H.E.L發(fā)酵結(jié)晶研究—PolyBLOCK 自動平行合成儀
模板誘導(dǎo)結(jié)晶：模板性質(zhì)與模板性能之間的關(guān)系
發(fā)酵結(jié)晶是指在微生物發(fā)酵過程中,，通過控制發(fā)酵液的過飽和度,，使目標(biāo)產(chǎn)物（如有機(jī)酸、氨基酸,、生物燃料等）直接從發(fā)酵液中結(jié)晶析出,。這一過程通常結(jié)合模板誘導(dǎo)結(jié)晶（Template Induced Crystallization, TIC）技術(shù)，利用特定的模板材料（如納米顆粒,、表面修飾的固體顆粒等）來促進(jìn)結(jié)晶過程,，改變晶體的形態(tài)和尺寸，便于后續(xù)分離和純化,。
發(fā)酵結(jié)晶在實(shí)際應(yīng)用中的作用如下：
解決產(chǎn)物毒性問題：在發(fā)酵過程中,，目標(biāo)產(chǎn)物的積累可能會對微生物產(chǎn)生毒性，抑制微生物的生長和代謝活性,，從而降低發(fā)酵效率,。通過發(fā)酵結(jié)晶，產(chǎn)物在生成后立即結(jié)晶析出,，減少了發(fā)酵液中產(chǎn)物的濃度,，從而緩解了對微生物的毒性。
緩解產(chǎn)物抑制作用：高濃度的產(chǎn)物可能會抑制酶的活性或微生物的代謝途徑,，限制產(chǎn)物的進(jìn)一步生成,。發(fā)酵結(jié)晶通過及時移除產(chǎn)物，降低了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度,，從而減少了抑制作用,，提高了發(fā)酵效率。
提高產(chǎn)物純度：結(jié)晶過程本身具有一定的純化作用,，通過控制結(jié)晶條件和模板材料,，可以提高產(chǎn)物的純度,，減少雜質(zhì)的混入,。
簡化下游分離過程：傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)物分離通常需要多步復(fù)雜的下游處理（如過濾、萃取,、蒸餾等）,，而發(fā)酵結(jié)晶可以直接從發(fā)酵液中獲得固體晶體，減少了后續(xù)分離和純化的步驟,，降低了成本,。
為此，發(fā)酵結(jié)晶技術(shù)在生物制藥,、食品工業(yè)和生物燃料生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。例如：
生物制藥：用于結(jié)晶生產(chǎn)高附加值的生物活性分子，如氨基酸,、維生素和抗生素,。
食品工業(yè)：用于結(jié)晶生產(chǎn)食品添加劑,，如乳酸、檸檬酸等,。
生物燃料：用于結(jié)晶生產(chǎn)生物乙醇,、生物丁醇等，提高發(fā)酵效率和燃料純度,。
案例：模板誘導(dǎo)結(jié)晶：模板性質(zhì)與模板性能之間的關(guān)系
Urbanus, J., Laven, J., Roelands, C. P. M., ter Horst, J. H., Verdoes, D., & Jansens, P. J. (2009). Template induced crystallization: A relation between template properties and template performance. Crystal Growth & Design, 9(6), 2762–2769.
背景: 生物發(fā)酵過程中,，產(chǎn)物濃度的積累可能導(dǎo)致對微生物的毒性或?qū)γ傅囊种谱饔茫拗屏税l(fā)酵效率,。通過即時移除發(fā)酵產(chǎn)物來克服毒性或抑制問題,，提高發(fā)酵效率。本文研究模板誘導(dǎo)結(jié)晶（Template Induced Crystallization, TIC）過程中模板性質(zhì)與模板性能之間的關(guān)系,，特別是針對肉桂酸（cinnamic acid）的結(jié)晶過程,。研究旨在為發(fā)酵過程中原位產(chǎn)品移除（In-situ Product Removal, ISPR）技術(shù)提供理論支持，以解決發(fā)酵過程中產(chǎn)物毒性或抑制問題,。
研究方法：使用了多種模板材料,，包括二氧化鈦（TiO?）、二氧化鋯（ZrO?）,、二氧化鈦-二氧化硅復(fù)合物（TiO?-SiO?）以及帶有共價鍵結(jié)合的肉桂酸分子的二氧化硅顆粒（SiO?-CAH）,。肉桂酸作為模型化合物，研究其在不同模板存在下的結(jié)晶行為,。
建立模板性質(zhì)（如表面性質(zhì),、粒徑、比表面積等）與模板性能（如結(jié)晶誘導(dǎo)時間,、晶體形態(tài)等）之間的關(guān)系,。
預(yù)測哪些材料可以作為特定發(fā)酵產(chǎn)物的有效模板。
發(fā)現(xiàn)：
模板性質(zhì)與結(jié)晶性能的關(guān)系：
表面電荷：帶有正電荷的模板（如ZrO?和TiO?）能夠吸附肉桂酸根離子（cinnamate）,，從而促進(jìn)結(jié)晶,。
吸附層：模板表面的肉桂酸分子層（無論是吸附還是共價鍵結(jié)合）是促進(jìn)結(jié)晶的關(guān)鍵因素。
比表面積和粒徑：雖然比表面積和粒徑對結(jié)晶有影響,，但表面電荷和吸附能力更為關(guān)鍵,。
結(jié)晶誘導(dǎo)時間：
添加了ZrO?、TiO?或SiO?-CAH的實(shí)驗(yàn)中,，結(jié)晶誘導(dǎo)時間顯著縮短,，表明這些模板有效促進(jìn)了肉桂酸的結(jié)晶。
TiO?-SiO?由于表面帶負(fù)電荷,，無法吸附肉桂酸根離子,，因此對結(jié)晶的促進(jìn)作用不明顯。
晶體形態(tài)和尺寸的影響：
SEM圖像顯示，有效模板不僅加速了結(jié)晶過程,，還改變了晶體的形態(tài)和尺寸,。例如，TiO?模板誘導(dǎo)形成的晶體更大且呈矩形,，而無模板時形成的晶體更小且呈針狀,。
結(jié)論：
研究建立了模板性質(zhì)與模板性能之間的關(guān)系，證明了模板表面的肉桂酸分子層是促進(jìn)結(jié)晶的關(guān)鍵因素,。
模板的表面電荷和吸附能力對結(jié)晶過程有顯著影響,。
通過選擇合適的模板材料，可以預(yù)測其對特定發(fā)酵產(chǎn)物的結(jié)晶效果,，為發(fā)酵過程中的原位產(chǎn)品移除技術(shù)提供了理論支持,。
發(fā)酵結(jié)晶實(shí)驗(yàn)： 根據(jù)pH-track方法，使用誘導(dǎo)時間來評估模板的性能采用自動化設(shè)備（HEL PolyBLOCK 自動平行合成儀）確保標(biāo)準(zhǔn)化流程,。溫度設(shè)定為30℃,，轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 rpm。在所有實(shí)驗(yàn)中,，肉桂酸總濃度（[TCA]）為6.75 mmol·L-1 (1 g·L-1),， pH約為4.1。條件保持不變,，唯一改變的參數(shù)是材料的類型和數(shù)量,，同時確保添加材料的總表面積保持不變。
關(guān)于HEL：
H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年,，總部設(shè)在倫敦,，在中國、美國,、德國,、意大利、印度擁有分公司,。全資的赫伊爾商貿(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設(shè)立,。
H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評估的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，對研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項(xiàng)目,；同時提供安全咨詢,，包括事故調(diào)查,、HAZOP研究,、安全設(shè)施的設(shè)計(jì)及制度管理等。目前,，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu),，同時已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評估設(shè)備的國際集團(tuán)企業(yè)。
關(guān)于綠綿科技
2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價值為宗旨,，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理,、樣品制備及分析,、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平,。
主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機(jī)租賃業(yè)務(wù)/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā),，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點(diǎn)滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀,、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮?dú)?，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營系統(tǒng)/MassWorks準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報(bào)告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應(yīng)器,，電池絕熱量熱,、催化劑合成。
2025-YJ03-6/39
關(guān)于綠綿科技
北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價值為宗旨,，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理,、樣品制備及分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案,，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平,。主要代理產(chǎn)品聯(lián)系電話：010-82676061/2/3/4/5/6/7/8
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