摘要：高压均质机也称“高压流体纳米均质机”，它可以使悬浊液状态的物料在超高压（最高可达60000psi）作用下，高速流过具有特殊内部结构的容腔（高压均质腔），使物料发生物理、化学、结构性质等一系列变化，最终达到均质的效果。普通型均质机压力15000psi内, 高压均

高压均质机也称“高压流体纳米均质机”，它可以使悬浊液状态的物料在超高压（最高可达60000psi）作用下，高速流过具有特殊内部结构的容腔（高压均质腔），使物料发生物理、化学、结构性质等一系列变化，最终达到均质的效果。普通型均质机压力15000psi内, 高压均质机压力30000psi内，超高压均质机压力60000psi内。

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关于高压均质机

“高压均质机”主要用于生物、医药、食品、化工等行业，进行细胞破碎、饮品均质、精细化工，制备脂质体、脂肪乳、纳米混悬剂、微乳、脂微球、疫苗、乳剂、乳品、大输液、染料、石墨烯碳纳米管、导电涂层和纳米氧化物分散等应用，该领域国际市场规模超过100亿元。其中，制药乳剂的生产必须采用超高压均质机, 压力至少在20000psi以上并采用高品质的金刚石交互均质容腔以达到均匀安全的制药级粒径分布，目前国内医药行业使用的高压均质机几乎完全依赖于进口。

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设备原理

高压均质机主要由高压均质腔和增压机构构成。高压均质腔的内部金刚石具有特别设计的几何形状微孔道，在增压机构的作用下，高压溶液以超音速通过均质腔，物料会同时受到高速剪切、高频震荡、空穴现象和对流撞击等机械力作用和相应的热效应，由此引发的机械力及化学效应可诱导物料大分子的物理、化学及颗粒结构性质发生变化，形成较均一的粒径并均匀分布在溶液中，最终达到均质的效果。

高压均质部件--微射流金刚石均质腔

在高压均质机中，高压均质腔是设备的核心部件，其内部的特有的几何结构是决定均质效果的主要因素。而增压机构为流体物料高速通过均质腔提供了所需的压力，压力的高低和稳定性也会在较大程度上影响产品的质量。

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高压均质机的应用

高压均质机是应用纳米技术top-down工艺制备纳米材料最有效的生产设备之一，其应用领域非常广泛，全球具有近百亿人民币的市场需求量。

● 制药行业中制备脂肪粒、微乳、脂质体、纳米混悬剂、纳米粒和微胶囊等；

● 生物工程产品的细胞破碎、微乳和脂质体型佐剂；

● 食品和饮料工业产品的均质和乳化，提高产品稳定性、口感、外观和营养物有效包裹等；

● 化妆品、精细化工等行业产品的均质分散，提升功能性、差异化提高附加值、确保工艺稳定性等；

● 导电浆料、电阻浆料、石墨烯和碳纳米管和纳米氧化物的分散和剥离等。

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高压均质机的分类

从增压动力来源

1、电动型

电动型以电机作为动力，向下又细分为机械型和液压型。

电动型高压均质机

机械型中电机带动曲轴使柱塞往复运动，直接对物料进行增压。通过多组柱塞提供连续的压力，均质压力较高，产量大，但物料最小量较大，同时电机带动曲轴需要有多级减速机构，使设备效能一般且体积较大。适合用于大型生产。液压型中电机带动油泵，通过液压系统对物料进行增压。液压系统可提供更高的压力，设备效能较高，体积相对较小，并且物料最小量更小。可同时适用于试验和生产。

2、手动型

超轻型高压均质机Handgenize

通过手动杠杆机构对物料进行增压。由于是手动增压所以产能较低，但其具有拆装快捷，可随身携带的优势，同时需要的物料最小量很小，非常适用于进行小量试验，可以充分满足实验室的研发需求。手动型超高压均质机又称为超轻型超高压均质机Handgenize。

3、气动型

将压缩气体的压力转化为液压。设备需要氮气瓶或压缩空气机的支持，气体的消耗量很大，噪音也较大，并且最高均质压力普遍较低，但是由于没有单独的增压机构，所以体积较小，适合配备有空气压缩机的场所使用。

均质腔结构原理

A．穴蚀喷嘴型 B．碰撞阀体型 C．Y形交互型

1、第一代 碰撞型

A．穴蚀喷嘴型——直接引用了高压切割和航空航天推进技术中的气蚀喷嘴结构，但是由于在超高压的作用下，物料溶液经过孔径很微小的阀心时会产生几倍音速的速度，并与阀心内部结构发生激烈的磨擦与碰撞，因此其使用寿命较短，并伴随有金属微粒残落。穴蚀喷嘴的主要作用是空化作用，空化作用也是破乳使乳剂粒径增大或分层的不利因素。

B．碰撞阀体型——通过碰撞阀（Impact valve）和碰撞环（Impact ring）结构的引入，降低了局部磨损，延长了均质腔的使用寿命。碰撞阀的作用是撞击和空化作用的综合。但是由于其根本原理上还是通过溶液中的物料和高硬度金属（如钨合金）结构碰撞，所以金属微粒的磨损残落问题没有彻底解决，并且截止到2013年，绝大多数的国产高压均质机都使用了这种结构。

2、第二代 微射流型

C．Y形交互型——根本的区别在于其应用了对射流的原理。利用特有的Y形结构，使高压溶液中高速运动的物料自相碰撞，大大提高了腔体的使用寿命，因为引用的金刚石材料，解决了金属微粒残落的问题。Y形交互型因为降低了空化作用，而且粒径与PDI控制能力精致、稳定，被广泛地用于制药乳剂的制备。目前主要由美国的Genizer和Microfluidics公司生产对射流Y形金刚石交互容腔。在制药行业上，微射流Y形金刚石交互容腔占据了美国制药行业的90%以上。Genizer公司提供的可控温型交互均质容腔使使用压力达到60000psi，温控型的容腔可以减少高温下的样品变质。

Y型交互容腔结构原理图

第一代碰撞型均质腔在生产医用注射液时，残落的惰性金属颗粒有可能发生聚集或形成更大颗粒。从病理学角度看，将导致毛细血管血流减少，进而引发人体内组织的机械性损伤，以及引起急性或慢性炎症反应。对射型均质腔的诞生从原理上解决了惰性金属残落的问题和破乳的潜在因素。但是由于内部结构原因，当物料的浓度和粘度较大时，第二代对射型较第一代更易发生阻塞。

增压原理

超高压均质机需要超大的推力来推动活塞缸以获得高压，旋转式的电机需要减小转速，增大扭矩，转换直线运动来获得大推力的直线往复运动。增压可分为机械转换型和液驱型即液压驱动型。

1、机械型

电机带动曲轴使柱塞往复运动，直接对物料进行增压。通过多组柱塞提供连续的压力，均质压力较高，产量大，但物料最小量较大，残留量也较大，同时电机带动曲轴需要有多级减速机构，使设备效能一般且体积较大。适合用于食品、化工和压力不是非常高的情况下使用。

2、液压型

液压式是近年超高压技术发展的结果，电机带动油泵，通过液压系统对物料进行增压。液压系统可提供更高的压力，设备效能较高，体积相对较小，并且物料最小量更小。可同时适用于试验和生产。液压型的造价昂贵，但通过液压增压能够换取低速大推力的活塞运动，从而增加了机器寿命，减少了维护成本。并行四缸技术用在高压均质机上，不需蓄能器即能获得稳定的压力。采用液压模式能得到45000psi的超高压力。

液压驱动四泵恒压型结构图

早期的高压均质机以机械转换型为主，但机械转换型的缺点是使用寿命有限，易损件需要经常维护，特别是在100MPA以上压力使用时承压部件损坏频率很快。液压型制造成本高，但使用寿命长，易损件维护成本降低。

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高压均质机的选择

高压发生器的选择

一般而言增压缸的高压发生器优于机械式的高压发生器。同样的流量下，增压器性能越高，频率越低，则压力波动越小，产品质量越好，设备耐用性更高。Genizer公司的实验型高压均质机型Nanogenizer[3]在每分钟小于10次的波动下，即能达到国产未增压均质机型60次的流量。高压缸柱塞材质有陶瓷、硬质钨合金、硬化不锈钢，成本陶瓷>硬质钨合金>硬化不锈钢,质量和耐用性陶瓷>硬质钨合金>硬化不锈钢。

均质原理选择

高压均质腔是高压均质机的核心部件，是决定均质效果的主要因素。不同内部结构的高压均质腔，其使用范围和均质效果都不尽相同。具体比较和选择可参见以下表格。

表1 均质腔的性能比较

表2 均质腔的选择指南

一般而言，使用第一代均质部件的设备价格较低，但均质性能不如第二代。使用第二代均质腔的设备，对乳剂的均质效果优良，但处理高浓度、高粘度物料时，较第一代产品更易阻塞，且价格相对较高。Genizer 公司开发的降温型均质腔还可以应用于热不稳定的生物和药用产品中。所以最终的选择应当根据产品需求和整体性价比来进行确定。

最高均质压力

一般情况下，均质压力越高越好。首先，均质压力越高，均质后的物料粒径将越小越均匀。这就使设备的效率更高，可以通过更少的循环次数达到期望的效果；其次，均质压力越高，可以处理的物料种类越多。例如，某些液体乳剂只需要在20000psi就可以均质到100nm以下，而某些含有较高密度固体颗粒的混悬液，则至少要45,000psi以上的压力下才能处理到纳米级。

但同时需要注意的是均质压力越高，发热量则越大，高温会影响物料的均质效果。所以，一般在没有降温措施的情况下，30000psi是超高压均质的最高压力。由于超高压均质机产生的高温，超过30000psi均质效果已不随压力而提升，可控温型的超高压金刚石交互容腔的发展出现可以有效减少高温引起的大颗粒含量和乳剂稳定型问题，使高压均质的压力可以达到60000psi。

均质效果检测

均质后的物料，在达到所需粒径的同时，其粒径的分布应具有集中性，不应出现粒径大小从几十个纳米到几微米分布相当的情况，其中均质后物料大颗粒的含量尤其需要注意。例如美国药典中就对医药乳剂中的大颗粒分布做出了明确的规定。

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厂商机型分类

目前生产超高压均质机的厂商可以按驱动形式和均质原理进行分类

机械型: 意大利,丹麦, 加拿大,大多数国产机型

增压型: 美国微射流, 美国BEE，美国Genizer

机械转换型和均质阀更适合于低附加值的食品，饮料和高粘度的原料均质。增压型和均质腔以及控温型均质腔更适合对稳定性以及粒径集中度要求高的制药行业和小纳米颗粒行业。

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发展方向

随着我国制造技术的不断发展，已经有很多国产均质机应用在食品、化工等诸多行业。但是，自1986年中国生产第一批药用脂肪乳以来，医药行业使用的超高压均质机几乎全部来源于进口。其中，最主要的原因就是国产高压均质机的核心部件高压均质腔无法达到行业所需的技术要求。

2010年美国食品与药物管理局（FDA）发布公告，在全美召回11批丁酸氯维地平注射用乳剂。召回原因为产品中可能含有惰性金属颗粒物质。如果这些颗粒发生聚集形成更大的颗粒，理论上将导致毛细血管血流减少，进而引发某些组织的机械性损伤，以及引起急性或慢性炎症反应。某些组织血供减少还可能引起脑、肾、肝脏、心脏、肺等器官缺血或功能不全。因此，在医药行业，不推荐使用第一代碰撞型均质设备。业界常见的碰撞型均质设备有APV, Niro, Avestin等早期产品和绝大多数国产机型，这些机型已不适合进行注射用乳剂的大规模生产。今后，国产高压均质机需要不断提高核心部件高压均质腔的制造技工艺，才可以在医药、半导体、微电子等高精尖领域得到更加广泛的应用。

在过去的一百年里，均质机经历了，从低压均质机-高压均质机-超高压均质机(10000psi-30000psi-60000psi)；均质阀-均质腔-控温型均质腔，机械转换型-增压驱动型-多泵恒压增压型的发展历程。随着大推力直线动力系统的发展，未来大推力，低速的直线电机会在超高压均质机得到应用。随着压力的增加，实时降温是超高压均质机面临的一大技术难题。同时可控温，不易堵塞，超高耐压均质腔也是未来发展的方向。

文章来源中粉制药

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来源：SpaceThink科技