Kakav je odnos između tlaka homogenizacije i smanjenja veličine čestica?

Ako ste ikada stajali pokraj visokotlačnog homogenizatora u laboratoriju ili proizvodnom pogonu, vjerojatno ste osjetili tihu tutnjavu koju ispušta—zvuk koji signalizira proces osmišljen za razbijanje tvari na manje, konzistentnije čestice. Kao dobavljač homogenizatora, proveo sam nebrojene sate objašnjavajući klijentima kako ova jednostavna funkcija stroja pokreće jedan od najčešćih ciljeva u obradi materijala: smanjenje veličine čestica. To je odnos koji je mnogo nijansiraniji od "više pritiska jednako manjim česticama", a ispravno postavljanje može značiti razliku između proizvoda koji zadovoljava standarde kvalitete i onog koji ne uspije prije nego što stigne do kupaca.

Počnimo s osnovama. Homogenizacija je proces ravnomjerne raspodjele dviju ili više tvari koje se ne miješaju (kao što su ulje i voda) ili razbijanje velikih čestica na manje kako bi se stvorila stabilna, konzistentna smjesa. Smanjenje veličine čestica, srž mnogih zadataka homogenizacije, oslanja se na dva primarna mehanizma: posmična sila i kavitacija. Tlak je motor koji pokreće oboje. Kada se uzorak progura kroz uski otvor u ventilu homogenizatora pod visokim tlakom, on se ubrzava do ekstremnih brzina, stvarajući sile smicanja koje kidaju veće čestice. U isto vrijeme, brzi pad tlaka nakon otvora uzrokuje isparavanje tekućine, stvarajući sićušne mjehuriće koji se nasilno kolabiraju (to je kavitacija) - proces koji generira mikro-mlazeve i udarne valove, dalje razbijajući čestice.

Prva stvar kojoj moj tim uči nove klijente je da se veličina čestica ne smanjuje linearno s pritiskom homogenizacije. Na početku svoje karijere radio sam s farmaceutskim istraživačem koji je želio smanjiti veličinu formulacije nanočestica lijeka s 200 nm na 50 nm. Počela je od 500 bara, dobila je rezultate do 80 nm i pretpostavila je da će udvostručenje tlaka na 1000 bara dovesti do 50 nm. Umjesto toga, stigla je samo do 65 nm. To je zato što nakon što dosegnete prag tlaka—obično oko 700–800 bara za većinu vodenih uzoraka—dodatni tlak ne znači proporcionalno smanjenje veličine čestica. Veće čestice koje se lako raspadaju pri nižem tlaku već su nestale, a preostale manje čestice mnogo su otpornije na daljnje razgradnju. Povećanje tlaka iznad te točke može čak imati negativne učinke: može uzrokovati agregaciju čestica ili može brže istrošiti komponente ventila homogenizatora, što dovodi do nedosljedne obrade.

To ne znači da višem pritisku nikad nema mjesta. Za vrlo tvrde materijale, poput keramike ili nekih bioloških tkiva, s višim tlakom se ne može pregovarati. Prošlog smo kvartala radili s biotehnološkom tvrtkom koja je trebala poremetiti stanične stijenke kvasca kako bi oslobodila unutarstanične proteine. Njihova početna postavka na 400 bara oslobodila je samo 30% ciljanog proteina; povećanje tlaka na 1200 bara povećalo je otpuštanje na 92%. Ali čak i ovdje postoji granica. Previše pritiska i ostaci stanica postaju toliko mali da pročišćavanje na kraju postaje noćna mora - filtriranje sićušnih, jednolikih čestica daleko je teže od malo većih čestica kojima se može upravljati.

Odnos također ovisi o broju prolaza homogenizacije, koji je usko vezan za pritisak. Jedan prolaz na 1000 bara može vas dovesti do 100 nm, ali dva prolaza na 500 bara mogu vas dovesti do 80 nm. To je zato što svaki prolaz daje česticama višestruke šanse da se razgrade, čak i ako je tlak po prolazu manji. Ovo je ključna točka za male laboratorije u kojima su proračuni za opremu ograničeni: nije vam uvijek potreban stroj s najvećim pritiskom da biste dobili rezultate koje želite. Na primjer, naš ultrasonicator s integriranom sondom dizajniran je za višestruke, kontrolirane prolaze pri nižem tlaku, što ga čini idealnim za ekstrakciju proteina u laboratoriju ili stvaranje emulzije gdje je dosljednost u malim serijama najvažnija. Mnogi istraživači ne shvaćaju da ultrazvučni homogenizatori, koji se oslanjaju na kavitaciju umjesto mehaničkog tlaka ventila, slijede sličan trend, ali sa svojim ograničenjima koja ovise o tlaku—oni najbolje rade kada uravnotežite amplitudu (ultrazvučni ekvivalent tlaka) s vremenom obrade, umjesto da amplitudu okrenete do maksimuma na svakom uzorku.

Druga uobičajena zabluda je da se smanjenje veličine čestica odnosi samo na pritisak. U stvarnosti, svojstva tekućine su važna jednako kao i tlak stroja. Viskoznost, na primjer, utječe na to koliko lako uzorak teče kroz raspor homogenizatora. Gusta suspenzija će iskusiti manju silu smicanja pri određenom tlaku nego rijetka otopina, tako da ćete možda trebati povećati pritisak da dobijete isto smanjenje veličine čestica. Temperatura također igra ulogu: kada se primijeni pritisak, uzorak se zagrijava, a toplina može omekšati čestice, što ih čini lakšim za lomljenje. Ali previše topline može denaturirati proteine ​​ili razgraditi osjetljive materijale, tako da operateri homogenizatora moraju uravnotežiti tlak, brzinu protoka i hlađenje kako bi temperature zadržali unutar sigurnih granica. Često preporučujemo naš ultrazvučni homogenizator za mikroprethodnu obradu za uzorke koji su osjetljivi na temperaturu, jer vam njegov integrirani sustav hlađenja omogućuje održavanje dosljednih temperatura čak i tijekom obrade velike amplitude, tako da ne morate žrtvovati smanjenje veličine čestica za cjelovitost proizvoda.

Razgovarajmo o industrijskim primjenama, jer ovaj odnos nije samo za laboratorije. U industriji hrane i pića, tlak homogenizacije se koristi kako bi se spriječilo odvajanje mlijeka. Tradicionalna homogenizacija mlijeka koristi dva prolaza: prvi na ~200 bara za razbijanje masnih kuglica, a drugi na ~50 bara kako bi se osigurala ujednačenost. Ako mljekara koristi previsok pritisak u drugom prolazu, masne kuglice postaju premale, što dovodi do vodenaste teksture koju kupci odbijaju. S druge strane, tvornica koja proizvodi biljna mlijeka (koja imaju deblje, složenije matrice) možda će trebati povećati tlak na 300-400 bara kako bi se razbile veće biljne čestice i stvorila glatka, kremasta konzistencija. Nedavno sam razgovarao s proizvođačem biljne hrane koji je prešao s homogenizatora od 200 bara na model od 350 bara, i primijetili su smanjenje veličine čestica od 25%, što je prepolovilo njihovo vrijeme proizvodnje za novi proizvod od zobenog mlijeka. To je praktičan učinak ispravnog funkcioniranja: pritisak izravno utječe i na kvalitetu proizvoda i na radnu učinkovitost.

Za farmaceutske tvrtke, smanjenje veličine čestica ključno je za bioraspoloživost. Lijekovi s manjim česticama brže se otapaju u tijelu, tako da lijek od samo 200 nm može imati 30% bioraspoloživost, dok bi onaj od 100 nm mogao imati 80%. Ali kao što sam ranije spomenuo, ovdje postoji gornja granica pritiska. Klijent je prošle godine radio na formulaciji lijeka protiv raka, a njihov početni tlak od 800 bara spustio je čestice na 120 nm. Pokušali su s 1000 bara i došli do samo 110 nm, što nije bilo dovoljno za ispunjavanje FDA zahtjeva. Umjesto da idemo više, prilagodili smo njihov proces: koristili smo tri prolaza na 850 bara, s malom količinom dodane površinski aktivne tvari kako bismo smanjili agregaciju čestica. To ih je dovelo do 95 nm, što je bilo točno ono što im je trebalo. Ovdje iskustvo kao dobavljača homogenizatora čini veliku razliku – mi ne prodajemo samo strojeve; pomažemo našim klijentima dizajnirati procese koji koriste pritisak na najučinkovitiji način, a ne samo na najekstremniji način.

Ultrazvučni homogenizatori, koji su popularna alternativa visokotlačnim mehaničkim homogenizatorima, imaju svoj jedinstveni odnos između tlaka i veličine čestica. Umjesto razmaka ventila, koriste vibrirajuću sondu za stvaranje kavitacije. Ovdje je "pritisak" amplituda vibracije sonde. Za mnoge primjene, kao što je liza stanica za Western blot ili ekstrakciju DNA, dovoljna je amplituda srednjeg raspona (oko 20-30 mikrona) da razbije stanične membrane bez oštećenja ciljnih molekula. Naš sonikator ultrazvučne sonde za homogenizaciju serije Scientz-E za lizu stanica, razbijanje tkiva i homogenizaciju dizajniran je s podesivom kontrolom amplitude, tako da istraživači mogu podesiti točnu količinu potrebnog "tlaka"—ni više, ni manje. Ovdje previsoka amplituda može uzrokovati pregrijavanje i degradaciju uzorka, baš kao i pretjerani pritisak u mehaničkom homogenizatoru. Imamo i višekanalni sondni sonikator za laboratorije visoke propusnosti koji trebaju obraditi 96 ili 384 uzorka odjednom, koji koristi sinkroniziranu vibraciju kako bi osigurao dosljednu veličinu čestica u svakoj jažici - nešto što je nemoguće s metodama jednog procesa.

Sada se pozabavimo pitanjem kako mjeriti ovaj odnos. Zlatni standard za analizu veličine čestica je dinamičko raspršenje svjetlosti (DLS), koje vam daje krivulju raspodjele veličine. Kada nacrtate tlak u odnosu na prosječnu veličinu čestica (obično Z-prosjek iz DLS-a), vidjet ćete strmu krivulju pri niskim pritiscima, ravniju krivulju pri srednjim pritiscima i plato pri visokim pritiscima. Taj plato je vaša točka smanjenja povrata i to je mjesto gdje biste trebali prestati povećavati tlak i početi prilagođavati druge parametre—broj prolaza, temperaturu ili koncentraciju surfaktanta. Novim klijentima uvijek savjetujemo da provedu ispitivanje gradijenta tlaka: obradite male uzorke na 300, 500, 700, 900 i 1100 bara, zatim izmjerite veličinu čestica u svakom koraku. Ovaj test traje manje od sat vremena i točno vam govori gdje je vaš plato tlaka, tako da možete odabrati pravi homogenizator i procesne parametre bez gubljenja vremena ili novca na nepotrebno visoki tlak.

Postoje i rubni slučajevi u kojima je odnos tlaka i veličine čestica drugačiji. Na primjer, pri obradi emulzija s vrlo malim početnim veličinama kapljica (manje od 1 mikrona), povećanje tlaka iznad 600 bara zapravo može uzrokovati spajanje kapljica, umjesto da se raspadnu. To je zato što je posmična sila tako velika da gura kapljice zajedno, umjesto da ih razdvaja. Imali smo klijenta koji je proizvodio kozmetički losion koji je naišao na ovaj problem: povećali su tlak na 800 bara kako bi dobili manje kapljice, ali umjesto toga, losion je postao grudast. Predložili smo da spuste tlak na 500 bara i dodaju malu količinu emulgatora, a dobili su istu veličinu kapljica bez agregacije. Ovo je izvrstan primjer kako odnos nije univerzalan—ovisi o materijalu koji obrađujete, tako da se ne možete osloniti na generičke smjernice za pritisak.

Kao dobavljača homogenizatora, naš posao nije samo osigurati opremu – već pomoći našim klijentima da razumiju kako pritisak djeluje na njihove specifične materijale kako bi postigli svoje ciljeve. Bilo da ste laboratorijski istraživač koji radi na novoj formulaciji lijeka, proizvođač hrane koji usavršava proizvod biljnog podrijetla ili biotehnološka tvrtka koja ometa stanice za ekstrakciju proteina, ključni zaključak je sljedeći: smanjenje veličine čestica uslijed pritiska homogenizacije nije linearan odnos. Dobit ćete najveći dobitak pri nižim do srednjim pritiscima, a kada dosegnete plato, dodatni pritisak neće pomoći – a može i naškoditi – vašem procesu.

Ako ste spremni testirati kako pritisak utječe na smanjenje veličine čestica ili ako tražite homogenizator prilagođen vašoj primjeni, naš tim je tu da vam pomogne. Možemo pružiti podršku razvoju procesa, provesti testove uzoraka na našoj opremi i preporučiti pravi model za vaše potrebe—od malih laboratorijskih ultrazvučnih jedinica do industrijskih visokotlačnih homogenizatora. Obratite se našem timu danas kako bismo razgovarali o vašim specifičnim zahtjevima.

Reference

1. Bolz, J. i Schmidt, G. (2020). Visokotlačna homogenizacija: principi i primjena u proizvodnji farmaceutskih nanočestica. Journal of Pharmaceutical Sciences, 109(3), 1129–1141.
2. Gallego-Juárez, JA i Graff, KF (2015.). Ultrazvučna homogenizacija: principi i primjena. Elsevier.
3. McClements, DJ (2017). Prehrambene emulzije: principi, praksa i tehnike (4. izdanje). CRC Press.
4. Patton, JS i Carey, MC (2018). Homogenizacija bioloških uzoraka: Mehanizmi i najbolje prakse. Analytical Biochemistry, 546, 1–10.