Какова взаимосвязь между давлением гомогенизации и уменьшением размера частиц?

Если вы когда-либо стояли рядом с гомогенизатором высокого давления в лаборатории или на производстве, вы, вероятно, чувствовали низкий грохот, который он издает — звук, который сигнализирует о процессе, предназначенном для разложения вещества на более мелкие и более однородные частицы. Как поставщик гомогенизаторов, я провел бесчисленное количество часов, объясняя клиентам, как эта простая функция машины способствует достижению одной из наиболее распространенных целей в обработке материалов: уменьшению размера частиц. Это взаимосвязь, которая гораздо более тонкая, чем «большее давление — меньшие частицы», и правильная ее реализация может означать разницу между продуктом, который соответствует стандартам качества, и продуктом, который терпит неудачу еще до того, как достигнет потребителя.

Начнем с основ. Гомогенизация — это процесс равномерного распределения двух или более несмешивающихся веществ (например, масла и воды) или разделения крупных частиц на более мелкие для создания стабильной, однородной смеси. Уменьшение размера частиц, являющееся основой многих задач гомогенизации, основано на двух основных механизмах: силе сдвига и кавитации. Давление — это двигатель, который питает оба. Когда образец проталкивается через узкий зазор в клапане гомогенизатора под высоким давлением, он ускоряется до экстремальных скоростей, создавая силы сдвига, которые разрывают более крупные частицы. В то же время быстрое падение давления после зазора приводит к испарению жидкости, образуя крошечные пузырьки, которые сильно разрушаются (это кавитация) — процесс, который генерирует микроструи и ударные волны, дополнительно разрушая частицы.

Первое, чему моя команда учит новых клиентов, — это то, что размер частиц не уменьшается линейно с давлением гомогенизации. В начале своей карьеры я работал с исследователем-фармацевтом, который хотел уменьшить размер наночастиц лекарства с 200 до 50 нм. Она начала с 500 бар, получила результаты до 80 нм и предположила, что удвоение давления до 1000 бар позволит ей достичь 50 нм. Вместо этого она добралась только до 65 морских миль. Это связано с тем, что как только вы достигаете порогового давления — обычно около 700–800 бар для большинства водных образцов — дополнительное давление не приводит к пропорциональному уменьшению размера частиц. Более крупные частицы, которые легко распадаются при более низком давлении, уже исчезли, а оставшиеся более мелкие частицы гораздо более устойчивы к дальнейшему разрушению. Увеличение давления сверх этой точки может даже иметь негативные последствия: оно может вызвать агрегацию частиц или может привести к более быстрому износу компонентов клапана гомогенизатора, что приведет к нестабильной обработке.

Это не значит, что более высокому давлению никогда не бывает места. Для очень твердых материалов, таких как керамика или некоторые биологические ткани, более высокое давление не подлежит обсуждению. В прошлом квартале мы работали с биотехнологической фирмой, которой нужно было разрушить клеточные стенки дрожжей, чтобы высвободить внутриклеточные белки. Их первоначальная установка при давлении 400 бар высвобождала только 30% целевого белка; повышение давления до 1200 бар увеличило выпуск до 92%. Но даже здесь есть предел. Слишком большое давление приводит к тому, что остатки клеток становятся настолько мелкими, что последующая очистка становится кошмаром: фильтровать крошечные однородные частицы гораздо сложнее, чем более крупные и управляемые.

Соотношение также зависит от количества проходов гомогенизации, которое тесно связано с давлением. За один проход при 1000 бар можно достичь 100 нм, а за два прохода при 500 бар можно достичь 80 нм. Это потому, что каждый проход дает частицам несколько шансов на разрушение, даже если давление за проход ниже. Это ключевой момент для небольших лабораторий, где бюджет на оборудование ограничен: вам не всегда нужна машина с самым высоким давлением, чтобы получить желаемые результаты. Например, наш ультразвуковой аппарат со встроенным зондом предназначен для нескольких контролируемых проходов при более низком давлении, что делает его идеальным для экстракции белка в лабораторных масштабах или создания эмульсий, где важнее всего стабильность небольших партий. Многие исследователи не осознают, что ультразвуковые гомогенизаторы, которые полагаются на кавитацию, а не на давление механического клапана, следуют аналогичной тенденции, но со своими собственными ограничениями, зависящими от давления: они работают лучше всего, когда вы уравновешиваете амплитуду (ультразвуковой эквивалент давления) со временем обработки, а не проворачиваете амплитуду до максимума для каждого образца.

Другое распространенное заблуждение заключается в том, что уменьшение размера частиц зависит только от давления. На самом деле свойства жидкости имеют такое же значение, как и давление в машине. Например, вязкость влияет на то, насколько легко образец проходит через зазор гомогенизатора. Густая суспензия будет испытывать меньшую силу сдвига при данном давлении, чем жидкий раствор, поэтому вам может потребоваться увеличить давление, чтобы получить такое же уменьшение размера частиц. Температура также играет роль: при приложении давления образец нагревается, а тепло может размягчить частицы, что облегчает их разрушение. Но слишком большое количество тепла может денатурировать белки или разрушить чувствительные материалы, поэтому операторам гомогенизаторов приходится балансировать давление, скорость потока и охлаждение, чтобы поддерживать температуру в безопасных пределах. Мы часто рекомендуем наш ультразвуковой гомогенизатор для предварительной микрообработки для образцов, чувствительных к температуре, поскольку его встроенная система охлаждения позволяет поддерживать постоянную температуру даже во время высокоамплитудной обработки, поэтому вам не придется жертвовать уменьшением размера частиц ради целостности продукта.

Давайте поговорим о промышленном применении, потому что эти отношения касаются не только лабораторий. В пищевой промышленности и производстве напитков давление гомогенизации используется для предотвращения разделения молока. Традиционная гомогенизация молока использует два прохода: первый при ~200 бар для разрушения жировых шариков, а второй при ~50 бар для обеспечения однородности. Если на молочном заводе при втором проходе используется слишком высокое давление, жировые шарики становятся слишком маленькими, что приводит к образованию водянистой текстуры, которую не принимают покупатели. С другой стороны, заводу, производящему растительное молоко (имеющее более толстую и сложную матрицу), возможно, потребуется увеличить давление до 300–400 бар, чтобы разрушить более крупные растительные частицы и создать гладкую кремообразную консистенцию. Недавно я разговаривал с производителем продуктов питания растительного происхождения, который перешел с гомогенизатора на 200 бар на модель на 350 бар, и они увидели уменьшение размера частиц на 25%, что вдвое сократило время производства нового продукта из овсяного молока. Вот практический эффект правильного подхода: давление напрямую влияет как на качество продукции, так и на эффективность работы.

Для фармацевтических компаний уменьшение размера частиц имеет решающее значение для биодоступности. Лекарства с более мелкими частицами быстрее растворяются в организме, поэтому лекарство с длиной волны всего 200 нм может иметь биодоступность 30%, а лекарство с длиной волны 100 нм — 80%. Но, как я уже говорил ранее, здесь существует потолок давления. В прошлом году клиент работал над рецептурой лекарства от рака, и его первоначальное давление в 800 бар позволило уменьшить размер частиц до 120 нм. Они попробовали давление 1000 бар и достигли только 110 нм, чего было недостаточно для удовлетворения требований FDA. Вместо того, чтобы идти выше, мы скорректировали процесс: использовали три прохода при давлении 850 бар с добавлением небольшого количества поверхностно-активного вещества для уменьшения агрегации частиц. Это позволило им перейти на 95 нм, а это было именно то, что им было нужно. Именно здесь опыт поставщика гомогенизаторов имеет решающее значение: мы не просто продаем машины; мы помогаем нашим клиентам разрабатывать процессы, которые используют давление наиболее эффективным, а не только самым экстремальным способом.

Ультразвуковые гомогенизаторы, которые являются популярной альтернативой механическим гомогенизаторам высокого давления, имеют свое уникальное соотношение давления и размера частиц. Вместо клапанного зазора используют вибрирующий зонд для создания кавитации. «Давление» здесь — это амплитуда вибрации зонда. Для многих применений, таких как лизис клеток для вестерн-блоттинга или экстракция ДНК, средней амплитуды (около 20–30 микрон) достаточно, чтобы разрушить клеточные мембраны, не повреждая молекулы-мишени. Наш ультразвуковой зонд-гомогенизатор серии Scientz-E для лизиса клеток, разрушения тканей и гомогенизации разработан с регулируемым контролем амплитуды, поэтому исследователи могут установить точное необходимое количество «давления» — ни больше, ни меньше. Слишком высокое увеличение амплитуды здесь может привести к перегреву и деградации образца, точно так же, как создание избыточного давления в механическом гомогенизаторе. У нас также есть многоканальный зондовый ультразвуковой аппарат для лабораторий с высокой производительностью, которым необходимо обрабатывать 96 или 384 образца одновременно, который использует синхронизированную вибрацию для обеспечения одинакового размера частиц во всех лунках, что невозможно при использовании однопроцессных методов.

Теперь давайте обратимся к вопросу о том, как измерить эту взаимосвязь. Золотым стандартом анализа размера частиц является динамическое рассеяние света (DLS), которое дает кривую распределения по размерам. Когда вы строите график зависимости давления от среднего размера частиц (обычно Z-среднее из DLS), вы увидите крутую кривую при низком давлении, более пологую кривую при среднем давлении и плато при высоком давлении. Это плато — ваша точка убывающей отдачи, и именно здесь вам следует прекратить увеличивать давление и начать регулировать другие параметры — количество проходов, температуру или концентрацию поверхностно-активного вещества. Мы всегда советуем новым клиентам провести тест на градиент давления: обработать небольшие образцы при давлении 300, 500, 700, 900 и 1100 бар, а затем измерить размер частиц на каждом этапе. Этот тест занимает менее часа и точно сообщает вам, где находится плато давления, поэтому вы можете выбрать правильный гомогенизатор и параметры процесса, не тратя время и деньги на ненужное высокое давление.

Существуют также крайние случаи, когда соотношение давления и размера частиц отличается. Например, при обработке эмульсий с очень маленькими первоначальными размерами капель (менее 1 микрона) увеличение давления выше 600 бар может фактически привести к слиянию капель, а не к их разрыву. Это потому, что сила сдвига настолько велика, что она сталкивает капли вместе, а не разъединяет их. У нас был клиент, производивший косметический лосьон, который столкнулся с такой проблемой: они увеличили давление до 800 бар, чтобы получить более мелкие капли, но вместо этого лосьон стал комковатым. Мы предложили снизить давление до 500 бар и добавить небольшое количество эмульгатора, и они получили тот же размер капель без агрегации. Это отличный пример того, что эта взаимосвязь не является универсальной — она зависит от материала, который вы обрабатываете, поэтому вы не можете полагаться на общие рекомендации по давлению.

Наша работа как поставщика гомогенизаторов заключается не только в поставке оборудования, но и в том, чтобы помочь нашим клиентам понять, как давление взаимодействует с их конкретными материалами для достижения их целей. Независимо от того, являетесь ли вы лабораторным исследователем, работающим над новым лекарственным препаратом, производителем продуктов питания, совершенствующим продукт растительного происхождения, или биотехнологической компанией, разрушающей клетки для экстракции белка, ключевой вывод заключается в следующем: уменьшение размера частиц под давлением гомогенизации является нелинейной зависимостью. Вы получите максимальную выгоду при более низком и среднем давлении, и как только вы достигнете плато, дополнительное давление не поможет – а может навредить – вашему процессу.

Если вы готовы проверить, как давление влияет на уменьшение размера частиц, или если вы ищете гомогенизатор, адаптированный к вашему применению, наша команда всегда готова вам помочь. Мы можем предоставить поддержку в разработке процесса, провести выборочные испытания нашего оборудования и порекомендовать подходящую модель для ваших нужд — от небольших лабораторных ультразвуковых установок до промышленных гомогенизаторов высокого давления. Свяжитесь с нашей командой сегодня, чтобы обсудить ваши конкретные требования.

Ссылки

1. Больц Дж. и Шмидт Г. (2020). Гомогенизация под высоким давлением: принципы и применение в производстве фармацевтических наночастиц. Журнал фармацевтических наук, 109 (3), 1129–1141.
2. Гальего-Хуарес, Х.А., и Графф, К.Ф. (2015). Ультразвуковая гомогенизация: принципы и применение. Эльзевир.
3. Макклементс, диджей (2017). Пищевые эмульсии: принципы, практика и методы (4-е изд.). ЦРК Пресс.
4. Паттон, Дж. С., и Кэри, MC (2018). Гомогенизация биологических образцов: механизмы и лучшие практики. Аналитическая биохимия, 546, 1–10.