乳液规模化生产用剪切单元及其生产设备的制作方法

本发明属于微流控，具体涉及乳液规模化生产用剪切单元及其生产设备。

背景技术：

1、乳液是由两种或更多种互不相溶的液体混合而成的稳定系统。一种液体被细微地分散到另一种液体中，形成了一个连续的分散相（通常是小球形的乳液），这个过程由表面活性剂或乳化剂来稳定。乳液目前被广泛的应用于化妆品、单细胞包裹、基因测序、微结构材料制备等领域，为人们的生活和生产提供了便利和帮助。特别地，以乳液为模板制备的微球广泛应用于药物递送、生物技术、医疗器械、层析介质等众多领域。在医疗器械领域，目前均以非均一乳液为模板制备栓塞微球，从而使得栓塞微球产品的均一性较差，其在临床使用中难以达到栓塞终点，容易形成栓塞空隙，影响栓塞治疗效果；在药物递送领域，也是以非均一乳液为模板来制备载药微球，一方面，微囊的薄膜厚度不均一导致药物释放速率不一致，另一方面，较宽的粒径分布直接影响药物的释放位置，粒径分布较宽将造成药物释放缺乏一致性，降低生物利用度；在层析介质领域，大多以非均一的乳液为模板制备层析介质微球，由于制备出来的微球粒径不均一，制备的微球在分离过程中小的凝胶珠会在柱子中聚集到大凝胶珠之间的空隙中，使得分离压力增大，严重时会导致分离无法进行。由此可知，均一乳液的应用将会越来越广泛，这将推动乳液衍生产品在各行各业发挥更重要的角色。

2、为了制备更为均一的乳液，首先采用的方法是采用滤网将均质乳化制备的乳液进行筛分，但是该方法制备的微球产品粒径的均一性依然不高，而且会造成原材料的浪费，且容易造成产品污染，导致生产成本的提高。为了进一步改善微球产品粒径均一性，研究者们开发了膜乳化的方法，但是该方法制备的乳液的偏差依然较大，同时也存在设备成本高、操作复杂性、工艺参数敏感性等问题，这些问题一定程度是限制了该方法在一些应用中的广泛推广和应用。为了进一步提高乳液的均一性，扩大乳液衍生产品在各行业的应用，研究者采用微流控芯片实现了连续相流体对分散相流体的可控剪切，制备了高度均一且单分散性良好的乳液，也就是微流控方法。但由于微流控芯片结构、已有设备条件等受限，微流控制备乳液产量低，很难投入到工厂中进行大规模化、工业化连续生产。

3、公开号为cn217189486u，公开日为2022.08.16的中国专利公开了一种多通道制备乳液的生产设备，包括连续相分配单元和分散相分配单元，连续相分配单元包含接受管、多通连续水相分配管以及注射管，分散相分配单元包含多通连续油相分配管以及堵头；多通连续水相分配管包含若干横向流道以及与其正交的纵向流道，纵向流道上设有连续水相入口，接受管从一侧伸入多通连续水相分配管的横向流道至正交点位置；相对应的，多通连续油相分配管包含若干横向流道以及与其正交的纵向流道，纵向流道上设有连续油相入口，横向流道一侧装有用以密封的堵头；注射管的一端伸入多通连续油相分配管的横向流道，另一端伸入多通连续水相分配管的横向流道至正交点位置，接受管的管口与注射管的管口呈环套式，用以形成环隙流道；多通连续油相分配管通过安装限位柱与多通连续水相分配管连接。可一定程度上提高微流控制备乳液的产量。由于设备剪切单元处采用的剪切方式和通道尺寸限制，该设备的通道的流体阻力较大，所述微流控剪切设备仅适用于低粘度体系剪切。而目前制备乳液的载体材料主要分为天然高分子乳液(如聚乙烯醇乳液，白蛋白乳液，明胶乳液，壳聚糖等)和合成聚合物乳液(如聚乳酸乳液)等高粘度体系，使用该微流控剪切设备无法制备均一的乳液，因此本方案所实现放大生产的乳液体系可用性不强，难以真正解决市场所需产品的均一性问题。

4、公开号为cn110643488a，公开日为2020.01.03的中国专利公开了一种微流控乳液操纵分割装置，所述微流控乳液操纵分割装置包括进样部、连接部、乳液切分部、乳液收集部；所述进样部、连接部、乳液切分部、乳液收集部一体化顺次连通；所述进样部包括油相进样通道和样品进样通道，所述油相进样通道与所述连接部连通，所述样品进样通道与所述连接部连通，并由所述连接部将所述进样部输出的油相和样品混合液输送至所述乳液切分部；所述乳液切分部由若干一体化的y型三通管顺次连接构成，使所述乳液切分部具有一个进液口和若干出液口，所述进液口与所述连接部接通；每个所述y型三通管分叉的夹角为45°～180°，并且顺次连接的相邻y型三通管中前一个y型三通管的通道宽度大于或等于后两个y型三通管的通道宽度，后两个y型三通管的通道宽度相同；所述乳液收集部一体成型于所述乳液切分部的出液口处以实现对所述乳液切分部分割得到的乳液的收集。该微流控乳液操纵分割装置y型三通管的深度一致，乳液经过y型三通管多次切分后尺寸不断变小，后几级通道深度远大于乳液尺寸，则容易出现乳液追尾情况，造成后续乳液分裂尺寸不均一；且该装置通道深宽限制均不超过120μm，通道流量和乳液尺寸受限，则难以放大尺寸较大的乳液生产量，无法实现乳液规模化生产使用。

5、因此亟待开发一种新型的均一乳液制备设备，不仅可以实现均一乳液的大批量工业制备，还可以同时实现低粘度流体和高粘度流体的均一乳化，从根本上克服目前制备方法的不足以及由此带来的乳液应用上的缺陷。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种新型乳液规模化生产用剪切单元及其生产设备，通过设计生产设备的结构，不但可以满足均一乳液高产量的生产需求，还可以节约生产场地，减少泵的使用数量，节约大量生产成本。该剪切单元结构在实现乳液粒径均一条件的同时，也解决了生产设备无法剪切高粘度流体的困难。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、乳液规模化生产用剪切单元，包括进液部件、至少一个被动分裂组件ⅰ和三个被动分裂组件ⅱ，所述被动分裂组件ⅰ包括两个分支管组件ⅰ，所述分支管组件ⅰ包括依次相连的分支倾斜段ⅰ、分支水平段ⅰ和分支竖直段ⅰ，所述被动分裂组件ⅱ包括两个分支管组件ⅱ，所述分支管组件ⅱ包括依次相连的分支倾斜段ⅱ和分支竖直段ⅱ，所述进液部件的出料端设置有缩紧口，所述缩紧口与一级混合液总进管相连，所述一级混合液总进管与最上级的分支倾斜段ⅰ，上一级的分支竖直段ⅰ与下一级的分支倾斜段ⅰ相连，最下级的分支竖直段ⅰ与最上级的分支倾斜段ⅱ相连，上一级的分支竖直段ⅱ与下一级的分支倾斜段ⅱ相连，最下级的分支竖直段ⅱ为出料口。

4、优选的，所述一级混合液总进管、分支倾斜段ⅰ、分支水平段ⅰ、分支竖直段ⅰ、分支倾斜段ⅱ和分支竖直段ⅱ的截面为矩形。

5、优选的，同一级的分支倾斜段ⅰ之间的夹角为θ1；

6、cosθ1=d104+d114-（d103-d113）4/3/2d102d112；其中：d10为一级混合液总进管的深度或上一级的分支竖直段ⅰ的深度；d11为下一级的分支倾斜段ⅰ的深度；

7、同一级的分支倾斜段ⅱ直径的夹角均为θ2；

8、cosθ2=d204+d214-（d203-d213）4/3/2d202d212；其中：d20为最下级的分支竖直段ⅰ的深度或上一级的分支竖直段ⅱ的深度；d21为下一级的分支倾斜段ⅱ的深度。

9、优选的，所述分支水平段ⅰ和分支竖直段ⅰ之间设置有倒角；所述分支倾斜段ⅱ和分支竖直段ⅱ之间设置有倒角。

10、优选的，所述进液部件包括相连的第一油相进液管、水相进液管和第二油相进液管，所述第一油相进液管和第二油相进液管与油相进管相连。

11、优选的，所述水相进液管位于第一油相进液管和第二油相进液管的中部；所述油相进管位于第一油相进液管和第二油相进液管的中部；所述一级混合液总进管位于两个分支管组件ⅰ的中部；上一级的分支竖直段ⅰ位于两个下一级的分支倾斜段ⅰ的中部；最下级的分支竖直段ⅰ位于两个最上级的分支倾斜段ⅱ的中部；上一级的分支竖直段ⅱ位于两个下一级的分支倾斜段ⅱ的中部。

12、优选的，一级混合液总进管的深度与最上级的分支倾斜段ⅰ的深度相等，一级混合液总进管的宽度大于最上级的分支倾斜段ⅰ的深度；同级的分支水平段ⅰ和分支竖直段ⅰ的深度与通级的分支倾斜段ⅰ的宽度相等，同级的分支水平段ⅰ和分支竖直段ⅰ的宽度与通级的分支倾斜段ⅰ的宽度相等；下一级的分支倾斜段ⅰ的深度与上一级的分支水平段ⅰ的深度相同，下一级的分支倾斜段ⅰ的宽度小于上一级的分支水平段ⅰ的宽度；最上级的分支倾斜段ⅱ的深度与最下级的分支竖直段ⅰ的深度相等，最上级的分支倾斜段ⅱ的宽度小于最下级的分支竖直段ⅰ的宽度；同级的分支倾斜段ⅱ的深度与同级的分支竖直段ⅱ的深度相同，同级的分支倾斜段ⅱ的宽度小于同级的分支竖直段ⅱ的宽度；下一级的分支倾斜段ⅱ的深度与上一级的分支竖直段ⅱ的宽度相等，下一级的分支倾斜段ⅱ的宽度与上一级的分支竖直段ⅱ的宽度相等。

13、优选的，所述缩紧口的深度与混合液出液口的深度相等，所述缩紧口的宽度与一级混合液总进管的宽度为1:0.5-2。

14、一种制备均一乳液的生产设备，包括多个剪切单元，每个剪切单元的油相进管与油相分配管相连，所述油相分配管与油相泵相连，每个剪切单元的水相进液管与水相分配管相连，所述水相分配管和水相泵相连。

15、优选的，每个油相分配管的长度、宽度和深度均相同。

16、本技术方案的有益效果如下：

17、一、本发明提供的乳液规模化生产用剪切单元，缩紧口的设置利于粘度较大流体剪切；分支水平段ⅰ的设置有利于减少生产设备使用空间，平缓被动分裂后乳液流速，减少下一级被动分裂乳液撞击速率，减少卫星乳液产生，增大乳液尺寸均一性。

18、二、本发明提供的乳液规模化生产用剪切单元，适合的夹角大小有利于乳液产生被动分裂，避免卫星乳液的产生，增大乳液尺寸均一性。

19、三、本发明提供的乳液规模化生产用剪切单元，倒角有利于减少乳液与生产设备内壁的撞击，减小生产设备内部流阻，增大生产设备流量，且增大了乳液尺寸均一性。

20、四、本发明提供的乳液规模化生产用剪切单元，油相进管位于第一油相进液管和第二油相进液管的中部有利于油相在流动聚焦处均匀分布，保证第一油相进液管和第二油相进液管在流动聚焦剪切口处对水相的剪切速率一致，保证剪切乳液尺寸均一。

21、五、本发明提供的乳液规模化生产用剪切单元，每级被动分裂分支深度渐变用有利于被动分裂处乳液流动速率自调节，避免出现乳液累积，减小生产设备内部流阻，增大生产设备流量，增大乳液尺寸均一性。

22、六、本发明提供的一种制备均一乳液的生产设备，整列式生产设备将每个剪切单元油相进液口和水相进液口整合统一，减少计量泵使用数量；整列式生产设备的分散相流量大，产量高。

23、七、本发明提供的一种制备均一乳液的生产设备，整列式生产设备每个剪切单元通过油相分配管和水相分配管使得进液口分流处长度保持一致，有利于减小流阻，增大整列式生产设备水相入口处流量，增大生产设备产量；油相分配管和水相分配管的深度与剪切单元处深度保持一致，有利于流量的均匀分布，保证流入每个剪切单元的流量相等的同时减小流阻，增大整列式生产设备产量；油相分配管和水相分配管的宽度和长度与每个剪切单元的进液口分流处的长度有关，有利于流量的均匀分布，保证流入每个剪切单元的流量相等的同时减小流阻，增大整列式生产设备产量。