专利名称：自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相分散液滴/颗粒的测量装置，特别涉及一种自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置，适用于易乳化的生物萃取体系。
两种不互溶液体之间的界面张力总是大于零。从热力学角度讲，一种溶液分散到另一种溶液中，形成的乳状液非常不稳定。把很少量的表面活性剂溶解或分散在一种液体中，表面活性剂分子优先吸附在界面或表面上，并在其上定向排列，形成一定组织结构的表面吸附膜或界面吸附膜。就能显著降低水的表面张力及液/液两相界面张力，改变体系的界面状态，从而产生润湿或反润湿，乳化或破乳，起泡或消泡，加溶等一系列作用，使表面活性剂在许多工业领域内得到广泛的应用。在实际应用中，根据表面活性剂作用功能和用途，可分为乳化剂、破乳剂、起泡剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、增溶剂等。
为使乳状液较长时间地保持稳定，加入表面活性剂，可以提高乳状液的粘度，形成机械稳定的界面膜，保持乳状液稳定。在食品加工领域中，乳化剂的使用往往是必不可少的。而在一些易乳化的生物体系萃取过程中，又需要破除乳状液。例如，在青霉素发酵液和发酵滤液进行溶剂萃取时，要将溶液pH从中性调至偏酸性。溶液pH的变化、溶媒的加入以及萃取过程中的搅拌都会引起蛋白质的变性，造成萃取过程中乳化严重使得大量色素，杂酸等杂质进入并污染有机相；而且分相也十分困难。目前工业上通常采用高速的离心萃取器来解决乳化问题，强大的离心力也很难以将乳化现象完全消除，所以还需要使用高效破乳剂(刘会洲，新型高效破乳剂在青霉素生产中的应用，化工时刊，1996,10(4),3-7)；
破乳过程是一个絮凝和聚结的过程。在絮凝过程中，分散相的液滴聚集成团，但各小滴依然存在，并是个可逆过程；在聚结过程中，液滴聚集成团合成为大液滴，这是不可逆过程，会导致液滴数目减少和最后乳状液的完全破坏。在极稀的乳状液中，絮凝速度远小于聚结速度。因此，乳状液的稳定性将为影响絮凝速度的各因子所决定。增加分散相浓度只能稍微增加聚结的速度，但使絮凝速度大大增加。在高浓度的乳状液中，则聚结成为决定因子。在某一浓度范围之内，此二过程是同数量级的。若加入某些表面活性剂，则即使在极稀的乳状液中也可以使聚结成为决定因子，因为此种添加剂对絮凝的影响极小，甚至无影响，但能防止聚结。(乳状液理论与实践，P.贝歇尔著傅鹰译科学出版社，1964,134-148)。表面活性剂的加入，会改变乳状液界面膜的性质。减缓或加快乳状液的聚结速度，从而产生乳化或破乳作用。因此，保持溶液条件和混合方式不变的前提下，考察乳状液粒度分布的变化，可以从微观领域来鉴定乳化剂或破乳剂的效果。通常乳化剂的加入阻碍分散相聚结，小颗粒难以长大。而破乳剂有利于分散相聚结，促使分散相粒度分布不同程度的变大。
通常人们通过测定分散相粒度的变化来研究和鉴定不同的乳化剂、破乳剂和絮凝剂的性能和效果。目前对液滴及颗粒的测量装置及测量方法仍存在着这样或那样的缺陷与不足。现有的测量方法包括电阻法，光散射法，超声波法，拍照法等在线测量的方法，还包括照相计数法等取样测量的方法。其中，电阻法和超声波法会扰乱搅拌器内的流动方式或带入杂质，给实验带来误差；而拍照法和光散射法无法测出被测物中某一点的颗粒分布。拍照计数法虽然直观，但是工作量很大，而且人为影响因素较大，测量时取样的范围由主观决定，不准确，如果是测量液滴，液滴不会继续保证球形，所测直径要偏大；而且由于液滴不会单层铺在测样台上，上层的液滴会遮住下层的液滴，带来误差。目前用于液滴的测量的仪器有Coulter粒度仪，它的测量方法简捷，主要原理是使被测物通过一个可调节的狭缝，利用电量变化来进行测量。该方法虽然解决了液滴的分散问题，但由于被测物要通过狭缝，液滴及颗粒有可能粘在通路上，引起实验误差，而且清洗十分困难。同时测量时的分散介质采用水或油，更换介质时的清洗也十分麻烦。
旋转法(王浩然等，中国科学院化工冶金研究所，分离工程与科学青年实验室，中国实用新型专利CN349415,2000)，主要是对激光测粒仪进行了改进，比如Malvern粒度仪。该仪器为减小清洗的困难，减少对仪器带来的污染，在样品槽内放入搅拌子，使用电磁搅拌器使搅拌子旋转，使被测物在样品槽中分散，然后进行测量。该粒度仪由于采用了样品槽进行测量，因此减少了清洗的困难，而且不会对仪器带来污染。但该激光粒度仪由于是采用旋转搅拌子对被测物进行分散，不仅不能使较大颗粒均匀分散，还会造成液滴破裂，得不到准确的分布。且该仪器提供的旋转法必须先从反应器内取样，再将取得的样品置于旋转样品槽中进行测量，这必然会带来一些无法克服的缺陷1)液体的轻微扰动会导致液滴的破裂，造成液滴颗粒粒径的变化甚至液体颗粒的破裂；2)对于乳状液液滴浓度较大过于混浊的液体，激光不能透过，则须稀释后再置于样品槽中进行测量，稀释会改变粒度分布，带来很大的误差；3)很难重复取出反应器内固定高度位置的样品；4)不能实现对搅拌器内液滴粒度分布的在线即时测定。
本发明目的在于针对现有的相分散工艺中，对液滴分布的测量装置存在的问题，为乳化剂，破乳剂，絮凝剂的研制提供一种自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置，既解决了液滴分散问题，又无须取样，并实现了反应器内液滴/颗粒分布的在线即时测定。
本发明的实施方案如下本发明提供的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置包括电动机、搅拌器、反应器10、样品槽9，其搅拌器包括空心转轴1及与空心转轴1相连接并驱动空心转轴1旋转的电动机，空心转轴1轴壁上设有进料口3，空心转轴1的底端或中部固定连接侧壁上设有出料口4的液相分散器2，液相分散器2为一空心圆柱体，或在液相分散器2的上面固定安装一个，二个或多个与空心转轴1同心的敞口向上的套筒6，或在液相分散器2的下面固定安装一个，二个或多个与空心转轴1同心的敞口向下的套筒6，其特征在于所述的搅拌器为用于轻相分散或重相分散的自吸式相分散装置，搅拌器置于反应器10中的一侧，另一侧放置样品槽，位于反应器10中另一侧的样品槽9固定装嵌在反应器10的侧壁上，置于轻相或重相中，样品槽9为一空心立方体，其上端面、下端面及侧面分别设有开口8，前端面和后端面上分别安装光学玻璃片7；反应器10置于由激光发生器12，透镜14，激光接收器15构成的光路中；反应器10位于激光发生器12和激光接收器15之间，透镜14位于反应器10和激光接收器15之间，其光学玻璃片7的平面垂直于由激光发生器12，透镜14，激光接收器15构成的光路。
本发明提供的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置，既可有效地解决液滴的分散问题，又实现了在反应器内无须取样的液滴粒度分布在线即时测定，还由于其搅拌器对溶液的剪切力较低，分散效果好；特别有利于排除强烈搅拌的影响，准确反应分散体系固有的乳化性质，有利于蛋白质等生物物质活性的保持；将样品槽嵌入反应器中不同高度，可测定反应器内不同高度的粒度分布，对于研究反应器内液滴的分布以建模型，进行反应器的放大提供根据；控制一定的转速范围，可保持两相澄清进行萃取，无需取样稀释，可在线即时地进行测量，对于研究乳化，破乳，絮凝过程带来了很大的方便，而且，样品槽容易清洗。
下面结合附图和实施例进一步描述本发明
图1A为一种自吸式相分散(用于重相分散)装置的结构示意图；图1B为本发明中的结构示意图(用于重相分散液滴/颗粒的在线即时测定)；图1C为样品槽9的D向剖视图；图2A为另一种的自吸式相分散(用于轻相分散)装置的结构示意图；图2B为本发明中的结构示意图(用于轻相分散液滴/颗粒的在线即时测定)；图2C为样品槽9的D向剖视图；图3为本发明的结构示意4为样品槽9的结构示意图；图5本发明实施例1卵白蛋白在不同溶液中重相分散粒度分布示意6本发明实施例2乳清蛋白在不同溶液中重相分散粒度分布示意7本发明实施例3含乳清蛋白的青霉素溶液萃取重相分散平均粒径随时间变化示意8本发明实施例4卵白蛋白在不同溶液中轻相分散粒度分布示意中标号为空心转轴1 空心转筒2进料口3 出料口4进料通道5 套筒6光学玻璃片7 样品槽开口8样品槽9 反应器10 电动机11 激光发生器12支架13透镜14 激光接收器15 轻相料液16重相料液17-■-卵白蛋白的水溶液 -●-卵白蛋白和氯化钾的水溶液-▲-卵白蛋白和T2型破乳剂的水溶剂 -□-乳清蛋白的水溶液
-○-T2型破乳剂的水溶剂-△-乳清蛋白和T2型破乳剂的水溶剂 -◇-乳清蛋白和青霉素的水溶剂--卵白蛋白和氯化钾的水溶液 -◆-卵白蛋白和pH2氯化钾缓冲溶液图5是萃取3分钟时，以上三种溶液在轻相中的乳状液粒度分布曲线示意图。
由上可知，对于卵白蛋白(albumin)溶液在乙酸丁酯中形成的W/O形乳状液颗粒，无机盐氯化钾有一定的破乳效果，D952mT2形破乳剂的效果很好。
实施例2分别用蒸馏水配制1mg/ml乳清蛋白(whey protein)溶液，500ppm D925mT2型破乳剂溶液和1mg/ml乳清蛋白加500ppm D925mT2型破乳剂的混合溶液。取上述三种溶液各600ml，分别沿反应器壁小心加入300ml有机相(轻相)乙酸丁酯中，在用本发明的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置进行分散及液滴测量。调节电动机转速为300转/分。搅拌器，反应器及操作过程同实施例1。
图6是萃取3分钟时，以上三种溶液在轻相中的乳状液粒度分布曲线示意图。
由上可知，对于乳化剂乳清蛋白，D925mT2型破乳剂有很好的破乳效果。500ppm D925mT2型破乳剂溶液和1mg/ml乳清蛋白加500ppmD925mT2型破乳剂溶液，所形成的乳状液粒度分布几乎完全相同。这说明1mg/ml乳清蛋白加500ppmD925mT2型破乳剂溶液，在乙酸丁酯所形成的乳状液油水界面特性基本是D925mT2型破乳剂的性质。
实施例3用蒸馏水配制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(轻相)。取以上两种溶液600ml和300ml小心加入自吸式重相分散轻相透射反应器中，用本发明的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置进行分散及液滴测量。调节电动机转速为300转/分。搅拌器，反应器及操作过程同实施例1。
用10％H2SO4调节pH=4，即时测定W/O型乳状液粒度分布，来研究青霉素萃取过程中乳化情况。计算每个时刻粒径分布的平均粒径(SMD)。平均粒径(面均直径)SMD=(∑fidi2)1/2,fi=ni/∑ni是粒子大小为di的质点在质点总数中占的百分数。以平均粒径对时间作图得到图7。由图7得知随着青霉素越来越充分地萃入有机相。有机相中W/O型乳状液的聚结趋势大为增加。与实际青霉素萃取中的现象相符，青霉素萃取的越充分乳化越弱，有机相越清。其原因是青霉素这种带大环结构的分子在油水界面不能形成稳定的界面膜造成的。
实施例4分别用蒸馏水配制1mg/ml卵白蛋白加10mM氯化钾(KCl)的混合溶液和1mg/ml卵白蛋白pH=210mMKCl-HCl缓冲溶液(充分变性12小时)。取上述两种溶液各600ml，分别沿反应器壁小心加入300ml有机相(轻相)乙酸丁酯。用本发明的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置进行分散及液滴测量。调节电动机转速为300转/分。操作过程如图2B所示。当空心转轴1在电动机的带动下以一定的转速转动时，进料口3同时产生负压，使轻相料液16沿进料口5分别到达出料口4处。轻相液滴均匀分散到重相料液中，并通过样品槽中的光学玻璃片7后，便可得到重相中液滴的动态变化情况。轻相液滴在上升过程与重相料液接触并实现传质。轻相液滴到达界面凝并，然后进入轻相料液。通过上述的过程达到上下两相的混合完成萃取操作过程。图8是萃取3分钟时，以上两种溶液重相中的乳状液粒度分布两种重相中的乳状液粒度分布曲线示意图。
由上可知，在这类蛋白质浓度一定，分散相浓度较小的体系中(在分散相浓度较大的情况下，充分变性伸展的蛋白质会形成坚固的蛋白交联结构，产生凝胶状物质)，油水界面蛋白质分子的变性伸展并不有利于乳状液颗粒的稳定。这可能是变性伸展后的蛋白质分子在界面排列较稀疏，而球状蛋白质分子紧密的排列在油水界面形成的界面膜更有利于乳状液的稳定。
权利要求
1．一种自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置包括电动机、搅拌器、反应器10、样品槽9，其搅拌器包括空心转轴1及与空心转轴1相连接并驱动空心转轴1旋转的电动机，空心转轴1轴壁上设有进料口3，空心转轴1的底端或中部固定连接侧壁上设有出料口4的液相分散器2，液相分散器2为一空心圆柱体，或在液相分散器2的上面固定安装一个，二个或多个与空心转轴1同心的敞口向上的套筒6，或在液相分散器2的下面固定安装一个，二个或多个与空心转轴1同心的敞口向下的套筒6，其特征在于所述的搅拌器为用于轻相分散或重相分散的自吸式相分散装置，搅拌器置于反应器10中的一侧，另一侧放置样品槽，位于反应器10中另一侧的样品槽9固定装嵌在反应器10的侧壁上，置于轻相或重相中，样品槽9为一空心立方体，其上端面、下端面及侧面分别设有开口8，前端面和后端面上分别安装光学玻璃片7，反应器10置于由激光发生器12，透镜14，激光接收器15构成的光路中，其光学玻璃片7的平面垂直于由激光发生器12，透镜14，激光接收器15构成的光路。
2．按权利要求1所述的自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置，其特征在于所述的反应器10位于激光发生器12和激光接收器15之间，透镜14位于反应器10和激光接收器15之间，光学玻璃片7的平面垂直于由激光发生器12，透镜14，激光接收器15构成的光路。
全文摘要
本自吸式相分散液滴/颗粒的在线测量装置包括电动机、搅拌器、反应器、样品槽,自吸式相分散搅拌器置于反应器中的一侧,另一侧放置样品槽,样品槽固定装嵌在反应器的侧壁上,置于轻相或重相中,为一空心立方体,其上、下端面及侧面分别设有开口,前、后端面上分别安装光学玻璃片,反应器置于由激光发生器,透镜,激光接收器构成的光路中,其光学玻璃片的平面垂直其光路,既解决液滴的分散问题,又实现液滴/颗粒的在线测定。
文档编号G01N21/17GK1322954SQ00107468
公开日2001年11月21日 申请日期2000年5月17日 优先权日2000年5月17日
发明者王斌, 陈继, 王浩然, 安振涛, 刘会洲 申请人:中国科学院化工冶金研究所