Novel microchannel sistem monodispersed mikrosfer

Mitsutoshi Nakajima∗

National Food Research Institute

Abstrak

Microchannel (MC) disusun dengan berbagai bentuk dan ukuran yang mikro-fabrikasi menggunakan substrat silikon kristal tunggal. MC jenis beralur dan tipe modul telah digunakan untuk memproduksi mikrosfer (MS) . Pembentukan MS sangat tergantung pada jenis ionik surfaktan yang digunakan. Hal ini sangat penting untuk menjaga permukaan hidrofilik MC selama pembentukan minyak-air di-(O / W) MS. MC hidrofobik yang dimodifikasi oleh silanization dapat berlaku untuk air-dalam-minyak (W / O) MS. Kedua monodispersed O / W dan W / O MS telah berhasil diperoleh. MS ukuran secara nyata dipengaruhi oleh ukuran MC, struktur dengan / tanpa teras dan dinding partisi di teras. Analisis oleh kamera berkecepatan tinggi mengungkapkan bahwa struktur teras sangat penting untuk ketidakstabilan di outlet, dan pembentukan tetesan spontan disebabkan oleh ketegangan antar muka, yang seharusnya secara signifikan berbeda dari membran emulsifikasi. Selain itu, microfabrication MC ukuran kecil untuk produksi ukuran kecil MS, MS stabilitas, manufaktur lintas-aliran jenis MC dan modul untuk produksi MS terus menerus, produksi MS lipid padat dengan lemak hewan dan minyak terhidrogenasi ikan, fabrikasi stainless steel MC dan aplikasi untuk produksi MS, dan mikro-fabrikasi novel melalui tipe MC untuk efisien MS produksi telah dilakukan dan ditandai. Teknologi MC emulsifikasi akan memiliki besar potensi untuk menawarkan ladang baru untuk industri makanan, farmasi dan kimia.

Pendahuluan

Ada banyak penelitian pada MS (emulsi dan mikropartikel) untuk industri

makanan, farmasi dan kimia. Dr Nakashima dan rekan-rekannya di Prefektur

Miyazaki Industrial Technology Center telah mengembangkan membran

emulsifikasi teknologi untuk monodispersed MS dan pemanfaatan sistem

pengiriman obat sejak 1988,1) Beberapa studi pada membran emulsifikasi juga

telah dilakukan oleh Schubert, Suzuki, Williams, Tragardh, Omi dan Yamano di

dekade terakhir. 2-7) Di sisi lain, Kikuchi dari NFRI dikembangkan mikro-

fabrikasi berbagai _ untuk aplikasi hemorheology. 8) Menggunakan _ ini, kami

MS penelitian kelompok NFRI telah terlebih dahulu menerapkan _ untuk

emulsifikasi, dan berhasil untuk mendapatkan monodispersed MS dengan

diameter rata-rata sekitar 20 pM dan koefisien variasi dari 2-5% 0,9-12)

Untuk mempromosikan R & D _ emulsifikasi untuk pengembangkan

industri, Bio-berorientasi Penelitian Teknologi Kemajuan Lembaga kemajuan

penelitian Bio-Teknologi (LKPB) telah mendukung kami R & D sejak 1997.

Tulisan ini akan merangkum beberapa kemajuan nasional proyek.

Metode dan Bahan

Dengan menggunakan fotolitografi dan anisotropik -_ proses pengetsaan/

penggoresan basah, paralel yang disusun  dari microgrooves dibentuk dalam

singlecrystal silikon substrat, dan _ diciptakan  dengan erat meliputi piring kaca

optik datar (Gambar 1) .8) Standar piring MC  itu beralur-jenis, dan diameter 5 μm

setara dengan teras. Tipe lain MC yaitu  tanpa teras, dengan partisi dinding, dan

juga dirancang dan diproduksi dalam ukuran yang berbeda. Tipe baru MC  adalah

mikro-fabrikasi yang menggunakan ion dalam (RIE) pada tahun 2000. Masing-

masing modul diproduksi untuk masing-masing (Hitachi Haramachi Electronics

Ltd). Dengan menggunakan modul, baik minyak atau air ditekan ke dalam air

terus menerus satu sama lain atau fase minyak , kemudian tercipta tetesan

(Gambar 2) .9) Minyak sayuran sering digunakan sebagai fasa minyak. Surfaktan

sebelumnya ditambahkan ke fase terdispersi lainnya atau secara terus-menerus.

Pembentukan karakter MS dilakukan melalui pengamatan mikroskopis secara

langsung dan dengan perbesaran sekitar 1.000 kali perbesaran. Untuk

menganalisis mekanisme emulsifikasi, mikroskopis kecepatan tinggi kamera

dengan 600 api per detik juga telah digunakan. Selain silikon _, piring stainless

steel dengan diameter setara dengan 10-80 μm juga diproduksi dan digunakan

untuk emulsifikasi.

Gambar 1. Piring Michrochannel Silikon

Gambar 2. Skema aliran  mekanis melalui _ silikon dalam modul

Hasil dan Pembahasan

Dengan meningkatnya tekanan yang diaplikasikan, dalam fase minyak

yang diterobos ke teras, garis batas antara air dan fase minyak secara bertahap

pindah dan terhubung ke dalam MC , dan fase minyak menerobos dan mulai

terbentuk MC (Gbr. 4). Arus Keluar dari fase minyak  terdispersi lainnya muncul

pada tekanan yang sangat tinggi. Rata-rata ukuran dihasilkan O / W- mencapai

17,3 m dengan menggunakan MC dengan saluran  yang memiliki  diameter setara

dengan 5,3 pM dan minyak bunga matahari mengandung sorbitan monolaurat

sebagai surfaktan. Koefisien variasi adalah sekitar 2%, yang menunjukkan super

monodispersibility MS. MS yang dihasilkan relatif stabil selama lebih dari 2

bulan. Pengaturan MC secara horizontal  dari 8,5 pM sama seperti 5,3 μm MS

monodispersed sulit untuk diproduksi karena koalesensi dan perluasan di dekat

saluran. Perubahan dari horisontal ke jenis vertikal, supermonodispersed dari 31,6

μm dan diameter sekitar 1% di koefisien variasi dapat diproduksi terus menerus

oleh sarana daya apung. 13) Contoh foto Ciri khas hasil MS  ditunjukkan pada

Gambar. 5.

Plat MC yang berbeda juga telah diproduksi, dengan standar dengan teras,

tanpa teras, dengan dinding partisi antara saluran untuk kedua sisi teras (Gambar

3), dengan dinding partisi hanya satu sisi teras saja dan dengan outlet yang lebih

luas dan tanpa dinding partisi. Ketika _ tanpa teras digunakan, tetesan tumbuh

besar dekat outlet saluran dan pada tekanan rendah, dan agak monodispersed

terbentuk pada tekanan tinggi, yaitu stabil O / W. Pembentukan karakter MS sulit

dengan tanpa teras. Dengan dinding partisi memberikan yang terbaik

monodispersed produktivitas dengan lebih dari 95% dari saluran yang efektif, di

mana Tween-80 telah digunakan.

Gambar 3. Foto dengan mikroskop-elektron dari MC

Gambar 4. Foto dari mikroskop emulsifikasi MC dalam sistem (A) Fase

terdispersi lainnya ditutup untuk MC, (B) kontak penuh dengan MC, (C)

Terobosan saluran dan pembentukan tetesan, dan (D) Droplet formasi dari

sebagian besar MC

Gambar 5. Produksi O/W-MS dalam sistem MC

Jenis Surfaktan mempengaruhi Pembentukan karakter MS . kationik

surfaktan sulit untuk menghasilkan monodispersed , namun kedua surfaktan non-

ionik dan anionik tetap digunakan untuk memproduksi monodispersed . Untuk

menjaga kondisi hidrofilik atau hidrofobik permukaan dari sistem MC  selama

proses emulsifikasi MC  sangat penting untuk ditemukan .14, 17)

Dengan menggunakan -titik lebur tinggi dari minyak nabati seperti

tripalmitin dan minyak ikan terhidrogenasi, monodispersed padat yang telah

disiapkan, di mana minyak padat yang telah melebur/ meleleh pada suhu tinggi

dari 70◦C, kemudian tercipta _ proses emulsifikasi MC  . penyiapan emulsi.

dikumpulkan dari modul, didinginkan di suhu kamar, beku-kering, kemudian

tercipta lipid padat MS yang diperoleh dengan  penyebaran tunggal yang tinggi.15)

Piring-Konvensional MC piring adalah jenis yang buntu yaitu jenis tanpa

pemulihan saluran. Jenis cross-flow jenis mencapai pengembangan yang baru

untuk mencipttakan pemulihan yang efektif selama memproduksi  MS.16 )

Dari kecepatan- pengamatan kamera, fase minyak terdispersi lainnya

dilakukan dengan melewati MC, dan meningkat di teras serta mengalami bentuk

disklike dalam 0,1 s. Pada saat fase minyak  terdispersi lainnya mencapai akhir

hanya satu sisi teras saja, fase terdispersi lainnya mengalir ke dinding bagian dan

terputus dalam waktu 0,01 s. Pembentukan tetesan mekanis yang diusulkan

terdistorsi fasa terdispersi yang terpotong secara spontan ke dalam tetesan bola

dengan antarmuka ketegangan, yaitu, karena ketidakstabilan karena struktur MC.

Mekanisme emulsifikasi MC tampaknya berbeda secara signifikan dari yang

membran, di mana adanya aliran turbulensi sangat berpengaruh dalam kondisi

tersebut.

Dengan menggunakan konvensional atas silikon yang berlekuk MC, O /

W-MS dengan diameter 20-50 μm dan koefisien yang variasinya kurang dari 5%

berhasil yang diperoleh. Untuk menghasilkan MS berukuran kecil, dengan

diameter 1-3 setara dengan diameter yang digunakan. Produksi O / W-MS

memiliki diameter 5 μm dan koefisien variasi kurang dari 10%, yang kurang

monodispersed dibandingkan dengan ukuran konvensional MC. hal ini  mungkin

karena akurasi MC fabrikasi.

Untuk mengatasi titik-titik lemah dari silikon yang berlekuk, seperti

mekanika kekuatan dan daya tahan kimia, fabrikasi stainless MC dari baja telah

dicoba. Meskipun akurat dalam skala mikron seperti silikon tidak tersedia karena

proses mekanik, piring stainless steel MC _ dengan diameter 10-80 μm setara

dengan diameter yang  digunakan untuk memproduksi O / W-MS dengan

ukurannya yang berdiameter 20-210 μm _ . Tekanan secara signifikan

mempengaruhi pembentukan dan tiga zona ukuran-yang stabil, ukuran

berkembang dan arus keluar yang telah diamati.

Sampai saat ini-silikon tipe MC dengan bagian lonjong baru

dikembangkan sebagai perangkat baru untuk produksi MS dengan produksi  yang

lebih tinggi dibandingkan dengan konvensional MC.18)

Di atas O / W-MS dapat diperoleh dengan menggunakan silikon yang

berlekuk MC tanpa perawatan lebih lanjut, di mana permukaan MC yang

hidrofilik. W / O-MS diperoleh dengan menggunakan hidrofobik MC yang

termodifikasi oleh silanization.

Karya ini didukung oleh Program Promosi Kegiatan Penelitian Dasar

untuk Inovatif Biosciences. Berkat rekan berikut; Dr Y. Kikuchi, Dr H. Nabetani,

Dr J. Tong, Dr X. Liu, Dr K. Chun, dan Dr S. Iwamoto (NFRI), Prof Y. Sano

(NFRI, Setsunan Univ.), Dr T. Kawakatsu (Universitas Tokyo), Dr S. Ichikawa

(University of Tsukuba), Q. Xu, I. Kobayashi, Y. Maruta, dan K. Yamamoto

(NFRI, Universitas Tsukuba), S. Sugiura dan T. Maruyama (NFRI, University of

Tokyo), Prof M. Seki dan Prof H. Fujita (Universitas Tokyo).

Daftar Pustaka

1) T. Nakashima, M. Shimizu, and M. Kukizaki: Key Eng. Mater. 61/62, 513

(1991).

2) V. Schroeder, O. Behrend, and H. Schubert: J. Colloid Interface Sci. 202, 334

(1998).

3) K. Suzuki, I. Fujiki, and Y. Hagura: Food Sci. Technol. Int. Tokyo 4, 164

(1998).

4) R. A. Williams, S. Peng, D. A. Wheeler, N. C. Morley, D. Taylor, M. Whalley,

and D. W. Houldsworth: Chem. Eng. Res. Des. 76, 902 (1998).

5) S. Joscelyne and G. Tragardh: J. Food Eng. 39, 59 (1999).

6) K. Kim, S. Gohtani, and Y. Yamano: J. Dispersion Sci. Technol. 18, 199

(1996).

7) S. Omi, M. Nagai, and G. H. Ma: 2nd World Cong. On Emulsion, Bordeaux,

France, Vol. 4 (1997), p. 99.

8) Y. Kikuchi, H. E. Kikuchi, Y. Kuboi, and M. Nakajima: Proc. SPIE 3912, 95

(2000).

9) K. Kawakatsu, Y. Kikuchi, and M. Nakajima: J. Am. Oil Chem. Soc. 74, 317

(1997).

10) M. Nakajima, T. Kawakatsu, H. Nabetani, Y. Kikuchi, and Y. Sano:

Hydrocolloids; Part 2 (Elsevier, Amsterdam, 2000), p. 87.

11) T. Kawakatsu, R. M. Boom, H. Nabetani, Y. Kikuchi, and M. Nakajima:

AIChE J. 45, 967 (1999).

12) Y. Matsumoto, T. Kawakatsu, M. Nakajima, and Y. Kikuchi: Water Res. 33,

929 (1999).

13) I. Kobayashi, M. Nakajima, J. Tong, T. Kawakatsu, H. Nabetani, Y. Kikuchi,

A. Shohno, and K. Satoh: Food Sci. Technol. Res. 5, 350 (1999).

14) J. Tong, M. Nakajima, H. Nabetani, and Y. Kikuchi: in Bioseparation

Engineering (Elservier, Amsterdam, 2000), p. 155.

15) S. Sugiura, M. Nakajima, J. Tong, H. Nabetani, and M. Seki: J. Colloid

Interface Sci. 227, 95 (2000).

16) T. Kawakatsu, H. Komori, M. Nakajima, Y. Kikuchi, and T. Yonemoto: J.

Chem. Eng. Jpn. 32, 241 (1999).

17) H. Aizawa, M. Tsutumi, T. Masaki, X. Liu, Y. Watanabe, H. Nabetani, M.

Nakajima, S. Ichikawa, H. Ihara, and Y. Sano: Nippon Shokuhin Kagaku

Kogaku Kaishi 47, 487 (2000).

18) I. Kobayashi, M. Nakajima, K. Chun, Y. Kikuchi, and H. Fujita: Fabrication

of Through-Type Microchannels for Monodispersed Microspheres (Proc. of

ISPUC-III) (2000), p. 674.

TUGAS TEKNIK BIOSISTEM

RESUME JURNAL

Novel microchannel system for monodispersed microspheres

Disusun Oleh :

NAMA : Isnaillaila Paramasari

NIM : 10/300772/ TP/ 09875

JURUSAN TEKNIK PERTANIAN

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012