一种以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的方法

摘要

一种以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的方法，涉及一种从水溶液中获取固体颗粒及具有控释效果的复合固体颗粒的方法。提供一种以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的装置及其方法。设有二氧化碳输送机构、水溶液输送机构、颗粒收集与回收机构和控制显示机构。将水溶性物料、夹带剂和水的溶液加入高压系统，进入双通喷嘴的一通道；将二氧化碳送入同轴双通喷嘴的另一个通道，达到超临界流体状态，对水溶性物料、夹带剂和水的溶液进行雾化，雾化后于颗粒收集室收集固体颗粒，夹带剂和水溶液由二氧化碳带走，经过冷却分离，夹带剂和二氧化碳回收利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从水溶液中获取固体颗粒及具有控释效果的复合固体颗粒的方法，尤其是涉及一种以超临界二氧化碳雾化为手段，以夹带剂为辅助手段，从水溶液中得到蛋白颗粒、水溶性无机或有机材料颗粒及其复合颗粒的方法及其装置。

背景技术

从水溶液中干燥获取固体颗粒或制备复合固体颗粒(包括微胶囊)一直是化工、制药、食品等行业的重要领域。对于生物活性、冲击敏感、热敏感、结构不稳定和易于化学分解的物质，需要温和的干燥条件，避免使用有毒有机溶剂等。因此，工业上大规模使用的喷雾干燥方法遇到了很大的障碍，而可采用的冷冻干燥等技术由于过程耗能大、存在规模化困难等问题，难以大量采用。为此，超临界流体技术可以发挥重要作用。

超临界流体干燥技术已经应用于制备无机材料的气凝胶。超临界流体干燥的传统概念一般是指运用有机溶剂将水替换或部分替换，然后再用超临界流体萃取有机溶剂，从而达到干燥的目的，因此这是一个间接的途径。另一方面，经过十几年的发展，超临界流体制备微颗粒技术中的气体抗溶剂再结晶过程(The Supercritical Anti～solvent Process，SAS/GAS)已经派生出了许多新过程：1989年由Gallagher等【Gallagher P M，Coffey M P，Krukonis V J，KlasutisN.Gas antisolvent recrystallization：New process to recrystallize compounds insoluble insupercritical fluids.Supercritical Fluid Science and Technology，American Chemical Society，Washington D.C.，1989，406：334～354】提出的气体抗溶剂技术(Gas Anti～Solvent，GAS)；1993年由Bleich等【Bleich J，Muller BW，Wabmus W.Aerosol solventextraction system：a newmicroparticle production technique.International Journal of Pharmaceutics，1993(97)：111-117】提出的气凝胶溶剂萃取系统(Aerosol Solvent Extraction System，ASES)；1994年由York和Hanna【Hanna M，York P.Method and apparatus for the formation of particles，WO95/01221，1994】提出的SCF增强溶液扩散技术(Solution Enhanced Dispersion by Supercritical fluids，SEDS)；1995年由Bodmeier等【Bodmeier R，Wang H，Dixon DJ，Mawson S，Johnston KP.Polymericmicrospheres prepared by spraying into compressed carbon dioxide.Pharmaceutical Research，1995，12：1211-1217】提出的压缩流体抗溶剂沉析(Precipitation using compressed antisolvent，PCA)。其中SEDS过程综合了SAS和ASES的优点，可以通过超临界流体～有机溶剂～水三物流接触的形式实现从水溶液中获取固体颗粒。另外，还有一类超临界流体制备微颗粒技术【Li J，Gomes de Azevedo E.Particle formation techniques using supercritical fluids，Recent Patents onChemical Engineering，2008，1(2)：157～169】，包括CAN～BD(Carbon dioxide Nebulizationwith a Bubble～Dryer)【Sievers，R.E，Karst，U.：EP0677332(1995)/US5639441(1997)】和SAA(Supercritical～Assisted Atomization)【Reverchon，E.：EP1263412(2002)/US20040178529(2004)/DE 60118983T(2007)】技术，也可以用来处理含水的物系得到固体颗粒。虽然上述这些超临界流体技术均可用于处理含水体系得到固体颗粒，而且已经处于工业化阶段，但是这些方法均要求有较高的操作压力(如SEDS)或操作温度(如CAN～BD和SAA)。为了综合SEDS和CAN～BD及SAA的优点，课题组和国外合作提出了超临界流体抗溶剂辅～雾化(Supercritical Anti～Solvent Atomization，SAS～A)技术，从四氢呋喃中获取了不同形貌的颗粒【J.Li，M.Rodrigues，A.Paiva，H.A.Matos，E.G.de Azevedo，Vapor～liquid equilibrium andvolume expansion of the tetrahydrogenfuran/CO₂ system：Applications to a SAS～atomizationprocess，J.Supercrit.Fluids，2007，41：343～351】。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的装置。

本发明的另一目的在于提供一种以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的方法。

本发明所采用的技术方案是以超临界流体技术为手段，从水溶液中获取蛋白、水溶性无机或有机材料颗粒及其复合颗粒。

本发明所述的以超临界二氧化碳从水溶液获取固体颗粒的装置设有二氧化碳输送机构、水溶液输送机构、颗粒收集与回收机构和控制显示机构。

二氧化碳输送机构设有二氧化碳储罐、气体冷凝罐、背压阀和高压柱塞泵或气体压缩机(背压阀和泵或压缩机安装于一体)、高压缓冲罐、萃取器和阀门，二氧化碳储罐和气体冷凝罐相连，气体冷凝罐出口和气体压缩机或高压柱塞泵(含背压阀)相连。气体压缩机或高压柱塞泵输出端和高压缓冲罐相连。高压缓冲罐的出口接萃取器，萃取器的作用是从中萃取加入的加夹带剂或制备复合颗粒用的另一材料。萃取器设有预留进口，需要时可以连续泵入夹带剂或复合颗粒用的材料(需熔融或溶液)。萃取器出口接截至阀和止逆阀送入同轴双通喷嘴的一通道。

水溶液输送机构用于向喷嘴输送水溶液(含水和水溶性物质，也可以是悬浮液或乳液)。水溶液输送机构设有溶液罐、高压泵、高压缓冲罐和阀门。溶液罐出口与高压泵入口相连，高压泵出口与高压缓冲罐相连，高压缓冲罐出口与止逆阀相连，然后送入同轴双通喷嘴的另一通道。

颗粒收集和回收机构的作用是用二氧化碳对水溶液进行雾化，收集固体颗粒并回收夹带剂和二氧化碳。颗粒收集和回收机构设有同轴双通喷嘴、颗粒收集室、过滤器、冷凝器、流量计和压缩机。上述超临界二氧化碳和水溶液在同轴双通喷嘴相遇，水溶液被雾化后进入收集室，颗粒沉降在颗粒收集室顶部或底部或侧面。颗粒收集室顶部或底部或侧部有气体出口，气体出口安装过滤器，过滤器后面安装冷凝器进行汽液分离，最后对二氧化碳气体和夹带剂进行回收。

控制显示机构用于操作的温度、压力、流量的显示和/或控制。控制显示机构设有空气恒温装置、物料温控器、压力指示表和温度指示表。颗粒收集室、缓冲罐、萃取器、阀、管线等设于空气恒温装置内或管线保温处理。压力表一与缓冲罐相连显示其压力并用背压阀控制，压力表二与颗粒收集室相连。

本发明所述的以超临界二氧化碳从水溶液中获取固体颗粒的方法包括以下步骤：

1)将水溶性物料、夹带剂和水的溶液加入高压系统，进入双通喷嘴的一通道；

2)将二氧化碳送入同轴双通喷嘴的另一个通道，达到超临界流体状态，对水溶性物料、夹带剂和水的溶液进行雾化，雾化后于颗粒收集室收集固体颗粒，夹带剂和水溶液由二氧化碳带走，经过冷却分离，夹带剂和二氧化碳回收利用。

在步骤1)中，所述的水溶性物料为蛋白质、水溶性无机材料、水溶性有机材料、可以在水中形成乳液或悬浮液的无机材料、可以在水中形成乳液或悬浮液的有机材料等中的一种；所述的夹带剂是指易挥发且与水和超临界二氧化碳相容性好的有机溶剂，选自乙醇、甲醇、四氢呋喃、乙酸、丙酮、甲酸乙酯、乙酸乙酯等中的至少一种；所述夹带剂的加入方式可以一次性和水溶液混合，也可以单独计量用另一高压泵泵入或萃取入超临界二氧化碳流体中；按质量百分比，水溶性物料为0.1％～50％，夹带剂为5％～85％，余为水，高压系统的温度最好为35～60℃，压力最好为7.5～10MPa。

在步骤2)中，所述超临界流体状态是二氧化碳的操作温度和压力大于二氧化碳的临界温度和临界压力；所述同轴双通喷嘴是用两根大小不等的耐压管制成，内管外径比外管内径小。内管和外管可以选择与超临界二氧化碳或水溶液相连，外管底部设有至少1个激光开口，激光开口直径最好为25～1000μm；雾化的温度最好为32～100℃，喷嘴前压力最好为7.3～12MPa，喷嘴后压力最好为0.1～7MPa，水溶性物料、夹带剂和水的溶液的流量为1ml/min～10L/min。

本发明的最大特点是用超临界二氧化碳对水溶液进行行雾化，并能在超临界二氧化碳和夹带剂的共同作用，较快地将水份移走，形成固体颗粒；其操作压力和操作温度低是突出的优点(操作温度在40℃左右，压力约8MPa即可达到目的)。本发明的第二个特点是针对复合固体颗粒，如果需要超临界二氧化碳中溶解度大的非水溶性的材料作为芯或壁材，可以将其直接加入到萃取器，然后带到喷嘴形成目标复合固体颗粒产品。

本发明所制备的固体复合颗粒主要应用于脂溶性或水溶性药物、药物复合剂型(微胶囊)，尤其应用于可控制释放或增溶效果的药物剂型。制备的固体颗粒可以控制为球状，可以非球状，所制备的产品粒径可以控制在纳米级(<200nm)、亚微米级(<1μm)或微米级(1～50μm)的某段分布。

附图说明

图1为本发明所述的超临界二氧化碳从水溶液获取固体颗粒的装置实施例的结构及其工艺流程框图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的超临界二氧化碳从水溶液获取固体颗粒的装置设有二氧化碳钢瓶a、背压阀b、冷凝器c、缓冲罐d、空气浴槽e、萃取器f、双通喷嘴系统g、颗粒收集室h、溶液槽i、溶液缓冲器j、过滤器k、气液分离器1、流量计m、CO₂泵或压缩机P1、液体泵P2、CO₂回收压缩机P3、阀门V#和温控系统TC。

以下给出本发明所述的超临界二氧化碳从水溶液获取固体颗粒的实施方法。

预备。操作前，检查超临界二氧化碳从水溶液获取固体颗粒装置的气密性、各路加热保温情况和仪表显示与控制情况，确认没有问题后，设计和控制好空气恒温装置中的温度T。

二氧化碳输送。当需要在萃取器f中加入夹带剂或复合颗粒所需的物料时，需要事先将其加入萃取器或泵入萃取器。打开二氧化碳储罐a的出口阀门，二氧化碳进入气体冷凝罐c形成液体，液体二氧化碳由高压柱塞泵或气体压缩机P1(气体压缩机时不需要将二氧化碳在冷凝罐中冷却到液体)送入缓冲器d，其中有压力指示表指示压力，并由背压阀b稳定压力至操作压力。缓冲器和萃取器可以直接相通，当打开截至阀V1时，二氧化碳或带有夹带剂或复合颗粒所需的物料的二氧化碳送入双通喷嘴的一通道。

溶液输送。在溶液槽i中装入欲处理的水溶液(可以包括一定配比的夹带剂)，开启液体泵P2将溶液打入溶液缓冲罐j，溶液经过止逆阀V2进入双通喷嘴的另一通道。

雾化及颗粒收集。上述两股流体交汇于双通喷嘴系统g，二氧化碳流体对水溶液流体在喷嘴中进行雾化进入颗粒收集室h。雾滴经过高压二氧化碳(喷嘴出口处仍然高压)和夹带剂的作用，固体颗粒在颗粒收集室中沉降，水份和夹带剂及二氧化碳从顶部或底部或侧部的气体出口排出，气体出口安装过滤器，过滤器后面安装气液分离器1(分离器相当冷凝器，其顶部为不凝性气体，底部为冷凝液体)，二氧化碳气体经压缩机P3压缩回收并通过气体流量计m计量后经过止逆阀V3返回冷凝罐c。气液分离器1底部的夹带剂水溶液经过分析确定是否需要浓缩，然后重复使用。

实施例1：从SiO₂溶胶中获取亚微米SiO₂颗粒。

所用药剂有：正硅酸四乙酯TEOS(国药集团化学试剂有限公司)，无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司)，冰醋酸(国药集团化学试剂有限公司)，CO₂(厦门同安二氧化碳充装站提供，纯度≥98％)。

当配制溶胶原料的配比TEOS∶水∶乙醇∶酸＝1∶6.4∶8∶0.085(摩尔比)，溶胶陈化时间5h，溶液流量为2ml/min，预膨胀温度T1为45℃，喷嘴直径为100μm，喷嘴后压力P₂为0.1MPa，且当预膨胀压力P₁为8MPa和10MPa下得到的固体SiO₂平均粒径分别为0.38μm和0.58μm(17MPa下颗粒聚集严重)。通过红外分析可以确定所得到的固体颗粒是SiO₂。

实施例2：从SiO₂溶胶中获取纳米SiO₂颗粒。

所用药剂有：正硅酸四乙酯TEOS(国药集团化学试剂有限公司)，无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司)，氨水(国药集团化学试剂有限公司)，CO₂(厦门同安二氧化碳充装站提供，纯度≥98％)。

当配制溶胶原料的配比TEOS∶水∶乙醇∶氨水＝1∶5∶35.8∶1.25(摩尔比)，溶胶陈化时间5h，溶液流量为2ml/min，预膨胀温度T₁为45℃，喷嘴直径为100μm，喷嘴后压力P₂为0.1MPa，且当预膨胀压力P₁为8MPa和10MPa下得到的固体SiO₂粒径均<100nm。

实施例3：从水溶液中获取牛血清白颗粒。

所用药剂有：BSA(购于星隆达药品有限公司及福建华灿生物科技有限公司，Sanland～Chem International Inc.and Huagene Biosciences，LTD.)；二氧化碳(纯度≥98％，厦门空分特气有限公司)；无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司)。

(1)在预膨胀温度T₁为50℃，100m喷嘴，BSA浓度20mg/g，乙醇浓度20％(乙醇于水中的质量百分比)，溶液流量为1ml/min，P₂为0.1MPa，且当预膨胀压力P₁为8MPa和10MPa下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.82μm和0.73μm。其它条件同上，当P₂为1MPa，P₁为8MPa下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.90μm(有些颗粒聚集)。

(2)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为50℃，喷嘴直径100μm，BSA浓度20mg/g，乙醇浓度20％，且当溶液流量为0.5和5ml/min下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.71μm和1.1μm。

(3)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为50℃，喷嘴直径100μm，溶液流量为1ml/min，乙醇浓度20％，且当BSA浓度10和50mg/g下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.50μm和0.98μm。

(4)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为50℃，喷嘴直径100μm，溶液流量为1ml/min，BSA浓度20mg/g，且当乙醇浓度10％和25％下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.81μm和0.96μm。

实施例4：聚乙二醇与BSA复合颗粒

所用药剂有：聚乙二醇(PEG 6000，化学纯，上海化学试剂采购供应站提供)；BSA(购于星隆达药品有限公司及福建华灿生物科技有限公司，Sanland～Chem International Inc.andHuagene Biosciences，LTD.)；二氧化碳(纯度≥98％，厦门空分特气有限公司)；无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司)。

实验条件：P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为50℃，喷嘴直径100μm，溶液流量为1ml/min，乙醇浓度20％，乙醇/水溶液中溶质的含量为5g；溶质为BSA+PEG。且当BSA浓度10和50mg/g下制备得到BSA的颗粒为球形，固体BSA平均粒径分别为0.50μm和0.98μm。BSA含量较高的时候(BSA∶PEG＝1∶4和BSA∶PEG＝1∶2)制备的PEG/BSA复合颗粒大部分为球形，平均粒径小于1μm；在BSA含量较低的时候(BSA∶PEG＝1∶9)，制备的PEG/BSA复合颗粒团聚，平均粒径大于4μm。上述复合颗粒均有明显的控释效果。

实施例5：从水溶液中获取胰岛素颗粒。

所用药剂有：胰岛素购于江苏万邦生化医药有限公司(China Wanbang Biopharma Inc.)；无水乙醇(purity>99.7％)由国药集团化学试剂有限公司提供；CO₂(purity>98％)，厦门特气空分厂提供。

(1)在预膨胀温度T₁为45℃，120m喷嘴，胰岛素浓度10mg/g，乙醇浓度40％(乙醇于水中的质量百分比)和少量乙酸(调节pH值为2.98)，溶液流量为3ml/min，P₂为0.1MPa，且当预膨胀压力P₁为8MPa和10MPa下制备得到胰岛素的颗粒为球形，胰岛素的颗粒平均粒径分别为0.44μm和0.50μm(10MPa下有聚集)。

(2)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为45℃，喷嘴直径120μm，溶液流量3ml/min，乙醇浓度40％，且当胰岛素浓度为2和8mg/g下制备得到胰岛素的颗粒为球形，胰岛素颗粒平均粒径分别为0.88μm和0.49μm。

(3)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为45℃，喷嘴直径120μm，胰岛素浓度为10mg/g，乙醇浓度40％，且当溶液流量为1和5ml/min下制备得到胰岛素的颗粒为球形，胰岛素颗粒平均粒径分别为0.47μm和0.79μm。

(4)当P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，预膨胀温度T₁为50℃，喷嘴直径120μm，溶液流量为3ml/min，胰岛素浓度10mg/g，且当乙醇浓度20％和85％下制备得到胰岛素的颗粒为球形，胰岛素颗粒平均粒径分别为0.38μm和0.57μm。

实施例6：从水溶液中获取胰岛素和三棕榈酸甘油酯复合颗粒。

所用药剂有：胰岛素购于江苏万邦生化医药有限公司(China Wanbang Biopharma Inc.)；无水乙醇(purity>99.7％)由国药集团化学试剂有限公司提供；CO₂(purity>98％)，厦门特气空分厂提供；三棕榈酸甘油酯(purity>95％)购于国药集团化学试剂有限公司。

操作条件为：喷嘴大小100m，P₂为0.1MPa，预膨胀压力P₁为8MPa，胰岛素的溶液浓度固定在10mg/ml，溶液流率固定在3ml/min，乙醇质量浓度固定为40％，预膨胀温度T₁为50℃。当溶液流量的变化为2、3和4ml/min时得到的颗粒呈菊花状，复合颗粒的中值粒径分别为3.9m、3.9m和3.8m。所制备的复合微粒用RCA～1A溶出试验仪(上海黄海药检仪器厂)进行复合微粒的溶出度实验，结果表明其于磷酸缓冲盐(PBS，PH＝7.2)中于37℃下完全没有突释现象，释放完全经历的时间为2700min，远高于胰岛素纯品(在200min前后释放完全)。

本发明基于从有机溶剂中获取固体颗粒的SAS～A技术，针对蛋白质、水溶性无机或有机材料，以超临界二氧化碳雾化为手段，以夹带剂为辅助手段，提出一种从水溶液中制备固体颗粒及复合颗粒的方法及其设备。相比较于其它超临界流体技术从水溶液中制备超细固体颗粒的方法(SEDS，CAN～BD，SAA)，本发明所提方法具有操作压力低(8MPa左右即可)，操作温度温和(约40℃即可)的优点。本发明所提方法采用与SEDS过程类似的流程，不同点在于：SEDS只控制沉降室压力P₂，本发明所提方法控制喷嘴前预膨胀压力P₁和喷嘴后沉降室压力P₂。当P₂为大气压时，本发明所提方法和SAA或CAN～BD相似，但不同点是：后两者均采用热氮气来蒸发水份，流程最后的二氧化碳、水汽和氮气的混合气体分离并回收非常困难，且使用雾化效果一般的T型喷嘴或单通喷嘴。本发明所提方法由于夹带剂(如乙醇)的介入，无需增加热气源，流程最后的二氧化碳和溶剂混合气体很容易实现常压下分离并循环使用，且流程中采用双通喷嘴，混合和雾化效果好。