JP2013172677A - 圧力式細胞破砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体原料を無駄にすることなく、しかも、小容量で試験を行うことができる圧力式細胞破砕装置を提供する。
【解決手段】液体原料Ａ破砕用の破砕機構１８と、破砕機構１８内に液体原料Ａを導入する原料導入路２０と、破砕機構１８内で破砕された破砕後の液体原料Ａ’を外部に排出する排出路２２とが設けられているヘッド部１２、ヘッド部１２に着脱可能且つ水密的に接続され、前記ヘッド部１２の原料導入路２０と連通するピストン挿通用孔２４ａを有する原料押出用シリンダー２４と、ピストン挿通用孔２４ａ内に摺動可能に設けられている原料押出用ピストン３０と、原料押出用ピストン３０をヘッド部１２に対して近接離間する方向へ移動させる油圧式のピストン駆動部２８とを備える原料供給部１４、およびヘッド部１２と原料供給部１４とを油圧式の型締用シリンダー５２と固定プレート５６とでその両側から押圧して型締する型締部１６を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、極く小量のサンプルで細胞破砕試験を行うことが可能な圧力式細胞破砕装置に関する。

近年、老化防止や美肌を目的としてコエンザイムＱ１０と呼ばれる化合物（電子伝達体）を体内に摂取することが喧伝されている。電子伝達体とは、生体内における電子伝達反応を担う化合物であり、大腸菌或いは酵母菌といったバクテリアの細胞壁内に存在することが知られている。コエンザイムＱ１０以外にも様々な電子伝達体の存在が知られるところであり、今日では、各種バクテリアを培養して新規な電子伝達体を発見する研究が盛んに行われている。

電子伝達体をバクテリアから取り出すためには、バクテリアの細胞壁を破砕する必要があり、そのための装置として圧力式細胞破砕装置が利用されている（例えば、特許文献１参照）。

圧力式細胞破砕装置は、チャンバー内に設けられた段状に屈曲されている狭い通路内に、バクテリアを含む液体原料を高圧で供給し、その時の衝撃力によってバクテリアの細胞壁を破壊するものである。細胞壁を破砕した後の液体原料は回収され、遠心分離機によってろ過されて目的とする電子伝達体が採集される。

特開２０１０−２７９２９２号公報（図１）

新規な電子伝達体を発見するためには、種々のバクテリアを培養し、これを破砕試験する必要があるが、バクテリアの培養には長い時間を要するし、中には貴重で高価なものも多く存在することから、小容量での試験を行いたいという現場の要請があった。

ところが、従来の細胞破砕装置は、液体原料を貯留する原料タンクと圧力式細胞破砕装置とが長い配管で接続されていることから、破砕試験を行うためにはある一定量以上の液体原料を必要としていた。また、配管内に残留する液体原料は破砕試験に供されることがないため非効率的であるという問題もあった。

本願発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、破砕試験のサンプルとなる液体原料を無駄にすることなく、しかも、小容量で試験を行うことができる圧力式細胞破砕装置を提供することにある。

請求項１に記載した発明は、「液体原料Ａ破砕用の破砕機構１８と、破砕機構１８内に液体原料Ａを導入する原料導入路２０と、破砕機構１８内で破砕された破砕後の液体原料Ａ’を外部に排出する排出路２２とが設けられているヘッド部１２、ヘッド部１２に着脱可能且つ水密的に接続され、前記ヘッド部１２の原料導入路２０と連通するピストン挿通用孔２４ａを有する原料押出用シリンダー２４と、ピストン挿通用孔２４ａ内に摺動可能に設けられている原料押出用ピストン３０と、原料押出用ピストン３０をヘッド部１２に対して近接離間する方向へ移動させる油圧式のピストン駆動部２８とを備える原料供給部１４、およびヘッド部１２と原料供給部１４とを油圧式の型締用シリンダー５２と固定プレート５６とでその両側から押圧して型締する型締部１６を備えている」ことを特徴とする圧力式細胞破砕装置１０である。

請求項２に記載した発明は、「原料押出用ピストン３０は、ピストン挿通用孔２４ａに挿入される部分３０ａと、ピストン駆動部２８によって押圧される部分３０ｂとに２分割されており、両部材３０ａ，３０ｂが着脱可能に接続されている」ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、型締部１６ならびにピストン駆動部２８が油圧式のものとして構成されているので、型締作業や原料押出作業時において例えば１０ＭＰａ以上の高圧をかけることが可能となる。ここで、液体原料Ａは、ピストン挿通用孔２４ａと原料押出用ピストン３０とで囲まれた空間（原料充填用空間Ｘ）に充填され、そのほぼ全量が破砕機構１８に供給される。したがって、貴重な液体原料Ａを無駄なくサンプルとして破砕試験することができる。

さらに、破砕試験をするために必要な液体原料Ａの容量は、ピストン挿通用孔２４ａと原料押出用ピストン３０とで囲まれた空間（原料充填用空間Ｘ）の容積によって任意に設定することができるので、少量での破砕試験も可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、原料押出用ピストン３０のうち、ピストン挿通用孔２４ａに挿入される部分３０ａの長さが異なるものを適宜交換することにより、ピストン挿通用孔２４ａと原料押出用ピストン３０とで囲まれた空間（原料充填用空間Ｘ）の容積、すなわち、サンプルとなる液体原料Ａの充填量を任意に変更することができる。

圧力式細胞破砕装置を示す分解斜視図である。 圧力式細胞破砕装置を示す部分断面図である。 破砕機構の一例を示す図である。 型締用シリンダーに圧油を供給して型締作業を行っている状態を示す部分断面図である。 原料押出用シリンダー２４に圧油を供給している状態を示す部分断面図である。 液体原料を破砕機構に供給し終わった状態を示す部分断面図である。

以下、本発明を図面に従って説明する。図１は、本発明にかかる圧力式細胞破砕装置（以下、単に「破砕装置」という。）１０を示す分解斜視図であり、図２は、破砕装置１０を示す部分断面図である。

これらの図が示すように、本発明の破砕装置１０は、ヘッド部１２、原料供給部１４および型締部１６により構成されている。

ヘッド部１２は、正面視断面略凸字状のブロック状部材で、その上部側が小径側部分１２ａであり、下部側が大径側部分１２ｂである。大径側部分１２ｂの底面は、一段下がって段状に形成されており、この一段下がった凹部１２ｃの中央に原料導入路２０が設けられている。原料導入路２０は、その一端が凹部１２ｃの底面に臨まされており、他端が後述する破砕機構１８の連通路８８と連通されている。また、ヘッド部１２の大径側部分１２ｂの側面には、破砕後の液体原料Ａ’を外部に排出する排出路２２が形成されている。

ヘッド部１２の大径側部分１２ｂの内部には、破砕機構１８が設けられている。破砕機構１８は、液体原料Ａに高圧を加えてバクテリアの細胞壁を破砕するためのもので、チャンバー８０とホモバルブ８２とピストン８４とシリンダー８６とで大略構成されている。

チャンバー８０は、略円柱状のブロック状部材で、その内部には、液体原料Ａが通流される非常に狭い連通路８８が形成されている（図３参照）。

連通路８８は、その一端がチャンバー８０の底面に臨まされており、上述した原料導入路２０と連通されている。また、連通路８８の他端側は、チャンバー８０の中央部分において二段階で拡径し、最大拡径部分８０ａがチャンバー８０の側面に臨まされて排出路２２に連通されている。なお、連通路８８の最初の拡径部分８８ｂの側壁８８ｃが後述するように液体原料Ａの「破砕部」として機能する。

チャンバー８０の上面には、ホモバルブ挿通用８０ａが連通路８８と連通するように形成されており、このホモバルブ挿通用孔８０ａにホモバルブ８２が挿通されている。

ホモバルブ８２は、円柱状のブロック状部材で、その材質は、ステライト、タングステンカーバイド、ジルコニア系セラミック、チッ化ケイ素或いはダイヤモンドといった非常に硬質の材料により形成されている（破砕するバクテリアの種類に応じて適宜選択される）。

ホモバルブ８２の上端部には、シリンダー８６が配置されており、シリンダー８６内に収容されているピストン８４の先端がホモバルブ８２の上端部分と当接されている。

なお、本実施例では、シリンダー８６内のピストン８４が空圧によってホモバルブ８２に対して近接離間可能となっており、ホモバルブ８２の連通路８８内への突出量、（換言すれば、ホモバルブ８２の底面８２ａと連通路８８の拡径部分８８ｂとの間の隙間Ｌ）を調整することによって、液体原料Ａの破砕度合いを調整することができるようになっている（もちろん、空圧の代わりに油圧によってピストン８４を動かすようにしても良い）。

また、破砕機構１８としては、本実施例で示した構造のものに限られず、現在知られている周知のものを利用することが可能である。

原料供給部１４は、原料押出用シリンダー２４と、スペーサー２６と、ピストン駆動部２８とで大略構成されている。

原料押出用シリンダー２４は筒状の部材で、その中心に形成された孔がピストン挿通用孔２４ａである。ピストン挿通用孔２４ａには、後述する原料押出用ピストン３０が摺動可能に挿通されており、ピストン挿通用孔２４ａの下端部内周縁に設けられているパッキン３２によって原料押出用ピストン３０（より詳しく言うと、上部側ピストン３０ａ）が水密的に保持されている。

原料押出用ピストン３０は、上下２分割されており、その上部側ピストン３０ａと下部側ピストン３０ｂとが接続部材３０ｃを介して着脱可能に接続されている。上部側ピストン３０ａは、その外径がピストン挿通用孔２４ａの内径と略等しく設定されており、上述したように、ピストン挿通用孔２４ａの内周縁に取り付けられているパッキン３２によって水密的に保持されている。

下部側ピストン３０ｂの下端部には、フランジ３０ｄが設けられており、後述するピストン駆動部２８のピストン押出用圧油供給室４０ａの内部に嵌合状態で収容されている。

原料押出用シリンダー２４の上端部は、その中央部分が段状に突出しており、該突出部分２４ｂが上述したヘッド部１２の一段下がった凹部１２ｃに着脱可能にて嵌合されている。

突出部分２４ｂの中央部分には、一段下がった凹所２４ｃが形成されており、凹所２４ｃの内側面にはＯリング３４が取り付けられている。

原料押出用シリンダー２４の外面には、ピストン挿通用孔２４ａと連通する圧力計取付孔３６が形成されており、この圧力計取付孔３６に圧力計３８が取り付けられている。

スペーサー２６は、原料押出用シリンダー２４よりも僅かに大径で下面側が開口されている平面視略円形状のブロック状部材であり、当該開口部が後述するピストン駆動部２８の上部ハウジング２８ａによって閉塞されることにより、ピストン収容空間２６ａとして機能することとなる。スペーサー２６の上面には、ピストン挿通用孔２６ｂが形成されており、このピストン挿通用孔２６ｂに上部側ピストン３０ａがその下側から挿通されている。

なお、ピストン収容空間２６ａには、上部側ピストン３０ａの下端部、下部側ピストン３０ｂの上端部ならびに両部材を接続する接続部材３０ｃとが収容されている。

ピストン駆動部２８は、原料押出用シリンダー２４内に摺動可能に取り付けられている原料押出用ピストン３０をその軸方向に摺動させるブロック状の部材で、その外径は、スペーサー２６よりも僅かに大径に設定されている。

ピストン駆動部２８の内部は中空であり、その内部空間４０に下部側ピストン３０ｂの下端部ならびにフランジ３０ｄが収容されている。内部空間４０の内径は、フランジ３０ｄの外径と略等しく設定されている。

ここで、フランジ３０ｄは、内部空間４０の底面から少し隙間を空けた状態で下部側ピストン３０ｂに取り付けられている。これにより、内部空間４０は、フランジ３０ｄによって上下に水密的に区切られることとなる。なお、内部空間４０のうちフランジ３０ｄよりも下側の空間がピストン押出用圧油供給室４０ａである。

ピストン駆動部２８は、その上端部分において上下二分割されている。ここで、上下二分割された上側部分が上部ハウジング２８ａであり、下側部分が下部ハウジング２８ｂであり、両者２８ａ，２８ｂがボルト４２によって着脱可能に連結されている。

上部ハウジング２８ａの上面にはリング状の、フランジ２８ｃが立成されており、このフランジ２８ｃがスペーサー２６の下端部に嵌り込んでいる。なお、上述したように、スペーサー２６と上部ハウジング２８ａとで囲まれた空間がピストン収容空間２６ａとして機能する。

上部ハウジング２８ａの上面中央部には、ピストン挿通用孔２８ｄが形成されており、このピストン挿通用孔２８ｄに上述した下部側ピストン３０ｂが挿通されている。また、上部ハウジング２８ａのフランジ２８ｃの外側面には、ピストン収容空間２６ａと連通する空気抜き用の孔２８ｅが形成されている。

下部ハウジング２８ｂの外側面には、その上端部に空気抜き用の孔２８ｆが形成されており、その下端部には、圧油吸排用の孔２８ｇと空気抜き用孔２８ｈとがそれぞれ形成されている。空気抜き用の孔２８ｆには、空気用配管４４が接続されており、圧油吸排用孔２８ｇには圧油給排用配管４６が接続されており、その先端に図示しないピストン押出用圧油タンクが接続されている。一方、空気抜き用孔２８ｈには、逆止弁付きの空気抜き用配管４８が接続されている。

なお、空気抜き用孔２８ｈは、ピストン押出用圧油供給室４０ａ内に圧油を供給する際に、ピストン押出用圧油供給室４０ａ内から空気を効果的に抜くことができるよう、ピストン３０が最下点（図２の状態）にあるときに、フランジ３０ｄの直下に位置するよう設定されている。

型締部１６は、ヘッド部１２と原料供給部１４とをその上下両側から挟み込んで型締作業を行うもので、台板５０と、型締用シリンダー５２と、４本の支持ボルト５４と固定プレート５６とを備えている。

台板５０は、矩形状の板状部材で、その下面四隅には脚５０ａがそれぞれ取り付けられている。

台板５０の上面中央部分には、型締用シリンダー５２が立設されている。型締用シリンダー５２は、上部開口下部有底で、平面視略円形状のブロック状部材で、その外径は、ピストン駆動部２８よりも大径になるように設定されている。型締用シリンダー５２の内部に形成されている凹所５３は、その内側面が段状に形成されており、上側の大径部分であるピストン駆動部収容部５３ａには、上述したピストン駆動部２８の下端部が嵌まり込んでおり、下側の小径部分である型締用ピストン収容部５３ｂには、型締用ピストン５８が上下方向に摺動可能に設けられている。

型締用ピストン５８は、円柱状の部材で、その中段部分にはフランジ５８ａが設けられている。フランジ５８ａは、その外径が凹所５３の型締用ピストン収容部５３ｂの内径と大略等しく設定されており、その中段部分にはＯリング５８ｂが取り付けられている。

なお、型締用ピストン収容部５３ｂとフランジ５８ａとで囲まれた空間が型締用圧油供給室５３ｃである。

型締用シリンダー５２には、外面と凹所５３の型締用ピストン収容部５３ｂとを連通するように圧油給排用孔５２ｂならびに空気抜き用孔５２ｃがそれぞれ形成されている。

ここで、空気抜き用孔５２ｃは、圧油給排用孔５２ｂよりも上方に位置するように形成されており、型締用ピストン５８が最下点の位置（図２参照）にあるときに、フランジ５８ａの直下に位置するように設けられている。圧油給排用孔５２ｂには、圧油給排用配管６０が接続されており、その先端に図示しない型締用圧油タンクが接続されている。一方、空気抜き用孔５２ｃには、逆止弁付きの空気抜き用配管６２が接続されている。

台板５０の上面各隅部には、支持ボルト５４がそれぞれ立設されている。各支持ボルト５４の上端部には、上下一対の締付ナット６４がそれぞれ螺着されており、この上下一対の締付ナット６４によって固定プレート５６を所定の高さにて挟み込み保持できるようになっている。

固定プレート５６は、金属等の剛性材料からなる矩形板状部材で、その四隅には、支持ボルト挿通用孔５６ａが支持ボルト５４と対応する位置にそれぞれ形成されている。各支持ボルト挿通用孔５６ａには、支持ボルト５４が挿通されており、各支持ボルト５４に螺着されている上下一対の締付ナット６４によって固定プレート５６がその上下から挟み込み保持されている。

また、固定プレート５６には、略Ｕ字状の切り欠き５６ｂが形成されている。切り欠き５６ｂは、その先端部分が固定プレート５６の中央部分にまで至っており、その内径は、ヘッド部１２の小径側部分１２ａが嵌まり込むことはできるが、大径側部分１２ｂは通過できないような大きさに適宜設定されている。

以上のように構成されている破砕装置１０を使用する際には、ピストン押出用圧油供給室４０ａならびに型締用圧油供給室５３ｃの内部を空にして原料押出用ピストン３０ならびに型締用ピストン５８がそれぞれ最下点に位置する状態とする（図２参照）。

そして、上側の締付ナット６４を緩めて支持ボルト５４から取り外し、固定プレート５６とヘッド部１２を取り外す。すると、原料押出用シリンダー２４のピストン挿通用孔２４ａが外部に現れるので、ピストン挿通用孔２４ａと原料押出用ピストン３０とで囲まれた空間（以下、「原料充填用空間Ｘ」という）にサンプルとなる液体原料Ａを充填する（液体原料充填工程）。

なお、液体原料Ａの充填量は、原料充填用空間Ｘの容量（より詳しく言えば、ピストン挿通用孔２４ａの内径と、原料押出用ピストン３０が最下点に位置したときの原料押出用ピストン３０のピストン挿通用孔２４ａへの挿入長さ）によって決定され、本実施例では、その容量が約１０ｃｃとなるように設定されている。

液体原料Ａの充填作業が完了すると、今度は先ほどとは逆の手順で原料押出用シリンダー２４の上にヘッド部１２を被せ、ヘッド部１２の上に固定プレート５６を載置し（このとき、ヘッド部１２の小径側部分１２ａを固定プレート５６の切り欠き５６ｂに嵌め込む）、各支持ボルト挿通用孔５６ａに支持ボルト５４をそれぞれ挿通し、先ほど取り外した締付ナット６４を各支持ボルト５４に螺着して固定プレート５６の位置を固定する（図２参照）。これにより、ヘッド部１２と原料供給部１４とが型締部１６によってその上下両側から挟み込まれることとなる。

次に、圧油給排用配管６０に接続されている図示しない型締用圧油タンクを作動させて圧油を型締用圧油供給室５３ｃ内に供給する（図４参照）。

型締用圧油供給室５３ｃ内に圧油を供給すると、圧油によって型締用シリンダー５２が上方へ持ち上げられ、原料供給部１４とヘッド部１２とを上方へ押し上げ、やがて、ヘッド部１２の大径側部分１２ｂが固定プレート５６と当接する。なお、型締用圧油供給室５３ｃ内の空気は、空気抜き用孔５２ｃから効果的に抜け出ることとなる。

圧油による押圧力をさらに加えると、原料供給部１４とヘッド部１２との間に大きな型締力が加わり（型締作業）、液体原料Ａを原料充填用空間Ｘに導入する準備が完了する。

型締作業が完了すると、次に、圧油給排用配管４６に接続されている図示しないピストン押出用圧油タンクを作動させて圧油をピストン押出用圧油供給室４０ａ内に供給する（図５参照）。

ピストン押出用圧油供給室４０ａ内に圧油を供給すると、圧油によって原料押出用ピストン３０が上方へ持ち上げられ、原料充填用空間Ｘ内の液体原料Ａが狭い原料導入路２０を通って破砕機構１８内に高圧で供給される（ピストン押出作業）。なお、ピストン押出作業時における液体原料Ａを押し出す圧力は、上述した型締作業時の型締力よりも小さく（換言すれば、液体原料Ａの押出力によってヘッド部１２と原料供給部１４とが離間することがないように）設定される。ピストン押出作業時に液体原料Ａに加わる圧力は、圧力計３８によって計測される。

破砕機構１８内に高圧で供給された液体原料Ａは、図３に示すように、狭い連通路８８を通り、ホモバルブ８２の底面８２ａによってその流れが遮られて側方へと流れを変える。ここで、ホモバルブ８２の底面８２ａと連通路８８の最初の拡径部分８８ｂとの間の隙間Ｌは連通路８８の内径よりも狭く設定されており、これにより、液体原料Ａに加わる圧力が高められる。そして、この高い圧力によって圧送された液体原料Ａが連通路８８の側壁８８ｃと衝突し、このときに受ける大きな衝撃力によって液体原料Ａに含まれるバクテリアの細胞壁が破砕される。破砕後の液体原料Ａ’は、排出路２２から排出され、目的とする破砕物を得ることができる（図６参照）。

本実施例の破砕装置１０によれば、原料押出用シリンダー２４のピストン挿通用孔２４ａと原料押出用ピストン３０とで囲まれた空間である原料充填用空間Ｘにサンプルとなる液体原料Ａを充填することにより、そのほぼ全量を破砕機構１８内において破砕することができる。つまり、従来のように、配管等に残留してサンプルとして供せられない液体原料Ａが殆ど存在しないので、必要最低限の量で効率的に破砕試験を行うことが可能となる。

また、原料充填用空間Ｘの容量は、原料押出用シリンダー２４のピストン挿通用孔２４ａの内径と、初期段階における原料押出用ピストン３０のピストン挿通用孔２４ａへの挿入量によって任意に設定できるので、例えば１０ｃｃといった極く少量の容量とすることも可能である。

また、型締作業と液体原料Ａの押出作業とをそれぞれ異なる油圧機構を用いて行うようにしているので、液体原料Ａの押出作業をより高圧下で行うことが可能となり、液体原料Ａの破砕を効果的に行うことができる。

さらに、ヘッド部１２、原料供給部１４ならびに型締部１６は、それぞれ分解することが可能であるので、メンテナンスを容易に行うことができる。

なお、上述実施例では、原料供給部１４の下方に型締部１６を配置し、原料供給部１４をヘッド部１２に向けて下から上方へ押し上げることによってヘッド部１２と原料供給部１４との型締作業を行うようにしていたが、ヘッド部１２の上方に型締部１６を配置し、ヘッド部１２を原料供給部１４に向けて上から下方へ押し下げることによって上記型締作業を行うようにしても良い。

１０…圧力式破砕装置
１２…ヘッド部
１４…原料供給部
１６…型締部
１８…破砕機構
１９…連通路
２０…原料導入路
２２…排出路
２４…原料押出用シリンダー
２６…スペーサー
２８…ピストン駆動部
３０…原料押出用ピストン
４０…内部空間
４０ａ…ピストン押出用圧油供給室
５０…台板
５２…型締用シリンダー
５３ａ…型締用ピストン収容部
５４…支持ボルト
５６…固定プレート
５８…型締用ピストン

Claims (2)

1. 液体原料破砕用の破砕機構と、前記破砕機構内に液体原料を導入する原料導入路と、前記破砕機構内で破砕された破砕後の液体原料を外部に排出する排出路とが設けられているヘッド部、
   前記ヘッド部に着脱可能且つ水密的に接続され、前記ヘッド部の原料導入路と連通するピストン挿通用孔を有する原料押出用シリンダーと、前記ピストン挿通用孔内に摺動可能に設けられている原料押出用ピストンと、前記原料押出用ピストンを前記ヘッド部に対して近接離間する方向へ移動させる油圧式のピストン駆動部とを備える原料供給部、および
   前記ヘッド部と前記原料供給部とを油圧式の型締用シリンダーと固定プレートとでその両側から押圧して型締する型締部を備えていることを特徴とする圧力式細胞破砕装置。
2. 前記原料押出用ピストンは、前記ピストン挿通用孔に挿入される部分と、前記ピストン駆動部によって押圧される部分とに２分割されており、両部材が着脱可能に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力式細胞破砕装置。
   
   
   

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