细胞破碎技术PPT课件
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细胞的破碎
该区域通透性增加
表面活性剂
❖ 天然的表面活性剂有胆酸盐和磷脂等 ❖ 合成的表面活性剂 离子型如十二烷基硫酸钠（SDS，阴离子型）；十六烷基三甲基溴
化铵（阳离子型） 非离子型如Triton X-100和吐温（Tween）等
表面活性剂Triton X-100－非离子型清洁剂 ❖ 其作用部位主要是内膜的双磷脂层。 ❖ 对疏水性物质有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂， ❖ Triton X-100常与其它试剂混合使用。
目前实验室应用较多的是变性剂盐酸胍和脲处理E. coli 基因工程菌，渗透出重组蛋白质。
复合试剂
❖ 根据不同试剂的作用机理，将介质试剂合理搭配使用，能有 效的提高胞内物质的释放率。
如：单独用0.1M的胍处理E. coli，可释放1％的胞内蛋白，用
0.5% Triton X-100可释放4％胞内蛋白，二者结合使用，在 同样时间内可使53％的胞内蛋白释放。
蜗牛酶适于酵母细胞的处理
自溶作用
❖ 通过调节温度、pH或添加有机溶剂，诱使细胞产生溶解自 身的酶的方法也是一种酶溶法，称为自溶。
❖ 自溶作用是酶解的另一种方法 ❖ 微生物代谢过程中，大多数都能产生一种能水解细胞壁上聚
合结构的酶，以便使生长过程进行下去。 ❖ 改变微生物的环境，可以诱发产生过剩的这种酶或激发产生
物理法和化学法的比较
物理破碎法缺点：
A、高能、高温、高噪音、高剪切力(四高)，易使产品变性 失活；
B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难； C、细胞碎片大小不一，难分离。
化学破碎法缺点：
A、费用高； B、引起新的污染，尤其是其他化学方法； C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。
3.2 细胞破碎方法
第四章 细胞破碎..
层次
单层
主要 肽聚糖(40组成 90%)
多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖(1-4%)
革兰氏 阴性细菌
酵母菌
霉 真菌
10-13 nm
100-300nm
100250nm
多层
多层
多层
肽聚糖 (5-10%) 葡聚糖(30-
多聚糖
脂蛋白
40%)
(80-90%)
脂多糖(11-
甘露聚糖(30%) 脂类
22%)
蛋白质(6-8%) 蛋白质
用超声波的空穴作 适中 用使细胞破碎
须使细胞通过的小 剧烈 孔，使细胞受到剪 切力而破碎
细胞被玻璃珠或铁 剧烈 珠捣碎
昂贵 适中 便宜
细胞悬浮液小 规模处理
细胞悬浮液大 规模处理
细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
15
※ 2 CHEMICAL METHODS 化学方法
16
n 表4.1-1介绍了主要的几种化学方法，有渗透冲击法， 表面活性剂增溶法、脂溶法。首先简单的介绍一下酶 消化法和碱处理法。
缺点： ➢溶酶价格高， ➢溶酶法通用性差（不同菌种需选择不同的酶) ➢产物抑制的存在。
22
碱处理法和酶消化法相反，反应激烈，不具选择性，而 且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种 反应，包括使磷脂皂化。
23
碱处理法
碱能溶解细胞壁上脂类物质或使某些组 分从细胞内渗漏出来。
成本低，反应激烈，不具选择性。
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n 阳离子表面活性剂主要是烷基胺盐。图4.3-1中的十二烷 基溴胺是典型的例子。它有一个长烷烃链（十六烷基）和 三个甲基，都连接在一个带正电的氮原子上，负离子通常 是卤素，市场上常做洗发剂出售。细胞破碎时条件较温和。
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原理： 细胞悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙高速喷 出，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
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法)
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
细胞破碎的方法（按细胞所受作用）
分类
作用机理
适应性
高压匀浆法 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
珠磨法
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
物 超声破碎法 理 破 渗透压法 碎
革兰氏阴 性细菌的 外膜
壁膜间隙
革兰氏阴性细菌的细胞壁
O-特异多糖 (O-polysaccharide)
核心多糖(corepolysaccharide)
蛋白质
孔蛋白 类脂A (Lipid A)
(脂多糖)
脂蛋白
磷脂分子
细胞壁的结构和特点
微生物 壁厚/nm
革兰氏阳 革兰氏阴 性细菌 性细菌
20-80
反复冻融法
液体剪切作用
渗透压剧烈改变 反复冻结-融化
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
干燥法
改变细胞膜的渗透性 条件变化剧烈，易引起大分子物质失活
X-press法 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
高压匀浆器
高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:
压力 (工业生产中常用55～70MPa的压力) 循环操作次数(多次循环的操作方法)
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
细胞破碎的方法（按细胞所受作用）
分类
作用机理
适应性
高压匀浆法 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
珠磨法
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
物 超声破碎法 理 破 渗透压法 碎
革兰氏阴 性细菌的 外膜
壁膜间隙
革兰氏阴性细菌的细胞壁
O-特异多糖 (O-polysaccharide)
核心多糖(corepolysaccharide)
蛋白质
孔蛋白 类脂A (Lipid A)
(脂多糖)
脂蛋白
磷脂分子
细胞壁的结构和特点
微生物 壁厚/nm
革兰氏阳 革兰氏阴 性细菌 性细菌
20-80
反复冻融法
液体剪切作用
渗透压剧烈改变 反复冻结-融化
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
干燥法
改变细胞膜的渗透性 条件变化剧烈，易引起大分子物质失活
X-press法 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
生化工艺——第二章细胞破碎
²
第二节
细胞壁的破碎
一、珠磨破碎 破碎原理：利用在高速搅拌作用下， 破碎原理：利用在高速搅拌作用下，细胞和微球相 被破碎。 互磨擦碰撞而受剪切力被破碎。 破碎作用遵循一级动力学定律： 破碎作用遵循一级动力学定律：
1 ln = kt 1− x
特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低， 特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低，设 计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力； 计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力；影响破碎 率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。 率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。
1 − x = exp( − kt )
影响因素：细胞种类、浓度和超声波的能量等。 影响因素：细胞种类、浓度和超声波的能量等。 特点：是很强烈的破碎方法；适用范围广； 特点：是很强烈的破碎方法；适用范围广；但有效 能量利用率极低，对冷却要求相当苛刻，不易放大， 能量利用率极低，对冷却要求相当苛刻，不易放大，多 在实验室使用。 在实验室使用。
细胞壁的破碎方法总结
方法 机 械 法 技术 原理 效果 成本 举例 动物组织及 动物细胞 匀浆法（片型） 匀浆法（片型） 细胞被搅拌器 劈碎 研磨法 超声波法 细胞被研磨物 磨碎 用超声波的空 穴作用使细胞 破碎 适中 适中 适中 便宜 适中 昂贵 细胞悬浮液 小规模处理 细胞悬浮液 大规模处理
匀浆法（孔型） 匀浆法（孔型） 须使细胞通过 的小孔， 的小孔，使细 胞受到剪切力 而破碎 珠磨破碎法 细胞被玻璃珠 或铁珠捣碎
总结 A、在大规模cell破碎中，高压匀浆机和珠 磨机用得最多; B、高压匀浆机最适合于酵母和细菌; C、珠磨机适用范围较广，可用于酵母和细 菌，但对真菌菌丝和藻类更合适.
三、超声波破碎 破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用， 破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用，产生 使细胞破碎。 极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。 ²
细胞破碎课件PPT
酶解法是一种利用酶来分解细胞壁的方法，通常使用溶菌酶、蜗牛酶等酶类物质。
酶解法的优点在于对细胞壁的破坏作用较小，能够保持细胞内物质的完整性，适用 于提取细胞内活性物质。
酶解法的缺点在于酶的种类和浓度对破碎效果影响较大，且酶解过程较慢，需要较 长时间才能达到理想的破碎效果。
溶菌酶破碎
溶菌酶是一种专门作用于细菌 细胞壁的酶，能够破坏细菌细 胞壁，使细胞壁水解而破碎。
高压破碎
原理
常用设备
利用高压作用使细胞膜破裂，释放细胞内 的物质。
高压均质机、高压破碎机等。
应用范围
注意事项
适用于各种类型的细胞，尤其是对细胞壁 有破坏作用的高压破碎。
高压破碎需要严格控制压力和作用时间， 以避免对细胞内物质造成过度破坏。同时 ，需要确保设备的安全性和稳定性。
04
生物法破碎细胞
酶解法
溶菌酶破碎适用于革兰氏阳性 菌和革兰氏阴性菌的破碎，尤 其对革兰氏阳性菌的破碎效果 较好。
溶菌酶破碎的优点在于破碎效 率较高，且对细胞内物质的破 坏作用较小。
蜗牛酶破碎
蜗牛酶是一种天然的酶，能够分解细 胞壁和细胞膜，使细胞内的物质释放 出来。
蜗牛酶破碎的优点在于能够有效地释 放细胞内的物质，且对细胞内物质的 破坏作用较小。
免疫学研究
细胞破碎后提取的细胞成分可以用于免疫学研究，如抗原-抗体反应、 细胞因子检测等，有助于深入了解免疫系统的功能和调控机制。
在药物制备中的应用
1 2
天然药物提取
许多天然药物来源于动植物细胞，通过破碎细胞 可以提取有效成分，如中药材的有效成分。
合成药物的合成与改造
在药物合成中，细胞破碎可用于释放细胞内的酶 或其他生物催化剂，以促进药物的合成或改造。
生物分离工程 第4章-细胞的破碎-
9
细胞壁的组成与结构
微生物 壁厚/nm 层次 主要组成 革兰氏阳性 细菌 20~80 单层 肽聚糖（40 ％～90％）、 多糖、胞壁 酸、蛋白质、 脂多糖（1 ％～4％） 革兰氏阴性 细菌 10~13 多层 酵母菌 100~300 多层 霉菌 100~250 多层
肽聚糖（5 葡聚糖（30 多聚糖（80 ％～10％） ％～40％） ％～90％） 脂类、蛋白质 脂蛋白、脂 甘露聚糖 多糖（11 （30％）、 ％～22％） 蛋白质（6 磷脂、蛋白 ％～8％）、 质 脂类（8.5 ％～13.5）
n
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。
8
第一节 细胞壁的组成与结构
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。 通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。 不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行破碎。
5
细胞破碎的必要性
表1 胞内酶举例
酶 L-天冬酰氨酶 过氧化氢酶 胆固醇氧化酶 β-半乳糖苷酶 葡萄糖氧化酶 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 来源 Eruinia Caratovora Escherichia Coli Aspergillus niger Nocardia hodochrous Kluyveromyces fragilis Saccharomyces lactis Aspergillus niger Penicilluim notatum Yeast 应用范围 治疗急性淋巴癌 牛奶灭菌后H2O2的清除 胆固醇浆液分析 在牛奶/乳清中乳糖的水解 作用 葡萄糖浆液分析 食品中氧的清除 临床分析
细胞壁的组成与结构
微生物 壁厚/nm 层次 主要组成 革兰氏阳性 细菌 20~80 单层 肽聚糖（40 ％～90％）、 多糖、胞壁 酸、蛋白质、 脂多糖（1 ％～4％） 革兰氏阴性 细菌 10~13 多层 酵母菌 100~300 多层 霉菌 100~250 多层
肽聚糖（5 葡聚糖（30 多聚糖（80 ％～10％） ％～40％） ％～90％） 脂类、蛋白质 脂蛋白、脂 甘露聚糖 多糖（11 （30％）、 ％～22％） 蛋白质（6 磷脂、蛋白 ％～8％）、 质 脂类（8.5 ％～13.5）
n
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。
8
第一节 细胞壁的组成与结构
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。 通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。 不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行破碎。
5
细胞破碎的必要性
表1 胞内酶举例
酶 L-天冬酰氨酶 过氧化氢酶 胆固醇氧化酶 β-半乳糖苷酶 葡萄糖氧化酶 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 来源 Eruinia Caratovora Escherichia Coli Aspergillus niger Nocardia hodochrous Kluyveromyces fragilis Saccharomyces lactis Aspergillus niger Penicilluim notatum Yeast 应用范围 治疗急性淋巴癌 牛奶灭菌后H2O2的清除 胆固醇浆液分析 在牛奶/乳清中乳糖的水解 作用 葡萄糖浆液分析 食品中氧的清除 临床分析
《细胞破碎》PPT课件
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过去认为带有两个长尾的阳离子表面活性剂 溶于油，和细胞膜孔的形成有关，但是很少 用于细胞破碎。
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非离子表面活性剂是溶于水的聚合物。经济价值不明确， 市场上用于做洗碗剂。同样，这种清洁剂既有亲水基团 又有疏水基团。亲水基团不是硫酸盐，不是烷基胺盐而 是乙醇。
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超声波法 匀浆法（孔型） 珠磨破碎法
用超声波的空穴作 适中 用使细胞破碎
须使细胞通过的小 剧烈 孔，使细胞受到剪 切力而破碎
细胞被玻璃珠或铁 剧烈 珠捣碎
昂贵 适中 便宜
细胞悬浮液小 规模处理
细胞悬浮液大 规模处理
细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
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4.3节机械法主要有匀浆法和研磨法。这两种方法中，细胞 通过高的机械剪切力被破坏。热量的产生是该法的一个缺 点，而且不容易规模放大:如果一种方法可以在实验室规模 下操作，我们并不知道这种方法是否在大规模生产中可行。 所以，这部分内容仅作为实验的指导，而不是工程分析。
Detergent Concentration
Fig 4.2-2Typical detergent properties
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增溶和表面活性现象的原理在于：清洁剂形成小的聚和物 称为胶囊。微囊可看成是疏水尾部聚合在一起的，被一层 壳或者是亲水的头包围着。增溶的脂被微囊包围，并存在 于囊核心。微囊象橘子，橘皮是亲水的头部，内皮是疏水 的尾部，橘汁就是内溶的脂。
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无论表面活性剂是阴离子、阳离子还是非离子型，都是 两性的。SDS（十二烷基磺酸钠）是典型的阴离子表面 活性剂。阴离子表面活性剂还包括肥皂（脂肪酸盐）。
第二章细胞破碎技术PPT课件
碎片分离 （离心分离、双水相萃取、膜分离）
提取 初步纯化 （沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）
精制 高度纯化 （重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）
成品加工 （浓缩、无菌过滤、干燥、成型）
2.1 概述 2.2 细胞壁的成分和结构 2.3 细胞破碎技术 2.4 破碎率的评价及破碎率的选择依据
2.1 概述
一、微生物细胞
细胞外层结构
革兰氏阴性菌（Gram-negative），泛指革兰氏染色反应呈红色的细菌。葡萄 球菌、链球菌。 革兰氏阳性菌（Gram Positive）是能够用革兰氏染色染成深蓝或紫色的细菌。 大肠杆菌。
各种微生物细胞壁的结构及组成
1、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，是聚糖链借短肽交联而成，使细胞具有 一定的形状和强度。
综上所述：
不同生物体或同一生物体的不同部位，细胞破 碎难易程度不同，因此因采用不同的细胞破 碎方法进行破碎。
如：动物器脏细胞没有细胞壁，细胞膜比较脆 弱，容易破碎；植物和微生物细胞都具有纤 维素、半纤维素或肽聚糖组成的细胞壁，应 采用专门的破碎方法进行破碎。
二、植物细胞
真核细胞具有真正的细胞核，其结构要比 原核生物复杂的多。和原核细胞一样，真 核细胞也具有一层细胞膜。
除了细胞膜，真核细胞具有一些有特殊作 用的细胞器。
植物和大多数真菌具有细胞壁。
动 物 细 胞 模 式 图
植 物 细 胞 模 式 图
对于已停止生长的植物细胞来说，其细胞壁 可分为初生壁和次生壁两部分。初生壁是细 胞生长时期形成的。次生壁是细胞停止生长 后，在初生壁内部形成的结构。
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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第四章 细胞破碎
1
生物分离过程的一般流程
原原料料液液 细细胞胞分分离离(( 离离心心，，过过滤滤))
细细胞胞－－胞胞内内产产物物 路线一
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体
细胞破碎 碎碎片片分分离离
路线一A
溶解(加加盐盐酸酸胍胍、、脲脲)
粗分离(盐盐析析、、萃萃取取、、超超过过滤滤等等)
复性
纯化( 层层析析、、电电泳泳)
通过细胞本身的酶系或外 加酶制剂的催化作用，使 细胞外层结构受到破坏， 而达到细胞破碎
捣碎法 研磨法 匀浆法 超声法
温度差破碎法 压力差破碎法
有机溶剂： 表面活性剂： 酸碱
自溶法 外加酶制剂法
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一 机械法
机械破碎法又可分为 高压匀浆破碎法（homogenization） 高速珠研磨破碎法（bead grinding） 超声波破碎法（ultrasonication）
它是构成细胞壁的骨架，细胞壁的机械强度主要来 自于微纤丝。
14
植物次生细胞壁
某些植物细胞，当生长停止后，在细胞质和初生 细胞壁之间形成了次生细胞壁。次生壁一般较厚 (4μm以上)，常有三层组成。 n 在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁 增加很多，纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规 则，而且存在木质素的沉积。
因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植 物细胞具有很高的机械强度。
15
4.2 细胞破碎技术
16
细胞破碎方法及其原理
机械破碎 物理破碎 化学破碎 酶促破碎
通过机械运动产生的剪切 力，使组织、细胞破碎。
通过各种物理因素的作用， 使组织、细胞的外层结构破 坏，而使细胞破碎。
通过各种化学试剂对细胞 膜的作用，而使细胞破碎
10-13 nm
层次
主要 组成
单层
肽聚糖(40-90%) 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖(1-4%)
多层
肽聚糖 (5-10%) 脂蛋白 脂多糖(11-22%) 磷脂 蛋白质
酵母菌
霉真菌
100-300nm 100-250nm
多层
葡聚糖(30-40%) 甘露聚糖(30%) 蛋白质(6-8%) 脂类(8.5-13.5%)
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概述
大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖， 及氨基酸等目标产物存在于发酵液中。
有些目标产物存在于生物体中。 尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质是 在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
5
细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力破 坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产 物成分释放出来的技术。
本章内容
脱盐(凝凝胶胶过过滤滤、、超超过过滤滤)
浓缩(超超过过滤滤)
精制( 结结晶晶、、干干燥燥)
包涵体的纯化方法
3
概述
不同类型的细胞分泌目标产物的类型： 动物细胞多分泌到细胞外培养液 植物细胞多为胞内产物 微生物（细菌/酵母/真菌）胞内、胞外
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行 破碎。
10
真菌的细胞壁
真菌的细胞壁较厚，主要由多糖组成，其次 还含有较少量的蛋白质和脂类。
不同的真菌，细胞壁的组成有很大的不同， 其中大多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚 糖构成，少数含纤维素。
与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的 强度和聚合物的网状结构有关，不仅如此， 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。
18
1.高压匀浆法
（High-pressure homogenization）
采用高压匀浆器（由高压泵和匀浆阀组成）。
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 历了高速剪切、碰撞及压力 骤降，造成细胞破碎。
11
红面包霉菌细胞壁具有同心圆层 状结构主要存在三种聚合物
最外层(a)是α-和β-葡聚糖的混 合物，
第2层(b)是糖蛋白的网状结构 第3层(c)主要是蛋白质， 最内层(d)主要是几丁质。
红面包霉菌细胞壁的结构示意图 12
细胞壁的组成和结构
微生 物
壁厚
革兰氏 阳性细菌
20-80 nm
革兰氏 阴性细菌
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 的肽键的数量和其交联的程度。
革兰氏阴性菌的细胞壁结构与革兰氏阳性菌有很大 不同。
革兰氏阴性菌典型的生物是大肠杆菌，通过这种细 胞生产了很多细胞重组的产物。
药物名称 胰岛素 人生长激素 α-干扰素
宿主 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌
阀座
阀杆 撞击环 阀杆
压力控制手轮
APV Manton Gaulin 高压匀浆器针型阀结构简图
用途 治疗糖尿病 治疗侏儒病 治疗毛状细胞白血病等
9
酵母细胞壁的结构示意图
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，
上面的是一层糖蛋白， 最外层是甘露聚糖，由1,6-
磷酸二酯键连接成网状。在 该层的内部，有甘露聚糖-酶 的复合物。 破碎酵母细胞壁的阻力主要 决定于壁结构交联的紧密程 度和它的厚度。
多层
多聚糖 (80-90%) 脂类 蛋白质
13
植物细胞壁的结构
对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生 壁两部分。
初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（1～ 3μm），富有弹性。
由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、半 纤维素和果胶类物质。纤维素是长链D-葡聚糖，许 多这样的长链形成微纤丝。
不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
7
细菌细胞壁结构
几乎所有细菌的细胞壁都是 由肽聚糖组成，它是难溶性 的聚糖链；
相邻聚糖链上的短肽又交叉 相联，构成了细胞壁的三维 网状结构，包围在细胞周围；
使细胞具有一定的形状和强 度。
8
细菌细胞壁结构
细胞破碎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。
为了研究细胞破碎，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。
6
4.1 细胞壁结构对破碎的影响
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。
通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。
1
生物分离过程的一般流程
原原料料液液 细细胞胞分分离离(( 离离心心，，过过滤滤))
细细胞胞－－胞胞内内产产物物 路线一
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体
细胞破碎 碎碎片片分分离离
路线一A
溶解(加加盐盐酸酸胍胍、、脲脲)
粗分离(盐盐析析、、萃萃取取、、超超过过滤滤等等)
复性
纯化( 层层析析、、电电泳泳)
通过细胞本身的酶系或外 加酶制剂的催化作用，使 细胞外层结构受到破坏， 而达到细胞破碎
捣碎法 研磨法 匀浆法 超声法
温度差破碎法 压力差破碎法
有机溶剂： 表面活性剂： 酸碱
自溶法 外加酶制剂法
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一 机械法
机械破碎法又可分为 高压匀浆破碎法（homogenization） 高速珠研磨破碎法（bead grinding） 超声波破碎法（ultrasonication）
它是构成细胞壁的骨架，细胞壁的机械强度主要来 自于微纤丝。
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植物次生细胞壁
某些植物细胞，当生长停止后，在细胞质和初生 细胞壁之间形成了次生细胞壁。次生壁一般较厚 (4μm以上)，常有三层组成。 n 在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁 增加很多，纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规 则，而且存在木质素的沉积。
因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植 物细胞具有很高的机械强度。
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4.2 细胞破碎技术
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细胞破碎方法及其原理
机械破碎 物理破碎 化学破碎 酶促破碎
通过机械运动产生的剪切 力，使组织、细胞破碎。
通过各种物理因素的作用， 使组织、细胞的外层结构破 坏，而使细胞破碎。
通过各种化学试剂对细胞 膜的作用，而使细胞破碎
10-13 nm
层次
主要 组成
单层
肽聚糖(40-90%) 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖(1-4%)
多层
肽聚糖 (5-10%) 脂蛋白 脂多糖(11-22%) 磷脂 蛋白质
酵母菌
霉真菌
100-300nm 100-250nm
多层
葡聚糖(30-40%) 甘露聚糖(30%) 蛋白质(6-8%) 脂类(8.5-13.5%)
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概述
大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖， 及氨基酸等目标产物存在于发酵液中。
有些目标产物存在于生物体中。 尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质是 在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
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细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力破 坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产 物成分释放出来的技术。
本章内容
脱盐(凝凝胶胶过过滤滤、、超超过过滤滤)
浓缩(超超过过滤滤)
精制( 结结晶晶、、干干燥燥)
包涵体的纯化方法
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概述
不同类型的细胞分泌目标产物的类型： 动物细胞多分泌到细胞外培养液 植物细胞多为胞内产物 微生物（细菌/酵母/真菌）胞内、胞外
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行 破碎。
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真菌的细胞壁
真菌的细胞壁较厚，主要由多糖组成，其次 还含有较少量的蛋白质和脂类。
不同的真菌，细胞壁的组成有很大的不同， 其中大多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚 糖构成，少数含纤维素。
与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的 强度和聚合物的网状结构有关，不仅如此， 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。
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1.高压匀浆法
（High-pressure homogenization）
采用高压匀浆器（由高压泵和匀浆阀组成）。
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 历了高速剪切、碰撞及压力 骤降，造成细胞破碎。
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红面包霉菌细胞壁具有同心圆层 状结构主要存在三种聚合物
最外层(a)是α-和β-葡聚糖的混 合物，
第2层(b)是糖蛋白的网状结构 第3层(c)主要是蛋白质， 最内层(d)主要是几丁质。
红面包霉菌细胞壁的结构示意图 12
细胞壁的组成和结构
微生 物
壁厚
革兰氏 阳性细菌
20-80 nm
革兰氏 阴性细菌
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 的肽键的数量和其交联的程度。
革兰氏阴性菌的细胞壁结构与革兰氏阳性菌有很大 不同。
革兰氏阴性菌典型的生物是大肠杆菌，通过这种细 胞生产了很多细胞重组的产物。
药物名称 胰岛素 人生长激素 α-干扰素
宿主 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌
阀座
阀杆 撞击环 阀杆
压力控制手轮
APV Manton Gaulin 高压匀浆器针型阀结构简图
用途 治疗糖尿病 治疗侏儒病 治疗毛状细胞白血病等
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酵母细胞壁的结构示意图
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，
上面的是一层糖蛋白， 最外层是甘露聚糖，由1,6-
磷酸二酯键连接成网状。在 该层的内部，有甘露聚糖-酶 的复合物。 破碎酵母细胞壁的阻力主要 决定于壁结构交联的紧密程 度和它的厚度。
多层
多聚糖 (80-90%) 脂类 蛋白质
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植物细胞壁的结构
对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生 壁两部分。
初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（1～ 3μm），富有弹性。
由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、半 纤维素和果胶类物质。纤维素是长链D-葡聚糖，许 多这样的长链形成微纤丝。
不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
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细菌细胞壁结构
几乎所有细菌的细胞壁都是 由肽聚糖组成，它是难溶性 的聚糖链；
相邻聚糖链上的短肽又交叉 相联，构成了细胞壁的三维 网状结构，包围在细胞周围；
使细胞具有一定的形状和强 度。
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细菌细胞壁结构
细胞破碎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。
为了研究细胞破碎，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。
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4.1 细胞壁结构对破碎的影响
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。
通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。