CN112028497B - 用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统，包括反应组件；加热组件；搅拌组件；循环组件；其中所述反应组件下端设置有过滤网、循环液出口及卸料口，其上端设置有进料口、搅拌器入口及循环液入口；所述循环液出口连通至循环泵，所述水槽、酸液槽、碱液槽的出口端管路汇合后连通至循环液入口。本系统制备工序简单、能耗低、废液产出少、溶剂利用率高、产品生产效率高，尤为重要的是所得CPG产品孔道清晰，无堵塞，产品密度稳定，合成效率更高，本产品将在寡核苷酸合成方向具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工装置领域，具体涉及一种用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统。
背景技术
孔径可控纳米多孔玻璃(Controlled pore glass)是一种合成寡核苷酸的载体材料，简称CPG。寡核苷酸是生物医学和生命科学研究中调节基因表达的基本工具，可以被开发为基因靶向治疗药物，然后用于治疗病毒、肿瘤和遗传病。21世纪是生命科学和生物技术的世纪，国内的生物技术研究发展很快，其中基因合成技术、扩增技术、基因修饰技术、基因克隆技术、基因芯片技术、基因治疗技术等生物技术早已已经被列入“中国高技术发展计划”(863计划)和“国家重大基础性研究计划”(973计划)。其中的部分学科已经达到了国际先进水平，甚至是领先的水平，但是合成基因的载体材料CPG的研究却远落后于世界水平，合成基因的CPG完全依靠进口。
寡核苷酸药物能够降低人体对药物的耐受性，提高药物的利用率，并且有效化解药物的毒副作用，实现从源头上治疗。目前，寡核苷酸的主要合成方法采用化学方法，即采用固相亚磷酰胺三酯法合成，常规的DNA合成仪只能合成毫克级的寡核苷酸，大规模DNA合成必须采用克级和千克级DNA合成仪，如GE Healthcare公司生产的KTA OligoPilot系列。国内仅有军事医学科学院王升启等开展了寡核苷酸大规模合成及动物实验。目前仅有少数大型国际生物制药公司，如美国ISIS公司和丹麦的Santaris公司，才有能力合成千克级的寡核苷酸，开展反义药物的大规模临床研究。寡核苷酸药物研究主要釜颈为仪器设备成本与合成耗材过于高昂。
2020年爆发全球性的新型冠状病毒，目前全世界仅依靠口罩呼吸器等医疗防护用品防止病毒传播，而治疗此传染性疾病的显著药物尚未被发现，开发靶向宿主靶点基因治疗，通过阻断病毒基因，控制病毒复制转录的过程的方法被寄予了厚望。新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒(荧光PCR法)是一种用于放大扩增特定DNA(脱氧核糖核酸)片段的分子生物学技术，能检测出带有特定基因片段的病毒。核酸检测试剂盒的组分中，检测引物和探针最为关键。灵敏特异的扩增引物，对检测结果的准确与否发挥着至关重要的作用，而CPG也是作为荧光染料和探针的重要载体，除此之外，对于癌症、病毒性感染等疾病，迄今临床上仍缺少理想的特效药物，随着人类及重要模式生物基因组测序的完成，以及功能基因组学及蛋白质组学研究的深入，与疾病相关的分子靶标不断被发现和认识，为基因治疗提供了前提，调控寡核苷酸可用于抑制RNA片段，防止其翻译为蛋白，在抑制癌细胞活动方面起到一定作用。
CPG作为基因合成载体，是目前市场上唯一被最广泛使用，且合成效果特别理想的载体。目前由LGC生产CPG国内订货周期在半年以上，并且存在合成效率低的现象。CPG产品的国产化，尤其是孔道更加均匀、无堵塞产品的出现，将为国内基因合成行业，寡核苷酸药物研究等领域起到强大的推动作用。
孔径可控纳米多孔玻璃通常由钠硼硅玻璃制备得到，通常的方法是将分相后的玻璃利用酸碱溶液去除其中的钠硼相，留下硅骨架形成多孔玻璃。而CPG作为固相合成的载体，有许多的影响因素，其中包括了颗粒尺寸大小、孔径均一性、孔隙率大小、孔容和密度以及比表面积等重要物理参数，孔径均一性、孔容和比表面积取决于硼硅酸玻璃组分和分相温度与时间，CPG产品密度、孔隙率主要影响因素是由颗粒大小和后处理条件决定，这些参数都会影响CPG在使用过程中溶液的交换行为，配体负载和分布以及反应动力学，从而影响合成效率纯度和重现性。
现有技术如：U.S.Pat.No.3549524公开了纳米多孔玻璃的具体处理过程，包括：a.3.0mol/L盐酸50℃洗6h；b.3.0mol/L盐酸50℃洗18h；c.去除可见硅胶，水洗至中性；d.0.5mol/L NaOH溶液25℃洗2h；e.水洗至中性后，3.0mol/L盐酸洗2h；f.冷水洗20h后，然后用沸水在萃取器中洗涤4.5h，100℃真空干燥24h。本工艺给出的比例40g对应500ml处理溶液，将产生大量废液，不利于CPG的规模化生产，并且因为处理颗粒尺寸范围较宽，每次得到产品密度与孔隙率范围较大，影响了产品的使用效果。
于2006.08发表于材料科学与工程学报上的文章《孔径可控纳米多孔玻璃的制备及性能分析》进一步公开了采用Na2O-B2O3-SiO2系统玻璃制备孔径可控纳米多孔玻璃的方法，其采用SEM、BET和DTA等测试手段分析了纳米多孔玻璃介质的微观结构和相关性能，研究了工艺参数对多孔玻璃孔径的影响，制备出孔径可控纳米多孔玻璃介质。具体的：将制备好的试样进行分相处理，分相后的试样放入1.0mol/L盐酸中腐蚀，酸中加入缓冲剂，酸处理温度94～96℃，时间为24h，后进行水洗、脱水，直至溶液的pH值为7，后干燥获得多孔玻璃。学术论文《纳米多孔玻璃材料制备研究》根据纳米多孔玻璃的研究现状以及应用要求，以制备孔径结构分布均匀、大尺寸、无裂痕、高强度的纳米多孔玻璃材料为出发点，通过实验对热处理制度、酸处理制度进行了研究，其具体公开了以下实验仪器：硅钼棒电阻炉、马弗炉、电子天平、磁力搅拌器、超声波振荡器、恒温槽、烧杯、干燥箱等。
本发明的目的在于：探索CPG产品密度孔隙率稳定的生产工艺与装置，降低生产CPG过程产生的废水量，采用一体化循环系统进行CPG的高效率、低能耗生产，且产品孔道更加均匀、无堵塞现象，将为国内基因合成行业，寡核苷酸药物研究等领域起到强大的推动作用。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统，应用本系统生产CPG时，不仅制备过程简单、产品生产效率高，且能够将废液产出、试剂用量、处理时间等降到最低，使生产成本大为降低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统，包括
反应组件，包括反应器；
加热组件，用于加热所述反应器；
搅拌组件，包括搅拌器及与其相连的驱动装置；
循环组件，包括循环泵及与其分别通过管路连通的水槽、酸液槽、碱液槽、废液排出口；
其中：
所述反应器下端依次设置有过滤网、循环液出口及卸料口，其上端设置有进料口、搅拌器入口及循环液入口；
所述循环液出口连通至循环泵，所述水槽、酸液槽、碱液槽的出口端管路汇合后连通至循环液入口。
进一步地，所述反应器为球形反应釜，且球形反应釜根据容积规格的不同设置有多个，如1L、5L、20L等规格。
进一步地，所述加热组件包括水油两用浴锅，如恒温水油浴锅，其自带温控数显系统。
进一步地，所述驱动装置包括变频电机，所述变频电机连接有数显变频调速控制仪，变频电机通过固定支架设置于反应器正上方，电机输出轴同轴连接搅拌轴，搅拌轴穿过所述反应器的搅拌器入口，其前端安装搅拌桨。
进一步地，所述循环泵为隔膜泵，所述隔膜泵通过五通阀、管路分别连通至水槽、酸液槽、碱液槽入口端及废液排出口，所述水槽、酸液槽、碱液槽出口端各管路汇合至一条管路后连通至循环液入口，该汇合处设置有四通阀。
进一步地，将80-400目硼硅酸玻璃置于球形反应釜中，定量将酸液由酸液槽经循环泵从球形反应釜顶端打入，打入完毕启动水油两用浴锅加热至75-98℃，启动搅拌组件；所述搅拌组件的转速为200-300转/分钟，搅拌时间3-10h；搅拌过程主要使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸。
进一步地，停止搅拌时，将釜内废液由废液口排出后启动循环泵，通过操作阀门，依次进行酸液、水、碱液、水的定时循环处理；循环泵压力为0.5Mpa。
所述酸液可以是盐酸、硫酸、硝酸等；
优选地，浓度为0.5-2.0mol/L；
优选地，所述酸液为盐酸；
更优选的，浓度为1.5mol/L。
所述碱液可是氢氧化钠、氢氧化钾等；
优选地，浓度为0.5-2.0mol/L；
优选地，所述碱液为氢氧化钠水溶液；
更优选的，浓度为1.0mol/L。
具体的：
只有使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸，启动循环泵后才能实现循环处理。停止搅拌，将釜内废液由废液排出口排出后启动循环泵，循环泵压力设定为0.5Mpa，循环处理3-10h；关闭酸液阀门，将釜内剩余酸液打入酸液槽；打通水槽阀门，启动循环泵，至循环泵出口水pH＞6；水油两用浴锅加热温度调至25℃，关闭水槽阀门，将釜内剩余水打入水槽后打通碱液阀门，启动循环泵，循环处理2-6h；关闭碱液阀门，将釜内剩余碱液打入碱液槽后打通水槽阀门，启动循环泵，至循环泵出口水pH＜8，将釜内剩余水打入水槽后关闭水槽阀门；移除过滤网后卸料；卸料后100℃干燥24h，得CPG产品。
进一步地，不同目数的颗粒对应不同的碱洗时间：当硼硅酸玻璃为80-150目时，碱循环时间为2-3h；当硼硅酸玻璃为150-250目时，碱循环时间为3-4.5h；当硼硅酸玻璃为250-400目时，碱循环时间为4.5-6h。
进一步地，所述过滤网为200-450目筛网。
本发明带来的有益效果有：
本系统制备工序简单、能耗低、废液产出少、溶剂利用率高、产品生产效率高，尤为重要的是所得CPG产品孔道清晰，无堵塞，产品密度稳定，合成效率更高，本产品将在寡核苷酸合成方向具有良好的应用前景。
本一体化循环系统可直接用于公斤级CPG产品的生产，且可将产品生产成本降至2元每克。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，
附图1是本发明一体化循环系统(不含循环组件)结构示意图；
附图2是本发明一体化循环系统的循环组件结构示意图；
图中各部件对应标号：
1-球形反应釜；11-进料口；12-循环液入口；13-放气口；14-循环液出口；15-卸料阀；2-水油两用浴锅；21-温控数显系统；31-搅拌轴；32-变频电机；33-数显变频调速控制仪；34-固定支架；41-循环泵；42-废液排出口。
具体实施方式
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案进行清楚、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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上端”、“下端”、“底部”、“顶部”、“上方”、“正上方”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可调节连接；可以是机械连接；可以是直接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1、2，用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统，包括
反应组件，包括球形反应釜1；
加热组件，用于加热球形反应釜1；
搅拌组件，包括搅拌器及与其相连的变频电机32；
循环组件，包括循环泵41及与其分别通过管路连通的水槽、酸液槽、碱液槽、废液排出口42；
其中：
球形反应釜1的下方卸料端由上至下依次设置有过滤网、循环液出口14及卸料阀15，其上端设置有进料口11、循环液入口12及搅拌器入口；过滤网为200目筛网，进料口11上安装有端盖；
循环液出口14连通至循环泵41，水槽、酸液槽、碱液槽的出口端管路汇合后连通至循环液入口12。
可选的，球形反应釜1上端设置有放气口13。
可选的，球形反应釜1根据容积规格的不同设置有多个，如1L、5L、20L等规格。球形反应釜1为已知产品，其釜口设置卡箍结构，并通过固定杆固定在固定支架34上，釜底固定在水油两用浴锅2内的密封胶垫上，避免水或油从底部泄漏，釜底中心处开设有开孔，开孔经由过滤网连通至下方卸料阀15。
可选的，加热组件采用水油两用浴锅2，如已知恒温水油浴锅，均自带温控数显系统21，底部设置有万向轮。
变频电机32连接有已知数显变频调速控制仪33。变频电机32通过固定支架34及安装平台高度可调节的安装在球形反应釜1正上方，电机输出轴同轴连接搅拌轴31，搅拌轴31穿过球形反应釜1的搅拌器入口，前端安装搅拌桨。固定支架34固定在水油两用浴锅2台面一角。
可选的，循环泵41采用隔膜泵，隔膜泵通过五通阀、分支管路分别连通至水槽、酸液槽、碱液槽入口端及废液排出口42，水槽、酸液槽、碱液槽出口端各分支管路汇合至一条主管路后连通至循环液入口12，该汇合处设置有四通阀；通过操作五通阀、四通阀将水槽、酸液槽、碱液槽的对应阀门及循环管路打通。
本一体化循环系统的操作过程：
定量将硼硅酸玻璃由进料口11置入球形反应釜1中，定量将酸液由酸液槽经循环泵41从球形反应釜1顶端的循环液入口12打入，打入完毕启动水油两用浴锅2加热，启动搅拌组件；
搅拌组件调节转速和搅拌时间，此搅拌过程主要使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸；
停止搅拌后，将废酸液从废液排出口42排出反应釜，启动酸液、水、碱液、水的定时循环处理：
启动循环泵41，设置压力，循环时间，将酸液槽内的剩余酸液通入反应釜进行循环处理，循环完成后关闭酸液阀门，将釜内酸液打入酸液槽；打通水槽阀门，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＞6(通过废液排出口42取样由pH试纸测定或在循环泵41出口处管路安装在线pH检测仪测定)；水油两用浴锅2加热温度调至25℃，关闭水槽阀门，釜内剩余循环水打入水槽，打通碱液阀门，启动循环泵41，循环处理；关闭碱液阀门，釜内剩余碱液打入碱液槽；打通水槽阀门，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＜8，釜内剩余循环水打入水槽，移除过滤网卸料；
卸料后干燥，得CPG产品。
试验例1
1000g硼硅酸玻璃(80-100目)置于1L球形反应釜1中，使用200目筛网，3L 1.5mol/L硝酸由酸液槽经循环泵41从球形反应釜1顶端打入1L，打入完毕启动水油两用浴锅2加热至80℃，启动搅拌组件转速调至每分钟300转，搅拌处理时间3h，此搅拌过程主要使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸，然后将釜内废液排出后，启动循环泵41后才能够实现循环处理；停止搅拌，启动循环泵41，循环泵41压力为0.5Mpa，循环处理3h；关闭酸液阀门，将釜内剩余酸液打入酸液槽；打通水槽阀门，水槽体积为15L纯净水，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＞6，水油两用浴锅2加热温度调至25℃，关闭水槽阀门，釜内剩余循环水打入水槽；打通碱液阀门，碱液量为3L 1mol/L NaOH，启动循环泵41，循环处理2h；关闭碱液阀门，釜内剩余碱液打入碱液槽；打通水槽阀门，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＜8，釜内剩余水液打入水槽；卸料，卸料后100℃干燥24h，得CPG产品。
由压汞仪测试所得CPG产品孔径为
产品密度为0.32g/ml，孔隙率为86.58％。
试验例2
5000g硼硅酸玻璃(80-100目)置于5L球形反应釜1中，使用200目筛网，15L0.75mol/L硫酸由酸液槽经循环泵41从球形反应釜1顶端打入5L，打入完毕启动水油两用浴锅2加热至85℃，启动搅拌组件转速调至每分钟300转，搅拌处理时间3h，此搅拌过程主要使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸，将釜内废液排出后，启动循环泵41后才能够实现循环处理；停止搅拌，启动循环泵41，循环泵41压力为0.5Mpa，循环处理3h；关闭进酸阀门，将釜内剩余酸液打入酸液槽；打通水槽阀门，水槽体积为45L，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＞6，水油两用浴锅2加热温度调至25℃，关闭水槽阀门，釜内剩余循环水打入水槽；打通碱液阀门，碱液量为15L 1mol/L KOH，启动循环泵41，循环处理2h；关闭碱液阀门，釜内剩余碱液打入碱液槽；打通水槽阀门，启动循环泵41，至循环泵41出口水pH＜8，釜内剩余循环水打入水槽；卸料，卸料后100℃干燥24h，得CPG产品。
由压汞仪测试所得CPG产品孔径为
产品密度为0.31g/ml，孔隙率为85.43％。
试验例3
20000g硼硅酸玻璃(80-100目)置于20L球形反应釜1中，使用200目筛网，60L1.5mol/L盐酸由酸液槽经循环泵41从球形反应釜1顶端打入20L，打入完毕启动水油两用浴锅2加热至98℃，启动搅拌组件转速调至每分钟300转，搅拌处理时间3h，此搅拌过程主要使得硼硅酸玻璃中钠硼相溶于酸，将釜内废液排出后，启动循环泵41后才能够实现循环处理；停止搅拌，启动循环泵41，循环泵41压力为0.5Mpa，循环处理3h；关闭进酸阀门，将釜内剩余酸液打入酸液槽；打通水槽阀门，水槽体积为180L，启动循环泵41，至循环泵41出口水PH＞6，水油两用浴锅2加热温度调至25℃，关闭水槽阀门，釜内剩余循环水打入水槽；打通碱液阀门，碱液量为60L 1mol/L NaOH，启动循环泵41，循环处理2h；关闭碱液阀门，釜内剩余碱液打入碱液槽；打通水槽阀门，启动循环泵41，至循环泵41出口水PH＜8，釜内剩余循环水打入水槽；卸料，卸料后100℃干燥24h，得CPG产品。
由压汞仪测试所得CPG产品孔径为
产品密度为0.30g/ml，孔隙率为83.89％。
对照试验例1
20000g硼硅酸玻璃(80-100目)置于20L球形反应釜1中，60L 1.5mol/L盐酸由酸液槽经循环泵41从球形反应釜1顶端打入20L，打入完毕启动水油两用浴锅2加热至98℃，使用200目筛网，启动循环泵41，循环泵41压力调至0.5Mpa，发现如果没有前期搅拌预处理，会造成循环泵41憋压，继续增加循环泵41压力仍不能行成循环系统。
对照试验例2
采用文献(U.S.Pat.No.3549524)给出比例50g硼硅酸量对应500ml溶液，将20000g硼硅酸玻璃(80目-100目)，盐酸200L：
a.200L 3.0mol/L盐酸50℃洗6h；
b.200L 3.0mol/L盐酸50℃洗18h；
c.去除可见硅胶，水洗至中性；
d.200L 0.5mol/L NaOH溶液25℃洗2h；
e.水洗至中性后，200L 3.0mol/L盐酸洗2h；
f.冷水洗20h后，然后用沸水在萃取器中洗涤4.5h，100℃真空干燥24h。
由压汞仪测试所得产品孔径为
产品密度为0.28g/ml，孔隙率为87.63％，但溶剂使用效率低，能耗较大，处理时间较长。
对照试验结果
将试验例1-3以及对照试验例2生产过程中，各试验例溶液及废液量进行统计，结果如表1所示：
表1各试验例溶液及废液量统计表
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.用于生产孔径可控纳米多孔玻璃的一体化循环系统，其特征在于：包括
反应组件，包括球形反应釜；
加热组件，用于加热所述球形反应釜；
机械搅拌组件，包括搅拌器及与其相连的驱动装置；
循环组件，包括循环泵及与其分别通过管路连通的水槽、酸液槽、碱液槽、废液排出口；
其中：
所述球形反应釜下端依次设置有过滤网、循环液出口及卸料口，其上端设置有进料口、搅拌器入口及循环液入口；
本一体化循环系统的操作过程：
定量将硼硅酸玻璃由进料口置入球形反应釜中，定量将酸液由酸液槽经循环泵从球形反应釜顶端的循环液入口打入，打入完毕启动加热组件加热，启动机械搅拌组件；
停止搅拌后，将废酸液从废液排出口排出球形反应釜，启动酸液、水、碱液、水的定时循环处理。
2.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述球形反应釜根据容积规格的不同设置有多个。
3.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述加热组件包括水油两用浴锅。
4.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述驱动装置包括变频电机，所述变频电机连接有数显变频调速控制仪。
5.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述循环泵为隔膜泵，所述隔膜泵通过五通阀、管路分别连通至水槽、酸液槽、碱液槽入口端及废液排出口，所述水槽、酸液槽、碱液槽出口端各管路汇合至一条管路后连通至循环液入口，该汇合处设置有四通阀。
6.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述搅拌组件的转速为200-300转/分钟，搅拌时间3-10h。
7.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述循环泵压力为0.5MPa。
8.根据权利要求1所述的一体化循环系统，其特征在于：所述过滤网为200-450目筛网。
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