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1、生物分离生物分离(工程工程)技技术术生物工业下游技术一般工艺过程生物工业下游技术一般工艺过程生物分离生物分离(工程工程)技技术术第四讲第四讲 细胞破碎细胞破碎 技术技术一、一、概概 述述 二、常用的细胞二、常用的细胞破碎技术破碎技术及其应用及其应用三、细胞破碎技术研究的发展方向三、细胞破碎技术研究的发展方向 四、思考题四、思考题生物分离生物分离(工程工程)技技术术一、概一、概 述述（一）细胞破碎的（一）细胞破碎的意义意义（二）细胞壁的（二）细胞壁的成分与结构成分与结构（三）细胞破碎（三）细胞破碎过程的检测过程的检测生物分离生物分离(工程工程)技技术术（一）细胞破碎的意义（一）细胞破碎的意义目的
2、：目的：细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型成分的基础。有效的细胞破碎对分离和纯化任何细胞内活成分的基础。有效的细胞破碎对分离和纯化任何细胞内活性药物成分都是必要的。性药物成分都是必要的。细胞破碎与上游和下游工艺设计的关系细胞破碎与上游和下游工艺设计的关系 上游通过细胞的生理状态对细胞破碎效果产生影响；上游通过细胞的生理状态对细胞破碎效果产生影响；而下游则要考虑去除细胞碎片和细胞蛋白质的污染等对产而下游则要考虑去除细胞碎片和细胞蛋白质的污染等对产品活性的影响。品活性的影响。细胞破碎过程中必须考虑的因素细胞破碎过程中必须考虑的因素 细胞壁的坚韧程度
3、细胞壁的坚韧程度 、目标产品的性质、目标产品的性质 、破碎的规、破碎的规模、方法模、方法 、费用等、费用等 . .生物分离生物分离(工程工程)技技术术（二）细胞壁的成分与结构（二）细胞壁的成分与结构细菌细胞壁细菌细胞壁 主要成分是主要成分是肽聚糖肽聚糖，由由N-N-乙酰葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺、N-N-乙酰乙酰胞壁酸和短肽聚合而成的多层网状结构。胞壁酸和短肽聚合而成的多层网状结构。 霉菌的细胞壁霉菌的细胞壁 大多由几丁质和葡聚糖构成，含有少量蛋白质和脂类。大多由几丁质和葡聚糖构成，含有少量蛋白质和脂类。 酵母和真菌的酵母和真菌的细胞壁细胞壁 主要为葡聚糖为主要为葡聚糖为-1-1，6 6葡聚糖，通
4、过葡聚糖，通过-1-1，3 3糖苷键糖苷键与与D-D-葡萄糖第一侧链交联，也含有甘露糖和几丁质葡萄糖第一侧链交联，也含有甘露糖和几丁质植物细胞壁植物细胞壁： 含纤维素、半纤维素、木质素等含纤维素、半纤维素、木质素等生物分离生物分离(工程工程)技技术术原核细胞的结构原核细胞的结构 电镜下：电镜下： （1 1）革兰阳性菌细胞壁较）革兰阳性菌细胞壁较厚，具有厚，具有202080 nm80 nm的肽聚糖层，的肽聚糖层，约占细胞壁干重的约占细胞壁干重的5050。 （2 2）革兰阴性菌的肽聚糖）革兰阴性菌的肽聚糖层较薄，仅层较薄，仅23 nm23 nm，占细胞壁，占细胞壁干重的干重的1010左右。左右。
5、（3 3）在肽聚糖层外还有一较厚的外壁层，约）在肽聚糖层外还有一较厚的外壁层，约8 810 nm10 nm，主，主要为脂蛋白、脂多糖和其他脂类，含量为细胞壁干重的要为脂蛋白、脂多糖和其他脂类，含量为细胞壁干重的8080。生物分离生物分离(工程工程)技技术术酵母细胞的结构酵母细胞的结构生物分离生物分离(工程工程)技技术术植物细胞的结构植物细胞的结构生物分离生物分离(工程工程)技技术术（三）细胞破碎过程的检测（三）细胞破碎过程的检测革兰氏革兰氏染色法染色法次甲基蓝次甲基蓝染色法染色法测定测定核酸与蛋白质核酸与蛋白质含量含量离心细胞破碎液观察离心细胞破碎液观察生物分离生物分离(工程工程)技技术术革兰
6、氏染色法革兰氏染色法 用革兰氏染色剂进行染色破壁的酵母呈粉红色，用革兰氏染色剂进行染色破壁的酵母呈粉红色，而未破壁的酵母呈兰紫色，分别计数，并采用相同的稀而未破壁的酵母呈兰紫色，分别计数，并采用相同的稀释度用血球记数板进行镜检记数，计算破壁率。释度用血球记数板进行镜检记数，计算破壁率。-破壁率（破壁率（100%100%）C-C-破壁前的细胞数（相同稀释倍数）破壁前的细胞数（相同稀释倍数）C-C-破壁后的细胞数（相同稀释倍数）破壁后的细胞数（相同稀释倍数）n1-n1-染色后呈紫色细胞数染色后呈紫色细胞数n2-n2-染色后呈粉红色细胞数染色后呈粉红色细胞数生物分离生物分离(工程工程)技技术术次甲基
7、蓝染色法次甲基蓝染色法 取未经灭活的发酵液取未经灭活的发酵液 0.5 0.5 , ,用用 9 9/ /的的生理盐水稀释生理盐水稀释 1 0 0 1 0 0倍后倍后 , ,用次甲基蓝染色用次甲基蓝染色5 5 , ,用血球计数板计数用血球计数板计数 , ,计算出细胞的存活率。计算出细胞的存活率。 酵母存活率酵母存活率 ： =1 -(=1 -(染色细胞总数染色细胞总数 / /酵母细胞总数酵母细胞总数 ) 100 %. ) 100 %.生物分离生物分离(工程工程)技技术术 测定核酸与蛋白质含量测定核酸与蛋白质含量 分别在分别在 2 60 2 60和和 2 80 2 80波长下波长下 , ,测定发酵液的
8、光吸收值，用测定发酵液的光吸收值，用LorryLorry法测量细法测量细胞破碎后上清中的蛋白质含量也可以评估胞破碎后上清中的蛋白质含量也可以评估细胞的破碎程度，判断细胞破碎率。细胞的破碎程度，判断细胞破碎率。核酸提高率：核酸提高率：=(=(处理后发酵液的吸光值处理后发酵液的吸光值 / /未处理发酵液的未处理发酵液的吸光值吸光值 ) -1100% ) -1100% 生物分离生物分离(工程工程)技技术术 用离心细胞破碎液观察用离心细胞破碎液观察 用离心细胞破碎液观察沉淀模型的用离心细胞破碎液观察沉淀模型的方法来确定细胞破碎率，完整的细胞要比方法来确定细胞破碎率，完整的细胞要比细胞碎片先沉淀下来，并
9、显示不同的颜色细胞碎片先沉淀下来，并显示不同的颜色和纹理。对比两项，可以算出细胞破碎率。和纹理。对比两项，可以算出细胞破碎率。 生物分离生物分离(工程工程)技技术术二、常用的细胞破碎技术及其应用二、常用的细胞破碎技术及其应用细细胞胞破破碎碎方方式式高压匀浆高压匀浆 高速珠磨高速珠磨 纳米磨破碎纳米磨破碎撞击破碎撞击破碎 渗透压冲击渗透压冲击超声破碎超声破碎冻融法冻融法低温玻璃化低温玻璃化酶溶法酶溶法-溶菌酶、纤维素酶等溶菌酶、纤维素酶等机械法机械法化学法化学法 - 化学渗透化学渗透 -超临界细胞破碎技术超临界细胞破碎技术物理法物理法生物分离生物分离(工程工程)技技术术( (八八) )化学渗透法
10、化学渗透法化化学学渗渗透透法法是是使使用用某某些些有有机机溶溶剂剂( (如如苯苯、甲甲苯苯) )、螯螯合合剂剂(EDTA)(EDTA)、表表面面活活性性剂剂(SDS(SDS、triton triton X-100X-100) )、变变性性剂剂 ( (盐盐酸酸胍胍、脲脲) )等等改改变变细细胞胞壁壁或或膜膜的的通通透透性性，从而使内含物有选择地渗透出来。从而使内含物有选择地渗透出来。化化学学渗渗透透取取决决于于化化学学试试剂剂的的类类型型以以及及细细胞胞壁壁和和膜膜的的结结构构与与组组成成，不不同同试试剂剂对对各各种种微微生生物物细细胞胞作作用用的的部部位和方式有所差异。位和方式有所差异。化学渗
11、透法化学渗透法有利也有弊有利也有弊生物分离生物分离(工程工程)技技术术EDTAEDTA EDTAEDTA作作为为螯螯合合剂剂，可可用用于于处处理理革革兰兰氏氏阴阴性性菌菌( (如如E Ecoli)coli)，对对细细胞胞的的外外层层膜膜有有破破坏坏作作用用。革革兰兰氏氏阴阴性性菌菌的的外外层层膜膜结结构构通通常常是是靠靠二二价价阳阳离离子子CaCa2+2+或或MgMg2+2+结结合合脂脂多多糖糖和和蛋蛋白白质质来来维维持持的的，一一旦旦EDTAEDTA将将CaCa2+2+或或MgMg2+2+螯螯合合，大大量量脂脂多多糖糖分分子子将将脱脱落落，使使外外层层膜膜出出现现洞洞穴穴。这这些些区区域域由
12、由内内层层膜膜的的磷磷脂脂来来填填补补，导导致致该该区区域通透性增强。域通透性增强。生物分离生物分离(工程工程)技技术术Triton X-100Triton X-100 Triton Triton X-100X-100是是非非离离子子型型清清洁洁剂剂，对对疏疏水水性性物物质质具具有有很很强强的的亲亲和和力力，能能结结合合并并溶溶解解磷磷脂脂，因因此此其其作作用用部部位位主主要要是是内内膜膜的的双双磷磷脂脂层层。tritonX100tritonX100常常与与其其它它试试剂剂混混合使用。合使用。生物分离生物分离(工程工程)技技术术盐酸胍和脲盐酸胍和脲 盐盐酸酸胍胍和和脲脲是是常常用用的的变变性性
13、剂剂。一一般般认认为为胍胍能能与与水水中中氢氢键键作作用用，削削弱弱了了溶溶质质分分子子间间的的疏疏水水作作用用，从从而而使使疏疏水水性性化化合合物物溶溶于于水水溶溶液液，如如胍胍能能从从大大肠肠杆杆菌菌膜膜碎片中溶解蛋白。碎片中溶解蛋白。 盐盐酸酸胍胍不不仅仅能能改改变变细细胞胞的的通通透透性性，而而且且能能溶溶解解不不溶溶性性重重组组蛋蛋白白( (如如包包含含体体) )，并并在在其其它它试试剂剂的的配配合合下下使使其其二二硫硫键键断断裂裂，变变性性解解离离成成单单体体，从从而而释释放放出出来来。除除去去变变性性剂剂和和杂杂蛋蛋白白后后，在在一一定定条条件件下下恢恢复复肽肽链链内内或或肽肽链
14、链间间的的二二硫硫键键，再再折折迭迭复复性性成成具具有有活活性性的的蛋蛋白白质立体结构。质立体结构。生物分离生物分离(工程工程)技技术术化学渗透法的优缺点化学渗透法的优缺点优点：优点： 对产物释出具有一定的选择性。对产物释出具有一定的选择性。 例例如如用用0.2mol0.2molL L胍胍处处理理E.coli E.coli C600-1C600-1，5h5h后后8080位位于于胞胞间间质质的的-内内酰胺酶释放出来，而总的蛋白释放率仅为酰胺酶释放出来，而总的蛋白释放率仅为4 4。 细胞外形完整；碎片少，有利于后分离。细胞外形完整；碎片少，有利于后分离。 核酸释出少，浆液黏度低，便于进一步提取。核
15、酸释出少，浆液黏度低，便于进一步提取。缺点：缺点： 时间长，效率低。时间长，效率低。 化学试剂具有毒性。化学试剂具有毒性。通用性差。通用性差。生物分离生物分离(工程工程)技技术术（一）高压匀浆破碎法（一）高压匀浆破碎法1 1、高压匀浆阀及其、高压匀浆阀及其破碎机理破碎机理 2 2、温控与能耗温控与能耗3 3、 存在的问题存在的问题 生物分离生物分离(工程工程)技技术术1 1、高压匀浆阀及其破碎机理、高压匀浆阀及其破碎机理 从高压室从高压室( (几十兆帕几十兆帕) )压出的细胞悬浮液经过阀座压出的细胞悬浮液经过阀座D D的中心孔的中心孔道，从道，从D D和阀和阀C C之间的小环隙中喷出，速度可达
16、每秒几百米。这之间的小环隙中喷出，速度可达每秒几百米。这种高速喷出的浆液又射到静止的撞击环种高速喷出的浆液又射到静止的撞击环E E上，被迫改变方向从出上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这一系列过程中经历了高速造成的剪切、碰口管流出。细胞在这一系列过程中经历了高速造成的剪切、碰撞以及由高压到常压的变化，从而造成细胞的破碎。撞以及由高压到常压的变化，从而造成细胞的破碎。生物分离生物分离(工程工程)技技术术高压匀浆破碎的动力学表达式高压匀浆破碎的动力学表达式SS细胞破碎率；细胞破碎率； k k破碎速率常数；破碎速率常数；pp压力；压力；NN循环次数；循环次数；S S，k k，a a，b b，p p
17、 等随细胞种类和培养条件变化等随细胞种类和培养条件变化生物分离生物分离(工程工程)技技术术实验室级高压均质仪实验室级高压均质仪 生物分离生物分离(工程工程)技技术术高压细胞破碎机高压细胞破碎机生物分离生物分离(工程工程)技技术术2 2、温控与能耗、温控与能耗将温度控制在将温度控制在3535以下，那么酶活损失可以以下，那么酶活损失可以忽略。对于温度敏感性物质，需低温操作。忽略。对于温度敏感性物质，需低温操作。机械破碎的能耗主要包括提供动力机械破碎的能耗主要包括提供动力( (如压力如压力) )消耗的能量以及低温操作耗费的能量。消耗的能量以及低温操作耗费的能量。 如，提高压力需增加能耗如，提高压力需
18、增加能耗(3.5kW(3.5kW100MPa)100MPa)，同时产生热量同时产生热量(23.8(23.8100MPa) 100MPa) 。生物分离生物分离(工程工程)技技术术3 3、存在的问题、存在的问题高压匀浆破碎技术适合细菌和部分酵母菌高压匀浆破碎技术适合细菌和部分酵母菌细胞的破碎处理，而不适用于丝状微生物细胞的破碎处理，而不适用于丝状微生物细胞的破碎，这是由于丝状微生物会对破细胞的破碎，这是由于丝状微生物会对破碎器产生堵塞作用。碎器产生堵塞作用。 细胞破碎时浓度应在细胞破碎时浓度应在6060-80-80( (湿重体湿重体积积) )，高于这个浓度时破碎效果有所降低。，高于这个浓度时破碎效
19、果有所降低。 生物分离生物分离(工程工程)技技术术（二）高速珠磨法（二）高速珠磨法 1.1.高速珠磨的高速珠磨的破碎机理破碎机理 2.2.温控、能耗温控、能耗 及及存在的问题存在的问题3.3.高压匀浆法与高速珠磨法的高压匀浆法与高速珠磨法的优劣优劣生物分离生物分离(工程工程)技技术术1 1、高速珠磨的破碎机理、高速珠磨的破碎机理如：株磨式组织研磨器小型株磨器 微生物细胞悬浮液与极细的微生物细胞悬浮液与极细的研磨剂研磨剂( (通常是直径通常是直径1 mm1 mm的无铅的无铅玻璃珠玻璃珠) )在搅拌桨作用下充分混合，在搅拌桨作用下充分混合，珠子之间以及珠子和细胞之间的珠子之间以及珠子和细胞之间的互
20、相剪切、碰撞促进细胞壁破裂，互相剪切、碰撞促进细胞壁破裂，释出内含物。在珠液分离器的协释出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子被滞留在破碎室内，助下，珠子被滞留在破碎室内，浆液流出，从而实现连续操作。浆液流出，从而实现连续操作。破碎中产生的热量由夹套中的冷破碎中产生的热量由夹套中的冷却液带走却液带走生物分离生物分离(工程工程)技技术术细胞破碎动力学表达式细胞破碎动力学表达式SS细胞破碎率；细胞破碎率； k k破碎速率常数；破碎速率常数；tt细胞破碎时间，细胞破碎时间，t=V/Rt=V/R，V V为细胞悬浮液体积为细胞悬浮液体积m m3 3，R R为悬浮液流量为悬浮液流量m m3 3/s/s。生物
21、分离生物分离(工程工程)技技术术珠磨式组织研磨器珠磨式组织研磨器 利用微细玻璃珠，利用微细玻璃珠，在高速运转下的相互碰撞，在高速运转下的相互碰撞，造成组织细胞的破裂与分造成组织细胞的破裂与分散。适合珍贵样品液的研散。适合珍贵样品液的研磨，例如蛋白质、酶及细磨，例如蛋白质、酶及细胞液等。微细玻璃珠可回胞液等。微细玻璃珠可回收使用。样品处理量，含收使用。样品处理量，含玻璃珠可达玻璃珠可达350ml350ml。 样品量可达样品量可达8080克克 生物分离生物分离(工程工程)技技术术小型珠磨器小型珠磨器特点：特点： 密闭容器可容纳密闭容器可容纳1 1至至1.5ml1.5ml的组织液或是一些细胞悬的组织
22、液或是一些细胞悬浊液，通过浊液，通过1 1至至3 3分钟的剧烈搅分钟的剧烈搅拌，能使细胞彻底的破裂，甚拌，能使细胞彻底的破裂，甚至一些骨头、微生物的孢子通至一些骨头、微生物的孢子通过玻璃珠的研磨也能有效的磨过玻璃珠的研磨也能有效的磨碎。碎。玻璃珠适用性：玻璃珠适用性： 细菌用细菌用0.1mm0.1mm的玻璃珠，酵母、藻类和组织的玻璃珠，酵母、藻类和组织培养细胞用培养细胞用0.5mm0.5mm的玻璃珠，动植物的组织用的玻璃珠，动植物的组织用1mm1mm的玻璃珠的玻璃珠生物分离生物分离(工程工程)技技术术2 2、温控与能耗温控与能耗采用夹套冷却的方式实现温度控制采用夹套冷却的方式实现温度控制提高破
23、碎率，需要增加装珠量、提高提高破碎率，需要增加装珠量、提高转速和延长破碎转速和延长破碎生物分离生物分离(工程工程)技技术术3 3、高压匀浆法与高速珠磨法的优劣、高压匀浆法与高速珠磨法的优劣 高压匀浆法操作参数少，易于确定，而且样品损失高压匀浆法操作参数少，易于确定，而且样品损失量少，最少可处理量少，最少可处理20ml20ml悬浮液；悬浮液；珠磨机操作参数多，一般凭经验估计，并且珠子之珠磨机操作参数多，一般凭经验估计，并且珠子之间的液体损失使一次处理间的液体损失使一次处理85ml85ml悬浮液最终只能得到悬浮液最终只能得到50ml50ml左右的浆液。左右的浆液。连续操作时，珠磨机兼具破碎和冷却双
24、重功能，减连续操作时，珠磨机兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆器需配备换热少了产物失活的可能性，而高压匀浆器需配备换热器进行级间冷却；其次珠磨法破碎效率高，器进行级间冷却；其次珠磨法破碎效率高，生物分离生物分离(工程工程)技技术术（三）超声波细胞粉碎机（三）超声波细胞粉碎机1 1、基本、基本原理原理2 2、影响因素影响因素 3 3、实验室、实验室连续破碎池连续破碎池结构示意图结构示意图 生物分离生物分离(工程工程)技技术术超声波细胞粉碎机基本原理超声波细胞粉碎机基本原理 超声波破碎机由超声波发生器和超声波破碎机由超声波发生器和换能器组成。换能器组成。 超声波发生器将超声
25、波发生器将50Hz220V50Hz220V市电变市电变成成20KHz20KHz电能供给换能器。换能器随电能供给换能器。换能器随之作纵向机械振动。振动波通过浸之作纵向机械振动。振动波通过浸入在生物溶液中的钛合金变幅杆产入在生物溶液中的钛合金变幅杆产生空化效应，激发介质里的生物微生空化效应，激发介质里的生物微粒剧烈振动，引起的冲击波和剪切粒剧烈振动，引起的冲击波和剪切力使细胞破碎。力使细胞破碎。 空化现象空化现象：是在强超声波作用下，气泡形成、长大和破碎是在强超声波作用下，气泡形成、长大和破碎的现象。的现象。生物分离生物分离(工程工程)技技术术影响超声波破碎的因素影响超声波破碎的因素 超声波的声强
26、、频率、温度控制能力和破碎时间。超声波的声强、频率、温度控制能力和破碎时间。细胞悬浮液的离子强度、细胞悬浮液的离子强度、pHpH和细胞种类等对破碎效和细胞种类等对破碎效果也产生影响。果也产生影响。发射针的快速振动会产生大量的热，在使用中必须发射针的快速振动会产生大量的热，在使用中必须每间隔几分钟关掉发生器以消散热量。每间隔几分钟关掉发生器以消散热量。超声波破碎时细胞浓度一般在超声波破碎时细胞浓度一般在2020左右，高浓度和左右，高浓度和高黏度都会降低破碎速度。高黏度都会降低破碎速度。超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物质变性失活，噪声令人难以
27、忍受，而且大容量装置质变性失活，噪声令人难以忍受，而且大容量装置的声能传递、散热均有困难。的声能传递、散热均有困难。 生物分离生物分离(工程工程)技技术术实验室连续破碎池结构示意图实验室连续破碎池结构示意图 生物分离生物分离(工程工程)技技术术（四）胶体磨（四）胶体磨- -纳米破碎机纳米破碎机胶体磨的胶体磨的原理原理胶体磨基本胶体磨基本参数参数生物分离生物分离(工程工程)技技术术胶体磨原理胶体磨原理胶体磨的基本工作原理是剪切胶体磨的基本工作原理是剪切, ,研磨及高速研磨及高速搅拌作用。搅拌作用。磨碎依靠两个齿形面的相对运动磨碎依靠两个齿形面的相对运动, ,其中一个其中一个高速旋转另一个静止高速
28、旋转另一个静止, ,使通过齿面之间的物使通过齿面之间的物料受到极大的剪切力及磨擦力料受到极大的剪切力及磨擦力, ,同时又在高同时又在高频震动频震动, ,调整旋涡等腰三角形复杂力的作用调整旋涡等腰三角形复杂力的作用下使物料有效的分散、浮化、粉碎、均质。下使物料有效的分散、浮化、粉碎、均质。生物分离生物分离(工程工程)技技术术胶体磨基本参数胶体磨基本参数 型号型号L50L50L65L65L80L80L80FL80FL100L100乳化乳化细度度(um)(um)22222222调节范范围(mm)(mm)1-0.011-0.011-0.011-0.011-0.011-0.011-1.011-1.01产
29、量量(T/h)(T/h)0.01-0.050.01-0.050.01-0.050.01-0.050.5-10.5-10.5-30.5-3电机机功率功率(KW)(KW)1.11.11.51.53.03.04.04.05.55.5电压(V)(V)380380380380380380380380转速速(r/min)(r/min)29002900290029002900290029002900磨片直径磨片直径(mm)(mm)505065658080100100出口直径出口直径( (寸寸) )5/85/85/85/83/23/23/23/2进口直径口直径( (寸寸) )5/45/45/45/4225/2
30、5/2冷却水管径冷却水管径( (寸寸) ) 1/41/41/41/4重量重量(kg)(kg)40405050100100200200150150生物分离生物分离(工程工程)技技术术（五）撞击破碎法（五）撞击破碎法 细胞悬浮液以喷细胞悬浮液以喷雾状高速冻结雾状高速冻结( (冻结速度冻结速度为数千为数千min)min)，形成，形成粒径小于粒径小于50m50m的微粒子。的微粒子。高速载气高速载气( (如氮气，流速如氮气，流速约约300m300ms)s)将冻结的微将冻结的微粒子送入破碎室，高速粒子送入破碎室，高速撞击撞击板，使冻结的撞击撞击板，使冻结的细胞发生破碎。细胞发生破碎。 生物分离生物分离(工
31、程工程)技技术术撞击破碎的特点撞击破碎的特点细胞破碎仅发生在与撞击板撞击的一瞬间，细胞破细胞破碎仅发生在与撞击板撞击的一瞬间，细胞破碎程度均匀，可避免细胞反复受力发生过度破碎的碎程度均匀，可避免细胞反复受力发生过度破碎的现象。另外，细胞破碎程度可通过无级调节载气压现象。另外，细胞破碎程度可通过无级调节载气压力力( (流速流速) )控制，避免细胞内部结构的破坏，适用于控制，避免细胞内部结构的破坏，适用于细胞器细胞器( (如线粒体、叶绿体等如线粒体、叶绿体等) )的回收。的回收。撞击破碎适用于大多数微生物细胞和植物细胞的破撞击破碎适用于大多数微生物细胞和植物细胞的破碎，通常处理细胞悬浮液浓度为碎，
32、通常处理细胞悬浮液浓度为10102020。实验。实验室规模的撞击破碎器间歇处理能力约室规模的撞击破碎器间歇处理能力约50-500ml50-500ml，而，而工业规模的连续处理能力在工业规模的连续处理能力在10L10Lh h以上。以上。生物分离生物分离(工程工程)技技术术（六）渗透压冲击破碎法（六）渗透压冲击破碎法 渗透压冲击破碎法是将细胞放在高渗透压溶渗透压冲击破碎法是将细胞放在高渗透压溶液中液中( (如如2525的蔗糖或甘油溶液的蔗糖或甘油溶液) )，由于渗透，由于渗透压的作用，细胞内水分向外渗出，细胞收缩，压的作用，细胞内水分向外渗出，细胞收缩，此时快速将细胞转移至低渗缓冲液中此时快速将细
33、胞转移至低渗缓冲液中( (如水如水溶液溶液) )，由于渗透压的突然变化，胞外的水，由于渗透压的突然变化，胞外的水分迅速渗入胞内，使细胞快速膨胀而破裂的分迅速渗入胞内，使细胞快速膨胀而破裂的细胞破碎技术。细胞破碎技术。细菌、真菌类和植物细胞的细胞壁强度较高，细菌、真菌类和植物细胞的细胞壁强度较高，渗透压冲击破碎法很少用于此类细胞的破碎渗透压冲击破碎法很少用于此类细胞的破碎生物分离生物分离(工程工程)技技术术（七）低温玻璃化破碎技术（七）低温玻璃化破碎技术低温玻璃化破碎技术是在低温玻璃化保存过程低温玻璃化破碎技术是在低温玻璃化保存过程中发生的低温断裂基础上提出来的新技术。中发生的低温断裂基础上提出
34、来的新技术。其理论和实验依据是生物组织超快速冻结发生其理论和实验依据是生物组织超快速冻结发生低温断裂现象低温断裂现象, ,进而对组织细胞产生不可逆损害进而对组织细胞产生不可逆损害, ,使细胞组织破裂使细胞组织破裂, , 胞物质成份游离释放。胞物质成份游离释放。该方法在低温水平下从超微结构上进行破碎该方法在低温水平下从超微结构上进行破碎, ,避避免了通常提取法中使用高温高压、强酸强碱处免了通常提取法中使用高温高压、强酸强碱处理对营养组分活性的破坏理对营养组分活性的破坏, ,故具有低温稳定性好故具有低温稳定性好, ,产品质量高等优点产品质量高等优点生物分离生物分离(工程工程)技技术术三、细胞破碎技
35、术研究的发展方向三、细胞破碎技术研究的发展方向 （一）多种破碎方法相结合（一）多种破碎方法相结合 （二）与上游过程相结合（二）与上游过程相结合 （三）与下游过程相结合（三）与下游过程相结合 生物分离生物分离(工程工程)技技术术（一）多种破碎方法相结合（一）多种破碎方法相结合化学法与酶法取决于细胞膜壁的化学组成化学法与酶法取决于细胞膜壁的化学组成; ;机机械械法法取取决决于于细细胞胞结结构构的的机机械械强强度度，而而化化学组成又决定了结构的机械强度学组成又决定了结构的机械强度化学法或酶法与机械法相结合化学法或酶法与机械法相结合: : 例例如如，用用细细胞胞壁壁溶溶解解酶酶预预处处理理面面包包酵酵
36、母母，然然后后高高压压匀匀浆浆，95MPa95MPa压压力力下下匀匀浆浆4 4次次，总总破破碎碎率率接接近近100100，而而单单独独采采用用高高压压匀匀浆浆法，同样条件下破碎率只有法，同样条件下破碎率只有3232。生物分离生物分离(工程工程)技技术术与上游过程相结合与上游过程相结合在在发发酵酵培培养养过过程程中中，生生长长期期、培培养养参参数数等等对细胞破碎组成结构有直接影响。对细胞破碎组成结构有直接影响。用用基基因因工工程程的的方方法法对对菌菌种种进进行行改改造造也也是是非非常重要的。常重要的。 如如:包含体的形成。包含体的形成。 克隆噬菌体溶解基因。克隆噬菌体溶解基因。 耐高温产品的基因
37、表达。耐高温产品的基因表达。生物分离生物分离(工程工程)技技术术与下游过程相结合与下游过程相结合细细胞胞破破碎碎与与固固- -液液分分离离紧紧密密相相关关，对对于于可可溶溶性性产产品品来来讲讲，碎碎片片必必须须除除净净，否否则则将将造造成成层层析析柱柱和和超超滤滤膜膜的的堵堵塞塞，缩缩短短设设备备的的寿寿命命。因因此此必必须须从从后后分分离离过过程程的的整整体体角角度度来来看看待待细胞破碎操作，机械破碎操作尤其如此。细胞破碎操作，机械破碎操作尤其如此。生物分离生物分离(工程工程)技技术术四、思考题四、思考题1 1、细菌、霉菌、酵母的细胞壁组成结构有何、细菌、霉菌、酵母的细胞壁组成结构有何特点？特点？2 2、有那些方法可以检测细胞破碎的程度？怎、有那些方法可以检测细胞破碎的程度？怎样检测？样检测？3 3、常用的细胞破碎方法有那些？目前那些适、常用的细胞破碎方法有那些？目前那些适合工业化应用？那些适合实验室使用？合工业化应用？那些适合实验室使用？4 4、植物叶片、动物内脏、酵母菌、红血球细、植物叶片、动物内脏、酵母菌、红血球细胞分别可用那些细胞破碎技术？胞分别可用那些细胞破碎技术？
