第二章预处理及固液分离技术优秀课件

t：超声波发射时间（min）
k：蛋白质释放常数(min-1),取决于输
入声能
超声波的负面影响：
1、温度上升：悬浮液预冷，夹套冷却
超
短期冷却与短期破碎交替
声 波
负载因素：声波破碎/冷却的时间比率。
法 2、超声处理会引起诸如游离基这样的化学
效应，破坏目的产物，可加入游离基清除
剂（组氨酸，谷胱甘肽等）予以消除。
植物：主要是网状结构的共价键
表2.1 各种微生物细胞壁的结构及组成
微生物
革兰式阳性菌
壁厚（nm） 层
20～80 单层 肽聚糖(40~90%) 多糖
主要组成
胞壁酸 蛋白质
脂多糖
破碎难易程度
难
革兰式阴性菌
酵母
10～25 多层 肽聚糖(5~10%) 脂蛋白
100～300 多层
葡聚糖(30~40%) 甘露聚糖
图2.5 JY92-Ⅱ型超声波细胞粉碎机
作用机理：
超
在超声波作用下，液体发生空化作用
声 (cavitaton)，空穴的形成、增大和闭合产
波 法
生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。超 声波的细胞破碎效率与细胞种类、浓度和超
声波的声频、声能有关。
动力学方程：一级
超 声
1xexpk()t
波
法
x：蛋白质释放分率
x＝R/Rm
N：经t时间操作后，R保:破存碎下后来释的放细的胞化数合物的量
N0 和N的获取：
Rm:理论最大释放量
直接计数法（平板计数，显微镜计数）
间接计数法（测破碎细胞释放出活性物质量）
电导率测定法
电导率测定法：细胞破碎后，大量带电 荷的物质被释放到水相，使电导率上升 ，电导率随破碎率的增加呈线性增加。
匀 浆
能 耗 （ 每 10 M 0， Pa能 3.5 耗 K） W
法
不能单纯追求高破碎率，随意增加操作
压力。
影响破碎效率的因素
高 阀座形式：
压 在相同的操作压力下，刃缘阀座比平
匀 浆
边阀座破碎率高，但更易磨损。
法
二 、 珠 磨 法
图2.4 珠磨机简图
生产厂商: 瑞士WAB 公司 德国西门子 机械公司
第二章预处理及固液分离技术
2.1 概述
❖胞外产物 霉菌产生糖化酶等 ❖胞内产物 基因重组产品等
采用机械和非机械的方法，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。
2.2 细胞壁的结构及特点
微生物： 细菌——肽聚糖的网状结构 酵母——细胞壁结构交联的紧密程度及 厚度 真菌——细胞壁的强度和聚合物网状结构
由于电导率与微生物的种类，处理 条件，细胞浓度，温度，悬浮液中电解 质含量有关，因此，正式测定应采用其 它方法测定标准曲线。
2.3.2 破碎方法
破碎方式
机械法
非机械法
固体剪 切作用
液体剪 干燥 切作用 处理
溶胞 作用
珠磨法
压榨
高压 匀浆
超声 破碎
酶溶法 化学法 物理法
图2.2 细胞破碎方法分类
图2.3 细胞破碎机理
图2.7 微珠直径对破碎率的影响
影响破碎效率的因素
温度：
珠 热稳定性，目的产物不受破坏
磨 法Hale Waihona Puke Baidu
夹套冷却
影响破碎效率的因素
流量：
Q k
珠 磨
Q tV
法
Q
破碎量 释放量
但 Q 处理能力
图2.8 流量对破碎速率常数的影响
影响破碎效率的因素
微生物类型：
珠
酵母较细菌在珠磨机中更易破碎
磨 ，因为细菌细胞的大小仅为酵母细胞 法 的十分之一，在高速珠磨机中不易破
研磨珠：玻璃(密度为2.5g／cm3)或氧化 锆(密度为6.0 g／cm3)微球(粒径约0.1～
10mm)，填充率为80％～85％。
影响破碎效率的因素：
❖ 转盘外缘速度
珠 ❖ 细胞浓度
磨 法
❖ 珠粒大小及装载量 ❖ 温度
❖ 流速
影响破碎效率的因素
细胞浓度：
珠 影响悬浮液的流变特性，从而影响
磨 法
蛋白质的释放，一般由实验确定
一般控制在40％左右，细胞湿重/体积
影响破碎效率的因素
珠粒大小及装载量：
过少不易破碎
过多，能耗大，热扩散性能降低，引起温度升高
珠
，不利搅拌，一般控制80％～90%.
磨 对细菌，磨珠越 法 小，破碎率越高
；对酵母和藻类
，存在最佳范围
实验室：0.2mm 工业：不小于
0.4mm
碎。
影响破碎效率的因素
延长研磨时间，增加珠体装量，提高基
珠 本速度等均可提高细胞破碎率，但高破碎率 磨 ，使能耗加大。同时: 法 1、产生较多热能，增加冷却控温的难度；
2、大分子目的产物失活增加 3、细胞碎片较小，碎片不易分离，给后续
操作带来困难。 因此,破碎率控制在80％以下。
三 、 超 声 波 法
2.3.2 破碎方法
高 压 匀 浆 法
图2.3 HC23-高压细胞 图2.4 DY89-1 型电动
破碎机
玻璃匀浆机
一
、 高 压 匀 浆 法 作用机理：细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀
之间的环隙高速(可达到450m／s)喷出后撞击 到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急 剧释放到低压环境，从而在撞击力和剪切力等 综合作用下破碎。高压匀浆器的操作压力通常 为50～70MPa。
影响细胞破碎的因素：
高 温度
压 匀 浆
压力 循环操作次数
法 细胞浓度
阀座形式
影响破碎效率的因素
温度：
高 压
破碎率随温度的增加而增加
匀 例如：操作温度由5℃增加到30℃
浆 ，破碎率约提高1.5倍。
法 高温对破碎有利，但应考虑热变性
压力每增加10MPa，温度2℃。
影响破碎效率的因素
高 压力：
压 P R T 磨 损
形式： 立式 卧式（效率高）
珠 磨 法
原理：在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球 和微球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨 ，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎 。产热由夹套带走。
珠磨机主体：立式和卧式圆筒型腔体 一般，卧式比立式珠磨破碎效率高：因为 立式机中向上流动的液体在某种程度上会 使研磨珠流态化，从而降低其研磨效率。
脂多糖 磷脂
（30％） 蛋白质
蛋白质
脂类
相对易
最难
2.3 细胞壁的破碎
破碎方法的选择： 破碎目的
待破碎生物体的类型 ❖ 破碎目的：获取产品，考虑破碎收率和能耗；
❖ 待破碎生物体的类型：不同生物体对破碎有不 同的敏感度。
2.3.1 破碎率的评价
破碎率的定义：
x(%)N0N10% 0 N0
3.1
N0：原始细胞数
影响破碎细胞的因素：
振幅：直接与声能有关，影响比速率k
超 声
粘度：影响能耗，并抑制空穴现象
波 表面张力：表面活性剂显著影响声波破碎效
法
率，因起泡使蛋白质变性，空穴清除
悬浮液体体积：大体积需要高的声能