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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的實驗中，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)晶實驗： 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。在所有實驗中，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)咨詢機構(gòu)，對研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目；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驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數(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氮氣，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實驗室運營系統(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。

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