一种微生物喷雾干燥实时取样杯及取样方法

1.本发明属于喷雾干燥领域，具体涉及一种微生物喷雾干燥实时取样杯及取样方法。


背景技术：

2.在微生物等活性物质喷雾干燥过程中，针对微生物喷雾干燥损伤机制的研究，由于微生物的喷雾干燥存在时间极短、喷雾颗粒(液滴)轨迹复杂和环境封闭不可视的问题，所以缺乏直接且合理的手段去研究喷雾干燥过程中生物材料的变化过程，从而准确的研究出微生物喷雾干燥过程的损伤机制。因此国内外目前在研究喷雾干燥过程中微生物损伤机制方面，主要依赖于两种间接手段，即单液滴干燥模拟实验和数学建模。但单液滴模拟实验中的温度、干燥速度、残余水分含量、喷雾颗粒(液滴)运动速率、大小等条件，与喷雾干燥实际过程中的条件存在着巨大的差异，比如相比于单液滴模拟实验喷雾干燥拥有更快的干燥速度、更短的停留时间、更小的液滴尺寸、更多的碰撞等，所以通过单液滴干燥模拟试验所得的微生物喷雾干燥过程中的损伤机制与实际情况存在较大的误差。而损伤机制数学建模方法，则需要基于大量实验数据(通常为单液滴模拟实验的结果)进行数学建模计算进行模拟，在单液滴模拟不准确的前提下，所做出的预测与实际情况的相差也必然较大。所以怎样在喷雾干燥的过程中，怎样实现对喷雾干燥过程中的喷雾颗粒稳定取样，并完成实时复水，就成了准确研究微生物喷雾干燥损伤机制的关键。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微生物喷雾干燥实时取样方法及取样杯，以解决现有技术中采用单液滴干燥模拟试验所得的微生物喷雾干燥过程中的损伤机制与实际情况存在较大的误差，损伤机制数学建模方法过于依赖单液滴干燥实验数据的问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方法予以实现：
5.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
6.本发明公开的一种微生物喷雾干燥实时取样杯，采用隔热隔磁贴以同时隔绝杯取样杯内外的热和磁交换，一方面进一步维持内杯内的低温环境，同时又防止了强力磁铁的磁场穿透外杯吸引干燥颗粒液滴而影响喷雾干燥取样过程；通过连接磁铁与喷雾干燥塔固定，以达到无损安装的目的；内杯上部、内杯下部与外杯之间填充冷冻保温层，以维持内杯内的低温环境；并在外杯底部的防冻液中放入强力磁铁，以强力的磁场吸引同时负载了微生物和高顺磁性羧基铁粉的喷雾干燥颗粒液滴达到稳定取样的目的。
7.进一步地，内杯上部为三次bezier曲面取样杯，在保证取样稳定性的前提下，进一步减少了内杯与外界的热交换，从而最终保障了取样杯的持水和恒温能力。
8.进一步地，采用无线温度湿度传感器，实时记录取样点的取样温度和湿度。
9.本发明还公开了一种微生物喷雾干燥实时取样杯的取样方法，采用楼梯状设计，
避免了垂直型布置方法中各取样杯之间的干扰，再加之弧形挡板的安装，极大的提高了干湿双样本同采的稳定性和准确性。
附图说明
10.图1为本发明的取样方法中的取样杯布置图；
11.图2为本发明的干燥颗粒的取样杯结构示意图；
12.图3是取样的原理图；
13.图4是复水取样的取样杯的结构示意图；
14.图5是取样杯的三维模型图；
15.图6是曲面取样杯和直筒取样杯有限元分析对比图，其中，(a)为直筒型取样杯有限元分析图，(b)为三次bezier曲面取样杯；
16.图7是内杯上部曲面的三次bezier曲线组优化示意图；
17.图8是九条三次bezier曲线及其实验优选1～4设计图；
18.图9是九条三次bezier曲线及其实验优选5～8设计图；
19.图10是九条三次bezier曲线及其实验优选9设计图；
20.图11是取样杯低强力磁铁深度优选设计图；
21.图12是取样杯低强力磁铁厚度优选设计图。
22.其中：1-取样杯；2-弧形挡板；3-隔热隔磁贴；4-强力连接磁铁；5-外杯；6
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冷冻保温层(汽车防冻液)；7-无线温度传感器；8-内杯上部；9-内杯下部；10-强力磁铁；11-生理盐水；12-磁场作用线；13-强力磁铁；14-喷雾液滴(颗粒)。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方法，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
26.本发明公开了一种微生物喷雾干燥实时取样杯，包括：隔热隔磁贴3、连接磁铁4、外杯5、冷冻保温层6、内杯上部8、内杯下部9和强力磁铁10；内杯上部8和内杯下部9套设在外杯5内，冷冻保温层6设置在内杯上部8和内杯下部 9与外杯5之间，外杯5底部设置有强力磁铁10位于冷冻保温层6内，连接磁铁 4设置在外杯5外壁上，外杯5外表面上设置有隔热隔
磁贴3，连接磁铁4上除与喷雾干燥塔连接的端面外，外表面上也设置有隔热隔磁贴3。取样杯分别用于干燥颗粒取样和复水样本取样。
27.用于干燥颗粒的取样杯1如图2所示，其主要包括内杯上部8、内杯下部9、强力磁铁10、外杯5、隔热隔磁贴3、无线温度传感器7和连接磁铁4；在所述内杯上部8、内杯下部9与外杯5之间填充汽车用-40℃防冻液用作冷冻保温层6，并放入-40℃冰箱急冻成固态，以维持内杯内的低温环境；并在外杯5底部的防冻液中放入强力磁铁10，以强力的磁场吸引同时负载了微生物和高顺磁性羧基铁粉的喷雾干燥颗粒液滴达到稳定取样的目的；在所述外杯5外表面均匀贴上隔热隔磁贴3，以同时隔绝杯取样杯内外的热和磁交换，一方面进一步维持内杯内的低温环境，同时又防止了强力磁铁的磁场穿透外杯吸引干燥颗粒液滴而影响喷雾干燥取样过程；所述取样杯1通过连接磁铁4与喷雾干燥塔固定，以达到无损安装的目的；所述连接磁铁4除与外杯5和喷雾干燥塔壁面相连的三个表面全部贴上隔热隔磁贴3，以防止磁铁吸引干燥颗粒液滴而影响喷雾干燥过程。
28.采样杯的材料搭配为，内杯上部8、内杯下部9采用铌钛合金为材料增加了导磁和导热率，有利于采样和恒温持水，同时外杯5选用塑料，除保障了蹑热隔磁的同时增加了材料的延展性，预防了冻融过程中杯体的破裂。
29.同时在在所述取样杯2的外杯口布置的粘贴式无线温度湿度传感器7，实时记录取样点的取样温度和湿度，并绘制温度变化曲线，结合干燥颗粒取样杯颗粒取样的含水率测定值，即可以大致得到喷雾干燥塔内喷雾颗粒的运动轨迹，再通过数学建模和流体力学分析，可以得到整个干燥塔内流体的流动模型，然后根据气流的流动模型，对喷雾干燥塔内壁进行改进添加鼓包、扰流板等机械结构，一方面实现对干燥喷雾塔内气流的优化，以提高干燥质量；另一方面又可以改善喷雾干燥的黏壁问题。
30.用于复水样本的取样杯1，如图4所示，是在干燥颗粒取样杯中加入生理盐水11改造而得，其余结构与干燥颗粒取样杯一致。加入生理盐水的目的是为了对取样后的微生物颗粒实现实时快速复水。
31.参见图5，为取样杯1的三维模型图，取样杯1的取样原理为：
32.①
利用微生物悬液内预先按比例添加的羧基铁粉颗粒的强顺磁性，由取样杯底部的强力磁铁10形成的强磁场将同时负载了羧基铁粉和微生物体的喷雾颗粒液滴吸入取样杯底部完成取样；
33.②
通过在外杯外部由内到外贴附隔热隔磁贴3，以隔绝取样杯内磁场，从而防止外杯表面磁吸微生物干燥颗粒，同时阻断取样杯内外热量交换，从而防止取样杯内部升温而降低取样杯的恒温能力；
34.③
通过冷冻保温层6与内杯上部8、内杯下部9之间的热交换，保证取样完成前内杯内部的温度低于4℃，从而进一步保证干燥颗粒取样杯的恒温能力及复水样品取样杯的持水能力；
35.④
根据bezier曲线模型，进行优化后构建控制点为p0＝(0，0)、p1＝ (12，9)、p2＝(24，-16)和p3＝(48，8)三次曲线(曲线组如附图7 所示)的前20mm确定的旋转曲面设计，形成的内杯上部8，在保证取样稳定性的前提下，进一步减少了内杯与外界的热交换，从而最终保障了取样杯的持水和恒温能力(与直筒式取样杯对比如附图6所示)；
36.⑥
通过专用连接磁4，将取样杯布置在喷雾干燥塔内部，实现了无损安装的目的。
37.⑦
通过取样杯外杯口布置的粘贴式的无线温度传感器7，实时记录取样点的取样温度，并根据记录的取样点的取样温度绘制温度变化曲线，结合干燥颗粒取样杯颗粒取样的含水率测定值，即可以大致得到喷雾干燥塔内，喷雾颗粒的运动轨迹，再通过数学建模和流体力学分析，可以得到整个干燥塔内流体的流动模型，然后根据气流的流动模型，对喷雾干燥塔内壁进行改进(添加鼓包、扰流板等机械结构，一方面实现对干燥喷雾塔内气流的优化，以提高干燥质量；另一方面又可以改善喷雾干燥的黏壁问题。
38.本发明还公开了一种微生物喷雾干燥实时取样方法，所述取样方法包括
39.s1：干燥颗粒的取样杯1和复水样本的取样杯1相隔50mm布置在同一阶梯上，分别负责采集干燥颗粒和对干燥颗粒进行实时复水，并进行无损保藏。
40.s2：按高度将干燥塔等距离平分为6个高度，再按周长将干燥塔分为7段圆弧，并将每一梯步都布置在高度和圆弧的中间值处，既完成了7级取样布置。
41.s3：为了防止喷雾颗粒(液滴直接进入取样杯而影响取样稳定性，便在每一个取样杯口正上方50mm处分别安装弧形挡板，最终完成了步梯型干湿双样品取样布置方法的设计。
42.采样实施步骤为：
43.1.按0.5％的接种比例将微生物接种于12组200ml新型n培养基中，随即放入28℃的恒温振荡培养箱在180r/min的转速下培养12h。
44.2.分批次将培养液放入转速为4000r/min的离心机离心10min，去除上清液，取菌体，再用生理盐水离心洗涤两次。
45.3.将收集到的菌体重悬于20ml pbs缓冲液中。随后向细胞悬浮液中加入 180ml含有30％rsm的培养液，再按cip:rsm＝1:8的比例加入cip搅拌均匀。
46.4.按上述新型步梯型布置方案布置新型曲面双杯体取样杯。
47.5.每次试验前均按喷雾干燥系统清洗要求，全面清洗喷雾干燥系统各组件。然后按预定的试验入口热风温度和流量对喷雾干燥系统预热10min，以获得稳定的试验条件。
48.6.按预定物料流量设定进料泵参数，然后启动进料泵，开始试验。
49.7.记录采集系统显示的各取样点温度和湿度值，并在试验完成后，随即取出取样杯里的样品，编号后放入4℃的冰箱冷藏备测。
50.8.测定所取干燥颗粒样本的含水率、粒径分布、水粉状态等参数和复水样本采样杯中复水样本的微生物存活率、形态、细胞损伤等参数。
51.9.基于测定参数进行数学建模，揭示喷雾干燥过程微生物的变化、运动轨迹、损伤机制等。
52.10.针对损伤机制制定保护方案，并在进行保护处理后，再次进行喷雾干燥取样试验，以揭示保护剂对微生物的保护机制。
53.特点：该取样方法，采用楼梯状设计，避免了垂直型布置方法中各取样杯1 之间的干扰，再加之弧形挡板2的安装，极大的提高了干湿双样本同采的稳定性和准确性。
54.工作原理：
55.如图1所示，在此喷雾干燥实时取样方法中，干燥颗粒取样杯和复水样本取样杯相隔50mm布置在同一梯步上，分别负责采集干燥颗粒和对干燥颗粒进行实时复水，并进行无损保藏。然后按高度将干燥塔等距离平分为6个高度，再按周长将干燥塔分为7段圆弧，再将
每一梯步都布置在高度和弧度的中间值处，既完成了7级取样布置。为了防止喷雾颗粒(液滴直接进入取样杯而影响取样稳定性，便在每一个取样杯口正上方50mm处分别安装弧形挡板，最终完成了步梯型干湿双样品取样布置方法的设计。该取样方法，采用步梯型设计，避免了垂直型布置方法中各取样杯之间的干扰，再加之弧形挡板的安装，极大的提高了干湿双样本同采的稳定性和准确性。
56.其整体取样原理如图3取样原理示意图所示，本发明的取样原理是通过在喷雾干燥料液中添加一定比例的羧基铁粉，以使经喷头喷出的液滴及干燥过程中的颗粒具有足够的顺磁性；然后在通过取样杯底部磁铁在内杯及杯口处形成的强力磁场作用将喷雾液滴(颗粒)吸入取样杯中完成整个取样过程；同时通过在取样杯上方50mm处布置弧形挡板，以防止喷雾液滴(颗粒)直接进入取样杯，以影响取样稳定性。
57.楼梯状取样方法及其非标曲率的取样杯1结构的有机结合，最终实现了对喷雾干燥过程的实时稳定取样，为准确研究微生物等活性物质在喷雾干燥过程中的损伤机制研究提供有效解决方法。
58.取样杯的三维模型如图5所示。
59.新型非标曲面型双杯体取样杯和普通直筒型取样杯在喷雾干燥塔内的热风流场和压力有限元分析如图6所示，如图(b)，观察风速场分布场可得，曲面取样杯下部几乎无蓝色风速场箭头存在。可能是因为取样杯内形成高压后由于曲面的作用，几乎再无热空气流入内杯，所以杯内外几乎无热空气流入作用而引起的热交换；而直筒取样杯，如图(a)，虽然也能形成高压，但由于无曲面的作用，还是有少量的蓝色风速场箭头存在，存在热空气流入而引起的热交换。另一方面，观察压力分布云图可得，曲面取样杯沿曲面方向形成外扩型高压场，阻止了杯口周围扇形区域内的热空气进入杯体；而直筒式取样杯只沿杯口方向形成近直筒形高压场，无法起到阻止杯口周围热空气进入杯体的作用。综上所述在同取样杯尺寸前提下，曲面取样杯的恒温持水能力高于直筒式取样杯。
60.图8～图10为九条三次bezier曲线及其实验优选示意图，根据压力云图可得：杯内压力大小排序为c》f》b》a》》d》e》g》i》h，且杯口高压区扩散范围大小排序为 i》g》h》》d》e》f》》c》a》b；根据中间平面和立体3d风速流线图综合分析可得：喷雾塔内热风与杯内空气对流速率排序为a》b》c》》g》d》e》》h》i》f。所以按空气对流速率：内杯压力：杯口扩散范围＝5:3:2的权重进行优选排序为：f》i》h》g》e》d》》c》b》a。所以本技术拟分别选定，由控制点组为p0＝(0,0)、p1＝(12,9)、p2＝ (24,-16)和p3＝(48,8)所确定的三次bezier二维曲线回转而成的曲面f取样杯，作为最后实验优选的待选取样杯。
61.图11为取样杯内杯深度实验优选设计图，其经过试验对比，优选出本取样方法使用的取样杯深度为35mm。
62.图12为取样杯强力磁铁厚度优选设计图，其经过试验对比，优选出本取样方法使用的取样杯最佳杯底强力磁铁厚度为3mm。
63.以根据上述创新型喷雾干燥取样原理设计的新型干燥颗粒取样杯和复水样本取样杯为基础，依照上述喷雾干燥实时取样方法进行取样杯布置，经试验验证，能完成对复杂、快速且封闭的微生物等活性物质喷雾干燥过程的双取样，对研究微生物等活性物质喷雾干燥损伤机制奠定了基础。
64.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方法基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。