專利名稱：自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相分散液滴/顆粒的測(cè)量裝置，特別涉及一種自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置，適用于易乳化的生物萃取體系。
兩種不互溶液體之間的界面張力總是大于零。從熱力學(xué)角度講，一種溶液分散到另一種溶液中，形成的乳狀液非常不穩(wěn)定。把很少量的表面活性劑溶解或分散在一種液體中，表面活性劑分子優(yōu)先吸附在界面或表面上，并在其上定向排列，形成一定組織結(jié)構(gòu)的表面吸附膜或界面吸附膜。就能顯著降低水的表面張力及液/液兩相界面張力，改變體系的界面狀態(tài)，從而產(chǎn)生潤(rùn)濕或反潤(rùn)濕，乳化或破乳，起泡或消泡，加溶等一系列作用，使表面活性劑在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)表面活性劑作用功能和用途，可分為乳化劑、破乳劑、起泡劑、消泡劑、潤(rùn)濕劑、分散劑、增溶劑等。
為使乳狀液較長(zhǎng)時(shí)間地保持穩(wěn)定，加入表面活性劑，可以提高乳狀液的粘度，形成機(jī)械穩(wěn)定的界面膜，保持乳狀液穩(wěn)定。在食品加工領(lǐng)域中，乳化劑的使用往往是必不可少的。而在一些易乳化的生物體系萃取過(guò)程中，又需要破除乳狀液。例如，在青霉素發(fā)酵液和發(fā)酵濾液進(jìn)行溶劑萃取時(shí)，要將溶液pH從中性調(diào)至偏酸性。溶液pH的變化、溶媒的加入以及萃取過(guò)程中的攪拌都會(huì)引起蛋白質(zhì)的變性，造成萃取過(guò)程中乳化嚴(yán)重使得大量色素，雜酸等雜質(zhì)進(jìn)入并污染有機(jī)相；而且分相也十分困難。目前工業(yè)上通常采用高速的離心萃取器來(lái)解決乳化問(wèn)題，強(qiáng)大的離心力也很難以將乳化現(xiàn)象完全消除，所以還需要使用高效破乳劑(劉會(huì)洲，新型高效破乳劑在青霉素生產(chǎn)中的應(yīng)用，化工時(shí)刊，1996,10(4),3-7)；
破乳過(guò)程是一個(gè)絮凝和聚結(jié)的過(guò)程。在絮凝過(guò)程中，分散相的液滴聚集成團(tuán)，但各小滴依然存在，并是個(gè)可逆過(guò)程；在聚結(jié)過(guò)程中，液滴聚集成團(tuán)合成為大液滴，這是不可逆過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致液滴數(shù)目減少和最后乳狀液的完全破壞。在極稀的乳狀液中，絮凝速度遠(yuǎn)小于聚結(jié)速度。因此，乳狀液的穩(wěn)定性將為影響絮凝速度的各因子所決定。增加分散相濃度只能稍微增加聚結(jié)的速度，但使絮凝速度大大增加。在高濃度的乳狀液中，則聚結(jié)成為決定因子。在某一濃度范圍之內(nèi)，此二過(guò)程是同數(shù)量級(jí)的。若加入某些表面活性劑，則即使在極稀的乳狀液中也可以使聚結(jié)成為決定因子，因?yàn)榇朔N添加劑對(duì)絮凝的影響極小，甚至無(wú)影響，但能防止聚結(jié)。(乳狀液理論與實(shí)踐，P.貝歇爾著傅鷹譯科學(xué)出版社，1964,134-148)。表面活性劑的加入，會(huì)改變?nèi)闋钜航缑婺さ男再|(zhì)。減緩或加快乳狀液的聚結(jié)速度，從而產(chǎn)生乳化或破乳作用。因此，保持溶液條件和混合方式不變的前提下，考察乳狀液粒度分布的變化，可以從微觀領(lǐng)域來(lái)鑒定乳化劑或破乳劑的效果。通常乳化劑的加入阻礙分散相聚結(jié)，小顆粒難以長(zhǎng)大。而破乳劑有利于分散相聚結(jié)，促使分散相粒度分布不同程度的變大。
通常人們通過(guò)測(cè)定分散相粒度的變化來(lái)研究和鑒定不同的乳化劑、破乳劑和絮凝劑的性能和效果。目前對(duì)液滴及顆粒的測(cè)量裝置及測(cè)量方法仍存在著這樣或那樣的缺陷與不足?，F(xiàn)有的測(cè)量方法包括電阻法，光散射法，超聲波法，拍照法等在線測(cè)量的方法，還包括照相計(jì)數(shù)法等取樣測(cè)量的方法。其中，電阻法和超聲波法會(huì)擾亂攪拌器內(nèi)的流動(dòng)方式或帶入雜質(zhì)，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差；而拍照法和光散射法無(wú)法測(cè)出被測(cè)物中某一點(diǎn)的顆粒分布。拍照計(jì)數(shù)法雖然直觀，但是工作量很大，而且人為影響因素較大，測(cè)量時(shí)取樣的范圍由主觀決定，不準(zhǔn)確，如果是測(cè)量液滴，液滴不會(huì)繼續(xù)保證球形，所測(cè)直徑要偏大；而且由于液滴不會(huì)單層鋪在測(cè)樣臺(tái)上，上層的液滴會(huì)遮住下層的液滴，帶來(lái)誤差。目前用于液滴的測(cè)量的儀器有Coulter粒度儀，它的測(cè)量方法簡(jiǎn)捷，主要原理是使被測(cè)物通過(guò)一個(gè)可調(diào)節(jié)的狹縫，利用電量變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量。該方法雖然解決了液滴的分散問(wèn)題，但由于被測(cè)物要通過(guò)狹縫，液滴及顆粒有可能粘在通路上，引起實(shí)驗(yàn)誤差，而且清洗十分困難。同時(shí)測(cè)量時(shí)的分散介質(zhì)采用水或油，更換介質(zhì)時(shí)的清洗也十分麻煩。
旋轉(zhuǎn)法(王浩然等，中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所，分離工程與科學(xué)青年實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)實(shí)用新型專利CN349415,2000)，主要是對(duì)激光測(cè)粒儀進(jìn)行了改進(jìn)，比如Malvern粒度儀。該儀器為減小清洗的困難，減少對(duì)儀器帶來(lái)的污染，在樣品槽內(nèi)放入攪拌子，使用電磁攪拌器使攪拌子旋轉(zhuǎn)，使被測(cè)物在樣品槽中分散，然后進(jìn)行測(cè)量。該粒度儀由于采用了樣品槽進(jìn)行測(cè)量，因此減少了清洗的困難，而且不會(huì)對(duì)儀器帶來(lái)污染。但該激光粒度儀由于是采用旋轉(zhuǎn)攪拌子對(duì)被測(cè)物進(jìn)行分散，不僅不能使較大顆粒均勻分散，還會(huì)造成液滴破裂，得不到準(zhǔn)確的分布。且該儀器提供的旋轉(zhuǎn)法必須先從反應(yīng)器內(nèi)取樣，再將取得的樣品置于旋轉(zhuǎn)樣品槽中進(jìn)行測(cè)量，這必然會(huì)帶來(lái)一些無(wú)法克服的缺陷1)液體的輕微擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液滴的破裂，造成液滴顆粒粒徑的變化甚至液體顆粒的破裂；2)對(duì)于乳狀液液滴濃度較大過(guò)于混濁的液體，激光不能透過(guò)，則須稀釋后再置于樣品槽中進(jìn)行測(cè)量，稀釋會(huì)改變粒度分布，帶來(lái)很大的誤差；3)很難重復(fù)取出反應(yīng)器內(nèi)固定高度位置的樣品；4)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌器內(nèi)液滴粒度分布的在線即時(shí)測(cè)定。
本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有的相分散工藝中，對(duì)液滴分布的測(cè)量裝置存在的問(wèn)題，為乳化劑，破乳劑，絮凝劑的研制提供一種自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置，既解決了液滴分散問(wèn)題，又無(wú)須取樣，并實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)液滴/顆粒分布的在線即時(shí)測(cè)定。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下本發(fā)明提供的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置包括電動(dòng)機(jī)、攪拌器、反應(yīng)器10、樣品槽9，其攪拌器包括空心轉(zhuǎn)軸1及與空心轉(zhuǎn)軸1相連接并驅(qū)動(dòng)空心轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，空心轉(zhuǎn)軸1軸壁上設(shè)有進(jìn)料口3，空心轉(zhuǎn)軸1的底端或中部固定連接側(cè)壁上設(shè)有出料口4的液相分散器2，液相分散器2為一空心圓柱體，或在液相分散器2的上面固定安裝一個(gè)，二個(gè)或多個(gè)與空心轉(zhuǎn)軸1同心的敞口向上的套筒6，或在液相分散器2的下面固定安裝一個(gè)，二個(gè)或多個(gè)與空心轉(zhuǎn)軸1同心的敞口向下的套筒6，其特征在于所述的攪拌器為用于輕相分散或重相分散的自吸式相分散裝置，攪拌器置于反應(yīng)器10中的一側(cè)，另一側(cè)放置樣品槽，位于反應(yīng)器10中另一側(cè)的樣品槽9固定裝嵌在反應(yīng)器10的側(cè)壁上，置于輕相或重相中，樣品槽9為一空心立方體，其上端面、下端面及側(cè)面分別設(shè)有開(kāi)口8，前端面和后端面上分別安裝光學(xué)玻璃片7；反應(yīng)器10置于由激光發(fā)生器12，透鏡14，激光接收器15構(gòu)成的光路中；反應(yīng)器10位于激光發(fā)生器12和激光接收器15之間，透鏡14位于反應(yīng)器10和激光接收器15之間，其光學(xué)玻璃片7的平面垂直于由激光發(fā)生器12，透鏡14，激光接收器15構(gòu)成的光路。
本發(fā)明提供的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置，既可有效地解決液滴的分散問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了在反應(yīng)器內(nèi)無(wú)須取樣的液滴粒度分布在線即時(shí)測(cè)定，還由于其攪拌器對(duì)溶液的剪切力較低，分散效果好；特別有利于排除強(qiáng)烈攪拌的影響，準(zhǔn)確反應(yīng)分散體系固有的乳化性質(zhì)，有利于蛋白質(zhì)等生物物質(zhì)活性的保持；將樣品槽嵌入反應(yīng)器中不同高度，可測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)不同高度的粒度分布，對(duì)于研究反應(yīng)器內(nèi)液滴的分布以建模型，進(jìn)行反應(yīng)器的放大提供根據(jù)；控制一定的轉(zhuǎn)速范圍，可保持兩相澄清進(jìn)行萃取，無(wú)需取樣稀釋，可在線即時(shí)地進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于研究乳化，破乳，絮凝過(guò)程帶來(lái)了很大的方便，而且，樣品槽容易清洗。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明

圖1A為一種自吸式相分散(用于重相分散)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1B為本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)示意圖(用于重相分散液滴/顆粒的在線即時(shí)測(cè)定)；圖1C為樣品槽9的D向剖視圖；圖2A為另一種的自吸式相分散(用于輕相分散)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B為本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)示意圖(用于輕相分散液滴/顆粒的在線即時(shí)測(cè)定)；圖2C為樣品槽9的D向剖視圖；圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意4為樣品槽9的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5本發(fā)明實(shí)施例1卵白蛋白在不同溶液中重相分散粒度分布示意6本發(fā)明實(shí)施例2乳清蛋白在不同溶液中重相分散粒度分布示意7本發(fā)明實(shí)施例3含乳清蛋白的青霉素溶液萃取重相分散平均粒徑隨時(shí)間變化示意8本發(fā)明實(shí)施例4卵白蛋白在不同溶液中輕相分散粒度分布示意中標(biāo)號(hào)為空心轉(zhuǎn)軸1 空心轉(zhuǎn)筒2進(jìn)料口3 出料口4進(jìn)料通道5 套筒6光學(xué)玻璃片7 樣品槽開(kāi)口8樣品槽9 反應(yīng)器10 電動(dòng)機(jī)11 激光發(fā)生器12支架13透鏡14 激光接收器15 輕相料液16重相料液17-■-卵白蛋白的水溶液 -●-卵白蛋白和氯化鉀的水溶液-▲-卵白蛋白和T2型破乳劑的水溶劑 -□-乳清蛋白的水溶液
-○-T2型破乳劑的水溶劑-△-乳清蛋白和T2型破乳劑的水溶劑 -◇-乳清蛋白和青霉素的水溶劑--卵白蛋白和氯化鉀的水溶液 -◆-卵白蛋白和pH2氯化鉀緩沖溶液圖5是萃取3分鐘時(shí)，以上三種溶液在輕相中的乳狀液粒度分布曲線示意圖。
由上可知，對(duì)于卵白蛋白(albumin)溶液在乙酸丁酯中形成的W/O形乳狀液顆粒，無(wú)機(jī)鹽氯化鉀有一定的破乳效果，D952mT2形破乳劑的效果很好。
實(shí)施例2分別用蒸餾水配制1mg/ml乳清蛋白(whey protein)溶液，500ppm D925mT2型破乳劑溶液和1mg/ml乳清蛋白加500ppm D925mT2型破乳劑的混合溶液。取上述三種溶液各600ml，分別沿反應(yīng)器壁小心加入300ml有機(jī)相(輕相)乙酸丁酯中，在用本發(fā)明的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置進(jìn)行分散及液滴測(cè)量。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分。攪拌器，反應(yīng)器及操作過(guò)程同實(shí)施例1。
圖6是萃取3分鐘時(shí)，以上三種溶液在輕相中的乳狀液粒度分布曲線示意圖。
由上可知，對(duì)于乳化劑乳清蛋白，D925mT2型破乳劑有很好的破乳效果。500ppm D925mT2型破乳劑溶液和1mg/ml乳清蛋白加500ppmD925mT2型破乳劑溶液，所形成的乳狀液粒度分布幾乎完全相同。這說(shuō)明1mg/ml乳清蛋白加500ppmD925mT2型破乳劑溶液，在乙酸丁酯所形成的乳狀液油水界面特性基本是D925mT2型破乳劑的性質(zhì)。
實(shí)施例3用蒸餾水配制1mg/ml乳清蛋白(whey protein)加0.05M青霉素G的混合溶液(重相)和5.7％(wt％)三丁基氧化膦(TBPO)的乙酸丁酯溶液(輕相)。取以上兩種溶液600ml和300ml小心加入自吸式重相分散輕相透射反應(yīng)器中，用本發(fā)明的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置進(jìn)行分散及液滴測(cè)量。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分。攪拌器，反應(yīng)器及操作過(guò)程同實(shí)施例1。
用10％H2SO4調(diào)節(jié)pH=4，即時(shí)測(cè)定W/O型乳狀液粒度分布，來(lái)研究青霉素萃取過(guò)程中乳化情況。計(jì)算每個(gè)時(shí)刻粒徑分布的平均粒徑(SMD)。平均粒徑(面均直徑)SMD=(∑fidi2)1/2,fi=ni/∑ni是粒子大小為di的質(zhì)點(diǎn)在質(zhì)點(diǎn)總數(shù)中占的百分?jǐn)?shù)。以平均粒徑對(duì)時(shí)間作圖得到圖7。由圖7得知隨著青霉素越來(lái)越充分地萃入有機(jī)相。有機(jī)相中W/O型乳狀液的聚結(jié)趨勢(shì)大為增加。與實(shí)際青霉素萃取中的現(xiàn)象相符，青霉素萃取的越充分乳化越弱，有機(jī)相越清。其原因是青霉素這種帶大環(huán)結(jié)構(gòu)的分子在油水界面不能形成穩(wěn)定的界面膜造成的。
實(shí)施例4分別用蒸餾水配制1mg/ml卵白蛋白加10mM氯化鉀(KCl)的混合溶液和1mg/ml卵白蛋白pH=210mMKCl-HCl緩沖溶液(充分變性12小時(shí))。取上述兩種溶液各600ml，分別沿反應(yīng)器壁小心加入300ml有機(jī)相(輕相)乙酸丁酯。用本發(fā)明的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置進(jìn)行分散及液滴測(cè)量。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分。操作過(guò)程如圖2B所示。當(dāng)空心轉(zhuǎn)軸1在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)料口3同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，使輕相料液16沿進(jìn)料口5分別到達(dá)出料口4處。輕相液滴均勻分散到重相料液中，并通過(guò)樣品槽中的光學(xué)玻璃片7后，便可得到重相中液滴的動(dòng)態(tài)變化情況。輕相液滴在上升過(guò)程與重相料液接觸并實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)。輕相液滴到達(dá)界面凝并，然后進(jìn)入輕相料液。通過(guò)上述的過(guò)程達(dá)到上下兩相的混合完成萃取操作過(guò)程。圖8是萃取3分鐘時(shí)，以上兩種溶液重相中的乳狀液粒度分布兩種重相中的乳狀液粒度分布曲線示意圖。
由上可知，在這類蛋白質(zhì)濃度一定，分散相濃度較小的體系中(在分散相濃度較大的情況下，充分變性伸展的蛋白質(zhì)會(huì)形成堅(jiān)固的蛋白交聯(lián)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生凝膠狀物質(zhì))，油水界面蛋白質(zhì)分子的變性伸展并不有利于乳狀液顆粒的穩(wěn)定。這可能是變性伸展后的蛋白質(zhì)分子在界面排列較稀疏，而球狀蛋白質(zhì)分子緊密的排列在油水界面形成的界面膜更有利于乳狀液的穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1．一種自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置包括電動(dòng)機(jī)、攪拌器、反應(yīng)器10、樣品槽9，其攪拌器包括空心轉(zhuǎn)軸1及與空心轉(zhuǎn)軸1相連接并驅(qū)動(dòng)空心轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，空心轉(zhuǎn)軸1軸壁上設(shè)有進(jìn)料口3，空心轉(zhuǎn)軸1的底端或中部固定連接側(cè)壁上設(shè)有出料口4的液相分散器2，液相分散器2為一空心圓柱體，或在液相分散器2的上面固定安裝一個(gè)，二個(gè)或多個(gè)與空心轉(zhuǎn)軸1同心的敞口向上的套筒6，或在液相分散器2的下面固定安裝一個(gè)，二個(gè)或多個(gè)與空心轉(zhuǎn)軸1同心的敞口向下的套筒6，其特征在于所述的攪拌器為用于輕相分散或重相分散的自吸式相分散裝置，攪拌器置于反應(yīng)器10中的一側(cè)，另一側(cè)放置樣品槽，位于反應(yīng)器10中另一側(cè)的樣品槽9固定裝嵌在反應(yīng)器10的側(cè)壁上，置于輕相或重相中，樣品槽9為一空心立方體，其上端面、下端面及側(cè)面分別設(shè)有開(kāi)口8，前端面和后端面上分別安裝光學(xué)玻璃片7，反應(yīng)器10置于由激光發(fā)生器12，透鏡14，激光接收器15構(gòu)成的光路中，其光學(xué)玻璃片7的平面垂直于由激光發(fā)生器12，透鏡14，激光接收器15構(gòu)成的光路。
2．按權(quán)利要求1所述的自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置，其特征在于所述的反應(yīng)器10位于激光發(fā)生器12和激光接收器15之間，透鏡14位于反應(yīng)器10和激光接收器15之間，光學(xué)玻璃片7的平面垂直于由激光發(fā)生器12，透鏡14，激光接收器15構(gòu)成的光路。
全文摘要
本自吸式相分散液滴/顆粒的在線測(cè)量裝置包括電動(dòng)機(jī)、攪拌器、反應(yīng)器、樣品槽,自吸式相分散攪拌器置于反應(yīng)器中的一側(cè),另一側(cè)放置樣品槽,樣品槽固定裝嵌在反應(yīng)器的側(cè)壁上,置于輕相或重相中,為一空心立方體,其上、下端面及側(cè)面分別設(shè)有開(kāi)口,前、后端面上分別安裝光學(xué)玻璃片,反應(yīng)器置于由激光發(fā)生器,透鏡,激光接收器構(gòu)成的光路中,其光學(xué)玻璃片的平面垂直其光路,既解決液滴的分散問(wèn)題,又實(shí)現(xiàn)液滴/顆粒的在線測(cè)定。
文檔編號(hào)G01N21/17GK1322954SQ00107468
公開(kāi)日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2000年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月17日
發(fā)明者王斌, 陳繼, 王浩然, 安振濤, 劉會(huì)洲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所