固液分离和细胞破碎案例.pptx

第二章第二章 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎目的目的n不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞碎不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物），片、核酸和蛋白质的沉淀物），n还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后继各步操作。利于后继各步操作。采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子的大小，提高其沉降速度；的大小，提高其沉降速度；或采用稀释、加热等方法降低黏度，以利于过滤。或采用稀释、加热等方法降低黏度，以利于过滤。第一节第一节 发酵液的预处理发酵液的预处理一、发酵液过滤特性的改变一、发酵液过滤特性的改变v培养液的组成：培养液的组成：水水70-80%70-80%+固体细胞及碎片固体细胞及碎片20-30%(20-30%(对微生物发酵对微生物发酵)+)+少量的代谢成物少量的代谢成物+细胞破裂后的内容物细胞破裂后的内容物+残存的培养基成分残存的培养基成分v微生物发酵液的特性为：微生物发酵液的特性为：发酵产物浓度较低，大多为发酵产物浓度较低，大多为1-10%1-10%，悬浮液中大部，悬浮液中大部分是水；分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；固体粒子可压缩性大；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。物污染、蛋白酶水解等作用的影响。预处理的目的预处理的目的（1 1）改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液）改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2 2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数为液相）；中（多数为液相）；（3 3）除去发酵液中的部分杂质，以利于后续）除去发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。各步操作。v发酵液预处理的方法：发酵液预处理的方法：加热法加热法 调整调整pHpH凝聚与絮凝凝聚与絮凝使用惰性助滤剂使用惰性助滤剂 加入反应剂加入反应剂1.1.加热法加热法最简单和价廉的预处理方法，即将悬浮液加最简单和价廉的预处理方法，即将悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。热到所需温度并保温适当时间。可有效降低悬浮液的黏度，并加速聚集作用可有效降低悬浮液的黏度，并加速聚集作用以去除某些杂蛋白；降低悬浮液的最终体积，以去除某些杂蛋白；降低悬浮液的最终体积，2.2.调整调整pHpHpHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节电荷性质，适当调节pHpH值可改善其过滤特性。值可改善其过滤特性。在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整发生吸附，通过调整pHpH值改变易吸附分子的值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染；细胞、细电荷性质，即可减少堵塞和污染；细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个胞碎片及某些胶体物质等在某个pHpH值下也可值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。进行。3.3.凝聚与絮凝凝聚与絮凝 采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地的颗粒，便于提高过滤速率。另外，还能有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。凝聚凝聚指在投加的化学物质（如铝、铁的盐类指在投加的化学物质（如铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体或石灰等）作用下，胶体 脱稳并使粒子相互聚集脱稳并使粒子相互聚集成成1mm大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。絮凝絮凝指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶体颗粒交联成网，形成架作用，使胶体颗粒交联成网，形成10mm大小大小絮凝团的过程。絮凝团的过程。（1 1）凝聚）凝聚 发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子双电层的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。层的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+常用的凝聚剂电解质有：常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝硫酸铝 AlAl2 2(SO(SO4 4)3 318H18H2 2O(O(明矾明矾)氯化铝氯化铝 AlClAlCl3 36H6H2 2OO 三氯化铁三氯化铁 FeClFeCl3 3 硫酸亚铁硫酸亚铁 FeSOFeSO4 47H7H2 2O O 石灰；石灰；ZnSOZnSO4 4；MgCOMgCO3 3（2 2）絮凝）絮凝絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，分子质量可高达数万至一千万以上，长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子（如离子（如-COOHCOOH）或阳离子（如或阳离子（如-NHNH2 2）基基团以及不带电荷的非离子型基团。团以及不带电荷的非离子型基团。它们通过它们通过静电引力、范德华引力或氢键静电引力、范德华引力或氢键的作用，的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。的絮团，这就是絮凝作用。1 1）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物；苯乙烯类衍生物；2 2）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等；）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等；3 3）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。目前最常见的高分子聚合物絮凝剂：目前最常见的高分子聚合物絮凝剂：有机合成的聚丙烯酰胺（有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamidepolyacrylamide）类衍生物类衍生物根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：根据活性基团在水中解离情况不同，可分为三类：非离子型、非离子型、阴离子型（含有羧基）阴离子型（含有羧基）阳离子型（含有胺基）阳离子型（含有胺基）工业上使用的絮凝剂可分为三类：工业上使用的絮凝剂可分为三类：聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点用量少，一般以用量少，一般以mg/Lmg/L计量；计量；絮凝体粗大，分离效果好；絮凝体粗大，分离效果好；絮凝速度快；絮凝速度快；种类多，适用范围广。种类多，适用范围广。聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点 存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理；产生吸附桥架的双重机理；对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，要采用凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果，这种包凝聚和絮凝双重机理才能提高过滤效果，这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。（3 3）混凝）混凝4.4.加入助滤剂加入助滤剂一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤增大。悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了过滤阻力。剂的表面上，改变了滤饼结构，降低了过滤阻力。常用的助滤剂有：常用的助滤剂有：硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、硅藻土、纤维素、石棉粉、白土、炭粒、淀粉等，最常用的是硅藻土。炭粒、淀粉等，最常用的是硅藻土。使用硅藻土时，通常细粒用量为使用硅藻土时，通常细粒用量为500 500 g/mg/m3 3；中等中等粒度用量为粒度用量为700 700 g/mg/m3 3；粗粒用量为粗粒用量为700-1000 700-1000 g/mg/m3 3。5.5.加入反应剂加入反应剂 加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀，如性沉淀，如CaSOCaSO4 4，AlPOAlPO4 4等。生成的沉淀能防等。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，沉淀本身可作为助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固，改可作为助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固，改善过滤性能。善过滤性能。如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化如发酵液中含有不溶性多糖物质，用酶将其转化为单糖，以提高过滤速率；为单糖，以提高过滤速率；如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%0.025%的淀粉酶，搅拌的淀粉酶，搅拌3030minmin后，再加后，再加2.5%2.5%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5 5倍。倍。发酵液中的杂质发酵液中的杂质高价无机离子（高价无机离子（CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeFe3+3+）杂蛋白杂蛋白u在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力，吸附能力，u在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清。两相分离不清。u在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。影响过滤效率。在预处理时，应尽量除去这些物质。在预处理时，应尽量除去这些物质。二、发酵液的相对纯化二、发酵液的相对纯化(一一)高价无机离子的去除方法高价无机离子的去除方法1)1)CaCa2+2+草酸、草酸钠，草酸、草酸钠，形成草酸形成草酸钙沉淀钙沉淀（注意回收草酸）（注意回收草酸）；2)2)MgMg2+2+三聚磷酸钠，三聚磷酸钠，形成三聚磷酸形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；钠镁可溶性络合物；3)3)FeFe3+3+黄血盐黄血盐(亚铁氰化钾亚铁氰化钾)，普鲁普鲁士兰沉淀士兰沉淀(二二)杂蛋白的去除方法杂蛋白的去除方法蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。l在酸性溶液中带正电荷；在酸性溶液中带正电荷；l在碱性溶液中带负电荷。在碱性溶液中带负电荷。在某一在某一pHpH下，净电荷为零，溶解度最小，称为下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。等电点。1.1.沉淀法沉淀法1)1)酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀。淀。在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如AgAg+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、FeFe3+3+和和PbPb2+2+等形成沉淀。等形成沉淀。2.2.变性法变性法 加热，加热，大幅度调节大幅度调节pHpH值，值，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。不足之处不足之处a.a.加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b.b.极端极端pHpH值也会导致某些目的产物失活，且要消值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；耗大量酸碱；c.c.有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。少的场合。加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。例如：例如：在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；蛋白质；在枯草杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二在枯草杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。3.3.吸附法吸附法第二节第二节 固液分离工程及设备固液分离工程及设备A.重力沉降重力沉降B.浮选浮选C.旋液分离旋液分离D.介质过滤介质过滤E.离心离心通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。通气，产生气泡，使固体附着在气泡表面除去。用于固液比重差小、直径用于固液比重差小、直径5 53030 mm颗粒的分离，污水处理颗粒的分离，污水处理悬浮液以较高速度沿切线方向进入悬浮液以较高速度沿切线方向进入旋风分离器旋风分离器，轻相由分离器中央排出，轻相由分离器中央排出，重相由分离器下部排出，重相由分离器下部排出，但不适合直径但不适合直径5 5 mm颗粒去除（可用丝网分离器）。颗粒去除（可用丝网分离器）。工业上常用工业上常用霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用霉菌和放线菌为丝状菌，体形较大，发酵液采用过滤方法；过滤方法；细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采细菌和酵母菌为单细胞，体形较小，其发酵液采用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可用高速离心分离，如对发酵液进行预处理，也可用过滤进行固液分离。用过滤进行固液分离。一、固液分离的方法一、固液分离的方法1.1.离心分离离心分离在液相非均一系统中，利用离心力达到液在液相非均一系统中，利用离心力达到液-液、液液、液-固、液固、液-液液-固分离的方法，统称为离心分离。固分离的方法，统称为离心分离。优点优点：分离速度快，分离效率高、液相澄清度好；：分离速度快，分离效率高、液相澄清度好；缺点缺点：设备投资高、能耗大。：设备投资高、能耗大。离心机种类离心机种类：碟片式离心机、管式离心机、倾析式：碟片式离心机、管式离心机、倾析式离心机。离心机。离心分离因数离心分离因数f=Gu2gRGgR(2Rn)260GRn2900=GDn21800重量重量kgkg旋转旋转直径直径转速转速r/minr/min离心分离因数：又称为离心力强度，表示离心分离因数：又称为离心力强度，表示在离心机中产生的离心加速度与自由下降在离心机中产生的离心加速度与自由下降的加速度之比。的加速度之比。微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分。以及残余的固体培养基成分。过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。行分离的过程。在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有在过滤操作中，要求滤速快、滤液澄清，并且有高的收率。高的收率。2.2.过滤过滤A.A.根据过滤机理和操作可分为澄清过滤和滤饼过滤根据过滤机理和操作可分为澄清过滤和滤饼过滤澄清过滤：澄清过滤：过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清，适合于固体含量少于滤液得以澄清，适合于固体含量少于0.10.1g/100mlg/100ml、颗粒直径在颗粒直径在5-1005-100umum的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。等的澄清。滤饼过滤：滤饼过滤：过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤维纸、合成纤维等无纺布。当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤布阻拦而逐渐形成滤饼（滤渣）。当滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤，在滤作用，此时即可获得澄清的滤液，这种方法叫做滤饼过滤，在滤饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用，适合于饼过滤中，悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用，适合于固体含量大于固体含量大于0.10.1g/100mlg/100ml的悬浮液的过滤分离。的悬浮液的过滤分离。B.常用过滤设备常用过滤设备(1)(1)板框压滤机板框压滤机广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量1-10%1-10%的悬浮液的分离。的悬浮液的分离。优点优点:过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强。对不同过滤特性的发酵液适应性强。缺点缺点:不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。件差，非过滤的辅助时间较长。单元组成单元组成板板布布板板布布板板操作注意点操作注意点尽量使工作时间和辅助时间接近；尽量使工作时间和辅助时间接近；降低滤液粘度降低滤液粘度(2)(2)真空转鼓过滤机真空转鼓过滤机1 1）切向流过滤）切向流过滤,又称错流过滤又称错流过滤 交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走。剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走。2 2）双水相萃取）双水相萃取 向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如葡聚糖、聚乙二向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如葡聚糖、聚乙二醇等）后，形成密度不同的两相，轻相中富含某种高分子化合物，醇等）后，形成密度不同的两相，轻相中富含某种高分子化合物，重相中富含盐类或另一种高分子化合物，从而达到分离和提纯某重相中富含盐类或另一种高分子化合物，从而达到分离和提纯某种高分子化合物的目的。种高分子化合物的目的。3 3）吸附法）吸附法 向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂，或者用细胞碎片向细胞碎片悬浮液中加入某种固体吸附剂，或者用细胞碎片悬浮液通过装有吸附剂的固定床，即可达到除去细胞碎片的目的。悬浮液通过装有吸附剂的固定床，即可达到除去细胞碎片的目的。主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不被吸附主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不被吸附而损失。而损失。3.3.其他固液分离方法其他固液分离方法第三节第三节 细胞破碎方法细胞破碎方法破碎率：被破碎细胞的数量占原始细胞数量的百破碎率：被破碎细胞的数量占原始细胞数量的百分数。分数。N N0 0：原细胞数，原细胞数，N N：破碎后残存的正常细胞。破碎后残存的正常细胞。N N0 0和和N N的可通过直接计数和间接计数法得到。的可通过直接计数和间接计数法得到。3.23.2 细胞破碎理论细胞破碎理论 1)、细胞破碎、细胞破碎A 压压撞撞 B 剪剪切切 Ca 渗渗透透 Cb 冻冻胀胀 D 破破壁壁破膜破膜超声波法超声波法高压匀浆机高压匀浆机组织捣碎机组织捣碎机细菌磨细菌磨珠磨法珠磨法u反复冻融法反复冻融法u渗透压冲击法渗透压冲击法u冷热变替法冷热变替法u有机溶媒法有机溶媒法u自溶法自溶法u酶法酶法机械破碎法机械破碎法物理破碎法物理破碎法化学破碎法化学破碎法细胞破碎法细胞破碎法3.33.3 细胞破碎方法细胞破碎方法 超声波破碎超声波破碎超声波破碎原理超声波破碎原理：超声波作用下液体发生：超声波作用下液体发生空穴化作用空穴化作用，产，产生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。超声空化：超声空化：存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。优点：优点：适合于多种细胞的破碎适合于多种细胞的破碎缺点：缺点：A A、影响因素多，如振幅、黏度、表面影响因素多，如振幅、黏度、表面张力、液体体积和流速、探头材料和形状；张力、液体体积和流速、探头材料和形状；B B、超声产生超氧离子毒害作用；超声产生超氧离子毒害作用；C C、有效能量的利用率低；有效能量的利用率低；D D、产热大，需控温；产热大，需控温；E E、不易放大，仅应用于实验室规模的细胞不易放大，仅应用于实验室规模的细胞破碎。破碎。高高压压匀匀浆浆破破碎碎原原理理：主主要要利利用用细细胞胞悬悬液液在在高高压压作作用用下下液液相相剪剪切切力力以以及及细细胞胞与与固固定定表表面面的撞击力的撞击力而使之破碎。而使之破碎。特特点点：适适用用于于酵酵母母和和大大多多数数细细菌菌细细胞胞的的破破碎碎，不不宜宜用用于于团团状状或或丝丝状状菌菌的的破破碎碎；由由于于操操作作中中温温度度会会 升升高，需对料液作冷却处理，保护目的产物活性。高，需对料液作冷却处理，保护目的产物活性。适合于工业上的大规模应用适合于工业上的大规模应用高压匀浆破碎高压匀浆破碎珠磨法破碎原理珠磨法破碎原理：利：利用在高速搅拌作用下，用在高速搅拌作用下，细胞和微球相互细胞和微球相互磨擦碰磨擦碰撞撞而破碎。而破碎。珠珠磨磨机机可可用用于于酵酵母母和和细细菌菌，但但对对真真菌菌菌菌丝丝和和藻类更合适藻类更合适.特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低，设特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低，设计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力；计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力；影响影响破碎率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。破碎率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。珠磨法破碎珠磨法破碎操作：细胞喷雾高速冻结操作：细胞喷雾高速冻结300 300 m/sm/s氮气流氮气流 优点：优点：A A、细细胞胞破破碎碎仅仅发发生生在在撞撞击击的的一一瞬瞬间间，破破碎碎程程度度均均匀，避免反复和过度破碎；匀，避免反复和过度破碎；B B、破破碎碎的的程程度度可可无无级级调调节节，避避免免细细胞胞内内部部结结构构的的破坏，特别适合于细胞器的回收；破坏，特别适合于细胞器的回收；C C、实实验验室室和和工工业业规规模模均均可可应应用用，细细胞胞浓浓度度在在10-10-20%20%，实实验验室室规规模模的的间间歇歇处处理理能能力力在在50-500 50-500 mL/hmL/h，工工业业规规模模的的连连续续处处理理在在 10,000 10,000 mL/h mL/h 以上。以上。撞击撞击法破碎法破碎u反复冻融法反复冻融法 于将细胞在于将细胞在-20-20度以下冰冻，室温融解，反复几度以下冰冻，室温融解，反复几次，由于细胞内冰粒形成和剩余细胞液的盐浓度增高次，由于细胞内冰粒形成和剩余细胞液的盐浓度增高引起溶胀，使细胞结构破碎。引起溶胀，使细胞结构破碎。u冷热变替法冷热变替法 将材料投入沸水中，于将材料投入沸水中，于9090左右维持数分钟，立左右维持数分钟，立即置于冰浴中使之迅速冷却，绝大部分细胞被破坏。即置于冰浴中使之迅速冷却，绝大部分细胞被破坏。u渗透压冲击法渗透压冲击法 细胞在细胞在高渗透压介质高渗透压介质中平衡后，再突然将其转至中平衡后，再突然将其转至低低渗透压渗透压环境中，水会大量进入细胞，使细胞壁和膜胀环境中，水会大量进入细胞，使细胞壁和膜胀破。破。（2）物理破碎法）物理破碎法（3 3）化化学学破破碎碎又又称称化化学学渗渗透透：其其原原理理是是利利用用化化学学或或生生化化试试剂剂（酶酶）改改变变细细胞胞壁壁或或细细胞胞膜膜结结构构，增增大大胞胞内内物物质质的的溶溶出出速速率率；或或者者完完全全溶溶解解细细胞胞壁壁，形形成成原原生生质质体体后后，在在渗渗透透压压作作用用下下使使细细胞胞膜膜破破裂裂而释放胞内物质。而释放胞内物质。优点：优点：A A、产品释放的选择性；产品释放的选择性；B B、提取速度和收效高；提取速度和收效高；C C、产品的破坏小；产品的破坏小；DD、对外界环境，如对外界环境，如pHpH和温度等要求低；和温度等要求低；E E、不残留细胞碎片。不残留细胞碎片。粉碎后的新鲜材料在粉碎后的新鲜材料在00以下加入以下加入5 510 10 倍倍量的丙酮，迅速搅拌均匀，可破碎细胞膜，量的丙酮，迅速搅拌均匀，可破碎细胞膜，破坏蛋白质与脂质的结合。蛋白质一般不变破坏蛋白质与脂质的结合。蛋白质一般不变性，被脱脂和脱水成为干燥粉末。用少量乙性，被脱脂和脱水成为干燥粉末。用少量乙醚洗，经滤纸干燥，如脱氢酶等可保存数月醚洗，经滤纸干燥，如脱氢酶等可保存数月不失去活性。不失去活性。有机溶媒法有机溶媒法 将待破碎的鲜材料在一定将待破碎的鲜材料在一定pHpH和适当的温度下，利用和适当的温度下，利用自身的蛋白酶将细胞破坏，使细胞内含物释放出来。自身的蛋白酶将细胞破坏，使细胞内含物释放出来。自体融解时需要时间，需加少量甲苯、氯仿等。应自体融解时需要时间，需加少量甲苯、氯仿等。应防止细菌污染。防止细菌污染。自体融解过程中自体融解过程中pH pH 显著变化，随时要调节显著变化，随时要调节pHpH。自溶温度选在自溶温度选在0 044，因自溶时间较长，不易控制，因自溶时间较长，不易控制，所以制备活性蛋白质时较少用。所以制备活性蛋白质时较少用。自溶法自溶法 能溶解菌的酶分布很广。尤其卵白中含量高，能溶解菌的酶分布很广。尤其卵白中含量高，而多易结晶化。而多易结晶化。1 1g g 菌体加菌体加1 11010mg mg 溶菌酶，溶菌酶，pH6.2pH6.27.0 1h 7.0 1h 内完全溶菌。内完全溶菌。除溶菌酶外，蜗牛酶及纤维素酶也常被选为除溶菌酶外，蜗牛酶及纤维素酶也常被选为破坏细菌及植物细胞用。破坏细菌及植物细胞用。酶酶 法法溶菌酶对革兰氏阳性细菌的破碎效果最好溶菌酶对革兰氏阳性细菌的破碎效果最好蛋白酶和葡萄糖酶对酵母菌的破碎效果好蛋白酶和葡萄糖酶对酵母菌的破碎效果好一、细胞壁的组成和结构一、细胞壁的组成和结构 1.1.细菌类细菌类结构结构多层三维网状结构多层三维网状结构革兰氏阳性和阴性细菌肽聚糖结构图革兰氏阳性和阴性细菌肽聚糖结构图G G+GG-2 2、霉菌类、霉菌类组组成成几几丁丁质质（N-N-乙乙酰酰葡葡聚聚糖糖胺胺的的聚聚合合物物）、葡聚糖、蛋白质、脂类等葡聚糖、蛋白质、脂类等结构结构四层三维网状结构四层三维网状结构3 3、酵母菌类、酵母菌类z组成组成甘露聚醇、葡聚糖、蛋白质、脂类等甘露聚醇、葡聚糖、蛋白质、脂类等z结构结构三层三维网状结构三层三维网状结构3.43.4 物理法和化学法的比较物理法和化学法的比较 物理破碎法缺点：物理破碎法缺点：A A、高高能能、高高温温、高高噪噪音音、高高剪剪切切力力(四四高高)，易易使使产产品变性失活；品变性失活；B B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；C C、细胞碎片大小不一，难分离。细胞碎片大小不一，难分离。化学破碎法缺点：化学破碎法缺点：A A、费用高；费用高；B B、引起新的污染，尤其是其他化学方法；引起新的污染，尤其是其他化学方法；C C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。3.53.5 破碎方法的选择破碎方法的选择选择的一般原则选择的一般原则A A、提取产物在细胞质内，用机械法破碎提取产物在细胞质内，用机械法破碎B B、提取产物在细胞膜附近，用化学法提取产物在细胞膜附近，用化学法C C、提提取取产产物物与与细细胞胞膜膜和和细细胞胞壁壁结结合合，可可采采用用化化学学法法和机械法结合的方法和机械法结合的方法 破碎技术杂交研究应注意的问题破碎技术杂交研究应注意的问题A A、杂交技术可产生很大优势。杂交技术可产生很大优势。B B、破破碎碎技技术术对对下下游游分分离离技技术术的的影影响响。破破碎碎颗颗粒粒清清除除，产物的分离纯化产物的分离纯化C C、在在发发酵酵阶阶段段，考考虑虑到到发发酵酵过过程程和和环环境境对对破破碎碎难难易易程度的影响程度的影响D D、菌种的培育，胞内产物菌种的培育，胞内产物 胞外产物胞外产物3.6 3.6 细胞器的分离细胞器的分离细胞器包括细胞核、线粒体、核糖体、内质网，植物细胞器包括细胞核、线粒体、核糖体、内质网，植物细胞还有叶绿体。细胞还有叶绿体。如果要分离制备分布在这些细胞器中的生物大分子，如果要分离制备分布在这些细胞器中的生物大分子，为了防止其他细胞组分中的物质对制备物的干扰或污为了防止其他细胞组分中的物质对制备物的干扰或污染，还需先将细胞器分离出来，然后在某一细胞器中染，还需先将细胞器分离出来，然后在某一细胞器中分离某一物质。分离某一物质。细胞器的分离一般采用细胞器的分离一般采用差速离心法差速离心法，即将破碎后的细，即将破碎后的细胞在适当的介质中进行离心，常用的介质有蔗糖、甘胞在适当的介质中进行离心，常用的介质有蔗糖、甘露醇、柠檬酸、聚乙二醇等。露醇、柠檬酸、聚乙二醇等。作作 业业1.1.名词解释名词解释凝聚；絮凝；破碎率；离心分离因数。凝聚；絮凝；破碎率；离心分离因数。2.2.简述发酵液预处理的目的和处理方法。简述发酵液预处理的目的和处理方法。3.3.细胞破碎的方法有哪些？细胞破碎的方法有哪些？人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。