基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备装置及方法与流程

1.本发明属于生物科技技术领域，具体涉及基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备装置及方法。


背景技术：

2.众所周知，药源植物孢子和花粉孢子是植物的精华和营养宝库，其孢子内含物里含有人类生命体所需的全部活性营养成份和许多人类目前暂时还不能合成的营养成份，其中包括多种蛋白质、各类型维生素、氨基酸、矿物质、酶与辅酶、核酸、单糖、三萜、多糖等，总含量达200余种。自然界中植物孢子的种类繁多，功效各不相同。例如油菜花粉孢子就对治疗男性前列腺疾病具有很好的功效。油菜花粉中所含谷氨酸、脯氨酸等20多种氨基酸，可以改善前列腺组织的血液循环，缓解前列腺肥大引起的尿道梗阻，其中的黄酮类物质具有很强的抗氧化功能，能防止前列腺肥大、前列腺功能紊乱，对前列腺炎的治疗率达90％，也是前列腺增生的克星。
3.植物孢子破壁技术已经发展了二十多年，迄今为止，孢子内含物无氧化、无损伤、无污染的提取仍是一个技术难题，导致至今还没有国家标准和行业标准出现，这是因为以往的孢子破壁技术包括化学法；生物酶法；机械法；物理法等，都存在这样那样的不足。例如目前行业里流行的物理法包括有温差破壁法；超声波破壁法；风洞(高压)超音速气流破壁法；超低温气流撞击破壁法等，这些物理法破壁设备的一次性投资较大且设备构造复杂、生产成本较高，难以用于大规模生产，不但破壁率很难控制而且受重金属污染，而且破壁后由于孢子内含物是纳米级的游离物质，故挥发流失现象比较严重且回收困难。
4.激光破壁孢子技术不但能够获得孢子较多的内含物营养物质，而且还能解决破壁后孢子内含物营养挥发流失和被污染的难题。但是，在激光破壁孢子的工艺中，其主要难点就是：
①
孢子通过激光脉冲光斑(焦点)的破壁烧灼区域时的通过速度既要可以满足孢子得到破壁的光能、又要能够防止激光过度烧灼的热效应而引起孢子内含物的破坏、烧伤、炭化、气化等。
②
要防止过长时间激光烧灼的光效应引起对孢子内含物的刺激、抑制及分解等破坏性作用，孢子接受激光照射的时间要尽量短。
5.且工业上现有在容器内的搅拌方法有：机械搅拌法、气流搅拌法、射流搅拌法等，适合利用激光的光能在小型正圆柱体形容器杯内的搅拌仅机械搅拌法。机械搅拌法除磁力搅拌装置外，比较经典的搅拌装置有五大类以及它们的各种变形，这五大类机械搅拌装置分别是：
①
桨式搅拌；
②
涡轮式搅拌；
③
旋桨式搅拌；
④
锚式搅拌；
⑤
螺带式搅拌。
6.上述五大类型搅拌装置皆不太适合应用于激光破壁孢子的技术领域，究其原因，这些搅拌装置的目的是解决容器内液-液混合、气-液混合和固-液混合的搅拌、即是以混合为目地的搅拌，通过搅拌发生循环，使得溶液中的气体、液体和悬浮的颗粒得以混合均匀。而应用激光破壁孢子的搅拌技术不是要均匀混合，而是要使容器内悬浊液流体的全部超细固体颗粒孢子以乱流形态高效地通过激光光斑的辐照烧灼作用区域，这与其它搅拌方法具有本质的不同。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备装置及方法。
8.本发明所采用的技术方案为：
9.基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，包括以下步骤：
10.s1、搅拌；在容器杯流场内，通过对符合牛顿流体的悬浊液物料进行合适速度的搅拌，实现惯性力的影响大于黏滞力，使得在容器杯内的流场实现湍流，即让固体颗粒孢子尽量快的做置换运动于圆柱形旋转水剂的最外层、并且能够上下翻动；
11.s2、破壁；固体颗粒受力大小正比于颗粒物的质量，质量大的孢子会很快占据流体最外层(即容器杯的内壁)。在孢子螺旋上升通过设定的激光光斑区域时，孢子被烧灼破裂导致内含物逸出而失去完整质量、其逸出的内含物与水瞬间融合，破壁后孢子壁壳呈不完整、不规则碎块状并失去原有的质量，而还未被光斑烧灼破壁的孢子因为没有失去质量则占据流体最外层，通过搅拌继续前赴后继的反复做螺旋上升、回落的流动，这种状态周而复始直至物料容器内所有的孢子几乎都被光斑辐照烧灼而破壁。
12.作为本发明的优选，在步骤s1中，选择正圆柱体形容器杯和医用级材质的涉水搅拌部件使得微米级固体颗粒沿着物料杯内壁从下至上绕圆柱体形容器内壁做螺旋上升、回落的反复流动。
13.作为本发明的优选，在步骤s1中，采用二层桨式叶片搅拌，上层采用径向力搅拌的平桨，下层采用轴向力搅拌的斜桨。
14.基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备装置，包括激光器、三维位移物料台、旋转托盘、搅拌机构、容器杯和泡沫回收罐；
15.作为本发明的优选，所述激光器为纳秒级激光器和/或皮秒级激光器，所述激光器的出光组合参数和扫描参数由孢子壁壳的主要成分和壁壳层数决定。
16.作为本发明的优选，所述三维位移物料台用于配合所述激光器出光的光斑定位；
17.所述旋转托盘由变速直流电机驱动旋转，旋转速度控制范围0～50rpm，所述旋转托盘用于控制所述容器杯自转。
18.作为本发明的优选，所述搅拌机构由微型无级变速悬臂式直流电机和传动部件组成，搅拌转速控制范围0～1500rpm，所述搅拌机构的涉水部件为聚四氟乙烯涂层的部件和/或者玻璃材质部件。
19.作为本发明的优选，所述容器杯用于盛放物料，所述容器杯为透光且耐高温材质；
20.所述容器杯为正圆柱体形，所述容器杯的一端有开口，所述容器杯有开口的一端可拆卸安装有容器盖，所述容器盖上固定设有轴承座，所述轴承座上转动设有旋转轴，所述旋转轴贯穿所述容器盖，所述旋转轴位于所述容器杯外的一端可拆卸安装有传动轴，所述旋转轴位于所述容器杯内的一端上固定设有平浆和斜浆；所述旋转轴与所述容器盖的连接处由硅胶密封轴套封堵。
21.作为本发明的优选，所述容器盖为金属材质，所述容器盖内侧由涂层为聚四氟乙烯，所述容器盖上还设有通孔，所述通孔连接有排气管，所述排气管采用硅胶材料。
22.作为本发明的优选，所述泡沫回收罐为食品级pp和/或硅胶材质，所述泡沫回收罐和所述排气管连接，所述泡沫回收罐用于收集从所述排气管推送过来的泡沫和碎渣。
23.本发明的有益效果为：
24.1、极大的减少了药源植物孢子和花粉孢子破壁所需要的激光辐照烧灼时间，解决了直接利用激光光能破壁植物孢子可能出现的因长时间辐照烧灼而导致的光污染难题、即激光辐照烧灼时的热效应和光效应对孢子内含物营养物质的破坏性影响。
25.2、激光破壁是利用了激光聚焦能量的特性，孢子壁壳被烧灼破裂后内含物即刻进入水中，而混悬液形态的物料对激光不是很敏感，因而杜绝了混悬液形态焦化孢子内含物的可能。根据试验结果，孢子只要被激光烧灼了一个洞或者一条裂缝，孢子的内含物将被“范德华力”吸引逸出。
26.3、几乎不存在孢子内含物营养成分挥发流失的可能，生产线出来的产品是提供给下游企业的破壁孢子原液，下游企业可根据自己的需要进行破壁孢子原液壁壳分离、医学提纯等后处理。并可由下游企业广泛应用于颗粒剂、胶囊剂、片剂、膜剂等固体制剂的生产、甚至还可以制备成中药注射剂，同时，也可以广泛应用于保健食品行业和美容护肤行业。
27.4、有一定的杀菌作用。本发明不但没有重金属污染和化学污染、没有光污染、没有内含物营养流失的现象发生，反而是因为激光光能对大部分细菌有杀灭的功能。
28.5、制备装置可以看成是生产线控制系统中的一个工位、是一条生产线控制系统的一个下级单元，生产线上其中一个工位出现故障，生产线可以仅把该工位退出生产线而不影响其它工位的生产，保证了生产线连续生产。
附图说明
29.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
30.图1是本发明的容器杯结构示意图；
31.图2是本发明的激光器分布示意图；
32.图3是利用本发明破壁灵芝孢子的电镜图片；
33.图4是利用本发明破壁灵芝孢子的电镜图片。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.下面结合图1-4说明本发明的具体实施方式，基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备方法，包括以下步骤：
37.s1、搅拌；在容器杯流场内，通过对符合牛顿流体的悬浊液物料进行合适速度的搅拌，实现惯性力的影响大于黏滞力，使得在容器杯内的流场实现湍流，即让固体颗粒孢子尽量快的做置换运动于圆柱形旋转水剂的最外层、并且能够上下翻动；
38.s2、破壁；固体颗粒受力大小正比于颗粒物的质量，质量大的孢子会很快占据流体
最外层(即容器杯的内壁)。在孢子螺旋上升通过设定的激光光斑区域时，孢子被烧灼破裂导致内含物逸出而失去完整质量、其逸出的内含物与水瞬间融合，破壁后孢子壁壳呈不完整、不规则碎块状并失去原有的质量，而还未被光斑烧灼破壁的孢子因为没有失去质量则占据流体最外层，通过搅拌继续前赴后继的反复做螺旋上升、回落的流动，这种状态周而复始直至物料容器内所有的孢子几乎都被光斑辐照烧灼而破壁。
39.有益地，在步骤s1中，选择正圆柱体形容器杯和医用级材质的涉水搅拌部件使得微米级固体颗粒沿着物料杯内壁从下至上绕圆柱体形容器内壁做螺旋上升、回落的反复流动。
40.有益地，在步骤s1中，采用二层桨式叶片搅拌，上层采用径向力搅拌的平桨，下层采用轴向力搅拌的斜桨。
41.基于激光辐照无氧化破壁技术的孢子水剂的制备装置，包括激光器18、三维位移物料台、旋转托盘、搅拌机构、容器杯11和泡沫回收罐；
42.有益地，所述激光器18为纳秒级激光器和/或皮秒级激光器，所述激光器的出光组合参数和扫描参数由孢子壁壳的主要成分和壁壳层数决定。
43.有益地，所述三维位移物料台用于配合所述激光器18出光的光斑定位；所述旋转托盘由变速直流电机驱动旋转，旋转速度控制范围0～50rpm，所述旋转托盘用于控制所述容器杯11自转。
44.有益地，所述搅拌机构由微型无级变速悬臂式直流电机和传动部件组成，搅拌转速控制范围0～1500rpm，所述搅拌机构的涉水部件为聚四氟乙烯涂层的部件和/或者玻璃材质部件。
45.有益地，所述容器杯11用于盛放物料，所述容器杯11为透光且耐高温材质；所述容器杯11为正圆柱体形，所述容器杯11的一端有开口，所述容器杯11有开口的一端可拆卸安装有容器盖14，所述容器盖14上固定设有轴承座12，所述轴承座12上转动设有旋转轴13，所述旋转轴13贯穿所述容器盖14，所述旋转轴13位于所述容器杯11外的一端可拆卸安装有传动轴，所述旋转轴13位于所述容器杯11内的一端上固定设有平浆16和斜浆17；所述旋转轴13与所述容器盖14的连接处由硅胶密封轴套封堵。
46.有益地，所述容器盖14为金属材质，所述容器盖14内侧由涂层为聚四氟乙烯，所述容器盖14上还设有通孔，所述通孔连接有排气管，所述排气管采用硅胶材料。
47.有益地，所述泡沫回收罐为食品级pp和/或硅胶材质，所述泡沫回收罐和所述排气管连接，所述泡沫回收罐用于收集从所述排气管推送过来的泡沫和碎渣。
48.本发明使用方法：
49.物料是固-液相悬浊液形态并具有稳定性，当外界条件不变时，即使物料长期搅拌或者静置、孢子不会溶解在水中；
50.且由于孢子都是微米级固体粒子(药源植物孢子和花粉孢子的尺寸一般是6～60um)，比水重且不溶于水，物料在容器内搅拌时呈悬浊液形态，静置一段时间后，孢子微粒沉于杯底且与水有明显清晰的分层界面；
51.且当采用激光破壁外界条件改变后，孢子在破壁瞬间其内含物瞬间溶于水，静置一段时间后，孢子壁壳沉于容器杯底，孢子内含物与水的融合使物料呈混浊液形态；
52.且物料的超细固体微粒孢子和水剂的质量百分比配比浓度应维持牛顿流体的形
态，尽量减小孢子对流体黏度的影响。牛顿流体是指在受力后流体的切应力与变形速率成正比的低黏性流体。
53.工艺步骤：
⑴
流体的流动分为层流、过渡流和湍流这三种基本形态，在正圆柱体形容器杯流场内，通过对符合牛顿流体的悬浊液物料进行合适速度的搅拌实现惯性力的影响大于黏滞力，使得在容器杯内的流场尽量实现湍流的一种特殊形态、即让固体颗粒孢子尽量快的做置换运动于圆柱形旋转水剂的最外层、并且能够上下翻动。
54.⑵
选择医用级或食品级安全材质合适的涉水搅拌部件和合适的搅拌方法，使得微米级固体颗粒沿着物料杯内壁从下至上绕圆柱体形容器内壁做螺旋上升、回落的反复流动。固体颗粒受力大小正比于颗粒物的质量，质量大的孢子会很快占据流体最外层(即容器杯的内壁)。在孢子螺旋上升通过设定的激光光斑区域时，孢子被烧灼破裂导致内含物逸出而失去完整质量、其逸出的内含物与水瞬间融合。破壁后孢子壁壳呈不完整、不规则碎块状并失去原有的质量，而还未被光斑烧灼破壁的孢子因为没有失去质量则占据流体最外层，通过搅拌继续前赴后继的反复做螺旋上升、回落的流动，这种状态周而复始直至物料容器内所有的孢子几乎都被光斑辐照烧灼而破壁。
55.⑶
由于湍流为“经典物理学尚未解决的最重要的难题”，至今湍流的容器杯内流场还没有成熟的搅拌方面的计算公式，目前只能通过大量的试验来验证。例如采用二层桨式叶片搅拌：根据物料中孢子的种类不同(因而孢子的尺寸和比重不同)和孢子与水的配比浓度不同，计算和试验轴向力搅拌斜桨式叶片(总是安装在下层)和径向力平桨式搅拌叶片(总是安装在上层)的动力分配问题、即计算和试验二层叶片各自的桨径尺寸、以及二层桨式叶片之间的间隔距离，以求在容器杯内实现最佳的流场形态、即由下部的叶片提供给流体轴向力；上部的叶片提供给流体径向力。轴向是与容器杯中心轴共同的方向，径向垂直于轴向，径向与轴向空间垂直。利用轴向力把孢子从底部搅拌成沿物料容器杯内壁向上卷起、回落的形态；利用径向力把孢子往物料容器杯端面圆的半径方向做旋转流动；利用轴向力和径向力的合力让孢子沿着物料容器内壁做螺旋上升流动、回落而减少液面中心塌陷。或者采用特型搅拌杆使得容器杯和搅拌杆形成一个薄的夹层、让物料在薄的夹层内旋转接受激光辐照烧灼。
56.⑷
根据物料中植物孢子的种类不同和孢子与水的配比浓度不同，计算和试验搅拌部件与容器杯内径的合适比例，让容器杯内壁留出足够的空隙让液体能够上、下环流，否则会阻碍悬浊液流体的对流循环，延长激光辐照烧灼的时间。同时，要防止产生上、下两个对流循环，部分处于下循环的孢子无法接受到激光辐照烧灼。
57.制备装置：
⑴
在工作台上的合适位置固定激光器。对一个容器杯可以实施多激光器辐照烧灼，但如果采用多激光辐照，则参加多激光辐照的激光器底座需要增加三维位移底座，以便准确定位光斑位置。同时要注意各个激光器出光的方向即摆放角度、避免直接相互正对辐照，以免损坏激光器(附图2)。
58.⑵
根据各类型激光器聚焦镜的尺寸测算光斑距离的大概位置，根据第一台激光器(可以不用三维位移底座)的出光要求在工作台上固定手动/电控三维位移物料台。
59.⑶
在手动/电控三维位移物料台上固定容器杯旋转托盘，在这里重点要注意激光器出光镜头中心位置应该基本对准容器杯高度方向的中心位置。如果采用磁力搅拌，还要设计为容器杯旋转托盘中心是空心的，以便安装旋转磁盘机构，驱动旋转磁盘的电机用连
接线接至远处的磁力搅拌控制器即可。
60.⑷
容器杯在容器杯旋转托盘上的中心定位可采用物理方法定位、或采用光学方法定位，使得容器杯旋转托盘在工作时的旋转能够保证容器杯始终不偏心。
61.⑸
采用磁力搅拌可以使用硅胶容器杯盖，排气管穿过容器杯盖与回收罐连接。采用各型叶片搅拌或各型轴杆搅拌等需使用聚四氟乙烯涂层的金属杯盖，驱动搅拌的轴杆穿过容器杯盖与轴承座和传动机构联结，杯盖上的传动轴杆通过孔用硅胶密封轴套封堵，排气管穿过容器杯盖与回收罐连接。
62.流水线：制备好分散均匀的悬浊液物料在准备间通过定量灌装机完成灌装容器杯，例如容器杯为500ml、灌装物料为300ml，留出容器杯在搅拌时物料上翻的空间。
63.将已完成物料装杯的容器杯置放置在传送带上的固定位置，通过传送带输送进入无氧通道。
64.无氧通道是密闭型的小型车间，激光破壁加工在里面完成。无氧通道内部无尘无氧无空气、并充满氮气。
65.如果采用电控三维位移物料台，不但可以远程控制激光器出光的光斑位置，而且还可以使用机械手更换容器杯。如果采用人工方式，则更换物料杯时要特别注意进入无氧通道的员工需做好缺氧防护。
66.完成破壁的容器杯原液回收方法是通过成品传送带输送至密闭分装室，密闭分装室可以设计成操作员工通过伸入式硅胶手套完成分装操作。
67.成品原液在无氧密闭分装室完成分装入密闭转运桶后，将密闭转运桶搬运至成品仓库。
68.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
69.以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。