制备生物高分子纳米颗粒的方法.pdf

本发明揭示了一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法。在此方法中，将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，通过挤出机内的剪切力对生物高分子原料进行加工,在进料区的下游将交联剂加入挤出机中。所述生物高分子原料和增塑剂优选分开加入进料区中。所述螺纹结构可包括两个或更多个蒸汽密封区段。所述挤出机的第一区段中的剪切力大于位于挤出机第一区段下游的相邻的第二区段内的剪切力。可以在位于交联反应已经完成的位置后面的反应后区段内加入水，以改进模头性能。

权利要求书一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用在所述进料区下游的挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工，其中，所述增塑剂包含有机化合物和水；和
将除了增塑剂中任何水之外的水也加入进料区中。
如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述方法的生产速率大于或等于1.0公吨来自单个挤出机的产品/小时。
如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述生产速率大于或等于3.0公吨来自单个挤出机的产品/小时。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和
在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中，
其中，所述生物高分子原料和增塑剂是通过单个进口分开加入所述进料区中。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工，其中，所述挤出机的进料区中具有含有单螺纹元件的机筒；所述生物高分子原料和增塑剂是分开加入所述机筒中；和
将粉末状的生物高分子原料加入机筒中。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和
在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中，
其中所述挤出机具有上游区段、下游区段，以及位于所述上游区段和下游区段之间的中间区段,并且
其中，所述中间区段内的温度保持在高于1000C；所述中间区段包含上游和下游蒸汽密封区段，并且在下游蒸汽密封区段上的中间区段的温度和压力高于在上游蒸汽密封区段上的温度和压力。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和
在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中，
其中，所述螺旋结构包括两个或更多个连续的蒸汽密封区段，每个蒸汽密封区段具有上游压力产生区段和相邻的下游逆向捏合段。
如权利要求7所述的方法，其特征在于：
各个上游压力产生区段具有向前的捏合段。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用在所述进料区下游的挤出机第一区段中的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；和
在所述第一区段下游的所述挤出机的第二区段中将交联剂加入所述挤出机中，
其中，在所述挤出机的第二区段中的捏合段上加入所述交联剂。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用在所述进料区下游的挤出机第一区段中的剪切力对所述生物高分子原料进行加工；
将交联剂加入在所述第一区段下游的所述挤出机的第二区段中；和
在所述第二区段的下游提供反应后区段，
其中，将水加入在密封下游的所述反应后区段中，所述密封位于加入所述交联剂的位置处的下游。
一种制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，该方法包括:
将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺旋结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对生物高分子原料进行加工；
在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中；和
通过挤出模头使得挤出物发泡。
如权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述挤出物包含附聚的生物高分子纳米颗粒。
如权利要求12所述的方法，该方法还包括：
将所述挤出物分散在水性介质中。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
当所述生物高分子纳米颗粒产品分散在水中的时候，形成聚合物胶体。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述生物高分子纳米颗粒产品包含保护胶体。
如权利要求14所述的方法，其特征在于：
所述保护胶体是未交联的生物高分子。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述生物高分子纳米颗粒产品包含约小于1％的未交联的生物高分子。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述生物高分子原料是淀粉。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述增塑剂选自水、醇、以及它们的混合物。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述增塑剂选自水、多元醇、以及它们的混合物。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述增塑剂选自水、甘油、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、糖醇、脲、柠檬酸酯、以及它们的混合物。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述交联剂选自二醛和多醛。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述交联剂选自酸酐、混合酸酐、戊二醛、乙二醛、高碘酸盐氧化的碳水化合物、表氯醇、环氧化物、三磷酸酯和二乙烯基砜。
如权利要求1所述的方法，其特征在于:
所述生物高分子原料选自马铃薯淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、木薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、以及它们的混合物。
如权利要求24所述的方法，其特征在于：
所述淀粉是基于高支链淀粉的淀粉。

说明书制备生物高分子纳米颗粒的方法
本申请是国际申请号为＂PCT/US2007/075901＂，国际申请日为＂2007年8月14日＂，进入中国国家阶段的申请号为＂200780030298.9＂，发明名称为＂制备生物高分子纳米颗粒的方法＂的申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年8月15日提交的美国专利临时专利申请60/837,669号的优先权。
关于联邦政府资助研究的声明：无。
技术领域
本发明涉及一种制备生物高分子纳米颗粒的方法，具体涉及制备淀粉纳米颗粒的方法。
背景技术
美国专利第6,677,386号(对应于WO 00/69916)描述了一种制备生物高分子纳米颗粒的方法,所述生物高分子纳米颗粒的一种形式是淀粉纳米颗粒。在此方法中，使用剪切力使得所述生物高分子增塑,在加工过程中加入交联剂。在加工之后，所述生物高分子纳米颗粒可以分散在水性介质中。所述方法的一种形式能够制得特点为平均粒度小于400纳米的淀粉纳米颗粒。
美国专利第6,677,386号描述了纳米颗粒可以用作基质材料，所述基质材料可以是成膜材料，增稠剂,或者流变改性剂，或者粘合剂或粘合添加剂(增粘剂)。所述纳米颗粒或者其分散体也可利用其阻隔性，作为载体，作为脂肪替代品,或者作为减轻皮肤病的药物。所述纳米颗粒或其分散体的其它应用的例子是用于造纸和包装工业，或者用于农业和园艺。所述纳米颗粒可以在药物中用作赋形剂或载体，它们可以与缓释药物之类的活性物质络合或共价结合。所述纳米颗粒还可加工成较高密度的泡沫材料。
美国专利第6,677,386号所述的纳米颗粒的其它应用可以参见以下文献：(i)美国专利申请公开第2004/0011487号，其描述了使用淀粉作为造纸纸浆中的湿部(wet end)添加剂,或者作为表面上胶剂施用于纸张表面;(ii)美国专利第6,825,252号，其描述了将淀粉用于着色纸张涂料组合物中的粘合剂;(iii)美国专利第6,921,430号，其描述了将淀粉用于环境友好型粘合剂;以及(iv)美国专利申请公开第2004/0241382号，其描述了将淀粉用于生产瓦楞纸板所用的粘合剂中。这些专利和申请的内容，以及本文所提到的所有其它出版物都全文参考结合入本文。
人们可以观察到用美国专利第6,677,386号所述的方法制备的纳米颗粒具有许多的用途。另外，将来还可能发现其他的用途。因此，人们对更大量的生物高分子纳米颗粒的需求将会持续增加。但是，人们担心美国专利第6,677,386号所述的方法可能无法跟上人们对生物高分子纳米颗粒的日益增长需求。
因此，人们需要一种改进的方法来制备更大量的生物高分子纳米颗粒，特别是淀粉纳米颗粒。
发明内容
本发明提供了一种改进的用来制备生物高分子纳米颗粒产品的方法，满足了以上需求。在此方法中，将生物高分子原料和增塑剂加入具有螺杆结构的挤出机的进料区内，利用挤出机内的剪切力对生物高分子原料进行加工,在所述进料区的下游将交联剂加入所述挤出机中。通过挤出模头使得挤出物发泡。
在本发明的一个方面中,所述生物高分子原料和增塑剂分开加入所述进料区中。在本发明的另一个方面，所述挤出机在进料区中具有单螺纹元件(single flight element)。在本发明的另一个方面，所述挤出机具有上游区段、下游区段，以及位于所述上游区段和下游区段之间的中间区段,所述中间区段内的温度保持在高于100℃。
在本发明的另一个方面,所述螺杆结构包括两个或更多个蒸汽密封(steam seal)区段，其中各个蒸汽密封区段具有上游压力产生区段和相邻的下游混合区段。各个上游压力产生区段具有向前传送的螺纹(flight)，各个下游混合区段具有逆向的螺纹。在本发明的另一个方面,挤出机的第一区段内的剪切力大于位于挤出机第一区段下游的相邻的第二区段内的剪切力,将交联剂加入所述挤出机的第二区段内。在本发明的另一个方面,挤出机的第一区段内的剪切力大于位于所述第一区段下游的挤出机反应后区段内的剪切力，所述反应后区段位于所述交联反应已经完成的位置,将水加入所述反应后区段。
所述生物高分子原料可以是淀粉。淀粉的非限制性例子包括马铃薯淀粉、小麦淀粉、木薯(tapioca)淀粉、木薯(cassava)淀粉、大米淀粉、玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、以及任何其它淀粉。在一个实施例中，所述纳米颗粒由基于高支链淀粉的淀粉形成(>95%的支链淀粉,<5%的直链淀粉)。
所述增塑剂可以选自水、醇、以及它们的混合物。所述增塑剂可以选自水、多元醇、以及它们的混合物。
所述交联剂可以选自二醛和多醛,酸酐和混合酸酐(例如琥珀酸酐和乙酸酐)等。合适的二醛和多醛是戊二醛,乙二醛,高碘酸盐氧化的碳水化合物等。所述交联剂可以选自常规的交联剂，例如表氯醇和其它环氧化物、三磷酸酯和二乙烯基砜。所述交联反应可以是酸催化的或者碱催化的。
一种根据本发明的方法可以使得生物高分子原料完全胶凝或接近完全胶凝。较佳的是，所述方法可以实现在交联反应之前实际上完全除去任何天然的生物高分子(例如淀粉)晶体结构，使得使用标准技术(例如交叉极化显微镜检查法)不能检测到所述晶体结构。根据本发明的方法解决了以较高生产速率(例如1公吨/小时)除去天然生物高分子(例如淀粉)晶体结构的困难。
根据本发明的方法还提高了对纳米颗粒的胶体分散体粘度的控制。所述生物高分子纳米颗粒当分散在水中的时候会形成聚合物胶体,本发明的挤出条件对这些胶体分散体的粘度具有影响。
聚合物胶体的给人深刻印象之处在于，它们能够形成较高分子量聚合物的高固体含量分散体,通常固体含量为40‑65%(理论最大值为72%,实际上具有很宽的粒度分布的特殊乳液达到了该最大值)。但是这些分散体的粘度仍然较低(例如500‑2500厘泊;注：厘泊=毫帕.秒)。溶于溶剂的相同聚合物在固体含量为10‑15％的情况下通常具有很高的粘度(大于5000厘泊)。
而溶液中的聚合物的粘度与其分子量成正比,但胶体乳液的粘度则不是。胶体乳液的粘度与分子量无关，很大程度上是由颗粒数、粒度和粒度分布决定的。
本发明的挤出条件与生物高分子(例如淀粉)纳米颗粒的胶体分散体粘度之间的关系并不直观。通过本发明的挤出法制备的交联的纳米颗粒包含少量的(<~1%)未交联的生物高分子(例如淀粉)，这些未交联的生物高分子用作纳米颗粒的位阻稳定剂。这种位阻稳定剂通常被本领域技术人员称为“保护胶体”。作为生物高分子(例如淀粉)的纳米颗粒分散体的保护胶体的生物高分子(例如淀粉)聚合物部分是通过反应挤出法形成的,其导致了所述纳米颗粒水分散体的有益的剪切稀化流变性质，同时还造成了该体系所观察到的出人意料的极高的剪切稳定性。形成瓦棱纸的辊隙内的剪切速率约为20,000秒‑1(很高的剪切),而高速纸张涂层施涂中的剪切速率为数百万秒‑1(极高的剪切)。因此根据本发明制备的淀粉纳米颗粒分散体非常适合用作形成瓦楞纸和纸张涂层应用中的高固体含量胶体。
尽管不同的挤出条件会导致不同的粘度,它们都包含类似尺寸且高分子量(由于交联造成)的交联纳米颗粒,但是根据挤出条件的剧烈程度，还包含可能具有较低或较高分子量的保护胶体。一种根据本发明的方法可以控制由所述淀粉纳米颗粒原位形成的保护胶体的分子量。
通过以下详述、附图和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些特征、方面和优点，以及其他的特征、方面和优点。
附图说明
图1是适用于本发明方法的一种示例性设备的示意图。
图2是适用于本发明方法的一种包装系统的示意图。
图3显示了以下用来举例说明本发明的实施例中使用的各种螺杆结构。
具体实施方式
图1显示适合用于本发明方法的设备20。所述设备20可以用来制备美国专利第6,677,386号的生物高分子纳米颗粒。所述设备20包括双螺杆挤出机22，该挤出机22包括十一个具有端部凸缘的挤出机机筒1‑11，这些机筒1‑11可通过所述端部凸缘互相可拆卸地连接，形成用来接受所述两个挤出机螺杆的两个重叠的孔。所述设备20还包括挤出机模头23以及与之相关的排气罩23h。
机筒1具有用来接受生物高分子(图1中的淀粉)和增塑剂(图1中的甘油)的进口24。所述进口24通过进料管道28从进料斗26接受干淀粉。所述进口24通过进料管道34从增塑剂容器32接受甘油，所述进料管道34包括进料泵36和Micro‑Motion牌质量流量计38。可以在所述设备20中进行加工的生物高分子的其它非限制性例子包括其他多糖，例如纤维素和树胶,以及蛋白质(例如明胶,乳清蛋白)。所述生物高分子可以通过例如酰化、磷酸化、羟烷基化、氧化等的反应，用例如阳离子基团、羧甲基预先改性。可用于设备20的增塑剂的其他非限制性例子包括水，除了包括甘油以外，还包括其他的多元醇，例如乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、糖醇、脲、柠檬酸酯等。
机筒3具有用来接受水的进口42。所述进口42通过进料管道46和进料管道47从水源44接受水，所述管道47包括进料泵48和Micro‑Motion牌质量流量计49。
机筒7和8之间的连接机筒50具有用来接受交联剂(图1中为乙二醛)和清洗水的进口52。进口52通过进料管道54和进料管道55从交联剂容器53接受乙二醛，所述管道55包括进料泵56和Micro‑Motion牌质量流量计57。进口52通过进料管道46和进料管道58从水源44接受清洗水，所述管道58包括进料泵59和Micro‑Motion牌质量流量计61。机筒10还从进料管道58接受水。可用于设备20的交联剂的其它非限制性例子包括二醛和多醛,酸酐和混合酸酐(例如琥珀酸酐和乙酸酐),高碘酸盐氧化的碳水化合物等。合适的二醛是戊二醛和乙二醛。所述交联剂也可以选自常规的交联剂，例如表氯醇和其它环氧化物、三磷酸酯和二乙烯基砜。所述交联反应可以是酸催化的或者碱催化的。
下面来看图2,图中显示了设备20的包装系统70。所述包装系统70包括用来从挤出机模头23接受挤出物的带式传送机72。还提供了合适的输送机排气系统73。所述带式输送机72将挤出物输送到锤式研磨机74，用来将挤出物磨碎成较小粒度的颗粒。然后将磨碎的挤出物料包装入箱子78(或者根据需要为袋或超大袋或散装货车或轨道车)之中。还提供了合适的研磨机排气系统82，用来俘获来自锤式研磨机74的细小颗粒物质。作为线料和带式输送机的一种替代形式,使用干热面切割机和气力输送机将产品冷却和输送到研磨机中。
本发明提供了一种方法，该方法具有独特的单元操作顺序，以及独特的工艺控制配置，从而能够使用改良的ZSK‑92Mega配混机(ZSK‑92Mega同向旋转双螺杆配混机购自德国斯图加特的考博林维纳和普费尔德罗公司(Coperion Werner & Pfleiderer GmbH & Co.,Stuttgart,Germany))，以等于或大于1.0公吨干产品/小时的生产速率制造美国专利第6,677,386号所述的生物高分子纳米颗粒。根据体积比例放大,预期ZSK‑133在500转/分钟的转速下可以获得3公吨/小时的生产速率。但是，通过设计挤出机的螺杆结构，可以在其它牌子和型号的挤出机上得到类似的结果。
用于根据本发明的工艺的单元操作的组合提供了优于现有技术方法的优点。在美国专利第6,677,386号的实施例1‑10中,包含淀粉、水和甘油的预混物的进料速率为8.4‑8.8千克/小时。相比之下，商品名为Berstorff ZE‑40的市售挤出机(用于美国专利第6,677,386号的实施例中)的正常的生产速率为110‑160千克/小时。因为美国专利第6,677,386号的实施例的规模，其具有较低的温度和较高的面积/体积比，因此在这些实施例中，蒸汽回排并不是个问题。
对于几何结构类似的机器，表面积的尺寸基于直径的平方，工艺体积基于直径的立方。这意味着随着该工艺按比例放大，面积/体积比会与直径成正比地减小;所述工艺必须能够不依赖于机筒温度进行操作。除了相对规模以外，由于Berstorff ZE‑40挤出机包括浅的螺杆结构，该挤出机对于其尺寸具有低的体积。相对机器体积通过螺杆直径与螺纹根部直径之比，或外直径/内直径(OD/ID)之比来比较。在Berstorff ZE‑40挤出机上,所述OD/ID之比仅为1.24:1。大部分现有的生产机器的OD/ID之比等于或高于1.46:1。所述ZSK‑58,‑92和‑133配混机的体积比为1.55:1。这是很重要的，因为淀粉的涌出性(floodability)会导致较低的有效堆积密度。为了获得可行的生产速率，希望具有较大体积的挤出机。例如,ZSK‑133配混机能够将生产速率提高到最高3公吨/小时的水平。
A.进料
淀粉是一种细小粉末，容易在高螺杆转速和比速率(千克/小时/(转/分钟)，或者特定转速下每小时的产品质量)下发生涌出(flooding)。在工业的成本具有竞争性的条件下,我们认为纳米颗粒可行的生产速率至少为1公吨/小时。在美国专利第6,677,386号的例子中,对淀粉进行了预混合或预先调节,使得淀粉容易进料，降低其在挤出机中发生涌出的可能性。人们希望能够省去作为工艺操作的预混合步骤，将组分直接加入挤出机中(通过图1设备20的进料管道28和34加入)。
人们使用较高体积的2D下部凹陷元件使得固体输送能力最大。已经发现通过使用单螺纹(SF)元件(参见Robert H.Wildi和Christian Maier,"理解配混(Understanding Compounding)",Hanser Gardner Publications,1998,第97‑98页),以及通过将水或甘油(增塑剂)注入进料进口24中,所获得的生产速率远高于用下部凹陷元件获得的生产速率。
在挤出机进料区中的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)加入纯的淀粉,(ii)将甘油和/或水加入进料进口孔的中心，以帮助固体输送和完成与淀粉预调节类似的效果,以及(iii)使用单螺纹元件，该元件适用于涌出性(floodable)粉末，能够将造成进料区堵塞的蒸汽回排减至最小。
B.蒸汽密封
所述工艺必须在高温下进行，以便在停留时间约等于或小于10秒的条件下以可行的生产速率完成淀粉的胶凝。当制得的生物高分子纳米颗粒产物分散在水中的时候，还通过高温控制其粘度。这些温度高于大气压下水的沸点;因此，必须保持挤出机22中的压力，以免水闪蒸为蒸汽。因为蒸汽是独立的相,其很容易流回到进料进口24中。一旦蒸汽进入进料系统，便会冷凝并弄湿淀粉，使得部分煮制过的淀粉糊在重力流动的环境下发生流动堵塞。
发现蒸汽密封必须如图3的92‑6号螺杆中所示的螺杆设计那样，用一系列较适中的约束形成。(图3中显示了两个螺杆中的一个，这在工业中很常见。)图3的92‑1号螺杆在大约45分钟内发生蒸汽回排，具有强约束的图3的92‑3号螺杆在少于15分钟以内能够操作。需要平衡这些约束，使得螺杆的压力建立能力大于由于升温造成的水蒸气压力升高。图3的92‑1号螺杆使用相对缓和的约束：中性捏合段(kneading block),而图3中的92‑3号螺杆使用非常强的约束:反向输送元件。通过使用图3的成功的92‑6号螺杆,通过使用一系列中等的约束获得平衡,每个约束通过足够的泵送和混合进行操作，以填充螺纹和克服约束(restriction)。
当工艺的温度超过100℃的时候,需要通过蒸汽密封来防止水闪蒸为蒸汽并回排到进料口。这是通过以下方式完成的：逐渐提高挤出机中的压力，提高的速度大于为了进行粘度控制而煮制淀粉并使其分解的升温造成的水蒸气压力增大的速度。例如,在200℃,纯水的绝对蒸气压为1.57兆帕(即1.47兆帕表压或213psig)。使用必须被向前泵送作用克服的约束形成了密封。在具有较高比速率的挤出机中，密封会受到螺纹填充率(flight fillage)的影响，通常会导致更强的密封，使得螺纹变得太满无法产生压力。
已经发现如果使用一系列中等的密封，挤出机的压力会逐渐升高。逐步密封的效果是累积的。如果使用过强的密封，使得克服该密封所需的能量和所造成的温度/压力升高大于该密封之前的挤出机内的压力，便会产生蒸汽并发生蒸汽回排。通过在约束之前结合足够的向前元件，使得能够超过克服所述约束所需的程度，从而形成密封。在成功的实施例中,使用三个左向旋转(Left Hand)(逆向的)捏合段(LKB)产生蒸汽密封。当产生压力的时候,所述螺纹或捏合段会充满。很重要的是，向前泵送要足以克服由于各个混合区段中的温度升高造成的蒸汽压力增大。各个混合区段之前进行输送，以确保有足够的压力产生。通过使用一系列这样的混合和压力产生区段,可以对淀粉进行加热，以加快胶凝速率，并控制产品粘度，而不发生蒸汽回排。优选通过捏合段之类的混合区段完成该操作，使得淀粉保持良好混合，并消除未润湿的淀粉形成的小区域(类似于制备含有团块物质的肉汁的情况)。如果允许形成这些未润湿淀粉的小区域，则它们不会胶凝，也不会随后与交联剂反应，会对产品水分散体的分散体粘度以及长期稳定性造成负面影响。
对第一混合区段/密封的设计非常关键，因为在此之前的固体输送部分中不会产生显著的压力。其必须强得足够以引发进料的胶凝(即从固态转化为热塑性熔体)，同时不会产生过大的蒸汽压力。这可通过常规的向前和反向KB组合完成，或者用Eccentric三叶片(tri‑lobe)捏合段完成。
关于所述蒸汽密封的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)使用逐步密封消除蒸汽回排，因为一个强的约束会导致回排;(ii)压力建立比水蒸气压力建立更快，从而阻止回排;(iii)能够达到更高的生产速率。
C.胶凝
已经证明从生物高分子纳米颗粒产品的水分散体的粘度稳定性考虑，淀粉必须发生完全胶凝。包含“鬼物质(ghost)”(淀粉颗粒和部分胶凝的淀粉颗粒的片段)的残余的未胶凝的淀粉会导致分散体在贮存的时候在一夜间或数日内胶凝。可以用交叉极化显微镜检查法分析胶凝的程度。在高速率的典型的现代挤出操作中,这是非常困难的，因为在交联反应区之前的初始混合区内的停留时间较短。
已经发现通过使用具有最小回流的较强的高剪切初始混合区段，能够以高速率达到完全胶凝。在此高剪切区段之后,使用一系列较低剪切混合区段提供混合,进一步加热,以及用来“煮制”淀粉的停留时间。如上所述，这些结构还设计用来形成蒸汽密封。
完成接近完全胶凝的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)在进料进口注水，使得淀粉增塑和控制产物的粘度,(ii)使用强的初始捏合区以避免包含“鬼物质”的残留的未胶凝的淀粉,以及(iii)使用逐步密封消除蒸汽回排。
D.反应
将交联反应剂(例如乙二醛)注入挤出机22中，注入中等到低剪切的混合区中，所述中等到低剪切的混合区设计用来使得低粘度液体良好分布混合入极高粘度的淀粉糊料中。这样做避免交联反应剂汇集成独立的相，使其尽可能快地分布在淀粉糊料中，以进行稳定的反应。尽管这在挤出机中是极端情况，但是这种情况有些类似于将水加入发酵面团中，或者将牛奶加入极稠的煎饼面糊中。在初始混合之后,使用一系列输送和混合区段提供足够的时间和混合，使得反应完全进行。
已经发现美国专利第6,677,386号的方法的交联反应剂应当在所述用来使得淀粉胶凝的极高剪切区之后加入。
完成均一反应的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)在混合元件上注入乙二醛，以消除“汇集现象”,(ii)在注入乙二醛之后使用具有温和的混合的多级的混合区,即采用分流和合并，而不采用剪切，采用良好的保留时间。
E.反应后调节
发现因为挤出工艺中使用较高温度(最高达210℃)的熔体相以控制最终产物在分散于水中时的粘度,从挤出机模头23吹出的蒸汽会是影响工艺的可操作性以及产品质量一致性的一个重大的问题。如果未采用合适的工艺,挤出机中的压力和温度会累积，直至克服模头的约束，然后通过料涌或吹出而使得挤出机的端部完全排空。这种突然发生的动作使得挤出机的端部冷却;结果会影响产物分散体的粘度。最终结果就是瞬时排出的粘度的循环，最终产物成为各种产物的混合物。
通过以下方式克服了这个问题：在反应区的端部添加非常强的密封，实现受控的蒸汽压力节流，再加上反应后调节区，在该区内，可以将额外的水加入产物中，以控制挤出物的性质以及所述产物的整体性质，同时不会对分散体粘度造成不受控制的影响。所述强的密封能够消除反应区中的冷却。使用交联剂(例如乙二醛)，将反应后水注入挤出机22中，注入中等到低剪切的混合区中，所述中等到低剪切的混合区设计用来使得低粘度液体良好分布混合入极高粘度的糊料中。
所述反应后区还用来产生将产物泵送通过模头23所需的压力。
在反应后区中的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)使用强的密封控制闪蒸和消除反应区中的冷却,(ii)通过在混合元件上进行水注入来消除汇集现象,(iii)采用注水来控制输送机处理和控制产品的整体性质,以及(iv)施加足够的压力来克服挤出机模头的约束，以确保连续泵送到挤出机模头。
F.模头约束
模头23必须设计成产生足够的背压，以控制反应后区中的闪蒸/冷却并将料涌减至最小。还用来控制挤出物因为水闪蒸为蒸汽而发泡。
发泡的控制对于产品来说是非常重要的。如果发泡过多、产品堆积密度较低，会导致运输费用过高。如果发泡不足,则难以迅速冷却和干燥所述产品,会形成难以分散在水中用于最终用途的坚硬的颗粒。
因此，挤出机模头的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)利用背压控制反应后区中的闪蒸/冷却，并将料涌减至最小,(ii)通过使得挤出物面条(noodle)发泡产生良好的表面积，通过水蒸汽闪蒸有效地冷却和干燥,由于发泡而使得在水中的“分配性能”提高。
工艺控制
淀粉是生物基原料，在各批次之间可能发生变化。需要工艺控制来控制分散体中的生物高分子纳米颗粒产物的粘度，以获得一致的产品。对于各种应用，还希望制备不同粘度的产品。已经发现，可以通过加入挤出机中的水的量来达到这些目的。在本发明的工艺中,在两个位置注入水:(1)上游,胶凝之前;以及(2)下游,交联反应完成之后。
A.上游水和粘度机理
第一次注水用作初级粘度控制剂。影响分散体粘度的主要机理是制备生物高分子纳米颗粒过程中淀粉的降解。这可能是由于机械力/剪切力和/或由于淀粉的热降解。许多研究的证据表明，热效应更为明显。在不进行反应后调节的按比例放大评价中,发现挤出物的温度与分散体粘度之间具有极佳的相关性。随后在ZSK‑25毫米实验室规模双螺杆挤出机上进行的评价中，可通过表面积和传热允许具有极高的比机械能(SME)，因此施加到产品中的剪切不依赖于糊料的温度，控制因素是温度，而不是剪切。换句话说,较高的机筒温度会造成较低的SME，工艺中的较高温度会导致较低的分散体粘度。
B.下游水
第二(下游)水主要用来通过冷却、增大水分含量、以及减少挤出物的发泡而控制模头23中和后挤出机处理/包装系统70中产物的处理特性。下游水对粘度具有轻微的影响;但是远小于上游水的影响，可以通过对上游水量的微小调节进行补偿。
因此，用来改进分散体粘度的一些有益的工艺细节包括，但不限于:(i)增加上游水来降低分散体中产物的粘度(反之亦然)，因为在挤出机中，水是增塑剂，用来控制螺杆输入功的量,在挤出机之后,水发生蒸发，因此其增塑效果仅存在于挤出机之内,(ii)增加下游水，使得挤出机模头处的吹出和料涌现象较少,得到弹性更高/脆性较低的面条,得到较高的产物水分含量(反之亦然),(iii)认识到下游水对粘度的影响远小于上游水，因此当改变下游水的时候,应当对上游水进行小得多的相反的变化，以保持粘度,(iv)增大螺杆转速以减小产物在分散体中的粘度(反之亦然)，以及(v)提高机筒温度以降低分散体中的产物粘度(反之亦然)。
实施例
以下实施例用来举例说明本发明，而不是用来以任何方式对本发明构成限制。
具体进料和操作条件列于表A和表B中。
实施例1和2
实施例1和2显示了从ZSK‑58挤出机放大到ZSK‑92双螺杆挤出机的初级放大。见图3中的58‑1号螺杆和92‑1号螺杆。在92毫米的挤出机上使用一个额外的固体输送的机筒，因为无法获得八个机筒的结构。因为认为图3的58‑1号螺杆过强(意味着该螺杆设计对产物施加了过多的能量),从图3的92‑1号螺杆的胶凝区除去三个左向旋转捏合段，从反应区除去一个。同时,与乙二醛(交联剂)溶液一起添加额外的注入水，以便评价其浓度的影响。拿到的乙二醛溶液是有效成分为40％的水溶液。这相当于，如果不添加另外的水，其中包含两份乙二醛，以及基础的(或最少)三份水。(见表A。)
在启动的时候，在不使用模头的情况下进行初步的胶凝试验，条件为726千克/小时，300转/分钟，比速率为2.42千克/小时/(转/分钟)，未发生进料涌出。相比之下，ZSK‑58挤出机在92毫米条件下得到相当于1.26千克/小时/(转/分钟)的比速率。能够以较高的螺纹填充率操作的原因在于，在实施例2中通过在条带式混合器中，将淀粉与甘油离线混合，从而对淀粉进行预先调节，提高了淀粉的进料特性。基于随后用该螺杆所得的结果,这种高比速率是无法持续的，因为在下部凹陷中会发生填充物的累积,从而减小两个直径下部凹陷元件(SK)的体积和输送效率。为了将ZSK‑58挤出机与ZSK‑92挤出机相比较，使用3.99:1的体积比例放大因子。因此，实施例1中ZSK‑58挤出机上0.316的比速率相当于ZSK‑92挤出机上1.26的比速率。
图3的92‑1号螺杆在以下条件下操作：螺纹填充率因子为1.34‑1.40千克/小时/(转/分钟)，螺杆转速略低于图3的58‑1号螺杆。ZSK‑58挤出机上没有发生蒸汽回排;但是，当使用图3的92‑1号螺杆的时候，仅仅连续操作约15分钟之后就要关闭生产线。
实施例3
实施例3与实施例2类似，但是与乙二醛(交联剂)一起在下游加入的水的量减少，以确定对产物粘度的影响。额外的水的量从3.0份减少到2.1份。实施例3的螺杆转速比实施例2的高5％。这对最终产物的粘度没有显著影响(使用Brookfield粘度计，在25℃、100转/分钟的条件下，对标准的25%固体的水分散体进行测量)。更值得注意的是,即使由于水和挤出机转速的不同，实施例3中的SME高大约10％，粘度为略高。在之前的工作中，较高的剪切速率会导致较低的分散体粘度。本实施例与之前的工作是相反的，证明存在其它影响粘度的控制因素。对于实施例2,在短时间之后，蒸汽回排使得生产线关闭。
实施例4
使用图3的92‑2号螺杆进行实施例4。该螺杆与图3中的92‑1号螺杆的区别在于，用1.5D的常规元件代替进料区中的2D螺距SK(下部凹陷元件)；在机筒6的端部附近用左捏合段代替中性捏合段;用较低剪切分布混合代替机筒7中的左向旋转约束;对分布混合进行改进，以加入乙二醛(交联剂);调节反应区内的混合。
试图通过机筒6中的变化帮助防止蒸汽发生回排。之所以代替SK是因为下部凹陷处被硬的淀粉填充，有效地使得它们成为常规的2D输送元件。乙二醛混合和反应混合的改进是因为，发现有槽的混合元件中未被擦拭的狭槽被淀粉填满，使之变得无效。它们被窄圆盘向前捏合段代替。
在使用实施例4的螺杆进行的初始操作中,确定涌出进料限直为1.35千克/小时/(转/分钟)。与使用相同的配方、较高的螺杆转速、相等的比速率进行操作的实施例2相比，由于额外的混合，得到的SME更高，分散体粘度较低。
实施例5
使用图3的92‑2号螺杆，在高于实施例4的螺杆转速下进行实施例5，以离开迫近的进料涌出状态。结果是SME增大，标准的25％固体分散体粘度减小。生产线在这些条件下操作40分钟，然后由于蒸汽回排而关闭。
实施例6
使用图3的92‑3号螺杆进行实施例6。该螺杆用左向旋转输送元件代替图3中92‑2号螺杆中的前两个左向旋转捏合段。由此试图实现更有效的蒸汽密封。该密封过强，迫使蒸汽从第一捏合段向后，导致进料区段堵塞。该生产线无法操作足够久的时间以迅速移动和得到代表性的样品。
以下的所有实施例(实施例7‑10)都使用图3的92‑6号螺杆进行。
实施例7和8
实施例7和8是工艺控制实施例。螺杆92‑6在在胶凝区具有平衡和有效的蒸汽密封，添加了反应后密封，随后是调节区，以便不依赖于反应在模头处控制产物性质。另外，为了无需进行离线预混合，其刚好在螺杆上方，进料口的中心使用单螺纹进料元件和添加甘油。
这种结构中的所有工作都始终如一地在大约2千克/小时/(转/分钟)的比速率下进行;这显示了对以前的螺杆设计的主要改进。与实施例5相比,特定螺杆转速下的速率实际上加倍。这是因为甘油注入点和单螺纹元件的组合效果。
实施例7和8之间的区别在于胶凝之前和反应后区内注入的水的量。这样做是为了产生两种不同分散体粘度产物，实施例7的粘度为125毫帕.秒，实施例8的粘度为200毫帕.秒。通过将上游水量从0.8份增加到11.4份，得到了较高的粘度。在实施例8中较高上游水加入量的情况下，无需使用反应后的水来控制排料。
92‑6号螺杆的成功是基于设计变化，除此之外,添加单螺纹元件便于在进料区中加入甘油。
实施例9
通过将实施例9与实施例8相比较，证明了在较高速率以及成比例的较高螺杆速度下进行操作的效果。除了螺杆速度以外没有其它变化的情况下，所述生产速率几乎加倍达到1.1公吨/小时。产物分散体粘度略低，这可以通过水加入量的略微减少而得到补偿。根据该数据进行外推，对于1.5公吨/小时的生产速率，转速需要为733转/分钟。用于该工作中的Mega配混机可以在该转速下操作。
实施例10
实施例10说明了通过刚好在螺杆上方，向机筒进料口的中心添加甘油(增塑剂)，使淀粉进料的进入得到改善。挤出机在与实施例7相同的条件下操作，然后关闭甘油进料。几乎立刻发生进料涌出，无法得到代表性的样品。实施例7和10之间的速率差别是由于甘油。
对于使用几何结构类似于图3的92‑6号螺杆的螺杆的ZSK‑58挤出机上进行的一些独立的工作，这种现象重复出现。当停止向进料口加入甘油的时候，几乎立刻出现涌出现象。但是，当将水代替甘油加入进料口的时候，生产速率可保持。
实施例1‑10的数据见下表A和B。对于表B中显示的机筒温度曲线,在实施例1中对58号螺杆使用较高的温度，以便对绝热系统进行更多的操作，以获得更佳的可测量性。在使用螺杆92‑3的实施例6中,对机筒5使用较低的设定点，以试图影响蒸汽密封。实施例7‑10中使用螺杆92‑6,反应后调节区中的最后两个机筒较冷，以有助于加工。


因此，可以看出本发明提供了一种用来制备生物高分子纳米颗粒的改进的方法。
尽管已经关于某些实施方式相当详细地描述了本发明,但是本领域技术人员能够理解，可以通过不同于所述实施方式的方式实施本发明，本文所述的实施方式是为了举例说明，而没有限制的作用。例如，可以用不同的元件结构，不同牌子和型号的双螺杆挤出机实现与本文所述相同的单元操作。因此，所附权利要求书的范围不应限于本文包含的实施方式所述的内容。