JP2010279292A

JP2010279292A - 細胞破砕装置および細胞破砕方法

Info

Publication number: JP2010279292A
Application number: JP2009135036A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ogawara; 孝大河原
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】クロレラなどの所要の細胞を、その温度上昇を抑えつつ、短時間で破砕可能な細胞破砕装置および細胞破砕方法を提案する。
【解決手段】細胞破砕装置１は、所定の細胞Ｃを含む懸濁液２が貯留される原液貯槽３と、原液貯槽３に接続された処理槽４と、処理槽４に接続され、細胞Ｃを破砕して得られる細胞抽出液Ｅを含む処理液５が貯留される処理液貯槽６と、処理槽４に設けられ、原液貯槽３から懸濁液２が供給されるノズル２７ａを有する対向板２７と、対向板２７との間に狭隘空間Ｓを介して対面され、狭隘空間Ｓに振動を発生させる振動発生装置２８と、を備え、狭隘空間Ｓに導入された懸濁液２を振動させ、キャビテーションを発生させて細胞Ｃの細胞膜または細胞壁を破砕する。
【選択図】図１

Description

本発明は、細胞を含む懸濁液にキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡の崩壊にともない発生する衝撃波によって細胞の細胞膜または細胞壁を破砕し、細胞抽出液を得る細胞破砕装置および細胞破砕方法に関する。

クロレラ（淡水性単細胞緑藻類）は、必須アミノ酸の組成に優れた上質のタンパク質を約５０％以上含むとともに、各種ビタミン等の栄養素にも富む。このクロレラは、硬く丈夫な細胞壁に覆われており、食品として有効に利用するためには細胞壁を破砕して消化吸収率を高めることが重要である。

ところが、クロレラの硬く丈夫な細胞壁は、通常の製粉機などでは破砕が非常に困難である。そこで、クロレラを高温、高圧の容器に導入し、所要の時間、細胞壁の内部まで圧力を浸透させ、その後一気に減圧し、細胞内部の圧力によって細胞壁を破砕する破砕方法（高温加圧減圧法）が実用化されている。

また、密閉容器内に回動自在な撹拌羽根を設け、クロレラと直径約０．５ｍｍから約０．８ｍｍのガラス球とを水に懸濁した懸濁液を密閉容器に導入し、撹拌羽根を所要の周速で回動し、懸濁液に圧力の脈動を発生させてクロレラを急激に膨張させることで細胞壁を破裂する破砕方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平５−６８５３６号公報

高温加圧減圧法は、大きなエネルギを必要とし、かつクロレラの破砕に掛かる処理時間が長く、大量生産には不向きである。

また、特許文献１に記載の方法は、密閉容器の容量の約８０％以上をガラス球で満たす必要があり、撹拌羽根が高速で回転すると、衝突するガラス球による撹拌羽根の損傷や、ガラス球同士の衝突による損耗、破砕が問題点となる。

さらに、特許文献１に記載の方法は、ガラス球が互いに高速で衝突しあい、この摩擦により懸濁液に熱が発生する。この摩擦熱は、クロレラの細胞壁の破砕に要する時間が長くなるほど高温になり、クロレラに含まれるタンパク質などの生体高分子の温度を上昇させる。そして、摩擦熱が生体高分子の変性温度を超えれば、生体高分子が変性を生じ、有用な成分が変質してしまうという問題があった。

さらにまた、特許文献１に記載の方法は、撹拌羽根の遠心作用によって懸濁液中のクロレラ濃度の分布がばらつき、高温加圧減圧法に比べて細胞破砕割合が低くなる。

ここで、タンパク質の変性温度は、約６０℃から約８０℃である。

すなわち、クロレラなどの硬く丈夫な細胞壁に覆われた細胞を、食品として有効に利用するためには、細胞の温度上昇を抑えつつ、短時間で細胞壁を破砕すること重要であり、大きな課題であった。

また、大量生産の用に供するためには、高い細胞破砕割合を呈するとともに、連続的に細胞を破砕可能で有ることが望まれる。

本発明は、クロレラなどの所要の細胞を、その温度上昇を抑えつつ、短時間で破砕可能な細胞破砕装置および細胞破砕方法を提案する。

前記の課題を解決するため本発明に係る細胞破砕装置は、所定の細胞を含む懸濁液が貯留される原液貯槽と、前記原液貯槽に接続された処理槽と、前記処理槽に接続され、前記細胞を破砕して得られる細胞抽出液を含む処理液が貯留される処理液貯槽と、前記処理槽に設けられ、前記原液貯槽から前記懸濁液が供給される孔を有する対向部と、前記対向部との間に狭隘空間を介して対面され、前記狭隘空間に振動を発生させる振動発生部と、を備え、前記狭隘空間に導入された前記懸濁液を振動させ、キャビテーションを発生させて前記細胞の細胞膜または細胞壁を破砕することを特徴とする。

また、本発明に係る細胞破砕方法は、対向部と、前記対向部との間に狭隘空間を介して対面する振動発生部と、を準備し、前記狭隘空間に所定の細胞を含む懸濁液を供給し、前記振動発生部の振動により、前記狭隘空間に導入した前記懸濁液にキャビテーションを発生させて前記細胞の細胞膜または細胞壁を破砕することを特徴とする。

本発明によれば、クロレラなどの所要の細胞を、その温度上昇を抑えつつ、短時間で破砕可能な細胞破砕装置および細胞破砕方法を提案できる。

本発明の実施形態に係る細胞破砕装置を示した概略図。本発明の実施形態に係る細胞破砕装置のホーンおよび対向板を部分的に示した断面図。本発明の実施形態に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法による細胞の破砕のようすを説明する図。本発明の実施形態に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法による狭隘空間のギャップと衝撃波の強さの関係を示した図。

本発明に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法の実施形態について図１から図４を参照して説明する。

本発明の実施形態に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法は、キャビテーション泡の崩壊にともない発生する衝撃波によって細胞の細胞膜または細胞壁を破砕し、細胞抽出液を得るものである。

図１は、本発明の実施形態に係る細胞破砕装置を示した概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る細胞破砕装置１は、所定の細胞Ｃを含む懸濁液２が貯留される原液貯槽３と、原液貯槽３に接続された処理槽４と、処理槽４に接続され、細胞Ｃを破砕して得られる細胞抽出液Ｅを含む処理液５が貯留される処理液貯槽６と、制御部７と、を備える。原液貯槽３と処理槽４とは、原液送給配管系統８によって接続される。一方、処理槽４と処理液貯槽６とは、処理液排出配管系統９によって接続される。

懸濁液２は、所定の細胞Ｃを水に懸濁したものである。所定の細胞Ｃは、動物細胞でも植物細胞でもよい。所定の細胞Ｃは、例えば植物細胞の場合、クロレラやスピルリナなど、タンパク質や各種ビタミン、ミネラル等に富む単細胞藻類がある。

原液貯槽３は、細胞膜または細胞壁を破砕される以前の細胞Ｃが懸濁された懸濁液２を原液として貯留する。原液貯槽３は、槽内に貯留された懸濁液２の温度を測定する温度計１１（原液温度計）と、槽内に貯留された懸濁液２を冷却する冷却装置１２（原液冷却部）と、槽内に貯留された懸濁液２を撹拌する攪拌機１３と、を備える。

冷却装置１２は、冷媒（図示省略）を環状に循環させる冷媒配管１５と、冷媒を流動させる循環ポンプ１６と、熱交換によって冷媒を冷却する熱交換器１７と、冷媒の流量を測定する冷媒流量計１８と、を備える。冷媒配管１５、循環ポンプ１６、熱交換器１７および冷媒流量計１８は、直列、かつ環状に接続される。

攪拌機１３は、槽内に貯留された懸濁液２の濃度分布および温度分布を略均一に保つ。

原液送給配管系統８は、原液貯槽３から処理槽４に懸濁液２を送給する。原液送給配管系統８は、原液貯槽３から処理槽４までの流路を構成する原液送給配管２１と、懸濁液２を流動させる原液送給ポンプ２２と、懸濁液２の送給流量を調整する原液送給流量調節弁２３と、懸濁液２の送給流量を測定する原液流量計２４と、を備える。

処理槽４は、原液貯槽３から送給された懸濁液２を振動させ、キャビテーションを発生させてキャビテーション泡の崩壊にともなう衝撃波で細胞Ｃの細胞膜または細胞壁を破砕し、細胞抽出液Ｅを含む処理液５を得て処理液貯槽６に排出する。処理槽４は、原液貯槽３から懸濁液２が供給され小口径（約２ｍｍから約５ｍｍ）のノズル２７ａ（孔）を有する対向板２７（対向部）と、対向板２７との間に狭隘空間Ｓを介して対面され、狭隘空間Ｓに振動を発生させる振動発生装置２８（振動発生部）と、槽内の処理液５の温度を測定する温度計２９（処理液温度計）と、を備える。

対向板２７は、処理槽４の内底面に配置される。対向板２７のノズル２７ａは、原液送給配管系統８に接続され、原液貯槽３から供給される懸濁液２を狭隘空間Ｓに噴出させる。

振動発生装置２８は、対向板２７のノズル２７ａから狭隘空間Ｓに供給された懸濁液２を振動させ、キャビテーションを発生させる。振動発生装置２８は、高周波電源装置３１と、高周波電源装置３１に電気的に接続され、振動を発生させる振動子３２と、振動子３２が発生させた振動を狭隘空間Ｓに伝達するホーン３３と、堅牢な基礎３５に固定され振動子３２を支持するアーム３６と、を備える。

振動子３２は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料によって構成される。また、振動子３２は、高周波電源装置３１から電源ケーブル３７を介して高周波電流が供給され、約１４ｋＨｚから約２ＭＨｚの高周波で振動する。

ホーン３３は、狭隘空間Ｓを介して対向板２７に対面された振動発生装置２８の先端部分を構成する。ホーン３３は、振動子３２に連結された軸部３３ａと、軸部３３ａの先端に設けられた円板状のコマ３３ｂと、を備える。コマ３３ｂは、軸部３３ａを介して振動子３２によって振動する。コマ３３ｂは、対向板２７との間のギャップｇの距離が遠ざかったり、近づいたりする方向（図１中、実線矢Ａ）に振動する。

処理液排出配管系統９は、処理槽４の排出口３８に接続され、処理槽４から処理液貯槽６に処理液５を送給する。処理液排出配管系統９は、処理槽４から処理液貯槽６までの流路を構成する処理液送給配管４１と、処理液送給配管４１の流路を開閉する処理液送給弁４２と、を備える。

処理液貯槽６は、処理槽４よりも低い位置に配置され、処理槽４との水頭差で導かれる処理液５を貯留する。

制御部７は、狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の温度が、細胞Ｃに含まれる生体高分子の低温側の変性温度より大きくなるように、狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の温度を制御する。また、制御部７は、狭隘空間Ｓから排出された処理液５の温度が、細胞Ｃに含まれる生体高分子の高温側の変性温度より小さくなるように、狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の流量および温度を制御する。

制御部７は、温度計１１、２９で測定された温度と、冷媒流量計１８および原液流量計２４で測定された流量を入力信号として受信し、循環ポンプ１６、原液送給ポンプ２２および原液送給流量調節弁２３の制御信号を出力して狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の流量および温度を制御する。

具体的には、制御部７は、温度計１１で測定される原液貯槽３内の懸濁液２の温度が、細胞Ｃに含まれる生体高分子の低温側の変性温度（一般に約０℃）より大きくなるように、冷却装置１２の循環ポンプ１６の運転出力を制御し、懸濁液２の温度を約２０℃に制御する。このとき、原液貯槽３内の懸濁液２は、その温度分布が略均一になるよう攪拌機１３によって撹拌される。

他方、制御部７は、温度計２９で測定された処理槽４内の処理液５の温度が、細胞Ｃに含まれる生体高分子の高温側の変性温度（一般に約６０℃から約８０℃）より小さくなるように、原液送給配管系統８の原液送給ポンプ２２の運転出力および原液送給流量調節弁２３の弁開度、すなわち狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の流量を制御し、処理液５の温度を約５０℃に制御する。また、制御部７は、狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の流量を制御しても処理液５の温度を約５０℃に制御できない場合、冷却装置１２の循環ポンプ１６の運転出力、すなわち狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の温度を制御して懸濁液２の温度を約１０℃に冷却し、処理液５の温度を約５０℃に制御する。

細胞破砕装置１は、制御部７による狭隘空間Ｓに供給される懸濁液２の流量および温度の制御によって、細胞Ｃに含まれる生体高分子の変性温度を超えることなく細胞膜または細胞壁の破砕が可能となり、細胞Ｃに含まれている有用な各種成分が抽出された処理液５を得ることができる。

図２は、本発明の実施形態に係る細胞破砕装置のホーンおよび対向板を部分的に示した断面図である。

図２に示すように、細胞破砕装置１のコマ３３ｂは、処理槽４の内底面に対向する。処理槽４の内底面には、コマ３３ｂに対向させて対向板２７が設けられる。コマ３３ｂおよび対向板２７は、それぞれ円板状に形成される。また、コマ３３ｂおよび対向板２７は、互いに対面し、対向面間にギャップｇ＝約０．２ｍｍから約１０ｍｍが設けられ、狭隘空間Ｓを構成する。

コマ３３ｂおよび対向板２７は、その全体または少なくとも相対する面を構成する部分が硬度の高い材料、例えばセラミックスまたは超硬合金などの硬質な材料で構成される。これにより、コマ３３ｂおよび対向板２７は、キャビテーション泡４３の崩壊時に発生する衝撃波に十分に耐え、壊食されない高強度をもつ構成とされる。

なお、コマ３３ｂと対向板２７との対向部分のみを高硬度に構成する場合には、各種金属等の母材の表面にセラミックスまたは超硬合金の硬質メッキによる表面処理を施すことなどにより構成できる。セラミックスとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびジルコニア（ＺｙＯ２）等が適用される。また、超硬合金としては、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）、タングステンカーバイド・コバルト合金（ＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ等）およびステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）等が適用される。

そして、細胞破砕装置１は、原液貯槽３から原液送給配管系統８を介して送給される懸濁液２を、ノズル２７ａから処理槽４の狭隘空間Ｓに連続して噴出する。噴出した懸濁液２は、狭隘空間Ｓを満たし、コマ３３ｂおよび対向板２７の中心部から周縁側に向って流動する。懸濁液２は、コマ３３ｂおよび対向板２７の外周に到達するまでの間、コマ３３ｂの振動によって発生するキャビテーション泡４３の崩壊にともなう衝撃波を受ける。これにより、懸濁液２に含まれた細胞Ｃの細胞膜または細胞壁が破砕され、細胞抽出液Ｅを含む処理液５が得られる。細胞Ｃの細胞膜または細胞壁の破砕に掛かる時間は、懸濁液２が狭隘空間Ｓを流動しつつ通過する時間であり、懸濁液２の流量にもよるが、約０．１秒間から約１秒間で十分である。この破砕に掛かる時間は、従来の破砕方法に掛かる時間（短くとも１５０秒以上）に比べて非常に短時間である。

なお、真水などの液体で狭隘空間Ｓを満たし、当該液体にキャビテーションを発生させた後に、原液貯槽３から処理槽４に懸濁液２を送給することによって、細胞Ｃを無駄なく破砕できる。

図３は、本発明の実施形態に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法による細胞の破砕のようすを説明する図である。

図３に示すように、懸濁液２が狭隘空間Ｓに噴出し、コマ３３ｂが懸濁液２中を振動方向ａに向かって動作すると、狭隘空間Ｓが瞬間的に負圧になり懸濁液２の飽和蒸気圧以下の圧力場が形成され、懸濁液２にキャビテーション泡４３が発生する。このキャビテーション泡４３は、サブミクロンオーダーの微細な気泡であり、狭隘空間Ｓ中に高密度に発生する。そして、高周波振動により次の瞬間にコマ３３ｂが懸濁液２中を振動方向ｂに向かって動作すると、狭隘空間Ｓに瞬間的に高圧の圧力場が形成され、この圧力によってキャビテーション泡４３が崩壊する。

そして、狭隘空間Ｓ中の懸濁液２には、キャビテーション泡４３の崩壊にともない、高圧の衝撃波ｗ（泡崩壊時発生衝撃波：図３中、実線矢ｗ）が発生する。この衝撃波ｗは、懸濁液２に含まれている細胞Ｃの細胞膜または細胞壁の破壊エネルギとして作用し、細胞膜または細胞壁を破砕する。特にキャビテーション泡４３の崩壊時には、外向きの破壊エネルギが発生する。また、衝撃波ｗはコマ３３ｂまたは対向板２７で反射し、衝撃反射波ｘ（以下、単に「反射波ｘ」という：図３中、実線矢ｘ）となって、再び懸濁液２に含まれる細胞Ｃの細胞膜または細胞壁の破壊エネルギとして繰り返し作用し、細胞膜または細胞壁をさらに破砕する。このとき、衝撃波ｗおよび反射波ｘは、懸濁液２に細胞Ｃの他に有機微生物（図示省略）や細菌（図示省略）が含まれている場合、これら有機微生物や細菌の破壊エネルギとしても作用し、これらの有害生物を死滅させる。

すなわち、コマ３３ｂが懸濁液２を高周波で振動すると、コマ３３ｂの超高速往復動作によって微細なキャビテーション泡４３の発生、崩壊が繰り返される。そして、このキャビテーション泡４３の崩壊の都度、大きな衝撃波ｗおよび反射波ｘが生じ、条件によっては、発生する衝撃波の圧力が約１００ＭＰａから約３００ＭＰａに達する。この衝撃波の圧力が約１００ＭＰａから約３００ＭＰａに達することは、本実施形態において明確に観測することができた。

図４は、本発明の実施形態に係る細胞破砕装置および細胞破砕方法による狭隘空間のギャップと衝撃波の強さの関係を示した図である。

図４に示すように、細胞破砕装置１または細胞破砕方法の狭隘空間Ｓに発生する衝撃波ｗおよび反射波ｘによる衝撃波の強さは、コマ３３ｂの周波数によっても異なるものの、コマ３３ｂと対向板２７との間のギャップｇが支配的である。衝撃波ｗは、狭隘空間Ｓのギャップｇを約０．２ｍｍから約１０ｍｍにすると、複数のキャビテーション泡４３が相互に作用しながら反射波ｘを発生し、衝撃波の強さが高まる。なお、衝撃波ｗは、距離が大きくなるに従って拡散、減衰されるため、数十ミリ離れた場所では衝撃波としての作用を殆ど及ぼさない。

すなわち、本実施形態に係る細胞破砕装置１および細胞破砕方法は、狭隘空間Ｓに発生するキャビテーション泡４３の崩壊によって生じる衝撃波ｗと、その反射波ｘとの相互作用により、懸濁液２中の細胞Ｃの細胞膜または細胞壁を破砕し、細胞抽出液Ｅが含まれる処理液５を得ることができる。

また、本実施形態に係る細胞破砕装置１および細胞破砕方法は、細胞Ｃの細胞膜または細胞壁の破砕に掛かる時間が、従来の細胞破砕装置および細胞破砕方法に比べて極めて短い。これによって、懸濁液２および処理液５の温度上昇を十分に抑制することが可能となり、細胞Ｃに含まれる生体高分子を変性させることなく抽出できる。また、キャビテーションを発生させる以前の懸濁液２を十分に冷却し、かつ狭隘空間Ｓに供給する懸濁液２の流量を制御することで、懸濁液２および処理液５の温度上昇をさらに抑制することが可能である。さらに、細胞Ｃの細胞膜または細胞壁の破砕に掛かる時間が極めて短いとともに、狭隘空間Ｓに懸濁液２を流動させて細胞Ｃを破砕するため、懸濁液２を連続的に処理することが可能であり、処理液５を大量に生産することが容易に可能になる。

したがって、本発明に係る細胞破砕装置１および細胞破砕方法によれば、所要の細胞Ｃを、その温度上昇を抑えつつ、短時間で破砕できる。

１細胞破砕装置
２懸濁液
３原液貯槽
４処理槽
５処理液
６処理液貯槽
７制御部
８原液送給配管系統
９処理液排出配管系統
１１温度計
１２冷却装置
１３攪拌機
１５冷媒配管
１６循環ポンプ
１７熱交換器
１８冷媒流量計
２１原液送給配管
２２原液送給ポンプ
２３原液送給流量調節弁
２４原液流量計
２７ａノズル
２７対向板
２８振動発生装置
２９温度計
３１高周波電源装置
３２振動子
３３ホーン
３３ａ軸部
３３ｂコマ
３５基礎
３６アーム
３７電源ケーブル
３８排出口
４１処理液送給配管
４２処理液送給弁
４３キャビテーション泡

Claims

所定の細胞を含む懸濁液が貯留される原液貯槽と、
前記原液貯槽に接続された処理槽と、
前記処理槽に接続され、前記細胞を破砕して得られる細胞抽出液を含む処理液が貯留される処理液貯槽と、
前記処理槽に設けられ、前記原液貯槽から前記懸濁液が供給される孔を有する対向部と、
前記対向部との間に狭隘空間を介して対面され、前記狭隘空間に振動を発生させる振動発生部と、を備え、
前記狭隘空間に導入された前記懸濁液を振動させ、キャビテーションを発生させて前記細胞の細胞膜または細胞壁を破砕することを特徴とする細胞破砕装置。
前記振動発生部は、略１４ｋＨｚ以上の高周波振動を発生させることを特徴とする請求項１に記載の細胞破砕装置。
前記振動発生部は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料を用いた振動子を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の細胞破砕装置。
前記狭隘空間は、前記振動発生部と前記対向部との間に略０．２ｍｍから略１０ｍｍの隙間を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の細胞破砕装置。
前記原液貯槽に貯留された前記懸濁液を冷却する原液冷却部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の細胞破砕装置。
前記狭隘空間から排出された前記処理液の温度が、前記細胞に含まれる生体高分子の変性温度より小さくなるように、前記狭隘空間に供給される前記懸濁液の流量および温度を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の細胞破砕装置。
前記細胞は、クロレラであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の細胞破砕装置。
対向部と、前記対向部との間に狭隘空間を介して対面する振動発生部と、を準備し、
前記狭隘空間に所定の細胞を含む懸濁液を供給し、
前記振動発生部の振動により、前記狭隘空間に導入した前記懸濁液にキャビテーションを発生させて前記細胞の細胞膜または細胞壁を破砕することを特徴とする細胞破砕方法。
前記振動発生部は、略１４ｋＨｚ以上の高周波振動を発生させることを特徴とする請求項８に記載の細胞破砕方法。
前記狭隘空間は、前記振動発生部と前記対向部との間に略０．２ｍｍから略１０ｍｍの隙間を有することを特徴とする請求項８または９に記載の細胞破砕方法。
前記狭隘空間に供給する以前の前記懸濁液の温度を前記細胞に含まれる生体高分子の変性温度より小さくなるように冷却することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の細胞破砕方法。
前記細胞は、クロレラであることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の細胞破砕方法。