管式离心机用于白介素－ ２纯化工艺的改进

摘要： 以重组白介素－ ２（ＩＬ－ ２）发酵液和菌体破碎收集液为材料， 根据台式离心机和管式离心机的换算公式， 求得了管式离心机的校正参数， 并讨论处理量对管式离心机的实际利用率和离心沉淀湿重的影响， 结果表明管式离心机分离细胞破碎液的最佳处理量为 １Ｌ／ｍｉｎ， 操作时间只有台式离心机的 １／２０； 分离菌液的最佳处理量为 ３Ｌ／ｍｉｎ， 操作时间只有台式离心机的 １／１８。
　　关键词： 管式离心机； 实际利用率； 处理量
　　中图分类号： ＴＱ０５１．８＋４       文献标识码： Ｂ   文章编号： １００５－ ８２６５（２００６）０３－ ００３４－ ０３
　　１ 前言
　　重组白介素－ ２（ＩＬ－ ２） 基因工程菌生产工艺中， 发酵后收集菌体和细胞破碎后收集包含体都是采用台式离心机 （Ｂｏｔｔｌｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｓ）［１］， 每批次的处理量只有几升， 每次离心时间为 １５～３０ ｍｉｎ．。由于准备将生产量扩大数倍， 如继续使用原台式离心机进行分离， 则操作时间将大大延长， 加大了生产成本， 也限制了生产规模的扩大。与原台式离心机相比， 管式高速离心机具有连续操作、方便的优点， 故拟采用管式离心机（Ｔｕｂｕｌａｒｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｓ）进行离心试验， 选择最佳操作条件， 从而缩短生产周期， 降低生产成本。
    ２ 换算公式和实验材料及过程
    ２．１ 换算公式
    由斯托克斯重力沉降速度［２］：
          
          
    式中， Ｑｔ 是管式离心机的实际处理能力， ξ是实际处理能力和理论处理能力之间的校正参数， Ｌ 是管式离心机转筒长度， ｒｔ 是管式离心机内径， ωｔ 是管式离心机的旋转角速度。
            
     ２．２ 实验设备和材料
     大容量冷冻式离心机 ＬＣ－ ６Ｂ 型（ 台式）， 高速离心机 ＣＲ－ ２１ 型（ 台式）， 管式离心机 ＧＱ７５ 型，蠕动泵ＺＧ６０－ ６００ 型， 电子天平。
    实验材料是本公司重组白介素－ ２ 基因工程菌按照工艺条件发酵后的菌液和按照工艺条件对菌体破碎的收集液。
     ２．３ 实验过程
     ２．３．１ 破碎后收集液的离心实验
     高速离心机的批处理体积 Ｖｂ 为 １ Ｌ， 转速 Ｎｂ 为１０ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 离心时间 ｔｂ 为 １５ ｍｉｎ， 批辅助时间 ｔｗ 为５ｍｉｎ， ｒｂ１、ｒｂ２ 分别为 ０．１３８ ｍ 和 ０．８５５ ｍ； 管式离心机的处理体积 Ｖｔ 也为 １ Ｌ， 转速为 ２０ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 采用蠕动泵控制破碎收集液进入管式离心机的流量 （ 即管式离心机的实际处理量 Ｑ） 为 ０．５、 ０．７、０．８、１．０、１．２、１．５、２．０Ｌ／ｍｉｎ， 将收集得到的沉淀， 用电子天平称重， 即为包含体湿重（Ｍｉ）。
     ２．３．２ 菌液的离心实验
     大容量冷冻离心机的批处理体积 Ｖｂ 为 ６ Ｌ， 转速Ｎｂ 为 ４ ２００ ｒ／ｍｉｎ， 离心时间 ｔｂ 为 ３０ ｍｉｎ， 批辅助时间ｔｗ 为 ６ ｍｉｎ， ｒｂ１、ｒｂ２ 分别为 ０．２５４ ｍ 和 ０．１１６ ｍ； 管式离心机的处理体积 Ｖｔ 也为 ６ Ｌ， 转速为 ２０ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 采用蠕动泵控制菌液的进入管式离心机的流量 （即管式离心机的处理量 Ｑ） 为０．５、０．８、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ Ｌ／ｍｉｎ，将不同流量下收集得到的菌体用ＴＥ （ ０．０５ ｍｏｌ／Ｌ 的Ｔｒｉｓ－ ＨＣｌ， １ ｍｏｌ／Ｌ ＥＤＴＡ， ｐＨ８．２） 悬浮洗涤两次， 离心弃上清， 沉淀用电子天平称重， 即为菌体湿重（Ｍｅ）。
     ３ 结果与处理
     ３．１ 破碎后收集液的离心结果
     ３．１．１ 处理量对离心结果的影响
     以处理量 Ｑ 为横坐标， 不同处理量所得的包含体湿重 Ｍｉ 为纵坐标作图， 结果见图 １。
     由图 １ 可见， 在小于 １．０ Ｌ／ｍｉｎ 范围内， 随处理量逐渐增大， 包含体湿重量几乎不变， 而随着处理量超出１．０ Ｌ／ｍｉｎ 后继续增大， 包含体湿重逐渐减少， 这是由于处理量已经超出管式离心机的实际处理能力， 导致有部分包含体没有被彻底分离就流出离心机。因此认为 １．０ Ｌ／ｍｉｎ 就是管式离心机分离包含体的实际处理能力， 即此时的实际利用率 η为 １００％。
                      
     将数据代入式（１０）， 可计算得到管式离心机的校正系数 ξ为 ０．７８。
   将所得校正系数 ξ值， 代入式（１１）， 可求得不同处理量下的实际利用率 η， 处理量和 η的关系见图 １。由式（１０） 和图 １ 可知， 当处理量从 ０．５ Ｌ／ｍｉｎ 线性增大至 １．０ Ｌ／ｍｉｎ， 实际利用率也相应从 ５０％线性增大至１００％， 故最佳的处理量为 １．０ Ｌ／ｍｉｎ。
   ３．１．２ 经济性分析
   将高速离心机的批处理体积（Ｖｂ） 和处理时间（ｔｂ、ｔｗ） 代入式 （７）， 可计算得到该离心机的处理量约为０．０５ Ｌ／ｍｉｎ。
   以破碎收集液 ８ Ｌ 计， 离心机的总离心时间为１６０ ｍｉｎ， 而管式离心机的离心时间只有 ８ ｍｉｎ， 是前者的 １／２０； 二者的功率相当， 故采用管式离心机的能耗只有高速离心机的 １／２０。
   ３．２ 菌液的离心结果
   ３．２．１ 处理量对离心结果的影响
   根据式（１１）， 代入已求得的校正系数值和大容量冷冻离心机数据， 计算出管式离心机在不同处理量下的实际利用率。以处理量 Ｑ 为横坐标， 不同处理量所得的菌体湿重 Ｍｅ 和实际利用率 η为纵坐标作图， 结果见图 ２。
                    
     由图 ２ 可见， 随着处理量的逐渐增大， 管式离心机的实际利用率随之逐渐增大， 而菌体湿重量几乎不变。由于该设备的限制（设计处理能力为０．３～３．３ Ｌ／ｍｉｎ）， 故确定管式离心机离心菌液的的最佳处理量为 ３ Ｌ／ｍｉｎ。
     ３．２．２ 经济性分析
    将大容量冷冻式离心机的批处理体积（Ｖｂ） 和处理时间（ｔｂ、 代入式（７）， 可计算得到该离心机的处理量 ｔｗ）约为 ０．１７ Ｌ／ｍｉｎ。
    以菌液１２０ Ｌ 计， 大容量冷冻式离心机的总离心时间为７２０ ｍｉｎ（１２ ｈ）， 而管式离心机的离心时间只有 ４０ｍｉｎ，是前者的 １／１８； 二者的功率均为１．２ ｋＷ， 故采用管式离心机的能耗只有大容量冷冻式离心机的 １／１８。
      ４ 结论
     ＧＱ７５ 型管式离心机的校正系数为 ０．７８， 用于破碎收集液离心分离 ＩＬ－ ２ 包含体的最佳处理量为 １．０Ｌ／ｍｉｎ； 在该处理量下， 离心时间和能耗都是 ＣＲ－ ２１ 型高速离心机的 １／２０。
     ＧＱ７５ 型管式离心机用于 ＩＬ－ ２ 菌液离心的最佳处理量为 ３Ｌ／ｍｉｎ； 在该处理量下， 离心时间和能耗都是ＬＣ－ ６Ｂ 型大型冷冻离心机的 １／１８。