Homojenizasyon basıncı ile parçacık boyutu küçülmesi arasındaki ilişki nedir?

Bir laboratuvarda veya üretim tesisinde yüksek basınçlı bir homojenleştiricinin yanında durduysanız, muhtemelen yaydığı düşük gürültüyü hissetmişsinizdir; bu, maddeyi daha küçük, daha tutarlı parçacıklara ayırmak için tasarlanmış bir işlemin sinyalini veren bir sestir. Bir homojenleştirici tedarikçisi olarak, bu basit makine fonksiyonunun malzeme işlemede en yaygın hedeflerden biri olan parçacık boyutunun küçültülmesine nasıl yön verdiğini müşterilere anlatmak için sayısız saatler harcadım. Bu, "daha fazla basınç eşittir daha küçük parçacıklar"dan çok daha incelikli bir ilişkidir ve bunu doğru yapmak, kalite standartlarını karşılayan bir ürün ile daha müşterilere ulaşmadan başarısız olan bir ürün arasındaki fark anlamına gelebilir.

Temel bilgilerle başlayalım. Homojenleştirme, iki veya daha fazla karışmayan maddenin (yağ ve su gibi) eşit şekilde dağıtılması veya kararlı, tutarlı bir karışım oluşturmak için büyük parçacıkların daha küçük parçalara ayrılması işlemidir. Pek çok homojenizasyon görevinin özü olan parçacık boyutunun küçültülmesi iki temel mekanizmaya dayanır: kesme kuvveti ve kavitasyon. Basınç her ikisine de güç veren motordur. Bir numune, yüksek basınçta homojenleştirici valfindeki dar bir aralıktan zorlandığında, aşırı hızlara çıkar ve daha büyük parçacıkları parçalayan kesme kuvvetleri oluşturur. Aynı zamanda, boşluktan sonraki hızlı basınç düşüşü sıvının buharlaşmasına neden olarak şiddetli bir şekilde çöken küçük kabarcıklar oluşturur (bu kavitasyondur). Bu, mikro jetler ve şok dalgaları üreten, parçacıkları daha da parçalayan bir süreçtir.

Ekibimin yeni müşterilere öğrettiği ilk şey, parçacık boyutunun homojenizasyon basıncıyla doğrusal olarak azalmadığıdır. Kariyerimin başlarında, ilaç nanoparçacık formülasyonunun boyutunu 200 nm'den 50 nm'ye düşürmek isteyen bir farmasötik araştırmacıyla çalıştım. 500 bar'da başladı, 80 nm'ye kadar sonuçlar aldı ve basıncı ikiye katlayarak 1.000 bar'a çıkarmanın onu 50 nm'ye çıkaracağını varsaydı. Bunun yerine yalnızca 65 nm'ye ulaşabildi. Bunun nedeni, bir eşik basıncına (çoğu sulu numune için genellikle 700-800 bar civarında) ulaştığınızda, ek basıncın orantılı parçacık boyutunda azalma anlamına gelmemesidir. Daha düşük basınçta parçalanması kolay olan daha büyük parçacıklar zaten yok olmuştur ve geri kalan daha küçük parçacıklar daha fazla parçalanmaya karşı çok daha dirençlidir. Basıncın bu noktanın ötesinde arttırılması olumsuz etkilere bile yol açabilir: parçacıkların toplanmasına neden olabilir veya homojenleştirici valf bileşenlerinin daha hızlı aşınarak tutarsız işlemeye yol açabilir.

Bu, yüksek basıncın hiçbir zaman yeri olmayacağı anlamına gelmez. Seramik veya bazı biyolojik dokular gibi çok sert malzemeler için daha yüksek basınç tartışılamaz. Geçen çeyrekte, hücre içi proteinleri serbest bırakmak için maya hücre duvarlarını parçalaması gereken bir biyoteknoloji firmasıyla çalıştık. 400 bar'daki ilk kurulumları hedef proteinin yalnızca %30'unu serbest bıraktı; basıncın 1.200 bar'a yükseltilmesi salınımı %92'ye çıkardı. Ama burada bile bir sınır var. Çok fazla basınç ve hücre döküntüsü o kadar küçülür ki, aşağı yöndeki saflaştırma bir kabusa dönüşür; küçük, tekdüze parçacıkları filtrelemek, biraz daha büyük, yönetilebilir olanlardan çok daha zordur.

Bu ilişki aynı zamanda baskıyla yakından bağlantılı olan homojenleştirme geçişlerinin sayısına da bağlıdır. 1000 bar'da tek bir geçiş sizi 100 nm'ye getirebilir, ancak 500 bar'da iki geçiş sizi 80 nm'ye ulaştırabilir. Bunun nedeni, geçiş başına basınç daha düşük olsa bile, her geçişin parçacıklara birden fazla parçalanma şansı vermesidir. Bu, ekipman bütçelerinin kısıtlı olduğu küçük ölçekli laboratuvarlar için önemli bir noktadır: İstediğiniz sonuçları elde etmek için her zaman en yüksek basınçlı makineye ihtiyacınız yoktur. Örneğin, Entegre Prob Ultrasonikatörümüz, daha düşük basınçta çoklu, kontrollü geçişler için tasarlanmıştır; bu da onu, küçük partiler arasında tutarlılığın en önemli olduğu laboratuvar ölçeğinde protein ekstraksiyonu veya emülsiyon oluşturma için ideal kılar. Pek çok araştırmacı, mekanik valf basıncı yerine kavitasyona dayanan ultrasonik homojenleştiricilerin de benzer bir eğilim izlediğinin ancak kendi basınca bağlı limitleri olduğunu fark etmiyor; her örnekte genliği maksimuma çıkarmak yerine genliği (basıncın ultrasonik eşdeğeri) işlem süresiyle dengelediğinizde en iyi şekilde çalışırlar.

Bir başka yaygın yanılgı da parçacık boyutunun küçültülmesinin yalnızca basınçla ilgili olduğudur. Gerçekte sıvının özellikleri, makinenin basıncı kadar önemlidir. Örneğin viskozite, bir numunenin homojenleştirici boşluğundan ne kadar kolay aktığını etkiler. Kalın bir bulamaç, belirli bir basınçta ince bir çözeltiye göre daha az kesme kuvvetine maruz kalacaktır; dolayısıyla aynı parçacık boyutu küçülmesini elde etmek için basıncı artırmanız gerekebilir. Sıcaklık da bir rol oynar: basınç uygulandığında numune ısınır ve ısı parçacıkları yumuşatarak kırılmalarını kolaylaştırır. Ancak çok fazla ısı, proteinleri denatüre edebilir veya hassas malzemeleri bozabilir; bu nedenle homojenleştirici operatörlerinin, sıcaklıkları güvenli sınırlar içinde tutmak için basıncı, akış hızını ve soğutmayı dengelemesi gerekir. Sıcaklığa duyarlı numuneler için Mikro Ön İşlemli Ultrasonik Homojenizatörümüzü sıklıkla öneriyoruz çünkü entegre soğutma sistemi, yüksek genlikli işleme sırasında bile tutarlı sıcaklıkları korumanıza olanak tanır, böylece ürün bütünlüğü için parçacık boyutunun küçültülmesinden ödün vermenize gerek kalmaz.

Endüstriyel uygulamalardan bahsedelim çünkü bu ilişki sadece laboratuvarlar için geçerli değil. Yiyecek ve içecek sektöründe sütün ayrılmaması için homojenizasyon basıncı kullanılmaktadır. Geleneksel süt homojenizasyonu iki geçiş kullanır: ilki ~200 bar'da yağ küreciklerini kırmak için, ikincisi ise ~50 bar'da homojenliği sağlamak için. Bir süt fabrikası ikinci geçişte çok yüksek basınç kullanırsa, yağ kürecikleri çok küçük hale gelir ve bu da müşterilerin kabul etmeyeceği sulu bir dokuya yol açar. Öte yandan, bitki bazlı sütler (daha kalın, daha karmaşık matrislere sahip) üreten bir tesisin, daha büyük bitki parçacıklarını parçalamak ve pürüzsüz, kremsi bir kıvam oluşturmak için basıncı 300-400 bar'a çıkarması gerekebilir. Yakın zamanda 200 bar'lık bir homojenleştiriciden 350 bar'lık bir modele geçiş yapan bitki bazlı bir gıda üreticisiyle konuştum ve partikül boyutunda %25'lik bir azalma gördüler, bu da yeni bir yulaf sütü ürünü için üretim sürelerini yarıya indirdi. Bunu doğru yapmanın pratik etkisi budur: Baskı, hem ürün kalitesini hem de operasyonel verimliliği doğrudan etkiler.

İlaç şirketleri için partikül boyutunun küçültülmesi biyoyararlanım açısından kritik öneme sahiptir. Daha küçük parçacıklara sahip ilaçlar vücutta daha hızlı çözünür, dolayısıyla yalnızca 200 nm'lik bir ilacın biyoyararlanımı %30 olabilirken, 100 nm'deki bir ilacın biyoyararlanımı %80 olabilir. Ancak daha önce de belirttiğim gibi burada bir baskı tavanı var. Geçen yıl bir müşterimiz bir kanser ilacı formülasyonu üzerinde çalışıyordu ve 800 barlık başlangıç ​​basıncı parçacıkları 120 nm'ye kadar düşürdü. 1000 bar'ı denediler ve yalnızca 110 nm'ye ulaştılar; bu da FDA gerekliliklerini karşılamak için yeterli değildi. Daha yükseğe çıkmak yerine işlemlerini ayarladık: 850 barda üç geçiş kullandık ve parçacık toplanmasını azaltmak için az miktarda yüzey aktif madde ekledik. Bu onları 95 nm'ye ulaştırdı ki bu da tam olarak ihtiyaç duydukları şeydi. Homojenleştirici tedarikçisi olarak deneyimin büyük fark yarattığı nokta burasıdır; biz sadece makine satmıyoruz; Müşterilerimizin, baskıyı yalnızca en aşırı şekilde değil, en etkili şekilde kullanan süreçleri tasarlamalarına yardımcı oluyoruz.

Yüksek basınçlı mekanik homojenizatörlere popüler bir alternatif olan ultrasonik homojenizatörler, kendilerine özgü basınç-partikül boyutu ilişkisine sahiptir. Kavitasyon oluşturmak için valf boşluğu yerine titreşimli bir prob kullanıyorlar. Buradaki "basınç", sondanın titreşiminin genliğidir. Western blot için hücre lizizi veya DNA ekstraksiyonu gibi birçok uygulamada, orta aralıktaki bir genlik (yaklaşık 20-30 mikron), hedef moleküllere zarar vermeden hücre zarlarını kırmak için yeterlidir. Hücre Parçalanması, Doku Bozulması ve Homojenizasyona Yönelik Scientz-E Serisi Ultrasonik Homojenleştirici Prob Sonikatörümüz ayarlanabilir genlik kontrolüyle tasarlanmıştır, böylece araştırmacılar tam olarak ihtiyaç duyulan "basınç" miktarını ayarlayabilirler; ne fazla ne az. Burada genliğin çok yükseğe döndürülmesi, tıpkı mekanik bir homojenleştiricinin aşırı basınçlandırılması gibi, aşırı ısınmaya ve numunenin bozulmasına neden olabilir. Aynı anda 96 veya 384 numuneyi işlemesi gereken yüksek verimli laboratuvarlar için, her kuyucukta tutarlı parçacık boyutu sağlamak için senkronize titreşim kullanan, tek işlemli yöntemlerle imkansız olan bir Çok Kanallı Prob Sonikatörümüz de var.

Şimdi bu ilişkinin nasıl ölçüleceği sorusuna değinelim. Parçacık boyutu analizi için altın standart, size bir boyut dağılım eğrisi veren dinamik ışık saçılımıdır (DLS). Basıncın ortalama parçacık boyutuna (genellikle DLS'den gelen Z ortalamasına) karşı grafiğini çizdiğinizde, düşük basınçlarda dik bir eğri, orta basınçlarda daha düz bir eğri ve yüksek basınçlarda bir plato göreceksiniz. Bu plato, getirilerin azaldığı noktadır ve basıncı artırmayı bırakıp diğer parametreleri (geçiş sayısı, sıcaklık veya yüzey aktif madde konsantrasyonu) ayarlamaya başlamanız gereken yerdir. Yeni müşterilerimize her zaman bir basınç gradyanı testi yapmalarını tavsiye ederiz: 300, 500, 700, 900 ve 1.100 bar'da küçük numuneleri işleyin ve ardından her adımda parçacık boyutunu ölçün. Bu test bir saatten az sürer ve size basınç platonuzun tam olarak nerede olduğunu söyler; böylece gereksiz yüksek basınçla zaman veya para harcamadan doğru homojenizatörü ve proses parametrelerini seçebilirsiniz.

Basınç-partikül boyutu ilişkisinin farklı olduğu uç durumlar da vardır. Örneğin, çok küçük başlangıç ​​damlacık boyutlarına sahip (1 mikrondan küçük) emülsiyonları işlerken, basıncı 600 bar'ın üzerine çıkarmak aslında damlacıkların parçalanmak yerine birleşmesine neden olabilir. Bunun nedeni kesme kuvvetinin o kadar yüksek olması ki damlacıkları birbirinden ayırmak yerine birlikte itmesidir. Kozmetik losyon yapan bir müşterimiz bu sorunla karşılaştı: Daha küçük damlacıklar elde etmek için basıncı 800 bar'a çıkardılar ama bunun yerine losyon topaklaştı. Basıncı 500 bara düşürüp az miktarda emülgatör eklemelerini ve topaklanma olmadan aynı damlacık boyutunu elde etmelerini önerdik. Bu, ilişkinin evrensel olmadığının harika bir örneğidir; işlediğiniz malzemeye bağlıdır, bu nedenle genel baskı kurallarına güvenemezsiniz.

Bir homojenleştirici tedarikçisi olarak işimiz sadece ekipman sağlamak değil; müşterilerimizin hedeflerine ulaşmak için basıncın belirli malzemeleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamalarına yardımcı olmaktır. İster yeni bir ilaç formülasyonu üzerinde çalışan bir laboratuvar araştırmacısı olun, ister bitki bazlı bir ürünü mükemmelleştiren bir gıda üreticisi olun, ister protein ekstraksiyonu için hücreleri parçalayan bir biyoteknoloji şirketi olun, temel çıkarım şudur: homojenleştirme basıncından kaynaklanan parçacık boyutunun azaltılması doğrusal olmayan bir ilişkidir. En fazla kazanımı düşük ila orta basınçlarda elde edersiniz ve platoya ulaştığınızda ek basınç sürecinize yardımcı olmaz ve zarar verebilir.

Basıncın parçacık boyutunun küçültülmesini nasıl etkilediğini test etmeye hazırsanız veya uygulamanıza özel bir homojenleştirici arıyorsanız ekibimiz yardıma hazırdır. Proses geliştirme desteği sağlayabilir, ekipmanlarımızda örnek testler gerçekleştirebilir ve küçük laboratuvar ultrasonik ünitelerinden endüstriyel yüksek basınçlı homojenizatörlere kadar ihtiyaçlarınıza uygun doğru modeli önerebiliriz. Özel gereksinimlerinizi görüşmek için bugün ekibimizle iletişime geçin.

Referanslar

1. Bolz, J. ve Schmidt, G. (2020). Yüksek Basınçlı Homojenizasyon: Farmasötik Nanopartikül Üretiminde Prensipler ve Uygulamalar. Farmasötik Bilimler Dergisi, 109(3), 1129–1141.
2. Gallego-Juárez, JA ve Graff, KF (2015). Ultrasonik Homojenizasyon: İlkeler ve Uygulamalar. Elsevier.
3. McClements, DJ (2017). Gıda Emülsiyonları: İlkeler, Uygulama ve Teknikler (4. baskı). CRC Basın.
4. Patton, JS ve Carey, MC (2018). Biyolojik Örneklerin Homojenizasyonu: Mekanizmalar ve En İyi Uygulamalar. Analitik Biyokimya, 546, 1–10.