TWI829789B - 一種大規模磁力純化系統 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種大規模的磁力純化系統，其特徵係其包含：儲液裝置，能夠藉由液路系統與液體源及廢液桶連接；安裝在儲液裝置上方的攪拌系統，前述攪拌系統的攪拌槳插入前述儲液裝置進行攪拌；安裝在儲液裝置周圍的磁鐵；用於操縱磁鐵遠離或接近儲液裝置的磁鐵執行機構；及控制系統，前述控制系統與液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統連接，並控制液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統。

Description

一種大規模磁力純化系統
本發明關於一種大規模磁力純化系統，主要應用於生物純化領域，例如用於蛋白及核酸的大規模提取。
磁珠純化法通常使用純化系統藉由磁場分離磁珠而達到分離及純化細胞、蛋白或核酸等物質的目的。與常用的沉澱法、離心法、柱膜法相比，磁珠純化法具有提取效率高、分離速度快、所需設備簡單等特點。
與樹脂純化(Resin)相比，基於磁力吸附的磁珠純化法依靠磁力原理及孵育的結合方式可以快速有效的富集樣品中的目標蛋白，有效避免樹脂對樣品預處理及對上樣方式的限制等弊端，擺脫裝柱及流速等的限制。採用磁分離的純化方法較易實現自動化，可滿足快速、自動化、多通道同時處理的高通量純化需求。
目前市面上存在的磁珠純化裝置普遍處理的通量都比較小，並且需要大量人工操作來輔助純化流程。另外，目前操作都是敞口開放式操作，很難防止外部環境污染，也不能避免純化過程中試劑的揮發對環境造成的傷害。先前技術的磁力架，雖可以滿足部分客戶需求，但仍存 在諸多不足，如：(1)通量較小，不能滿足大規模純化的需求；(2)需要轉移到離心管或者其他容器中，工序複雜，且有損壞樣本的風險；(3)需要額外的裝置才能實現自動化，增加額外的成本，且占用額外的場地；(4)形狀固定，不能靈活適應容器的外形。
另外市面上採用的大規模純化裝置都是採用樹脂純化的方式，需要深層過濾，消耗大量的一次性耗材，需要多人次長時間投入。
因此，需要一種改進的磁力純化系統，能夠實現大規模磁珠純化。
本發明的一個目的在於提供一種大規模磁力純化系統，不需要進行離心及深層過濾，可以直接將發酵液進行純化，並節省大量用於過濾的耗材及設備。
根據本發明的一個方面，提供一種大規模的磁力純化系統，其特徵係其包含：儲液裝置，能夠藉由液路系統與液體源及廢液桶連接；安裝在儲液裝置上方的攪拌系統，前述攪拌系統的攪拌槳插入前述儲液裝置進行攪拌；安裝在儲液裝置周圍的磁鐵；用於操縱磁鐵遠離或接近儲液裝置的磁鐵執行機構；及控制系統，前述控制系統與液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統連接，並控制液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統。
理想的，進一步設置有能夠移動進入到前述儲液裝置內部的垂直磁鐵，其藉由在垂直方向上移動進入前述儲液裝置。
理想的，前述磁鐵為水平磁鐵，其能夠在水平方向上相對於前述儲液裝置移動。
理想的，前述磁鐵為垂直磁鐵，其能夠在垂直方向上相對於前述儲液裝置移動。
理想的，前述磁鐵包含水平磁鐵及垂直磁鐵，前述水平磁鐵能夠在水平方向上相對於前述儲液裝置移動，並且前述垂直磁鐵能夠在垂直方向上相對於前述儲液裝置移動。
理想的，前述儲液裝置為儲液罐。
理想的，前述儲液罐中設置有一次性袋子。
理想的，前述攪拌槳具有螺旋推進式槳葉，並且包含在一個槳軸上安裝的兩套方向相反的槳葉。
理想的，前述磁鐵由強磁鐵組成，以快速吸附磁性顆粒。
理想的，前述磁鐵包含水平磁鐵及垂直磁鐵，並且前述磁鐵執行機構包含水平磁鐵執行機構及垂直磁鐵執行機構。
理想的，其中前述垂直磁鐵能夠被前述垂直磁鐵執行機構操縱，以進入或者退出前述儲液裝置。
理想的，攪拌系統由可調速的電機自動控制旋轉的速度，以不同的速度來控制槳葉的旋轉。
理想的，前述液路系統的管路由不沾磁珠的材質製成，以減少磁珠的損失。
根據本發明另一個方面，提供一種純化生物樣品的方法，其特徵係其包含將含有目標成分的生物樣品及能夠結合前述目標成分的磁珠注入根據以上所述的大規模的磁力純化系統的儲液裝置中利用前述大規模的磁力純化系統進行純化處理的步驟。
理想的，其中單次注入前述儲液裝置進行純化的生物樣品範圍為100mL~10000L，理想為1L~1000L，更理想為10L~500L。
大規模磁珠純化時，磁珠直接與培養液自由接觸，不需要進行裝柱，没有定向流動純化所帶來的缺陷：大規模磁珠純化所有的抗體及磁珠接觸的概率是一樣的，而樹脂純化是從前往後依次接觸，從接觸概率上前級高，後級低，前級收集抗體的先飽和，接著再後級飽和，如此前級的抗體聚集的量會比後級高，從而造成抗體的不一致性。用過的磁珠再次利用時，所有磁珠的損耗是均等的，所以用量更容易控制，而樹脂前級先損耗，後級後損耗，所以存在不一致性。
大規模磁珠純化同樣的培養液體積，所需要的時間是樹脂純化的1/4甚至更低。
以解決習知的樹脂純化技術耗材成本高，操作時間長，工序繁雜的問题，利用本發明的大規模磁力純化系統能夠容易實現大通量的樣品處理並能降低耗材的投入，縮短純化的週期。
解決傳統工藝耗時、成本較高、將傳統工藝由複數個步驟(離心、深層過濾、除菌過濾、層析、洗脫)簡化為新工藝(孵育、洗 脫)、人工成本顯著降低、物料成本顯著降低。
可以降低GMP車間空間及場地的使用。
圖式中例示性地示出根據本發明的理想實施例的大規模磁力純化系統及零件。各圖式僅為例示性說明，其比例不必要一致。
【圖1】示出根據本發明的例示性實施例的磁力純化系統的水平移動磁鐵及水平磁鐵執行機構。
【圖2】示出根據本發明的例示性實施例的磁力純化系統中的罐體。
【圖3】示出根據本發明的例示性實施例的磁力純化系統中的垂直移動磁鐵、垂直磁鐵執行機構及攪拌系統。
【圖4】示出根據本發明的例示性實施例的磁力純化系統中的部分電磁閥、泵及管路。
【圖5】示出根據本發明的例示性實施例的磁力純化系統的整體結構。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術手段，以下將對照圖式說明本發明的具體實施方式。顯而易見地，以下描述中的圖式僅僅是本發明的一些例示性實施例。
根據本發明，如圖5所示，提供一種大規模磁力純化系統，主要包含儲液裝置、攪拌系統、磁鐵及磁鐵執行機構。在此理想實施 例中，儲液裝置、攪拌系統、磁鐵及磁鐵執行機構均安裝在框架結構上。此外，大規模磁力純化系統亦可以包含泵閥系統，以實現液體的供給及排出。
儲液裝置用來提供磁珠從溶液中提取蛋白或其他待提取物質的場所，例如為儲液罐。儲液罐的容積可以從數升到上萬升；理想的，其容積大於等於10升。儲液罐中可放入一次性袋子。儲液用的一次性袋子可以採用不沾磁珠的材質，內部帶有可以噴淋黏在壁上的殘餘溶液及磁珠的噴淋裝置。一次性袋子可以具有與儲液罐的內壁完全貼合的形狀。
圖2示出一個例示性的儲液裝置，其可以為儲液罐，其容量約為10升。在其他實施例中，其容量可以更大，例如10升至1000升。儲液裝置的形狀可以為圓形，或者方形，例如其四周採用方形的邊，但內部的容器四壁採用圓弧過渡。容器可以採用不被磁化的不鏽鋼材質，容器底部採用傾斜的角度。
理想的，儲液用的一次性袋子採用不沾磁珠的材質，形狀是根據儲液裝置的形狀定製而成，可以最大限度保證磁珠被吸附時離磁鐵最近。其內部帶有可以噴淋黏在壁上的殘餘溶液及磁珠的噴淋裝置，可以提升磁珠的回收率，同時提升系統的潔淨度，降低純化樣品被感染的風險。
理想地，承載袋子的容器形狀四周可以採用方形的邊，確保磁鐵在吸附磁珠時可以完全貼合容器。如此磁鐵的最有效距離可以被利用。容器四壁之間採用圓弧過渡，袋子的形狀與容器的形狀相匹配，使得在一次性袋子放入容器時很容易放入，並且不會形成褶皺，保障磁珠的回 收率。容器採用不被磁化的不鏽鋼材質，可以確保磁珠在磁場撤離時能夠自由的混合在溶液中。容器底部採用傾斜的角度，可以降低溶液最後的殘餘體積，同時可以提升小體積時液面的高度，如此可以在小體積洗脫時能夠最大限度地利用磁鐵的磁力。
圖3示出攪拌槳安裝模組及攪拌驅動電機的安裝位置示意圖。該圖同時亦示出垂直磁鐵(例如磁棒)、導軌及垂直驅動電機等。
攪拌系統採用可以調速的電機自動控制旋轉的速度，可以用不同的速度來控制槳葉的旋轉，分别用於不同的情况。例如在混勻時用較高的轉速，可以快速混勻，而在磁珠吸附時可以用較低的速度，既能夠達到混勻的效果，又可以保證磁珠不被槳葉的旋轉擾動。同時槳葉可以正反向旋轉，可以更大限度地提升混勻的效果。
一次性袋子內置的攪拌系統可以採用不鏽鋼的攪拌槳，攪拌槳位於袋子的頂面正中。攪拌系統採用可以調速的電機自動控制旋轉的速度，同時槳葉可以正反向旋轉。底部出液管固定於袋子底部。進液口採用分流的方式進入袋子。一次性袋子可以採用透明材質。
可以最大限度地提升槳葉的尺寸，槳葉的形狀採用螺旋推進式槳葉，同時在一個槳軸上安裝兩套方向相反的槳葉，可以增加溶液的擾動，在攪拌溶液時，用盡可能低的轉速，盡可能高的提升液體混合的效果。降低後的槳葉速度，可以減少槳葉邊缘對溶液中的有效分子產生的剪切力，最大限度地保存最終收集品的活性。底部出液管固定於袋子底部，固定的方式可以確保排液時磁珠不會被排出，同時廢液可以最大限度地排除。進液口採用分流的方式進入袋子，雜質較多，粒徑較大的溶液從寬口 徑中進入，試劑等潔淨溶液從噴淋管路中進入，可以潤洗管路，同時不會對管路造成堵塞。一次性袋子採用透明材質，可以方便用戶在工藝流程中觀察溶液中的反應情况。
攪拌系統可以位於儲液裝置的上方。攪拌系統中的攪拌槳可以深入到儲液裝置內部，用於將混合液攪拌均勻。
液路系統連接儲液裝置及液體源，例如試劑瓶或者試劑管路。液路系統的管路中可以設置有吸排液用的泵及閥門，用於將溶液供應到儲液裝置，或者從儲液裝置中排出。
圖1示出例示性的水平移動磁鐵及水平磁鐵執行機構。儲液裝置外部設置有磁鐵執行機構，例如磁鐵移動裝置，用於提供磁鐵的靠近及遠離，從而施加磁場及撤離磁場。藉由控制驅動電機的旋轉，帶動傳動螺桿旋轉來驅動磁鐵架沿著直線導軌的方向來回運動，從而控制磁場的施加及撤離。
磁鐵包含水平磁鐵及垂直磁鐵，磁鐵可以由強磁鐵構成，以快速吸附磁性顆粒或磁珠。例如，在一種實施方式中，磁鐵可以由目前市面上磁力比較強的N52磁鐵組成，磁場強度可以達到5000Gs以上。磁鐵的佈局可以採用同平面同極性的佈局方式，如此可以確保磁場的方向都是與容器的貼合面垂直。磁鐵可固定在能夠移動的磁鐵執行機構上，以實現磁鐵相對於儲液罐的位置控制。理想地，水平磁鐵可設置成以與儲液罐外壁完全貼合的形狀分布。磁鐵可以鋪滿整個罐體可接觸的地方，並且預留適當間隙。
根據本發明的一種實施方式，磁鐵為水平磁鐵，其能夠在 水平方向上相對於儲液裝置移動。根據本發明的另一種實施方式，磁鐵為垂直磁鐵，其能夠在垂直方向上相對於儲液裝置移動。根據本發明的再一種實施方式，磁鐵包含水平磁鐵及垂直磁鐵，水平磁鐵能夠在水平方向上相對於儲液裝置移動，並且垂直磁鐵能夠在垂直方向上相對於儲液裝置移動。
為了實現有效的磁性吸附及釋放，可以藉由水平移動，或者垂直移動，或者垂直及水平同時協同作用來控制磁鐵相對於儲液罐的靠近及遠離。例如，可垂直移動如圖3所示的垂直磁鐵(例如磁棒)進入儲液裝置，以吸附靠近磁棒附近的磁珠；可水平移動如圖1所示佈置的水平磁鐵，以吸附靠近磁鐵附近的磁珠。進入儲液裝置的垂直磁鐵可以隔著前述一次性袋子吸附磁珠。
在一些實施例中，磁鐵執行機構採用滾珠螺桿，向兩邊對拉的對稱工作方式。滾珠螺桿比其他的傳動方式具有噪音小，振動幅度小，壽命長的優勢，運用在系統中可以提升磁珠被磁鐵吸附後的穩定性，能夠減少磁珠在吸附之後排液的損失率。
圖4示出液路系統中的部分電磁閥、泵及管路。
液路系統管路採用不沾磁珠的材質，減少磁珠的損失。管路切換時例如可以採用8孔閥，可以減少試劑之間相互污染的風險。加液泵採用脈衝控制的電機驅動，可以精確注入或排出預期的體積。控制系統用來連接液路系統中的泵及電磁閥的電氣部分，負責驅動泵及閥的動作。控制系統亦可以控制磁鐵執行機構。
在控制系統中，所有的執行機構皆可採用程序自動控制， 減少人工的干預，同時過程數據經過AD採集進入系統，保證數據的即時記錄及儲存。控制過程中可以優化泵的轉速，採用閉環控制，可以提升系統加液及排液的精度，對於試劑酸鹼度的調定也可以更加準確及迅速。採用集成式的人機界面，可以將用戶經常使用的參數進行載入，提升生產的效率。
根據本發明的大規模的磁力純化系統的例示性操作如下所述。
1.泵入磁珠
a)將25%磁珠混合液泵入反應容器中，用平衡緩衝液沖洗磁珠，攪拌之後，藉由控制磁鐵執行機構移動磁鐵，使得磁鐵靠近容器，將磁珠完全吸附，用管路排除上清，重複用平衡緩衝液沖洗2~3次，排除上清。
2.磁珠消毒
a)將0.1M的NaOH 3CV泵入反應容器，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附，用管路排除上清，再次加入0.1M的NaOH 3CV，浸泡30Min以上，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附後，用管路排除上清。
3.磁珠平衡
a)將平衡緩衝液3~5CV泵入反應容器中，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附後，用管路排除上清，重複用平衡緩衝液沖洗5~3次，排除上清。每次2~5Min。
4.發酵液孵育
a)將細胞培養液泵入反應容器中，一直攪拌，持續2h
5.洗雜
a)將平衡緩衝液3~5CV泵入反應容器中，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附後，用管路排除上清，重複用平衡緩衝液沖洗5~3次，排除上清。每次2~5Min。
6.洗脫
a)將洗脫緩衝液5CV泵入反應容器中，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附後，收集洗脫液，重複3次。
7.磁珠消毒
a)將0.1M的NaOH 3CV泵入反應容器，攪拌之後，移動磁鐵，將磁珠完全吸附，用管路排除上清，再次加入0.1M的NaOH 3CV，浸泡30Min以上，攪拌之後，移動磁鐵裝置，將磁珠完全吸附後，用管路排除上清。
8.磁珠收集
a)將2CV 0.01M NaOH或20%乙醇泵入反應容器，攪拌之後，用管路收集磁珠溶液，再次泵入2CV 0.01M NaOH或20%乙醇泵入反應容器，攪拌之後，用管路收集磁珠溶液，收集泵出磁珠混合液保存於2~8℃。
根據本發明的大規模的磁力純化系統的例示性應用實例如下所述。
與傳統的樹脂相比，基於磁珠的大規模純化顯著提高純化效率，節約時間及人力。
以200L的發酵液純化為例，基於磁珠的純化方式節省下罐及深層過濾的操作及時間，同時節省蛋白A柱的上樣時間。從6天節省 至4天，單批次純化節省5~7個人工(FTE)。
Figure 108138704-A0202-12-0012-1
應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本發明的理想實施方式，應當指出，對於所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明原理的前提下，進一步可以做出若干變化及改進，這些變化及改進也應視為落入本發明的保護範圍。

Claims (12)

  1. 一種大規模的磁力純化系統，其特徵係其包含：儲液裝置，能夠藉由液路系統與液體源及廢液桶連接；安裝在儲液裝置上方的攪拌系統，前述攪拌系統的攪拌槳插入前述儲液裝置進行攪拌；安裝在儲液裝置周圍的磁鐵；用於操縱磁鐵遠離或接近儲液裝置的磁鐵執行機構；及控制系統，前述控制系統與液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統連接，並控制液路系統、磁鐵執行機構及攪拌系統；其中，前述磁鐵包含水平磁鐵及垂直磁鐵，前述水平磁鐵能夠在水平方向上相對於前述儲液裝置移動，並且前述垂直磁鐵能夠在垂直方向上相對於前述儲液裝置移動。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，進一步設置有能夠移動進入到前述儲液裝置內部的垂直磁鐵，其藉由在垂直方向上移動進入前述儲液裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述儲液裝置為儲液罐。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述儲液罐中設置有一次性袋子。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述攪拌槳具有螺旋推進式槳葉，並且包含在一個槳軸上安裝的兩套方向相 反的槳葉。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所載之大規模的磁力純化系統，其中，前述磁鐵由強磁鐵組成，以快速吸附磁性顆粒。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述磁鐵執行機構包含水平磁鐵執行機構及垂直磁鐵執行機構。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述垂直磁鐵能夠被前述垂直磁鐵執行機構操縱，以進入或者退出前述儲液裝置。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，攪拌系統由可調速的電機自動控制旋轉的速度，以不同的速度來控制槳葉的旋轉。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所記載之大規模的磁力純化系統，其中，前述液路系統的管路由不沾磁珠的材質製成，以減少磁珠的損失。
  11. 一種純化生物樣品的方法，其特徵係其包含將含有目標成分的生物樣品及能夠結合前述目標成分的磁珠注入如申請專利範圍第1至10項中任一項所記載之大規模的磁力純化系統的儲液裝置中利用前述大規模的磁力純化系統進行純化處理的步驟。
  12. 如申請專利範圍第11項所記載之方法，其中，單次注入前述儲液裝置進行純化的生物樣品範圍為100mL~10000L。
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