e ，c 0 2 e t h a n o l ，c 0 2 w a t e r , a n dw a t e r e t h a n o ls y s t e m s ，a n dt h e t e r n a r yc 0 2 e t h a n o l w a t e rs y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e db yt h ep e n g r o b i n s o ne q u a t i o n so f s t a t e ( p r - e o s ) u n d e rv a r i o u st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a l p o i n t sf o rd i r e c t i n gt h em i c r o n z a t i o np r o c e s s t h es t u d i e ss h o w e dt h a tt h ep r - e o sw a s s u i t a b l ef o rd e s c r i b i n gt h ev l eo ft h em e n t i o n e ds y s t e m s ，a n dt h e r e f o r ew i l lb eu s e df o r d i s c u s s i n gt h es t a t e so ft h ep r o c e s s i n gf l u i d si nt h es a s ap r o c e s s t h es a s - ap r o c e s sw a sa p p l i e dt ot h eg e n e r a t i o no fp o l y e t h y l e n eg l y c o l6 0 0 0 ( p e g ) m i c r o p a r t i c l e sb yu s i n gh i g hp r e s s u r ec 0 2o rn 2f r o mp e g a c e t o n es o l u t i o n su n d e rt h e d o w n s t r e a mp r e s s u r eo fo 1 m p aa n do t h e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ee f f e c t so ft h en o z z l e s i z e ，p r o e x p a n s i o np r e s s u r e ，p e g a c e t o n es o l u t i o nf l o wr a t ea n dp e gc o n c e n t r a t i o ni n a c e t o n eo nt h ep a r t i c l em o r p h o l o g ya n dp a r t i c l es i z ew e r ei n v e s t i g a t e da t5 0 0 c r e s u l t s s h o w e dt h a tt h en 2 - a s s i s t e dp r o c e s sc o u l dp r o d u c es p h e r i c a lp a r t i c l e sw i t hm e a ns i z e so f 1 - 5 p , m , w h i l et h ec 0 2 - a s s i s t e dp r o c e s sp r o d u c e ds p h e r i c a l ，i r r e g u l a r , o ra g g l o m e r a t e d p a r t i c l e s n oo b v i o u sd i f f e r e n c ec o u l db ef o u n di na c e t o n er e s i d u e ，c r y s t a l l i n i t ya n dm e l t i n g p o i n to ft h ep e gp a r t i c l e so b t a i n e df r o mt h et w op r o c e s s e s w h a tm o r e ，u s i n gt h es a m e a p p a r a t u s ，p e gm i c r o p a r t i c l e sw e r es u c c e s s f u l l yg e n e r a t e db yu s i n ge t h a n o l w a t e ri n s t e a d o fa c e t o n e t h r o u g hc h a n g i n gt h eo p e r a t i n gp r e s s u r e ，t h ep r o c e s sw a sp o s s i b l et os w i t c h b e t w e e na t o m i z a t i o no ra n t i s o l v e n tp r e c i p i t a t i o n , a n ds p h e r e s ，c r y s t a l so rb o t hw e r e a b s t r a c t o b t a i n e d al o wv a l u eo ft h ep r e s s u r eb e f o r et h en o z z l e ( s u c ha so f8m p a t h a ti sc l o s et o t h ec r i t i c a lp r e s s u r eo ft h eb i n a r ye t h a n o l c 0 2m i x t u r e ) ，a n dal o wv a l u eo ft h ep r e s s u r e a f t e rt h en o z z l e ( s u c ha sa t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) w e r es u g g e s t e dt oo b t a i nd e s i r e dp a r t i c l e s t h es a s ap r o c e s sw a se m p l o y e dt op r o d u c eb o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) p r o t e i n p a r t i c l e sf r o me t h a n o l w a t e rs o l u t i o n sa t5 0 0 c t h ee f f e c to ft h eo p e r a t i n gp r e s s u r e ，t h e f l o w - r a t eo ft h ep r o t e i n e t h a n o l w a t e rf e e d , t h ep r o t e i nc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ee t h a n o l c o n t e n ti nt h ee t h a n o l w a t e r , o nt h em o r p h o l o g y , s i z ea n db i o a c t i v i t yo ft h ep r o d u c e db s a p a r t i c l e sw a se v a l u a t e d t h ef o r m e dp r i m a r yp a r t i c l e sw e r es p h e r i c a la n d d i s c r e t ew i t hs i z e s o f0 1 - 3 m ；t h es t a t i s t i c a ln u m b e r - a v e r a g ep a r t i c l es i z ew a s0 4 - 1 1p m t h el o s so ft h e a c t i v i t yo ft h eb s ap o w d e r sv a r i e db e t w e e n0t o2 5 o ft h eo r i g i n a lb s a m a t e r i a l s d e p e n d i n g o nt h e p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，i np a r t i c u l a r , o n t h ef l o w - r a t eo ft h e p r o t e i n e t h a n o l w a t e rs o l u t i o na n dt h ee t h a n o lc o n t e n ti nt h es o l u t i o n a tm i l do p e r a t i n g p r e s s u r eo f8 m p a , r e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r eo f5 0 0 c ，r e l a t i v e l yh i g hs o l u t i o nf l o wr a t e a b o u t3 - 5 m l m i n ，p r o t e i nc o n c e n t r a t i o na b o u t2 0 - 3 0 m g m l ，a n dt h ee t h a n o lf r a c t i o nl e s s t h a n2 5 i nm a s s ，i tw a sp o s s i b l et op r o d u c eb s am i c r o p a r t i c l e sw i t ha l m o s tn ol o s so fi t s b i o a c t i v i t yb yt h es a s o ap r o c e s s a sac o n t i n u a t i o n ，b s a p e gc o m p o s i t em i c r o p a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e s a s ap r o c e s s t h ee f f e c t so ft h eb s at op e gm a s sr a t i oo nt h ep a r t i c l em o r p h o l o g ya n d t h er e l e a s ep r o f i l e so fb s ao ft h ep r o d u c e dc o m p o s i t e sw e r ee x a m i n e d r e s u l t ss h o w e d t h a tb s aw a se n c a p s u l a t e db yp e gs u c c e s s f u l l y ，b u tt h ee n c a p s u l a t i o ne f f i c i e n c ys h o u l db e i m p r o v e df u r t h e r k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lf l u i d s ；m i c r o n i z a t i o n ；b s a ；p e g ；c o m p o s i t e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本 人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方 式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 矿彳年月、口日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编 入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( 一 ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名 导师签名 磊磊 多鬈 日期：尹7 年 吼刎7 年 月汐 日 b 月砂日 第一章文献综述 第一章文献综述 本章概述了有关超临界流体的基本常识以及超临界流体技术，介绍超临界流体抗溶剂( s a s ) 技术在制备超细微粒和处理蛋白质方面的研究进展和应用。对基于s a s 技术发展起来的各种方法 进行阐述，重点介绍了s e d s 技术和最新提出来的s a s a 技术。最后对文献进行分析并提出本论 文的研究内容。 1 1 超临界流体简介 从超临界现象被发现距今已逾百年，人们对这方面的关注和研究也是越来越热【l 】。 在近几十年里，超临界流体技术得到了长足的发展，人们对超临界流体的性质和各方 面的应用进行了大量研究，并不断取得新的进展，一些技术已经得到了广泛的应用【2 】。 图1 1 是纯流体的典型压力一温度图。图中线l 1 表示气一固平衡的升华曲线， 线l 2 表示气一液平衡的饱和液体蒸气压曲线，线l 3 表示液一固平衡的熔融曲线点， t 是三相点。将纯物质沿气一液饱和线升温，当到达图中点c 时，气一液的分界面消 失，称之为临界点。与该点相对应的温度和压力分别称为临界温度瓦和临界压力p c 。 图中高于瓦、p c 的区域属于超临界流体区，处于该区域的流体称之为超临界流体 ( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 1 3 1 。 3 瓦t e m p e r a t u r e f i g u r ej j s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fap u r ef l u i di nt h ep - tp h a s ed i a g r a m 【4 1 1 1 1 超临界流体性质 表1 1 列出了气体、液体和超临界流体的一些性质，从表中我们可以看出，超临 界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大、黏度小、渗透性好。此外，超临界 流体还具有其它许多特殊的性质如：具有很强的溶解低挥发物质的能力、表面张力为 2暑罄 只 第一章文献综述 零、其物理化学性质随温度和压力变化特别敏感等【1 1 。因此与传统的分离方法相比， 采用超临界流体可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。 t a b l ej j p r o p r i e t i e so fg a s ，l i q u i da n ds u p e r c r i t i c a lf l u i d 5 1 表1 2 列出了一些常用超临界流体的临界温度、临界压力和临界密度。可作为超 临界流体的物质很多，如二氧化碳、一氧化氮、水、乙烷、庚烷、氨等。其中二氧化 碳的临界温度( 耻3 1 3 0 c ) 接近室温，临界压力( p c = 7 3 7 m p a ) 也不高，它具有超临 界流体的一般性质，并且具有无色、无毒、无味、不易燃、化学性质不活泼、价格便 宜、易制成高纯度气体等优点，所以在实践中应用最多。 t a b l e1 - 2 c r i t i c a lc o n s t a n t so fs o m es u b s t a n c e s 【3 】 p c ：c r i t i c a l p r e s s u r e ；t c ：c r i t i c a lt e m p e r a t u r e ；p c ：c r i t i c a ld e n s i t y 1 1 2 超临界流体技术 以超临界流体为基础的技术称为超临界流体技术。超临界流体技术目前包括：超 临界流体萃取、超临界流体干燥、超临界流体染色、超临界流体制备超细微粒、超临 界色谱等。超临界流体技术在近十几年里广泛的应用于各行各业中：在食品工业中利 用超临界流体技术对天然产物的提取、有害成分的脱除、脂类的分离与提纯、超临界 消毒技术等；在化学工业中用于超细微粒的制备、超临界流体干燥、均相和非均相反 2 第一章文献综述 应、高聚物的溶胀和扩散、超临界流体聚合反应等；在生物工程中用于酶催化反应、 抗生素溶剂脱除、蛋白质分离和纯化、超临界灭菌等；在环境保护中采用超临界水氧 化技术处理固体废料及有害物质的脱除；在医药行业中用于中药有效成分的提取、吸 入性药物的制备、控制释放型药物的制备等；此外，超临界流体技术还广泛的应用于 能源、材料、冶金等领域，特别是纳米材方面的应用方兴未艾。 1 2 超临界流体技术制备超细微粒 超细微粒材料由于有特殊的物理化学性质，在材料、化工、轻工、冶金、电子、 医学、生物等领域有着重要的应用价值，并已经得到广泛应用【l 】，因此超细微粒材料 的制备是当前研究的一个热点，是近十几年来国内外正在积极研究、开发的一项新技 术；与传统的微粒形成方法如机械粉碎与研磨、溶液结晶、化学反应等相比，这种方 法具有产品纯度高、几何形状均一、粒径分布窄、制造工艺简单、操作适中等许多优 点，尤其对热敏感、结构不稳定和具有生物活性的物系的处理具有明显优势【6 】。 在这方面研究最多、应用最广泛的技术大致分为三类： ( 1 ) 超临界溶液快速膨胀( r a p i de x p a n s i o no fs u p e r c r i t i c a ls o l u t i o n s ，l 也s s ) ； ( 2 ) 超临界流体抗溶剂技术( s u p e r c r i t i c a lf l u i da n t i s o l v e n t , s a s ) ； ( 3 ) 气体饱和溶液微粒形成技术( p a r t i c l e sf r o mg a s s a t u r a t e ds o l u t i o n so r s u s p e n s i o n s ，p g s s ) 。 下面分别介绍超临界溶液快速膨胀过程( i 也s s ) 和气体饱和溶液微粒形成技术 ( p g s s ) 的原理，方法及应用。由于超临界流体抗溶剂过程( s a s ) 是本文的主要内 容，所以单独列一节重点阐述。 1 2 1 超i 临界溶液快速膨胀技术 r e s s 主要是利用超临界流体的性质对温度和压力变化十分敏感这一特性，改变 温度和压力可以显著的改变超临界流体的溶剂化能力。超临界流体在r e s s 过程中作 为溶剂使用，其基本原理为：先将溶质溶解于一定温度和压力的超临界流体中，然后 是超临界溶液在非常短的时间( 1 0 - 81 0 巧s ) 内通过一个特制的喷嘴( 2 5 8 0 p m ) 进行 减压膨胀，并形成一个以音速传递的机械扰动。由于在很短的时间内溶液达到高度过 饱和状态，过饱和度可达1 0 5 1 0 8 ，使溶质在瞬间形成大量的晶核，并在较短的时间内 完成晶核的生长，从而生成大量微小的、粒度分布均匀的超细微粒【_ 7 1 。 3 第一章文献综述 r e s s 的显著特点是快速推进的机械扰动和快速降压所产生的极高过饱和度，机 械扰动和降压使得微粒粒度均一、粒径分布较窄，极高的过饱和度使得微粒粒径很小。 r e s s 过程使用的超临界流体在常态下通常为气体，因而所获得的产品中溶剂的残留 极少，它的结晶过程仅通过改变体系的压力而实现，无需添加其他物质，避免了其他 杂质对产品的污染；不涉及大量有机溶剂的使用，减少了废水排放和溶剂回收所需要 的能耗；超临界流体一般只需再压缩即可循环使用，大大简化了工艺流程；可获得粒 度分布狭窄的晶体并且易于调整【8 1 0 】。影响微粒形态和尺寸的主要因素有：原料的性 质和组成、操作温度、压力降、喷嘴大小等，其中r e s s 过程的喷嘴是决定流体膨胀 特性，并最终决定产物形态和质量的关键部件。 r e s s 操作容易，过程简单，是研究得较早的一项技术r 7 1 。但在r e s s 过程中，溶 质在超临界流体中要有一定的溶解度是制备微粒的必要条件，而这一点也限制了 r e s s 的应用。因为在超临界流体( 如c 0 2 ) 中有理想的溶解度的物质是很少的。目 前有人采用加入助溶剂的办法提高溶质在超临界流体中的溶解度，但产品中的溶剂残 留也是一个问题。此外，采用r e s s 过程，超临界流体的消耗量比较大、成本高，这 也是一个限制因素【2 】。 1 2 2 气体饱和溶液微粒形成技术 超临界流体( 广义理解为气体) 溶解入液体溶液中形成饱和溶液，溶有超临界流 体的饱和溶液快速经过喷嘴，在短时间内减压，形成微粒，此即p g s s 技术。根据通 过喷嘴形成固体微粒的机理的不同( 对应于不同的液体类型) ，p g s s 分为两类【l l 】：一 类是因为过冷度一即熔融结晶形成大量固体微粒的p g s s 过程( p g s sw i t h s u p e r - c o o l i n g ，p g s s c ) ；一类是具有喷雾干燥机理的p g s s 过程( p g s sw i t h s p r a y d r y i n g ，p g s s d ) 。因此，前者对应超临界流体饱和的熔融的脂类、高分子物质； 后者对应超临界流体或压缩气体饱和的水或者有机溶液。在机理上，p g s s c 过程是 因为超临界流体的溶胀的饱和溶液快速经过喷嘴，脂类或高分子物质在喷嘴特别是在 喷嘴出口达到过冷状态，使得熔融溶质在瞬间形成大量晶核，并在短时间内完成晶核 的生长，从而最终形成大量均一的微粒；p g s s d 过程是当超临界流体或压缩气体的 饱和溶液( 对一般水溶液的溶胀程度不高，但加入有机溶液，溶胀程度也可以很高 1 2 1 ) 快速经过喷嘴，产生雾化的过程，并用外加加热载体( 如氮气或空气) 将雾化液滴中 液体快速蒸发，使雾化体系形成过饱和状态产生晶体，形成大量固体微粒。基于p g s s 4 第一章文献综述 技术而发展起来的其它方法还包括： c a n b d ( c a r b o nd i o x i d en e b u l i z a t i o nw i t ha b u b b l e - d r y e r ) 、s a a ( s u p e r c d t i c a l a s s i s t e da t o m i z a t i o n ) 、d e l o s ( d e p r e s s u r i z a t i o no f 锄e x p a n d e dl i q u i do r g a n i cs o l u t i o n ) 等【4 】，基本原理都与p g s s 相同，只是操作方式 上有所不同，这里不再累述。 采用p g s s 技术可以避免使用溶剂或少量使用有机溶剂，且超临界流体的消耗量 相对r e s s 大大减少( 相比于r e s s 技术，p g s s 中c 0 2 的消耗量小了大约1 0 3 倍) 。 p g s s 的过程简单而具有更加广泛的用途，多种物质( 液滴、固体材料、液体溶液、 悬浮液等) 均能用p g s s 处理。但p g s s 过程影响因素比较复杂，具有超临界条件、 多相变化、高速湍流和喷嘴微细结构等特点。其实验研究的过程规律和模型研究的参 数影响还不是很清晰，并且影响微粒形态的因素很多而且相互牵制，对于不同体系表 现不同的影响规律【1 2 1 。 1 3 超临界流体抗溶剂技术 当溶液溶解了一定的气体之后，就会发生溶胀，这是最早的关于气体抗溶剂的描 述，特别是当溶液被气体有效的溶胀之后，对溶质就不再具有良好的溶解能力，造成 溶质成核析出。早在1 9 5 4 年f r a n c i s 等人【1 3 1 就对此有了清楚的定义。m c h u g h 等人【1 4 】 最早采用气体抗溶剂技术成功地减低了近临界点附近高聚物溶液中的高聚物浓度。 g a l l a g h e r 等人在1 9 8 9 年提出了超临界流体抗溶剂技术制备微粒。随后经过几十年 的发展，以s a s 技术为基础发展出来许多新过程，根据操作方式的不同，大致分为以 下几种： ( 1 ) s a s r ，超临界流体抗溶剂重结晶( s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n tr e c r y s t a l i z a t i o n , s a s r ) ，有时也称为气体抗溶剂技术( g a sa n t i s o l v e n t ，g a s ) ； ( 2 ) a s e s ，气凝胶溶剂萃取系统( a e r o s o ls o l v e n te x t r a c t i o ns y s t e m ，a s e s ) ： ( 3 ) s e d s ，超临界流体增强溶液扩散技术( s o l u t i o ne n h a n c e dd i s p e r s i o nb y s u p e r c r i t i c a lf l u i d s ，s e d s ) ； 1 3 1s a s r 技术研究进展 图1 2 为典型的s a s 流程图。原料物质首先溶解到某种溶剂中，然后把超临界流 体( 或高压气体) 注入到溶液中，造成有机溶剂的体积膨胀、内聚能密度降低，从而 降低了有机溶剂对溶质的溶解能力，即抗溶剂结晶；随着抗溶剂作用的产生，溶质在 溶液中达到过饱和析出，形成微粒；膨胀液体与常压下的液体相比，具有更高的扩散 5 第一章文献综述 系数和更低的黏度，因此，采用s a s 重结晶的方法得到的产品中溶剂含量比传统方法 要少的多，大大提高了结晶的纯度。 f i g u r e1 - 2 g a s s a se q u i p m e n tc o n c e p t 忉 k r u k o n i s 和g a l l a g h e r 等人【1 6 】在1 9 9 1 ，1 9 9 2 年的专利和文章中就采用s a s 制备 超细微粒( c y c l o t r im e t h y l e n et r i n i t r a m i n e ，r d x ) ，采用丙酮或环己酮作为溶剂，以超 临界c 0 2 作为抗溶剂，制备的微粒粒径分布在1 - 2 0 0 i t m 之间。随后的b e r e n d s 等人【1 7 】 采用g a s 制备p h e n a n t h r e n e 微粒，以甲苯为溶剂，获得了1 6 0 5 4 0 “m 之间的微粒。 早期的实验由于对s a s 机理研究不深入且受实验条件限制，制备的微粒粒径分布一般 较宽，随着对s a s 研究的深入，制备的微粒也是越来越小，粒径分布也越来越窄。1 9 9 7 年，d i l l o w 等【l8 】运用此项技术从p l g a 丙酮溶液中制备出了粒径在5 0 r i m 左右的纳米 粒。c h a t t o p a d h y a y 和g u p t a 等【1 9 1 最近又提出了一项改进的s a s 方法：s a s e m ( s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n tw i t he n h a n c e dm a s st r a n s f e r ) ，采用在喷嘴后加超声波振荡 的办法使得液体被击散得更细小，分布更均匀；采用此方法制备的四环素微粒粒径分 布在1 2 5 n m 左右。 r e v e r c h o n 等【2 毗2 】应用s a s 技术制备药物( 利福平、阿莫西林) 和无机物( e u a c 、 g d a c ) ，溶剂为d m s o ，获得的微粒粒径分布分别在0 2 1 2 p r o 和0 2 1 0 1 t m 之间。 t h i e r i n g 等人【2 3 - 2 4 1 贝u 成功地将此项技术应用于生物物质：他们以溶解酵素为原料，采 用g a s 的方法，系统地研究了不同的溶剂( d m s o 、乙醇、水、甲醇) 及不同的超 临界流体助溶剂( c 0 2 、c 0 2 + d m f 、c 0 2 + 乙醇、c 0 2 + 乙酸、n h 3 ) 对产品形态和活 性的影响。在所有实验条件下制备的溶解酵素微粒均小于l p m ，操作条件对活性的影 响不大；但产品中的溶剂残留还是不能忽略。稍后的e l v a s s o r e 等人( 2 5 】也采用s a s 方 法制备胰岛素聚乳酸的微粒，获得了粒径在4 0 0 6 0 0 n m 之间的微粒。y e o 、f o r t e r - b a r t h 6 第一章文献综述 等课题组【2 纯7 】也在最近几年里对s a s g a s 技术制备微粒进行了系统的研究，涉及的 体系包含了无机物、有机物及具有生物活性的物质体系；但采用的溶剂多为丙酮、二 甲亚砜、四氢呋喃等有机溶剂。显示此项技术不能有效的处理含水体系。 s a s r 的优点是：能够制备非常小微粒；粒径能够得到有效的控制；适用物系也 比较多。但也存在很多问题：此过程为间歇过程，生产能力不如连续系统，并且要引 入有机溶剂；若进行工业放大，则常常要在后续处理中加入产品和残留溶剂分离的操 作单元；气体和溶剂的分离也需要引入其它单元操作。 1 3 2a s e s 技术研究进展 基于超临界流体抗溶剂原理，人们又提出了一种改进的s a s 过程，即a s e s 。如 图1 3 所示，a s e s 的操作方式是先在釜内通入抗溶剂，达到设定的温度和压力后将 溶液经过小孔喷嘴喷洒到抗溶剂中，使得溶液在超临界流体中达到较好的分散效果和 抗溶剂效果，致使溶质过饱和析出，然后通过减压釜实现产品的分离。此过程可以实 现半连续化的操作 7 1 。 f i g u r e1 - 3 a s e se q u i p m e n tc o n c e p t 7 1 19 8 8 年，s c h m i t t 等【2 8 】就采用a s e s 的办法来制备t r i a m c i n o l o n e 微粒，采用t h f 为溶剂，获得了粒径在5 1 0 p , m 之间的微粒。稍后的d e b e n e d e t t i 等人【2 9 】采用a s e s 的 方法成功的制备出了粒径在1 - 5 p m 之间的过氧化氢酶和胰岛素微粒。s z et u 课题组p o 】 采用p h b a 和溶解酵素为原料，研究了不同的溶剂( 碳酸二甲酯、丙酮、乙酸乙酯、 二甲亚砜) 在a s e s 过程中对微粒的影响，并尝试采用a s e s 技术制备p h b a + l p l a ( 溶剂甲醇碳酸二甲酯) 和溶解酵素+ l p l a ( - - 甲亚砜碳酸二甲酯) 的微粒，结 果表明在温度较低( 2 5 0 c ) 的情况下就可以获得粒径在2 p , m 左右的微粒：但包裹系 7 第一章文献综述 统的结果不甚理想，包裹效率较低。e l v a s s o r e 等人【2 习也系统地研究了胰岛素系统，采 用不同的原料( h y a f f 、p l a ) 对胰岛素进行包裹，溶剂分别采用( 二氯甲烷、二氯 甲烷+ d m s o5 0 ) ，获得了1 - 5 t t m 之间的微粒。 a s e s 比较适合处理非水溶性物质，采用的溶剂也多为在超临界流体中溶解度较 大的有机溶剂。相对于s a s ，a s e s 由于采用了喷嘴，使得溶液能够分散成更为细小 的雾滴，制备的微粒粒径也就更小。但a s e s 不能够处理含水的体系，因为水在超临 界c 0 2 中的溶解度很小，而大部分的生物物质如蛋白质、糖类等多是溶于水的，有机 溶剂往往会对其生物活性和结构造成影响。因此，为了改进这一缺点，人们又提出了 一种新方法，即s e d s 。 1 3 3s e d s 技术研究进展 h a n n a 等人【3 l 】在1 9 9 4 年综合了s a s 和a s e s 的优点提出了一种新的操作方法 超临界流体增强溶液扩散技术( s o l u t i o ne n h a n c e dd i s p e r s i o nb ys u p e r c r i t i c a lf l u i d s ， s e d s ) 。 s e d s 基于超临界流体抗溶剂技术( s a s ) ，不仅利用了的超临界流体增强传质速 率的性质，还利用了超临界流体能够增强雾化效果的性质。如图1 - 4 所示：其主要特 征是采用一个同轴的喷嘴，超临界c 0 2 和溶液同时通过不同管路进入喷嘴，经过短暂 混合后喷入超临界流体中，高动量的超临界流体把溶液击散成细小的雾滴，与此同时 超临界流体也对溶剂发生萃取作用。通过超临界流体的抗溶剂性质使得溶质过饱和沉 淀或结晶析出。 f i g u r e1 - 4 s e d se q u i p m e n tc o n c e p t 【7 】 e 美国k a n s a s 大学的研究学者们【3 2 1 对喷嘴进行了深入的研究，设计出了不同的喷 8 第一章文献综述 嘴，使得在喷嘴出口处流体微粒达到音速。在喷嘴内通常有两根( 有时为三根或更多) 不