高壓均質技術及應用場景

一、高壓均質技術簡介

高壓均質 (HPH) 于 20 世紀初由 Auguste Gaulin開發，用于使用高達 30 MPa 的壓力加工牛奶，以提高產品穩定性。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、材料生產和加工以及生物工藝技術等多個行業液體產品處理的完整單元操作，而且應用領域可能還會繼續擴大。

我們將簡要介紹HPH在以下三個領域的應用：

?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（API處理、賦形劑處理、治療性納米顆粒、細胞破碎）；

?材料和化學品（碳納米管/石墨烯處理、納米流體、聚合物處理、納米纖維素）。

二、高壓均質應用

?食品和飲料

HPH 植根于食品 & 飲料行業，在許多成熟的應用中仍然是一個完整的操作單元，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應用中需要改進的領域。

除了對食品可持續性和氣候變化的擔憂之外，替代食品的發展還包括植物性乳制品和肉類、實驗室培養肉類、精密發酵蛋白質以及昆蟲蛋白正在獲得消費者和商業層面的興趣。HPH 在加工替代食品中的應用在功能上與傳統食品相同，因為需要類似的加工目標，例如提高產品穩定性和感官特性、增強結構和物理-化學性能以及改進的加工性能。工藝目標、技術要求和實施方面的相似之處有助于其發展，因為傳統食品加工方面的大量先驗知識可促進替代食品生產的工藝開發和規模化放大。

HPH 最近被應用于將肉類廢料轉化為營養和功能產品，這有助于提高肉類行業的可持續性。HPH閥中的強大力量可以顯著改變蛋白質結構，例如肌原纖維破壞、解聚、蛋白質解折疊等，從而導致蛋白質的理化性質發生深刻變化，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，例如溶解度和發泡能力。HPH 還可以使生物聚合物等添加物與蛋白質有效分散，從而改善膠體穩定性和薄膜水蒸氣滲透性等性能。HPH 實現的這些改善使原本可能被丟棄的低價值肉類蛋白質能夠轉化為高價值產品。

HPH 還被用于開發和生產具有更優化的健康益處的創新食品，例如功能性食品，其通常具有增強的感官特性和穩定性。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，促進了這一趨勢。這些納米乳液通過摻入親脂性成分，改善產品外觀和穩定性，保護敏感化合物并增強功能性成分的生物利用度。

?制藥和生物技術

HPH 最近在制藥領域的廣泛應用依賴于 HPH 在新應用和改進現有產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，用于增強藥物遞送。

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的常見藥物賦形劑。這些聚合物系統廣泛用作藥物遞送和組織工程載體液體、懸液或透皮產品中的增稠劑或穩定劑。HPH 通常用于這些聚合物的生產和改性。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也經常應用于聚合物和膠類的改性，因為它可以通過強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半徑減小，從而提高加工性能并實現新的制劑策略，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度和耐水性來提高產品質量。

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。一個特別值得注意的應用是 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為不可行的藥物的商業化將成為可能。雖然這種方式并不新鮮，但越來越多的研究開始側重于更好地理解產品和工藝之間的關系，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 處理中的另一個值得注意的應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，如噴霧劑、乳膏劑和膠囊。藥物納米乳劑的優點包括提高生物利用度、穩定性和控釋效應。在制藥領域之外，最近對納米乳化工藝各個方面的研究通過優化乳化劑類型和使用濃度、HPH操作條件和設備設計、工藝類型和配置獲得了更好的工藝和產品理解。這些研究的許多見解為制藥和相關行業使用 HPH 制備納米乳液提供了指導。

納米顆粒系統：制藥行業中的納米顆粒系統形成了實現一系列臨床和治療目標的重要平臺，以實現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的可行機制：脂質納米顆粒、聚合物納米顆粒和無機/混合型納米顆粒。HPH 在處理治療相關納米顆粒方面的應用不斷增加。大多數文獻報告側重于開發不同 API 的納米顆粒產品和配方，使用脂質和聚合物納米顆粒進行基因治療、分子靶向劑和顯像劑。行業已對HPH 在納米顆粒生產領域的應用進行了大量探索，以便為規模放大、工藝控制和優化提供見解。

生物制藥和生物技術應用：涉及 HPH 的生物制藥和生物技術應用都依賴于其成熟的細胞破碎/裂解能力。這些應用包括通過批次或連續模式，使用各種細胞類型生產無細胞蛋白質合成系統、重組蛋白和病毒樣顆粒生產的下游處理以及從藻類中提取油和其它產品。有研究分析了工藝過程和產品的具體細微差別，探索提高效率、質量和控制的途徑，包括研究上游和下游單元操作之間對包涵體質量和產量的相互作用，改進細胞破碎過程監控策略以及工藝優化策略。

?材料和化學品

聚合物生產和加工：天然生物聚合物被探索作為多種用途的替代和可持續材料，例如作為合成聚合物替代品、治療應用和電子材料。HPH結合酶水解等其它技術，已成功應用于納米纖維素、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。通常，天然生物聚合物不具備后續加工或最終產品所需的物理化學性質。通過化學處理來改變流變特性或添加增塑劑等改性劑來形成復合材料可能是必要的。在大多數情況下，HPH主要用于生產目的材料，之后再利用其它技術進行后續加工步驟。在某些情況下，HPH也用于后續的改性和加工步驟，例如淀粉納米顆粒的改性、聚合物分散體的流變和結構改性以及形成納米原纖化纖維素復合材料。納米纖維素作為納米級尺寸的纖維素材料值得特別關注，其主要有三種形式：納米結晶纖維素、細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的極大興趣，例如作為高強度和剛度的可生物降解天然產物以及表面化學修飾的可能性。納米纖維素已應用于許多領域，例如食品、復合材料和包裝、電子產品、生物醫學以及制藥。HPH 已成為加工和生產納米纖維素及其衍生物的便捷、可放大且相對環保的技術。HPH 的應用會導致纖維素發生多種物理化學變化，包括內外部原纖化、平均粒徑和結晶度降低以及聚合物長鏈斷裂而導致的分子量分布影響，HPH 過程中的強烈剪切被認為是主要的作用機制。

納米級材料和流體：HPH 已應用于通過液相剝離大規模生產許多納米材料，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應用通常需要將納米結構材料分散在某些介質中，在某些情況下，可以直接使用液相剝離步驟產生的分散體。相應地，HPH適合用于直接生產各種分散體，并已被證明是一種分散和潛在改性納米材料的有效技術。許多研究成功使用 HPH 作為加工步驟來生產先進材料，例如石墨烯薄膜和油墨、融入納米材料的聚合物復合材料以改善機械、熱和電性能，以及納米流體。一個特別值得關注的應用是生產用于電池電極涂層的石墨烯/碳納米管漿料，該應用最近獲得了顯著的工業吸引力。

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熱流體，可提高發動機冷卻或建筑溫度管理系統的傳熱性能和熱效率。HPH 已成功用于生產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，均質過程已應用于相變材料乳液的生產，后者目前正被研究用作先進的熱流體和儲能介質。

在將 HPH 用于新應用時，除了考慮均質效應與計劃應用的相關性和適當性之外，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，均質器/泵閥和墊圈/O 形圈）。第一個因素與操作 HPH 工藝的技術可行性有關：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機。另外兩個因素影響 HPH 工藝的商業可行性，能耗過高和/或易損件磨損過快，可能導致成本過高和生產停機。