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生物咖啡茶

生物工艺行业(四)生物离心

张韧

一、生物离心及其应用

离心机(Centrifuge)是利用物体高速旋转时产生的强大离心力,使置于旋转体中的悬浮颗粒发生沉降或漂浮,实现某些颗粒浓缩或与溶液分离的设备。生物离心分离技术主要用于各种生物样品的分离、纯化和提取,这时的悬浮颗粒是指制成悬浮状态的细胞、病毒和生物大分子等。沉降速度取决于颗粒的质量、大小和密度。


1.离心机的分类

离心机种类繁多,按照不同的分类方法可分为多种类型。

(1) 按转速分类低速离心机,最高转速不超过10000rpm;高速离心机,最高转速不超过30000rpm;超速离心机,最高速度达30000rpm以上。

(2) 按外观样式分类迷你离心机;台式离心机;立式离心机;三足式离心机。

(3) 按温度分类常温离心机;冷冻离心机。


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图4.1Eppendorf 5910 R大容量台式高速冷冻离心机,采用先进的DCC动态压缩机制冷技术与优化的工业设计,卓越温控管理,节能高效,保护样品,在实现高通量和高性能的同时,更兼具精致小巧的外观和人体工程学的操作。图片由Eppendorf公司提供。

(4) 按分离方式分类

沉降离心机;过滤离心机。

(5) 按操作方式分类间歇式(批次)离心;连续流离心。

(6) 按结构分类平板式离心机;三足式离心机;管式离心机;碟片式离心机;卧螺离心机。

(7) 按使用次数分类

传统离心机;一次性离心机。



2.生物离心的应用


(1) 离心机的诞生及其在生命科学中的应用生物分离技术对生物技术的发展起到非常重要的作用,生物离心技术是最早的生物分离方法。
离心机的诞生可溯源至十八世纪中叶的欧洲,瑞典在离心技术的发展和应用方面起到重要的作用,例如Laval在1879年发明连续式离心机、1883年发明碟片式离心机,Svedberg在1924年发明超高速离心机并因此及其在胶体化学方面的发明获得1926年诺贝尔化学奖。


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图4.2上个世纪60年代Eppendorf的第一代微量体积离心机。图片由Eppendorf公司提供。


离心机的发明极大地促进了生物技术的发展,借助生物离心分离和纯化技术,科学家们在生命科学领域完成的重大发明成果获得1959、1969和1974年诺贝尔生理学或医学奖。


用于生物离心的实验室离心机主要应用于生物制药生产过程中的固液分离,如血清分离、细胞分离、沉淀分离等;它也是分离、纯化细胞、病毒、蛋白、核酸和酶的最方便最有效的工具。生物离心是分子生物学、生物化学、生命科学和医学研究不可缺少的手段。


通常,利用低速和高速离心去除细胞等大颗粒物质和细胞碎片、亚细胞成分;利用超速离心分离生物大分子或病毒等。在超速或高速离心时,转子高速旋转会发热从而引起温度升高,所以必须采用制冷系统,使转头和样品温度保持在一定范围内。

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图4.3生物实验室离心应用领域较多,需根据实际应用选择适合的离心机产品。图片由Eppendorf公司提供。


(2) 离心力的测算

离心分离的原理是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力,加快液体中颗粒的沉降速度,把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。离心力的大小取决于离心转头的角速度与物质颗粒距离心轴之间的距离。在离心分离操作时,需要根据实际情况测算离心力和转速。


离心机的离心力G(rcf)以重力加速度g(g=9.8m/s2)的倍数表示,与离心半径、转速的关系为:


G=1.11×10-5×R×rpm2


其中R为半径,即物质颗粒与离心轴之间的距离;rpm为转速。



为免去计算工作,便于操作,一些离心机在操作面板上有离心力(G)和转速(rpm)的切换按键。


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图4.4离心机操作面板上离心力rcf(G)和转速rpm的切换按键。

图片由Eppendorf公司提供。

(3) 离心分离在生产中的应用

在疫苗生产工艺中可以使用离心技术纯化疫苗抗原、去除无关的杂质。通常有两种方式:离心过滤和离心沉降。离心沉降是利用悬浮液密度或质量大小不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理,实现固液分离或液液分离;离心过滤是在离心力场下对悬浮液产生的离心压力,作用在过滤介质上例如蔗糖等,使液体通过过滤介质成为滤液,从而实现液固分离。


在抗体药物和疫苗生产中通常采用连续流离心分离工艺去除细胞和细胞碎片,连续流离心能够去除绝大部分细胞和细胞碎片,残留的少量细胞碎片可用深层过滤等方法去除。


连续流离心机(Continuous Centrifuge)是一种高效连续的固液分离设备,它利用离心力与重力的双重作用实现连续工作。待分离的料液从进口进入离心机,在分离系统中受到离心力的作用,液体穿过筛网进入过滤仓由出液口排出。从而实现连续进料、离心、排料,极大的提高生产效率。在分离过程中,可以通过调节进料速度与分离系统各部分的相对位置来控制在分离系统中的停留时间,达到规定的固体含水量要求。常用的连续流离心机为碟片式离心机和管式离心机。



连续流离心机的弱点是设备和操作相对复杂,机械和操作故障风险相对较高。另外,在进行细胞换液时,连续流离心形成的细胞团有可能造成局部营养缺失或副产物积累,同时还需考虑细胞的剪切力耐受性,避免细胞损伤。


  • 碟片式离心机
碟片式离心机(Disc Centrifuge)可快速连续的对固液和液液进行分离,是立式离心机的一种,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。

碟片式离心机腔体为锥形,细胞培养收获液在靠近轴部加入,离心后上清也从轴部附近排出,细胞在离心力作用下,在锥形的底部边线附近聚集结块。腔体定期在细胞聚集处轻微开启,利用腔体内的压力将细胞排出。细胞排出夹带的液体损失可通过离心力(转速)、腔体开启频率和开启时间的优化,控制在5%以下。碟片式离心机的优点是体积小,多层碟片形成的沉降面积大,液体处理量大,操作简单、可靠,使用费用低。其缺点是前期设备投资高,清洗较复杂,并缺少合适的小试模型。

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图4.5碟片式离心机原理。




  • 管式连续离心机

管式连续离心机(Tubular Continuous Centrifuge)由电机驱动一个长圆筒构成的转鼓,电机运转时带动转鼓高速旋转,在转鼓内部产生强大的离心力。样品从下部进样口被连续泵入转鼓,向上流经转鼓的过程中被强大的离心力分离,受离心力大的固体样品被甩到转鼓壁上,液体从上部出液口连续流出,从而完成分离。可以在线清洁(CIP)和在线灭菌(SIP)。

二、离心机业务的跨国公司
生物离心机的跨国公司有很多,下面列出的是部分拥有生物分离用实验室离心机业务的公司(排名不分先后)。
  • 阿法拉伐(ALFA-LAVAL)
发明家Gustaf de Laval在1883年创办的瑞典公司。
  • 艾本德(Eppendorf)
德国公司,1964年开始生产离心机。
  • 贝克曼库尔特(Beckman Coulter)
丹纳赫(Danaher)生命科学平台旗下的美国公司,有60年以上离心机发展历史。
  • 西格玛(SIGMA)
德国公司,其创始人在1948年起开始生产离心机。
  • 赛默飞世尔(Thermo Fisher)
美国公司。
  • 赛多利斯(Sartorius)
德国公司,主要是实验室用小型离心机。
  • 奥豪斯(Ohaus)
美国公司,主要是实验室用小型和微型离心机。
  • 日立(Hitachi)
日本公司。
  • 久保田(Kubota)
日本公司。
  • Barry Wehmiller
美国公司。

此外,一些公司还有一次性离心机。
  • 赛多利斯(Sartorius)
kSep Systems。
  • Barry Wehmiller
Carr Centritech。


三、国内实验室离心机行业情况

国内离心机研制始于20世纪50年代,1958年开始研制实验室离心机,1975年中国科学院研制成功国产超速离心机。发展至今,国内已有近200家离心机企业,在湖南、上海、北京等地形成了实验室离心机生产基地。已经能够批量生产各种台式离心机、高速冷冻离心机、大容量血液离心机、碟片式离心机、连续流离心机等系列产品,部分40000rpm以下的离心机产品已接近国际水平。

据不完全统计,生产实验室离心机的部分国内企业包括(排名不分先后):北京京立、上海安亭、湖南湘仪、长沙英泰、长沙平凡、湖南赫西、湖南吉尔森、长沙鑫奥、长沙湘智、湖南凯达、辽宁富一、上海卢湘仪、上海利鑫坚、上海凌仪、北京时代北利、广州富一、广州吉迪等。

四、离心机的质量标准

与离心机相关的欧洲标准有《生物技术·离心机的性能标准(EN12884-1999)》、《离心机 通用安全要求(EN12547-1999)》、《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第2-020部分:实验室离心机的特殊要求(EN61010-2-020-1994)》等。

在中国,与离心机相关的国家标准和行业标准很多,例如《离心机性能测试方法(GB/T10901-2005)》、《离心机安全要求(GB19815-2005)》、《医用低速离心机(GB12258-1990)》、《高速冷冻离心机(JB/T5519-1991)》、《测量、控制和实验室用电气设备的安全,实验室用离心机的特殊要求(GB4793.7-2007)》等。


五、对国内实验室离心机行业的发展建议

  • 确保安全性
包括重视机械安全设计、材料选择;提高中轴的使用寿命、转头的加工精度;确定最高安全转速、疲劳寿命等等。

  • 重视离心机在生物工艺中的应用
从国内实验室离心机企业官网内容看,离心机企业对生物制药工艺的了解还显得不足,应该更加重视研究生物工艺,并能够为生物制药用户开发功能更优的产品。

同时,提高用户的操控便捷性有助于提高离心机的使用效果和使用寿命。

  • 扩大产品出口
通过提升技术和质量水平,拓展国际市场,取得企业持续发展。

下期预告:第四部分 过滤




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发表于 2021-1-20 20:14:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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