文档介绍：第八章细胞破碎与料液分离过程设备
微生物代谢产物大多分泌到胞外,如大多数小分子代谢物、部分酶蛋白等。但有些目标产物如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等存在于胞内。要分离和提取此类产物,就必须进行细胞破碎,使目标产物转入液相,然后进行细胞碎片的分离。
第一节细胞破碎设备
细胞破碎的方法很多,一般按是否使用外加力分为机械法和非机械法两类。非机械法有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等。在此我们对非机械法不作进一步讨论,下面介绍一下机械法中常用的细胞破碎设备。
(一)高速珠磨机
珠磨机的工作原理是将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起搅拌,由于研磨作用,使细胞破碎,释放出内含物。图8-1为水平搅拌式珠磨机结构示意图。
如图8-1所示在水平位置的磨室内放置玻璃小珠,装在圆心轴上的圆盘搅拌器高速旋转,使细胞悬浮液和玻璃小珠相互搅拌,在液面出口处,旋转圆盘和出口平板之间的狭缝很小,可阻挡玻璃小珠。从而在珠液分离器的协助下,珠子被挡在破碎室内,而浆液则流出,从而实现连续操作。由于珠磨破碎过程要产生热量,易造成某些活性物质的失活,一般在磨室装有夹套冷却装置。
在珠磨中,细胞的破碎率可用一级速率方程式表示:
对于间歇操作: (8-1)
对于连续操作: (8-2)
其中(8-3)
式中——破碎率,%;
——反应速率常数,;
——破碎时间,;
——平均停留时间,;
——破碎室悬浮液体积,;
——进料速度,。
反应速率常数K与许多操作参数有关,如搅拌转速、料液的循环流速、细胞悬浮液的浓度、玻璃珠的装置和珠径以及温度等。这些参数不仅影响破碎程度,也影响所需要的能量。珠体的大小应以细胞的大小、浓度以及连续操作时不使珠体带出作为选择依据。珠体的装量要适中,装量少时,细胞不易破碎,装量过大时,能耗增大,研磨室热扩散性能降低,引起温度上升。Schutte等人在研究了几种酵母和细菌株的破碎后,提出破碎条件在下列范围内较适宜:
搅拌器的转速 700~1450转/min;
流速 50~500L/h;
细胞悬浮液浓度 30~50%(细胞湿重/体积);
玻璃小珠装量 70~90%;
玻璃珠直径 ~1mm。
(二)高压匀浆器
高压匀浆器是用作细胞破碎的较好的设备。它是由可产生高压的正向排代泵和排出阀组成。高压匀浆器的排出阀简图如图8-2所示。
细胞浆液通过止逆阀进入泵内,利用高压使其在排出阀的小孔冲击,并且高速撞击在撞击环上。细胞在这一系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以及高压到常压的变化,从而造成细胞破裂。
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。对某些较难破碎的细胞如小球菌、链球菌、酵母菌和乳酸杆菌等,应采用多次循环的方式才能达到较高的破碎率。
采用高压匀浆器破碎细胞属于一级反应过程。
破碎的动力学方程可表示为:
(8-4)
式中——细胞破碎率;
——与温度等有关的破碎常数;
——悬浮液通过匀浆器的次数;
——操作压力;
——与微生物种类有关的常数。
由上式可知,影响破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器的次数。一般来说,增大压力和增加破碎次数都可以提高破碎率,但压力增大到一定程度后,对匀浆器的磨损较大。
高压匀浆器适用于很多微生物细胞的破碎。例如大肠杆菌、酵母菌等。但对某些微生物,如较小的革兰氏阳性菌、团状或丝状真菌不适用。因为他们会堵塞匀浆器的阀,使操作发生困难。
(三)超声波振荡器
超声波具有频率高、波长短、定向传播等特点,通常在15~25KHz的频率下操作。超声波振荡器有不同的类型,常用的为电声型,它是由发声器和换能器组成,发生器能产生高频电流,换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器又可分为槽式和探头直接插入介质两种型式,一般破碎效果后者比前者好。
超声波对细胞的破碎作用与液体中空穴的形成有关。Douiash指出当超声波在液体中传播时,液体中的某一小区域交替重复地产生巨大的压力和拉力。由于拉力的作用,使液体拉伸而破裂,从而出现细小的空穴。这种空穴泡受到超声波的迅速冲击而迅速闭合,从而产生一个极为强烈的冲击波压力,由它引起的粘滞性旋涡在悬浮细胞上造成了剪切应力,促使细胞内部液体发生流动,而使细胞破碎。
超声波处理细胞悬浮液时,破碎效率与超声波的声强、频率、液体的温度、压强和处理时间等有关,此外与介质的离子强度、pH值和菌种的性质等也有很大的关联。不同的菌种,用超声波处理的效果也不同,杆菌比球菌易破碎,革兰氏阴性菌细胞比革兰氏阳性菌易破碎,酵母菌效果较差。
第二节固液分离设备
在生物技术产业中,微生物发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液或各种提取液,常常是由固相与液相组成的。而这种悬浮液的固液分离是生物产品生产过程中经常遇到的重要单元操作之一