CN112387245A - 一种物料混合装置及物料混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物料混合装置及物料混合方法，涉及物料混合技术领域。本发明包括循环驱动装置和仿生蠕动反应器，仿生循环驱动装置安装在循环驱动装置上；循环驱动装置包括控制器、驱动电机、X轴、Y轴和Z轴，控制器与驱动电机电性连接，X轴固定在地面上，Z轴垂直安装在X轴的上表面，并与X轴滑动配合，Y轴水平安装在Z轴一侧面，Y轴一表面设置有滚轴装置，滚轴装置与仿生蠕动反应器挤压配合。本发明通过仿人和动物消化系统，利用硅胶材料设计了一种软反应器，解决了高剪切力给物料带来破坏的影响，同时提高了高粘物料的混合效率。

Description

一种物料混合装置及物料混合方法

技术领域

本发明属于物料混合技术领域，特别是涉及一种物料混合装置及物料混合方法。

背景技术

反应器作为工业生产的核心单元之一，化工、食品和药物等生产领域已经离不开它。最常见的搅拌釜反应器是利用电机的高转速带动叶轮高速旋转实现物料混合，但是对剪切力敏感或高粘度低雷诺数的物料来说，搅拌釜反应器容易对物料造成破坏或者达不到较好的混合效果。

体外仿生模型的出现对这一问题的解决提供了思路，模仿人和动物的消化系统，高粘度食糜在肠道内利用肠壁混合性收缩和推进性收缩作用下可以混合均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物料混合装置及物料混合方法，受蠕动运动启发，设计一种无内部搅拌装置且器壁是柔性的反应器，可以有效解决高粘物料的难混合以及搅拌对物料造成的破坏问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种物料混合装置，包括循环驱动装置和仿生蠕动反应器，所述仿生循环驱动装置安装在循环驱动装置上；

所述循环驱动装置包括控制器、驱动电机、X轴、Y轴和Z轴，所述控制器与驱动电机电性连接，所述X轴固定在地面上，所述Z轴垂直安装在X轴的上表面，并与X轴滑动配合，所述Y轴水平安装在Z轴一侧面，所述Y轴一表面设置有滚轴装置，所述滚轴装置与仿生蠕动反应器挤压配合，通过控制器控制驱动电机，驱动电机通过X轴、Y轴和Z轴的相互配合驱动滚轴装置，再由滚轴装置挤压仿生蠕动反应器从而完成肠道模拟。

优选地，所述X轴、Y轴和Z轴之间均通过履带连接，所述X轴的有效长度为100cm，Y轴的有效长度为25cm，Z轴的有效长度为30cm，三个轴的末端均设置有挡块，两挡块之间可移动停留的位置即为有效位置，其长度为有效长度。

优选地，所述仿生蠕动反应器为筒体结构，所述蠕动反应器包括有绒毛反应器和光滑反应器，所述仿生蠕动反应器的壁厚为2-5mm，内径为30mm，长度为25-100mm；

所述有绒毛反应器内壁均匀设置有若干弧形褶皱和若干绒毛，所述弧形褶皱的高为2mm，宽为11.3mm，所述绒毛长为3mm，直径为1.5mm；

所述光滑反应器内壁光滑，根据物料特性的不同，针对性地选择有绒毛反应器或光滑反应器。

优选地，所述仿生蠕动反应器的硬度为0-10A。

优选地，所述滚轴装置包括固定座、连接架和外筒，所述连接架包括主杆和压框，所述压框为“口”形架体结构，所述主杆一端与压框连接，所述外筒安装在压框上，所述外筒的位置与主杆相对，所述固定座与Y轴滑动配合，所述固定座一侧面设置有穿孔，所述主杆安装在穿孔内；所述外管为圆筒结构，所述外管的外径为10mm，内径为5mm，长为50mm；所述连接架的直径为4mm。

一种物料混合装置的物料混合方法，包括以下步骤：

步骤一：将仿生蠕动反应器固定，再将需要混合的物料倒入仿生蠕动反应器内，在仿生蠕动反应器内的进料口加入显色物料，排出仿生蠕动反应器内多余的空气；

步骤二：启动循环驱动装置进行肠道蠕动模拟，通过控制器控制履带，进而通过X轴、Y轴和Z轴的位置调节滚轴装置的位置；

步骤三：等到流体静置后，重复步骤二的肠道蠕动模拟操作；通过控制器设置重复的次数，便于根据物料的特性有针对性地调整；

步骤四：完成物料混合。

优选地，所述步骤二中，所述循环驱动装置带动滚轴装置的移动方法为：先驱动滚轴装置下降挤压仿生蠕动反应器，使其变形，仿生蠕动反应器内的物料流动；之后驱动滚轴装置水平移动模拟肠道推进性收缩，推动仿生蠕动反应器内的液体流动；然后将滚轴装置抬升离开仿生蠕动反应器，仿生蠕动反应器恢复形变；最后带动滚轴装置回到初始位置完成一次肠道蠕动模拟。

优选地，所述步骤一中的显色物料为甲基橙指示剂。

优选地，所述滚轴装置下降的幅度为0-3cm，步骤三重复的频率为1-12次/分钟，所述滚轴装置水平移动的距离为0-100cm。

优选地，根据不同粘度的物料，调节肠道蠕动模拟的方法包括以下三种：

1、固定滚轴装置下降的幅度，调整步骤三重复的频率和滚轴装置水平移动的距离；

2、固定步骤三重复的频率，调整滚轴装置下降的幅度和水平移动的距离；

3、固定滚轴装置水平移动的距离，调整步骤三重复的频率和滚轴装置下降的幅度。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过仿人和动物消化系统，利用硅胶材料设计了一种软反应器，解决了高剪切力给物料带来破坏的影响，同时提高了高粘物料的混合效率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种物料混合装置的循环驱动装置结构示意图；

图2为本发明的一种物料混合装置的仿生蠕动反应器模具结构示意图；

图3为本发明的一种物料混合装置的有绒毛反应器截面图；

图4为本发明的一种物料混合装置的有绒毛反应器的内壁结构示意图；

图5为实验一的物料混合状态实验图；

图6为实验二的物料混合状态实验图

图7为实验三的物料混合状态实验图

图8为实验四的物料混合状态实验图

图9为实验五的物料混合状态实验图

图10为实验六的物料混合状态实验图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-控制器，2-驱动电机，3-X轴，4-Y轴，5-Z轴，6-滚轴装置。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，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”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，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组件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”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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相连，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。

请参阅图1所示，本发明为一种物料混合装置，包括循环驱动装置和仿生蠕动反应器，仿生循环驱动装置安装在循环驱动装置上；

循环驱动装置包括控制器1、驱动电机2、X轴3、Y轴4和Z轴5，控制器1与驱动电机2电性连接，X轴3固定在地面上，Z轴5垂直安装在X轴3的上表面，并与X轴3滑动配合，Y轴4水平安装在Z轴5一侧面，Y轴4一表面设置有滚轴装置6，滚轴装置6与仿生蠕动反应器挤压配合，通过控制器1控制驱动电机2，驱动电机2通过X轴3、Y轴4和Z轴5的相互配合驱动滚轴装置6，再由滚轴装置6挤压仿生蠕动反应器从而完成肠道模拟。

其中，X轴3、Y轴4和Z轴5之间均通过履带连接，X轴3的有效长度为100cm，Y轴4的有效长度为25cm，Z轴5的有效长度为30cm，三个轴的末端均设置有挡块，两挡块之间可移动停留的位置即为有效位置，其长度为有效长度。

其中，滚轴装置6包括固定座、连接架和外筒，连接架包括主杆和压框，压框为“口”形架体结构，主杆一端与压框连接，外筒安装在压框上，外筒的位置与主杆相对，固定座与Y轴4滑动配合，固定座一侧面设置有穿孔，主杆安装在穿孔内；外管为圆筒结构，外管的外径为10mm，内径为5mm，长为50mm；连接架的直径为4mm。

如图2所示，仿生蠕动反应器为筒体结构，蠕动反应器包括有绒毛反应器和光滑反应器，仿生蠕动反应器的壁厚为2-5mm，内径为30mm，长度为25-100mm；

如图3-4所示，有绒毛反应器内壁均匀设置有若干弧形褶皱和若干绒毛，弧形褶皱的高为2mm，宽为11.3mm，绒毛长为3mm，直径为1.5mm；

光滑反应器内壁光滑，根据物料特性的不同，针对性地选择有绒毛反应器或光滑反应器。

其中，仿生蠕动反应器的硬度为0-10A。

如图2所示，以有绒毛反应器为例，仿生蠕动反应器的制作方法如下：

先制作模具，模具内部长25cm，款9.42cm，模具内部底面均匀阵列有若干下凹槽，用于形成弧形褶皱，模具内部底面设置有若干绒毛孔，用于形成绒毛，模具以聚乳酸树脂为原料，通过3D打印制成；

再制作仿生蠕动反应器，先在模具内部涂满脱模剂；然后向模具内填充从液体硅胶；之后将盛满液体硅胶的模具放入真空干燥箱内抽真空，使每个绒毛孔内充满硅胶，同时将硅胶内的气泡脱出，重复3次；再将模具取出，放在室温下静置4小时成型；最后将成型后的片状材料卷曲成筒体结构，使用相同材料的硅胶封底形成管体结构，完成仿生蠕动反应器的制作。

一种物料混合装置的物料混合方法，包括以下步骤：

步骤一：将仿生蠕动反应器固定，再将需要混合的物料倒入仿生蠕动反应器内，在仿生蠕动反应器内的进料口加入显色物料，排出仿生蠕动反应器内多余的空气；

步骤二：启动循环驱动装置进行肠道蠕动模拟，通过控制器1控制履带，进而通过X轴3、Y轴4和Z轴5的位置调节滚轴装置6的位置；

步骤三：等到流体静置后，重复步骤二的肠道蠕动模拟操作；通过控制器1设置重复的次数，便于根据物料的特性有针对性地调整；

步骤四：完成物料混合。

其中，步骤二中，循环驱动装置带动滚轴装置6的移动方法为：先驱动滚轴装置6下降挤压仿生蠕动反应器，使其变形，仿生蠕动反应器内的物料流动；之后驱动滚轴装置6水平移动模拟肠道推进性收缩，推动仿生蠕动反应器内的液体流动；然后将滚轴装置6抬升离开仿生蠕动反应器，仿生蠕动反应器恢复形变；最后带动滚轴装置6回到初始位置完成一次肠道蠕动模拟。

其中，步骤一中的显色物料为甲基橙指示剂。

其中，滚轴装置6下降的幅度为0-3cm，步骤三重复的频率为1-12次/分钟，滚轴装置6水平移动的距离为0-100cm。

其中，根据不同粘度的物料，调节肠道蠕动模拟的方法包括以下三种：

1、固定滚轴装置6下降的幅度，调整步骤三重复的频率和滚轴装置6水平移动的距离；

2、固定步骤三重复的频率，调整滚轴装置6下降的幅度和水平移动的距离；

3、固定滚轴装置6水平移动的距离，调整步骤三重复的频率和滚轴装置6下降的幅度。

需要说明的是，控制器1优选CM35D可编程控制器，驱动电机2为步进电机，通过履带带动各轴运动，运动路线由控制器1控制。

实施例二：

以下将通过若干实验检测本发明的一种物料混合装置及物料混合方法将物料混合均匀的时间与叶轮搅拌装置将物料混合均匀的时间对比：

实验一：

将125cm的光滑反应器连接成一个回路，在光滑反应器内加入液体物料900ml，将光滑反应器固定在循环驱动装置下方，调节肠道蠕动模拟重复的频率为8次/分钟，滚轴装置6水平移动的距离为25cm，滚轴装置6下降的幅度为0.75cm，在光滑反应器入口处加入5ml甲基橙指示剂（0.1%）；开启循环驱动装置，在光滑反应器前方放置相机，间隔2s采集光滑反应器图片信息，等到混合均匀后停止循环驱动装置，分析图片信息。重复上述步骤，依次改变滚轴装置6下降的幅度为1.5cm、2.25cm、3cm。

如图5所示，a图显示滚轴装置6下降的幅度为0.75cm时需要5300s混合均匀；b图显示滚轴装置6下降的幅度为1.5cm时需要863s混合均匀；c图显示滚轴装置6下降的幅度为2.25cm时需要216s混合均匀；d图显示滚轴装置6下降的幅度为3cm时需要192s混合均匀。

实验二：

将125cm的光滑反应器连接成一个回路，在光滑反应器内加入水900ml，将光滑反应器固定在循环驱动装置下方，调节滚轴装置6下降的幅度为3cm，滚轴装置6水平移动的距离为25cm，肠道蠕动模拟重复的频率为1次/分钟，在光滑反应器入口处加入5ml甲基橙指示剂（0.1%）；开启循环驱动装置，在光滑反应器前方放置相机，间隔2s采集反应器图片信息，等到混合均匀后停止循环驱动装置，分析图片信息。重复上述步骤，依次改变肠道蠕动模拟重复的频率为2次/分钟、5次/分钟、8次/分钟、12次/分钟。

如图6所示，图a显示肠道蠕动模拟重复的频率为1次/分钟时，需要1124s混合均匀；图b显示肠道蠕动模拟重复的频率为2次/分钟时，需要680s混合均匀；图c显示肠道蠕动模拟重复的频率为5次/分钟时，需要508s混合均匀；图d显示肠道蠕动模拟重复的频率为8次/分钟时，需要312s混合均匀；图e显示肠道蠕动模拟重复的频率为12次/分钟时，需要226s混合均匀。

实验三：

将125cm的光滑反应器连接成一个回路，在反应器内加入200mpa.sCMC溶液900ml，将反应器固定在循环驱动装置下方，调节滚轴装置6下降的幅度为3cm，滚轴装置6水平移动的距离为5cm，肠道蠕动模拟重复的频率为8次/分钟，在反应器入口处加入5ml甲基橙指示剂（0.1%）。开启循环驱动装置，在反应器前方放置相机，间隔2s采集反应器图片信息，等到混合均匀后停止循环驱动装置，分析图片信息。重复上述步骤，依次改变滚轴装置6水平移动的距离为10cm、15cm、20cm、25cm。

如图7所示，图a显示滚轴装置6水平移动的距离为5cm时需要520s混合均匀；图b显示滚轴装置6水平移动的距离为10cm时需要502s混合均匀；图c显示滚轴装置6水平移动的距离为15cm时需要364s混合均匀；图d显示滚轴装置6水平移动的距离为20cm时需要263s混合均匀；图e显示滚轴装置6水平移动的距离为25cm时需要192s混合均匀。

实验四：

将125cm的光滑反应器连接成一个回路，在反应器内加入不同粘度的CMC溶液900ml，将反应器固定在循环驱动装置下方，调节滚轴装置6下降的幅度为3cm，滚轴装置6水平移动的距离为25cm，肠道蠕动模拟重复的频率为8次/分钟，在光滑反应器入口处加入5ml甲基橙指示剂（0.1%）。开启循环驱动装置，在光滑反应器前方放置相机，间隔2s采集反应器图片信息，等到混合均匀后停止循环驱动装置，分析图片信息；重复上述步骤，依次改变CMC溶液粘度为0mpa.s、50mpa.s、100mpa.s、150mpa.s、200mpa.s。

如图8所示，图a显示物料粘度为0mpa.s时需要192s混合均匀；图b显示物料粘度为50mpa.s时需要216s混合均匀；图c显示物料粘度为100mpa.s时需要268s混合均匀；图d显示物料粘度为150mpa.s时需要302s混合均匀；图e显示物料粘度为200mpa.s时需要312s混合均匀。

实验五：

将125cm的有绒毛反应器连接成一个回路，在反应器内加入200mpa.s的CMC溶液900ml，将有绒毛反应器固定在循环驱动装置下方，调节滚轴装置6下降的幅度为3cm，滚轴装置6水平移动的距离为25cm，肠道蠕动模拟重复的频率为12次/分钟，在有绒毛反应器入口处加入5ml甲基橙指示剂（0.1%）；开启循环驱动装置，在反应器前方放置相机，间隔2s采集反应器图片信息，等到混合均匀后停止循环驱动装置，分析图片信息。

如图9所示，物料在有绒毛反应器内，144s时可将所有物料混合均匀，是相同条件下光滑反应器的1.57倍。

实验六：

将200mpa.s的CMC溶液900ml加入到1000ml的烧杯中，在烧杯中间放入长5cm的叶轮搅拌装置，调整叶轮转速为44rpm，在液位中间加入5ml甲基橙指示剂（0.1%），开启搅拌装置，在烧杯前方放置相机，间隔2s采集反应器图片信息，等到混合均匀后停止叶轮搅拌装置，分析图片信息。叶轮搅拌装置在2400s时仍未将物料混合均匀（如图10所示），对比相似雷诺数下有绒毛反应器则在144s时混合均匀（附图9所示），证明仿生蠕动软式反应器在混合高粘度物料时有较为明显的优势。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种物料混合装置，包括循环驱动装置和仿生蠕动反应器，其特征在于：所述仿生循环驱动装置安装在循环驱动装置上；

所述循环驱动装置包括控制器（1）、驱动电机（2）、X轴（3）、Y轴（4）和Z轴（5），所述控制器（1）与驱动电机（2）电性连接，所述X轴（3）固定在地面上，所述Z轴（5）垂直安装在X轴（3）的上表面，并与X轴（3）滑动配合，所述Y轴（4）水平安装在Z轴（5）一侧面，所述Y轴（4）一表面设置有滚轴装置（6），所述滚轴装置（6）与仿生蠕动反应器挤压配合。

2.根据权利要求1所述的一种物料混合装置，其特征在于，所述X轴（3）、Y轴（4）和Z轴（5）之间均通过履带连接，所述X轴（3）的有效长度为100cm，Y轴（4）的有效长度为25cm，Z轴（5）的有效长度为30cm。

3.根据权利要求1所述的一种物料混合装置，其特征在于，所述仿生蠕动反应器为筒体结构，所述蠕动反应器包括有绒毛反应器和光滑反应器，所述仿生蠕动反应器的壁厚为2-5mm，内径为30mm，长度为25-100mm；

所述有绒毛反应器内壁均匀设置有若干弧形褶皱和若干绒毛，所述弧形褶皱的高为2mm，宽为11.3mm，所述绒毛长为3mm，直径为1.5mm；

所述光滑反应器内壁光滑。

4.根据权利要求3所述的一种物料混合装置，其特征在于，所述仿生蠕动反应器的硬度为0-10A。

5.根据权利要求1所述的一种物料混合装置，其特征在于，所述滚轴装置（6）包括固定座、连接架和外筒，所述连接架包括主杆和压框，所述压框为“口”形架体结构，所述主杆一端与压框连接，所述外筒安装在压框上，所述外筒的位置与主杆相对，所述固定座与Y轴（4）滑动配合，所述固定座一侧面设置有穿孔，所述主杆安装在穿孔内；所述外管为圆筒结构，所述外管的外径为10mm，内径为5mm，长为50mm；所述连接架的直径为4mm。

6.一种物料混合装置的物料混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将仿生蠕动反应器固定，再将需要混合的物料倒入仿生蠕动反应器内，在仿生蠕动反应器内的进料口加入显色物料，排出仿生蠕动反应器内多余的空气；

步骤二：启动循环驱动装置进行肠道蠕动模拟，通过控制器（1）控制履带，进而通过X轴（3）、Y轴（4）和Z轴（5）的位置调节滚轴装置（6）的位置；

步骤三：重复步骤二的肠道蠕动模拟操作；

步骤四：完成物料混合。

7.根据权利要求6所述的一种物料混合装置的物料混合方法，其特征在于，所述步骤二中，所述循环驱动装置带动滚轴装置（6）的移动方法为：先驱动滚轴装置（6）下降挤压仿生蠕动反应器，使其变形；之后驱动滚轴装置（6）水平移动模拟肠道推进性收缩；然后将滚轴装置（6）抬升离开仿生蠕动反应器，仿生蠕动反应器恢复形变；最后带动滚轴装置（6）回到初始位置完成一次肠道蠕动模拟。

8.根据权利要求6所述的一种物料混合装置的物料混合方法，其特征在于，所述步骤一中的显色物料为甲基橙指示剂。

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