击板，得以破碎。
喷雾撞击破碎特点
喷雾撞击特点：
（1）细胞破碎仅发生在与撞击板撞击的一瞬，细胞破碎 度均匀，可避免细胞反复受力发生过度破碎现象。
（2）细胞破碎程度可通过无极调节载气压力（流速）控 制，避免胞内结构的破坏，适用于细胞器（叶绿体、 线粒体）的回收。
不宜采用高压匀浆法的细胞类型：
易造成堵塞的团状或丝状真菌 较小的革兰氏阳性菌 含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀浆阀）
思考问题： 比较高压匀浆法与珠磨法的异同点？
3.喷雾撞击破碎
细胞弹性体 刚性体
喷雾撞击破碎器结构简图
3.喷雾撞击破碎
细胞悬浮液以喷雾状高速冻结（每分钟数千摄氏度）， 形成粒径小于5微米的微粒子。高速载气，氮气流速 300m/s，将冻结的微粒子送入破碎室，高速冲向撞
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。
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）。
不同种类的细胞结构差别很大，破碎的难易程度也不同， 由难到易的大致排列顺序为：植物细胞＞真菌（如霉菌、 酵母菌）＞革兰氏阳性细菌＞革兰氏阴性细菌＞动物细胞。
二、常用破碎方法
分 类 作 用 机 理
固体剪切作用
适
应
性
珠磨法 机 械 法 高压匀浆法 超声破碎法 X-press法
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
多聚糖 （80-90%） 脂类 蛋白质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
液体剪切作用
液体剪切作用 固体剪切作用
可达较高破碎率，可大规模操作，不适合 丝状菌和含有包含体的基因工程菌
对酵母菌效果较差，破碎过程升温剧烈， 不适合大规模操作 破碎率高，活性保留率高，对冷冻敏感目 的产物不适合
酶溶法 酶分解作用 具有高度专一性，条件温和，浆液易分离， 非 溶酶价格高，通用性差 机 械 化学渗透法 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 法 渗透压法 冻结融化法 干燥法 渗透压剧烈改变 反复冻结-融化 改变细胞膜渗透性 破碎率较低，常与其他方法结合使用 破碎率较低，不适合对冷冻敏感目的产物 条件变化剧烈，易引起大分子物质失活
第四章
微生物细胞的破碎
知识点：细胞壁的组成和结构，微生物细胞 的破碎技术，破碎率的测定。 重点：工业生产中常用的几种细胞破碎方法 的原理，操作过程及常用设备，并能就实际 生产情况予以合理的选择。
难点：常用破碎方法的合理选用。
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）：
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， 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 过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压的变化，从而造成 细胞破碎。
高压匀浆器
大、中、小型高压匀浆器
操作条件的选择：
珠体大小——根据细胞大小、浓 搅拌转速——过高将 度以及连续操作时不使珠体带出 使能量消耗大增，而 来选择。 破碎率上升不明显。 珠体装量——装量少时，细胞不 能耗 易破碎；装量大时，能量消耗大， 研磨室热扩散性能降低，引起温 度升高。 R 温度——温度高时细胞较易破碎， 但要考虑目的产物不受破坏。一 般温度控制在5～40℃内时影响 较小。 n
破碎的动力学方程为：ln[1／（l－R）]＝KNPα 其中 R——破碎率； K——与温度有关的速度常数； P一操作压力； N一悬浮液通过匀浆器阀的次数。 α——与微生物种类有关的常数； 破碎酵母菌,α值可取2. 2。可见，影响破碎的主要 因素是压力、温度和通过匀浆器阀的次数。
在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及高浓度 的细胞，常采用多次循环的操作方法。 一般说来，酵母菌较细菌难破碎，处于静止状态的细胞较 处于快速生长状态的细胞难破碎，在复合培养基上培养的 细胞比在简单合成培养基上培养的细胞较难破碎。
微生物
壁厚/nm 层次
革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌
20-80 单层 10-13 多层
酵母菌
100-300 多层
霉菌
100-250 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 （30-40%） 甘露聚糖 （30%） 蛋白质 （6-8%） 脂类 （8.513.5%）
细胞破碎机理图
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。
高速珠磨机
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）。
胶体磨
德国进口珠磨机
破碎作用方程
破碎作用是相对于时间的一级反应速度过程，符合 下列公式： ln[1/(1-R)]=Kt 其中 R — 破碎率； K一 一级反应速度常数； t一 时间。 一级反应速度常数K与许多操作参数有关，如如 搅拌转速、细胞悬浮液的浓度和循环速度、玻璃 小珠的装量和珠体的直径，以及温度等。