JP4651987B2

JP4651987B2 - 細胞破砕装置及びその温度制御方法

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Publication number: JP4651987B2
Application number: JP2004226605A
Authority: JP
Inventors: 修二安井
Original assignee: YASUI KIKAI CORPORATION
Current assignee: YASUI KIKAI CORPORATION
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-08-03
Also published as: JP2006042657A

Description

本発明は、微生物、植物の組織や種子類、動物の組織、鉱物材料などの試料を分析・分画分離するために、破砕容器に試料を破砕媒体と共に収容し、破砕容器に振動を加えて試料を破砕する細胞破砕装置及びその温度制御方法に関するものである。

試料を破砕するために破砕装置が用いられ、試料と破砕媒体とを収容した破砕容器に振動を加えることにより、試料に破砕媒体が衝突することによる圧縮と回転による磨砕とによって試料を破砕する。

このような破砕装置として、試料と破砕媒体とを収容した破砕容器に８の字状の振動を加えることにより、効率的且つ安定した試料の破砕を行うことができる破砕装置を本願出願人は先に提案している（特許文献１参照）。また、破砕効率及び安定化の向上を図るために、細長い破砕容器の軸心に沿った姿勢を維持して軸心方向に相対移動する形状、寸法の単一の破砕媒体を用いた破砕装置（特許文献２参照）などを本願出願人は提案している。

図１０は、上記破砕装置の構成を示すもので、回転軸８にその軸芯に対して軸芯が傾斜した傾斜軸体１１を設け、傾斜軸体１１に相対回転自在に環状体１５を外嵌させると共に、この環状体１５に取り付けられた磁石１６と、これに対極する固定磁石１８とにより環状体１５の回転を弾性的に拘束し、環状体１５に取り付けられた環状保持体２０の外周部に破砕媒体３２と試料とを収容した細長い破砕容器３０を環状保持体２０の軸芯と平行な姿勢で保持できるように構成したものである。前記回転軸８を図外のモータにより回転駆動すると、破砕容器３０にはその軸芯方向の比較的長い行程の主往復移動とそれに直交する方向の比較的短い行程の副往復移動とが組み合わされた８の字状の往復振動が加わり、破砕媒体３２が相対回転しながら破砕容器３０の底部に衝突することにより、破砕容器３０が乳鉢、破砕媒体３２が乳棒のように作用して、試料が植物組織や動物組織、あるいはプラスチック材料や鉱物材料であっても効率的に破砕することができる。
特開２０００−０２３６６０号公報（第３〜５頁、図１）特開２００１−１７８４４４号公報（第３〜５頁、図２）

上記細胞破砕装置において、破砕容器３０に試料と破砕媒体とを収容して振動を加えると、破砕に伴う熱の発生や装置の温度上昇により、試料の種類によっては熱による変質を来し、例えば、細胞内の熱変成を受けやすい物質の回収ができなくなったり、分析等の作業に支障を及ぼす問題があり、所定の温度条件のもとで細胞破砕を行うことができる細胞破砕装置が要求されていた。

本発明が目的とするところは、所定の温度条件下で細胞破砕が実施できるようにした細胞破砕装置及びその温度制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本願第１発明に係る細胞破砕装置は、有底筒状に形成された外筒内に内筒を所定間隔を隔てて配置した両筒間に冷媒が循環するように形成された冷却容器に、試料と破砕媒体とを投入した細長い破砕容器を前記内筒内に保持し、前記破砕容器にその軸方向及びそれと交差する方向に往復振動が加わるように振動させ温度検出手段によって検出した前記冷媒の温度が所定の値以上であった場合は、前記往復振動の振動回数を変化させることを特徴とする。

上記構成によれば、試料を収容した破砕容器は冷却容器に収容されて冷媒によって冷却されるので、破砕に伴う温度上昇や周囲温度の上昇にかかわらず温度上昇が抑制され、試料に熱による変質を生じさせることなく破砕を行うことができる。

上記構成において、内筒は、破砕容器の外面と所定間隔を隔てる内径に形成され、破砕容器と熱伝導液を介して接触するように構成することにより、破砕容器は熱伝導液を介して内筒に熱結合した状態になるので、破砕容器の温度は速やかに内筒に伝導して冷却される。前記熱伝導液は、水又は不凍液がコンタミネーションの発生などを防止する上で好適である。

また、冷却容器は円環状に形成された環状保持体の円周上に複数個を固定し、温度制御手段から供給される冷媒を各冷却容器に並列供給する冷媒配給部を前記環状保持体上に設けることにより、複数の破砕容器について冷却しながら破砕を行うことができる。

また、内筒内の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段による検出温度に基づいて外筒内への冷媒の温度又は循環を制御する温度制御手段とを設けることにより、破砕容器を設定した温度に温度制御して破砕を行うことができる。

また、回転駆動される回転軸に、その軸心に対して軸心の傾斜した傾斜軸部を設け、この傾斜軸部に環状体を相対回転自在に外嵌させると共に、この環状体の回転を拘束する回転拘束手段を設け、前記環状体に冷却容器を保持した環状保持体を取り付けることにより、効率的な破砕を実施することができる。

また、本願第２発明に係る細胞破砕装置の温度制御方法は、有底筒状に形成された外筒内に内筒を所定間隔を隔てて配置した両筒間に冷媒が循環するように形成された冷却容器に、試料と破砕媒体とを投入した細長い破砕容器を前記内筒内に保持し、前記冷媒の温度が所定値以上になった時は、破砕容器に加える往復振動の振動速度又は駆動／停止を制御することを特徴とするものである。この温度制御方法により、破砕に伴って破砕容器が温度上昇したとき、破砕するための振動速度を低下させる制御あるいは振動を停止する制御により所定温度以上に温度上昇することが防止され、破砕容器に収容された試料は破砕に伴う温度上昇により変質を生じることなく破砕される。

上記温度制御方法における破砕容器の温度は、冷却容器に供給される冷媒の温度と、冷却容器から排出される冷媒の温度との差、あるいは内筒と破砕容器との間に介在させた熱伝導液の温度、あるいは冷媒の温度から検出することができる。

本発明によれば、試料を収容した破砕容器は冷却容器に収容されて冷媒によって冷却されるので、破砕に伴う温度上昇や周囲温度の上昇にかかわらず温度上昇が抑制され、試料の熱による変質を生じさせることなく破砕を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、従来技術と共通する構成要素には同一の符号を付している。

図１は、実施形態に係る細胞破砕装置１の全体構成を示すもので、外装体２内に配置されたケーシング２９に防振コイル４を介して吊設されたベース板４０に、モータ５ａや減速機５ｂからなる駆動手段５が垂下状態に支持され、その出力軸が軸継手６を介してベース板４０上に配設された軸受部７により鉛直な軸心回りに回転自在に支持された回転軸８に連結されている。詳細は後述するが、ケーシング２９内には回転軸８に接続して破砕機能部５０が配設されている。また、外装体２の上方に開口するケーシング２９の開口部は開閉可能に扉９によって閉じられている。また、外装体２内には制御装置４４や操作部４５、温度制御部４６（図５）が配設され、操作部４５の外部に配置された操作パネル４５ａから当該細胞破砕装置１の運転を操作することができる。

図２は、前記破砕機能部５０の構成を断面図として示すもので、回転軸８の上部には、その軸心に対して軸心が角度θに傾斜した状態で傾斜軸体１１が嵌合され、傾斜リング１２を介して回転軸８の上端部に螺合したナット１３にて押圧固定されている。傾斜軸体１１の外周には軸受１４を介して相対回転自在に環状体１５が装着されている。前記環状体１５の側面には磁石１６が取り付けられ、この磁石１６に対向するように対極磁石１８がブラケット１７に取り付けられている。磁石１６と対極磁石１８とは、異極が対向するようにして異極間吸引によって環状体１５の回転を拘束する。磁石１６と対極磁石１８との間の対向間隔距離は、環状体１５の振れ運動により変化するので、複数位置に磁石１６及び対極磁石１８を対向配置するのが好ましい。

前記環状体１５には破砕容器３０（図４）を保持する環状保持体２０が着脱交換可能に取り付けられる。環状保持体２０は破砕容器３０のサイズ毎に複数種類が用意され、小さいサイズの破砕容器３０の場合では円周上に多数を直接保持して同時に破砕処理を行うことができるが、本実施形態における環状保持体２０では、比較的大きいサイズの破砕容器３０を冷却しながら破砕処理できるように、冷却容器６１を介して破砕容器３０を保持するように構成されている。

図３に示すように、本実施形態に係る環状保持体２０は、３箇所に冷却容器６１が取り付けられ、各冷却容器６１に冷媒を分配循環させる冷媒分配部５９が取り付けられ、取付穴２０ａにより環状体１５に取り付けられる。前記冷却容器６１は、図４に示すように、外筒６２の内側に所定間隔を隔てて内筒６３が固定され、外筒６２と内筒６３との間に形成された閉鎖空間に冷媒を循環させ得るように外筒６２に冷媒供給口６４と冷媒排出口６５とが設けられている。３箇所の各冷却容器６１それぞれの冷媒供給口６４及び冷媒排出口６５は冷媒分配パイプ６６によって冷媒分配部５９に並列接続されている。

前記冷媒分配部５９から引き出された冷媒供給パイプ７０ａ、冷媒排出パイプ７０ｂは、図１、図２に示すように、ケーシング２９の底面に取り付けられた中継部６９に着脱可能に中継され、外装体２に取付けられた接続口８０ａ、８０ｂから図外の温度制御部４６に接続されている。前記温度制御部４６は、図５に示すように、冷媒を設定された所定温度に冷却する冷媒冷却装置４６ａと、冷媒を冷媒分配部５９に供給する冷媒ポンプ４６ｂと、中継部６９に設けられた温度センサ６７によって検出された冷媒の温度に基づいて冷媒温度が設定温度になるように制御する温度制御装置４６ｃとを備えて構成され、操作部４５から設定入力される冷却温度が得られるよう温度制御を実行する。

温度制御部４６から供給される冷媒は前記接続口８０ａから冷媒供給パイプ７０ａ、中継部６９を経て冷媒分配部５９に送給され、冷媒分配部５９で３分岐されて冷媒分配パイプ６６から各冷却容器６１の冷媒供給口６４に供給される。冷却容器６１で熱交換して温度上昇した冷媒は冷媒排出口６５から冷媒分配部５９、冷媒排出パイプ７０ｂ、中継部６９を経て前記接続口８０ｂから温度制御部４６に戻されて冷媒冷却装置４６ａにより冷却されて再循環される。前記中継部６９には冷媒供給パイプ７０ａとの接続部及び冷媒排出パイプ７０ｂとの接続部にそれぞれ温度センサ６７が設けられているので、供給側及び排出側の冷媒温度を検出することができ、検出された冷媒の温度差から冷却温度を制御することができる。温度制御方法については後述する。

冷却容器６１の内筒６３内には水又は不凍液からなる熱伝導液が注入され、その中に試料と破砕媒体とを投入した破砕容器３０を収容して、冷却容器６１の開口部はキャップ６０によって閉じられる。

上記破砕容器３０は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、細長い円筒容器から成り、その開口部外周にねじ３０ａが形成され、開口部に蓋体３１を螺合して密閉できるように構成されている。破砕容器３０は、試料の材質や量に応じて２ｍｌ〜５０ｍｌの容積のものが用いられ、環状保持体２０もこの破砕容器３０の大きさに応じた冷却容器６１が装着できるように構成される。

また、破砕容器３０内に試料とともに収容される破砕媒体３２は、図７、図８に示すように、破砕容器３０の内径Ｄより大きい長さＬの単一部材にて構成されたものが使用でき、その一端部に破砕容器３０の底部形状に対応して載頭円錐状又は載頭円球状の突出端部３２ａが形成されている。また、他端部は、蓋体３１の内周の環状シール部３１ａと干渉したり、嵌まり込むことがないように小径部３２ｂに形成されている。また、破砕媒体３２の外径ｄは、破砕容器３０の内径Ｄに対して２ｍｍ以下、内径ｄが小さい場合には１ｍｍ以下程度小さく設定されている。例えば、破砕容器３０の容量が２ｍｌの場合で、その内径Ｄは８ｍｍ、破砕媒体３２の外径ｄは７ｍｍに設定されている。また、図７（ｂ）（ｃ）及び図８（ｂ）（ｃ）に示すように、破砕媒体３２の突出端部３２ａには必要に応じて放射状又は螺旋状に１又は複数の溝３４が形成されたものを用いると、植物繊維などのように破砕され難い試料を切断しながら破砕することができる。

被破砕物が微生物の場合においては、破砕媒体３２は上記のごとき単一部材のものでなく、グラスビーズ、ジルコニアビーズなど多数小球を用いるのが好適で、微生物とビーズとが効率よく混合されて良好な破砕を得ることができる。

環状保持体２０に試料と破砕媒体３２とを収容した破砕容器３０を装着して細胞破砕装置１を運転させ、回転軸８を例えば１２００〜２８００ｒ／ｍｉｎで高速回転させると、回転する傾斜軸体１１に相対回転自在に外嵌された環状体１５は傾斜軸体１１と共に回転しようとするが、磁石１６及び対極磁石１８によって共回転が拘束されているので、回転軸８が１回転する毎に環状体１５は軸心方向両側に振れ運動する。

このとき、環状体１５の任意の点は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、８の字状に移動することになる。即ち、図９（ａ）に実線で示すように、環状体１５が紙面の上下方向に傾斜した状態を基準位置として、そのときの環状体１５の外周上におけるａ点位置の挙動を見てみると、実線位置から回転軸８が矢印方向に９０度回転すると、環状体１５は仮想線で示すように紙面の表裏方向に傾斜した状態に移行し、その間ａ点に対応していた位置は経路ｂを経てｃ点に移動する。回転軸８が更に９０度回転すると、環状体１５は図９（ｂ）に実線で示すように、紙面の上下方向で且つ逆向きに傾斜した状態に移行し、ａ点に対応していた位置はｃ点から経路ｄを経て元のａ点に戻る。更に回転軸８が９０度回転すると、環状体１５は仮想線で示すように紙面の表裏方向に逆向きに傾斜した状態に移行し、ａ点に対応していた位置は経路ｅを経てｆ点に移動し、更に回転軸８が元の回転位置まで９０度回転すると、ａ点に対応していた位置はｆ点から経路ｇを経て元のａ点に戻る。

従って、環状体１５に取り付けられた環状保持体２０に保持された破砕容器３０は、回転軸８の回転に伴って８の字状の振動形態により振動が加えられ、破砕容器３０内では試料に破砕媒体３２が効果的に衝突し、その衝撃によって試料は速やかに且つ均一に細胞破砕される。特に、図７及び図８に示した破砕容器３０の底部形状に対応する先端形状を備えた破砕媒体３２では、破砕容器３０の軸心にほぼ沿った姿勢を保持したまま相対回転しながら破砕容器３０の底部に衝突する動きを繰り返し、破砕容器３０が乳鉢、破砕媒体３２が乳棒のように作用するので、試料が大型の植物細胞や動物組織などであっても効率的に破砕がなされる。

破砕が実施されると破砕媒体３２の摩擦や衝突、更には装置の稼動に伴う温度上昇などにより試料に温度上昇が生じる。温度上昇が問題とならない試料の場合は必要ないが、温度上昇により変質が生じる恐れがある試料の場合には本実施形態の構成に示すように、冷却容器６１に破砕容器３０を収容して試料を一定の温度条件下で破砕することが必要となる。

冷却容器６１には冷媒供給口６４から供給され、冷媒排出口６５から排出されるように冷媒が循環するので、冷媒の温度を調節することにより破砕容器３０は内筒６３及び内筒６３に収容された純水を通じて冷却されるので、破砕容器３０は一定の温度に維持することができ、試料の温度上昇は抑制される。前記冷媒として、ここでは濃度３０％のエタノールを用いており、純水を通じて内筒６３に伝熱される被破砕容器３０の熱は効率よく熱交換される。

破砕容器３０の冷却温度は、動物組織などの細胞破砕を行う場合、蛋白質の失活を防止するために４℃以下の温度条件が得られるよう制御することが望ましい。上記構成における温度制御は、冷却容器６１に供給及び排出される冷媒の温度を検出する温度センサ６７による検出出力に応じて温度上昇の原因となっている細胞破砕装置１の運転を制御する方法を適用することができる。

操作部４５からの設定入力により冷媒冷却装置４６ａによる冷媒の冷却温度を０℃に設定し、回転軸８の回転速度を２５００ｒ／ｍｉｎに設定して細胞破砕装置１の運転を開始すると、破砕容器３０内の破砕媒体３２の動きにより試料が破砕されることに伴う発熱や装置の温度上昇に伴う周囲温度の上昇によって破砕容器３０内の温度は上昇する。この温度上昇を温度センサ６７によって検出して、所定の上限温度（例えば、４℃）が検出されたとき、細胞破砕装置１の運転を停止する。運転が停止されると破砕容器３０内の温度は低下してくるので、所定の下限温度（例えば、２℃）が検出されたとき、再び細胞破砕装置１の運転を開始する。この制御により破砕容器３０内は４℃以下に維持され、試料が蛋白質を含むものである場合でも蛋白質の失活を生じさせることなく破砕を実施することができる。

細胞破砕装置１の運転を制御する場合、上記のように運転をＯＮ／ＯＦＦするのでなく、温度上昇が所定の上限温度に達したとき、回転軸８の回転速度を設定回転数から低下させて破砕に伴う温度上昇を抑え、下限温度にまで温度低下したとき回転軸８の回転速度を設定回転速度に戻すように制御することもできる。

また、温度センサ６７によって検出される冷媒温度の供給側と排出側との温度差から破砕容器３０の温度上昇を検知し、冷媒冷却装置４６ａにより供給する冷媒の温度を下げるように制御することもできる。

また、破砕容器３０内の温度を検出する方法として、内筒６３に温度センサを設けて内筒６３と破砕容器３０との間に介在する熱伝導液の温度を検出する方法を適用することもできる。

以上説明した構成において、冷却容器６１に供給される冷媒は破砕容器３０を間接的に冷却し、冷媒の循環経路と破砕容器３０とは隔離された状態になるように構成しているので、破砕容器３０に試料の一部が付着していたり、万が一破砕容器３０から試料が漏れたりした場合でも冷媒を通じて外部に飛散することがない。細胞破砕する試料が例えばＢＳＥの検体や病原菌を含むものであっても、それらが外部に漏れることがない。

また、上記構成になる細胞破砕装置１は、環状体１５の上部開口部分は封止キャップ４３によって閉じられ、環状体１５と軸受部７との間はゴム筒２７によって被覆され、更にはケーシング２９の底面に回転軸８及び軸受部７を通すために形成された開口部は遮蔽ゴム２８によって閉じられているので、ケーシング２９の中に位置する軸受１４などの可動部分は全て被覆される。従って、ケーシング２９の内部は蒸気洗浄、薬品洗浄等によって洗浄することができる。破砕処理の繰り返しによってケーシング２９の内部が塵埃等によって汚れることは勿論のこと、試料を飛散させてしまうこともあり得る。特に試料が有害なものであったり、病原菌などを含むものであった場合には、ケーシング２９の内部を滅菌消毒して洗浄する必要がある。このときにも蒸気や薬品類が噴射されても、可動部分に侵入することはなく、完全に洗浄することができる。また、洗浄時にケーシング２９の内部に溜まった液体は、図１、図２に示すように、ケーシング２９の底面に設けられた排水栓５３を開くと、液体は排水ホース５４から外部に排出することができる。

以上説明した通り本発明によれば、破砕容器を一定の温度状態に維持して破砕することができるので、細胞破砕する試料が温度上昇により変質等を生じるものであっても所要の温度条件下で破砕することを可能にする細胞破砕装置を提供することができる。

実施形態に係る細胞破砕装置の全体構成を示す側面図。同上構成における破砕機能部の構成を示す断面図。環状保持体の構成を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。冷却容器の構成を示す断面図。冷却構成を示すブロック図。破砕容器の構成を示す断面図。破砕媒体の構成を示す側面図。破砕媒体の構成を示す側面図。環状体の運動を説明する説明図。従来技術に係る破砕装置の要部構成を示す断面図。

符号の説明

１細胞破砕装置
８回転軸
１１傾斜軸体
１５環状体
１６磁石（回転拘束手段）
１８対極磁石（回転拘束手段）
２０環状保持体
３０破砕容器
３１蓋体
３２破砕媒体
４６温度制御部
５０破砕機能部
５９冷媒分配部
６１冷却容器
６２外筒
６３内筒
６４冷媒供給口
６５冷媒排出口
６７温度センサ

Claims

有底筒状に形成された外筒内に内筒を所定間隔を隔てて配置した両筒間に冷媒が循環するように形成された冷却容器に、
試料と破砕媒体とを投入した細長い破砕容器を前記内筒内に保持し、
前記破砕容器にその軸方向及びそれと交差する方向に往復振動が加わるように振動させ
温度検出手段によって検出した前記冷媒の温度が所定の値以上であった場合は、前記往復振動の振動回数を変化させる
ことを特徴とする細胞破砕装置。
内筒は、破砕容器の外面と所定間隔を隔てる内径に形成され、破砕容器と熱伝導液を介して接触するように構成されてなる請求項１に記載の細胞破砕装置。
冷却容器は円環状に形成された環状保持体の円周上に複数個が固定され、温度制御手段から供給される冷媒を各冷却容器に並列供給する冷媒分配部が前記環状保持体上に設けられてなる請求項１又は２に記載の細胞破砕装置。
前記温度検出手段による検出温度に基づいて冷媒の温度又は循環を制御する温度制御手段とが設けられてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の細胞破砕装置。
回転駆動される回転軸に、その軸心に対して軸心の傾斜した傾斜軸部を設け、この傾斜軸部に環状体を相対回転自在に外嵌させると共に、この環状体の回転を拘束する回転拘束手段を設け、前記環状体に冷却容器を保持した環状保持体が取り付けられてなる請求項１〜４いずれか一項に記載の細胞破砕装置。
冷媒は、エチレングリコール又はエタノール又はメタノールの水溶液である請求項１〜５いずれか一項に記載の細胞破砕装置。
熱伝導液は、水又は不凍液である請求項２に記載の細胞破砕装置。
有底筒状に形成された外筒内に内筒を所定間隔を隔てて配置した両筒間に冷媒が循環するように形成された冷却容器に、試料と破砕媒体とを投入した細長い破砕容器を前記内筒内に保持し、前記冷媒の温度が所定値以上になった時は、破砕容器に加える往復振動の振動速度又は駆動／停止を制御することを特徴とする細胞破砕装置の温度制御方法。
破砕容器の温度は、冷却容器に供給される冷媒の温度と、冷却容器から排出される冷媒の温度との差から検出する請求項８に記載の細胞破砕装置の温度制御方法。
破砕容器の温度は、内筒と破砕容器との間に介在させた熱伝導液の温度を検出する請求項８に記載の細胞破砕装置の温度制御方法。
破砕容器の温度は、冷媒の温度から検出する請求項８に記載の細胞破砕装置の温度制御方法。