CN105925472B - 一种工业型超高压细胞破碎方法以及细胞破碎机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业型超高压细胞破碎方法，先将待破碎细胞的体积两级胀大，然后利用空穴效应与剪切效应将细胞破碎，明显胀大的体积会加剧空穴效应与剪切效应的破碎效果，得到比细胞直接空穴效应和剪切效应破碎更好的破碎效果，使生物医药原料中的细胞组织粉碎，97％以上达到100nm以下，而且目标物颗粒均匀，便于进一步萃取与纯化；可以节约大量的化学试剂，减少工业污染；极大地提高医药原料的利用率。本发明还公开了一种工业型超高压细胞破碎机，包括支架、双向液压油缸、超高压腔体、回收腔体、止回阀、至少一个出料阀、进料斗、气动油泵、油箱以及两位四通电磁换向阀。

Description

一种工业型超高压细胞破碎方法以及细胞破碎机

技术领域

本发明涉及生物医药技术领域，尤其是涉及一种工业型超高压细胞破碎方法以及细胞破碎机。

背景技术

随着科技的发展，人们发现中药及生物医药的原材料中能够抑制或治疗疾病的有效成分一般都存在于动植物的细胞中，而且含量很低。例如，在治疗乳腺癌和卵巢癌中有很好效果的紫杉醇在优质红豆杉中的含量约为0.015％；具有很强的抗氧化效果的花青素混合物在蓝莓中的含量约为0.16％。上述紫杉醇主要存在于红豆杉干燥的枝干、根和树皮之中，和这种植物相似，许多中草药的有效成分会随着植物生长的时间而增加，而生长时间越长的植物其根茎、枝干也就会越坚硬，目标物越不容易获得。

为了得到那些有效成分，传统的方式有熬制、发酵、应用化学试剂长时间浸泡等等。常常会造成大量的原材料浪费，副产品增加，以及大量的化学试剂带来的环境污染等社会问题，不适于大规模工业化使用。

因此，如何提供一种适用于大规模工业化使用，且简单高效，节能环保的细胞破碎方法或细胞破碎机是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业型超高压细胞破碎方法，该细胞破碎方法适用于大规模工业化使用，且简单高效，节能环保。本发明的另外一个目的是提供一种工业型超高压细胞破碎机。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种工业型超高压细胞破碎方法，包括以下步骤：

1)首先将待破碎的细胞与溶剂混溶，所述溶剂的浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度，得到细胞悬浮液；

2)将步骤1)得到的细胞悬浮液放置在密闭容器中进行体积压缩；

3)将步骤2)体积压缩后的细胞悬浮液通过狭缝或小孔喷射出，被回收腔体收集，得到包含破碎细胞的溶液。

优选的，所述狭缝或小孔为至少一对，任一一对所述狭缝或小孔的喷射路径构成一个V字形夹角以使得任一一对所述狭缝或小孔射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击碰撞。

优选的，所述狭缝或小孔的纵向截面为拉瓦尔型截面。

本发明还提供一种实现上述的工业型超高压细胞破碎方法的细胞破碎机，包括支架、双向液压油缸、超高压腔体、回收腔体、止回阀、至少一个出料阀、进料斗、气动油泵、油箱以及两位四通电磁换向阀；

所述双向液压油缸、超高压腔体、回收腔体以及进料斗设置在所述支架上；

所述双向液压油缸的活塞杆的外露端与所述超高压腔体内的活塞连接以带动所述超高压腔体内的活塞往复运动，所述双向液压油缸内的空腔内径大于所述超高压腔体的空腔内径；

所述进料斗的出料口与所述超高压腔体的进料口连通；

所述止回阀设置于所述进料斗的出料口与所述超高压腔体的进料口的连通处；

所述超高压腔体的出料口与所述回收腔体的进料口连通；

至少一个所述出料阀设置于所述超高压腔体的出料口与所述回收腔体的进料口的连通处；

所述气动油泵的进气口与压缩空气气源连通，所述气动油泵的出油口、所述油箱的进油口以及所述双向液压油缸的两个液压油口通过所述两位四通换向阀构成一个液压油闭路循环系统以实现所述双向液压油缸的双向输出功；

所述邮箱的出油口与所述气动油泵的进油口连通。

优选的，至少一个所述出料阀成对配制，任一一对所述出料阀的出料口的轴向延伸线构成一个V字形夹角以使得两个所述出料阀射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击。

优选的，所述双向液压油缸内的空腔内径为所述超高压腔体的空腔内径的3～4倍。

优选的，所述超高压腔体上设置有控温装置以对所述超高压腔体内的液体进行冷却。

优选的，所述控温装置为设置在所述超高压腔体外壁面上的水套；

所述水套的进水口与冷水水源的出水口连通以向所述水套供给冷水，所述水套的出水口与冷水水源的进水口连通以回水；

所述水套与冷水水源构成一个冷水闭路循环系统，所述冷水闭路循环系统还包括对所述水套排出的回水进行冷却降温的冷却装置以及泵送冷水的循环泵。

优选的，所述双向液压油缸的两个液压油口与所述两位四通电磁换向阀连接的液压油管上各设置至少一个液压油表。

优选的，所述气动油泵与所述压缩空气气源连接的气管上设置有气压表。

与现有技术相比，本发明提供了一种工业型超高压细胞破碎方法，首先配制细胞悬浮液，由于所用溶剂的浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度，此时低浓度的溶剂会渗透进入待破碎的细胞内，直至待破碎的细胞内外的浓度趋于相同，大量的低浓度溶剂进入细胞，会胀大细胞的体积；本发明进一步的，对上述细胞悬浮液进行体积压缩，提高细胞悬浮液的内液压，虽然细胞悬浮液的内液压得到提升，但是由于细胞壁的存在，细胞仍然是一个相对对立的腔体，其内的压力远小于外部的内液压，细胞内外存在较大的压差，在此压差的作用下，会使得低浓度的溶剂更多地、更快速地渗透进入细胞内，直至待破碎的细胞内外的压力趋于相同，进一步地胀大细胞的体积；然后，本发明将体积压缩后的细胞悬浮液从狭缝或小孔中喷射出，超高压的细胞悬浮液进入一个常压的环境，瞬间失压，发生空穴效应，先前体积压缩过程中储蓄的能量瞬间释放引起空穴爆炸，致使细胞强烈粉碎细化，且细胞与细胞之间发生剪切效应，细胞与狭缝壁或小孔壁之间发生剪切效应，空穴效应与剪切效应相互结合；本发明，先将待破碎细胞的体积两级胀大，然后利用空穴效应与剪切效应将细胞破碎，明显胀大的体积会加剧空穴效应与剪切效应的破碎效果，得到比细胞直接空穴效应和剪切效应破碎更好的破碎效果，使生物医药原料中的细胞组织粉碎，97％以上达到100nm以下，而且目标物颗粒均匀，便于进一步萃取与纯化；可以节约大量的化学试剂，减少工业污染；极大地提高医药原料的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的细胞破碎机的立体结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的右视图；

图4为本发明实施例提供的细胞破碎机的工作原理示意图。

图中：1支架，2双向液压油缸，3超高压腔体，4回收腔体，5进料斗，6气动油泵，7邮箱，8两位四通电磁换向阀，9液压油表，10气压表，11气压调节阀，12紧急切断阀，13压缩空气气源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1～图3，图1为本发明实施例提供的细胞破碎机的立体结构示意图；图2为图1的左视图；图3为图1的右视图。

本发明提供了一种工业型超高压细胞破碎方法，包括以下步骤：

1)首先将待破碎的细胞与溶剂混溶，溶剂的浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度，得到细胞悬浮液；

2)将步骤1)得到的细胞悬浮液放置在密闭容器中进行体积压缩；

3)将步骤2)体积压缩后的细胞悬浮液通过狭缝或小孔喷射出，被回收腔体4收集，得到包含破碎细胞的溶液。

上述浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度的溶剂优选为水或乙醇。

与现有技术相比，本发明提供了一种工业型超高压细胞破碎方法，首先配制细胞悬浮液，由于所用溶剂的浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度，此时低浓度的溶剂会渗透进入待破碎的细胞内，直至待破碎的细胞内外的浓度趋于相同，大量的低浓度溶剂进入细胞，会胀大细胞的体积；本发明进一步的，对上述细胞悬浮液进行体积压缩，提高细胞悬浮液的内液压，虽然细胞悬浮液的内液压得到提升，但是由于细胞壁的存在，细胞仍然是一个相对对立的腔体，其内的压力远小于外部的内液压，细胞内外存在较大的压差，在此压差的作用下，会使得低浓度的溶剂更多地、更快速地渗透进入细胞内，直至待破碎的细胞内外的压力趋于相同，进一步地胀大细胞的体积；然后，本发明将体积压缩后的细胞悬浮液从狭缝或小孔中喷射出，超高压的细胞悬浮液进入一个常压的环境，瞬间失压，发生空穴效应，先前体积压缩过程中储蓄的能量瞬间释放引起空穴爆炸，致使细胞强烈粉碎细化，且细胞与细胞之间发生剪切效应，细胞与狭缝壁或小孔壁之间发生剪切效应，空穴效应与剪切效应相互结合；本发明，先将待破碎细胞的体积两级胀大，然后利用空穴效应与剪切效应将细胞破碎，明显胀大的体积会加剧空穴效应与剪切效应的破碎效果，得到比细胞直接空穴效应和剪切效应破碎更好的破碎效果，使生物医药原料中的细胞组织粉碎，97％以上达到100nm以下，而且目标物颗粒均匀，便于进一步萃取与纯化；可以节约大量的化学试剂，减少工业污染；极大地提高医药原料的利用率。

在本发明的一个实施例中，狭缝或小孔为至少一对，任一一对狭缝或小孔的喷射路径构成一个V字形夹角以使得任一一对狭缝或小孔射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击碰撞，如此设置，使得高速射出的细胞相互冲击撞击，发生的是细胞与细胞之间的撞击，充分利用了细胞本体所具有的高速动能，不再是现有技术中的细胞与撞击环的撞击，无需现有技术中的贵重宝石撞击环，在上述两级胀大体积的基础上，细胞的细胞壁已经被胀大得很薄，此时高速相互冲击撞击，可以较轻易地将细胞破碎，提高了破碎效率；且本发明中两股高速细胞悬浮液是呈V字形夹角的形式相互冲击对撞，对撞后，二者混合成一股，继续向远离狭缝或小孔的方向高速运动，由于冲击对撞，细胞悬浮液中的细胞个体的速度出现差异，有大有小，出现速度差，进而在存在速度差的细胞间发生剪切效应，进一步地对细胞进行破碎，而如果将两股细胞悬浮液在同一条直线上以相向的运动方向相互对撞，一是对撞后，细胞悬浮液到处乱溅，不利于收集，二是对撞后，没有固定方向运动的细胞悬浮液液流，也就没有上述的剪切作用，其破碎效果不及上述的V字形夹角冲击对撞。

在本发明的一个实施例中，狭缝或小孔的纵向截面为拉瓦尔型截面，如此设置，使得高压细胞悬浮液所具有的压力能中，能够有更多的部分转化为细胞悬浮液的动能，提高细胞悬浮液的喷出速度，甚至达到超音速，提高了冲击破碎的效果。

在本发明的一个实施例中，双向液压油缸2的正常工作液压为35至40MPa，选择双向液压油缸2的空腔内径与超高压腔体3的空腔内径的比例为3-4时，超高压腔体3内即可以获得315-640MPa的压力，而大多数生物细胞的爆炸压力在250-320MPa的范围内。

本发明还提供了一种实现上述的工业型超高压细胞破碎方法的细胞破碎机，包括支架1、双向液压油缸2、超高压腔体3、回收腔体4、止回阀、至少一个出料阀、进料斗5、气动油泵6、油箱以及两位四通电磁换向阀8；

双向液压油缸2、超高压腔体3、回收腔体4以及进料斗5设置在支架1上；

双向液压油缸2的活塞杆的外露端与超高压腔体3内的活塞连接以带动超高压腔体3内的活塞往复运动，双向液压油缸2内的空腔内径大于超高压腔体3的空腔内径；

进料斗5的出料口与超高压腔体3的进料口连通；

止回阀设置于进料斗5的出料口与超高压腔体3的进料口的连通处；

超高压腔体3的出料口与回收腔体4的进料口连通；

至少一个出料阀设置于超高压腔体3的出料口与回收腔体4的进料口的连通处；

气动油泵6的进气口与压缩空气气源13连通，气动油泵6的出油口、油箱的进油口以及双向液压油缸2的两个液压油口通过两位四通换向阀构成一个液压油闭路循环系统以实现双向液压油缸2的双向输出功；

邮箱7的出油口与气动油泵6的进油口连通。

首先控制两位四通电磁换向阀8的运行，向双向液压油缸2中泵油，使得双向液压油缸2带动超高压腔体3内的活塞向上运行，将进料斗5内的细胞悬浮液穿过止回阀吸入超高压腔体3内；然后，控制两位四通电磁换向阀8改向，向双向液压油缸2中泵油，使得双向液压油缸2带动超高压腔体3内的活塞向下运行，对先前吸入的细胞悬浮液进行体积压缩，达到设定压力后，保持一定时间，以让低浓度的溶剂充分渗透进入细胞；然后，开启出料阀上的狭缝或小孔，将高压细胞悬浮液射出。

在本发明的一个实施例中，至少一个出料阀成对配制，任一一对出料阀的出料口的轴向延伸线构成一个V字形夹角以使得两个出料阀射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击，如此设置，使得高速射出的细胞相互冲击撞击，发生的是细胞与细胞之间的撞击，充分利用了细胞本体所具有的高速动能，不再是现有技术中的细胞与撞击环的撞击，无需现有技术中的贵重宝石撞击环，在上述两级胀大体积的基础上，细胞的细胞壁已经被胀大得很薄，此时高速相互冲击撞击，可以较轻易地将细胞破碎，提高了破碎效率；且本发明中两股高速细胞悬浮液是呈V字形夹角的形式相互冲击对撞，对撞后，二者混合成一股，继续向远离狭缝或小孔的方向高速运动，由于冲击对撞，细胞悬浮液中的细胞个体的速度出现差异，有大有小，出现速度差，进而在存在速度差的细胞间发生剪切效应，进一步地对细胞进行破碎，而如果将两股细胞悬浮液在同一条直线上以相向的运动方向相互对撞，一是对撞后，细胞悬浮液到处乱溅，不利于收集，二是对撞后，没有固定方向运动的细胞悬浮液液流，也就没有上述的剪切作用，其破碎效果不及上述的V字形夹角冲击对撞。

在本发明的一个实施例中，双向液压油缸2内的空腔内径为超高压腔体3的空腔内径的3～4倍，如此设置，使得当双向液压油缸2的正常工作液压为35至40MPa时，超高压腔体3内即可以获得315-640MPa的压力，而大多数生物细胞的爆炸压力在250-320MPa的范围内。

在本发明的一个实施例中，超高压腔体3上设置有控温装置以对超高压腔体3内的液体进行冷却。

优选的，控温装置为设置在超高压腔体3外壁面上的水套；

水套的进水口与冷水水源的出水口连通以向水套供给冷水，水套的出水口与冷水水源的进水口连通以回水；

水套与冷水水源构成一个冷水闭路循环系统，冷水闭路循环系统还包括对水套排出的回水进行冷却降温的冷却装置以及泵送冷水的循环泵。本发明如此设置是因为仪器在使用中因为压力的变化会产生大量的热，尤其是超高压腔体3进行体积压缩过程中由于剧烈压缩产生315-640MPa的压力而产生大量的热，不同的热膨胀比影响零部件之间的配合，因而使得现有技术中的多数类似装置不能长时间使用，不适于工业化生产，为此本发明设置了用于冷却的控温装置，优选为水冷水套，吸收上述产生的热，既提高了细胞破碎机的使用寿命，同时吸热降温也避免了原有挤压高温可能对细胞内生物物质的活性的消极影响。

为取得较理想的细胞破碎效果，需要利用细胞破碎机将细胞悬浮液压缩加压至315-640MPa的压力，如此大的压力，使得检测该压力的压力表的结构和安装方式变成细胞破碎机中一个很脆弱的环节，严重影响了细胞破碎机的使用性能和使用寿命，为此，在本发明的一个实施例中，双向液压油缸2的两个液压油口与两位四通电磁换向阀8连接的液压油管上各设置至少一个液压油表9，如此设置，只在液压油管上设置液压油表9检测双向液压油缸2内的液压压力值大小，进而通过双向液压油缸2内的空腔内径为超高压腔体3的空腔内径的3～4倍进行换算，间接得到超高压腔体3内的体积压缩后的细胞悬浮液的内液压，无需再设置直接检测超高压腔体3内的内液压的压力表，克服了上述的脆弱环节，提高了细胞破碎机的使用性能和使用寿命。

在本发明的一个实施例中，气动油泵6与压缩空气气源13连接的气管上设置有气压表10；进一步的，上述气压表10与压缩空气气源13连接的气管上设置有气压调节阀11，上述气压表10与气动油泵6连接的气管上设置有紧急切断阀12。

本发明提到多个技术问题，同时针对每个技术问题提出相应的技术方案。多个技术问题不是相互独立的，是相互影响的，使得上述的多个技术方案在解决对应的技术问题的基础上，进一步的与其它技术方案组合，会显著提高解决对应的技术问题所取得的技术效果，或者可以同时解决多个技术问题。在每个单独技术方案解决对应的技术问题的基础上，多个递进式的技术方案相互组合叠加，技术方案之间相互配合，相互促进，形成一个整体方案，取得的技术效果远好于上述任何一个技术方案的技术效果，叠加效应显著。

本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种工业型超高压细胞破碎机，其特征在于，包括支架、双向液压油缸、超高压腔体、回收腔体、止回阀、至少一个出料阀、进料斗、气动油泵、油箱以及两位四通电磁换向阀；

所述双向液压油缸、超高压腔体、回收腔体以及进料斗设置在所述支架上；

所述双向液压油缸的活塞杆的外露端与所述超高压腔体内的活塞连接以带动所述超高压腔体内的活塞往复运动，所述双向液压油缸内的空腔内径大于所述超高压腔体的空腔内径；

所述进料斗的出料口与所述超高压腔体的进料口连通；

所述止回阀设置于所述进料斗的出料口与所述超高压腔体的进料口的连通处；

所述超高压腔体的出料口与所述回收腔体的进料口连通；

至少一个所述出料阀设置于所述超高压腔体的出料口与所述回收腔体的进料口的连通处；

所述气动油泵的进气口与压缩空气气源连通，所述气动油泵的出油口、所述油箱的进油口以及所述双向液压油缸的两个液压油口通过所述两位四通换向阀构成一个液压油闭路循环系统以实现所述双向液压油缸的双向输出功；

所述油箱的出油口与所述气动油泵的进油口连通；

至少一个所述出料阀成对配制，任一一对所述出料阀的出料口的轴向延伸线构成一个V字形夹角以使得两个所述出料阀射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击；

所述双向液压油缸内的空腔内径为所述超高压腔体的空腔内径的3～4倍；

所述超高压腔体上设置有控温装置以对所述超高压腔体内的液体进行冷却；

所述控温装置为设置在所述超高压腔体外壁面上的水套；

所述水套的进水口与冷水水源的出水口连通以向所述水套供给冷水，所述水套的出水口与冷水水源的进水口连通以回水；

所述水套与冷水水源构成一个冷水闭路循环系统，所述冷水闭路循环系统还包括对所述水套排出的回水进行冷却降温的冷却装置以及泵送冷水的循环泵；

所述双向液压油缸的两个液压油口与所述两位四通电磁换向阀连接的液压油管上各设置至少一个液压油表；

所述气动油泵与所述压缩空气气源连接的气管上设置有气压表。

2.一种使用权利要求1所述的工业型超高压细胞破碎机的细胞破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先将待破碎的细胞与溶剂混溶，所述溶剂的浓度小于待破碎细胞的细胞液浓度，得到细胞悬浮液；

2)将步骤1)得到的细胞悬浮液放置在密闭容器中进行体积压缩；

3)将步骤2)体积压缩后的细胞悬浮液通过狭缝或小孔喷射出，被回收腔体收集，得到包含破碎细胞的溶液；

所述狭缝或小孔为至少一对，任一一对所述狭缝或小孔的喷射路径构成一个V字形夹角以使得任一一对所述狭缝或小孔射出的液体以V字形夹角的形式相互冲击碰撞；

所述狭缝或小孔的纵向截面为拉瓦尔型截面。