高壓均質(zhì)技術(shù)及應(yīng)用場景

一、高壓均質(zhì)技術(shù)簡介

高壓均質(zhì) (HPH) 于 20 世紀(jì)初由 Auguste Gaulin開發(fā)，用于使用高達(dá) 30 MPa 的壓力加工牛奶，以提高產(chǎn)品穩(wěn)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小孔。早期的成功擴(kuò)大了 HPH 的用戶群，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(yīng)用領(lǐng)域可能還會繼續(xù)擴(kuò)大。

我們將簡要介紹HPH在以下三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(xì)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(yīng)用

?食品和飲料

HPH 植根于食品 & 飲料行業(yè)，在許多成熟的應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用中需要改進(jìn)的領(lǐng)域。

除了對食品可持續(xù)性和氣候變化的擔(dān)憂之外，替代食品的發(fā)展還包括植物性乳制品和肉類、實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)肉類、精密發(fā)酵蛋白質(zhì)以及昆蟲蛋白正在獲得消費(fèi)者和商業(yè)層面的興趣。HPH 在加工替代食品中的應(yīng)用在功能上與傳統(tǒng)食品相同，因?yàn)樾枰愃频募庸つ繕?biāo)，例如提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和感官特性、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和物理-化學(xué)性能以及改進(jìn)的加工性能。工藝目標(biāo)、技術(shù)要求和實(shí)施方面的相似之處有助于其發(fā)展，因?yàn)閭鹘y(tǒng)食品加工方面的大量先驗(yàn)知識可促進(jìn)替代食品生產(chǎn)的工藝開發(fā)和規(guī)?；糯?。

HPH 最近被應(yīng)用于將肉類廢料轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)和功能產(chǎn)品，這有助于提高肉類行業(yè)的可持續(xù)性。HPH閥中的強(qiáng)大力量可以顯著改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如肌原纖維破壞、解聚、蛋白質(zhì)解折疊等，從而導(dǎo)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(wěn)定性和薄膜水蒸氣滲透性等性能。HPH 實(shí)現(xiàn)的這些改善使原本可能被丟棄的低價(jià)值肉類蛋白質(zhì)能夠轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品。

HPH 還被用于開發(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(qiáng)的感官特性和穩(wěn)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。這些納米乳液通過摻入親脂性成分，改善產(chǎn)品外觀和穩(wěn)定性，保護(hù)敏感化合物并增強(qiáng)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(yīng)用依賴于 HPH 在新應(yīng)用和改進(jìn)現(xiàn)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：賦形劑的處理，特別是聚合物類型，以及活性藥物成分 (API)，特別是納米顆粒系統(tǒng)，用于增強(qiáng)藥物遞送。

賦形劑的處理：聚合物和膠類，例如藻酸鹽和纖維素衍生物，是用于藥物遞送系統(tǒng)的常見藥物賦形劑。這些聚合物系統(tǒng)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(wěn)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(yīng)用于聚合物和膠類的改性，因?yàn)樗梢酝ㄟ^強(qiáng)烈的高剪切和湍流來改變聚合物的特性，包括流變特性的變化、粘度降低、zeta 電位、分子量和流體動力學(xué)半徑減小，從而提高加工性能并實(shí)現(xiàn)新的制劑策略，例如將過于粘稠的聚合物凝膠納入制劑中或通過提高薄膜強(qiáng)度和耐水性來提高產(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(yīng)用是 API 納米晶體和納米懸浮液的形成。通過將 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。通過提高藥物溶解度，以前因溶解度差而被認(rèn)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，但越來越多的研究開始側(cè)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型和配置的影響。HPH 在 API 處理中的另一個(gè)值得注意的應(yīng)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(tǒng)，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(wěn)定性和控釋效應(yīng)。在制藥領(lǐng)域之外，最近對納米乳化工藝各個(gè)方面的研究通過優(yōu)化乳化劑類型和使用濃度、HPH操作條件和設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝類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(dǎo)。

納米顆粒系統(tǒng)：制藥行業(yè)中的納米顆粒系統(tǒng)形成了實(shí)現(xiàn)一系列臨床和治療目標(biāo)的重要平臺，以實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送或有效且更安全的顯像劑。HPH 已成為處理三類納米顆粒系統(tǒng)的可行機(jī)制：脂質(zhì)納米顆粒、聚合物納米顆粒和無機(jī)/混合型納米顆粒。HPH 在處理治療相關(guān)納米顆粒方面的應(yīng)用不斷增加。大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)告?zhèn)戎赜陂_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(yīng)用進(jìn)行了大量探索，以便為規(guī)模放大、工藝控制和優(yōu)化提供見解。

生物制藥和生物技術(shù)應(yīng)用：涉及 HPH 的生物制藥和生物技術(shù)應(yīng)用都依賴于其成熟的細(xì)胞破碎/裂解能力。這些應(yīng)用包括通過批次或連續(xù)模式，使用各種細(xì)胞類型生產(chǎn)無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)、重組蛋白和病毒樣顆粒生產(chǎn)的下游處理以及從藻類中提取油和其它產(chǎn)品。有研究分析了工藝過程和產(chǎn)品的具體細(xì)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(xì)胞破碎過程監(jiān)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(xù)材料，例如作為合成聚合物替代品、治療應(yīng)用和電子材料。HPH結(jié)合酶水解等其它技術(shù)，已成功應(yīng)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(xù)加工或最終產(chǎn)品所需的物理化學(xué)性質(zhì)。通過化學(xué)處理來改變流變特性或添加增塑劑等改性劑來形成復(fù)合材料可能是必要的。在大多數(shù)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(xù)加工步驟。在某些情況下，HPH也用于后續(xù)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(jié)構(gòu)改性以及形成納米原纖化纖維素復(fù)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(jié)晶纖維素、細(xì)菌納米纖維素和納米原纖化纖維素（NFC）。不同類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(qiáng)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(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如食品、復(fù)合材料和包裝、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)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(yīng)用會導(dǎo)致纖維素發(fā)生多種物理化學(xué)變化，包括內(nèi)外部原纖化、平均粒徑和結(jié)晶度降低以及聚合物長鏈斷裂而導(dǎo)致的分子量分布影響，HPH 過程中的強(qiáng)烈剪切被認(rèn)為是主要的作用機(jī)制。

納米級材料和流體：HPH 已應(yīng)用于通過液相剝離大規(guī)模生產(chǎn)許多納米材料，例如氮化硼納米片、過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(xù)應(yīng)用通常需要將納米結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fù)合材料以改善機(jī)械、熱和電性能，以及納米流體。一個(gè)特別值得關(guān)注的應(yīng)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(yīng)用最近獲得了顯著的工業(yè)吸引力。

納米流體在基液中含有各種類型的納米顆粒，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)動機(jī)冷卻或建筑溫度管理系統(tǒng)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)過程已應(yīng)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(yīng)用時(shí)，除了考慮均質(zhì)效應(yīng)與計(jì)劃應(yīng)用的相關(guān)性和適當(dāng)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，無法可靠地送入均質(zhì)機(jī)。另外兩個(gè)因素影響 HPH 工藝的商業(yè)可行性，能耗過高和/或易損件磨損過快，可能導(dǎo)致成本過高和生產(chǎn)停機(jī)。