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模板诱导结晶：模板性质与模板性能之间的关系

发酵结晶是指在微生物发酵过程中，通过控制发酵液的过饱和度，使目标产物（如有机酸、氨基酸、生物燃料等）直接从发酵液中结晶析出。这一过程通常结合模板诱导结晶（Template Induced Crystallization, TIC）技术，利用特定的模板材料（如纳米颗粒、表面修饰的固体颗粒等）来促进结晶过程，改变晶体的形态和尺寸，便于后续分离和纯化。

发酵结晶在实际应用中的作用如下：

解决产物毒性问题：在发酵过程中，目标产物的积累可能会对微生物产生毒性，抑制微生物的生长和代谢活性，从而降低发酵效率。通过发酵结晶，产物在生成后立即结晶析出，减少了发酵液中产物的浓度，从而缓解了对微生物的毒性。

缓解产物抑制作用：高浓度的产物可能会抑制酶的活性或微生物的代谢途径，限制产物的进一步生成。发酵结晶通过及时移除产物，降低了发酵液中的产物浓度，从而减少了抑制作用，提高了发酵效率。

提高产物纯度：结晶过程本身具有一定的纯化作用，通过控制结晶条件和模板材料，可以提高产物的纯度，减少杂质的混入。

简化下游分离过程：传统的发酵产物分离通常需要多步复杂的下游处理（如过滤、萃取、蒸馏等），而发酵结晶可以直接从发酵液中获得固体晶体，减少了后续分离和纯化的步骤，降低了成本。

为此，发酵结晶技术在生物制药、食品工业和生物燃料生产等领域具有广泛的应用前景。例如：

生物制药：用于结晶生产高附加值的生物活性分子，如氨基酸、维生素和抗生素。

食品工业：用于结晶生产食品添加剂，如乳酸、柠檬酸等。

生物燃料：用于结晶生产生物乙醇、生物丁醇等，提高发酵效率和燃料纯度。   

案例：模板诱导结晶：模板性质与模板性能之间的关系

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: 生物发酵过程中，产物浓度的积累可能导致对微生物的毒性或对酶的抑制作用，限制了发酵效率。通过即时移除发酵产物来克服毒性或抑制问题，提高发酵效率。本文研究模板诱导结晶（Template Induced Crystallization, TIC）过程中模板性质与模板性能之间的关系，特别是针对肉桂酸（cinnamic acid）的结晶过程。研究旨在为发酵过程中原位产品移除（In-situ Product Removal, ISPR）技术提供理论支持，以解决发酵过程中产物毒性或抑制问题。

研究方法：使用了多种模板材料，包括二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）、二氧化钛-二氧化硅复合物（TiO₂-SiO₂）以及带有共价键结合的肉桂酸分子的二氧化硅颗粒（SiO₂-CAH）。肉桂酸作为模型化合物，研究其在不同模板存在下的结晶行为。

建立模板性质（如表面性质、粒径、比表面积等）与模板性能（如结晶诱导时间、晶体形态等）之间的关系。

预测哪些材料可以作为特定发酵产物的有效模板。

发现：

模板性质与结晶性能的关系：

• 表面电荷：带有正电荷的模板（如ZrO₂和TiO₂）能够吸附肉桂酸根离子（cinnamate），从而促进结晶。    

• 吸附层：模板表面的肉桂酸分子层（无论是吸附还是共价键结合）是促进结晶的关键因素。

• 比表面积和粒径：虽然比表面积和粒径对结晶有影响，但表面电荷和吸附能力更为关键。

结晶诱导时间：

• 添加了ZrO₂、TiO₂或SiO₂-CAH的实验中，结晶诱导时间显著缩短，表明这些模板有效促进了肉桂酸的结晶。

• TiO₂-SiO₂由于表面带负电荷，无法吸附肉桂酸根离子，因此对结晶的促进作用不明显。

晶体形态和尺寸的影响：

• SEM图像显示，有效模板不仅加速了结晶过程，还改变了晶体的形态和尺寸。例如，TiO₂模板诱导形成的晶体更大且呈矩形，而无模板时形成的晶体更小且呈针状。

结论：

• 研究建立了模板性质与模板性能之间的关系，证明了模板表面的肉桂酸分子层是促进结晶的关键因素。

• 模板的表面电荷和吸附能力对结晶过程有显著影响。

• 通过选择合适的模板材料，可以预测其对特定发酵产物的结晶效果，为发酵过程中的原位产品移除技术提供了理论支持。

发酵结晶实验： 根据pH-track方法，使用诱导时间来评估模板的性能采用自动化设备（HEL PolyBLOCK 自动平行合成仪）确保标准化流程。温度设定为30℃，转速设定为500 rpm。在所有实验中，肉桂酸总浓度（[TCA]）为6.75 mmol·L^-1 (1 g·L^-1)， pH约为4.1。条件保持不变，唯一改变的参数是材料的类型和数量，同时确保添加材料的总表面积保持不变。  

关于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，总部设在伦敦，在中国、美国、德国、意大利、印度拥有分公司。全资的赫伊尔商贸（北京）有限公司于 2020年在北京设立。

H.E.L最初是一家过程工艺优化及反应危害评估的专业咨询机构，对研究机构和生产企业承接工艺过程研发项目；同时提供安全咨询，包括事故调查、HAZOP研究、安全设施的设计及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的过程工艺及安全专业咨询机构，同时已经发展成为一家致力于为客户提供专业的过程工艺优化及反应危害评估设备的国际集团企业。

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