专利名称：一种膜分散式微通道反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜分散式微通道反应器，以及用于该膜分散式微通道反应器的膜组件。
背景技术：
微、纳结构的颗粒如金属和金属氧化物纳米颗粒、无机化合物、有机化合物和药物颗粒在现代生活的的各个领域，如电子、信息、工程、能源、化工、机械和医疗等，都有着广泛的应用，更是新兴的经济增长点之一。各种物理和化学的制备微、纳结构材料的方法和工艺被开发并不断发展，然而在传统的化学反应和沉淀法等工艺中，需要利用搅拌、超声和喷射以及研磨等手段进行混合和传质，但是这些手段在传质效率和效果上较差，无法制备出尺寸均一的乳滴和颗粒，并且粒径控制难度高，批次之间的重复性差。基于微加工技术的微通道反应器，可以实现对的微量液体的精确控制，使混合、化学反应等等一系列的单元操作都在精确的体积内进行，可以提高生成的微乳和颗粒的均一性，但是基于微加工技术的微反应器存在加工成本高和放大困难的缺点，目前只能用于实验室研究，还无法大规模的应用于实际的生成中。利用多孔膜作为分散介质的膜分散式反应器是近些年发展起来的一种新型的反应器，即通过微孔膜使一侧的流体在压力的作用下以均一度高尺寸细小液滴的形式分散到膜另一侧的液体中，由于细小液滴有着更大比表面积，同另一相接触时传质和传热更快更充分，大大提高了化学反应、萃取和乳化以及颗粒制备等单元操作的效率和均一性。强化微观传质过程，国内外已经有一些相关的研究。中国专利CN1605359公开了一种膜分散式萃取器，该萃取器利用孔径为0.01-60微米的膜管或平板膜，将分散相液体分散成微小的液滴，增大传质面积，提高萃取的效果。中国专利CN1318429公开了一种膜分散法制备超细颗粒的方法，也采用该类型的反应器，制备硫酸钡颗粒，将硫酸-正丁醇溶液过微孔膜分散成小液滴，再与氯化钡溶液反应制备出硫酸钡颗粒，该专利仅利用微孔膜对液滴的初始粒径进行了限制，但流体接触后的混合特性(如流速、流体层的厚度等)没有进行控制，因此制备的粒径偏大(平均颗粒直径为I微米)。中国专利CN101433815公开了一种膜分散式微通道反应器，由一根外管和一根内管构成套管，在内外管之间形成环形的微通道，外管上设有连续相进口和出口，内管一端设有分散相的进口，另一端为管壁均布的有多孔的膜管结构，该装置有效地增大了微通道的截面积和增加了连续相的流速，提高了单反应器的处理量和保证了较强的微观混合，使该反应器更适合液液或者液气的快速反应中，但是该装置连续相的入口位于一侧，会引起环形微通道内部各处流速的不同，造成对多孔膜管表面剪切力的不同，最终影响到分散液滴的均一性，采用该反应器很难获得大小均一的乳滴或者颗粒。CN201006421和CN101683592和日本SPG技术有限公司开发的膜乳化器，通过乳液在高压的作用下通过SPG膜孔，形成粒径均一的乳滴。CN101683592公开了一种多根并排的膜管组成膜组件，将膜管外面的分散相过膜管的微孔分散到管的内部，在管内连续相液体对膜管的剪切力作用下，实现同膜的分离，在连续相中形成一个个细小的液滴或者乳滴，膜组件的使用实现工业生产的高通量的要求，但是由于各种商业化的膜管内径较粗，而制备内径小于2_的膜管受到成本和技术的限制，目前使用的膜管内径通常在4_以上，因此使用相同的功率的液流传输设备输送连续相，连续相在在膜管内的流速较低，产生的剪切力较小，降低了传质的效率，制备的乳滴也较大(通常在微米以上)，无法满足制备更小纳米乳和纳米颗粒和制备高浓度产物的要求。该技术中要实现连续相在膜管内表面有较高的剪切力，则需大幅提高设备的动力，如使用更大功率的泵，增加了生产中设备成本和能耗。因此，有必要开发一种提高乳化效率，易于放大，节能的适合工业化生产的膜乳化
装直。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于微通道膜分散反应装置的膜组件，包括:
至少一根膜管，所述膜管两端分别穿过连续相进液口挡板和连续相出液口挡板，并与连续相进液口挡板和连续相出液口挡板密封连接；在膜管外设有外套，所述的外套与连续相进液口挡板和连续相出液口挡板密封连接；所述的外套与连续相进液口挡板、连续相出液口挡板形成包围在所述膜管外侧的分散相腔体；所述的外套上设有分散相进液口，穿过进液口挡板和出液口挡板分别设有连续相的进液口和出液口；
其特征在于所述的膜管内部正中心位置设有一根分液柱，分液柱靠近进液口挡板的一端呈圆锥形，分液柱的另一端与出液口挡板固定连接；分液柱与膜管形成横截面为环状的微通道。本发明所述的膜管，可以是一根膜管，也可以是多根并列的膜管，例如2-20根，优选3-10根。所述的膜管横截面可以是圆形、椭圆、矩形。优选圆形。所述膜管为多孔膜管，包括有机高分子材料的膜管、二氧化硅膜管、陶瓷膜管、金属膜管等，根据不同的工艺要求选用合适膜管；对制药行业优选陶瓷膜、PTFE的中空膜管或二氧化硅膜管如SPG膜以及不锈钢的金属膜；对进行无机体系的反应和制备无机纳米颗粒等优选有机材料膜或者有机无机复合膜。所述膜管的孔径和开孔率根据物料的不同和反应需求而定，其中孔径的范围为
0.02-100 μ m,开孔率为 3-60% ;优选孔径 0.l_50Mm。所述的分液柱的直径选择根据膜管的直径改变而改变，分液柱和膜管之间形成的环形横截面的外径和内径尺寸之差是100微米-5毫米，优选100-2000 μ m,更优选100-1000 μ m。本发明所述的分液柱将从进液口进入膜管的连续相从中间劈开，在膜管和分液柱之间形成环形界面的液流，分液柱和膜管的截面形成同心圆形，保证流动相在环形微通道内部对称位置和膜管壁上的流动状态一致，这样环形通道内部各个位置连续相具有均一的流速，使形成的液滴更均一。加入分液柱更重要的优点表现在:
在流量一定的情况下，加入同心分液柱的形成微通道，减小了膜管内的截面积，增加管道流速，在不增加设备功率负荷的情况下，既可以到达湍流，减少对设备的要求和能耗；另一方面提高连续相在膜管内的流速时，如图1所示的湍流状态，流速愈大，雷诺数Re愈大，层流内层的厚度越薄，连续相对过膜分散相形成的液滴的剪切作用愈显著，与传统的SPG膜乳化器过程缓慢和通常制备几十个微米的液滴相比，可以在一定程度上减小分散液滴的尺寸，增强了传质的效果和更利于制备更小的颗粒和乳滴，同时加快乳化进程；
本发明通过加入分液柱减小了管中心非混合区(即非边界层)的体积，大大减少了未参与传质的连续相的体积，增加了终产物的浓度，可以减小浓缩甚至省去浓缩的工序特别适合高通量的工业化生产。申请人:通过大量研究发现，尤其当分液柱和膜管之间形成的环形横截面的外径和内径尺寸之差小于2000 μ m时，能够保证混合传质的效果，如果尺寸过大，会造成微通道膜分散效果降低。另一方面，本发明优选当分液柱和膜管之间形成的环形横截面的外径和内径尺寸之差大于100 μ m,使设备的加工难度降低，通式，保证通道的畅通，不易被堵塞，进而保证颗粒的均一性提高。所述的分液柱可以应需求不同，选择金属、有机材料或者无机陶瓷材料等制备，根据本领域技术人员的常识，材料的选择和流动相和分散相的理化性质相匹配。例如，制药工业领域优选聚四氟乙烯(PTFE)和不锈钢金属材料；对无机体系的反应或制备无机纳米颗粒等，优选有机材料。进一步的，所述的分液柱与出液口挡板的固定连接处设数个细小的出液孔，作为混合后连续相的出口，形状和位置见图2的组件12所示，孔的数量可以为1-10，优选1-4个，出液孔组成一个与微通道相同的环面，出液孔之间的间隙在保证牢固固定分液柱的情况下所占面积尽量小，出液孔与膜管的底端保证一定的距离，距离的长短根据膜管和微通道的尺寸而定，对陶瓷膜管而言，优选5-40mm，更优选20mm。本发明所述的挡板与分液柱的连接以及挡板与膜管的连接，可以通过本领域熟知的技术手段，例如焊接或螺纹连接的方式。本发明提供一种增强型套管式膜组件微通道膜分散反应器，将分散相通过组件中的膜管上的微孔分散成微米或者纳米尺寸的液滴，该液滴在连续相中或者进行化学反应，或者进行萃取等单元操作，或者形成乳滴，或者液滴内溶剂同连续相互溶导致溶质以固体的形式析出纳米颗粒。本发明的另一个目的是提供一种微通道膜分散反应装置，包括上述本发明的膜组件、分散相进料装置、连续相传输装置和相关的压力、流速的检测和控制的仪表和阀门等装置，以及检测反应进行仪表等装置。所述的分散相进料装置，根据本领域的一般常识，可以是气压传递的动力的进料装置，也可以是平流泵等稳压传输装置。分散相进料装置包括连接分散相料杯的料管和阀门等设备。所述的连续相传输装置，根据本领域的一般常识，包括进料的管道和阀门，以及各种适用的液体泵，泵优选蠕动泵、平流泵、柱塞泵、循环泵和隔膜泵等，更优选无脉冲的四柱塞隔I吴栗。本发明所述的微通道膜分散反应装置采用本领域常规技术方式连接，例如采用CN101683592公开的方法组装，在此引述作为参考。本发明的另一个目的，是提供本发明所述的膜组件用于组装微通道膜分散反应装置的用途。
本发明的膜组件及，可以用于化学反应，萃取，乳化和基于液-液沉淀法制备具有微、纳结构的无机、有机或者药物颗粒反应过程的微观混合或/和反应装置。
图1是流体在平板上流动边界层的示意图。图2是本发明的单微通道膜分散反应装置的膜组件的结构示意图。图3是连续相进液口挡板处的横截面图。图4是4根膜管组成的多微通道反应器的一种具体实施方式
的结构示意图。图5是利用本发明的膜组件以及不装分液柱的膜组件进行萃取的效率比较图。
具体实施例方式下面结合附图2和实施方式对本发明做进一步的详细说明，但不限于本发明。实施例1单微通道反应器的膜组件
图2为本发明所提供的单根膜管微通道反应器的一种具体实施方式
的结构示意图，其中I为连续相的出口，2为快接卡盘，3为密封圈，4为多孔的膜管，5为分散相的进液口，6为分液柱，7为进液口的挡板，8为快捷卡盘的密封圈，9为连续相出口挡板，10为膜组件的外套，11为连续相的进口。图3中12为套管通道流动相的出口孔，13表示分液柱的位置，14表不膜管。位于连续相进液口( 11)和连续相出液口( I)之间，由陶瓷膜管(4 )和分液柱(6 )形成微通道，连续相从其中通过，陶瓷膜管(4)和分液柱(6)分别和连续相的进液口挡板(7)以及连续相的出液口挡板(9 )焊接。膜组件外套(10)焊接在连续相进口挡板(7)和连续相进口挡板(9)上，其内壁和陶瓷膜管(4)的外壁组成分散相腔，外套上设有开口(5)作为分散相的进口 ；外套用快捷卡盘的密封圈(8)密闭。上述所有的部件均通过密封圈(3)进行密封。进一步的，连续相进口附近可连接泵装置，并在分散相入口连接进料装置，并可以添加其他附加装置，如连续相传输装置、流速的检测和控制的仪表和阀门等装置，以及检测反应进行仪表等装置形成微通道膜分散反应装置。当连续相由进口( 11)泵入组件内部，在分液柱(6 )的尖端被劈成均匀的环形截面进入由膜管(4)和分液柱形成微通道内部，此时，分散相通过进液口(5)进入分散液腔，在高压下在从多孔膜管孔上压出来的与连续相相遇，两者形成错流，分散相被高速流过的连续相剪切成一个个的小液滴，小液滴或者同周围的连续相进行化学反应，或者发生萃取，或者形成一个个的微乳，或者发生沉淀形成微球或者纳米颗粒。上述膜组件，液体流经的部件，例如膜管、分液柱、外套内壁，都需经过抛光处理。单微通道膜分散反应的膜组件可以作为实验室使用，或者做工业放大前的小试装置，该装置上摸索出来的条件分散相的压力和连续相在膜管中的流速等条件，可以直接用在工业级的多微通道膜分散反应器。实施例2多微通道膜分散反应器的膜组件
图4为本发明所提供的4根膜管组成的多微通道反应器的一种具体实施方式
的结构示意图。该设计同单微通道反应器类似，由分液柱和膜管内壁组成微通道，多跟膜管外壁和连续相进、出口挡板以及组件外套的内壁组成分散相腔。多微通道膜分散反应的膜组件的每一个通道内部的流体状态相同，因此可以通过增加膜管的数量进行放大，适合工业大生产要求。实施例3制备高浓度的羟丙甲基纤维素(HPMC)分散伊曲康唑(ITA)制备其纳米粒
首先将0.5g的伊曲康唑(ITA)溶于50ml的甲醇/四氢呋喃(1:1)混合溶剂中，震荡IOmin左右,使之完全溶解成为分散相；
然后再配制浓度为8.0mg/ml的HPMC水溶液，搅拌使之混合均匀，得溶液作为连续
相；
在40KPa下，将分散相以lOOml/min的流量分别注入装有分液柱的本发明实施例1的反应器和未安装分液柱的反应器中，其中膜为平均孔径为IOOnm的管状SPG膜，膜的参数为外径10.0mm,内径8.0mm,长度为50.0mm,分液柱的直径是6mm。将上述连续相压入连续相腔体(对于本发明实施例1的装置，是指压入分液柱(6)的尖端被劈成均匀的环形截面进入由膜管(4)和分液柱形成的微通道内部)。过膜后生成白色的超细颗粒悬浮液；然后再使用1.0ym滤膜过滤所得的颗粒；最后再对产生超细颗粒的浆料分别进行冷冻干燥处理。ITA/HPMC纳米粒进行冷冻干燥后分散在水中，使用DLS检测粒径，平均粒径都为130nm左右，说明在该流速下分液柱对颗粒尺寸没有显著的影响。而测定发现装有分液柱的反应器生产纳米粒的浓度为20.35mg/ml,已经可以不经浓缩直接干燥，而未安装分液柱的反应器生成的纳米粒的浓度为2.43mg/ml,仅是安装后浓度的1/8，如进一步减小间隙的尺寸，可以得到浓度更高纳米混悬液。实施例4制备不同粒径的羟丙甲基纤维素(HPMC)分散伊曲康唑(ITA)制备其纳米粒
首先将0.5g的伊曲康唑(ITA)溶于50ml的甲醇/四氢呋喃(1:1)混合溶剂中，震荡IOmin左右，使之完全溶解成为分散相；然后再配制浓度为8.0mg/ml的HPMC水溶液，搅拌使之混合均匀，得溶液作为连续相；然后，在40KPa下，将分散相以200ml/min的流量分别通过装有分液柱的本发明实施例1的反应器和未安装分液柱的反应器中，膜为平均孔径为IOOnm的管状SPG膜，膜的参数为外径10.0mm,内径8.0mm，长度为50.0mm，分液柱的直径是6mm ο按照实施例3的方法操作，过膜后生成白色的超细颗粒悬浮液；然后再使用
1.0 μ m滤膜过滤所得的颗粒；最后再对产生超细颗粒的浆料分别进行冷冻干燥处理。ITA/HPMC纳米粒进行冷冻干燥后分散在水中，使用DLS检测粒径，加入分液柱后的平均粒径为IOOnm左右，而未加入分液柱的装置平均粒径依旧为130nm左右，说明分液柱极大提高了环形腔内连续相的流速，连续相的边界层扩大，层流内层减小，分散后形成液滴的剪切力增大，影响了形成颗粒的尺寸。实施例5萃取实验
实验装置如图2所示.实验所用的膜是疏油的管式孔径为1.Ομπι的Al2O3微滤陶瓷膜(由合肥长城新元膜科技有限责任公司提供)。膜的参数为外径13.0mm,内径9.0mm，长度为50.0mm，分液柱的直径是8mm。实验体系为25% TBP (煤油)/硝酸/水，油相作为分散相，硝酸由水相传到有机相。硝酸浓度由酸碱滴定法测定。分别在装上分液柱的本发明实施例I的组件和不装分液柱的组件中进行萃取效率的比较(按照实施例4的方法操作)，从图5的数据中可以看出，不同的压力和流速下装有分液柱的萃取效率在99%左右，而未装分液柱的组件萃取效率仅能达到90%左右。
权利要求
1.一种用于微通道膜分散反应装置的膜组件，包括: 至少一根膜管，所述膜管两端分别穿过连续相进液口挡板和连续相出液口挡板，并与连续相进液口挡板和连续相出液口挡板密封连接；在膜管外设有外套，所述的外套与连续相进液口挡板和连续相出液口挡板密封连接；所述的外套与连续相进液口挡板、连续相出液口挡板形成包围在所述膜管外侧的分散相腔体；所述的外套上设有分散相进液口，穿过进液口挡板和出液口挡板分别设有连续相的进液口和出液口； 其特征在于所述的膜管内部正中心位置设有一根分液柱，分液柱靠近进液口挡板的一端呈圆锥形，分液柱的另一端与出液口挡板固定连接；分液柱与膜管形成横截面为环状的微通道。
2.如权利要求1的膜组件，其特征在于所述的分液柱与膜管形成的环状横截面的外径和内径尺寸之差为100-2000 μ m。
3.如权利要求2的膜组件，其特征在于，所述的环状间隙间的尺寸100-1000μ m。
4.如权利要求1的膜组件，其特征在于，包括多根并列的膜管。
5.如权利要求1-4任一项的膜组件，其特征在于，所述的膜管的孔径为0.02-100 μ m。
6.如权利要求1-4任一项的膜组件，其特征在于，所述的分液柱与连续相出液口挡板的密封连接处设有小孔。
7.—种微通道膜分散反应装置，包括如权利要求1-6任一项所述膜组件。
8.如权利要求7的微通道膜分散反应装置，还包括与连续相进液口相连接的泵和与分散相进液口相连接的连接进料装置。
9.如权利要求1-6任一项所述的膜组件，组装用于化学反应，萃取，乳化和基于液-液沉淀法制备具有微、纳结构的无机、有机或者药物颗粒反应过程的微观混合或/和反应装置的用途。
全文摘要
本发明提供一种用于制备尺寸均一、稳定的适用于工业化的乳液膜组件，包括至少一根膜管，所述的膜管两端分别穿过流动相进液口挡板和出液口挡板，膜管外设有外套，膜管内中心设有分液柱，和流动相出液口挡板密闭连接。本发明的膜组件特别适用于工业化快速制备纳米级的乳液。
文档编号B01F13/00GK103182278SQ20121000741
公开日2013年7月3日 申请日期2012年1月3日 优先权日2012年1月3日
发明者袁建栋, 马万顺, 孙耀军, 周维娜 申请人:博瑞生物医药技术(苏州)有限公司