第十章 生物材料的预处理、液固分离及细胞破碎

集的过程。（P200）
电荷密度
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+ 正电荷分布
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_ + 负电荷分布
吸附层 扩散层
距固体表面的距离
在发酵液中加入具有相反电性的电解质： ①中和胶粒电性，降低双电层排斥力。 ②离子的水化作用，破坏胶粒的水化层。
三、酶解法去除不溶性多糖
可用酶转化为单糖 黏多糖可与一些阳离子表面活性剂如十六烷 基溴化铵（CTAB）生成沉淀去除。
四、高价金属离子的去除
1、离子交换法 2、沉淀法 Ca2+ 草酸
Mg2+ 磷酸盐,三聚磷酸钠 Fe3+ 黄血盐
第二节 发酵液的液-固分离
一、过滤 （一）过滤方式 • 1、常规过滤 • 2、错流过滤
（二）、过滤设备
1、板框过滤机
2、真空鼓式过滤机
（三）过滤介质和助滤剂
1、过滤介质：滤布或膜 2、助滤剂：要求为惰性物质、无毒、有一 定细毒及硬度，成本低廉。
常用有：硅藻土、纸浆、石棉、纤维素等
二、离心分离
1、过滤式离心机
2、沉降式离心机
3、管式离心机
三、影响液-固分离的因素
（一）微生物种类对液固分离影响 （二）发酵液的黏度 （三）其他因素 pH、温度、加热时间
化学试剂处理 应 用 化 学 试 剂 溶 解 细 需选择合适的试剂，减小对活性物质的破坏，
胞 或 抽 提 某 些 细 胞 组 可应用于大规模生产
化
分
学 酶解法 法
用 酶 反 应 分 解 破 坏 细 反应条件温和，但成本较高，一般仅适用于小 胞壁上特殊的化学键 规模应用
制成丙酮粉 丙酮迅速脱水，破坏蛋 迅速脱水，可减少蛋白质变性，促进某些结合 白质与脂质结合的键 酶释放
原理
特点
基于液相的剪切力
适用面广，处理wk.baidu.com大，速度快，在工业生产上广 泛应用，但不适用于某些高度分支的微生物，另 外产热大，可能造成生物活性物质失活
利用研磨作用破碎
适用面广，处理量大，在工业生产上广泛应用； 产热大，可能造成生物活性物质失活
利 用 超 声 波 的 空 穴 作 产热量大，且散热不易，成本高，仅适用于小量
3、变性沉淀 4、等电点沉淀 5、加各种沉淀剂沉淀 6、吸附 例如四环素发酵液中加入黄血盐和硫酸 锌，生成亚铁氰化锌钾 K2Zn3[Fe(CN)6]2 的胶状沉淀，能将杂蛋白质和菌体等黏 附在其中而除去。
二、去除杂蛋白的其他方法
（一）等电点沉淀 （二）变性沉淀 （三）加各种沉淀剂沉淀 （四）吸附
一、凝聚和絮凝作用
• 它们主要作用于增大发酵液中悬浮粒子 的体积，提高固液分离速度和滤液质量 ，在预处理中常用于细胞、菌体（胞外 产物）、细胞碎片（胞内产物）以及蛋 白质等胶体粒子。
（一）凝聚作用
凝聚作用(coagulation)是指在某些电解质作用
下，使胶体粒子的扩散双电层的排斥电位降低，
破坏了胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚
化合物，如壳聚糖、海藻酸钠、明胶及 酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物和聚 丙烯酸类等。
絮凝剂具有长链线状的结构，易溶于水， 其分子量可高达数万至一千万以上，在 长的链上含有相当多的活性功能团。
影响絮凝效果的因素主要有： （1）絮凝剂的分子量： （2）絮凝剂的用量： （3）溶液pH值： （4）搅拌速度和时间：
用使细胞破碎
样品破碎
干燥法
物 理 冻融法 法
干 燥 后 的 菌 体 细 胞 膜 较剧烈，易引起蛋白质或其他组分变性 渗透性变化，自溶
胞 内 冰 晶 引 起 细 胞 膨 较温和，但破碎作用较弱，常需反复冻融，仅
胀破裂
适于在实验室中使用
渗透压冲击法 渗透压突然变化，使细 较温和，但破碎作用较弱，常与酶法合用 胞快速膨胀破裂
第十章 生物材料的预处理、 液固分离 及细胞破碎
第一节 生物材料的预处理
1、含量低 如胰岛素在胰脏中的含量为0.02%，胆 汁中胆红素含量为0.05~0.08%
2、杂质多 3、易变性失活
选择预处理方法的依据
1、生物活性物质来源、存在状态 “胞内” 、“胞外”、前体
2、后续工艺要求 3、稳定性
可被材料中酶、微生物破坏，还可能受 酸、碱、盐、重金属离子、机械搅拌、温度、 甚至空气和光线作用改变活性。
1、干燥
1、化学试剂处理
2、冻融
2、酶解法
3、渗透压冲击 3、制成丙酮粉
一、机械法
（一）高压匀浆器 （高压剪切破碎）
（二）高速珠磨机
（三）超声波振荡器
二、物理法
（一）干燥法
空气干燥、真空干燥、喷雾干燥、冷冻 干燥
（二）冻融法
（三）渗透压冲击法
先把细胞放在高渗溶液中，细胞发生收 缩，然后将介质快速稀释或将细胞转入 水或缓冲液中，细胞快速膨胀，使产物 释放至溶液中
第三节 细胞的破碎
细菌、霉菌、酵母细胞壁的化学组成：
• 细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖，它是难溶性的 多聚物，由N-乙酰葡萄糖胺、 N-乙酰胞壁酸和 短肽聚合而成的多层网状结构。
• 霉菌的细胞壁较厚，约100~250nm，主要由多 糖组成，其次还含有少量蛋白质和脂类。
• 酵母的细胞壁幼龄时较薄，具有弹性，以后逐渐 变厚。
影响凝聚作用的主要因素有无机盐的种类、化 合价以及无机盐的用量等。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Al用Cl的3·6凝H聚2O剂、有Fe：CAl3l、2(SZOnS4O)3·41、8HM2gOC、O3等。
(二) 絮凝作用 絮凝剂是天然的或人工合成的有机高分子
• 了解细胞壁结构对选择细胞破碎方法有着十分重 要的意义。
• 微生物细胞壁的强度和细胞破碎的难易程度由细 胞壁的化学组成可知微生物细胞壁都是由网状的 高分子聚合物构成，其强度取决于网状结构的交 联程度，交联度大，网结构紧密，强度就高。
一、机械法 1、匀浆法 2、珠磨法 3、超声波
二、物理法
三、化学法
三、化学法
（一）、加入化学试剂 1、用碱处理 2、用脂溶性有机溶剂 3、表面活性剂
（二）酶解法 （三）制成丙酮粉
四、选择破碎方法的依据
（一）、规模及成本 工业规模：高压匀浆和珠磨
（二）、目的物的稳定性 （三）、破碎效果和产物释放率
方法 匀浆法
机 械 珠磨法 法
超声波
表 3-1 常用的细胞破碎方法