【仪器设备笔记】均质机 - 原理、程序、组成、类型、用途、示例
2023-08-11 08:34
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通过均质化将样品分成相同的部分，即使样品的一部分被移除，也能保留样品其他部分的分子组成。它还经常用于充分混合不混溶的材料。均质化的目的是减小颗粒尺寸，破坏细胞壁和/或细胞膜，破坏病原体，并形成稳定的乳液和分散体。对此的一个经典例证是牛奶的均质化，它分布并浓缩乳脂球，使它们均匀地分散在剩余的牛奶中。使用均质机/均质器的机械装置实现均质化。奥古斯特·高林 (Auguste Gaulin) 开发了均质机来混合牛奶。该装置由安装在出口处的带有毛细管的正排量三活塞泵组成。 机械均质设备的通用名称包括均质机、均质器、匀化器、匀浆器、细胞裂解仪、高剪切混合器、转子定子均质器、分散器、超声波发生器和组织破碎器等。一系列过程（包括使用均质器）经常用于完成 DNA、RNA 或 mRNA 提取以及需要在不降解核酸的情况下均质样品的其他操作。均质器经常使用装有陶瓷珠的预填充微管来帮助破碎和混合细胞。通过均质器的振荡或往复运动，这通常会变得更容易。剪切、空化和湍流这三个基本物理原理共同作用，产生均化作用。剪切：流体剪切的主要原因是粘度引起的流体分子之间的摩擦。大颗粒和液滴的尺寸因剪切力而减小。当大颗粒或液滴被困在以不同速度移动的流体层之间时，它会经历剪切。空化：当流体压力显着降低时，就会发生空化。在较大压力下引入流体的泵通常在上游具有均质器阀。这使得微小的气穴可以短暂地形成空腔。当这些空腔塌陷或内爆时，会产生冲击波，破坏混合物中的颗粒和液滴。湍流：当流体达到高速时，就会变成湍流。由于高速，流体的运动不稳定。这些不稳定的运动是一种能量耗散，其中流体的动能以涡流和少量热量的形式转化为内能。颗粒的尺寸因产生的涡流而减小。- 通水运行约5分钟后，停止均质机，松开入口接头将水排出，然后将其拧紧。
- 一旦机器开始以其最大容量进行泵送，第二级阀的压力调节手柄就会设置为所需的压力。然后调节第一级压力。
- 机器的产品排放被改变方向，直到达到必要的均化压力。
- 一旦实现正常功能，旁通阀就会转动，将产品流送入处理系统。
均质器包括一个高压泵，该泵配有一个小孔，该小孔具有可调节的开口，通过该开口以非常高的压力驱动流体。泵、均质阀、破碎环、张力弹簧和阀座构成均质机的主要部件。均质阀：是均质机的心脏。该阀门由张力可调的强力弹簧固定。均质机有单级、双级、甚至多级等多种类型。单级均质机中只有一个均质阀。通常，均质阀由阀门、阀座和冲击环组成。相反，双级均质机有一个额外的均质阀。破碎环：破碎环是阀门的主要部件。流经阀门和阀座形成的开口的流体垂直撞击破碎环的内壁。较大的颗粒或球体的尺寸进一步减小为更细的形式。张力弹簧：阀门应保持在可调节的张力下。随着作用在阀门上的流体压力增加，流体压力会上升数千英寸，从而导致孔口形成。
机械均质器、高压（或活塞泵）模型和声波破坏器是三种最常见的类型。在机械均化器中破碎预混物成分的主要能量来源是机械功。采用桨、锥体和叶片等旋转部件代替阀门。通过将转子与适当的定子耦合来产生均化的理想环境。运动部件产生的机械撕裂是驱动均化过程的原因。胶体磨、转子-定子均质机和珠磨机是最流行的机械均质机类型。图：机械均化器。图片来源：Mondal等人。(2019)均化过程是由运动部件引起的机械撕裂引发的。转子-定子原理控制着胶体磨的运行。通过在液体中分散成分，机器可以分解材料。在静态锥体（定子）和快速旋转锥体（转子）之间，存在一个发生剪切的小间隙。胶体磨最常见的应用是粉碎固体和产生悬浮液，特别是那些包含未被分散介质润湿的固体的悬浮液。在转子-定子均质化中，使用金属轴（转子）在固定金属壳体（定子）内旋转。通过转子的旋转，样品被吸入转子和定子之间的空间。由于转子和定子之间的限制区域内速度的剧烈变化，它受到极强的剪切力。转子-定子均质机非常适合混合液体或用液体制成乳液。珠磨机是通过在圆柱形容器中搅拌研磨介质（珠子）来研磨或分散浆料中的微小颗粒。研磨机的转子产生珠子运动，使颗粒受到强烈的剪切力和碰撞。这些均质机具有由叶片制成的转子。只有刀片的高速旋转才能产生剪切效果。均质阀和高压泵组成高压均质机，通常称为活塞均质机。这些通常与液体和类似材料一起使用。这种方法最常用于均质牛奶。通过在极高压力下运行的活塞泵（连续满量程运行时压力高达 1,500 bar / 21,750 psi），它们迫使物质通过微小的管道或阀门。图：高压均质器。图片来源：Cho 等人。（2012）超声波均质器通常称为超声波发生器或声波破坏器，利用超声波空化物理原理。通过在超声波频率下交替产生稀疏和压缩周期，产生空化。气蚀是部件损坏的主要原因。图：超声波均质器。图片来源：巴巴吉德等人。（2010）微生物灭活：高压均质主要通过由于湍流、冲击、空间压力和速度梯度而机械破坏细胞壁来杀死营养细菌。乳化：生产食品和药品的关键目标之一是灭活微生物。由于热处理或巴氏灭菌都有可能损害产品质量，因此均质化成为重要的替代方案，因为它使用机械作用来消灭细菌。细胞分级分离：生物技术公司经常使用细胞内成分回收来生产药用和农业生物产品。因此，控制均质化程度能够破坏细胞并保存细胞内成分。酶活化/失活：可以仔细调节均质压力以针对某些酶进行活化或失活。饮料和酒精饮料的制造可以利用这种能力。化合物提取：当生物物质通过均质器承受动态压力时，多酚、类黄酮、番茄红素和其他类似化合物等高价值化学物质更加稳定，更容易提取。- 切勿让均质机干燥。为了防止机器缺料，必须保持充足的饲料。
- 在再次使用均质器之前，需要将流入室的过滤器取出、清洁并重新安装。
- 均质机运行时，切勿关闭产品输送线上的三通阀，因为这样做可能会严重损坏设备。
- 它通过均质过程中产生的热量有效杀死食品样品中的微生物。
- 在一些乳液/分散体配方中，均质化的能量效率较低，这意味着大约一半的能量以热量的形式损失掉。
- 由于均质化工艺会缩小液体的颗粒尺寸，因此无法有效地生产固体食品或大颗粒食品。
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