کاربرد دستگاه انکپسولاتور
در ساخت حفره های (Beads) پارامغناطیسی یکسان و خشک
مقدمه
این روش به تولید حفره های کروی و یکسان مغناطیسی با اندازه متوسط 300 میکرومتر می پردازد. این حفرات مغناطیسی میتوانند در زمینه های مختلف علمی از جمله کاتالیزورها، خالص سازی مواد، انکپسولاسیون سلولی، فرآوری فاضلاب و حتی علوم پزشکی به کار برده شوند [4-1]. با استفاده از روش انکپسولاسیون مورد بحث در این مطالعه، می توان حفره های مغناطیسی به ابعاد 300 تا 1000 میکرومتر تولید کرد.
تجهيزات
برای ساخت حفرات مغناطیسی از دستگاه های انکپسولاتور کمپانی Buchi استفاده شده است. انکپسولاتور B-390 یا B-395 Pro، نگهدارنده مگنت (شکل1، کد 11063778)، همزن دستی و راکتور بسترمایع خشک کننده آزمایشگاهی (Laboratory fluidized bed dryer (GEA STREA-1)) تجهیزات لازم برای تولید این مواد هستند.
مواد و معرف ها
پورد اکسید آهن (ابعاد ذرات کمتر از 5 میکرومتر، سیگما-آلدریچ)، سدیم آلژینات با ویسکوزیته پایین (Buchi، 11059994) و کلرید کلسیم دو آبه (سیگما-آلدریچ) مورد مورد نیاز این آزمایش می باشند.
روش کار
توليد حفرات مغناطيسي
محلول 5/1 درصد وزنی/ وزنی سدیم آلژینات و 1/0 مولار کلرید کلسیم در آب تهیه شد. سدیم آلژینات توسط یک همزن دستی حل گردید. سپس 15 گرم پودر اکسید آهن توسط یک همزن شیشه ای در 85 گرم از محلول 5/1 درصد سدیم آلژینات دیسپرس شد. مخلوط به یک بالن تحت فشار 500 میلیلیتری (ساخت Buchi) منتقل گشت. میکرو حفره های کلسیم-آلژینات توسط دستگاه انکپسولاتور B-390 شرکت Buchi طی یک فرآیند یک مرحله ای ساخته شدند. بعد از برقراری تزریق نمونه، پارامترهای سرعت چرخش، ولتاژ الکترود، ارتعاش و فشار به شرحی که در جدول (1) آمده است، تنظیم می شوند. سپس سرعت تزریق جریان نمونه بهینه شده تا یک زنجیره مناسب از حفره ها تشکیل شده در حالی که دیسپرژن مناسب توسط لوله های حاوی نمونه تامین میشود (شکل 2). در نهایت حفره ها وارد حمام سخت سازی شده و در مدت زمان 30 دقیقه میکرو حفرات مورد نظر تشکیل میشوند.
خشک کردن حفره های مغناطیسی
حفره های تولید شده در چند مرحله متوالی خشک میشوند. حفره ها پس از غربال شدن جمع آوری شده و کلرید کلسیم اضافی آنها با سه بار شستن با آب مقطر خارج میشود. قبل از ورود به نازل خشک کننده و اسپری کننده حفرات، محتوی آب آنها تا حد امکان خشک میشود. سپس حفرات مرطوب بر روی صفحه در معرض هوای خشک قرار میگیرندو دستگاه مطابق تنظیمات جدول (2) شروع به کار میکند. به منظور بهینه سازی تولید میکروحفرات سیستم تهویه دستگاه هم مطابق تنظیمات شروع به کار میکند.
آنالیز اندازه ذرات
اندازه نهایی ذرات خشک شده توسط یک تجزیه کننده توزیع اندازه ذرات با پراکندگی لیزر مدل LA 950 ساخت کمپانی Horiba به دست آمد. 10 گرم از نمونه به یک نگهدارنده نمونه خشک تزریق شد و با فشار گاز 1/0 مگاپاسکال پاشیده میشوند. روش فران هوفر (Fraunhofer) به عنوان روش اندازه گیری (دامنه ذرات 2000-10 میکرومتر) استفاده میشود. دامنه (Span) به عنوان %10، %50 و %90 درصد حجمی (d10، d50 و d90) تعریف می شود.
نتايج
محصول نهايي
محصول نهایی در شکل (2) نشان داده شده است. در شکل های (5-3) تصاویر میکروحفرات با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده شده اند. شکل (6) خاصیت پارامغناطیسی ذرات را نشان میدهد.
توزیع اندازه ذرات
میکروذرات دامنه توزیع اندازه نازکی را نشان میدهند (جدول (3)، شکل (7) و معادله (1)). به دلیل طول نازک قطر ذرات، میکروحفرات را میتوان یکپارچه در نظر گرفت. برای مقایسه ذرات تولید شده با دستگاه Spray Dryer دامنه (Span) حدودا 2 را به دست میدهند (در مقیاس صنعتی عدد بالاتری به دست میدهند). حتی دستگاه Nano Spray Dryer B-90 با محدوده باریک هم عدد 4/1 به دست میدهد.
نتايج
میکروذرات پارامغناطیسی دارای کاربردهای متنوع و جالبی هستند. همین کاربردها اهمیت تولید ذرات خشک و یکنواخت مغناطیسی توسط دستگاه های انکپسولاتور مدل B-390 و B-395 Pro ساخت شرکت Buchi را نشان میدهد. به دلیل خواص مغناطیسی شدید این میکروحفرات، یک نازل بهینه شده که مگنت ارتعاشی را از نمونه جدا میکند، به کار میرود. به عنوان لایه انکپسوله کننده ماده کلسیم آلژینات استفاده میشود. البته به صورت تئوری میتوان از سایر مواد انکپسوله کننده مانند چیتوسان، پکتین، ژلاتین و .. استفاده کرد.
منابع
[1] Jiang, D.S., Long, S.Y., Huang, J., Xiao, H.Y., and Zhou, J.Y. Immobilization of Pycnoporus sanguineus laccase on magneticchitosan microspheres. Biochem Eng 25:15–23 (2005)
[2] Bée, A., Talbot, D., Abramson, S., and Dupuis, V. Magnetic alginate beads for Pb(II) ions removal from wastewater. J Colloid Interface Sci 362:486-492 (2011).
[3] Kannarkat, J., Battogtokh, J., Philip, J., Wilson, O.C., and Mehl, P.M. Embedding of magnetic nanoparticles in polycaprolactone nanofiber scaffolds to facilitate bone healing and regeneration. J Appl Phys 107:09B307 (2010); DOI:10.1063/1.3357340.
[4] Internet page of TurboBeads®. http://www.turbobeads.com/literature/. Visited March 17, 2016.
[5] Walzel, P. Zerstäuben von Flüssigkeiten. Chem Ing Tech 62:983-994 (1990).
[6] BUCHI Labortechnik. Operation manual Nano Spray Dryer B-90, Version B.
[2] Bée, A., Talbot, D., Abramson, S., and Dupuis, V. Magnetic alginate beads for Pb(II) ions removal from wastewater. J Colloid Interface Sci 362:486-492 (2011).
[3] Kannarkat, J., Battogtokh, J., Philip, J., Wilson, O.C., and Mehl, P.M. Embedding of magnetic nanoparticles in polycaprolactone nanofiber scaffolds to facilitate bone healing and regeneration. J Appl Phys 107:09B307 (2010); DOI:10.1063/1.3357340.
[4] Internet page of TurboBeads®. http://www.turbobeads.com/literature/. Visited March 17, 2016.
[5] Walzel, P. Zerstäuben von Flüssigkeiten. Chem Ing Tech 62:983-994 (1990).
[6] BUCHI Labortechnik. Operation manual Nano Spray Dryer B-90, Version B.