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高均科技股份有限公司
 
无泡沫产生的高压破菌方法
近来生命科学领域的研究中,为了有效率以及再现性更佳的连续破菌(Cell disruption),或是为了针对细胞壁较厚不易破菌的样品,逐渐的汰换法式压滤器(French Press)或超音波破菌机(Sonicator),转而使用高压破菌机(High-pressure homogenizer)来快速地处理菌液。然而传统的高压破菌机由于采用敲击式的破菌方法,菌液在破菌腔体内,承受可动组件敲击产生的高压而通过,腔体内部气液同时存在,破菌后的成分含亲疏水端的特性,自然的将气体包覆,产生泡沫,部分破菌机厂家的标准程序,建议用户在菌液中添加消泡剂,影响破菌液的分析,并非是一个良善的解决方式。另有文献建议这些含大量泡沫的破菌液,可以用其他物理方法除泡,但不免多出一些工序以及耗费能量与时间。
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5,000 psi下E coli 大肠杆菌的连续破菌,处理后不产生泡沫
a)左图为尚未破菌处理的菌液 b)右图为不同处理次数的破菌液
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E Coli 大肠杆菌在10,000 psi下的连续破菌
破菌率 v.s. 破菌次数
 

较为可行的方法乃使用NanoLyzer高压破菌机,菌液不需为了除泡而添加消泡剂影响后续的定性定量分析,菌液被帮浦加压进入固定几何微流道的反应腔而产生高压,反应腔内无任何可动组件,菌液受压后以极快的速度通过微流道产生剪切力,并立即释放到常压,因极大的压降(5,000~30,000 psi)产生的气穴作用(Cavitation)而爆破,这样的方法,不起泡且破菌率(cell rupture rate)高,菌液处理时间短不易失活(denaturing),对特定的热敏感有效成分,如蛋白质的回收率因而较高。

简而言之,NanoLyzer 高压破菌机具备几项特点:

•蛋白质回收率高 - 简便的压力调节以控制剪切力,确保用最低能量破菌,并维持蛋白质活性。
•使用方便 - 设计简便,容易清洁,菌体碎片可以过滤或离心时分离。
•有效的控温 - 可以简单的于出口端,连接热交换器或浸入式水浴槽来控温,选配设计也可以直接于反应腔外壳控温。
•适用范围广 - 不同菌种样品,皆可透过参数调节而适用。
•连续生产及规模放大 - 机型涵盖实验室及量产,规模放大已验证其可行性。

 
Scale-Up 生产规模放大

在先端材料的微粒化研究开发中,可以采用的奈米分散工具很多元,也各自有不同的优缺点,常见的选型方法常以购置成本或参考研究文献为考虑,但是往往造成将来移转制程到产业界或研发单位移转到制造部门的困扰。在相同工具或方法下,实验数据无法复制到大型量产机具,或甚至没有相同原理的大型生产工具可用,以实验室常见的混合分散工具,如高剪切力均质机(Rotor-stator)、超音波震荡器(Sonicator)为例,大量生产工具付之厥如,将来规划大量生产时,常耗费更大心力重新测试评估适当的混合分散工具。若能有一适当方式,其原理及技术能一体适用,机型能涵盖由实验室的小量生产规模(最小批量10ml)到大量生产规模(1000 liter/hr),研究数据能轻易规模放大,则无异是一大福音。

NanoLyzer 特殊的高压微射流技术,不论是实验机型或量产机型,都是以高压迫使物料高速且连续地通过固定几何大小的微细喷嘴,其内径仅约100um,所有物料皆须通过此一微流道,其能量密度均一且集中,物料处理后粒径分布较窄,破菌结果均一,相较其他技术规模放大时需使用不同大小的研磨分散容器,容器放大时能量分布不易控制均一,自然能更容易的达到规模放大的目的。研究及生产经常需要考虑的重要参数"再现性",也因同样的原因更容易的获得控制。

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采用NanoLyzer 取代Sonicator,成功的大规模生产奈米碳管分散液
 
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采用NanoLyzer将绿藻破壁,大规模萃取藻油以生产生质新能源
 
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疫苗佐剂在研究阶段就采用NanoLyzer,实验数据可轻易用到大量生产,再现性及粒径控制效果俱佳。
 
无研磨球微粒化技术
习用的研磨分散技术其原理,不外乎是利用研磨介质间的剪切力(shear force)来研磨分散样品,为求分散效率的提高,研磨球采用愈来愈小外径的钇化安定的氧化锆,市场上已经有0.03mm的锆珠问世,这意味着为求研磨效率,不得不需要使用耗损率更高,平均单价更高的研磨介质来达成。研磨介质的存在,对于高洁净度研磨样品也是一大挑战,研磨介质的互相研磨撞击,以及研磨介质磨损研磨腔体内衬所造成的污染,是除了研磨机操作成本外,另一个令人头痛的议题。
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湿式研磨法的不纯物影响显示器的特性
上图左侧样品是湿式研磨制程所得,右图为NanoLyzer高压均质的结果
 

有趣的是两种制程的样品,在动态光散色仪(DLS)量测出的粒径分布与平均粒径几乎相同,但是通电点亮后,在光学显微镜下观察每一个显示画素,很明显可以看出湿式研磨法中,研磨介质产生的不纯物影响了显示器的诸多特性。这些影响虽然在其他用途如涂料或墨水产业,对成品特性影响不大,但对产品有高洁净的要求如光电产业以及制药产业不得不谨慎。

NanoLyzer使用的高压喷射流对撞技术,完全不使用研磨球,单纯的藉由高压使物料自身产生高速,透过反应腔设计使物料喷射流本身互相对撞,其中的撞击力(Impact)、剪切力(Shear force)、以及压降气穴(Cavitation)作用,使得物料有效率的均质分散,这样的方法革命性的解决洁净生产这难题,部分文献将此一技术称之为"无研磨球微粒化技术"。