利用多重光散射技術(shù)輔助工藝放大過程

1 簡介

在放大生產(chǎn)過程時，小規(guī)模試驗研究是十分重要的。一般來說，小規(guī)模試驗的量不應(yīng)小于工廠每次生產(chǎn)量的1/10，否則所做小規(guī)模試驗研究可能是沒有意義，或會產(chǎn)生誤導(dǎo)。其原因是，當(dāng)每次生產(chǎn)量改變很大時，要保持重要過程參數(shù)（包括與機械功相關(guān)的變量、時間和溫度等）恒定是很困難的。這些因素相互影響，使工藝放大復(fù)雜化。

多數(shù)非牛頓型流體產(chǎn)品的物理性質(zhì)不僅與添加于配方中每個組分的質(zhì)與量有關(guān)，而且亦強烈地受過程變量影響，包括添加次序、使用混合設(shè)備、乳化溫度和每批生產(chǎn)量等。

在工藝放大過程中遇到的很多“意外”，都是可以預(yù)測的，如果小試時能多注意一些細(xì)節(jié)，做一些簡單的實驗，收集一些數(shù)據(jù)，對以后的工藝放大會有很大幫助。

那么如何用科學(xué)實驗設(shè)備輔助工藝放大過程呢？本文將介紹如何使用多重光散射技術(shù)選擇合適的分散條件。

2使用Turbiscan控制生產(chǎn)放大過程 

2.1評價均勻性

均勻性是物質(zhì)的一種或幾種特性具有相同組分或相同結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。從理論上講，如果物質(zhì)各部分之間的特性量值沒有差異的話，那么該物質(zhì)就這一給定的特性而言是*均勻的。然而，對于分散體系均勻性而言，由于是多相不均勻體系，兩相之間存在密度差，或者粒子之間存在相互作用力，均勻性會隨著時間發(fā)生變化。

均勻性是樣品放大過程中非常重要的因素，不均勻的料體生產(chǎn)出的產(chǎn)品，會出現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化分散過程造成困難。

在生產(chǎn)過程中，在每一步混合步驟中，都可以利用Turbiscan多重光散射儀在20s的時間內(nèi)評價樣品分散的均勻性。下圖為同一個樣品在不同攪拌時間的Turbiscan數(shù)據(jù)。

紅色曲線是攪拌不夠充分時取出的樣品，掃描線呈現(xiàn)凹凸不平的波動，均勻性差。綠色曲線代表的樣品是充分?jǐn)嚢韬螅€比較平滑，意味著均勻性較好。

由于Turbiscan一次掃描的時間僅需要20s，所以，可以在產(chǎn)品制備的過程中多次取樣，對整個分散過程的均勻度進行監(jiān)控。

2.2均勻性指數(shù)計算方法

利用Turbiscan直接測量樣品整體掃描曲線，將樣品中部區(qū)域數(shù)據(jù)點取出，進行標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算（可借助excel中stdev公式）。標(biāo)準(zhǔn)偏差計算公式：

σ趨近于0: 均勻性好；σ趨近于1: 均勻性差。

2.3 監(jiān)測分散過程

2.3.1Turbiscan Disepersion Tools (TDT)

通過Turbiscan Disepersion Tools配件，配合點模式測量方法，可以把Turbiscan的樣品池模擬成反應(yīng)器，研究分散體系的分散過程。

TurbiscanTDT配件

Turbiscan粒徑隨時間變化曲線

上圖為初級粒徑為25nm的TiO2顆粒平均粒徑隨超聲時間的變化過程，可以看到TiO2顆粒在不同的溶劑中分散過程是不同的，在水中隨著超聲時間增加，粒徑降低過程較明顯，其次為乙醇；在丙酮、庚烷、乙酸乙酯等溶劑中分散效果較差。

2.3.2 Turbiscan Loop （TLo）

通過Turbiscan Loop配件，配合點模式測量方法，可以把Turbiscan與生產(chǎn)設(shè)備串聯(lián)，研究分散體系的實際分散過程。

TurbiscanTlo示意圖

平均粒徑隨時間變化曲線

上圖為13wt%碳酸氫鈉乙醇懸浮液隨著研磨時間的粒徑變化過程（濕法研磨），可見隨著研磨時間的增加，顆粒尺寸逐漸降低。結(jié)論：Turbiscan多重光散射儀可以評價分散過程中樣品的分散均勻性，為生產(chǎn)放大過程保駕護航。Turbiscan搭配 TDT和TLo工具拓展了Turbiscan的應(yīng)用范圍，不僅可用于分析化學(xué)反應(yīng)過程和超分子自組裝過程，還可用于監(jiān)測實際的分散過程。