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破碎过程中力的作用方式和常见破碎方法

一、破碎作用力
  物料在外力作用下发生形变并分裂成更细小粒子的过程叫破碎。破碎的对象有生物细胞和固体材料,其中固体材料的破碎习惯上叫粉碎。在破碎时,物料所受的外力主要有劈裂力、撞击力、压缩力、剪切力和研磨力等几种类型。破碎过程中往往是几种力联合作用,极少是单纯方式的作用力,如粗碎时以撞击力、压缩力和劈裂力为主,细碎时则以剪切力和研磨力为主要作用力。
  当物料颗粒受外力作用时其内部会产生应力,当应力超过其分子之间的吸引力时就产生了颗粒的分裂。具体过程是:物料突出部位首先受外力作用产生局部应力,局部温度升高引起物料膨胀而产生裂纹。随着外力的增加,产生的应力集中作用在裂纹处,裂纹迅速伸长和扩散,使物料破碎。
  固体物料的粉碎效果常常用粉碎度来表示,物料粉碎前颗粒的平均直径与粉碎后颗粒的平均直径之比即为粉碎度。
  在衡量粉碎效果时,粉碎度是检查粉碎操作的重要指标。

二、破碎方法
  1、固体物料的粉碎方法
  (1)开路粉碎和循环粉碎:物料只通过粉碎设备一次即得产品叫开路粉碎,若所得产品含有不达要求细度的颗粒,通过筛分将粗颗粒分离出来重新返回设备中进行粉碎的操作叫循环粉碎。
  (2)干法粉碎和湿法粉碎:将物料干燥处理后进行的粉碎叫干法粉碎,给物料中加入适量液体进行的粉碎操作叫湿法粉碎。
  (3)单独粉碎和混合粉碎:只进行一种原材料的粉碎叫单独粉碎。单独粉碎所得粉末易聚结。多种原材料混合同时进行的粉碎叫混和粉碎。混合粉碎可减少粉末的重新聚结。
  (4)低温粉碎:在粉碎前或在粉碎过程中对物料进行冷却的粉碎方法叫低温粉碎。可以采用冷冻原料、粉碎机夹层制冷、添加干冰或液氮于物料中等低温粉碎方法。
  (5)微粉粉碎:对原材料进行细胞级的粉碎称为微粉粉碎。物料通过超细粉碎机粉碎后其颗粒直径约为5 左右,如果是植物则其95%以上的细胞被破碎。
  (6)纳米粉碎:将物料粉碎成直径在1~100 之间的超微颗粒,这种粉碎叫纳米粉碎。经纳米粉碎后物料的理化性质发生相应的改变,会产生一些特殊的药理活性,因而对其在制剂上的应用还有待于深入研究。
  2、生物细胞的破碎方法
  生物细胞的粉碎方法主要有机械法、化学法和酶法。
  用机械对细胞产生各种形式的作用力,促使细胞壁破碎的方法叫机械法,利用化学试剂或酶溶解细胞壁而破碎细胞的方法叫非机械法。目前生产上广泛采用机械法进行细胞破碎。

三、常见破碎机械
  1、固体物料的粉碎机械
  (1)切药机
  在提取中药浸膏之前,需要将中药材粉碎成一定大小的颗粒,为避免浸出多糖等易糊化的大分子化合物,生产上用切药机把中药材截切成小段或切成薄片,很少粉碎成细粉颗粒。根据切药机刀具运动方式可分为往复式和旋转式两种类型的切药机。
  往复式切药机的切刀通过与曲轴相连,在电动机皮带轮旋转时,曲轴5带动连杆4和刀具1作上下往复运动,中药材产生通过传送带7输送,在刀床2处被压紧送出截切,切断长度由传送3带的六种输送速度进行调节。
  (2)中草药粉碎机
  除切段或切片之外,根据使用要求,有时需要把中药材粉碎成粗粉或微粉,如把贵重中药材进行微粉碎后直接制成中成药。工业上常用万能粉碎机进行中草药材的粗碎,用微粉碎机进行中草药材的微粉碎。
  中草药粉碎机一般属于冲击式破碎机,由主机、辅机和电控箱等三部分组成。主机由加料斗、机壳、活动齿盘、固定齿盘、离心分级装置构成,也有主机中安装筛板筛网来进行颗粒分级的。齿盘上固定的钢棒叫钢齿,把齿盘固定在转动轴上,由电动机通过皮带轮传动。辅机由旋风和脉冲式除尘器,起收集粉碎所得颗粒并防止粉尘飞扬的作用。当启动电机后,活动齿盘和固定齿盘间的高速相对运动,物料受到齿盘上齿的冲击、磨擦及物料彼此间撞击等综合作用而被粉碎。粉碎后的颗粒粒度可在10目~200目之间任意调节。
  万能粉碎机在操作时应先关闭塞盖,开动机器空转,待转动平稳后再加入需要粉碎的物料,否则加入的物料阻塞于钢齿之间,增加电动机启动负荷,损坏机器设备。
  (3)微粉碎机
  通常微粉碎机属于锤式粉碎机,如图9-4所示。微粉碎机由主机、辅机、电控箱三大部分组成。主机内的转子上通过铰链悬挂刀片或者悬锤,粉碎机腔内安装有格栅和衬板,格栅起控制产品粒度的作用。物料由料斗经螺旋输送杆进入粉碎室,受到高速旋转的锤头打击、切割以及衬板的撞击等作用,而被粉碎,粉碎了的物料通过底部的筛孔出料,粗颗粒被格栅截留而被再次送入粉碎腔内粉碎。合格的颗粒在负压风力运送下进入旋风分离器,经袋式过滤器后被收集到储存容器中。
  (4)球磨机
  球磨机是一种细碎设备,其罐体由不锈钢或陶瓷材料作成,内装一定数量的钢球或瓷球。当罐体转动时,由于球体之间以及球体与罐壁之间的摩擦作用,使得球体随罐壁转动上升到一定高度后以抛物线方式往下落,从而对物料产生撞击和研磨作用并使物料高度粉碎。
  球磨机常常用于物料的精磨,由于可以在密封条件下进行粉碎操作,故可用来进行无菌粉碎。
  2、微生物细胞的破碎
  微生物细胞壁非常坚韧,可以耐受一定的高压而不破裂。当目的产物处于细胞内时,必须采取有效的方法破碎细胞,使目的产物从细胞内释放出来便于提取。
  目前生产上主要采用机械破碎法破碎细胞,所使用的设备主要有高压均质机和珠磨机。
  (1)高压均质机
  高压均质机关键部件是高压泵和破碎阀,高压泵通常采用柱塞往复泵,其结构与一般柱塞泵相同。破碎阀安装在柱塞泵的排出管路上,一般由阀杆、阀座和冲击环构成。
  高压均质机的工作原理是:当物料高压低速进入均质阀,流径阀座和柱阀窄小间隙进入低压区,根据伯努利定律:压力能转变为动能,巨大的动能把流速提高到300-500米/秒,此时压力迅速下降至饱和蒸汽压力下,物料中形成气泡,出现空穴现象。在一个巨大的压力下跌的作用下使物料失压、膨胀、爆炸。在巨大动能作用下,物料颗粒通过阀件的窄小间隙产生强烈剪切效应,同时,巨大的动能使物料以300-500米/秒(100mpa可达500-1000米/秒)的速度,射向冲击圈而产生强大的撞击效应,在这各种综合因素的作用下,生物细胞被破裂成碎片。
  由于在细胞破碎过程中放出大量的热,液体温度迅速升高。为保护设备同时避免热敏性目的产物失去生物活性,高压均质机内设计有冷却夹套,通入冷却剂可以移除热量,维持高压均质机在一个稳定的温度下工作。因而在使用高压均质机前必须先通入冷却剂,然后再开机运行。
  (2)珠磨机
  珠磨机的破碎腔由夹套组成,夹套内通冷却剂可以移出细胞破碎时产生的热量。破碎腔内装有直径约1mm的无铅玻璃珠或其他材质的微珠。当启动电机后,玻璃珠随搅拌桨转动而进行各种形式的运动,从而珠子与细胞之间产生了撞击和剪切效应,使细胞破碎,释放出内含物。在细胞匀浆液出口处设置了珠液分离器滞留珠子,使珠液分离破碎能够连续进行。珠磨机是破碎率较高的细胞破碎机,常用于生物药物的生产中。
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