在混合兩種不溶混的流體時控制乳狀液的液滴體積的方法
2023-05-29 07:58:21 1
專利名稱：在混合兩種不溶混的流體時控制乳狀液的液滴體積的方法
技術領域：
本發明涉及一種在兩種流體發生乳化作用期間，通過驅使離散液相進入連續液相，例如採用膜乳化技術，控制液滴體積的方法。
背景技術：
兩種不溶混的液體進行混合一般形成分散相和連續相。這種混合過程的一個眾所周知的例子是乳化作用。在該申請中，術語乳化作用指的是兩種不溶混的流體相混合形成分散相和連續相。一個例子是水和油的乳化。乳狀液的性能可以取決於其分散相液滴體積和大小分布。在本領域中一直致力於控制液滴體積和大小分布。
US-A 3278165公開了可以應用振動元件作為進行分散或乳化的設備。這種加工方法既不能形成特別小的分散度，也不能調節或調整液滴體積。
從幾份出版物可知採用膜生產含油和水的乳狀液。文獻，例如，Suzuki等「國際食品科學工藝學」(Food Science Technol.Int.)，東京，2(1)，43～47，1996，提出已經成功地應用了這種技術。初始的工作使用的是燒結微孔玻璃膜。最後，採用雷射燒蝕技術已經製造出不同的材料。與通過例如湍性剪切的傳統乳化相比較，膜乳化技術的所謂優點是，與傳統技術相比，液滴體積和大小分布更可控制，產物可以更具有重現性，能量需求低。
WO-A-97/36674公開了一種製備乳狀液的方法，其中不連續相通過膜進入循環連續相，所述膜具有以下特徵中的至少一項a)其由陶瓷或燒結材料組成；b)其以許多彼此可以相同或不同的部分形成；c)至少一個部分是管狀的，並且直徑沿管長呈擴展狀。
另外，JP 2-214537公開了一種製備乳狀液的方法，其中水相在壓力下經過膜孔進入含有表面活性劑的油相，所述膜在該過程中經受超聲輻射(頻率至少20kHz)。US-A-3,809,372指出，應用超聲通過膜製造乳狀液。這種方法製備的乳狀液的液滴體積範圍相當寬，還發現就是不可能調整液滴體積。另外，將超聲輸入膜中，因為流體的阻尼作用，會產生技術方面的困難。
DE-A-4304260公開了將分散相脈動擠入連續相。對於膜的每個孔而言，不是一個一個單獨地調整驅動，而是通過移動(displacement)第一室中的膜來控制。這種方法僅僅有限地控制液滴體積和大小分布。
DE-A-952707還公開了將超聲元件作為能量部件引入連續相使不連續相破碎為液滴。這種方法對液滴體積形成和液滴大小分布提供即使有也很有限的控制。
應用模乳化的已知工藝有幾個另外的缺點。首先，所形成的乳狀液沒有可控制的單分散性。第二，這種系統難以按比例擴大。已經發現，對於許多液/液膜系統而言，僅僅幾個孔有效，這樣使效率大大降低。另外，超聲系統需要很高的能量輸入。這對所涉及的產品可以產生局部負面影響，例如，由於局部受熱。還有，應用超聲使方法複雜化並且昂貴。
本發明的一個目的是，提供一種能夠精確控制液滴體積的膜乳化方法。另一個目的是製備具有預定體積的液滴的單分散乳狀液。再一個目的是提供一種有效的並且容易按比例擴大的方法。
發明概述令人驚異的是，已經發現，分散相流體的擠出中斷能夠控制最終產物的液滴體積和液滴大小分布。
所以，本發明涉及一種製備一種流體在另一種流體中的分散體的方法，包括將一種作為分散相的流體經膜孔口擠出到另一種作為連續相的流體中，其中，在分散流體從孔口排出之前、之中或之後，擠出發生中斷。
在本發明的另一方面中，本發明涉及所述方法用於製備含有油和水的乳狀液的應用。
發明詳述在本發明範圍中，術語「脂肪」和「油」可互換應用。術語油涵蓋甘油三酯油和甘油二酯油兩者。
對本發明來說，除非另有說明，wt％被定義為對於產物總重量的重量百分數。
圖1示出交叉流動膜乳化原理。
將分散相經過構成膜的一個孔道或許多孔道擠出。膜本身包含一個孔道或多個孔道，這些孔口的形狀可以是相同的或不同的。優選孔口是圓形。另外，優選膜包含許多孔道。
膜由任何適宜材料製成。高度優選具有一致的幾何形狀和間隔的孔道構成的膜。可以使用陶瓷材料。替代地，膜可以以矽片為基礎。
膜的幾何結構依用途或其預計應用的安裝而變化。膜可以是管狀的，連續相流過管的內側。替代地，膜為水平放置的，連續相在膜的一側流動。可以應用死端乳化。另外，連續相流動不必與含有孔道的表面平行。在優選實施方案中，膜在連續相交叉流動下操作。
在分散流體從孔口排出之前、之中或之後，分散相經孔口進入連續相的擠出發生中斷。這種中斷形成大小分布一致且可控的液滴。已知，通過改變連續相流過排出分散相的孔口的速度，能夠改變液滴體積。但是，按照本發明的中斷擠出法使液滴體積隨著改變中斷頻率而變化。因此，對於流動狀態的一種固定幾何條件而言，採用連續液相速度與中斷振動頻率的組合，能夠使液滴體積「可調」。
可以以許多方式得到擠出中斷。優選，通過幹擾連續流體流動或將能量輸入到分散流體，引起流動中斷。因為超聲的上述缺點，在本發明中不包括應用超聲把能量賦予分散流體。另外，超聲還難以控制，因此所得乳狀液，對於分散相而言，沒有受控的且一致的液滴大小分布。
對於本發明而言，將中斷定義為分散相流過孔口基本完全停止。基本完全停止是分散相的原流量的至少90％停止，更優選95～100％停止，最優選流過孔口的分散相全部停止。
按照優選實施方案，通過幹擾連續流體流動引起擠出中斷。流動的這種幹擾可以通過各種措施得到。已經發現，通過放置在距孔口短距離處的金屬絲或板的簡單振動，能夠很容易地控制液滴體積和大小分布。圖2顯示了使用板的實施方案。
所以，優選，通過使放置在距擠出分散相所經過的孔口1mm以下，優選0.1～0.5μm的距離的金屬絲或板振動，幹擾連續流體流動。
放置金屬絲或板應使得它們仍能與形成的分散相液滴相互作用。如果使用金屬絲，優選放置金屬絲使得它跨越孔口中心，同時與膜平行放置。應當理解，對於包含許多孔口通道的膜而言，可以應用匹配的許多金屬絲。
如果使用板，優選將它與膜平行放置。
金屬絲或板通過在特定頻率下振動來幹擾擠出。令人驚異的是，這種頻率不需要諸如超聲的高頻。優選，金屬絲或板的振動頻率為0.1～2kHz，優選1～1.8kHz。可以使用更高的頻率。
已經發現，分散相的液滴體積可以通過金屬絲或板的振動頻率進行控制。通過增加振動頻率使液滴體積減小。如上文所述，分散相的液滴體積還可以通過連續相交叉流動速度來控制。通過增加連續相流動速度，降低液滴體積。
任選應用許多金屬絲，從而對不同金屬絲施加不同振動頻率。
按照另一個實施方案，放置梳型結構，代替金屬絲，並在膜孔口附近振動。
控制分散相液滴體積的另一種途徑是藉助於膜孔口直徑。優選膜孔口直徑為0.1～120μm，更優選0.2～8μm。
控制液滴體積的還有的另一種途徑是孔出口的幾何形狀，以及膜表面是疏水的還是親水的。
在優選實施方案中，採用在鄰近孔口處局部地施加的裝置產生中斷。按照另外的優選實施方案，對於每個孔口而言局部地，且優選一個一個單獨地施加裝置。
已經發現，這種方法非常適用於微化體系。所以，在優選實施方案中，本發明涉及一種採用微技術電動機械裝置產生流動幹擾或能量傳遞的方法。
該方法適於製備不溶混流體的混合物。優選混合流體是油和水，藉此分別用作分散流體或連續流體。連續流體和分散流體兩者本身可以是流體混合物或者從開始就是乳狀液。
優選，連續相流體是水。還優選，分散相流體是油。
在優選實施方案中，兩種流體之一包含表面活性劑如Tweentm，脂肪酸單/二甘油酯，Spantm，卵磷酸或其組合。
另一方面，本發明涉及用於製備含有油和水的乳狀液的本發明方法的應用。這些乳狀液施加到例如食品、護膚品和洗髮香波等中。食品的例子是沙司、新鮮乳酪、蛋黃醬、可塗產品、調味品。護膚品的例子是膏霜、化妝水。
現以如下非限制性實施例對本發明進行舉例說明。
實施例設計單孔矽片，其以金絲閘門為特徵，在DERA，Malvern製造。孔徑大小為5μm直徑，跨有5μm直徑金絲。所述矽片裝在透明塑料支架中，使連續相的交叉流動能夠在振動金絲情況下通過矽片同側上的孔。金絲連到兩個電極、5MHz脈衝/函數發生器和示波器上，並以約0～1.5kHz的頻率擺動。連續相是水，採用注射泵驅動油通過孔進入水流中。金絲位於流動方向上。實驗在如下條件下進行a)油相低粘度礦物油b)油相流速2.218cm3/h(6.16×10-10m3/s)c)連續相水加2％Tween 20d)連續相流速8mm/s當金絲振動時(按照本發明)，影響是瞬時的，液滴體積呈現很一致的大小分布，其平均直徑為36μm，標準偏差為2.31。
當振動停止(0Hz，不按照本發明)時，發現，具有金絲處於靜止狀態的單孔口產生直徑約60μm的液滴。
權利要求
1.一種製備一種流體在另一種流體中的分散體的方法，包括將一種作為分散相的流體經膜孔口擠出到另一種作為連續相的流體中，其特徵在於，在分散流體從孔口排出之前、之中或之後，擠出發生中斷。
2.按照權利要求1的方法，其中流動中斷通過幹擾連續流體流動或者將能量輸入到分散流體中引起。
3.按照權利要求1的方法，其中擠出中斷通過幹擾連續流體流動引起。
4.按照權利要求3的方法，其中連續流體流動通過使放置在距擠出分散相所經過的膜孔口1mm以下距離的金屬絲或板振動來幹擾。
5.按照權利要求4的方法，其中金屬絲或板以0.1～2kHz，優選1～1.8kHz頻率振動。
6.按照權利要求1～5中任何一項的方法，其中膜孔口直徑為0.1～120μm，優選為0.2～8μm。
7.按照權利要求1～6中任何一項的方法，其中流動幹擾或能量傳遞用微技術電動機械裝置產生。
8.按照權利要求1～7中任何一項的方法，其中膜在連續相交叉流動下操作。
9.按照權利要求1～8中任何一項的方法用於製備含有油和水的乳狀液的應用。
全文摘要
本發明涉及一種通過膜乳化製備乳狀液的方法，其通過中斷分散相的擠出能夠控制分散相尺寸和尺寸分布。
文檔編號B01J19/10GK1688381SQ03823618
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月29日 優先權日2002年10月2日
發明者H·克拉雷, C·A·皮森, I·A·香克斯 申請人:荷蘭聯合利華有限公司