南农生物分离工程生物分离1细胞破碎
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细胞的破碎分析
植物细胞壁的结构
对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生壁 两部分。 初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（1～ 3μm），富有弹性。 初生壁由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、 半纤维素和果胶类物质。纤维素是长链D-葡聚糖，许 多这样的长链形成微纤丝。 微纤丝是构成植物细胞壁的骨架，细胞壁的机械强度 主要来自于微纤丝。
图1 革兰氏菌细胞壁结构图
（a）革兰氏阳性菌 （b）革兰氏阴性菌
酵母的细胞壁结构
最里层是由葡聚糖的细纤维组成，它构成了 细胞壁的刚性骨架，使细胞具有一定的形状； 上面的是一层糖蛋白； 最外层是甘露聚糖，由 1,6- 磷酸二酯键连接 成网状。在该层的内部，有甘露聚糖-酶的复 合物。 破碎酵母细胞壁的阻力主要决定于壁结构交 联的紧密程度和它的厚度。
细胞壁的组成与结构
微生物 壁厚/nm 层次 主要组成 革兰氏阳性 细菌 20~80 单层 肽聚糖（40 ％～90％）、 多糖、胞壁 酸、蛋白质、 脂多糖（1 ％～4％） 革兰氏阴性 细菌 10~13 多层 酵母菌 100~300 多层 霉菌 100~250 多层
肽聚糖（5 葡聚糖（30 多聚糖（80 ％～10％） ％～40％） ％～90％） 脂类、蛋白质 脂蛋白、脂 甘露聚糖 多糖（11 （30％）、 ％～22％） 蛋白质（6 磷脂、蛋白 ％～8％）、 质 脂类（8.5 ％～13.5）
本章的主要内容
常见的细胞壁结构
细胞破碎技术
概述
不同类型细胞生产目标产物的类型：
动物细胞多分泌到细胞外培养液 植物细胞多为胞内产物 微生物（细菌/酵母/霉菌等）胞内、胞外
概述
大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖，
及氨基酸等目标产物存在于发酵液中。
细胞分离与破碎bei
适用于各种不同类型的细胞，尤其是对硬质 细胞壁的破碎具有较好的效果。
04
细胞分离与破碎技术的发展 趋势
细胞分离与破碎技术的联合应用
离心分离与超声破碎的联合
通过离心分离技术将细胞从混合物中分离出来，再结合超声破碎 技术对细胞进行破碎，提高细胞内物质的提取效率。
膜过滤与化学渗透的联合
利用膜过滤技术将细胞进行分离，再通过化学渗透技术对细胞进行 破碎，适用于处理大量细胞。
砂磨机
通过砂砾与细胞之间的摩 擦和挤压实现破碎，适用 于硬质细胞壁的破碎。
珠磨法
将细胞与玻璃珠或石英砂 混合，通过振动或搅拌使 细胞破碎，适用于软质细 胞壁的破碎。
化学破碎法
酸碱处理法
非离子表面活性剂处理法
利用酸或碱溶液处理细胞，使细胞壁 溶解，适用于对酸碱耐受性较好的细 胞。
利用非离子表面活性剂处理细胞，使 细胞膜溶解，适用于对非离子表面活 性剂耐受性较好的细胞。
详细描述
细胞吸附柱分离法是一种基于细胞表面特性的分离技术，利用特定的配体与细胞 表面受体结合，实现细胞的吸附和分离。这种方法具有高选择性、高纯度、低成 本等优点，适用于稀有细胞的分离和纯化，如干细胞、肿瘤细胞等。
03
细胞破碎技术
机械破碎法
01
02
03
高速组织捣碎机
利用高速旋转的刀片将细 胞破碎，适用于较大细胞 群体的破碎。
3
光热转换技术
利用光热转换效应对细胞进行加热，通过热刺激 使细胞破碎，具有非侵入性和环保性。
细胞分离与破碎技术在生物工程领域的应用前景
生物制药生产
通过细胞分离与破碎技术提取细胞内 的药物有效成分，提高药物产量和纯 度。
基因工程
利用细胞分离与破碎技术获取细胞内 的基因物质，进行基因克隆、基因表 达和基因编辑等研究。
04
细胞分离与破碎技术的发展 趋势
细胞分离与破碎技术的联合应用
离心分离与超声破碎的联合
通过离心分离技术将细胞从混合物中分离出来，再结合超声破碎 技术对细胞进行破碎，提高细胞内物质的提取效率。
膜过滤与化学渗透的联合
利用膜过滤技术将细胞进行分离，再通过化学渗透技术对细胞进行 破碎，适用于处理大量细胞。
砂磨机
通过砂砾与细胞之间的摩 擦和挤压实现破碎，适用 于硬质细胞壁的破碎。
珠磨法
将细胞与玻璃珠或石英砂 混合，通过振动或搅拌使 细胞破碎，适用于软质细 胞壁的破碎。
化学破碎法
酸碱处理法
非离子表面活性剂处理法
利用酸或碱溶液处理细胞，使细胞壁 溶解，适用于对酸碱耐受性较好的细 胞。
利用非离子表面活性剂处理细胞，使 细胞膜溶解，适用于对非离子表面活 性剂耐受性较好的细胞。
详细描述
细胞吸附柱分离法是一种基于细胞表面特性的分离技术，利用特定的配体与细胞 表面受体结合，实现细胞的吸附和分离。这种方法具有高选择性、高纯度、低成 本等优点，适用于稀有细胞的分离和纯化，如干细胞、肿瘤细胞等。
03
细胞破碎技术
机械破碎法
01
02
03
高速组织捣碎机
利用高速旋转的刀片将细 胞破碎，适用于较大细胞 群体的破碎。
3
光热转换技术
利用光热转换效应对细胞进行加热，通过热刺激 使细胞破碎，具有非侵入性和环保性。
细胞分离与破碎技术在生物工程领域的应用前景
生物制药生产
通过细胞分离与破碎技术提取细胞内 的药物有效成分，提高药物产量和纯 度。
基因工程
利用细胞分离与破碎技术获取细胞内 的基因物质，进行基因克隆、基因表 达和基因编辑等研究。
生物分离工程细胞分离与破碎课件PPT
二、发酵液的预处理及细胞破碎
固液分离
常规的分离方法：
重力沉降 离心沉降 过滤 生物细胞分离的主要手段
液固体系中的重力沉降
球形粒子Stokes匀速沉降方程：
d u ( s ) g 18
2
细胞悬浮液的基本特性
细胞悬浮液：包含生物细胞、水、细胞代谢物、未消 耗的培养基以及少量的细胞碎片。 细胞悬浮液能否实现理想的分离效果取决于细胞 的种类及表面特性、分泌物的性能等，因为这些特性 决定了细胞在发酵液中的状态、即是自由状态还是絮 凝状态以及悬浮液的黏度等。 发酵液的黏度、细胞的大小、状态决定了固 -液 分离采用的方式、设备。
Fc r 2 4 2 N 2 r
Fc
4 2 N 2 r Z g
离心力或离心加速度
Z
分离因素或离心强度
在科学文献中，常用离心力或离心 强度来表征离心的操作条件
离心设备
Z越大，越有利于分离。常按分离因素Z的大小，对离心机进行分类。
（1） Z 3000，为常速离心机 （2） Z= 3000 ~ 5000，为中速离心机 （3） Z 50000，为高速离心机 （4） Z= 2104 ~ 106， 为超高速离心机 离心沉降设备 瓶式离心机：实验室常用的离心机，低、中速； 工业用无孔转鼓离心机 （1）管式离心机：直径为40-150mm，长径比为4~8，离心强度可达 15000~65000，处理能力为0.1~0.4m3/h, 适合分离 的 固体粒子直径为0.01~100m, 固液密度差大于 0.01g/cm3, 体积浓度小于1%的难分离悬浮液，常 用 于微生物菌体和蛋白质的分离。
絮凝作用：利用含有多个功能基团的线状高分子 聚合物的架桥作用使细胞发生絮凝而 变成粗大的絮凝团。絮凝剂的浓度、 悬浮液的酸度和离子强度都将影响絮 凝的效果。
固液分离
常规的分离方法：
重力沉降 离心沉降 过滤 生物细胞分离的主要手段
液固体系中的重力沉降
球形粒子Stokes匀速沉降方程：
d u ( s ) g 18
2
细胞悬浮液的基本特性
细胞悬浮液：包含生物细胞、水、细胞代谢物、未消 耗的培养基以及少量的细胞碎片。 细胞悬浮液能否实现理想的分离效果取决于细胞 的种类及表面特性、分泌物的性能等，因为这些特性 决定了细胞在发酵液中的状态、即是自由状态还是絮 凝状态以及悬浮液的黏度等。 发酵液的黏度、细胞的大小、状态决定了固 -液 分离采用的方式、设备。
Fc r 2 4 2 N 2 r
Fc
4 2 N 2 r Z g
离心力或离心加速度
Z
分离因素或离心强度
在科学文献中，常用离心力或离心 强度来表征离心的操作条件
离心设备
Z越大，越有利于分离。常按分离因素Z的大小，对离心机进行分类。
（1） Z 3000，为常速离心机 （2） Z= 3000 ~ 5000，为中速离心机 （3） Z 50000，为高速离心机 （4） Z= 2104 ~ 106， 为超高速离心机 离心沉降设备 瓶式离心机：实验室常用的离心机，低、中速； 工业用无孔转鼓离心机 （1）管式离心机：直径为40-150mm，长径比为4~8，离心强度可达 15000~65000，处理能力为0.1~0.4m3/h, 适合分离 的 固体粒子直径为0.01~100m, 固液密度差大于 0.01g/cm3, 体积浓度小于1%的难分离悬浮液，常 用 于微生物菌体和蛋白质的分离。
絮凝作用：利用含有多个功能基团的线状高分子 聚合物的架桥作用使细胞发生絮凝而 变成粗大的絮凝团。絮凝剂的浓度、 悬浮液的酸度和离子强度都将影响絮 凝的效果。
《细胞破碎分离》ppt课件
法
珠捣碎
细胞的大规模处置
超声波法 使细胞遭到液体剪 适中 昂贵 细胞悬浮液小规模
切力而破碎
处置
2.非机械法
非机械方法很多 1) 生物法-酶溶解〔enzyme lysis〕 2) 化学法溶胞〔chemical treatment〕 3) 物理法 浸透压冲击〔osmotic shock〕 冻结和融化〔freezing and thawing〕 枯燥法 其中酶溶解法和化学溶胞运用最广
大多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚糖 构成，少数含纤维素。
红面包霉菌细胞壁构造： 最外层(a)是α-和β-葡聚糖的
混合物， 第2层(b)是糖蛋白的网状构造 第3层(c)主要是蛋白质， 最内层(d)主要是几丁质。
真菌细胞壁的构造表示图
真菌细胞壁的强度：主要决议于聚合物的网状构 造，不仅如此，它还含有几丁质或纤维素的纤维 状构造，所以强度更高。
➢ 缺陷： ➢ 超声波产生的化学自在基能使某些敏感性活性
物质失活。 ➢ 对冷却的要求非常高，所以不易放大，但在实
验室小规模细胞破碎中常用。
不同机械破碎方法的比较
技术
匀浆法 (孔型)
原理
效果 本钱
举例
使细胞遭到液体剪 猛烈 适中 细胞悬浮液大规模
切力而破碎
处置
研磨破碎 细胞被玻璃珠或铁 猛烈 廉价 细胞悬浮液和植物
度，研磨剂量，颗粒大小，以及温度等 相关。
3〕超声波破碎
作用机理：液体剪切力 超声波破碎法
〔Ultrasonication)利用超 声波振荡器发射的15-25kHz 〔千赫〕的超声波探头处置 细胞悬浮液。 超声波的细胞破碎效率与细 胞种类、浓度和超声波的频 率有关。
超声波破碎的机理
第三章细胞破碎
①细胞壁的最里层是由葡聚糖的 细纤维组成，它构成了细胞壁的 刚性骨架，使细胞具有一定的形 状，
②覆盖在细纤维上面的是一层糖 70~300
蛋白，
nm
③最外层是甘露聚糖，由1,6一磷 酸二酯键共价连接，形成网状结 构。在该层的内部，
④有甘露聚糖-酶的复合物，它可 以共价连接到网状结构上，也可 以不连接。
3.1 细胞的结构
一、细菌细胞的结构
破碎细菌的主要阻力
破碎细菌的主要阻力是来自于肽聚糖的网 状结构，其网结构的致密程度和强度取决 于聚糖链上所存在的肽键的数量和其交联 的程度，如果交联程度大，则网结构就致 密。
因此，革兰氏阴性细菌比阳性细菌容易破碎。
3.1 细胞的结构
二、酵母细胞的结构
由酵母细胞壁的结构示意图可知， 共有4层：
3.1 细胞的结构
一、细菌细胞的结构
革兰氏阳性/阴性细菌细胞壁的结构和组成
微生物
革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌
细胞壁厚 （nm）
层次
主要 组成
15~50
10~12
单层
肽聚糖（40%~90%） 多糖
胞壁酸 蛋白质 脂多糖（1%~4%）
多层
肽聚糖（5%~10%） 脂蛋白
脂多糖（11%~12%） 磷脂
蛋白质
四、植物细胞的结构
“经纬”模型
目前，较流行的初生细胞壁结构是由Lampert等人提 出的“经纬”模型：
依据这一模型，纤维素的微纤丝以平行于细胞壁平面的方向 一层一层敷着在上面，同一层次上的微纤丝平行排列，而不 同层次上则排列方向不同，互成一定角度，形成独立的网络， 构成了细胞壁的“经”，
模型中的“纬”是结构蛋白（富含羟脯氨酸的蛋白），它由 细胞质分泌，垂直于细胞壁平面排列，并由异二酪氨酸交联 成结构蛋白网，径向的微纤丝网和纬向的结构蛋白网之间又 相互交联，构成更复杂的网络系统。
最新南农生物分离工程生物分离1
品制作。
预处理→细胞分离→细胞破壁→碎片分离→提取→ 精制 → 成品制作
加热 过滤
匀浆法 离心 沉淀 (重)结晶 浓缩
调 pH 离心
研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥
絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤
超滤
图1-1 生化分离工程一般工艺过程
A. 不溶物的去除
• *filtration（过滤） • *centrifugation（离心） • *cell disruption （细胞破碎）
1.3 生物技术下游加工过程的特点
• 生物技术产品以粗料发酵为主，粗原料
增加了下游操作成本，包括发酵废液的 处理成本，其中清液（精料）发酵将是 一个方向。
• 目前发酵或培养大多是分批操作，各批
发酵液产物浓度和其他物性会出现差异， 实际生产中也会出现染菌的发酵液，因 而需要技术的适应面宽，操作弹性大。
1.1 生化分离工程的研究对象
定义
• 对于由生物界自然产生的或由微生物菌
体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶 反应等各种生物工业生产过程获得的生 物原料，经提取分离、加工并精制目的 成分，最终使其成为产品的技术。
1.2 生化分离工程的重要性
• 生物技术产品一般存在于一个复杂的多
相体系中。唯有经过分离和纯化等下游 加工过程，才能制得符合使用要求的产 品。因此产品的分离纯化是生物技术工 业化的必需手段。
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
生物工程的主要特点是生物制品多种多样， 产品的多样性导致分离方法的多样性
预处理→细胞分离→细胞破壁→碎片分离→提取→ 精制 → 成品制作
加热 过滤
匀浆法 离心 沉淀 (重)结晶 浓缩
调 pH 离心
研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥
絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤
超滤
图1-1 生化分离工程一般工艺过程
A. 不溶物的去除
• *filtration（过滤） • *centrifugation（离心） • *cell disruption （细胞破碎）
1.3 生物技术下游加工过程的特点
• 生物技术产品以粗料发酵为主，粗原料
增加了下游操作成本，包括发酵废液的 处理成本，其中清液（精料）发酵将是 一个方向。
• 目前发酵或培养大多是分批操作，各批
发酵液产物浓度和其他物性会出现差异， 实际生产中也会出现染菌的发酵液，因 而需要技术的适应面宽，操作弹性大。
1.1 生化分离工程的研究对象
定义
• 对于由生物界自然产生的或由微生物菌
体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶 反应等各种生物工业生产过程获得的生 物原料，经提取分离、加工并精制目的 成分，最终使其成为产品的技术。
1.2 生化分离工程的重要性
• 生物技术产品一般存在于一个复杂的多
相体系中。唯有经过分离和纯化等下游 加工过程，才能制得符合使用要求的产 品。因此产品的分离纯化是生物技术工 业化的必需手段。
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
生物工程的主要特点是生物制品多种多样， 产品的多样性导致分离方法的多样性
生物细胞分离原理及技术思考题南通大学
生物细胞分离原理及技术思考题1 生物分离工程在生物技术中的地位？ 是生物技术下游加工过程。
2 生物分离工程的特点是什么？生物产品的多样性决定了分离方法的多样性与复杂性； 绝大多数生物分离方法来源于传统的化工分离方法； 生物分离一般比化工分离难度大；分离过程的成本占产品总投资的大部分。
3 生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？ 不溶物的去除：过滤，离心，细胞破碎产物粗分离：离子交换吸附，萃取（溶剂萃取，反微团萃取，超临界流体萃取，双水相萃取）产品的纯化：色谱，电泳，沉淀 产品的径直：结晶，干燥4 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？ 产品价值 产品质量产物在生产过程中出现的位置 杂质在生产过程中出现的位置 主要杂质独特的物化性质是什么？ 不同分离方法的技术经济比较 5常用的细胞破碎方法有哪些机械破碎：高压匀浆破碎，珠磨破碎法，超声波破碎法 以下为非机械法物理破碎：渗透压冲击，冻结和融化，干燥法 化学破碎：酸碱处理法，表面活性剂（增溶），有机溶剂，EDTA 螯合剂 酶促破碎：外加酶法，自溶酶法6在选择细胞破碎方法时需要考虑哪些因素？ 细胞处理量；细胞壁强度和结构(高聚物交联程度、种类和壁厚度)； 目标产物对破碎条件的敏感性； 破碎程度；目标产物的选择性释放7基因工程包涵体的纯化方法。
收集菌体细胞；细胞破碎；包涵体洗涤；目标蛋白的变性溶解；目标蛋白的复性。
8 什么是萃取过程？液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？其理论收率如何计算？ 利用物质在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的。
物理萃取和化学萃取；111--=++n n E E E P9 常见物理萃取体系由那些构成要素？原溶剂，溶质，萃取剂，萃取相，萃余相10何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？一种物质在两相系统中的分配行为可用分配系数来描述，分配系数K为该物质在上相和下相中的浓度之比。
生物分离工程(细胞破碎技术)
②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。 ③核酸释出量少，浆液黏度低，便于进一步提 核酸释出量少，浆液黏度低， 取。 缺点： ①时间长，效率低。②化学试剂具有毒性。 时间长，效率低。 化学试剂具有毒性。 ③通用性差。 通用性差。
（一）高压匀浆破碎法
1、高压匀浆阀及其破碎机理 高压匀浆阀及其破碎机理 2、温控与能耗 3、 存在的问题
影响超声波破碎的因素
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、pH和细胞种类等对破碎 细胞悬浮液的离子强度、pH和细胞种类等对破碎 效果也产生影响。 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20％左右，高浓度 超声波破碎时细胞浓度一般在20％左右，高浓度 和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 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，噪声令人难以忍受，而且大容量 装置的声能传递、散热均有困难，因而超声破碎 的工业应用潜力有限。
盐酸胍和脲
盐酸胍和脲是常用的变性剂。 盐酸胍和脲是常用的变性剂。一般认为胍能与 水中氢键作用，削弱了溶质分子间的疏水作用， 水中氢键作用，削弱了溶质分子间的疏水作用， 从而使疏水性化合物溶于水溶液， 从而使疏水性化合物溶于水溶液，如胍能从大肠 杆菌膜碎片中溶解蛋白。 杆菌膜碎片中溶解蛋白。 盐酸胍不仅能改变细胞的通透性， 盐酸胍不仅能改变细胞的通透性，而且能溶解 不溶性重组蛋白(如包含体) 不溶性重组蛋白(如包含体)，并在其它试剂的配 合下使其二硫键断裂，变性解离成单体， 合下使其二硫键断裂，变性解离成单体，从而释 放出来。除去变性剂和杂蛋白后， 放出来。除去变性剂和杂蛋白后，在一定条件下 恢复肽链内或肽链间的二硫键， 恢复肽链内或肽链间的二硫键，再折迭复性成具 有活性的蛋白质立体结构。 有活性的蛋白质立体结构。
生物分离工程-细胞破碎幻灯片
过滤设备选择的依据
被过滤液体的特性 固形物含量1-10％是采用连续式过滤机的极限。
生产规模：大规模——连续式 小规模——间歇式
操作条件 操作要求 过滤机的材料：食品和药品工业—聚丙烯或聚酯
过滤设备
板框过滤机 优点：
构造简单、装配紧凑、过滤面积大、允许采 用较大的操作压力，辅助设备少，动力消耗小， 过滤和洗涤质量好，对固形物含量要求低，材料 选择范围广。 缺点：
常用凝聚剂——高价阳离子
凝聚能力的次序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li
+
常用电解质： Al2(SO4)3·18H2O、AlCl3·6H2O、FeCl3、
ZnSO4、MgSO4
絮凝
定义： 是指在某些高
分子絮凝剂存在下， 基于架桥作用，使 细胞聚集形成粗大 的絮凝团的过程。
• 超声波振荡过程中遇到的最
大问题就是产生的热量不容 易驱散，所以影响了它在大 规模工业上的应用，但在实 验室和小规模生产中是一种 很好的方法
15.2.2 非机械法
非机械方法很多，包括酶解、渗透压冲击、冻结 和融化、枯燥法和化学法溶胞等.
1)酶解法 是利用酶反响，分解破坏细胞壁上特 殊的键，从而到达破碎目的。酶解法可以在细 胞悬浮液中参加特定的酶，也可以采用自溶作 用。
真空转鼓过滤机
14.2.3 离 心
定义： 借助离心机旋转所产生的离心力的作
用，促使不同大小，不同密度的粒子别离 的技术。
离心力〔单位质量〕
F C r 2 r ( 2 N ) 2 4 2 N 2 r
分离因数
南农生物分离工程生物分离
—m∞—b—C—=
0.06×0.02 b ——————=0.04
,
b=100
1 + b C 1 + 0.02 b
则当料液含抗菌素0.2Kg/m3时的吸附量可计算如下：
0.06×100×0.2 m = ————————=0.057Kg/Kg
1 + 100×0.2
影响吸附的因素
• 吸附剂的性质（组成结构、容量、稳定性 ）
界面
吸附机理——表面性质
吸附类型与特性
1. 物理吸附 2. 化学吸附 3. 交换吸附
1. 物理吸附——分子间作用力的吸附 1）吸附区域为自由界面 2）吸附层数为多层 3）吸附可逆性—可逆 4）吸附选择性—差
2. 化学吸附—化学键力的吸附 1）吸附区域为未饱和的原子 2）吸附层数为单层 3）吸附可逆性—不可逆 4）吸附选择性—很好
南农生物分离工程生物分离
什么是吸附？
利用固体特有的吸附特性，从液体中吸附目标物，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯 化的过程。
• 吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流
出、吸附质解吸回收等四个过程。
料液与吸附剂混 合
Step1
吸附质被吸附 Step2
料液流出 Step3
比表面积 陈化程度 磷酸钙凝胶 制备方法 活性炭800℃活化吸附碱
500℃吸附酸 “钝化” 暴露于冷湿空气 “活化” 加热除水 真空除水
• 吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）
能使表面张力降低的物质易吸附 在溶解度大的溶剂中，溶质吸附量小 极性相近的易吸附 同系物M↑（羧酸）极性↓宜用非极性吸附剂
例：应用大孔树脂作为吸附剂分离抗菌素，饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg（干树脂）；当 抗菌素浓度为0.02Kg/m3时，吸附量为0.04Kg/Kg；假定此吸附属于Langmuir等温吸附，求料 液含抗菌素0.2Kg/m3时的吸附量。
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机械法和非机械法的比较
• 超声波破碎(15—25kHz)
机理 在超声作用下产生的空穴化作用 (cavitation)，空穴的形成和闭合产生极大 的冲击波和剪切力。
发声器和换能器 高频电流→ 机械振动 功率、工作时间（9S）、间歇时间、工作次数、 产热大、实验室
Ultrasonication 超声波
超声波破碎仪
超声破碎法
Gram-negative procaryotes
革兰氏阴性原核生物（E.coli）
• 革兰氏阴性细胞结构有三层：最外层约8mm厚，酶大多数
镶嵌在这层膜上。革兰氏阳性原核生物缺少最外层结构，
• 但有第二层肽聚糖层和胞浆空间。 • 第三层为浆膜层或内膜层，革兰氏阴性菌和革兰氏阳性
都有这一结构，该层主要由磷脂组成，还有分散的蛋白 质分子和金属离子。
分类
机械法 固体剪切法(珠磨法) 液体剪切法 撞击法 超声法 渗透法
非机械法 酶溶法 化学降解法（酸碱法） 表面活性剂法 干燥法 冻融法
细胞膜
• 本节主要研究的是革兰氏阴性原核生物。 • 其细胞结构中没有细胞核：基因物质位于单链DNA上。
典型的生物是大肠杆菌，是生物技术研究的主体。 通过这种细胞生产了很多细胞重组的产物。
或0.2M溶质 。
• 例：一种耐盐细胞其能积累细胞内低分子
量卤化物，适应高渗透压，能在含有
0.32mol/LNaCl, 0.02mol/LMgCl2 , 0.015mol/LCaCl2, 0.01mol/LFeCl3 的培养基 中培养，当其从含盐量高的培养基中转移 至清水中，在数分钟内能将胞内产物释放 出来，试估计细胞膜所受渗透压的大小。 （设操作温度为25℃）
自溶作用：加热、干燥诱发
• 冻-融法
细胞 -15℃冷冻、室温融化 细胞膜疏水键破裂，胞内水结晶膨胀破裂
温和、破碎率低
• 干燥法
细胞膜渗透性改变，易抽提（丙酮、丁醇）
空气干燥（酵母）25-30℃热空气 真空干燥（细菌） 喷雾、冷冻干燥（不稳定生化物质）
非机械法
优点： A、产品释放的选择性； B、提取速度和收效高； C、产品的破坏小； D、对外界环境，如pH和温度等要求低。
珠磨法
• 高速珠磨机
珠直径、数量、悬浮液浓度、搅拌速度
Crushing in ball mill 珠磨法
WSK卧式高效全能珠磨机
ZM系列卧式密闭珠(砂)磨机
高压匀浆器
影响因素
操作压力p：p, R 。温度 2C /10MPa 。 破碎次数N：N，R 。 温度：比速度k与温度有关，温度25C，k1.5倍。 细胞种类：如大肠杆菌比酵母易破碎
• 细胞破碎的难易决定于其类型，红血球细
胞容易溶破，动物细胞只有当其组织被机 械切碎或匀浆后才易溶破。植物细胞很难 溶破，因为植物细胞中含有大量的木质成 分，通过渗透流很难渗透。
渗透流的动力来自渗透压，渗透压可以 过化学平衡来估算：
P=RTC 该式称为范特苛夫定律。
• 许多细胞内溶质浓度大约为0.1M NaCl
最多; B、高压匀浆机最适合于酵母和细菌; C、珠磨机可用于酵母和细菌，但对真菌菌丝和藻
类更合适.
二、非机械法
化学法
方法
技术
原理
效果 成本
举例
化学法
渗透冲击 酶消化法 增溶法 脂溶法 碱处理法
渗透压破坏细胞 温和 便宜
细胞壁被消化，使 细胞破碎
表面活性剂溶解细 胞壁
有机溶剂溶解细胞 壁并使之失稳
解：细胞所受渗透压按照下式计算：
• P＝ RTC • ＝ 8.314×298×(0.32×2＋0.02×3＋
0.015×3＋0.01×4)×103
• ＝1.94×106 Pa
• 酶解法
阳性菌：溶菌酶，分解糖苷键，低渗溶液破裂 阴性菌：EDTA-溶菌酶、甘氨酸-溶菌酶、
青霉素法（抑制细胞壁合成）
酵母菌：蜗牛酶、纤维素酶 霉菌：几丁质酶、壳聚糖酶
动物细胞
植 物 细 胞 模 式 图
• 破壁难易程度
与壁强度、壁厚度、聚合物的种类、 细胞的形状和大小有关
细菌比真菌易破碎 G+用溶菌酶 G-添加EDTA，除去Ca2+
细胞破碎理论
1)、细胞破碎
A 压撞 B 剪切 C渗透 冻胀 膜
D 破壁破
2)、产物释放
一、机械法
方法
技术
原理
效果 成本
举例
机械法 匀浆法（片型） 细胞被搅拌器劈碎 适中 适中
细胞破碎技术
※ Summary 概述 ※ Cell Membranes 细胞膜
※ Chemical Methods 机械破碎 ※ mechanical disruption 非机械破碎
概述
• 有些目标产物不在发酵液中，而是存在于生物体
中。尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质不 会被分泌到发酵液中，而是在细胞内沉积，使胞 内产物释放出来一般需要破碎细胞壁 。
研磨法
细胞被研磨物磨碎 适中 便宜
动物组织及动 物细胞
超声波法 匀浆法（孔型） 珠磨破碎法
用超声波的空穴作 适中 用使细胞破碎
须使细胞通过的小 剧烈 孔，使细胞受到剪 切力而破碎
细胞被玻璃珠或铁 剧烈 珠捣碎
昂贵 适中 便宜
细胞悬浮液小 规模处理
细胞悬浮液大 规模处理
细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
• 这三层有不同功能。外层及肽聚糖层使细
胞有一定的机械强度；破坏该层是本章讨 论的重点。浆膜层和细胞内膜控制细胞的 渗透压，即将营养物质运送到细胞内，将 代谢物排出胞外。
• 真核细胞，具有真正的细胞核，其结构要比
原核生物复杂的多，以图所示的酵母菌为例， 和原核细胞一样，真核细胞也具有一层细胞 膜。
超声破碎法
优点：适合于多种细胞的破碎
缺点：A、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； B、有效能量的利用率低；C、产热大，需 控温； D、不易放大，仅应用于实验室规 模的细胞破碎。
JJ-2组织捣碎匀浆机
研钵
机械法
优点 A、在大规模cell破碎中，高压匀浆机和珠磨机用得
碱的皂化作用使细 胞壁融解
温和 温和 适中 剧烈
昂贵 适中 便宜 便宜
血红细胞的破 坏
胆盐作用于大 肠杆菌 甲苯破碎酵母 细胞
Osmotic Shock(渗透冲击法)
最简单的是渗透冲击法。 此法将一定体积的细胞液加到2倍体积的水 中，细胞中溶质浓度高，水不断进入细胞， 使细胞膨胀，最后导致破裂，释放胞内物。