新型層析分離柱柱頭拆卸裝置

摘?要：層析柱是生物制藥企業(yè)的重要設(shè)備之一。層析柱在使用過(guò)程中經(jīng)常要拆卸柱頭，柱頭的重量對(duì)于人力拆卸來(lái)說(shuō)顯得過(guò)于沉重。本文介紹了一款新型可用于GMP車間的層析柱柱頭拆卸裝置。經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室和生物制藥企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，此新型柱頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省大量人力和時(shí)間。

關(guān)鍵詞：生物制藥;層析柱柱頭;拆卸裝置

1.背景介紹

層析法也稱色譜法是生物制藥行業(yè)中針對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分離和純化的重要方法之一，其原理是利用混合物中各組分物理化學(xué)性質(zhì)的差異（如吸附力、分子形狀及大小、分子親和力、分配系數(shù)等），使各組分在兩相（一相為固定的，稱為固定相;另一相流過(guò)固定相，稱為流動(dòng)相）中的分布程度不同，從而使各組分以不同的速度移動(dòng)而達(dá)到分離的目的。層析分離柱（以下簡(jiǎn)稱層析柱）是層析法中的重要設(shè)備之一，在生物制藥行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。目前，生物制藥行業(yè)內(nèi)的主流層析柱在結(jié)構(gòu)上主要由三大部分組成：底座，層析柱管和層析柱頭（以下簡(jiǎn)稱柱頭），如圖1所示。在生物制藥過(guò)程中，填料的選擇和裝填均勻與否對(duì)于蛋白分離效果的影響很大。生物制藥企業(yè)根據(jù)其產(chǎn)品和工藝的不同，經(jīng)常要拆下柱頭、更換填料或重裝填料再重新裝回柱頭。對(duì)于內(nèi)徑為450毫米左右的層析柱，其柱頭重量約為100公斤左右。基于生物制藥行業(yè)GMP廠房的潔凈要求，不能使用一般的電動(dòng)或液壓起重裝置，故國(guó)內(nèi)的生物制藥企業(yè)多采用多人手搬或手拉滑輪的方式拆卸和裝回柱頭。這兩種方法需要多人操作，簡(jiǎn)陋費(fèi)力，稍有不慎還會(huì)碰壞玻璃材質(zhì)的層析柱管，帶來(lái)財(cái)產(chǎn)損失并影響正常生產(chǎn)。因此國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需一款能夠滿足在GMP廠房?jī)?nèi)使用的操做簡(jiǎn)單、安全、成本低的柱頭拆卸裝置。

圖1??某型層析分離柱分解圖

2.設(shè)計(jì)

基于以上的描述，筆者設(shè)計(jì)了一款機(jī)械式柱頭拆卸裝置，如圖2所示。這一裝置有如下特點(diǎn)：

●滿足生物制藥GMP廠房的衛(wèi)生要求。

●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)主體由不銹鋼矩形管、不銹鋼板、和帶手柄的旋轉(zhuǎn)螺母組成。

●可移動(dòng)，并可拆卸。

●占地面積小，拆卸后存放更加節(jié)省空間。

●操作方便。將旋轉(zhuǎn)螺母旋在柱頭的螺桿上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母就可以實(shí)現(xiàn)柱頭的上升或下降。整個(gè)過(guò)程由一個(gè)人在短時(shí)間內(nèi)就可完成。柱頭升起后的狀態(tài)如圖3所示。

●安全可靠。由于螺母的限制，柱頭在升起和下降的過(guò)程中，沿直線運(yùn)動(dòng)，不易產(chǎn)生晃動(dòng)，因此不易碰壞玻璃柱管。

●使用經(jīng)濟(jì)。該裝置幾乎不需要額外的維護(hù)與保養(yǎng)，使用成本非常低。

圖2柱頭拆卸裝置圖??????????????????????????????????????????????3柱頭升起后狀態(tài)

3.強(qiáng)度校核

對(duì)于柱頭拆卸裝置在工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的可靠性，筆者利用Ansys?Workbench14.0?軟件對(duì)支撐結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了有限元分析，如圖4、圖5、和圖6所示。層析柱柱頭質(zhì)量為100公斤，層析柱空載質(zhì)量約為200公斤，但在分析時(shí)使用了3000牛頓（約300公斤）作為邊界條件，這主要是確保拆卸裝置結(jié)構(gòu)本身有更高的安全系數(shù)。在3000牛頓載荷作用下（見圖4），結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約為44MPa（見圖5），遠(yuǎn)小于不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度（約207MPa），結(jié)構(gòu)的最大形變量約為1.2mm（見圖6）。由此可初步判斷結(jié)構(gòu)3000牛頓的載荷下是可靠的。

圖4??柱頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)件的邊界條件??????????????圖5???柱頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)件工作時(shí)的等效應(yīng)力

圖6???柱頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)件工作時(shí)的形變

4.其它要點(diǎn)

柱頭拆卸裝置的另外一個(gè)要點(diǎn)，在于旋轉(zhuǎn)螺母的設(shè)計(jì)。螺母的設(shè)計(jì)要綜合考慮以下要求：

●生物制藥GMP廠房的要求。不能使用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂以免給廠房帶來(lái)污染。

●要避免螺紋鎖死。由于柱頭的螺桿為不銹鋼材質(zhì)，故螺母的螺紋的外表面要避免再選用不銹鋼材質(zhì)，否則極易發(fā)生螺紋鎖死現(xiàn)象。

●螺母的螺紋部分要有一定的自潤(rùn)滑功能。由于柱頭的質(zhì)量約為100公斤，且不能使用潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，為了避免單人轉(zhuǎn)動(dòng)螺母時(shí)阻力過(guò)大，螺母的螺紋部分要有一定的自潤(rùn)滑功能。

●和層析工藝相關(guān)的其它要求。

筆者曾測(cè)試了螺紋部分帶有特氟龍涂層的不銹鋼螺母，這種螺母自潤(rùn)滑效果優(yōu)異且價(jià)格便宜，但是特氟龍涂層在數(shù)次升降柱頭的操作之后，在柱頭螺桿的螺紋上可見特氟龍涂層顆粒。如果清潔不徹底，特氟龍顆粒有可能帶入層析柱內(nèi)部，從而給層析工藝帶來(lái)不確定的影響。基于這種考慮，筆者放棄了這一方案。

改進(jìn)方案為帶有非金屬螺紋內(nèi)襯的不銹鋼螺母。非金屬內(nèi)襯材料的選擇在這一方案中就顯得十分重要。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和遴選，最終選定了30%碳纖維加強(qiáng)的聚醚醚酮材料。這種材料在拉伸強(qiáng)度、硬度、和摩擦系數(shù)方面的綜合性能優(yōu)異，如表1?所示。

項(xiàng)目

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或儀器

單位

測(cè)試數(shù)據(jù)

密度

ISO?1183

g/cm3

1.4

連續(xù)使用溫度

UL?746B

℃

260

拉伸強(qiáng)度（23℃）

ISO?527-2/1B/50

MPa

220

拉伸延展率（23℃）

ISO?527-2/1B/50

%

1.8

彎曲強(qiáng)度（23℃）

ISO?178

MPa

298

洛氏硬度

ASTM?D785

107

摩擦系數(shù)

0.28

表1???30%碳纖維加強(qiáng)的聚醚醚酮材料性能表

5.驗(yàn)證

在首件樣品生產(chǎn)出來(lái)后，筆者所在的公司對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和驗(yàn)證。除了反復(fù)升降柱頭外，還對(duì)層析柱的整體進(jìn)行了反復(fù)升降。在反復(fù)測(cè)試中，柱頭拆卸裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未見明顯變形。螺母非金屬內(nèi)襯未見明顯磨損，柱頭螺桿未見非金屬顆粒。操作簡(jiǎn)單省力，單人可獨(dú)立完成柱頭拆卸。

此后，柱頭拆卸裝置又被送往客戶現(xiàn)場(chǎng)由客戶進(jìn)行獨(dú)立評(píng)測(cè)。事實(shí)證明與傳統(tǒng)柱頭拆卸方法相比，使用此柱頭拆卸裝置可節(jié)省大量的人力和時(shí)間。目前該設(shè)計(jì)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，并進(jìn)入專利申請(qǐng)階段。

6.結(jié)論

此新型柱頭拆卸裝置滿足GMP廠房的衛(wèi)生要求、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省大量人力和時(shí)間。

作者簡(jiǎn)介：蔣誠(chéng)（1975-），男，上海人，回族，現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：研究生，研究方向：生物制藥中層析及過(guò)濾設(shè)備。