CN110102230A - 一种挤压式自动微胶囊造粒设备及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤压式自动微胶囊造粒设备，包括设备主体，设备主体内设置有混料室、螺杆泵、注射装置、控制机构、直流电机、用于保护注射装置的压力保护机构、反应器、磁力搅拌器、升降台和控制面板；混料室位于设备主体的上方，注射装置包括相互连接的注射室和注射嘴，注射室通过管道与混料室连通，螺杆泵安装在管道上；反应器位于注射嘴下方，磁力搅拌器安装于反应器下方并对反应器内进行搅拌，磁力搅拌器安装在升降台上；控制面板分别与控制机构、直流电机、磁力搅拌器连接。本装置结构简单、操作方便，可连续生产，造粒效率高，可包埋不同益生菌及酶，包埋率几乎达到100％，且细胞存活率较高。

Description

一种挤压式自动微胶囊造粒设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物技术及材料生产技术领域，尤其涉及一种挤压式自动微胶囊造粒设备及其制备方法。

背景技术

微胶囊是一种将微生物、酶等活性物质用高分子材料包埋在微米级尺寸颗粒内部的小型胶囊。它具有保护囊内物质物理性状、保护活性成分并控制其可持续释放，以期达到功能应用等作用。微胶囊技术目前已广泛应用到益生菌用品、酶制剂、食品风味物质保存、医药控制释放及油脂抗氧化等相关领域中。微胶囊包埋技术保护益生菌是目前国内外研究的热点，且被认为是最为高效和经济的保护益生菌活性的方法之一。包埋后的益生菌可以提高对外界环境影响的抵抗能力，避免酸碱性、高温环境以及高渗透压的影响，从而提高益生菌生物活性和生存水平，使益生菌在加工、保存及穿过胃肠道时得到保护，延长活菌产品货架期，增强益生菌储存过程中的稳定性，提高穿过肠道时的存活率。M.Papagianni和S.Anastasiadou将包埋后的乳酸片球菌在模拟胃液和模拟肠液环境中各储存2h，然后发现微生物存活水平明显提高。

从制备原理上可以将微胶囊的制备方法分为：乳化法、玻璃态转变法、微孔淀粉吸附包埋、气溶胶碰撞法、静电纺丝法和凝乳包埋法。根据具体操作方法不同，凝聚法可以分为挤压法和层层自组装法；玻璃态转变法可以分为喷雾冷凝法、喷雾干燥、喷雾冷冻干燥、超声真空喷雾干燥和冷冻干燥。已有研究表明，不同的微胶囊包埋工艺对微胶囊的性质会有较大的影响。现在工业上研究和使用最为广泛的微胶囊制备技术为乳化法和喷雾干燥法。乳化法是指将少量的壁材水溶液包含微生物作为分散相加入到植物油当中，植物油作为连续相。形成水油乳化液，分散相在油中形成不溶的微小胶粒液滴。乳化法适用于大规模生产且制备过程中益生菌的存活率较高，而且制备得到的微胶囊粒径相对较小，但是该方法存在一定的缺点，比如制备得到的微胶囊产品包埋率不高，尺寸分布太广，尺寸不均非常严重，而且形状不易控制。此外，连续相的去除也增加了工艺负担。喷雾干燥法是将壁材溶液与益生菌混合，通过喷雾干燥喷嘴雾化形成小液滴，与高温非饱和气体接触，液滴被气体夹带、干燥，在干燥过程完成后得到颗粒状产品。该方法的主要优点是速度快，技术成本相对较低，适用于工业化生产且重复性好。其弊端是喷雾干燥是较高温度的热脱水过程会严重影响微生物的存活率以及热敏性活性物质的活性，且应用领域较窄。而挤压法是一种新兴起的包埋方法。它是将待包埋的益生菌加入事先配备好的亲水胶体溶液中，然后通过注射器金属毛细管，以液滴的形式滴入固化液(常用的是醋酸盐缓冲液和氯化钙溶液)中而形成微小颗粒，通过金属毛细管的直径和液滴下落的距离来控制产品的形状和大小。挤压法操作简单、成本低、包埋率几乎达到100％，且细胞存活率较高。该方法不涉及有害试剂，不涉及高温条件，且在有氧和无氧环境下均可操作。但该方法最大的缺点是效率低下，需要人工进行挤压制备微胶囊，很难应用于大规模生产，因此必须开发自动化设备代替手动挤压来改变这种情况。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种挤压式自动微胶囊造粒设备及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种挤压式自动微胶囊造粒设备，包括设备主体，所述设备主体内设置有混料室、螺杆泵、注射装置、用于控制所述注射装置实现注射功能的控制机构、用于驱动所述控制机构运转的直流电机、用于保护注射装置的压力保护机构、反应器、磁力搅拌器、升降台和控制面板；所述混料室位于所述设备主体的上方，所述注射装置包括相互连接的注射室和注射嘴，所述注射室通过管道与所述混料室连通，所述螺杆泵安装在所述管道上；所述反应器位于所述注射嘴下方，所述磁力搅拌器安装于所述反应器下方并对所述反应器内进行搅拌，所述磁力搅拌器安装在所述升降台上；所述控制面板分别与所述控制机构、所述直流电机、所述磁力搅拌器连接。

所述混料室顶部开有一个进料口，所述进料口上大下小并配有大盖；所述混料室底部安有搅拌机；所述搅拌机包括搅拌电机、设置在搅拌电机转轴上的主轴39以及安装于所述主轴上的桨叶；所述桨叶位于所述混料室内。

所述控制机构包括推进机构、减速机构和离合机构；所述直流电机的传动轴通过所述减速机构连接所述离合机构，所述离合机构同轴连接所述推进机构。

所述推进机构包括第一复位弹簧、主齿轮、齿条、活塞以及开有导向槽的滑轨，所述齿条商的齿为第一齿，所述主齿轮的齿为第二齿，所述第一齿与所述第二齿啮合，所述齿条上开有槽，所述齿条通过所述槽安装在所述导向槽上而使所述齿条沿着所述滑轨作往复运动；所述活塞安装于所述齿条下端且位于所述注射室内并沿所述注射室上下滑行；所述减速机构包括传动齿轮和减速齿轮；所述离合机构包括第二复位弹簧、复位离合器、凸轮和拨杆构成，所述复位离合器与主齿轮同轴，所述第二复位弹簧套设在所述复位离合器外周且一端顶着所述拨杆，所述凸轮顶着所述拨杆；旋转所述凸轮，使其拨动所述拨杆，而推动所述第二复位弹簧与所述复位离合器，使所述复位离合器上的离合齿与所述主齿轮上的第二齿啮合或脱离；所述传动齿轮设置在所述直流电机的转轴上，所述减速齿轮上端啮合所述传动齿轮，其下端啮合所述主动齿轮。

所述压力保护机构包括触片、控制电路和用于控制所述直流电机电源的限位微动开关，所述控制电路分别与所述触片、所述限位微动开关、所述直流电机分别相连；所述触片安装于所述齿条的上端，所述触片通过所述第一复位弹簧与所述设备主体相联，所述限位微动开关安装于所述注射室上端。

所述注射室与所述注射嘴以卡套式联接；所述注射嘴设有若干种规格的注射嘴，所述注射嘴上设有金属毛细管，金属毛细管的直径为0.5～2.0mm。

所述反应器下部有阀门和出料口；所述反应器内含有转子，所述转子由所述磁力搅拌器的磁力控制而转动实现搅拌。

所述控制面板包括调速开关、电源开关和控制电路；所述控制面板通过调速开关与所述磁力搅拌器相接，所述控制面板分别通过电源开关与所述搅拌电机、所述直流电机、所述推进机构、所述压力保护机构连接。

所述螺杆泵与所述注射室之间的管道上安装有逆止阀。

基于挤压式自动微胶囊造粒设备的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将壁材和无菌水通过所述进料口加入到所述混料室中，打开所述搅拌电机进行搅拌，待搅拌均匀后，加入芯材以及保护剂等，调节所述搅拌电机的速度进行二次搅拌，搅拌均匀后，形成混合胶体溶液；

步骤二：将混合胶体溶液通过过滤器过滤除杂，由所述螺杆泵泵入所述注射室中；

步骤三：当混合胶体溶液全部泵入所述注射室时，关闭所述搅拌电机及所述螺杆泵，并打开所述直流电机，在所述减速机构的减速作用下，将力矩传给所述主齿轮，然后所述主齿轮带动所述齿条和所述活塞向下运动，混合胶体溶液在所述活塞的挤压下，经过所述注射嘴上的金属毛细管，匀速滴加到盛有固化液的所述反应器中；

步骤四：打开所述磁力搅拌器并根据反应条件需要调节速度，进行匀速温和搅拌20～60min，最后硬化形成微胶囊；

步骤五：当所述注射室的混合胶体溶液全部挤压入所述反应器时，旋转所述凸轮，在所述第一复位弹簧的作用下，使所述齿条和所述活塞很快复位至初始位置，可进行下一次的挤压造粒；

步骤六：最后从所述反应器的出料口收集微胶囊。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置解决了微胶囊挤压法造粒技术中需要人工手动挤压带来的限制，极大的提高了造粒效率，使其在工业上应用成为可能；结构简单、操作方便，可连续生产等特点，该设备可包埋不同益生菌及酶，尤其适用于对温度极其敏感的芯材的包，包埋率几乎达到100％，且细胞存活率较高。

附图说明

图1为本发明实施例正视方向的结构示意图；

图2为本发明实施例侧视方向的结构示意图；

图3为本发明实施例注射嘴的结构示意图；

图4为本发明实施例混料室的结构示意图。

图中附图标记含义：1、进料口；2、混料室；3、桨叶；4、搅拌电机；5、管道；6、螺杆泵；7、逆止阀；9、传动齿轮；10、直流电机；11、第一复位弹簧；12、触片；13、减速齿轮；14、第二复位弹簧；15、复位离合器；16、离合齿；17、凸轮；18、拨杆；19、主齿轮；20、限位微动开关；21、齿条；22、活塞；23、注射室；24、注射嘴；25、反应器；26、转子；27、阀门；28、出料口；29、磁力搅拌器；30、升降台；31、底座；32、第一齿；33、第二齿；34、金属毛细管；35、控制面板；36、调速开关；37、电源开关；38、过滤器；39、主轴；40、大盖；41、滑轨；42、导向槽；43、设备主体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图4，为一种挤压式自动微胶囊造粒设备，包括设备主体43，设备主体43底部安装有底座31，设备主体43内设置有混料室2、螺杆泵6、注射装置、用于控制注射装置实现注射功能的控制机构、用于驱动控制机构运转的直流电机10、用于保护注射装置的压力保护机构、反应器25、磁力搅拌器29、升降台30和控制面板35；混料室2位于设备主体43的上方，注射装置包括相互连接的注射室23和注射嘴24，注射室23通过管道5与混料室2连通，螺杆泵6安装在管道5上；反应器25位于注射嘴24下方，磁力搅拌器29安装于反应器25下方并对反应器25内进行搅拌，磁力搅拌器29安装在升降台30上；控制面板35分别与控制机构、直流电机10、磁力搅拌器29连接。

混料室2顶部开有一个进料口1，进料口1上大下小并配有大盖40；混料室2底部安有搅拌机；搅拌机包括搅拌电机4、设置在搅拌电机4转轴上的主轴39以及安装于主轴39上的桨叶3；桨叶3位于混料室2内。进料口1上大下小并配有大盖40，一方面有利于原材料装入混料室2，另一方面可防止污染以及包材混合过程中飞溅。

控制机构包括推进机构、减速机构和离合机构；直流电机10的传动轴通过减速机构连接离合机构，离合机构同轴连接推进机构。

推进机构包括第一复位弹簧11、主齿轮19、齿条21、活塞22以及开有导向槽42的滑轨41，齿条21商的齿为第一齿32，主齿轮19的齿为第二齿33，第一齿32与第二齿33啮合，齿条21上开有槽，齿条21通过槽安装在导向槽42上而使齿条21沿着滑轨41作往复运动；活塞22安装于齿条21下端且位于注射室23内并沿注射室23上下滑行；减速机构包括传动齿轮9和减速齿轮13；离合机构包括第二复位弹簧14、复位离合器15、凸轮17和拨杆18构成，复位离合器15与主齿轮19同轴，第二复位弹簧14套设在复位离合器15外周且一端顶着拨杆18，凸轮17顶着拨杆18；旋转凸轮17，使其拨动拨杆18，而推动第二复位弹簧14与复位离合器15，使复位离合器15上的离合齿16与主齿轮19上的第二齿33啮合或脱离；传动齿轮9设置在直流电机10的转轴上，减速齿轮13上端啮合传动齿轮9，其下端啮合主动齿轮。

压力保护机构包括触片12、控制电路和用于控制直流电机10电源的限位微动开关20，控制电路分别与触片12、限位微动开关20、直流电机10分别相连；触片12安装于齿条21的上端，触片12通过第一复位弹簧11与设备主体43相联，限位微动开关20安装于注射室23上端。

注射室23与注射嘴24以卡套式联接；注射嘴24设有若干种规格的注射嘴24，注射嘴24上设有金属毛细管34，金属毛细管34的直径为0.5～2.0mm。

反应器25下部有阀门27和出料口28；反应器25内含有转子26，转子26由磁力搅拌器29的磁力控制而转动实现搅拌。

控制面板35包括调速开关36、电源开关37和控制电路；控制面板35通过调速开关36与磁力搅拌器29相接，控制面板35分别通过电源开关37与搅拌电机4、直流电机10、推进机构、压力保护机构连接。

螺杆泵6与注射室23之间的管道5上安装有逆止阀7。

基于挤压式自动微胶囊造粒设备的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将壁材和无菌水通过进料口1加入到混料室2中，打开搅拌电机4进行搅拌，待搅拌均匀后，加入芯材以及保护剂等，调节搅拌电机4的速度进行二次搅拌，搅拌均匀后，形成混合胶体溶液；

步骤二：将混合胶体溶液通过过滤器38过滤除杂，由螺杆泵6泵入注射室23中；

步骤三：当混合胶体溶液全部泵入注射室23时，关闭搅拌电机4及螺杆泵6，并打开直流电机10，在减速机构的减速作用下，将力矩传给主齿轮19，然后主齿轮19带动齿条21和活塞22向下运动，混合胶体溶液在活塞22的挤压下，经过注射嘴24上的金属毛细管34，匀速滴加到盛有固化液的反应器25中；

步骤四：打开磁力搅拌器29并根据反应条件需要调节速度，进行匀速温和搅拌20～60min，最后硬化形成微胶囊；

步骤五：当注射室23的混合胶体溶液全部挤压入反应器25时，旋转凸轮17，在第一复位弹簧11的作用下，使齿条21和活塞22很快复位至初始位置，可进行下一次的挤压造粒；步骤六：最后从反应器25的出料口28收集微胶囊。

当原材料(如壁材和芯材)进入混料室2，打开搅拌电机4开关并调节速度，使其均匀混合成胶体溶液；通过螺杆泵6，将混合好的壁材和益生菌胶体溶液泵入到注射室23中。直流电机10的传动轴通过传动齿轮9联接减速齿轮13，经过减速齿轮13减速后，将力矩传给主齿轮19；主齿轮19带动齿条21向前移动，推动活塞22一起向前移动。当需要造粒时，打开电源，旋转凸轮17，使其拨动拨杆18，推动第二复位弹簧14与复位离合器15，使复位离合器15上的离合齿16与主齿轮19上的第二齿33啮合，然后主齿轮19带动齿条21向前推进。推完一管混合胶体溶液时，为使推进机构复位快，通过旋转凸轮17，拨动拨杆18，在第二复位弹簧14作用下，复位离合器15上的离合齿16与主齿轮19的第二齿33脱离，因为主齿轮19与其轴为滑动配合，离合齿16脱离后，由第一复位弹簧11拉动触片12与齿条21，使齿条21很快复位至初始位置，由于复位离合器15的作用，使齿条21复位既节约时间又减少电耗。当注射室23的混合胶体溶液全部挤压入反应室时，齿条21完全进入注射室23，此时齿条21上端的触片12与限位微动开关20接通，将信号输送给控制电路，同时限位微动开关20断开直流电机10电源，使装置不会因压力过大而损坏。当混合胶体溶液被活塞22挤压，从注射嘴24以小液滴的形式滴入反应器25。反应器25下部的阀门27和出料口28，用于收集制备好的微胶囊。反应器25里面含有转子26，用于搅拌固化液(CaCl₂溶液)；磁力搅拌器29下面安有升降台30，反应器25通过升降台30调节高低，用于调节液滴下落距离。控制面板35由调速开关36、电源开关37和控制电路组成。控制面板35的作用是为整机提供电源、为电机调速、提供推进压力、推进到位后复位以及磁力搅拌调速。

胶囊造粒过程为：将壁材(海藻酸钠)和无菌水通过进料口1加入到混料室2中，打开搅拌电机4进行搅拌，待搅拌均匀后，加入芯材(益生菌菌粉)以及保护剂(海藻糖、蔗糖以及甘油等)等，调节搅拌电机4速度进行二次搅拌，搅拌均匀后，形成混合胶体溶液，并通过过滤器38过滤除杂，由螺杆泵6泵入注射室23中。当混合胶体溶液全部泵入注射室23时，关闭搅拌电机4及螺杆泵6，并打开直流电机10，在减速机构的减速作用下，将力矩传给主齿轮19，然后主齿轮19带动齿条21和活塞22向下运动，混合胶体溶液在活塞22的挤压下，经过注射嘴24上的金属毛细管34，匀速滴加到盛有固化液(CaCl₂溶液)的反应器25中，打开磁力搅拌器29并根据反应条件需要调节速度，进行匀速温和搅拌30min，最后硬化形成微胶囊。当注射室23的混合胶体溶液全部挤压入反应器25时，旋转凸轮17，在第一复位弹簧11的作用下，使齿条21和活塞22很快复位至初始位置，可进行下一次的挤压造粒。最后从反应器25的出料口28收集微胶囊。制备过程中，通过替换不同规格的注射嘴24来改变微胶囊的直径大小，通过调节反应器25的高低来改变微胶囊的形状。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：包括设备主体，所述设备主体内设置有混料室、螺杆泵、注射装置、用于控制所述注射装置实现注射功能的控制机构、用于驱动所述控制机构运转的直流电机、用于保护注射装置的压力保护机构、反应器、磁力搅拌器、升降台和控制面板；所述混料室位于所述设备主体的上方，所述注射装置包括相互连接的注射室和注射嘴，所述注射室通过管道与所述混料室连通，所述螺杆泵安装在所述管道上；所述反应器位于所述注射嘴下方，所述磁力搅拌器安装于所述反应器下方并对所述反应器内进行搅拌，所述磁力搅拌器安装在所述升降台上；所述控制面板分别与所述控制机构、所述直流电机、所述磁力搅拌器连接。

2.根据权利要求1所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述混料室顶部开有一个进料口，所述进料口上大下小并配有大盖；所述混料室底部安有搅拌机；所述搅拌机包括搅拌电机、设置在搅拌电机转轴上的主轴39以及安装于所述主轴上的桨叶；所述桨叶位于所述混料室内。

3.根据权利要求2所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述控制机构包括推进机构、减速机构和离合机构；所述直流电机的传动轴通过所述减速机构连接所述离合机构，所述离合机构同轴连接所述推进机构。

4.根据权利要求3所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述推进机构包括第一复位弹簧、主齿轮、齿条、活塞以及开有导向槽的滑轨，所述齿条商的齿为第一齿，所述主齿轮的齿为第二齿，所述第一齿与所述第二齿啮合，所述齿条上开有槽，所述齿条通过所述槽安装在所述导向槽上而使所述齿条沿着所述滑轨作往复运动；所述活塞安装于所述齿条下端且位于所述注射室内并沿所述注射室上下滑行；所述减速机构包括传动齿轮和减速齿轮；所述离合机构包括第二复位弹簧、复位离合器、凸轮和拨杆构成，所述复位离合器与主齿轮同轴，所述第二复位弹簧套设在所述复位离合器外周且一端顶着所述拨杆，所述凸轮顶着所述拨杆；旋转所述凸轮，使其拨动所述拨杆，而推动所述第二复位弹簧与所述复位离合器，使所述复位离合器上的离合齿与所述主齿轮上的第二齿啮合或脱离；所述传动齿轮设置在所述直流电机的转轴上，所述减速齿轮上端啮合所述传动齿轮，其下端啮合所述主动齿轮。

5.根据权利要求4所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述压力保护机构包括触片、控制电路和用于控制所述直流电机电源的限位微动开关，所述控制电路分别与所述触片、所述限位微动开关、所述直流电机分别相连；所述触片安装于所述齿条的上端，所述触片通过所述第一复位弹簧与所述设备主体相联，所述限位微动开关安装于所述注射室上端。

6.根据权利要求5所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述注射室与所述注射嘴以卡套式联接；所述注射嘴设有若干种规格的注射嘴，所述注射嘴上设有金属毛细管，金属毛细管的直径为0.5～2.0mm。

7.根据权利要求6所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述反应器下部有阀门和出料口；所述反应器内含有转子，所述转子由所述磁力搅拌器的磁力控制而转动实现搅拌。

8.根据权利要求7所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述控制面板包括调速开关、电源开关和控制电路；所述控制面板通过调速开关与所述磁力搅拌器相接，所述控制面板分别通过电源开关与所述搅拌电机、所述直流电机、所述推进机构、所述压力保护机构连接。

9.根据权利要求1所述的挤压式自动微胶囊造粒设备，其特征在于：所述螺杆泵与所述注射室之间的管道上安装有逆止阀。

10.根据基于权利要求8所述的挤压式自动微胶囊造粒设备的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将壁材和无菌水通过所述进料口加入到所述混料室中，打开所述搅拌电机进行搅拌，待搅拌均匀后，加入芯材以及保护剂等，调节所述搅拌电机的速度进行二次搅拌，搅拌均匀后，形成混合胶体溶液；

步骤二：将混合胶体溶液通过过滤器过滤除杂，由所述螺杆泵泵入所述注射室中；

步骤三：当混合胶体溶液全部泵入所述注射室时，关闭所述搅拌电机及所述螺杆泵，并打开所述直流电机，在所述减速机构的减速作用下，将力矩传给所述主齿轮，然后所述主齿轮带动所述齿条和所述活塞向下运动，混合胶体溶液在所述活塞的挤压下，经过所述注射嘴上的金属毛细管，匀速滴加到盛有固化液的所述反应器中；

步骤四：打开所述磁力搅拌器并根据反应条件需要调节速度，进行匀速温和搅拌20～60min，最后硬化形成微胶囊；

步骤五：当所述注射室的混合胶体溶液全部挤压入所述反应器时，旋转所述凸轮，在所述第一复位弹簧的作用下，使所述齿条和所述活塞很快复位至初始位置，可进行下一次的挤压造粒；

步骤六：最后从所述反应器的出料口收集微胶囊。