生物工艺学下游技术第三章细胞破碎
生物工程下游技术思考题答案
⽣物⼯程下游技术思考题答案⼀．绪论1、从某⼀动物培养的细胞中分离某⼀抗体(⼀蛋⽩的代表）的⼀般⼯艺过程。
答：⽣物⼯程下游技术的⼀般⼯艺过程（p12）2、分离纯化某⼀酶制剂的主要步骤和结果如下表：（（2）亲和层析的原理是什么？3、产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：⽣物分离过纯化过程的选择准则（P16）①步聚少，成本低②次序合理③产品规格（注射，⾮注射）④⽣产规模⑤物料组成⑥产品形式固体：适当结晶，液体：适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分⼦电荷，分⼦⼤⼩，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废⽔处理第⼆章发酵液预处理1．沉降速度离⼼的原理。
（p15）答：沉降速度法：主要⽤于分离沉降系数不同的物质。
2．沉降平衡离⼼的原理。
（p15）答：沉降平衡法：⽤于分离密度不同的物质。
如梯度密度离⼼。
3．差速离⼼的概念。
（p15）答：采⽤不同的转速将沉降系数不同的物质分开的⽅法。
4． rpm与RCF的换算关系。
5.已知某⼀离⼼机的转⼦半径为25cm，转速为1200r/min，计算相对离⼼⼒为多⼤？第三章细胞破碎1除去发酵液杂蛋⽩质的常⽤⽅法有那些？答：杂蛋⽩质的除去（p6）(1) 沉淀法：蛋⽩质是两性物质，在酸性溶液中，能与⼀些阴离⼦（三氯⼄酸盐、⽔扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与⼀些阳离⼦（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。
(2) 变性法：使蛋⽩质变性的⽅法很多，如：加热，调节pH，有机溶剂，表⾯活性剂等。
其中最常⽤的是加热法。
(3) 吸附法：加⼊某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋⽩质⽽除去。
2产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：(1) 是胞内产物还是胞外产物；(2) 原料中产物和主要杂质浓度；(3) 产物和主要杂质的物理化学特性及差异；(4) 产品⽤途和质量标准；(5) 产品的市场价格；(6) 废液的处理⽅法等。
3发酵液过滤与分离的困难的原因及解决⽅法。
答：第⼀节发酵液过滤特性的改变微⽣物发酵液的特性可归纳为： (P3)①发酵产物浓度较低，⼤多为1％⼀10％，悬浮液中⼤部分是⽔；②悬浮物颗粒⼩，相对密度与液相相差不⼤；③固体粒⼦可压缩性⼤；④液相粘度⼤，⼤多为⾮⽜顿型流体；⑤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。
细胞破碎方法综述
细胞破碎方法综述细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术，是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质（产品）的基础。
结合重组DNA 技术和组织培养技术上的重大进展，以前认为很难获得的蛋白质现在可以大规模生产。
关键词：细胞破碎；细胞壁；细胞膜；细胞破碎方法1前言目标产物的分离纯化在现代生物技术工业中占有十分重要的位置，它决定着产品的纯度和安全性，也决定着产品的收率与成本。
许多生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外，而保留在细胞内。
破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏或破碎，释放其中的目标产物。
自20世纪80年代初重组DNA技术得到广泛应用以来,生物技术发生了质的飞跃,生物产品的数量越来越多,许多具有重大应用价值的产品应运而生,如具有显著医疗作用的胰岛素、干扰素、生长激素、白细胞介素一2等,它们的基因分别在宿主细胞(如大肠杆菌或酵母细胞)内克隆表达成为基因工程产物,从而提高了产量,降低了成本。
很多基因工程产物都是胞内物质 (如上述药物经克隆表达后都属胞内物质),分离提取这类产物时,必须将细胞破壁,使产物得以释放,才能进一步提取。
因此细胞破碎是提取胞内产物的关键性步骤,破碎技术的研究更加引起基因工程专家和生化工程学者的关注。
2细胞破碎技术2．1高压匀浆破碎法（homogenization）高压匀浆器是常用的设备，它由可产生高压的正向排代泵（positive displacenemt pump）和排出阀（discharge valve）组成，排出阀具有狭窄的小孔，其大小可以调节。
细胞浆液通过止逆阀进入泵体内，在高压下迫使其在排出阀的小孔中高速冲出，并射向撞击环上，由于突然减压和高速冲击，使细胞受到高的液相剪切力而破碎。
在操作方式上，可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式，也可连续操作。
为了控制温度的升高，可在进口处用干冰调节温度，使出口温度调节在20℃左右。
生物工程下游技术 细胞分离与破碎
2.1.1 悬浮液的预处理
2.1.1.1 生物悬浮液
生物细胞培养液指固体颗粒度在10-5cm以上的固液分散体系。其 中大部分是水，其次是微生物和动、植物或碎片及少量未用完的 培养基，约占培养液体积的20%左右。第三部分是代谢产物。
2.1.1.2生物悬浮液的基本特性
①具有水的特性 (极性、粘性、表面张力) ②细胞的相对密度与培养液相似 ③可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流变学复杂 ④悬浮状态稳定
2.1.2.2过滤的基本原理
Fluid mechanics for filtration Darcy’s law （Darcy方程）for incompressible cake, simplest case（适用于不可压缩和简单的可压 缩滤饼）for compressible cake, common for bio-separations（普遍 使用于生物分离过程。） Darcy’s law（达西定律） 滤饼比阻：单位滤饼厚度的阻力 rB=r(△P)m
2.1.2发酵液过滤法
2.1.2.1过滤的基本概念 过滤是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒 的溶液，使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的 常用方法之一。 Filtration separates solid from a liquid by forcing the liquid through a solid support or filter medium. This is a straight forward procedure for well defined crystals.
2.1.2.4 固液分离设备
板框
鼓式真空过滤机
错流过滤 离心机 平抛式 管式 管式 多室 蝶式 螺旋式
酶生产的下游工艺—细胞破碎
胞外产物 浓缩 初步分离 高度纯化
制剂 产品
复性
工作任务（一）细胞壁的结构及组成
工作任务（一）细胞壁的结构及组成
各种微生物细胞壁的结构与组成
微生 物
壁厚 /nm
层次
主要 组成
革兰氏阳 性细菌
15 ~ 50
革兰氏阴性 放线
细菌
菌
10 ~ 13 同G+
酵母菌 100 ~ 300
霉菌 100 ~ 250
单层
肽聚糖 (40% ~
90%) 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖 (1%〜2%)
多层
肽聚糖 (5% ~ 10%)
脂蛋白 脂多糖 (11% ~ 22%) 磷脂 蛋白质
多层
多层
葡聚糖(30% ~ 40%) 多聚糖
甘露聚糖(30%) (80% ~ 90%)
几丁质(1% ~ 2%)
脂类
蛋白质(6% ~ 8%) 蛋白质
珠磨机主体：立式和卧式圆筒型腔体。一般，卧
高
式比立式珠磨破碎效率高：因为立式机中向
速
上流动的液体在某种程度上会使研磨珠流态
珠
化，从而降低其研磨效率。
磨
研磨珠：玻璃(密度为2.5g／cm3)或氧化锆(密度
法
为6.0 g／cm3)微球(粒径约0.1～10mm)，填充
率为80％～85％。
工作任务（二）细胞壁的破碎
高 速 珠 磨 法
原理：细胞和极细的研磨剂在搅拌桨作用下充分混合， 珠子之间及珠子与细胞之间互相剪切、碰撞，促使细胞 壁破裂，释放内含物。
工作任务（二）细胞壁的破碎
细胞破碎方法
生产厂商:
瑞士WAB
公司
高
德国西门子
生物工程下游技术作业及答案[终稿]
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生物工程下游技术作业及答案第三章1 凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
2 絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成絮凝团的过程。
3 为有利于发酵液过滤可采用哪些方法来改变发酵液过滤特性？其简要机理如何？答：可通过以下几个方式：（1）降低液体粘度(加水稀释法和加热法)；（2）调节pH；（3）凝聚与絮凝；（4）加入助滤剂；（5）加入反应剂。
4 杂蛋白是发酵液中主要杂质，常用的除去方法有哪些？答：沉淀法；变性法；吸附法。
第四章1 细胞破碎：是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜。
2 细胞破碎有哪些方法？简述他们的基本原理。
答：固体剪切法；液体剪切法；超声波法；其他方法。
3 高压匀浆法与球磨法比较？答：1、高压匀浆法操作参数少，易于确定，适于大规模操作，而球磨法操作参数多，一般凭经验估计，在大规模操作中，夹套冷却控温难度较大。
2、球磨机连续操作时兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆机需配备换热器进行级间冷却。
3、球磨法破碎在适当条件下一次操作即可达到较高的破损率，而高压匀浆法往往需循环2-4次才行。
4、球磨机适合于各种微生物细胞的破碎，而高压匀浆机不适合丝状真菌及含有包含体的基因工程菌。
第六章1浓差极化：是指当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度的现象。
2 膜的污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。
3 简要说明各种膜（超滤膜、微孔过滤膜和纳米过滤膜）的特点及用途？答：超滤膜：能截留相对分子质量500以上的高分子的膜，应用于大分子产品，主要是酶及蛋白类产品。
微孔过滤膜：主要用于分离流体中尺寸为0.1-10µm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。
主要用于无菌液体的生产，反渗透及超过滤的前处理。
生物工程下游技术知识要点(总复习).pdf
第三章 发酵液预处理与固液分离1.加水稀释法 （稀释后要过滤速率提高的百分比要大于加水量）1.降低液体黏度2.加热法2.调整PH （如利用蛋白质的等电点）3.凝聚：在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
过滤特性改变 凝聚值越小，凝聚能力就越强絮凝：在有些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
混凝：包括上述两种方法。
4.加入助滤剂 （最常见的是硅藻土）5.加入反应剂1. Ca 2+: 加草酸钠除杂 Mg 2+ :加三聚磷酸钠 C a 2+ ：加黄血盐1.沉淀法2.杂蛋白的除去： 2.变性法 （有加热法，调PH ，加酒精，丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
）3.吸附法 (加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而除去)1.离心 公式：Q=v ω2Zg d v L S •−=μρρ18)(2固液分离手段 θπctg r r gn Z )(323132−=2.过滤 （1）板框过滤机 （适合固体含量在１％—１０％的悬浮液的分离）（２）真空转鼓过滤机 （适合固体含量大于１０％） （３）硅藻土过滤机 （适合固体含量小于０．１％）第五章细胞破壁细胞破壁１．破壁方法：（１）珠磨法原理：进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠，石英砂，氧化铝等研磨剂一起快速搅拌或研磨，研磨剂，珠子与细胞之间的互相剪切，碰撞，使细胞破碎。
（2 ）高压匀浆法原理：利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。
是大规模细胞破碎的常用方法。
（3）超声破碎法（适合实验室用）（4 ）酶溶法1 .外加酶法2. 自溶法（1）加热法（2）干燥法（5）化学渗透法2.破碎率的测定（1）直接测定法破碎前利用显微镜计数器直接计数破碎后用染色的方法把破碎的细胞与未受损的细胞分开。
即可直接计算破碎率。
（2）目的产物测定法通过测定破碎液中目的产物的释放量来估算破碎率。
（3）导电率测定法根据导电率随着破碎率的增加而呈线性增加第五章．溶剂萃取与浸取一、溶剂萃取过程的理论基础：——是把目标物质从第一个液相中依靠更强大的溶解力抽提到第二个液相中。
细胞破碎
主讲人：董冰雪
概念
细胞破碎就是采用物理、化学的方法，
在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，设
法使胞内产物最大程度地释放到液相中。
细胞破碎机理图
革兰氏阳性细菌的细胞壁结构
革兰氏阳性（G+） 细菌的细胞壁具有 较厚（30-40nm） 而致的特有的 成分，可加强肽聚 糖的结构。
处理G 细菌，对细胞外层膜有破坏作用。 G 细菌的外层膜结构通常靠二价阳离子 Ca2+或Mg2+结合脂多糖和蛋白质来维持， 一旦EDTA将Ca2+或Mg2+螯合，大量的 脂多糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现 洞穴。这些区域由内层膜的磷脂来填补， 从而导致内层膜通透性的增强。
-
有机溶剂
能溶解细胞壁中的磷脂层，使细胞破坏。 常用的有机溶剂：丁酯、丁醇、甲苯、 二甲苯、氯仿及高级醇等。
酶溶法
外加酶法
自溶法
化学试剂 破碎法
表面活性物质 EDTA螯合剂 有机溶剂 变性剂
（1）酶溶法（Enzymatic Lysis）
①外加酶法
G
+
溶菌酶、适量抑制剂 溶菌酶、EDTA 溶菌酶 β-葡聚糖酶 几丁质酶、 纤维素酶、半纤维素酶
常 用 的 溶 酶
G放线菌 酵母菌 霉菌 植物
细胞壁溶解酶是几种酶的复合物
仅适用于细胞壁较脆弱的细胞或细胞壁 预先用酶处理或在培养过程中加入某些 抑制剂（如抗生素等），使细胞壁有缺 陷，强度减弱。
反复冻融法
将细胞放在低温下突然冷冻而在室温下缓 慢融化，反复多次而达到破壁作用。由于 冷冻，一方面使细胞膜的疏水键结构破裂， 另一方面胞内水结晶，使细胞内外溶液浓 度变化，引起细胞膨胀而破裂。 缺点：适用于细胞壁较脆弱的菌体，破 碎率较低，需反复多次，此外，在冻融 过程中可能引起某些蛋白质变性。
生物工程下游技术 细胞分离与破碎2
活性测定 （2） 电导率测定：破碎后，带电荷的 内容物释放，使悬浮液的导电率增加。
2.2.5包含体溶解与蛋白质的复性
2.2.5.1包含体的概念
重组DNA技术实现了大规模生产目标蛋白质，但这些基 因重组所产生的蛋白质往往互相交联在一起，形成不溶性 的聚积物，称包含体(inclusion bodies, Ibs)。
2.2 细胞破碎(cell mill）
2.2.1 细胞的结构与组成
2.2.2 细胞破碎技术 2.2.3目标产物的选择性释放 2.2.4 破碎率的评价 2.2.5包含体溶解与蛋白质的复性
2.2.1 细胞的结构与组成
革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌
酵母
真菌
革兰氏阳性菌细胞壁
革兰氏阴性细胞壁
酵母细胞壁
2.2.5.2包含体的性质
2.2.5.3包含体的形成
包含体的形成为动力学控制过程，可用竞争反应动力学 描述
U→I→N ↓ka A
U—伸展肽链(unfolded peptide);I—折叠中间态； N—天然活性态；A—聚集体(包含体) ki—中间体生成速率常数;kr—折叠速率常数；ka— 聚集体生成速率常数
2)目前有两种不同的假设：一种假设认为，肽链中的局部 肽段先形成一些构象单元，如α螺旋、β折叠、β转角等二 级结构，然后再由二级结构单元的组合、排列，形成蛋白 质三级结构；另一种假设认为，首先是由肽链内部的疏水 相互作用导致一个塌陷过程，然后经逐步调整，形成不同 层次的结构。 3)当溶液中离子强度或变性剂浓度很低，又无其它辅助手 段存在时，聚集趋势占主导地位，导致蛋白质的自发复性 效率极低。
In some cases, the products of interest are not in the broth but are in the biomass. It is intracellular. Releasing this trapped material usually involves rupturing the cell wall
生物工业下游技术习题附答案
生物工业下游技术习题第一章绪论1、何为生化分离工程？其主要研究那些内容？下游加工过程（下游技术）：对由生物界自然产生的或由微生物发酵过程、动植物细胞组织培养或酶反应过程等各种生物工业生产过程获得的生物原料（发酵液、培养液、反应液），经提取分离、加工精制成有关生物化工产品的过程（技术）。
由不同生物化工单元操作组成。
研究内容：产品的分离纯化，从混合物（发酵液等）中用最低的投入，获得最高的产出（产物的高得率、高纯度）。
2、试述生物技术下游加工过程的特点及应遵循的原则。
特点：发酵液等为复杂多相系统，属非牛顿性液体，成分复杂多样，固液分离困难。
产物起始浓度低（发酵液起始浓度较低而杂质又较多），常需多步纯化操作；产物（生物物质）通常很不稳定：遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解；发酵或培养都是分批操作，生物变异性大，各批发酵液不尽相同，下游加工应有弹性；发酵液不宜久存，应尽快提取。
原则：时间短；温度低；pH适中（在生物物质的稳定范围内）；严格清洗消毒。
基因工程产品，生物安全问题3、生化分离工程有那些特点？其包括那几种主要分离方法？4、简述生化分离工程的发展趋势。
操作集成化(减少步骤，提高收率）；方法集成化；大分子与小分子分离方法的相互渗透；亲和技术的推广使用和配基的人工合成；优质层析介质的开发；基因工程对下游过程的影响；发酵与提取相耦合。
5、简述生物技术下游加工过程的一般流程。
按生产过程划分，下游技术大致分为4个阶段：a)预处理（发酵液或培养液的预处理和固液分离)；b)提取（初步分离纯化）；c)精制（高度纯化）；d)成品加工（最后纯化）；第二章预处理与固-液分离法1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？预处理：a)预处理目的：改变发酵液的性质，利于固液分离。
b)方法：采用酸化、加热、以降低发酵液的粘度；或加入絮凝剂，使细胞或溶解的大分子聚结成较大颗粒。
目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，利于提取精制后续工序的顺利进行；菌种不同、发酵液特性不同，预处理方法选择也不同。
生物工程下游技术复习
第三章 细胞破碎、蛋白质复性及固液分离
*包含体? 主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达产物,产 物的一级结构是正确的，但立体结构是错误的，故 无活性。通常为固体颗粒。 泡沫分离法? 是一种基于溶液中溶质（或颗粒）间表面活性的 差异进行分离的一种方法，表面活性强的物质优 先吸附于分散相（气相）与连续相（液相）的界
面处，被气泡带出连续相而达到分离。
稀释复性? 将溶液稀释，导致变性剂的浓度降低，蛋白 质开始复性。 透析复性? 将溶液对水或缓冲液透析，变性剂透过膜被 除去，里面的蛋白开始复性。时间较长，易 形成蛋白质沉淀。 临界胶团浓度? 表面活性剂在水溶液中形成胶团的最低浓度。
包含体的成分及形成的原因?
• 包含体（inclusion body）：重组蛋白质的高效表达 常常导致其在胞内发生错误折叠和聚集，形成包含 体。 • 包含体主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达 产物；产物的一级结构是正确的，但立体结构是错 误的，故无活性。 • 一般认为包含体的形成主要原因是蛋白质本身具有 易于聚集沉淀的性质，或表达产物周围的物理环境 （如温度、离子组成）不适或缺少某些折叠辅助因 子（如分子伴侣）的作用。 • 在大多数情况下，包含体的形成是蛋白质过量表达 的结果，而与蛋白质的种类和表达系统无关。
①加热。不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度， 提高过滤速率。 ②调PH； ③加有机溶剂如酒精、丙酮等。
（3）吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸 附杂蛋白而除去。
*发酵液预处理的目的是什么？主要有那几 种方法？ 预处理的目的： • 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）， • 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。 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、 添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加 反应剂及添加助滤剂等。
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它还含有几丁质或纤维素的纤维状结构，所 以强度有所提高。
几丁质就是由 N- 乙酰葡萄糖胺分子，以 b -1,4 葡萄糖苷键连接而成的多聚糖。
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11
一、细胞壁的组成和结构
为了研究细胞的破碎，提高其破碎率，有必要了解 各种微生物细胞壁的组成和结构（表1）：
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4
革兰氏阳性菌的细胞壁
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5
革兰氏阳性菌的细胞壁
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6
细菌的细胞壁
革兰氏阳性菌的细胞壁较厚（15－50 nm），肽 聚糖占40％一90％，其余是多糖和磷壁酸，
革兰氏阴性菌的肽聚糖层较薄（1.5－2.0nm）， 最外面还有一较厚的外壁层（8—10 nm），外壁 层主要由脂蛋白，脂多糖组成。
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
覆盖在细纤维上面的是一层糖蛋白， 再外面是由1，6－磷酸二酯键共价连接而成网状结
构的甘露聚糖。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。
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9
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10
真菌的细胞壁
大多数真菌的多糖壁，主要存在三种聚合物， 葡聚糖（主要以β－（1→3）键连接，某些 以β－（l→6）键连接），几丁质（以微纤 维状态存在）,糖蛋白。
微生物 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 酵母菌
霉菌
壁厚/nm
20-80
10-13
100-300
100-250
层次
单层
多层
多层
多层
主要组成 肽聚糖 （40-90%） 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖 （1-4%）
肽聚糖 （5-10%） 脂蛋白 脂多糖 （11-22%） 磷脂 蛋白质
葡聚糖
多聚糖
（30-40%） （80-90%）
反复冻结-融化 破碎率较低，不适合对冷冻敏感目的产物
改变细胞膜渗透性 编辑条pp件t 变化剧烈，易引起大分子物质失活14
1.珠磨法（Bead mill）
原理：
进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化 铝等研磨剂（直径小于1mm）一起快速搅拌或研磨，研磨 剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释放 出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子被滞留在破碎室内， 浆液流出从而实现连续操作。破碎中产生的热量一般采用夹 套冷却的方式带走。
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16
2.高压匀浆法（High-pressure homogenization）
——大规模细胞破碎的常用方法
采用高压匀浆器（由高压泵和匀浆阀组成，英国APV公司和美国 Microfluidics公司均有产品出售）。
原理：
利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲
击撞击环使细胞破碎，细胞悬浮液自高压室针形阀喷出时，
液体剪切作用
对酵母菌效果较差，破碎过程升温剧烈， 不适合大规模操作
固体剪切作用
破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感目 的产物不适合
酶分解作用
具有高度专一性，条件温和，浆液易分离， 溶酶价格高，通用性差
改变细胞膜的渗透性 具一定选择性，浆液易分离，但释放率较 低，通用性差
渗透压剧烈改变 破碎率较低，常与其他方法结合使用
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 的肤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。
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7
革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌
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8
酵母菌的细胞壁
主要成分为葡聚糖与甘露聚糖以及蛋白质等，比革 兰氏阳性菌稍厚，而且其厚度随菌龄增加而增加。
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3
细菌的细胞壁
几乎所有细菌的细胞壁都是由坚固的骨架——肽 聚糖组成，是由肽聚糖链借短肽交联而成，使细胞 具有一定的形状和强度。
短肽一般由四或五个氨基酸组成，如L－丙氮酸－ D－谷氨酸－L－赖氨酸－D－丙氨酸。
肽聚糖键是N－乙酰葡萄糖胺和N－乙酰胞壁酸交 替地通过β－（l→4）糖苷键联接而成。短肽接在 N－乙酰胞壁酸上，相邻的短肽又交叉相联，形成 了网状结构。
甘露聚糖 脂类
（30%） 蛋白质
蛋白质
（6-8%）脂类Fra bibliotek（8.5-
13.5%）
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12
细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状结 构越致密，破碎的难度越大，革兰氏阴性细菌网状结构不 及革兰氏阳性细菌的坚固；
酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧密 程度和它的厚度；
由于霉菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构， 其强度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高。
对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎， 使代谢产物转入液相中，然后，再进行细胞碎片的 分离。
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2
细胞壁的组成和结构
细胞破碎是为了破坏细胞外围使细胞内含 物释放出来。微生物的细胞外围通常包括细 胞壁和细胞膜。
细胞膜使细胞内外保持一定的浓度差，它 主要由蛋白质和脂质组成，强度比较差，易 受渗透压冲击而破碎。细胞破碎的主要阻力 来自于细胞壁。
微生物细胞的破碎
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1
微生物细胞的破碎
微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外，称 为胞外产物。(例如细菌产生的碱性蛋白酶，霉菌 产生的糖化酶等)
还有许多是存在于细胞内(例如青霉素酰化酶，碱 性磷酸酯酶等)称为胞内产物。
对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤，获 得澄清的滤液，作为进一步纯化的出发原液，
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13
二、常用破碎方法
分
类
机 珠磨法 械 法 高压匀浆法
超声破碎法
X-press法
非 酶溶法 机 械 化学渗透法 法
渗透压法
冻结融化法
干燥法
作用机理
适应性
固体剪切作用
可达较高破碎率，可较大规模操作，大分 子目的产物易失活，浆液分离困难
液体剪切作用
可达较高破碎率，可大规模操作，不适合 丝状菌和革兰氏阳性菌
每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到静止的撞击环
上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这一系列高速运动
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实验室规模的细胞破碎设备有Mickle高速组织捣碎机、 Braun匀浆器； 中试规模的细胞破碎可采用胶质磨处理； 在工业规模中，可采用高速珠磨机（瑞士WAB公司和德 国西门子机械公司制造）。
珠磨法的破碎率一般控制在80%以下：降低能耗、减少大 分子目的产物的失活、减少由于高破碎率产生的细胞小碎片 不易分离而给后续操作带来的困难。