均质乳化与分散的技术应用.doc

乳化与分散的技术应用 C:/Allen Chieh1/手册-目录-简报/目录/APV高压均质机 中文目录/均质机/乳化与分散技术应用 撰文 : APV Taiwan 阶文彬 1. 何谓均质机在产品制程中,将产品制作成均匀乳化状态或平均分散的现象, 该设备称为均质机。 所谓的乳化或分散,是将在一般状态下不能混合的固液体或不同相位之液体,给予微混碎,使其达到均匀混合之状态。以牛乳的脂肪球为例,牛奶的一般平均脂肪球粒径为322的程度,经过均质后,大约为0.71左右。于是,脂肪球的浮上力消失了,并可以完全混合于液体(奶水)中。* 长度的单位 * 1奈米(nanometer)=10亿分之1公尺 单位符号 nm1微米(micrometer)=1百万分之1公尺 单位符号 m=1000 nm1毫米(millimeter)=1千分之1公尺 单位符号 mm=1000 m1厘米(centimeter)=1百分之1公尺 单位符号 cm=10 mm2. 均质机的应用领域1. Emulsions 乳化 (液体/液体) 水相产品+油相产品=同相产品2. Suspensions 悬浮 (固体/液体) 将粒子平均分布于产品中注 Dispersions分散= 乳化 Emulsions + 悬浮 Suspensions3. 使用均质机的产品利益当产品粒子大小微细化后, 会产生下列利益:1.提高产品安定性 (延长货品上架时间)2.改变产品色泽3.改变产品口感及细腻度4.提高产品使用寿命5.增加产品渗透度及吸收度6.改善产品黏稠度4. 均质机的机械结构说明及动作原理A. 均质机的机械结构说明 均质机的组成,是包括一个高压的活塞泵;一般而言,它包含三支或更多的活塞(Plunger), 并具有均质阀的均质装置。这个高压活塞泵, 其正常的动作是靠着一个马达的运转, 并透过皮带及飞轮,减速机等去驱动曲柄轴,由于马达的回转运动, 而转换成曲柄轴的往复式运动。 在面对机器的前方, 您可以发现,每一支活塞都具有一组吸料阀及出料阀的阀室。 产品会经由高压活塞泵浦,由于活塞的往复式运动输送到均质阀; 均质阀包含了阀座及阀, 并透过弹簧加压式来加压均质阀或油压加压式来加压均质阀, 当产品经由高压活塞泵输送到达均质阀所被加压的压力时, 产品即自均质阀释放出来, 进而发生高低压差的物理现象, 引爆强大的动能,粉碎及降低了产品粒子大小, 当加压的压力越大, 产品的均质压力越高, 反之, 加压的压力越小, 产品的均质压力越低。 并藉由此种方式来控制均质压力的大小 目前生产型的均质压力,最高可做到1500 BAR。 B. 均质机的工作原理 在机械结构设计中, 我们相信有三个非常重要参数,可去降低粒子的大小: 1. Shearing剪力 2. Turbulence搅乱运动 3. Cavitation 气涡现象而气涡现象是其中最重要的原因。当流体在高压下通过极小的均质阀间隙时,其潜在的位能将会被转换成动能,也就是白奴利运动定律所描述现象。 Bernoullis Law 白奴利运动定律 P+1/2V2 = K P = Pressure in the liquid 流体压力 = Density of the liquid 流体密度 V = Velocity 速度 K = a Constant (定数,常数) 这个意思就是说,当液体流入均质阀这个狭窄的间隙时,其速度会增加,而压力会降低,在这种特殊的情形下,由于压力瞬间下降,便会产生气涡现象。简单的说,当高压泵浦利用高压使流体通过均质阀间隙, 由于上述理论,使压力瞬间下降,产生高压与低压不平衡,而引起爆发作用,粉碎脂肪球,其工作压力一般在100 170 kg/cm2之间。 C. 实验型均质机单柱塞返复运动 回产品出料产品桶Plunger 前 产品 稳定 0500Bar 500BarPackingAGauge BDBBC A 入料逆止阀出料逆止阀 均质阀 使用转轮, 扭力设 在压力500Bar实验型均质机单柱塞返复运动 示意图1. 当柱塞(Plunger)往回时,产品经由产品桶 A区经过入料逆止阀,流向B区,当柱塞往前时,由于入料方向装有一逆止阀,产品只能往C区方向流动。2. 利用曲轴动力设计,柱塞会不断持续返复运动,造成产品会往D区(产品出料端)流动,类似一个柱塞泵。3. 在出料口,安装一均质阀,使用转轮机械扭力(50HP以上生产型采用油压式),将背压调到500Bar(假设操作值),当柱塞往前推产品时,B区的产品会往C区流动,此时B区压力会由0Bar上升到500Bar,超过500Bar时,C区产品便由500Bar经过均质阀从D区约0Bar出料,因此造成瞬间高低压差,使强大的动能,粉碎及降低了产品粒子大小。4. B区的压力,由于柱塞不断持续返复运动,来达到补料,送料的目的,由于在均质阀的背压下,B区的压力会有05000500 Bar返复变化,但是C区的压力则由于有出料逆止阀的限制,会保持在500Bar的恒压,直到均质阀泄压为0Bar为止。5. 过去APV实验型15MR机种(1998年以前), 由于压力表的位置是设于B区,且无出料逆止阀的设计,所以在操作时,会看到工作压力表指针的摆幅,会认为有产品未达工作压力,产品就出料,事实上在均质阀的机械管制点下未达500Bar(假设操作值),产品是无法出料,这也是使用均质机不会有均质盲点的原因。 6. 新款的APV实验型APV1000,APV2000, 已将压力表的位置是设于C区,工作压力是一个稳定的压力显示。7. 在生产型设计多为3支或5支柱塞是补偿产品出料流量,能够连续出料,并无补偿工作压力的功能。 5. 产品粒子均质前/后 分布状态VOLUME-%BEFORE HOMOGENISATIONAFTER HOMOGENISATIONDIAMETER (nanometer)6. 机械的产品混合方式 1. 溶解 搅拌机 Mixer 2. 混合 高速均质混合机 Homo. Mixer 3. 乳化 研磨机 Colloid Mill 4. 均质 均质机 Homogeniser5. 超高压均质 超高压均质机 Hyper Homogeniser7.均质机如何控制粒子大小 A.Pressure (P) 均质压力 B.Single -Stage / Two-Stage 一/二 段均质阀设计C.Number of Passes (N) 均质次数D.Homogenising Valve Type 均质阀型式E.Temperature (t) 产品温度F.Pre-mix Properties 原料状态A. Pressure (P) 均质压力一般来说, 大部份的产品粒子均质工作压力愈高则产品粒子会愈小。 B.B. Single Stage/Two Stage 一/二 段均质阀在大多数的设计应用, 产品若应用为乳化, 则选用二段式均质阀设计;产品若应用为分散, 则选用一段式均质阀设计 乳化 - 二段式均质阀 分散 单段式均质阀二段式的均质阀(Gaulin 的发明)显著的价值己经很多年了。依据实验的证明发现,二段式均质阀主要的的功能是会影响第一段均质阀效果的强度。因此,当在进行均质过程时,二段式的均质阀的微调整是有意义的。在水包油的乳化应用,使用二段式均质阀时,达到理想效果是第二段均质阀的使用压力应该介于总压力的10%至15%之间。它己证明当牛奶在经过二段式均质阀过程时,将背压维持在上述的状态,经均质过程前后的牛奶,在乳化的牛奶质量并不会因此而有任何明显的被改变。第二段的均质阀有一个非常正面的意义是提供给予第一段均质阀稳定的背压, 当均质机以二段式均质阀在压力2000PSI(137.9Bar)来均质牛奶的乳化质量时是相当等于一段式均质阀压力在22002300PSI (151.7158.6Bar)的乳化效果。 如果一台均质机的设计最高压力为2000PSI, 那么使用二段式均质阀的设计架构其乳化的效果将会优于使用一段式均质阀的设计架构在2000PSI的压力。也许有一些产品采用二段式均质阀, 不仅是单纯的乳化, 甚至也会影响产品的显像与黏度, 这些更多的说明介绍在技术公报第58号。C. Number of Passes (N) 均质次数均质次数越多次, 则产品粒子之直径(粒径)大小, 越平均D. Homogenising Valve Type 均质阀型式均质阀的设计型式会影响到均质效率及使用寿命另外在材质方面亦区分有三个不同材质 Stellite 史地田铁 合金钢 Tungsten Carbide 钨碳钢 Ceramic 陶瓷E. Temperature (t) 产品温度在某些产品, 均质时需要加温, 视产品的特性而定, 藉以达到最佳的乳化效果例如牛奶, 蜡油, 石灰等等 F. Pre-mix Properties 原料状态通常取决于客户的产品成份, 配方, 原料 , 乳化剂, 安定剂等等, 适当与正确的运用活性界面剂, 能使产品在均质后, 粒子更安定 8. 均质机产品适用范围 Examples of ApplicationDairy products (乳制产品) Butter oil 奶油Ice cream 冰淇淋Fresh cheese 淡奶酪UHT milk 杀菌牛奶Irish cream 爱尔兰奶酪Yoghurt 酸奶Coffee cream 咖啡奶球Cocoa milk 可可亚牛乳Condensed milk 炼乳Milk concentrates 浓缩乳Cottage cheese 白色软干奶酪Cream 奶油Cream cheese 奶油奶酪Recombined milk 调味乳Sour milk 酸牛奶Whipped cream 泡沫状鲜奶Cheese spread 奶酪酱Fresh milk 鲜乳.General foodstuff (一般食品类) Flavouring 调味料Baby food 婴儿食品Essences 香料Fruit concentrates 浓缩果汁 Fruit juices 果汁Vegetable juices 果菜汁Ketchup 蕃茄酱Food colouring 食用色素Liquors 酒类饮料Pudding 布丁Products containing 产品内容物Starch 淀粉Sauces 酱油Sauce thickening 较浓的调味料Soups 汤Sweets 甜食类Toppings 调味酱Salad dressings 色拉调味品Citrus juices 柑橘汁Natural ketchups 天然西红柿汁Soft drink flavours 调味品Eggs 液态蛋Low fat products 低脂产品 Peanut butter 花生奶油或花生酱 Vegetable cream 植物油Chemistry(化学类)Enzymes 酵素Photographic emulsions 摄影用的乳化剂Resin emulsion 树脂制品Fuel oil 燃料油Hollow space 树木(凹陷处)Preservatives 防腐剂Lacquer 天然漆Paint 涂料Latex 树乳Paper additives 纸类添加剂Paraffin emulsions 石蜡乳化剂Pigment dispersions 颜料分散工作Lubricating grease 润滑剂Silicon-cellulose 硅-纤维素Suspensions 悬浮液Textile auxiliaries 纺织原料Wax emulsions 蜡-乳化剂Detergents 清洁剂Adhesives 黏合剂或胶布Alkyd resin emulsions 醇酸树脂/合成树脂乳胶涂料Aluminium hydroxide suspensions 铝氢氧化物悬浮液Carbon black dispersions 碳黑分散Cellulose gum dispersions 天然树脂分散Lubricants grease 润滑油(solid additive type) (固体混合式)Lubricants grease (soap type) 润滑油 (皂式)Ink 油墨Silicone emulsions 硅胶乳化 Teflon emulsions 铁夫龙乳化Titanium dioxide dispersions 钛二氧化物分散Viscosity index improver 黏度值改善Wax emulsions 蜡的乳化Cosmetics(化妆品) Bath additives 沐浴用品Hair conditioners 护发乳Hand cream 护手霜Lotions 乳液Liposomes 微脂体Nail varnish 指甲油Perfumes 香水Shaving cream 刮胡膏Shampoo 洗发精Tooth paste 牙膏Creams 乳膏Pigmented make up 化妆颜料Lipsticks 口红Nail Polish 指甲油Pharmaceutics(制药类) Antibiotics 抗生素Bacterial cultures 细菌培养Intravenous emulsions 静脉注射剂Tablet coatings 药锭(片)Vitamin 维他命Preparations 药剂Biocatalyst 生物催化剂Suspensions 悬浮液Cell rupture 细胞组织Ointments 药膏Liposomes 微脂体 Antacid Preparations 中和酸性调制虊剂Drug Carriers 麻醉药剂Liniments / Creams 擦剂 / 药膏Vaccines 疫苗Macromolecules 高分子(to reduce their size) (降低大小)Biotechnology(生技工业) Insulin 胰岛素Other Hormones 荷尔蒙内分泌Enzymes 生化1001DNA 脱氧核糖核酸 Cell Disruption 细胞破碎Liposomes 微脂体本文稿取自 APV Homogenisers AS, Albertslund, DenmarkAPV Homogenisers Technical data Mr.Keld Gravlund APV Homogenisers Process reports APV Homogenisers Technical Bulletins APV Homogenisers Service Bulletins编译 :阶文彬日期:Y040318 香港商安培威 台湾分公司APV Taiwan 细胞破碎(Cell Disruption) 的利器 APV 均质机(Homogenizer)说明单细胞生物(微生物)是由一层坚韧半渗透性的细胞外壁包含细胞质组成.细胞质是由核酸,蛋白质,醣,脂,脢,无机离子,维他命,色素 与约 80%的水组成.APV高压均质机是一种优越的工具以机械方式将细胞壁破碎并将细胞质与其成份释出.有数种方法可用来破碎细胞, 如自体溶解,水解,酵素,化学法与机械法.自体溶解乃利用细胞自身的酵素来破碎细包壁. 该程序很慢, 也会产生大量的变性蛋白质. 水解法以强酸处理, 在最终产品将含高浓的盐份. 酵素破碎过程很慢, 适于小量批次用. 化学法以化学物如丁醇,尿素处理, 将造成大量蛋白质变性. 化学处理成本高昂, 也会产生产品回收与毒性的问题.机械方式则可使用超音波破碎器,高速珠磨器,玻珠型胶体研磨机,傅蓝氏压榨机,压力锅, 以及APV 高压均质机. 以珠磨机破碎, 产品需重复循环研磨, 将产生高温, 加上滞留时间长, 蛋白质与酵素容易变性. 同时珠粒材料, 也会污染产品. 至于傅蓝氏压榨机或超音波破碎器则不适于大量使用. 使用APV 均质机一次破碎, 已发现蛋白质无变性发生. 若将产品保持在低温下,虽多次破碎, 蛋白质仍不会变性.下表列出曾经 APV 均质机破碎之菌类.Aspergillus nigerLactobacillus caseiBacillus megatheriumLactobacillus leichanniiBacillus subtilisMicrococcus luteusCandida boidiniiNeurospora crassaCandida lipolyticaPseudomonas aeruginosaCandida mycodermaPseudomonas fluorescensCandida tropicalisRhodopseudomonas spheroidesCandida utilis Saccharomyces cerevisiaeEscherichia coliStreptomyces hydrogenans目的微生物破碎的主要目的是释出在细胞构造中的蛋白质或酵素, 让它们做进一步的浓缩和净化. 随伴生物工程器官的来临与生技公司的出现, 近年来已有许多新产品制造出来. 因为许多产品制造出而存在微生细胞组织内部间, 因此细胞壁必须被破碎, 以便将有效成分释出. 有些情况是细胞内的非溶解性质体却含有所需的蛋白质. 这些蛋白质包括bovine prochymosin, human somatostatin, human interleukin-2, human insulin(人类眱岛素),bovine growth hormone生长激素,and gamma-interferon(干扰素).新的技术, 使得这些产品得以大量生产.就大多个案言, 皆需将细胞破碎以取出有效成份.另一案例为以细胞破碎来萃取食用单细胞的蛋白质. 本制程是以烘焙酵母菌,啤酒酵母菌 或其它类酵母菌来生产食用蛋白质. 用APV均质机来破碎酵母菌以萃取蛋白质. (注: 因动物,包括人,猪,鱼, 无法消化细胞壁, 所以未经破碎的酵母菌,藻对动物并无营养价值)这些例子说明, APV均质机可将生物工程技术由实验规模转换成生产规模.设备与制程因为大部份的蛋白质或酵素, 在温度 38 C 以上会变性. 所以在进入均质机前产品的温度尽可能降低. 若可能, 可以将入料温度降至 0 C. 均质后也应将产品实时降温, 因为每 100 bars 的均质压力, 产品温度将升 2.5 C.在预先搅拌产品浓度依制程不一, 但发现产品的浓度对破碎程度不是一个极重要的因素. 依据文献报告, 以 烘焙酵母菌为例, 浓度在 2060 % 间, 破碎程度变化并不明显. 以酵母菌言, 典型的浓度为 5 15 % 间. 浓度以干重计产品的稠度对破碎度略有影响, 但缺少文献以供左证. 由于高浓度的酵母菌对破碎度并无影响. 依此推论, 稠度对破碎度的影响应很小. 由于第一次破碎后,核酸已释出, 以大肠菌为例, 产品稠度将提高. 有文献指出, 使用第2段均质阀,可以降低第一次破碎产品的稠度.操作压力为影响破碎度的最重要因素. 大量的实验测试发现, 破碎度随压力提升而提高至 1000 bars, 随后则不再有显著的增加.若在 550 bars 多次破碎, 与在 1000 bars 单次均质的破碎度是相当的. 由于多次破碎, 产品重复循环, 产品劣变的机会增加, 同时碎裂细片增加, 将不利后续处理. 因此单次破碎为较优方式.APV 均质机有 1500 bars 量产型 与