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模板誘導結晶：模板性質與模板性能之間的關系

發酵結晶是指在微生物發酵過程中，通過控制發酵液的過飽和度，使目標產物（如有機酸、氨基酸、生物燃料等）直接從發酵液中結晶析出。這一過程通常結合模板誘導結晶（Template Induced Crystallization, TIC）技術，利用特定的模板材料（如納米顆粒、表面修飾的固體顆粒等）來促進結晶過程，改變晶體的形態和尺寸，便于后續分離和純化。

發酵結晶在實際應用中的作用如下：

解決產物毒性問題：在發酵過程中，目標產物的積累可能會對微生物產生毒性，抑制微生物的生長和代謝活性，從而降低發酵效率。通過發酵結晶，產物在生成后立即結晶析出，減少了發酵液中產物的濃度，從而緩解了對微生物的毒性。

緩解產物抑制作用：高濃度的產物可能會抑制酶的活性或微生物的代謝途徑，限制產物的進一步生成。發酵結晶通過及時移除產物，降低了發酵液中的產物濃度，從而減少了抑制作用，提高了發酵效率。

提高產物純度：結晶過程本身具有一定的純化作用，通過控制結晶條件和模板材料，可以提高產物的純度，減少雜質的混入。

簡化下游分離過程：傳統的發酵產物分離通常需要多步復雜的下游處理（如過濾、萃取、蒸餾等），而發酵結晶可以直接從發酵液中獲得固體晶體，減少了后續分離和純化的步驟，降低了成本。

為此，發酵結晶技術在生物制藥、食品工業和生物燃料生產等領域具有廣泛的應用前景。例如：

生物制藥：用于結晶生產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：用于結晶生產食品添加劑，如乳酸、檸檬酸等。

生物燃料：用于結晶生產生物乙醇、生物丁醇等，提高發酵效率和燃料純度。   

案例：模板誘導結晶：模板性質與模板性能之間的關系

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: 生物發酵過程中，產物濃度的積累可能導致對微生物的毒性或對酶的抑制作用，限制了發酵效率。通過即時移除發酵產物來克服毒性或抑制問題，提高發酵效率。本文研究模板誘導結晶（Template Induced Crystallization, TIC）過程中模板性質與模板性能之間的關系，特別是針對肉桂酸（cinnamic acid）的結晶過程。研究旨在為發酵過程中原位產品移除（In-situ Product Removal, ISPR）技術提供理論支持，以解決發酵過程中產物毒性或抑制問題。

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-二氧化硅復合物（TiO?-SiO?）以及帶有共價鍵結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晶行為。

建立模板性質（如表面性質、粒徑、比表面積等）與模板性能（如結晶誘導時間、晶體形態等）之間的關系。

預測哪些材料可以作為特定發酵產物的有效模板。

發現：

模板性質與結晶性能的關系：

• 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），從而促進結晶。    

• 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合）是促進結晶的關鍵因素。

• 比表面積和粒徑：雖然比表面積和粒徑對結晶有影響，但表面電荷和吸附能力更為關鍵。

結晶誘導時間：

• 添加了ZrO?、TiO?或SiO?-CAH的實驗中，結晶誘導時間顯著縮短，表明這些模板有效促進了肉桂酸的結晶。

• TiO?-SiO?由于表面帶負電荷，無法吸附肉桂酸根離子，因此對結晶的促進作用不明顯。

晶體形態和尺寸的影響：

• SEM圖像顯示，有效模板不僅加速了結晶過程，還改變了晶體的形態和尺寸。例如，TiO?模板誘導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。

結論：

• 研究建立了模板性質與模板性能之間的關系，證明了模板表面的肉桂酸分子層是促進結晶的關鍵因素。

• 模板的表面電荷和吸附能力對結晶過程有顯著影響。

• 通過選擇合適的模板材料，可以預測其對特定發酵產物的結晶效果，為發酵過程中的原位產品移除技術提供了理論支持。

發酵結晶實驗： 根據pH-track方法，使用誘導時間來評估模板的性能采用自動化設備（HEL PolyBLOCK 自動平行合成儀）確保標準化流程。溫度設定為30℃，轉速設定為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，唯一改變的參數是材料的類型和數量，同時確保添加材料的總表面積保持不變。  

關于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設在倫敦，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（北京）有限公司于 2020年在北京設立。

H.E.L最初是一家過程工藝優化及反應危害評估的專業咨詢機構，對研究機構和生產企業承接工藝過程研發項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業咨詢機構，同時已經發展成為一家致力于為客戶提供專業的過程工藝優化及反應危害評估設備的國際集團企業。

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