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高均科技股份有限公司

無泡沫產生的高壓破菌方法
近來生命科學領域的研究中,為了有效率以及再現性更佳的連續破菌(Cell disruption),或是為了針對細胞壁較厚不易破菌的樣品,逐漸的汰換法式壓濾器(French Press)或超音波破菌機(Sonicator),轉而使用高壓破菌機(High-pressure homogenizer)來快速地處理菌液。然而傳統的高壓破菌機由於採用敲擊式的破菌方法,菌液在破菌腔體內,承受可動元件敲擊產生的高壓而通過,腔體內部氣液同時存在,破菌後的成分含親疏水端的特性,自然的將氣體包覆,產生泡沫,部分破菌機廠家的標準程式,建議使用者在菌液中添加消泡劑,影響破菌液的分析,並非是一個良善的解決方式。另有文獻建議這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費能量與時間。
5,000 psi下E coli 大腸桿菌的連續破菌,處理後不產生泡沫 
a)左圖為尚未破菌處理的菌液 b)右圖為不同處理次數的破菌液
 
較為可行的方法乃使用NanoLyzer高壓破菌機,菌液不需為了除泡而添加消泡劑影響後續的定性定量分析,菌液被幫浦加壓進入固定幾何微流道的反應腔而產生高壓,反應腔內無任何可動元件,菌液受壓後以極快的速度通過微流道產生剪切力,並立即釋放到常壓,因極大的壓降(5,000~30,000 psi)產生的氣穴作用(Cavitation)而爆破,這樣的方法,不起泡且破菌率(cell rupture rate)高,菌液處理時間短不易失活(denaturing),對特定的熱敏感有效成分,如蛋白質的回收率因而較高。
E Coli 大腸桿菌在10,000 psi下的連續破菌
破菌率 v.s. 破菌次數
 
針對不同樣品,如大腸桿菌(E Coli)、酵母(Yeast)、藻類(algae)、細菌(Bactaria)、真菌(fungi)的破菌,需要不同的剪切力,其他的技術方案如超音波破碎並不容易視需要調節參數,NanoLyzer高壓破菌機可輕易的調節破菌壓力,獲得不同剪切力,適當有效的破菌,並增加蛋白質的收成率。

簡而言之,NanoLyzer 高壓破菌機具備幾項特點:
  • 蛋白質回收率高 - 簡便的壓力調節以控制剪切力,確保用最低能量破菌,並維持蛋白質活性。
  • 使用方便 - 設計簡便,容易清潔,菌體碎片可以過濾或離心方時分離。
  • 有效的控溫 - 可以簡單的於出口端,連接熱交換器或浸入式水浴槽來控溫,選配設計也可以直接於反應腔外殼控溫。
  • 適用範圍廣 - 不同菌種樣品,皆可透過參數調節而適用。
  • 連續生產及規模放大 - 機型涵蓋實驗室及量產,規模放大已驗證其可行性。
Scale-Up 生產規模放大

在先端材料的微粒化研究開發中,可以採用的奈米分散工具很多元,也各自有不同的優缺點,常見的選型方法常以購置成本或參考研究文獻為考慮,但是往往造成將來移轉制程到產業界或研發單位移轉到製造部門的困擾。在相同工具或方法下,實驗資料無法複製到大型量產機具,或甚至沒有相同原理的大型生產工具可用,以實驗室常見的混合分散工具,如高剪切力均質機(Rotor-stator)、超音波震盪器(Sonicator)為例,大量生產工具付之厥如,將來規劃大量生產時,常耗費更大心力重新測試評估適當的混合分散工具。若能有一適當方式,其原理及技術能一體適用,機型能涵蓋由實驗室的小量生產規模(最小批量10ml)到大量生產規模(1000 liter/hr),研究資料能輕易規模放大,則無異是一大福音。

NanoLyzer 特殊的高壓微射流技術,不論是實驗機型或量產機型,都是以高壓迫使物料高速且連續地通過固定幾何大小的微細噴嘴,其內徑僅約100um,所有物料皆須通過此一微流道,其能量密度均一且集中,物料處理後粒徑分佈較窄,破菌結果均一,相較其他技術規模放大時需使用不同大小的研磨分散容器,容器放大時能量分佈不易控制均一,自然能更容易的達到規模放大的目的。研究及生產經常需要考慮的重要參數"再現性",也因同樣的原因更容易的獲得控制。

採用NanoLyzer 取代Sonicator,成功的大規模生產奈米碳管分散液
 
採用NanoLyzer將綠藻破壁,大規模萃取藻油以生產生質新能源
 
疫苗佐劑在研究階段就採用NanoLyzer,實驗資料可輕易用到大量生產,再現性及粒徑控制效果俱佳。
無研磨球微粒化技術
慣用的研磨分散技術其原理,不外乎是利用研磨介質間的剪切力(shear force)來研磨分散樣品,為求分散效率的提高,研磨球採用愈來愈小外徑的釔化安定的氧化鋯,市場上已經有0.03mm的鋯珠問世,這意味著為求研磨效率,不得不需要使用耗損率更高,平均單價更高的研磨介質來達成。研磨介質的存在,對於高潔淨度研磨樣品也是一大挑戰,研磨介質的互相研磨撞擊,以及研磨介質磨損研磨腔體內襯所造成的污染,是除了研磨機操作成本外,另一個令人頭痛的議題。
濕式研磨法的不純物影響顯示器的特性
上圖左側樣品是濕式研磨制程所得,右圖為NanoLyzer高壓均質的結果

有趣的是兩種制程的樣品,在動態光散色儀(DLS)量測出的粒徑分佈與平均粒徑幾乎相同,但是通電點亮後,在光學顯微鏡下觀察每一個顯示畫素,很明顯可以看出濕式研磨法中,研磨介質產生的不純物影響了顯示器的諸多特性。這些影響雖然在其他用途如塗料或墨水產業,對成品特性影響不大,但對產品有高潔淨的要求如光電產業以及製藥產業不得不謹慎。

NanoLyzer使用的高壓噴射流對撞技術,完全不使用研磨球,單純的藉由高壓使物料自身產生高速,透過反應腔設計使物料噴射流本身互相對撞,其中的撞擊力(Impact)、剪切力(Shear force)、以及壓降氣穴(Cavitation)作用,使得物料有效率的均質分散,這樣的方法革命性的解決潔淨生產這難題,部分文獻將此一技術稱之為"無研磨球微粒化技術"。