초음파분쇄기(sonicator)

0. 초음파분쇄기는 언제 쓰일까?

세포 파쇄 할때 쓰인다!

배양을 할때, 혹은 배양후 정제시에 사용된다

*정제과정: 세포회수 -> 원심분리 -> 세포파쇄 -> 세포 잔해제거 -> 단백질 침전 -> 한외여과 -> 액체크로마토그래피

 

1. 세포파쇄

원하는 생성물이 세포 내에 있는 경우 세포를 발효액으로부터 분리한 후 세포 내 생성물을 방출시키기위해 세포를 파쇄한다. 세포 파쇄방법에는 기계적인 방법과 비기계적인 방법이 있다.

기계적인 방법에는 초음파 분쇄기, 압착기, 구슬분쇄기가 있다.(액상 배지에 적용)

• 초음파 분쇄기: 박테리아 세포의 세포벽과 세포막을 파쇄함. 간균이 구균보다 더 파쇄하기 쉽고 그람 음성균이 그람 양성균보다 파쇄가 용이하다. 초음파 분쇄는 열에 민감한 효소를 변성시키는 경우가 있다.
  장비의 가격이 저렴하다는 점이 장점이지만 생산효율이 떨어져 대량생산하는데 적합하지 않다.
• 압착기: 스테인리스 스틸로 된 빈 실린더에 cell paste를 채운 후 고압 하에 실리더 바닥에 있는 needle valve를 통해 대기압 상태로 압출하여 파쇄. 세포파쇄효율이 높으나 cooling과 cleaning 효율이 떨어지고 valve를 주기적으로 교체해주어야한다.
• 고속 구슬 분쇄기(bead mills): 작은 유리 구슬 또는 쇠구슬로 채워진 분쇄실 형태. 원판 또는 임펠러를 회전시켜 구슬을 교반하여 높은 전단력과 충격력에 의해 분쇄. 압착기보다 온도조절이 더 잘된다는 장점이 있다.

*비기계적 방법
lysozyme과 같은 효소를 이용하여 세포벽을 용해
세포를 천천히 동결한 다음 녹여서 세포막 파쇄
삼투압 충격법으로 그람음성균의 periplasm 단백질을 방출시키기도 한다.

 

2. 세포파쇄기(소니케이터)의 작동 원리

결정 구조를 가진 재질 내에서 기계적-전기적 상태 사이의 상호작용을 통해 나타나는 효과
1차 압전 효과: 해당 재질에 기계적 변화(압축)를 주면 전기적 신호가 발생
2차 압전 효과(역압전효과): 전기적 신호를 가하면 기계적인 변화가 생김<-- 이것을 이용함

*자연의 대부분의 물질은 전체적으로 양의 전하량과 음의 전하량이 같아 전기적 중성을 띈다. 결정구조의 단위로 볼 때 음의 전하와 양의 전하의 위치가 약간 어긋나 있어 전기장을 형성함. 2차 압전효과를 기준으로 전기를 가하는 경우 외부의 전기적 인력 또는 척력에 의해 전기쌍극자가 변하여 물리적인 변화를 일으킴

 

3. sonication 발생

압전 효과를 가지는 물질(결정구조를 가짐: 수정 등)을 사용해서 전기자극을 줌. 이 물질에 초당 2만번 전기적 spark를 가하면 2만번의 진동(20KHz: 초음파에 해당)이 일어나게 된다. Ultrasound(초음파)가 용액속으로 방출되면 용액내부에 파동이 생긴다.
하나의 파동이 생겨 앞으로 나아가면 파동의 진행방향으로 positive pressure이 생기고 반대 방향으로 그 즉시 negative pressure이 생긴다. 그 결과 수많은 bubble이 생겨 미세 공간이 형성된다. 이 bubble은 서로 뭉쳐져 커지고 바로 뒤에 따라오는 positive pressure에 의해 파쇄된다. Bubble의 생성과 파쇄는 밀리초 단위 안에 발생하고 이 미세공간이 파쇄될 때 강한 충격파가 발생한다. 이 충격파는 나노사이즈까지 분쇄가 가능하다.

 

 

 

 

 

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