專利名稱：一種膜分散式微通道反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種膜分散式微通道反應器，以及用于該膜分散式微通道反應器的膜組件。
背景技術：
微、納結(jié)構(gòu)的顆粒如金屬和金屬氧化物納米顆粒、無機化合物、有機化合物和藥物顆粒在現(xiàn)代生活的的各個領域，如電子、信息、工程、能源、化工、機械和醫(yī)療等，都有著廣泛的應用，更是新興的經(jīng)濟增長點之一。各種物理和化學的制備微、納結(jié)構(gòu)材料的方法和工藝被開發(fā)并不斷發(fā)展，然而在傳統(tǒng)的化學反應和沉淀法等工藝中，需要利用攪拌、超聲和噴射以及研磨等手段進行混合和傳質(zhì)，但是這些手段在傳質(zhì)效率和效果上較差，無法制備出尺寸均一的乳滴和顆粒，并且粒徑控制難度高，批次之間的重復性差。基于微加工技術的微通道反應器，可以實現(xiàn)對的微量液體的精確控制，使混合、化學反應等等一系列的單元操作都在精確的體積內(nèi)進行，可以提高生成的微乳和顆粒的均一性，但是基于微加工技術的微反應器存在加工成本高和放大困難的缺點，目前只能用于實驗室研究，還無法大規(guī)模的應用于實際的生成中。利用多孔膜作為分散介質(zhì)的膜分散式反應器是近些年發(fā)展起來的一種新型的反應器，即通過微孔膜使一側(cè)的流體在壓力的作用下以均一度高尺寸細小液滴的形式分散到膜另一側(cè)的液體中，由于細小液滴有著更大比表面積，同另一相接觸時傳質(zhì)和傳熱更快更充分，大大提高了化學反應、萃取和乳化以及顆粒制備等單元操作的效率和均一性。強化微觀傳質(zhì)過程，國內(nèi)外已經(jīng)有一些相關的研究。中國專利CN1605359公開了一種膜分散式萃取器，該萃取器利用孔徑為0.01-60微米的膜管或平板膜，將分散相液體分散成微小的液滴，增大傳質(zhì)面積，提高萃取的效果。中國專利CN1318429公開了一種膜分散法制備超細顆粒的方法，也采用該類型的反應器，制備硫酸鋇顆粒，將硫酸-正丁醇溶液過微孔膜分散成小液滴，再與氯化鋇溶液反應制備出硫酸鋇顆粒，該專利僅利用微孔膜對液滴的初始粒徑進行了限制，但流體接觸后的混合特性(如流速、流體層的厚度等)沒有進行控制，因此制備的粒徑偏大(平均顆粒直徑為I微米)。中國專利CN101433815公開了一種膜分散式微通道反應器，由一根外管和一根內(nèi)管構(gòu)成套管，在內(nèi)外管之間形成環(huán)形的微通道，外管上設有連續(xù)相進口和出口，內(nèi)管一端設有分散相的進口，另一端為管壁均布的有多孔的膜管結(jié)構(gòu)，該裝置有效地增大了微通道的截面積和增加了連續(xù)相的流速，提高了單反應器的處理量和保證了較強的微觀混合，使該反應器更適合液液或者液氣的快速反應中，但是該裝置連續(xù)相的入口位于一側(cè)，會引起環(huán)形微通道內(nèi)部各處流速的不同，造成對多孔膜管表面剪切力的不同，最終影響到分散液滴的均一性，采用該反應器很難獲得大小均一的乳滴或者顆粒。CN201006421和CN101683592和日本SPG技術有限公司開發(fā)的膜乳化器，通過乳液在高壓的作用下通過SPG膜孔，形成粒徑均一的乳滴。CN101683592公開了一種多根并排的膜管組成膜組件，將膜管外面的分散相過膜管的微孔分散到管的內(nèi)部，在管內(nèi)連續(xù)相液體對膜管的剪切力作用下，實現(xiàn)同膜的分離，在連續(xù)相中形成一個個細小的液滴或者乳滴，膜組件的使用實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的高通量的要求，但是由于各種商業(yè)化的膜管內(nèi)徑較粗，而制備內(nèi)徑小于2_的膜管受到成本和技術的限制，目前使用的膜管內(nèi)徑通常在4_以上，因此使用相同的功率的液流傳輸設備輸送連續(xù)相，連續(xù)相在在膜管內(nèi)的流速較低，產(chǎn)生的剪切力較小，降低了傳質(zhì)的效率，制備的乳滴也較大(通常在微米以上)，無法滿足制備更小納米乳和納米顆粒和制備高濃度產(chǎn)物的要求。該技術中要實現(xiàn)連續(xù)相在膜管內(nèi)表面有較高的剪切力，則需大幅提高設備的動力，如使用更大功率的泵，增加了生產(chǎn)中設備成本和能耗。因此，有必要開發(fā)一種提高乳化效率，易于放大，節(jié)能的適合工業(yè)化生產(chǎn)的膜乳化
裝直。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于微通道膜分散反應裝置的膜組件，包括:
至少一根膜管，所述膜管兩端分別穿過連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板，并與連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板密封連接；在膜管外設有外套，所述的外套與連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板密封連接；所述的外套與連續(xù)相進液口擋板、連續(xù)相出液口擋板形成包圍在所述膜管外側(cè)的分散相腔體；所述的外套上設有分散相進液口，穿過進液口擋板和出液口擋板分別設有連續(xù)相的進液口和出液口；
其特征在于所述的膜管內(nèi)部正中心位置設有一根分液柱，分液柱靠近進液口擋板的一端呈圓錐形，分液柱的另一端與出液口擋板固定連接；分液柱與膜管形成橫截面為環(huán)狀的微通道。本發(fā)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，優(yōu)選3-10根。所述的膜管橫截面可以是圓形、橢圓、矩形。優(yōu)選圓形。所述膜管為多孔膜管，包括有機高分子材料的膜管、二氧化硅膜管、陶瓷膜管、金屬膜管等，根據(jù)不同的工藝要求選用合適膜管；對制藥行業(yè)優(yōu)選陶瓷膜、PTFE的中空膜管或二氧化硅膜管如SPG膜以及不銹鋼的金屬膜；對進行無機體系的反應和制備無機納米顆粒等優(yōu)選有機材料膜或者有機無機復合膜。所述膜管的孔徑和開孔率根據(jù)物料的不同和反應需求而定，其中孔徑的范圍為
0.02-100 μ m,開孔率為 3-60% ;優(yōu)選孔徑 0.l_50Mm。所述的分液柱的直徑選擇根據(jù)膜管的直徑改變而改變，分液柱和膜管之間形成的環(huán)形橫截面的外徑和內(nèi)徑尺寸之差是100微米-5毫米，優(yōu)選100-2000 μ m,更優(yōu)選100-1000 μ m。本發(fā)明所述的分液柱將從進液口進入膜管的連續(xù)相從中間劈開，在膜管和分液柱之間形成環(huán)形界面的液流，分液柱和膜管的截面形成同心圓形，保證流動相在環(huán)形微通道內(nèi)部對稱位置和膜管壁上的流動狀態(tài)一致，這樣環(huán)形通道內(nèi)部各個位置連續(xù)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優(yōu)點表現(xiàn)在:
在流量一定的情況下，加入同心分液柱的形成微通道，減小了膜管內(nèi)的截面積，增加管道流速，在不增加設備功率負荷的情況下，既可以到達湍流，減少對設備的要求和能耗；另一方面提高連續(xù)相在膜管內(nèi)的流速時，如圖1所示的湍流狀態(tài)，流速愈大，雷諾數(shù)Re愈大，層流內(nèi)層的厚度越薄，連續(xù)相對過膜分散相形成的液滴的剪切作用愈顯著，與傳統(tǒng)的SPG膜乳化器過程緩慢和通常制備幾十個微米的液滴相比，可以在一定程度上減小分散液滴的尺寸，增強了傳質(zhì)的效果和更利于制備更小的顆粒和乳滴，同時加快乳化進程；
本發(fā)明通過加入分液柱減小了管中心非混合區(qū)(即非邊界層)的體積，大大減少了未參與傳質(zhì)的連續(xù)相的體積，增加了終產(chǎn)物的濃度，可以減小濃縮甚至省去濃縮的工序特別適合高通量的工業(yè)化生產(chǎn)。申請人:通過大量研究發(fā)現(xiàn)，尤其當分液柱和膜管之間形成的環(huán)形橫截面的外徑和內(nèi)徑尺寸之差小于2000 μ m時，能夠保證混合傳質(zhì)的效果，如果尺寸過大，會造成微通道膜分散效果降低。另一方面，本發(fā)明優(yōu)選當分液柱和膜管之間形成的環(huán)形橫截面的外徑和內(nèi)徑尺寸之差大于100 μ m,使設備的加工難度降低，通式，保證通道的暢通，不易被堵塞，進而保證顆粒的均一性提高。所述的分液柱可以應需求不同，選擇金屬、有機材料或者無機陶瓷材料等制備，根據(jù)本領域技術人員的常識，材料的選擇和流動相和分散相的理化性質(zhì)相匹配。例如，制藥工業(yè)領域優(yōu)選聚四氟乙烯(PTFE)和不銹鋼金屬材料；對無機體系的反應或制備無機納米顆粒等，優(yōu)選有機材料。進一步的，所述的分液柱與出液口擋板的固定連接處設數(shù)個細小的出液孔，作為混合后連續(xù)相的出口，形狀和位置見圖2的組件12所示，孔的數(shù)量可以為1-10，優(yōu)選1-4個，出液孔組成一個與微通道相同的環(huán)面，出液孔之間的間隙在保證牢固固定分液柱的情況下所占面積盡量小，出液孔與膜管的底端保證一定的距離，距離的長短根據(jù)膜管和微通道的尺寸而定，對陶瓷膜管而言，優(yōu)選5-40mm，更優(yōu)選20mm。本發(fā)明所述的擋板與分液柱的連接以及擋板與膜管的連接，可以通過本領域熟知的技術手段，例如焊接或螺紋連接的方式。本發(fā)明提供一種增強型套管式膜組件微通道膜分散反應器，將分散相通過組件中的膜管上的微孔分散成微米或者納米尺寸的液滴，該液滴在連續(xù)相中或者進行化學反應，或者進行萃取等單元操作，或者形成乳滴，或者液滴內(nèi)溶劑同連續(xù)相互溶導致溶質(zhì)以固體的形式析出納米顆粒。本發(fā)明的另一個目的是提供一種微通道膜分散反應裝置，包括上述本發(fā)明的膜組件、分散相進料裝置、連續(xù)相傳輸裝置和相關的壓力、流速的檢測和控制的儀表和閥門等裝置，以及檢測反應進行儀表等裝置。所述的分散相進料裝置，根據(jù)本領域的一般常識，可以是氣壓傳遞的動力的進料裝置，也可以是平流泵等穩(wěn)壓傳輸裝置。分散相進料裝置包括連接分散相料杯的料管和閥門等設備。所述的連續(xù)相傳輸裝置，根據(jù)本領域的一般常識，包括進料的管道和閥門，以及各種適用的液體泵，泵優(yōu)選蠕動泵、平流泵、柱塞泵、循環(huán)泵和隔膜泵等，更優(yōu)選無脈沖的四柱塞隔I吳栗。本發(fā)明所述的微通道膜分散反應裝置采用本領域常規(guī)技術方式連接，例如采用CN101683592公開的方法組裝，在此引述作為參考。本發(fā)明的另一個目的，是提供本發(fā)明所述的膜組件用于組裝微通道膜分散反應裝置的用途。
本發(fā)明的膜組件及，可以用于化學反應，萃取，乳化和基于液-液沉淀法制備具有微、納結(jié)構(gòu)的無機、有機或者藥物顆粒反應過程的微觀混合或/和反應裝置。


圖1是流體在平板上流動邊界層的示意圖。圖2是本發(fā)明的單微通道膜分散反應裝置的膜組件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是連續(xù)相進液口擋板處的橫截面圖。圖4是4根膜管組成的多微通道反應器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是利用本發(fā)明的膜組件以及不裝分液柱的膜組件進行萃取的效率比較圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖2和實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明，但不限于本發(fā)明。實施例1單微通道反應器的膜組件
圖2為本發(fā)明所提供的單根膜管微通道反應器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為連續(xù)相的出口，2為快接卡盤，3為密封圈，4為多孔的膜管，5為分散相的進液口，6為分液柱，7為進液口的擋板，8為快捷卡盤的密封圈，9為連續(xù)相出口擋板，10為膜組件的外套，11為連續(xù)相的進口。圖3中12為套管通道流動相的出口孔，13表示分液柱的位置，14表不膜管。位于連續(xù)相進液口( 11)和連續(xù)相出液口( I)之間，由陶瓷膜管(4 )和分液柱(6 )形成微通道，連續(xù)相從其中通過，陶瓷膜管(4)和分液柱(6)分別和連續(xù)相的進液口擋板(7)以及連續(xù)相的出液口擋板(9 )焊接。膜組件外套(10)焊接在連續(xù)相進口擋板(7)和連續(xù)相進口擋板(9)上，其內(nèi)壁和陶瓷膜管(4)的外壁組成分散相腔，外套上設有開口(5)作為分散相的進口 ；外套用快捷卡盤的密封圈(8)密閉。上述所有的部件均通過密封圈(3)進行密封。進一步的，連續(xù)相進口附近可連接泵裝置，并在分散相入口連接進料裝置，并可以添加其他附加裝置，如連續(xù)相傳輸裝置、流速的檢測和控制的儀表和閥門等裝置，以及檢測反應進行儀表等裝置形成微通道膜分散反應裝置。當連續(xù)相由進口( 11)泵入組件內(nèi)部，在分液柱(6 )的尖端被劈成均勻的環(huán)形截面進入由膜管(4)和分液柱形成微通道內(nèi)部，此時，分散相通過進液口(5)進入分散液腔，在高壓下在從多孔膜管孔上壓出來的與連續(xù)相相遇，兩者形成錯流，分散相被高速流過的連續(xù)相剪切成一個個的小液滴，小液滴或者同周圍的連續(xù)相進行化學反應，或者發(fā)生萃取，或者形成一個個的微乳，或者發(fā)生沉淀形成微球或者納米顆粒。上述膜組件，液體流經(jīng)的部件，例如膜管、分液柱、外套內(nèi)壁，都需經(jīng)過拋光處理。單微通道膜分散反應的膜組件可以作為實驗室使用，或者做工業(yè)放大前的小試裝置，該裝置上摸索出來的條件分散相的壓力和連續(xù)相在膜管中的流速等條件，可以直接用在工業(yè)級的多微通道膜分散反應器。實施例2多微通道膜分散反應器的膜組件
圖4為本發(fā)明所提供的4根膜管組成的多微通道反應器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。該設計同單微通道反應器類似，由分液柱和膜管內(nèi)壁組成微通道，多跟膜管外壁和連續(xù)相進、出口擋板以及組件外套的內(nèi)壁組成分散相腔。多微通道膜分散反應的膜組件的每一個通道內(nèi)部的流體狀態(tài)相同，因此可以通過增加膜管的數(shù)量進行放大，適合工業(yè)大生產(chǎn)要求。實施例3制備高濃度的羥丙甲基纖維素(HPMC)分散伊曲康唑(ITA)制備其納米粒
首先將0.5g的伊曲康唑(ITA)溶于50ml的甲醇/四氫呋喃(1:1)混合溶劑中，震蕩IOmin左右,使之完全溶解成為分散相；
然后再配制濃度為8.0mg/ml的HPMC水溶液，攪拌使之混合均勻，得溶液作為連續(xù)
相；
在40KPa下，將分散相以lOOml/min的流量分別注入裝有分液柱的本發(fā)明實施例1的反應器和未安裝分液柱的反應器中，其中膜為平均孔徑為IOOnm的管狀SPG膜，膜的參數(shù)為外徑10.0mm,內(nèi)徑8.0mm,長度為50.0mm,分液柱的直徑是6mm。將上述連續(xù)相壓入連續(xù)相腔體(對于本發(fā)明實施例1的裝置，是指壓入分液柱(6)的尖端被劈成均勻的環(huán)形截面進入由膜管(4)和分液柱形成的微通道內(nèi)部)。過膜后生成白色的超細顆粒懸浮液；然后再使用1.0ym濾膜過濾所得的顆粒；最后再對產(chǎn)生超細顆粒的漿料分別進行冷凍干燥處理。ITA/HPMC納米粒進行冷凍干燥后分散在水中，使用DLS檢測粒徑，平均粒徑都為130nm左右，說明在該流速下分液柱對顆粒尺寸沒有顯著的影響。而測定發(fā)現(xiàn)裝有分液柱的反應器生產(chǎn)納米粒的濃度為20.35mg/ml,已經(jīng)可以不經(jīng)濃縮直接干燥，而未安裝分液柱的反應器生成的納米粒的濃度為2.43mg/ml,僅是安裝后濃度的1/8，如進一步減小間隙的尺寸，可以得到濃度更高納米混懸液。實施例4制備不同粒徑的羥丙甲基纖維素(HPMC)分散伊曲康唑(ITA)制備其納米粒
首先將0.5g的伊曲康唑(ITA)溶于50ml的甲醇/四氫呋喃(1:1)混合溶劑中，震蕩IOmin左右，使之完全溶解成為分散相；然后再配制濃度為8.0mg/ml的HPMC水溶液，攪拌使之混合均勻，得溶液作為連續(xù)相；然后，在40KPa下，將分散相以200ml/min的流量分別通過裝有分液柱的本發(fā)明實施例1的反應器和未安裝分液柱的反應器中，膜為平均孔徑為IOOnm的管狀SPG膜，膜的參數(shù)為外徑10.0mm,內(nèi)徑8.0mm，長度為50.0mm，分液柱的直徑是6mm ο按照實施例3的方法操作，過膜后生成白色的超細顆粒懸浮液；然后再使用
1.0 μ m濾膜過濾所得的顆粒；最后再對產(chǎn)生超細顆粒的漿料分別進行冷凍干燥處理。ITA/HPMC納米粒進行冷凍干燥后分散在水中，使用DLS檢測粒徑，加入分液柱后的平均粒徑為IOOnm左右，而未加入分液柱的裝置平均粒徑依舊為130nm左右，說明分液柱極大提高了環(huán)形腔內(nèi)連續(xù)相的流速，連續(xù)相的邊界層擴大，層流內(nèi)層減小，分散后形成液滴的剪切力增大，影響了形成顆粒的尺寸。實施例5萃取實驗
實驗裝置如圖2所示.實驗所用的膜是疏油的管式孔徑為1.Ομπι的Al2O3微濾陶瓷膜(由合肥長城新元膜科技有限責任公司提供)。膜的參數(shù)為外徑13.0mm,內(nèi)徑9.0mm，長度為50.0mm，分液柱的直徑是8mm。實驗體系為25% TBP (煤油)/硝酸/水，油相作為分散相，硝酸由水相傳到有機相。硝酸濃度由酸堿滴定法測定。分別在裝上分液柱的本發(fā)明實施例I的組件和不裝分液柱的組件中進行萃取效率的比較(按照實施例4的方法操作)，從圖5的數(shù)據(jù)中可以看出，不同的壓力和流速下裝有分液柱的萃取效率在99%左右，而未裝分液柱的組件萃取效率僅能達到90%左右。
權利要求
1.一種用于微通道膜分散反應裝置的膜組件，包括: 至少一根膜管，所述膜管兩端分別穿過連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板，并與連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板密封連接；在膜管外設有外套，所述的外套與連續(xù)相進液口擋板和連續(xù)相出液口擋板密封連接；所述的外套與連續(xù)相進液口擋板、連續(xù)相出液口擋板形成包圍在所述膜管外側(cè)的分散相腔體；所述的外套上設有分散相進液口，穿過進液口擋板和出液口擋板分別設有連續(xù)相的進液口和出液口； 其特征在于所述的膜管內(nèi)部正中心位置設有一根分液柱，分液柱靠近進液口擋板的一端呈圓錐形，分液柱的另一端與出液口擋板固定連接；分液柱與膜管形成橫截面為環(huán)狀的微通道。
2.如權利要求1的膜組件，其特征在于所述的分液柱與膜管形成的環(huán)狀橫截面的外徑和內(nèi)徑尺寸之差為100-2000 μ m。
3.如權利要求2的膜組件，其特征在于，所述的環(huán)狀間隙間的尺寸100-1000μ m。
4.如權利要求1的膜組件，其特征在于，包括多根并列的膜管。
5.如權利要求1-4任一項的膜組件，其特征在于，所述的膜管的孔徑為0.02-100 μ m。
6.如權利要求1-4任一項的膜組件，其特征在于，所述的分液柱與連續(xù)相出液口擋板的密封連接處設有小孔。
7.—種微通道膜分散反應裝置，包括如權利要求1-6任一項所述膜組件。
8.如權利要求7的微通道膜分散反應裝置，還包括與連續(xù)相進液口相連接的泵和與分散相進液口相連接的連接進料裝置。
9.如權利要求1-6任一項所述的膜組件，組裝用于化學反應，萃取，乳化和基于液-液沉淀法制備具有微、納結(jié)構(gòu)的無機、有機或者藥物顆粒反應過程的微觀混合或/和反應裝置的用途。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于制備尺寸均一、穩(wěn)定的適用于工業(yè)化的乳液膜組件，包括至少一根膜管，所述的膜管兩端分別穿過流動相進液口擋板和出液口擋板，膜管外設有外套，膜管內(nèi)中心設有分液柱，和流動相出液口擋板密閉連接。本發(fā)明的膜組件特別適用于工業(yè)化快速制備納米級的乳液。
文檔編號B01F13/00GK103182278SQ20121000741
公開日2013年7月3日 申請日期2012年1月3日 優(yōu)先權日2012年1月3日
發(fā)明者袁建棟, 馬萬順, 孫耀軍, 周維娜 申請人:博瑞生物醫(yī)藥技術(蘇州)有限公司