JP2013529969A - Use of low temperature anaerobic digestion in a continuous batch reactor for prion degradation - Google Patents
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Abstract
本発明は、特定危険部位のプリオンを除去するための連続回分式反応槽の使用および使用プロセス、ならびに特定危険部位のプリオンタンパク質を分解するための連続回分式反応槽の有効性の測定に関するものである。
【選択図】図1The present invention relates to the use and process of using a continuous batch reactor to remove prions at specific risk sites, and to measuring the effectiveness of continuous batch reactors to degrade prion proteins at specific risk sites. is there.
[Selection] Figure 1
Description
(関連出願への相互参照)
本願は、本発明における最初の出願である。
(Cross-reference to related applications)
This application is the first application in the present invention.
本発明は、特定危険部位のプリオンを除去するための連続回分式反応槽の使用または使用プロセスに関するものである。 The present invention relates to the use or process of using a continuous batch reactor to remove prions at specific risk sites.
プリオンは核酸および細胞膜を持たないタンパク質であり、標準的な滅菌法にはほとんど影響を受けない。プリオンは、全く新しい機序で例外なく死に至る一群の神経変性疾患をもたらす、前例のない感染性の病原体である(非特許文献1)。プリオンの不活性化は、プリオン感染動物の処分および動物飼料などの動物由来材料の調製の双方に重大な環境問題および健康問題をもたらしている。屠畜場の汚泥および動物の死(屠体)は、病原体すなわち感染性プリオンタンパク質の重要な源である。 Prions are proteins without nucleic acids and cell membranes and are hardly affected by standard sterilization methods. Prions are an unprecedented infectious pathogen that results in a group of neurodegenerative diseases that die without exception through a completely new mechanism (1). Inactivation of prions poses significant environmental and health problems both in the disposal of prion-infected animals and the preparation of animal-derived materials such as animal feed. Slaughterhouse sludge and animal death (carcasses) are important sources of pathogens or infectious prion proteins.
プリオンは動物で自然に見られるタンパク質である。細胞型すなわち正常型のプリオンタンパク質は、健康な成熟動物の脳内において構成的に発現するが、発生中は空間的、時間的に高度に調節される(非特許文献1)。プリオンタンパク質には2つのアイソフォームがある。PrPC(正常型プリオンタンパク質)は細胞構造、N結合型であり、αヘリックスを多く含む球状の可溶性糖タンパク質であり、シグナル伝達タンパク質として働き(非特許文献2)、哺乳類の脳の正常な発達に重要な役割を担うものである。PrPCは健常組織および病変組織の双方において生じる。PrPSc(異常型プリオンタンパク質)は、βシートを多く含む、線維性の、極めて不溶性のタンパク質であり、哺乳類の中枢神経系疾患の原因物質である。βシートを多く含むということは、PrPScに耐熱性およびプロテアーゼ耐性がもたらされると考えられている。 Prions are proteins that are found naturally in animals. Cellular or normal prion protein is constitutively expressed in the brain of healthy mature animals, but is highly regulated spatially and temporally during development (Non-patent Document 1). There are two isoforms of prion protein. PrPC (normal prion protein) is a cell structure, N-linked, and is a globular soluble glycoprotein containing a lot of α-helix, acting as a signal transduction protein (Non-patent Document 2), and for normal development of the mammalian brain. It plays an important role. PrPC occurs in both healthy and diseased tissues. PrPSc (abnormal prion protein) is a fibrous, highly insoluble protein containing a large amount of β-sheet, and is a causative agent of mammalian central nervous system diseases. The fact that it contains a large amount of β-sheet is thought to bring heat resistance and protease resistance to PrPSc.
異常な病的アイソフォーム(PrPSc)の存在は、病的な状態の典型である。PrPCとPrPScは一次構造が同じであり、二次構造に違いが生じてくる。PrPCは3つのαヘリックス(約40%αへリックス)と1つの短い逆平行βシートとを含んでおり、PrPScは2つのαヘリックス(約30%αヘリックス)と4つのβシート(45%βシート)とを含んでいる(非特許文献1)。これによってPrPScの三次構造の構造変化が誘導され、修飾特性となる。どちらのPrPアイソフォームも核酸を持っていない(非特許文献1)。 The presence of an abnormal pathological isoform (PrPSc) is typical of a pathological condition. PrPC and PrPSc have the same primary structure, and a difference occurs in the secondary structure. PrPC contains three α helices (about 40% α helix) and one short antiparallel β sheet, and PrPSc consists of two α helices (about 30% α helix) and four β sheets (45% β helix). Sheet) (Non-patent Document 1). This induces a structural change in the tertiary structure of PrPSc, which is a modification property. Neither PrP isoform has a nucleic acid (Non-patent Document 1).
実験データは、プリオンが自然環境において長時間生き延びることができることを示している。例えば、ブラウン(Brown)氏およびガイジュセク(Gajdusek)氏は、庭の土壌に埋めたプリオンが、土壌中に僅かに深く溶け出し、3年間生き延びて感染力を保つことができたことを示唆した(非特許文献3)。 Experimental data shows that prions can survive in the natural environment for a long time. For example, Brown and Gajdusek suggested that a prion buried in the garden soil could dissolve slightly deep into the soil and survive for three years to remain infectious ( Non-patent document 3).
最近の実験は、動物への一次感染方法が経口摂取であることを示唆している。プリオンは死んだ動物の残骸や尿、唾液、およびその他の体液を通して環境に堆積されると考えられている。その後プリオンは粘土やその他の鉱物と結合して土壌にとどまる。プリオンの滅菌には、分子が正常タンパク質の異常な折り畳みを引き起こすことができなくなる状態までタンパク質を変性させることが含まれる。しかしながらプリオンは一般に、プロテアーゼ、熱、放射線およびホルマリン処理によってその感染力は弱まるものの、これらの処理に対して極めて耐性がある。有効なプリオン汚染除去は、タンパク質の加水分解またはタンパク質三次構造の還元および/または破壊に依存している。例えば、漂白剤、苛性ソーダまたは強酸性洗剤がある。 Recent experiments suggest that the primary method of infection of animals is ingestion. Prions are thought to accumulate in the environment through dead animal debris and urine, saliva, and other body fluids. The prion then combines with clay and other minerals to remain in the soil. Prion sterilization involves denaturing the protein to a state where the molecule can no longer cause abnormal folding of the normal protein. However, prions are generally very resistant to these treatments, although their infectivity is weakened by treatment with proteases, heat, radiation and formalin. Effective prion decontamination relies on protein hydrolysis or protein tertiary structure reduction and / or destruction. For example, bleach, caustic soda or strong acid detergent.
伝達性変性脳症(TDE: Transmissible Degenerative Encephalopathies)は、哺乳類の脳内にプリオンが蓄積することにより、一群の致命的神経変性疾患を形成するものである。TDEでは、感染すると、宿主の正常型プリオンタンパク質(PrPC)が感染型プリオンタンパク質(PrPSc)に修飾され(非特許文献4)、そして感染した組織、特に中枢神経系に沈着物が形成される点において独特である。TDEは多くの種類の野生動物、家畜および人間に影響を与え、次の3つの方法で存在し、これらはどれもプリオンタンパク質の修飾を伴うものである:遺伝子の突然変異による遺伝的なもの;未だ定義されていないメカニズムによる、プリオンタンパク質の病的形態への自然転換による散発的なもの;外因性の異常な折り畳み構造のプリオンタンパク質への接触による感染。 Transmissible degenerative encephalopathy (TDE) forms a group of fatal neurodegenerative diseases by the accumulation of prions in the mammalian brain. In TDE, the normal prion protein (PrPC) of the host is modified to infectious prion protein (PrPSc) upon infection (Non-patent Document 4), and deposits are formed in infected tissues, particularly the central nervous system. Is unique. TDE affects many types of wildlife, livestock and humans and exists in three ways, all of which involve modification of the prion protein: genetic by gene mutation; Sporadic by spontaneous conversion of the prion protein to a pathological form by an undefined mechanism; infection by contact with an exogenous abnormally folded prion protein.
牛海綿状脳症(BSE: Bovine Spongiform Encephalopathy)は最も有名なプリオン疾患である。国際貿易委員会(ITC: International Trade Commission)は、BSEによる貿易制限は、2004年〜2007年にかけて家畜産業に110億ドルの損害をもたらしたと報告した。 Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) is the most famous prion disease. The International Trade Commission (ITC) reported that trade restrictions imposed by BSE caused $ 11 billion in damage to the livestock industry from 2004-2007.
このように、動物性肥料の管理作業は多くの場合に環境へ害をもたらすだけでなく、悪臭を放ち、ハエの繁殖を促し、雑草問題や空気、土壌および水の汚染の誘発に加え、人間および動物の健康に対する潜在的な危険性をも表している。 Thus, the management of animal fertilizers is not only harmful to the environment in many cases, but it also creates a foul odor, promotes fly breeding, induces weed problems and air, soil and water contamination, as well as humans. And represents a potential risk to animal health.
カナダ食品検査庁によると、カナダで発生した特定危険部位(SRM)の推定量は年間17万トンであるということだった。プリオンで汚染された可能性のあるSRMの安全な処分は困難である、というのもこれらのTDE原因物質は、微生物に通常適用される、物理的または化学的処置による不活性化に対して比較的耐性があるからである(非特許文献5)。さらに、処理の中にはコストが相当かかるものがある。アルコール、アルデヒドおよび蒸気による急速加熱を含む、プリオンを効率的および/または迅速に固定化する、プリオン不活性化の物理的および化学的方法は、不活性化からプリオンを保護し、そのためプリオンの熱安定性が強化される。よってタンパク質構造を固定化するよりも、それを破壊する処理が、プリオンで汚染された可能性のあるSRMの処理を考える際には必要である。さらに、変性剤、洗剤、強アルカリなどの化学薬品を使用する処理は、農場においてユーザに触れる可能性や、農地への処分問題により、SRM内のプリオンの不活性化には不適切である。 According to the Canadian Food Inspection Agency, the estimated amount of specific dangerous parts (SRM) that occurred in Canada was 170,000 tons per year. Safe disposal of SRMs that may have been contaminated with prions is difficult because these TDE causative agents are compared to inactivation by physical or chemical treatments that are usually applied to microorganisms This is because there is mechanical resistance (Non-patent Document 5). Furthermore, some processes are costly. The physical and chemical methods of prion deactivation that efficiently and / or rapidly immobilize prions, including rapid heating with alcohol, aldehydes and steam, protect the prions from deactivation and thus the heat of the prions Stability is enhanced. Therefore, rather than immobilizing the protein structure, a process of destroying it is necessary when considering a process of SRM that may be contaminated with prions. Furthermore, treatments using chemicals such as denaturants, detergents, strong alkalis, etc. are unsuitable for inactivating prions in the SRM due to the possibility of touching the user on the farm and disposal issues on the farmland.
よってSRM内のプリオンを分解する、環境に優しい生物学的処理を開発する必要がある。 Therefore, there is a need to develop an environmentally friendly biological treatment that degrades prions in the SRM.
従って、低コストで、非常に安定性があり、運転が簡単で、通常の農場作業を妨げない、特定危険部位のプリオンタンパク質を動物から除去するプロセスを提供することは非常に望ましい。 Therefore, it would be highly desirable to provide a process for removing specific risk site prion proteins from animals that is low cost, very stable, easy to operate and does not interfere with normal farm operations.
本開示によれば、特定危険部位のプリオンタンパク質を分解するプロセスを提供する。該プロセスは、馴養嫌気性汚泥の層を含む連続回分式反応槽(SBR)に特定危険部位(SRM)を供給するステップと、該特定危険部位を汚泥と25℃以下で反応させてプリオンタンパク質を分解させるステップとを含んでいる。 According to the present disclosure, a process for degrading a prion protein at a specific risk site is provided. The process includes the steps of supplying a specific risk site (SRM) to a continuous batch reactor (SBR) containing a layer of conditioned anaerobic sludge, and reacting the specific risk site with sludge at 25 ° C. or less to produce prion protein. Disassembling.
また、特定危険部位のプリオンタンパク質を分解する連続回分式反応槽(SBR)の有効性を測定するプロセスも提供する。該プロセスは、馴養嫌気性汚泥の層を含む連続回分式反応槽(SBR)に特定危険部位(SRM)を供給するステップと、SBRにモデルタンパク質を添加するステップと、特定危険部位とモデルタンパク質とを5℃〜25℃の温度で汚泥と反応させるステップとを含んでおり、該モデルタンパク質の分解は、SRM内のプリオンタンパク質を分解させるSBRの有効性を示している。 It also provides a process for measuring the effectiveness of a continuous batch reactor (SBR) that degrades prion protein at specific risk sites. The process includes supplying a specific risk site (SRM) to a continuous batch reactor (SBR) containing a layer of conditioned anaerobic sludge, adding a model protein to the SBR, a specific risk site and a model protein, Reacting with sludge at a temperature of 5 ° C. to 25 ° C., and the degradation of the model protein shows the effectiveness of SBR to degrade the prion protein in the SRM.
好適な実施形態において、特定危険部位には動物の屠体も含まれる。 In a preferred embodiment, the specific risk area also includes an animal carcass.
別の実施形態において、嫌気性汚泥は豚糞尿、家畜糞尿および/または屠畜場汚泥由来のものである。 In another embodiment, the anaerobic sludge is from pig manure, livestock manure and / or slaughterhouse sludge.
好適な実施形態において、特定危険部位を汚泥と5℃〜25℃の温度で、好適には20℃〜25℃の温度で、より好適には20℃の温度で反応させる。 In a preferred embodiment, the specific hazardous area is reacted with sludge at a temperature of 5 ° C to 25 ° C, preferably at a temperature of 20 ° C to 25 ° C, more preferably at a temperature of 20 ° C.
別の実施形態において、本明細書に記載する特定危険部位のプリオンタンパク質を分解するプロセスは、SBRにケラチンを添加するステップも含んでいる。ケラチンは、羽毛ケラチンまたは蹄ケラチン由来のものとすることができ、これらはβケラチンまたはαケラチンに対応する。好適には、羽毛ケラチンは鶏羽毛由来のもので、蹄ケラチンは牛蹄由来のものである。 In another embodiment, the process for degrading a specific risk site prion protein described herein also includes adding keratin to the SBR. Keratin can be derived from feather keratin or hoof keratin, which correspond to β-keratin or α-keratin. Suitably, the feather keratin is derived from chicken feathers and the hoof keratin is derived from cow hooves.
別の実施形態では、SBRは嫌気性消化処理の連続回分式反応槽または中温嫌気性消化の連続回分式反応槽である。 In another embodiment, the SBR is an anaerobic digestion continuous batch reactor or a medium temperature anaerobic digestion continuous batch reactor.
別の実施形態では、本明細書に記載するモデルタンパク質は、過塩素酸可溶性タンパク質、コラーゲン、エラスチンおよびケラチンの内の少なくとも一つとすることができる。 In another embodiment, the model protein described herein can be at least one of perchlorate soluble protein, collagen, elastin and keratin.
「特定危険部位」とは、反芻動物の細胞組織のような、プリオンの濃縮物を含有する可能性のある任意の部位を意味する。このような部位には、脳、頭蓋骨、眼、三叉神経節、脊髄、脊柱、後根神経節、扁桃腺および例えば小腸の回腸遠位部が含まれる。 By “specific risk site” is meant any site that may contain a prion concentrate, such as ruminant cellular tissue. Such sites include the brain, skull, eye, trigeminal ganglion, spinal cord, spinal column, dorsal root ganglion, tonsils and the distal ileum of the small intestine, for example.
添付の図面を参照して、以下に説明する。 The following description is made with reference to the accompanying drawings.
特定危険部位(SRM)のプリオンを除去し、動物相、土壌、地下水および地上水の生物学的汚染を低減するための、低温嫌気性消化連続回分式反応槽(PADSBR)および中温嫌気性消化連続回分式反応槽(MADSBR)技術の利用を提供する。 Low temperature anaerobic digestion batch reactor (PADSBR) and medium temperature anaerobic digestion series to remove specific risk site (SRM) prions and reduce biological contamination of fauna, soil, groundwater and surface water Provides use of batch reactor (MADSBR) technology.
現在、焼却はヨーロッパにおけるSRM処理の主要な方法である。実験結果によると、SRM内のプリオンは焼却によって生き残る可能性は低いということである(テイラー氏ら、1996年、ニューロパソ・アプル・ニューロ(Neuropath Appl Neuro)、第22巻:256−258頁)。しかしながらこの処理には費用がかかり、SRMから派生する任意の価値が排除される。さらに焼却は、プリオン汚染されたSRMの輸送に関連する追加料金および受け入れ難い汚染リスクを伴うため、牛群の地理的分散により、多くの地域において実用的な方法ではない。 Currently, incineration is the primary method of SRM processing in Europe. Experimental results indicate that prions in the SRM are unlikely to survive incineration (Taylor et al., 1996, Neuropath Appl Neuro, 22: 256-258). However, this process is expensive and any value derived from SRM is eliminated. In addition, incineration is not a practical method in many regions due to the geographical dispersion of the herd because it involves the additional charges and unacceptable contamination risks associated with transporting prion-contaminated SRMs.
プリオンの乾熱に対する極めて優れた耐性は、凍結乾燥試料、すなわちガラスあるいはスチールの表面で乾燥させた試料において見られる。初期の実験において、134℃の温度で1時間行う重力置換式オートクレーブによるプリオン除去が示されている。しかしながら多孔質負荷オートクレーブで行った実験によると、矛盾する結果が示された。データによれば、プリオンの熱安定性は、オートクレーブの温度が上昇すると(134℃から138℃へ)高まったということであった(テイラー氏、1999年、ヴェト・マイクロバイオル(Vet Microbiol)、第67巻、13−16頁)。これは、温度の上昇や、プリオンで汚染されたSRMの多孔質負荷オートクレーブへの露出時間の増大があると、信頼ある除染として有効でないことを示している。 The very good resistance of prions to dry heat is found in lyophilized samples, ie samples dried on glass or steel surfaces. Initial experiments show prion removal with a gravity displacement autoclave performed at a temperature of 134 ° C. for 1 hour. However, experiments conducted in porous loaded autoclaves showed inconsistent results. According to the data, the thermal stability of the prion increased with increasing autoclave temperature (from 134 ° C to 138 ° C) (Taylor, 1999, Vet Microbiol, 67, 13-16). This indicates that increased temperature and increased exposure time of SRM contaminated with prions to a porous loaded autoclave is not effective as a reliable decontamination.
イオン化、紫外線照射およびマイクロ波照射は、プリオンにほとんど効果がない(テイラー氏およびディプローズ(Diprose)氏、1996年、ニューロパソ・アプル・ニューロ(Neuropath Appl Neuro)第22巻、256−258頁)。一般的には、マイクロ波の微生物に対する不活性化効果は、発生した熱によるものであると認められている。 Ionization, UV irradiation and microwave irradiation have little effect on prions (Taylor and Diprose, 1996, Neuropath Appl Neuro, Vol. 22, pages 256-258). In general, it is recognized that the inactivation effect of microwaves on microorganisms is due to the generated heat.
強次亜塩素酸ナトリウム溶液または水酸化ナトリウムの熱溶液は、プリオンを完全に不活性化する唯一の方法であると考えられているが、濃縮ギ酸は組織学的な固定性組織の感染レベルを大幅に下げる。プリオンはオートクレーブまたは水酸化ナトリウム溶液にさらすことによって完全に不活性化されるわけではなく、これら2つの処理を組み合わせることによって、不活性化が達成されるものである。しかしながらSRMに添加される化学物質はSRMの肥料価値に悪影響を与える可能性があるため、プリオンを不活性化する化学処理は、牛屠畜場の汚泥または屠体の農場における大規模な処分戦略にとっては実用的でない。 While strong sodium hypochlorite solution or hot solution of sodium hydroxide is considered to be the only way to completely inactivate prions, concentrated formic acid reduces the infection level of histologically fixed tissues. Decrease significantly. Prions are not completely inactivated by exposure to autoclave or sodium hydroxide solution, but inactivation is achieved by combining these two treatments. However, chemicals added to the SRM can adversely affect the fertilizer value of the SRM, so chemical treatments that inactivate prions are useful for large disposal strategies on cattle slaughterhouse sludge or carcass farms. Is not practical.
濃縮ギ酸はタンパク質を可溶化する。照射の場合と同様に、エチレンオキシド、グルタルアルデヒド、ホルマリン、β‐プロピオラクトンまたはアセチルエチレンイミンにさらした後、プリオンにはほとんど効果がない。 Concentrated formic acid solubilizes the protein. As with irradiation, prions have little effect after exposure to ethylene oxide, glutaraldehyde, formalin, β-propiolactone or acetylethyleneimine.
プリオンにいくらかの効果がある唯一の洗剤はドデシル硫酸ナトリウム(SDS)であるが、報告によると、SDSは汚染流体のみに使用しなければならないということである(テイラー氏ら、1999年、ヴェト・マイクロバイオル(Vet Microbiol)、第67巻:13−16頁)。従って、SRMをSDSまたはその他の洗剤で処理することは実用的ではないように思える。 The only detergent that has some effect on prions is sodium dodecyl sulfate (SDS), but reports that SDS must be used only for contaminated fluids (Taylor et al., 1999, Vet. Vet Microbiol, 67: 13-16). Thus, it seems impractical to treat SRM with SDS or other detergents.
エタノール、エーテル、アセトン、5%クロロホルム、4%フェノール、一般用フェノール系消毒剤を含む有機溶剤およびヘキサン、ヘプタン、ペルクロロエチレンまたは石油を用いる工業用の溶媒抽出プロセスは、プリオンの感染力を低減させるには効果が弱い。 Industrial solvent extraction processes using ethanol, ether, acetone, 5% chloroform, 4% phenol, general phenolic disinfectants and industrial solvents using hexane, heptane, perchlorethylene or petroleum reduce prion infectivity The effect is weak.
3%過酸化水素、二酸化塩素、または過酢酸にさらしたスクレイピー病原体は、全く不活性化されなかったか、または僅かに不活性化されただけだった。 Scrapie pathogens exposed to 3% hydrogen peroxide, chlorine dioxide, or peracetic acid were either inactivated or only slightly inactivated.
これらの既知の処理は全て相当なコストがかかり、不活性化からプリオンを保護することがあるので、プリオンの熱安定性を高め、タンパク質構造を固定するのではなく破壊するため、農場でユーザにさらされる可能性があり、農地への処分の問題もあることから、SRM内のプリオンの不活性化には適切でない。 All of these known treatments are costly and may protect prions from inactivation, thus increasing the thermal stability of the prions and destroying the protein structure rather than immobilizing it on the farm. It is not suitable for inactivation of prions in the SRM because it can be exposed and has disposal problems on farmland.
従って、SRM内のプリオンを分解する環境に優しい生物学的処理は、本明細書に記載されるように、代替手段を表している。 Thus, environmentally friendly biological treatments that degrade prions in the SRM represent an alternative means, as described herein.
有機物の嫌気性消化は、有機廃棄物処理およびエネルギー生成に使用されるプロセスである。嫌気性生物反応槽において、有機物は種々の微生物グループの協調作用によって廃水から除去される。有機物の無機化に関与する微生物種の活動は、生物反応槽において有機物の効率的な分解を得るには極めて重要である。嫌気性消化中、有機物は、酢酸、短鎖揮発性脂肪酸(プロピオン酸塩、酪酸、イソ酪酸など)および二酸化水素/二酸化炭素を介して、加水分解性/発酵性酸生成菌、酸酸化細菌およびメタン生成アーキアからなる複合微生物の活動によってメタンに変換される。分解プロセス全体において、異なる機能を持つ微生物の4つの大きなグループが確認されている。第1グループは加水分解微生物および発酵微生物であり、これらは廃棄物にみられる重合体および単量体を最初に攻撃して主に酢酸塩と水素、そしてプロピオン酸塩を生成するが、プロピオン酸、酪酸および多少のアルコールなどの揮発性脂肪酸(VFA)もそれぞれ異なる量で生成する;第2グループは水素生成酢酸生成菌であり、これは、プロピオン酸と酪酸とを酢酸と水素に変換する;メタン生成アーキアの2つのグループ(3および4)は、それぞれ酢酸または水素からメタンを生成する。 Anaerobic digestion of organic matter is a process used for organic waste treatment and energy generation. In an anaerobic bioreactor, organic matter is removed from wastewater by the cooperation of various microbial groups. The activity of microbial species involved in mineralization of organic matter is extremely important for obtaining efficient decomposition of organic matter in a biological reactor. During anaerobic digestion, organic matter is converted into hydrolyzable / fermentable acid-producing bacteria, acid-oxidizing bacteria and acid-oxidizing bacteria through acetic acid, short-chain volatile fatty acids (propionate, butyric acid, isobutyric acid, etc.) and hydrogen dioxide / carbon dioxide. It is converted to methane by the activity of a complex microorganism consisting of methanogenic archaea. Four large groups of microorganisms with different functions have been identified throughout the degradation process. The first group is hydrolyzing and fermenting microorganisms, which first attack the polymers and monomers found in waste to produce mainly acetate and hydrogen, and propionate, but propionic acid Volatile fatty acids (VFA) such as butyric acid and some alcohols are also produced in different amounts; the second group are hydrogen-producing acetic acid producers, which convert propionic acid and butyric acid into acetic acid and hydrogen; Two groups of methane producing archaea (3 and 4) produce methane from acetic acid or hydrogen, respectively.
牛屠畜場の汚泥または屠体は、熱および電気エネルギーに加工処理可能な高品質のバイオガスに変換することのできる、易生分解性の有機物からなる基質である。屠畜場の廃棄物は嫌気性処理に適しており、多くの固形廃棄物の除去が達成される。重金属中の排水濃度(カドミウム、コバルト、ニッケル、銅、クロム)は検出可能限界以下である。カルシウム、マグネシウム、硫黄およびイオンなどの栄養素は、廃水の生物学的処理に適した濃度である。屠畜場の排水は一般に凝固、凝集されて、色および濁度に関与するコロイド物質および浮遊固体が除去される(Al-Mutairi氏、2006年、生態毒性および環境安全(Ecotoxicology and Environmental Safety)、第65巻:74−83頁)。石灰、ミョウバン、アルミン酸ナトリウム、塩化第二鉄、および硫化第一鉄などのフロック形成物は、浮遊固体の除去に使用される。 Cattle slaughterhouse sludge or carcass is a substrate of readily biodegradable organic matter that can be converted to high quality biogas that can be processed into heat and electrical energy. Slaughterhouse waste is suitable for anaerobic treatment and removal of many solid waste is achieved. The concentration of effluent in heavy metals (cadmium, cobalt, nickel, copper, chromium) is below the detectable limit. Nutrients such as calcium, magnesium, sulfur and ions are at concentrations suitable for biological treatment of wastewater. Slaughterhouse effluent is generally coagulated and agglomerated to remove colloidal substances and suspended solids responsible for color and turbidity (Al-Mutairi, 2006, Ecotoxicology and Environmental Safety, No. 1) 65: 74-83). Flock formers such as lime, alum, sodium aluminate, ferric chloride, and ferrous sulfide are used to remove suspended solids.
生成される汚泥は、血液、第一胃の内容物、胃の内容物、未消化の食物、尿、遊離した肉、可溶性タンパク質、脂肪、糞便物質などから主に構成されている。汚泥内のこれらの要素の割合は屠畜場によって異なる。Al-Mutairi氏(2006年、生態毒性および環境安全(Ecotoxicology and Environmental Safety)、第65巻:74−83頁)は、屠畜場排水から固体を凝固、凝集するために使用するミョウバンおよび重合体が、次の生態処理プロセスの微生物叢にとって有毒となる場合があると指摘している。沈殿タンク内の凝固剤の濃度が100mg/lを超えると、排水は微生物にとって有毒となる。沈殿した汚泥は、沈殿タンクの上清よりも汚染されており、毒性がある。 The generated sludge is mainly composed of blood, rumen contents, stomach contents, undigested food, urine, free meat, soluble protein, fat, fecal matter and the like. The proportion of these elements in the sludge varies from slaughterhouse. Al-Mutairi (2006, Ecotoxicology and Environmental Safety, 65: 74-83) describes the alum and polymer used to solidify and agglomerate solids from slaughterhouse effluent. Point out that it may be toxic to the microflora of the next ecological treatment process. When the concentration of the coagulant in the precipitation tank exceeds 100 mg / l, the waste water becomes toxic to microorganisms. The precipitated sludge is more contaminated than the supernatant of the precipitation tank and is toxic.
混合消化のために外部の原料を畜産農家に持ち込む場合、衛生面が重要である。家禽および豚肉処理場からの排水は、生物的汚染物質で汚染されている可能性がある。土地還元前の病原体除去は、家畜生産システムに汚染サイクルの再導入を防止するために重要である。 Hygiene is important when bringing external ingredients to livestock farmers for mixed digestion. Wastewater from poultry and pork processing plants can be contaminated with biological contaminants. Pathogen removal prior to land return is important to prevent reintroduction of the pollution cycle into livestock production systems.
嫌気性生物処理におけるプリオンの運命はこれまで一度しか報告されたことがない(Kirchmayr氏ら、2006年、Wat Sci Technol、第53巻、91−98頁)。中温条件において、プリオン力価の低減はみられなかった(Kirchmayr氏ら、2006年、Wat Sci Technol、第53巻、91−98頁)。 The fate of prions in anaerobic treatment has never been reported before (Kirchmayr et al., 2006, Wat Sci Technol, 53, 91-98). There was no reduction in prion titer at moderate temperatures (Kirchmayr et al., 2006, Wat Sci Technol, 53, 91-98).
図1は、本開示において使用する実験室規模の連続回分式反応槽(SBR)の概略図であり、カナダ特許第2,138,091に記載されているように、反応槽の構成部品には参照番号を付している。それぞれの参照番号は下記の通りである。 FIG. 1 is a schematic diagram of a laboratory scale continuous batch reactor (SBR) used in the present disclosure, as described in Canadian Patent 2,138,091, A reference number is attached. Each reference number is as follows.
図1に示すSBRにおいて、糞尿を供給システム14に積載し、供給ライン7を通して生物反応槽1に供給する。糞尿は、嫌気性汚泥2を予め植菌した生物反応槽1の底を通って供給される。生物反応槽1内のバイオガスは、バイオガス再循環ポンプ6を使って、バイオガス再循環ライン5を通してガス空間4に再循環させることができる。
In the SBR shown in FIG. 1, manure is loaded on the
本明細書では、動物の脳の汚染を除去し、プリオンを取り除き、土壌、地下水および地上水の生物汚染リスクを低減させるためのSBRの使用について記載する。 Described herein is the use of SBR to decontaminate animal brains, remove prions, and reduce the risk of biological contamination of soil, groundwater and surface water.
プリオンタンパク質(PrPSc)の感染性アイソフォームで行う実験には、バイオセーフティレベル3の実験室が必要である。構造(アミノ酸の数、グリシン残基の高い割合、高βシート構造の高い含有率、高凝集)および特性(プロテアーゼ耐性、耐熱性、弱溶解性)においてPrPScと類似しているタンパク質を、豚または家畜の糞尿内のプリオンタンパク質に対するSBRの有効性を確認するために選択した(アライ(Arai)氏ら、1996年、ジェイ・アプル・ポリム・サイ(J Appl Polym Sci)、第60巻:169−179頁;コーギー(Caughey)氏およびレイモンド(Raymond)氏、1991年、ジェイ・バイオル・ケム(J Biol Chem)、第266巻:18217−18223ページ;パン(Pan)氏ら、1993年、米国科学アカデミー紀要(Proc Natl Acad Sci USA)、第90巻:10962−10966頁; プルシナー(Prusiner)氏ら、1988年、セル(Cell)、第93巻:337−348頁;ヴァイスマン(Weissmann)氏、1999年、ジェイ・バイオル・ケム(J Biol Chem)、第274巻、3−6ページ)。これらの生物反応槽におけるプリオンの運命の再現、実験のために嫌気性消化連続回分式反応槽(AD−SRB)に添加する、このような適切なモデルタンパク質の非制限的な例を下記に開示する。
Experiments performed with infectious isoforms of prion protein (PrPSc) require a
過塩素酸可溶性タンパク質(PSP)(137アミノ酸残基を持つ14.149kDaタンパク質)を、ラットの腎臓、脳および肺ならびにラット、豚および鶏の肝臓から分離した(ホイ(Hui)氏ら、2004年、バイオケム・バイオフィーズ・レス・コミュヌ(Biochem Biophys Res Commun)、第321巻:45−50頁)。そのタンパク質の二次構造(2αヘリックスおよび6βシート)は、PrPSc(2αヘリックスおよび4βシート)の二次構造と類似している。PSPはPrPScの様に熱安定性があり、プロテイナーゼKに対して耐性がある。これは、PSPがAD−SBRによるPrPScの運命の実験に適切なモデルタンパク質であることを示唆している。 Perchlorate soluble protein (PSP) (14.149 kDa protein with 137 amino acid residues) was isolated from rat kidney, brain and lung and rat, pig and chicken liver (Hui et al., 2004). Biochem Biophys Res Commun, Vol. 321: 45-50). The secondary structure of the protein (2α helix and 6β sheet) is similar to that of PrPSc (2α helix and 4β sheet). PSP, like PrPSc, is thermostable and resistant to proteinase K. This suggests that PSP is a suitable model protein for experiments of PrPSc fate by AD-SBR.
コラーゲンは哺乳類において最も豊富なタンパク質であり、全タンパク質の25%に相当する。コラーゲンは、肌、腱、軟骨、骨および歯の主要な、線維性、不溶性の細胞外タンパク質であり、細胞を結び付ける働きをする。 Collagen is the most abundant protein in mammals and represents 25% of the total protein. Collagen is the primary, fibrous, insoluble extracellular protein of skin, tendons, cartilage, bones and teeth and serves to bind cells.
エラスチンは細胞外マトリックスの線維性架橋タンパク質であり、多くの組織に弾性力を提供し、これによって細胞は何度も伸び、緊張が解けると元の状態に戻ることができる。エラスチンは、血管壁および靭帯、特に草食動物の首に多く見られる。 Elastin is an extracellular matrix fibrous cross-linking protein that provides elasticity to many tissues, which allows the cells to stretch many times and return to their original state when tension is released. Elastin is abundant in blood vessel walls and ligaments, especially in the neck of herbivores.
ケラチンは線維性タンパク質の最も多様性に富んだ種類の中の一つを形成している。種々のタイプのケラチンがあり、各々はタンパク質の複合混合物から成るものである。ケラチンは肌から成長する構造の主要な構成成分である。αケラチンは、哺乳類の髪の毛(羊毛を含む)、角、爪、鉤爪および蹄に見られる。蹄は有蹄動物のつま先であり、厚い角膜(ケラチン)で覆われている。蹄は硬い、または弾性のある足底から成り、厚い爪によって形成された硬い壁がつま先を巻いている。 Keratin forms one of the most diverse types of fibrous proteins. There are various types of keratin, each consisting of a complex mixture of proteins. Keratin is a major component of the structure that grows from the skin. Alpha keratin is found in mammalian hair (including wool), horns, nails, claws and hoofs. The hoof is the toe of the ungulate and is covered with a thick cornea (keratin). The hoof consists of a hard or elastic sole, with a hard wall formed by thick nails wrapped around the toes.
αケラチンは最も一般的な形態であり、大部分がヘリックス立体配座のポリペプチド鎖から成る。より硬いβケラチンは、爬虫類の爪、鱗および殻、ならびに鳥類の爪、鱗、嘴および羽毛に存在する代替形態である(Zubay氏、1988年、バイオケミストリ(Biochemistry)、アメリカ合衆国ニューヨーク州ニューヨーク):マクミラン出版社(Macmillan Publishing Company))。βケラチンは、積み重ねられ、折り畳まれたβシートから成り、PrPSc内により多く含まれている。種々の鳥類のβケラチンのアミノ酸配列は、コラーゲンとエラスチンの様に類似性が高く、グリシンを高比率で含んでいる(ハラップ(Harrap)氏およびウッズ(Woods)氏、1964年、バイオケム・ジェイ(Biochem J)、第92巻:19−26頁)。グリシンに富む反復は、βケラチンのいくつかに見られるものであり、全てには見られない。βケラチンはPrPタンパク質(256〜264アミノ酸)よりも短い(98〜155アミノ酸)。 Alpha keratin is the most common form and consists mostly of polypeptide chains in helix conformation. Harder β-keratin is an alternative form present in reptile claws, scales and shells, and bird claws, scales, wings and feathers (Mr. Zubay, 1988, Biochemistry, New York, NY, USA): Macmillan Publishing Company). β-keratin is composed of stacked and folded β-sheets and is more contained in PrPSc. The amino acid sequences of various avian β-keratins are as similar as collagen and elastin and contain a high proportion of glycine (Harrap and Woods, 1964, Biochem Jay ( Biochem J), 92: 19-26). Glycine-rich repeats are found in some of the β-keratins, but not all. β-keratin is shorter (98-155 amino acids) than PrP protein (256-264 amino acids).
αケラチンは、並んで配置されて螺旋状の繊維を形成する、極端に長いαヘリックスポリペプチド鎖で構成されている。αヘリックスのパッキングは、個々のヘリックスを相互に包み込むことにより最適化および強化される。αケラチンの多くの形態は、隣接するポリペプチド鎖のシステイン残基の間に形成された(共有)ジスルフィド結合を含んでおり、これによって永久の耐熱性架橋が与えられる。ジスルフィド架橋の量によってケラチンの強度および剛性は調節される。羽毛ケラチンの約4分の1から3分の1はβ配座を有しており、このほとんどは分子における中心の疎水性部分に集中している。残りのタンパク質は不規則なマトリックスを形成している。近縁のβケラチンは、羽毛の主な構成物質であり、羽軸の約90%を構成している。 Alpha keratin is composed of extremely long alpha helix polypeptide chains that are arranged side by side to form a helical fiber. The alpha helix packing is optimized and enhanced by wrapping individual helices together. Many forms of alpha keratin contain (covalent) disulfide bonds formed between cysteine residues of adjacent polypeptide chains, thereby providing permanent thermostable crosslinking. The amount and strength of keratin is controlled by the amount of disulfide bridges. About one-quarter to one-third of feather keratin has a β-conformation, most of which is concentrated in the central hydrophobic part of the molecule. The remaining proteins form an irregular matrix. Closely related β-keratin is the main constituent of feathers and constitutes about 90% of the wing shaft.
準工業規模の嫌気性配列ベンチ生物反応槽(AD−SBR)から回収した屠畜場の接種材料をここでは使用した。このSBR反応槽を20℃で運転し、一日に約1000頭の畜牛を処理する商業的な畜牛屠畜場(Colbex, Levinoff,ケベック州)からの新鮮な汚泥を毎週供給した。屠畜場の汚泥を毎週約50kg回収し、後の分析のために代表副試料(1L)を20℃で保管し、残りを準工業SBR反応槽へ供給するために使用した。 Slaughterhouse inoculum recovered from a semi-industrial scale anaerobic array bench bioreactor (AD-SBR) was used here. The SBR reactor was operated at 20 ° C. and was supplied weekly with fresh sludge from a commercial cattle slaughterhouse (Colbex, Levinoff, Quebec) that processed about 1000 cattle per day. Approximately 50 kg of slaughterhouse sludge was collected weekly, a representative subsample (1 L) was stored at 20 ° C. for later analysis, and the remainder was used to feed the semi-industrial SBR reactor.
この場合も、使用した豚糞尿接種材料を準工業規模の嫌気性配列ベンチ生物反応槽(AD−SBR)から回収した。同様に、これを20℃に保ち、一年に約4000頭の豚を処理する商業的な養豚場(1944 ch. Tremblay. Ste-Edwidge, ケベック州)からの新鮮な汚泥を毎週供給した。豚糞尿を毎週約50kg回収し、後の分析のために代表副試料(1L)を20℃で保管し、残りを準工業SBR反応槽へ供給するために使用した。 Again, the pig manure inoculum used was recovered from a semi-industrial scale anaerobic array bench bioreactor (AD-SBR). Similarly, this was maintained at 20 ° C. and fresh sludge was supplied weekly from a commercial pig farm (1944 ch. Tremblay. Ste-Edwidge, Quebec) that processes approximately 4000 pigs per year. Approximately 50 kg of pig manure was collected weekly, a representative subsample (1 L) was stored at 20 ° C. for later analysis, and the remainder was used to feed the semi-industrial SBR reactor.
出発材料としての馴養嫌気性汚泥の使用も記載する。生物反応槽の供給成分に大きな変化があると、細菌性汚泥は新しい基質に適合するための時間を必要とする。供給物の中の新しい基質は汚泥微生物叢を抑制することがある。通常、細菌の性能は時間と共に増大する。嫌気性汚泥は、汚泥が最大の特定メタン生成(供給1グラムあたり1Lのメタン)に到達し、この最大性能が時間の経過と共に維持される場合に順応する。 Also described is the use of acclimatized anaerobic sludge as a starting material. Bacterial sludge requires time to adapt to the new substrate when there are significant changes in the feed components of the bioreactor. New substrates in the feed may control the sludge microflora. Usually, bacterial performance increases with time. Anaerobic sludge adapts when the sludge reaches maximum specific methane production (1 L of methane per gram of feed) and this maximum performance is maintained over time.
北米では、羽毛は最大の固形廃棄物の内の一つである。羽毛は主にケラチンからできている。ケラチンは不溶性であり、タンパク質分解に対して高い機械的安定性および耐性を示す。羽毛ケラチンは、主に積み重ねられ、折り畳まれたβシートから成るβケラチンであり、よって羽毛ケラチンは、ジスルフィド結合、水素結合および疎水性相互作用による高度な架橋のため、トリプシンおよびペプシンなどの一般的な消化酵素によって不完全に消化される(Papadopoulos氏、1986年、アニマル・フィード・サイエンス・アンド・テクノロジー(Animal Feed Science and Technology)、第14巻:279−290頁)。同様の構造は感染性タンパク質(PrPSc)に見られる。従って、羽毛ケラチンは、多数のアミノ酸、高い割合のグリシン残基、高いβシート構造の含有率、高程度の凝集、およびプリオンタンパク質に類似した特性(プロテアーゼ耐性、耐熱性、弱溶解性)を有することから、鶏の羽毛をモデルタンパク質として使用する。 In North America, feathers are one of the largest solid wastes. The feathers are mainly made of keratin. Keratin is insoluble and exhibits high mechanical stability and resistance to proteolysis. Feather keratin is a beta keratin that consists mainly of stacked and folded beta sheets, so feather keratin is commonly used for trypsin and pepsin because of its high degree of cross-linking through disulfide bonds, hydrogen bonds and hydrophobic interactions. Incompletely digested by various digestive enzymes (Papadopoulos, 1986, Animal Feed Science and Technology, 14: 279-290). A similar structure is found in infectious protein (PrPSc). Thus, feather keratin has many amino acids, a high proportion of glycine residues, a high β-sheet structure content, a high degree of aggregation, and properties similar to prion proteins (protease resistance, heat resistance, weak solubility) For this reason, chicken feathers are used as model proteins.
同様に、高い硬ケラチンの含量率、不溶性、ならびにジスルフィド結合、水素結合および疎水性相互作用による高度な架橋による、トリプシン、ペプシンおよびパパインなどの一般的な消化酵素による分解に対する耐性のため、蹄もPrPScのモデルタンパク質として使用する。 Similarly, hoofs also have high hard keratin content, insolubility, and resistance to degradation by common digestive enzymes such as trypsin, pepsin and papain due to advanced crosslinking by disulfide bonds, hydrogen bonds and hydrophobic interactions. Used as a model protein of PrPSc.
AD−SBR内における羽毛ケラチンの分解を、実例を用いて本明細書で説明する(例示的な条件に関しては表1を参照のこと)。バッグ内での羽毛ケラチンの減少が、図2Aおよび図2Bに示すように、反応槽内で見られた。各反応槽の羽毛ケラチンは、SBR実験開始時点における31gからほぼ直線的に減少し、120日後には5gになった。反対に、抗生物質を含む水を供給した反応槽のバッグ内では、羽毛ケラチンの減少は全く見られなかったか、ごく僅かな減少が見られただけだった。羽毛ケラチンの添加は、反応槽内のガス生成に効果を与えた。図3Aに示す様に、羽毛ケラチンを含むまたは含まない全ての反応槽内におけるガス生成は、最初の15日間で飛躍的に増加した。15日後、管理反応槽内のガス生成は、実験が終わるまで徐々に増えていった。一定の期間、ガス生成は見られなかった。しばらくたって、管理反応槽よりも速い速度で反応槽内においてガス生成が再び始まった。平均すると、羽毛ケラチンを含む反応槽のガス生成の方が、羽毛ケラチンを含まない管理反応槽のガス生成よりも1.2倍高かった。羽毛ケラチンの添加は、ガス生成に刺激を与えた。 Degradation of feather keratin in AD-SBR is described herein by way of example (see Table 1 for exemplary conditions). A decrease in feather keratin in the bag was seen in the reaction vessel, as shown in FIGS. 2A and 2B. Feather keratin in each reaction vessel decreased almost linearly from 31 g at the start of the SBR experiment, to 5 g after 120 days. On the other hand, there was no or only slight decrease in feather keratin in the reaction vessel bag supplied with water containing antibiotics. The addition of feather keratin had an effect on gas generation in the reaction vessel. As shown in FIG. 3A, gas production in all reactors with or without feather keratin increased dramatically over the first 15 days. After 15 days, gas production in the control reactor gradually increased until the experiment was completed. No gas production was seen for a certain period. After some time, gas production began again in the reactor at a faster rate than the controlled reactor. On average, the gas production in the reactor containing feather keratin was 1.2 times higher than the gas production in the management reactor containing no feather keratin. Addition of feather keratin stimulated gas generation.
羽毛ケラチンのガス生成への効果は、一日当たりのガス生成率においても見られた。図3Bに示す様に、全ての反応槽内におけるガス生成率は、最初の13日間において、一日あたり3〜23Lの間で変動した。その後管理反応槽内のガス生成率は徐々に減少し、実験の最終日には一日あたり1L以下となった。しかしながら、羽毛ケラチンを含む反応槽内のガス生成率は、13日経過後も一日あたり0〜7.7Lの間で変動し、実験の最終日まで同じ傾向が続いた。反応槽内で測定した平均率は、管理反応槽内で測定したものより1.6倍高かった。 The effect of feather keratin on gas production was also observed in the daily gas production rate. As shown in FIG. 3B, the gas production rate in all reactors fluctuated between 3-23 L per day in the first 13 days. Thereafter, the gas production rate in the control reaction tank gradually decreased, and became 1 L or less per day on the last day of the experiment. However, the gas production rate in the reaction vessel containing feather keratin fluctuated between 0-7.7 L per day even after 13 days, and the same trend continued until the last day of the experiment. The average rate measured in the reaction vessel was 1.6 times higher than that measured in the control reaction vessel.
羽毛ケラチンの添加のガス生成への効果は、累積メタン生成プロファイル(図4A)でも見ることができる。全反応槽におけるメタン生成は、最初の15〜20日間で急激に増えた。その後、管理反応槽におけるメタン生成は、実験が終了するまで徐々に減少した。平均すると、羽毛ケラチンを含む反応槽は、管理反応槽の1.4倍のケラチンを生成した。全ての反応槽の混合液内の酢酸、プロピオン酸およびイソ酪酸を含む揮発性脂肪酸(VFA)の濃度もSBRの運転中に観察した。これらのVFAのプロファイルを図4B,図4Cおよび図4Dにそれぞれ示す。最初の10〜15日間、3つの有機酸の濃度は著しく高かった。これは、初期汚泥内の発酵性有機基質の存在によるものであっただろう。それらの消費後、各VFAの濃度は一定の範囲内で変動した。酢酸は23〜97mg/Lの間で変動した。最初の60日間、羽毛ケラチンを含む反応槽と管理反応槽の間で、酢酸濃度の明らかな差は見られなかった。羽毛ケラチンを含む反応槽内の平均酢酸濃度は93mg/Lおよび97mg/Lで、それぞれ管理反応槽内の75mg/Lおよび68mg/Lよりも高かった。これは、羽毛ケラチンの添加が酢酸の生成を刺激したことを示唆している。 The effect of feather keratin addition on gas generation can also be seen in the cumulative methanogenesis profile (FIG. 4A). Methane production in all reactors increased rapidly in the first 15-20 days. Thereafter, methane production in the controlled reactor gradually decreased until the experiment was completed. On average, the reaction vessel containing feather keratin produced 1.4 times more keratin than the control reaction vessel. The concentration of volatile fatty acids (VFA) including acetic acid, propionic acid and isobutyric acid in the mixture of all reactors was also observed during SBR operation. The profiles of these VFAs are shown in FIGS. 4B, 4C, and 4D, respectively. During the first 10-15 days, the concentration of the three organic acids was significantly higher. This would have been due to the presence of fermentable organic substrates in the initial sludge. After their consumption, the concentration of each VFA varied within a certain range. Acetic acid varied between 23 and 97 mg / L. There was no apparent difference in acetic acid concentration between the reactor containing feather keratin and the control reactor for the first 60 days. The average acetic acid concentration in the reaction vessel containing feather keratin was 93 mg / L and 97 mg / L, respectively, higher than 75 mg / L and 68 mg / L in the control reaction vessel. This suggests that the addition of feather keratin stimulated the production of acetic acid.
プロピオン酸の濃度も羽毛ケラチンの添加による影響を受けた。図4Cに示す様に、プロピオン酸の濃度は初期汚泥において高かった。これは最初の15日間で徐々に減少した。その後、0〜26mg/Lの間で変動した(図4D参照)。酢酸プロファイルにおいて見られる様に、最初の62日間では、羽毛ケラチンを含む反応槽と管理反応槽との間で、プロピオン酸の生成に大きな違いは見られなかった。72日後、羽毛ケラチンを含む反応槽で測定したプロピオン酸の濃度は、管理反応槽内の濃度よりもほとんど高かった。羽毛ケラチンの添加はイソ酪酸の濃度に大した影響を与えなかった(図5A参照)。90日後、羽毛ケラチンを含む反応槽内で測定したイソ酪酸濃度のほとんどの値は、管理反応槽内のものよりも高かった。羽毛ケラチンを含む反応槽内の平均濃度は、管理反応槽内の平均濃度の1.9倍であり、羽毛ケラチンの添加が肯定的な影響を与えたことを示している。 Propionic acid concentration was also affected by the addition of feather keratin. As shown in FIG. 4C, the propionic acid concentration was high in the initial sludge. This decreased gradually over the first 15 days. Thereafter, it varied between 0 to 26 mg / L (see FIG. 4D). As seen in the acetic acid profile, during the first 62 days, there was no significant difference in propionic acid production between the reactor containing feather keratin and the control reactor. After 72 days, the concentration of propionic acid measured in the reaction vessel containing feather keratin was almost higher than the concentration in the control reaction vessel. Addition of feather keratin did not significantly affect the concentration of isobutyric acid (see FIG. 5A). After 90 days, most of the isobutyric acid concentrations measured in the reactor containing feather keratin were higher than those in the control reactor. The average concentration in the reaction tank containing feather keratin was 1.9 times the average concentration in the control reaction tank, indicating that the addition of feather keratin had a positive effect.
羽毛ケラチンは可溶性CODの濃度にも影響を与える。図5Bに示す様に、最初の60日間において、全ての反応槽のSCODは同じ傾向で徐々に減少した。その後、管理反応槽内のSCODは実験の終了まで減少し続けた。しかしながら羽毛ケラチンを含む反応槽内のSCODは、実験の終了まで徐々に増加した。羽毛ケラチンを含む反応槽内の平均SCOD濃度は8757mg/Lで、これは管理反応槽で測定されたもの(8171mg/L)の1.1倍だった。 Feather keratin also affects the concentration of soluble COD. As shown in FIG. 5B, in the first 60 days, the SCOD of all reactors gradually decreased with the same trend. Thereafter, the SCOD in the control reactor continued to decrease until the end of the experiment. However, the SCOD in the reaction vessel containing feather keratin gradually increased until the end of the experiment. The average SCOD concentration in the reaction vessel containing feather keratin was 8757 mg / L, 1.1 times that measured in the control reaction vessel (8171 mg / L).
羽毛ケラチンは、SBR反応槽内における混合液のpHにも影響を与えた。図6Aに示す様に、全ての反応槽のpHは最初の50日間で8.0〜8.1から7.8へと減少した。その後、羽毛ケラチンを含む反応槽内で測定した全てのpH値は、管理反応槽内で測定したものよりも0.05〜0.10高かった。羽毛ケラチンはアルカリ度に大きく影響した。図6Bに示す様に、最初の60日間で、全ての反応槽のアルカリ度は、ほとんどが25000〜27000mg/Lの間で変動した。その後、管理反応槽で測定したアルカリ度は、実験が終了するまで同じ傾向を保った。しかしながら、羽毛ケラチンを含む反応槽のアルカリ度は、28839および28171mg/Lまで徐々に増加した。 Feather keratin also affected the pH of the mixture in the SBR reactor. As shown in FIG. 6A, the pH of all reactors decreased from 8.0 to 8.1 to 7.8 in the first 50 days. Thereafter, all pH values measured in the reaction vessel containing feather keratin were 0.05-0.10 higher than those measured in the control reaction vessel. Feather keratin significantly affected alkalinity. As shown in FIG. 6B, in the first 60 days, the alkalinity of all reactors varied between 25000-27000 mg / L mostly. Thereafter, the alkalinity measured in the control reactor maintained the same tendency until the experiment was completed. However, the alkalinity of the reactor containing feather keratin gradually increased to 28839 and 28171 mg / L.
さらに羽毛ケラチンはTSプロファイルにも影響を与えた。図7Aに示す様に、全ての管理反応槽内のTSは最初の80日間で徐々に減少し、その後一定の範囲内で変動した。一般に、羽毛ケラチンを含む反応槽のTSは、管理反応槽の場合よりも速い速度で減少した。羽毛ケラチンを含む反応槽で測定したTS値は、管理反応槽で測定したものよりもほとんどが低かった。平均すると、管理反応槽のTS値は、羽毛ケラチンを含む反応槽よりも1.1倍高かった。TSで見られたものと同様のプロファイルは、VSおよびVSSプロファイルにも見られる。全ての反応槽内のVSおよびVSSは、最初の60〜80日間で徐々に減少し、その後一定の範囲内で変動した。大きな違いは、羽毛ケラチンを含む反応槽のVSおよびVSSは、管理反応槽内のものよりも低いレベルまで減少したということである。羽毛ケラチンを含む反応槽内で測定したVSおよびVSS値は、羽毛ケラチンを含まない反応槽で測定したものよりもほとんどが低かった。 Furthermore, feather keratin also affected the TS profile. As shown in FIG. 7A, TS in all control reactors gradually decreased in the first 80 days and then fluctuated within a certain range. In general, the TS of the reaction vessel containing feather keratin decreased at a faster rate than in the case of the control reaction vessel. The TS values measured in the reaction tank containing feather keratin were almost lower than those measured in the control reaction tank. On average, the TS value in the control reaction tank was 1.1 times higher than in the reaction tank containing feather keratin. Similar profiles to those seen in TS are also found in VS and VSS profiles. VS and VSS in all reactors gradually decreased over the first 60-80 days and then fluctuated within a certain range. The major difference is that the VS and VSS of the reactor containing feather keratin decreased to a lower level than that in the control reactor. The VS and VSS values measured in the reaction vessel containing feather keratin were almost lower than those measured in the reaction vessel not containing feather keratin.
バッグ内の羽毛ケラチンは、豚糞尿を供給したAD−SBR内において減少した。観察された減少は、ほとんどが微生物の活動によるものだった、すなわち、ケラチン加水分解微生物がバッグ内でケラチナーゼを排泄し、羽毛ケラチンを加水分解した。豚糞尿を供給したAD−SBRに添加したケラチンは、AD−SBRの性能に否定的な影響を与えなかった。ケラチンはバイオガスの生成を向上させ、AD−SBRのバイオマス生成を減少させた。 Feather keratin in the bag decreased in AD-SBR fed pig manure. The observed decrease was mostly due to microbial activity, ie keratin hydrolyzing microorganisms excreted keratinase in the bag and hydrolyzed feather keratin. Keratin added to AD-SBR fed porcine manure did not negatively affect the performance of AD-SBR. Keratin improved biogas production and reduced AD-SBR biomass production.
BODIPY(登録商標)蛍光外酵素染色法を使って、ケラチン加水分解物(KHO)の蛍光標識および可視化を行った。BODIPY(登録商標)FLカゼインを先ず、生物反応槽内の羽毛バッグの試料に塗布した。染色を始めて30分後、棒状の形態型を持つ細菌に蛍光が、弱い蛍光バックグラウンド上に見られた。180分間の染色中、その他の形態型は見られなかった。サンプリングおよび顕微鏡検査を15分毎に行った。しかしながらバックグラウンド蛍光は時間が経つにつれて増えていった。羽毛ケラチンを含む反応槽と含まない反応槽の全ての反応槽からの試料に対して同じ染色を行った。異なるAD−SBRからの試料(羽毛バッグの流体または混合液)を100℃で10分間加熱したところ(ネガティブコントロールとして)、蛍光(バックグラウンド蛍光を含む)は見られず、これは、観察された蛍光が微生物の活動によるものであることを示している。AD−SBR内のKHOを特定して標識化し、BODIPY(登録商標)FL染色によって染色された可能性のある標識化された加水分解物の消費微生物を標識化しないために、一組の阻害剤(Xia氏ら、2008年、FEMSマイクロバイオロジー・エコロジー(FEMS Microbiology Ecology)、第66巻:462−471頁)を全ての染色培養に添加した。解糖、TCAサイクルおよび電子伝達鎖を阻害するために、ヨード酢酸、フルオロ酢酸およびアジドをそれぞれ添加した。それぞれの阻害剤は、AD−SBR内で全ての微生物のエネルギー代謝を効果的に阻害する濃度で添加した(Xia氏ら、2008年、スープラ(supra))。阻害剤の存在下で、前に観察された棒状蛍光は全て継続して見られた。違いは、阻害後にKHOの数が著しく減少したことである。従って、ポジティブに染色された細菌は、これらのAD−SBR内で観察された羽毛ケラチンの分解を行うと推定されるKHOである。 Fluorescence labeling and visualization of keratin hydrolyzate (KHO) was performed using the BODIPY® fluorescent exoenzyme staining method. BODIPY® FL casein was first applied to a sample of feather bags in the bioreactor. Thirty minutes after the start of staining, fluorescence was seen on bacteria with a rod-like morphology on a weak fluorescence background. No other morphology was seen during the 180 minute staining. Sampling and microscopy were performed every 15 minutes. However, background fluorescence increased with time. The same staining was performed on samples from all reactors with and without feather keratin. When samples from different AD-SBRs (feather bag fluid or mixture) were heated at 100 ° C. for 10 minutes (as a negative control), no fluorescence (including background fluorescence) was seen, which was observed It shows that the fluorescence is due to the activity of microorganisms. A set of inhibitors for identifying and labeling KHO in AD-SBR and not labeling consuming microorganisms of the labeled hydrolyzate that may have been stained by BODIPY® FL staining (Xia et al., 2008, FEMS Microbiology Ecology, 66: 462-471) was added to all staining cultures. To inhibit glycolysis, TCA cycle and electron transport chain, iodoacetic acid, fluoroacetic acid and azide were added, respectively. Each inhibitor was added at a concentration that effectively inhibits energy metabolism of all microorganisms in AD-SBR (Xia et al., 2008, supra). In the presence of the inhibitor, all previously observed rod-like fluorescence was continuously observed. The difference is that the number of KHO significantly decreased after inhibition. Thus, positively stained bacteria are KHOs that are presumed to perform the degradation of feather keratin observed in these AD-SBRs.
AD−SBRの混合液内のKHOの相対数は、サンプリング、試料準備、顕微鏡検査、画像取り込みおよび画像分析を含む全てのプロセスを一定に保ちながら測定した。結果を表1に示す。図8Aに示す様に、管理反応槽内のKHOの数は、0日目の150から113日目の56へと徐々に減少した。羽毛ケラチンを含む反応槽内のKHOの数は、最初の20日間で142から131へと僅かに減少し、85日目で175へと増加し、113日目で121へと減少した。 The relative number of KHO in the AD-SBR mixture was measured while keeping all processes including sampling, sample preparation, microscopy, image capture and image analysis constant. The results are shown in Table 1. As shown in FIG. 8A, the number of KHO in the control reaction tank gradually decreased from 150 on the 0th day to 56 on the 113th day. The number of KHO in the reactor containing feather keratin decreased slightly from 142 to 131 in the first 20 days, increased to 175 on day 85, and decreased to 121 on day 113.
KHO数の増加およびそれに伴うKHOの活動が羽毛バッグ内で増大するに従い、混合液の中に相当数の可溶ケラチンが放出された。その後、混合液内のKHOは成長を始め、繁殖し、3ヶ月目の終わりには大量(101)となり、その後減少した。しかし4ヶ月目の終わりにおいては引き続き高い数(81)のままだった。というのも、バッグをSBRから一旦取り出す際には新しい羽毛バッグが設置されたため、可溶性ケラチンまたはその加水分解物が混合液内に放出され続けたためである。反応槽の羽毛ケラチンバッグ内のKHOの相対数も数えた。BODIPY(登録商標)FLカゼイン染色のために羽毛バッグ内でKHOを効果的に集菌するために、800g、1000g、1500g、2000g、2500gまたは3000gにおける遠心分離後に得られた細菌細胞の数を測定した。得られた細菌をDAPIで染色し、その数を顕微鏡で測定した。結果を表1に示す。羽毛バッグ内のKHO数と羽毛ケラチンの分解との間の肯定的な相関関係を観察した(図8B参照)。バッグ内で見られた羽毛ケラチンの分解は視覚化されたKHOの活動によるものであって、その他の生理科学的な反応ではないことが確認された。最も多いKHO数(101細胞)は3ヶ月目(85日目)に見られ、これは羽毛ケラチンの最大分解率(表1:反応槽34の71%、反応槽35の73%)に対応する。KHOの最大数および最大分解率のどちらも3ヶ月目に達成された。KHO数の僅かな減少は113日目に見られた。全ての結果により、加水分解率は、豚糞尿が供給されたAD−SBR内の羽毛ケラチンの分解を制限するステップであることがわかった。これらの証拠により、羽毛ケラチンの分解は、豚糞尿が供給されたAD−SBR内の化学的および物理的活動よりもむしろKHOによって分泌された外酵素によるものであることが確認された。 As the KHO number increased and the accompanying KHO activity increased in the feather bag, a considerable number of soluble keratin was released into the mixture. Thereafter, KHO in the mixed solution began to grow, propagated, became large (101) at the end of the third month, and then decreased. However, it remained high (81) at the end of the fourth month. This is because when a bag was once taken out from the SBR, a new feather bag was installed, so that soluble keratin or a hydrolyzate thereof continued to be released into the mixed solution. The relative number of KHO in the feather keratin bag of the reaction vessel was also counted. Measure the number of bacterial cells obtained after centrifugation at 800 g, 1000 g, 1500 g, 2000 g, 2500 g, or 3000 g to effectively collect KHO in feather bags for BODIPY® FL casein staining did. The obtained bacteria were stained with DAPI, and the number thereof was measured with a microscope. The results are shown in Table 1. A positive correlation was observed between the number of KHO in the feather bag and the degradation of feather keratin (see FIG. 8B). It was confirmed that the degradation of feather keratin seen in the bag was due to the visualized activity of KHO and not other physiological and scientific reactions. The highest number of KHOs (101 cells) was found at month 3 (day 85), which corresponds to the maximum degradation rate of feather keratin (Table 1: 71% of reaction vessel 34, 73% of reaction vessel 35). . Both the maximum number of KHO and the maximum degradation rate were achieved at 3 months. A slight decrease in KHO numbers was seen on day 113. All results showed that the rate of hydrolysis was a step that limited the degradation of feather keratin in AD-SBR fed with pig manure. These evidences confirmed that the degradation of feather keratin was due to exoenzymes secreted by KHO rather than chemical and physical activity in AD-SBR fed with pig manure.
BODIPY(登録商標)FLカゼイン染色は、商業的な養豚場および畜牛屠畜場からの最初の汚泥試料に対しても行った。結果を表2に示す。 BODIPY® FL casein staining was also performed on initial sludge samples from commercial pig farms and cattle slaughterhouses. The results are shown in Table 2.
ポジティブシグナルは見られなかった。AD−SBR内で観察されたKHOは存在しなかった。BODIPY(登録商標)FL酵素染色も、その他のAD−SBRと同じ条件で、羽毛バッグを蒸留水で培養した嫌気性バケット内に存在する潜在的なKHOを検出するために使用した。バッグ内にも混合液にもKHOは存在しなかった(表2)。 No positive signal was seen. There was no KHO observed in AD-SBR. BODIPY® FL enzyme staining was also used to detect potential KHO present in anaerobic buckets in which feather bags were incubated with distilled water under the same conditions as other AD-SBR. There was no KHO in the bag or the mixture (Table 2).
AD−SBR内の羽毛ケラチンの分解は微生物の活動によるものである。羽毛ケラチンを加水分解することのできる微生物(ケラチン加水分解微生物:KHO)は、SBR反応槽への供給に使用される豚糞尿内に存在する。羽毛ケラチンを含むバッグを豚糞尿を供給した反応槽に設置すると、KHOは液体と共にバッグに浸透して羽毛粒子に付着する。その後、KHOは細胞外ケラチナーゼを排泄し、水晶羽毛ケラチンを可溶ケラチン、オリゴペプチドおよびアミノ酸に加水分解する。アミノ酸および/またはオリゴペプチドができると、KHOは成長し、その数および活動がアミノ酸とオリゴペプチドの蓄積が始まる一定のレベルに達するまで繁殖する。内部のアミノ酸、オリゴペプチドおよび可溶性ケラチンまでも化学勾配によってバッグの外に出され、そこでそれらは、加水分解菌、発酵菌、メタン生成菌および硫酸塩還元菌を含む微生物によって使われる。このプロセスは少なくとも30〜40日かかる。従ってこの期間中、羽毛ケラチンを含む反応槽と羽毛ケラチンを含まない管理反応槽との間に、ガス生成、ガス生成率、メタン生成、VFA,pH,アルカリ度、TS,VS,VSSに大きな違いはなかった。 The degradation of feather keratin in AD-SBR is due to microbial activity. Microorganisms capable of hydrolyzing feather keratin (keratin hydrolyzing microorganisms: KHO) are present in swine manure used for supply to the SBR reactor. When a bag containing feather keratin is installed in a reaction tank supplied with pig manure, KHO penetrates the bag together with the liquid and adheres to the feather particles. KHO then excretes extracellular keratinase and hydrolyzes crystal feather keratin into soluble keratin, oligopeptides and amino acids. Once amino acids and / or oligopeptides are formed, KHO grows and propagates until the number and activity reaches a certain level at which amino acid and oligopeptide accumulation begins. Even internal amino acids, oligopeptides and soluble keratins are driven out of the bag by chemical gradients, where they are used by microorganisms including hydrolyzing bacteria, fermenting bacteria, methanogens and sulfate reducing bacteria. This process takes at least 30-40 days. Therefore, during this period, there is a big difference in gas production, gas production rate, methane production, VFA, pH, alkalinity, TS, VS, VSS between the reaction tank containing feather keratin and the management reaction tank not containing feather keratin. There was no.
余分なアミノ酸およびオリゴペプチドが得られると、混合液中の微生物はそれらを窒素源として使用して成長する、および/または微生物は活動を増やす。反応槽内の加水分解および発酵活動が向上し、従って、羽毛ケラチンを含む反応槽において、より高いVFA(主に酢酸)濃度が検出される。高いVFAレベルはメタン細菌の活動をさらに刺激する。メタン細菌は生成されたVFAのほとんどをメタンと二酸化炭素に変換する。その結果、上述の様に、管理反応槽よりも羽毛ケラチンを含む反応槽により多くのガスおよびメタンが生成され、混合液内の炭素源のかなりの部分がガスに移動されるため、低TS,VSおよびVSS値となる。羽毛ケラチンを含む反応槽ではより多くの二酸化炭素が生成されるので、より高いアルカリ度レベルが、羽毛ケラチンを含まない管理反応槽よりもこれらの反応槽で検出される。 As extra amino acids and oligopeptides are obtained, microorganisms in the mixture grow using them as a nitrogen source and / or microorganisms increase activity. Hydrolysis and fermentation activity in the reaction vessel is improved and therefore higher VFA (mainly acetic acid) concentrations are detected in the reaction vessel containing feather keratin. High VFA levels further stimulate the activity of methane bacteria. Methane bacteria convert most of the produced VFA to methane and carbon dioxide. As a result, as described above, more gas and methane are produced in the reaction vessel containing feather keratin than in the control reaction vessel, and a significant portion of the carbon source in the mixture is transferred to the gas, so low TS, VS and VSS values. Since more carbon dioxide is produced in the reaction vessels containing feather keratin, higher alkalinity levels are detected in these reaction vessels than in a management reaction vessel that does not contain feather keratin.
羽毛ケラチンの添加はガスの生成に影響を与えた。図9Aに示す様に、羽毛ケラチンを含む反応槽内の累積ガス生成は、最初の40日間(40日目に約100)で急激に増加し、一方で管理反応槽においては、ガス生成は徐々に増加して40日目で32Lになった。平均すると、羽毛ケラチンを含む反応槽内の累積ガス生成は管理反応槽内で生成されたものの6.7倍だった。 Addition of feather keratin affected gas generation. As shown in FIG. 9A, the cumulative gas production in the reaction vessel containing feather keratin increased rapidly in the first 40 days (about 100 on the 40th day), while in the controlled reaction vessel, the gas production gradually Increased to 32 L on the 40th day. On average, the cumulative gas production in the reactor containing feather keratin was 6.7 times that produced in the control reactor.
ガス生成に対する羽毛ケラチンの影響は、一日当たりのガス生成率にも見ることができた。図9Bに示す様に、全ての反応槽のガス生成率は、最初の60日間において一日あたり0〜12L内で変動した。その後、管理反応槽内のガス生成は徐々に下がり、一日あたり1L以下となった。しかしながら羽毛ケラチンを含む反応槽内のガス生成率は、最初の60日後も一日あたり0〜2.5L内で引き続き変動し、実験が終了するまで同じ傾向が続いた。羽毛ケラチンを含む反応槽内で測定した平均率は、管理反応槽内で観察されたものの3.1倍だった。 The effect of feather keratin on gas production could also be seen in the daily gas production rate. As shown in FIG. 9B, the gas production rate of all reactors fluctuated within 0-12 L per day in the first 60 days. Thereafter, the gas production in the control reaction tank gradually decreased to 1 L or less per day. However, the gas production rate in the reaction vessel containing feather keratin continued to fluctuate within 0-2.5 L per day after the first 60 days, and the same trend continued until the experiment was completed. The average rate measured in the reactor containing feather keratin was 3.1 times that observed in the control reactor.
羽毛ケラチンの添加のガス生成に対する影響は、累積メタン生成プロファイル(図10A)においても見られる。羽毛ケラチンを含む反応槽におけるメタン生成は、管理反応槽よりもかなり速い速度で増加した。羽毛ケラチンを含む反応槽における平均累積メタン生成は、管理反応槽における生成の3.4倍だった。図10Bに示す様に、羽毛ケラチンを含む槽と含まない槽の全ての反応槽で測定した酢酸濃度は、実験期間中全体において18〜70mg/Lの間で変動した。ただし最初の15日間は、羽毛ケラチンを含む反応槽においてかなり高い酢酸濃度が検出された。同様に、羽毛ケラチンを含む反応槽と管理反応槽との間に、プロピオン酸濃度(図10C)およびイソ酪酸濃度(図10D)の大きな差は見られなかった。プロピオン酸の濃度は0〜19mg/Lの間で変化し、イソ酪酸の濃度は0〜16mg/Lの間で変化した。従って、添加した羽毛ケラチンはVFAの生成に大きな影響を与えなかった。 The effect of feather keratin addition on gas generation is also seen in the cumulative methanogenesis profile (FIG. 10A). Methane production in the reactor containing feather keratin increased at a much faster rate than the control reactor. The average cumulative methane production in the reactor containing feather keratin was 3.4 times that in the control reactor. As shown in FIG. 10B, the acetic acid concentration measured in all the reaction tanks with and without feather keratin varied between 18 and 70 mg / L throughout the experiment. However, for the first 15 days, a fairly high acetic acid concentration was detected in the reactor containing feather keratin. Similarly, there was no significant difference in propionic acid concentration (FIG. 10C) and isobutyric acid concentration (FIG. 10D) between the reaction vessel containing feather keratin and the control reaction vessel. The propionic acid concentration varied between 0 and 19 mg / L, and the isobutyric acid concentration varied between 0 and 16 mg / L. Therefore, the added feather keratin did not significantly affect the production of VFA.
羽毛ケラチンの添加は可溶性CODに大きな影響を与えなかった。図11に示す様に、全ての反応槽においてSCODは1912〜2185mg/Lの間で変動する前の、最初の30日間において同じ傾向で減少した。 Addition of feather keratin did not significantly affect soluble COD. As shown in FIG. 11, SCOD decreased in the same trend in the first 30 days before it fluctuated between 1912 to 2185 mg / L in all reactors.
同様に、羽毛ケラチンの添加は混合液のpH(図12A)には大きな影響を与えなかった。しかしながら、羽毛ケラチンの添加は、少なくとも僅かにアルカリ度に影響を与えた。羽毛ケラチンを含む反応槽(図12B)で測定されたCaCo3は、管理反応槽で測定されたものより僅かに高かった。羽毛ケラチンを含む反応槽内のCaCo3濃度の平均は15578mg/Lで、管理反応槽内で観察された13606mg/Lよりも高かった。 Similarly, the addition of feather keratin did not significantly affect the pH of the mixture (FIG. 12A). However, the addition of feather keratin had at least a slight effect on alkalinity. The CaCo 3 measured in the reactor containing feather keratin (FIG. 12B) was slightly higher than that measured in the control reactor. The average CaCo 3 concentration in the reaction vessel containing feather keratin was 15578 mg / L, higher than 13606 mg / L observed in the control reaction vessel.
羽毛ケラチンを含む反応槽内のTSプロファイルも羽毛ケラチンを含まない管理反応槽内のものとは異なっていた。図13Aに示す様に、2つの管理反応槽内のTSは、0日目から20日目にかけて徐々に減少し、その後1.7〜3.1%の間で変動した。しかしながら、羽毛ケラチンを含む反応槽内のTSは減少せず、2.8〜7.9%の間で変動した。平均すると、羽毛ケラチンを含む反応槽内のTS値は3.7%で、これは管理反応槽で測定された2.3%の1.6倍だった。観察されたVS(図13B)およびVSS(図13C)プロファイルは、TSプロファイルと類似していた。羽毛ケラチンを含む反応槽で測定されたVS値およびVSS値は、管理反応槽で測定されたものより全て高く、平均すると1.6(VS)倍および1.7(VSS)倍高かった。 The TS profile in the reaction vessel containing feather keratin was also different from that in the control reaction vessel containing no feather keratin. As shown in FIG. 13A, TS in the two control reactors gradually decreased from the 0th day to the 20th day, and thereafter varied between 1.7 and 3.1%. However, TS in the reaction vessel containing feather keratin did not decrease and varied between 2.8 and 7.9%. On average, the TS value in the reactor containing feather keratin was 3.7%, which was 1.6 times the 2.3% measured in the control reactor. The observed VS (FIG. 13B) and VSS (FIG. 13C) profiles were similar to the TS profiles. The VS and VSS values measured in the reactor containing feather keratin were all higher than those measured in the control reactor, averaging 1.6 (VS) and 1.7 (VSS) times higher.
豚糞尿を植え付け、羽毛バッグ(羽毛PAD)を加えたPAD内における羽毛ケラチンの分解を、150日後に99%の効果レベルで測定した(表5、図14参照)。ケラチナーゼは、ケラチンの存在下で誘導することのできる誘導酵素であることが開示された。従って、適切な濃縮プロセスはPADにおけるケラチン分解の効率を高める。 The degradation of feather keratin in the PAD planted with pig manure and with a feather bag (feather PAD) was measured at a 99% effect level after 150 days (see Table 5, FIG. 14). It has been disclosed that keratinase is an inducible enzyme that can be induced in the presence of keratin. Thus, a suitable enrichment process increases the efficiency of keratin degradation in PAD.
豚糞尿を植え付け、蹄バッグを加えたPADにおける牛蹄ケラチン分解も開示された。個々の全てのナイロンバッグにおいて、113日後、86%の蹄ケラチンが分解された(表6、図15参照)。 Cattle hoof keratin degradation in a PAD planted with pig manure and with a hoof bag was also disclosed. In all individual nylon bags, 86% of hoof keratin was degraded after 113 days (see Table 6, FIG. 15).
従って、少なくとも豚糞尿および屠畜場汚泥の供給されたAD−SBRにおいて、羽毛ケラチンおよび牛蹄は加水分解、および分解されたことが実証された。羽毛ケラチンの添加はAD−SBRの運転を向上させ、バイオガス生成を向上させた。羽毛ケラチンおよび/または牛蹄およびプリオンは構造が類似しているため、汚染された屠体内のプリオンは、このようにAD−SBR内で処理することができる。最も重要な点は、プリオンの酵素による分解は、動物の肉を餌として使用するための再生を補助することである。 Thus, it was demonstrated that feather keratin and cow hoof were hydrolyzed and degraded, at least in AD-SBR supplied with swine manure and slaughterhouse sludge. The addition of feather keratin improved the operation of AD-SBR and improved biogas production. Because feather keratin and / or cow hooves and prions are similar in structure, prions in contaminated carcasses can thus be processed in AD-SBR. Most importantly, the enzymatic degradation of prions aids regeneration for the use of animal meat as food.
本開示は、その範囲の制限よりもむしろ実施形態の説明のために与えられる下記の例を参照することによって、より簡単に理解することができよう。 The present disclosure may be understood more readily by reference to the following examples, given for illustration of the embodiments, rather than limiting its scope.
実施例1:羽毛の前処理とキャラクタリゼーション
むしり取ったばかりの白い鶏の羽毛を、一週間に90万羽の鶏を処理する屠畜場(rue Principale, Saint-Anselme, ケベック州)から回収し、できるだけ早急に実験室に移した。これらの鶏の羽毛を清潔な通常の綿バッグに等分(2Kg)し、洗濯機で洗浄した(デリケート洗い)。続いて羽毛試料を一定の重さになるまで、Unithern(商標)ドライヤー(Construction, CQLTD,イギリス)を使って45℃で乾かした。これらを切断し、4mmのふるいを通してミルですり潰した。その後羽毛試料を孔サイズが50μの無窒素ポリエステルの飼料バッグ(アンコム・テクノロジー社(ANKOM Technology)、2052 O'Neil Road Macedon, NY14502,アメリカ合衆国)に等分し(各約33g)、プラスチックのひも状の包装紙で密封し、同じ条件で再度洗濯機を用いて洗浄し、できるだけ多くの埃を取り除いた。最後に洗浄したバッグを重さが一定になるまで45℃の温度で再度乾かした。その後羽毛バッグを棒鋼に取り付け、生物反応槽に設置する準備をした。
Example 1: Feather pretreatment and characterization Feathers of freshly stripped white chickens are collected from a slaughterhouse (rue Principale, Saint-Anselme, Quebec) that processes 900,000 chickens per week and as soon as possible Moved to the laboratory. These chicken feathers were equally divided (2 kg) into a clean normal cotton bag and washed with a washing machine (delicate washing). The feather samples were then dried at 45 ° C. using a Unitern ™ dryer (Construction, CQLTD, UK) until constant weight. These were cut and ground with a mill through a 4 mm sieve. The feather samples were then divided equally into 50-μm pore-free nitrogen-containing polyester feed bags (ANKOM Technology, 2052 O'Neil Road Macedon, NY14502, USA) (each about 33 g), with plastic strings. And was washed again with a washing machine under the same conditions to remove as much dust as possible. The finally washed bag was dried again at a temperature of 45 ° C. until the weight was constant. A feather bag was then attached to the bar and prepared for installation in the bioreactor.
すり潰した羽毛試料は、下記の方法で、物理的および化学的に特徴付けを行った。全化学酸化要求量(TCOD)、灰含有量および有機物含有量を、標準方法(APHA、1992年: Greenberg, A.E.氏、Clesceri, L.S.氏、Eaton, A.D.氏(編集者)水および廃水の標準検査方法(Standard Method for the Examination of water and wastewater):米国公衆衛生協会(American Public Health Association)、ワシントンDC)に従って決定した。ケルダール窒素(TKN)量およびアンモニア性窒素量を、マクロケルダール法により、Tecator1030 Kjeltecオートアナライザー(テカトール社(Tecator AB)、Hoganas、スウェーデン)を使って決定した。タンパク質濃度は、TKNとアンモニア‐Nとの差に6.25を掛けて計算した(AOAC、1984年:Williams, S氏、Baker, D氏(編集者)、公認分析化学者協会の公定分析法(Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists、バージニア州アーリントン)。脂肪含有量は、Schrooyen氏らによる(2000年、農芸食品化学誌(Journal of Agricultural and Food Chemistry)、第48巻:4326−4334頁)によって決定した。鶏の羽毛試料(30g)はソックスレー(Soxhlet)抽出器で、石油エーテルを使って12時間抽出し(沸騰範囲40〜60℃)、抽出した脂肪を測定した(Schrooyen氏ら、2000年、スープラ(supra))。 The ground feather samples were physically and chemically characterized by the following method. Total chemical oxidation demand (TCOD), ash content and organic content can be determined using standard methods (APHA, 1992: Greenberg, AE, Clesceri, LS, Eaton, AD (editor). Standard Method for the Examination of Water and Wastewater: Determined according to American Public Health Association, Washington DC. The amount of Kjeldahl nitrogen (TKN) and the amount of ammoniacal nitrogen were determined by the macro Kjeldahl method using a Tecator 1030 Kjeltec autoanalyzer (Tecator AB, Hoganas, Sweden). The protein concentration was calculated by multiplying the difference between TKN and ammonia-N by 6.25 (AOAC, 1984: Williams, S, Baker, D (editor), official analytical method of the Certified Analytical Chemists Association. (Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists, Arlington, VA) Fat content is by Schrooyen et al. (2000, Journal of Agricultural and Food Chemistry, Vol. 48: 4326-). 4334) The chicken feather sample (30 g) was extracted with a Soxhlet extractor using petroleum ether for 12 hours (boiling range 40-60 ° C.) and the extracted fat was measured (Mr. Schrooyen Et al., 2000, supra).
アミノ酸濃度は、Calder氏らによる同位体希釈法によって決定した(1999年、質量分析法速報誌(Rapid Communications in Mass Spectrometry)、第13巻:2080−2083頁)。生の羽毛試料を6mol/Lのフェノール塩酸50mlで、110℃において24時間加水分解し、加水分解物を濾過した。その後、2gの加水分解物を3gの超純水で希釈した。この溶液のうちの1gを標識化されたアミノ酸(3Cおよび15Nアミノ酸アイソトープ規格、CDNアイソトープ、Pointe-Claire, カナダケベック州;ケンブリッジアイソトープラボラトリーズ社(Cambridge Isotope Laboratories Inc.)、アメリカ合衆国マサチューセッツ州アンドーバー)の混合液(200mg)と組み合わせ、これを内部標準とした。脱タンパクプラズマおよび加水分解物の試料をpoly−prepクロマトグラフィーカラム(樹脂100−200メッシュH,BIO RAD、カリフォルニア州ハーキュリーズ)を通して溶出し、N−(tert−ブチルジメチルシリル)−Nメチルトリフルオロアセドアミド(MTBSTFA)およびジメチルホルムアミド(DMF)(シグマアルドリッチ(Sigma-Aldrich)、カナダオンタリオ州)で、1:1の比率で誘導体化した。処理された試料における[2−15N]リジンおよびアミノ酸の測定を、ガスクロマトフラフィー質量分析計(GC-MS、型番CG6890-MS5973、ヒューレットパッカード社(Hewlett Packard Co.)、ウィルミントン(Wilmington)、アメリカ合衆国デラウェア州)を用いて行った。 The amino acid concentration was determined by the isotope dilution method by Calder et al. (1999, Rapid Communications in Mass Spectrometry, Vol. 13: 2080-2083). A raw feather sample was hydrolyzed with 50 ml of 6 mol / L phenolic hydrochloric acid at 110 ° C. for 24 hours, and the hydrolyzate was filtered. Thereafter, 2 g of the hydrolyzate was diluted with 3 g of ultrapure water. This 1g of solution labeled amino acids (3 C and 15 N amino isotope standard, CDN Isotopes, Pointe-Claire, Quebec, Canada; Cambridge Isotope Laboratories, Inc. (Cambridge Isotope Laboratories Inc.), Massachusetts, USA Andover ) Was used as an internal standard. Samples of deproteinized plasma and hydrolysates were eluted through a poly-prep chromatography column (resin 100-200 mesh H, BIO RAD, Hercules, Calif.) And N- (tert-butyldimethylsilyl) -N methyltrifluoroacedo Derivatized in a 1: 1 ratio with amide (MTBSTFA) and dimethylformamide (DMF) (Sigma-Aldrich, Ontario, Canada). Measurement of [2-15N] lysine and amino acids in treated samples was performed using a gas chromatographic mass spectrometer (GC-MS, model CG6890-MS5973, Hewlett Packard Co., Wilmington, USA) Delaware).
実施例2:SBRの取り付け
8つの42Lプレキシガラス製SBRを使用した。図1はこれらの消化槽の概略図である。積載した場合、SBRは固体、液体およびガス相からなる。個々の部品をSBRの各相上に取り付けて試料をとった。各サイクルの最初の始動汚泥量は35Lだった。全てのSBFを25℃の温度に保った室内で運転した。豚糞尿および屠畜場汚泥の汚泥負荷はどちらも1.5gCOD/L−dだった。羽毛ケラチンの負荷率は、AD−SBRにおけるシリンダの限られたスペースと羽毛の全酸素要求量(TCOD)濃度に応じて決定した。全てのSBRにおける羽毛ケラチン(バッグまたは混合液に添加)の負荷率は同じに保った(0.21gCOD/L−d)。SBRに汚泥を積載するために、160Lの豚糞尿または屠畜場汚泥を準工業規模の反応槽から取り出し、200Lの容器に移した。汚泥を等分する間、ペイントミキサーを使って固形物を浮遊させ続けた。汚泥の等分には5Lの容器を使用した。最後に35Lの汚泥を8つのSBRの各々に移した(その内の4つには豚糞尿を、その他の4つには屠畜場汚泥をそれぞれ供給)。生理化学的分析のためのサンプリングを行う際、試料を取り出す前にバイオガスを5〜10分循環させて反応槽を混ぜた。
Example 2: Attaching SBR Eight 42L plexiglass SBRs were used. FIG. 1 is a schematic view of these digesters. When loaded, the SBR consists of a solid, liquid and gas phase. Samples were taken with individual parts mounted on each phase of the SBR. The initial starting sludge volume for each cycle was 35L. All SBFs were operated in a room maintained at a temperature of 25 ° C. Both pig manure and slaughterhouse sludge had a sludge load of 1.5 g COD / L-d. The load factor of feather keratin was determined according to the limited space of the cylinder and the total oxygen demand (TCOD) concentration of the feather in AD-SBR. The loading rate of feather keratin (added to the bag or mixture) in all SBRs was kept the same (0.21 g COD / L-d). To load the SBR with sludge, 160 L of pig manure or slaughterhouse sludge was removed from the semi-industrial scale reactor and transferred to a 200 L container. While the sludge was evenly divided, the solid matter was kept floating using a paint mixer. A 5 L container was used for the sludge equalization. Finally, 35 L of sludge was transferred to each of the eight SBRs (four of which were supplied with pig manure and the other four were supplied with slaughterhouse sludge). When sampling for physiochemical analysis, biogas was circulated for 5 to 10 minutes and the reaction vessel was mixed before taking out the sample.
全てのSBR実験およびその条件を表3に示す。2つのSBR実験を行った。実験1では、4つのSBR反応槽を使用し、豚糞尿を供給したAD−SBR内の鶏の羽毛の分解を調べた。実験2では、別の4つのSBR反応槽を使って、屠畜場汚泥を供給したAD−SBR内の鶏の羽毛の分解を調べた。鶏の羽毛を2つの方法で加えた。表3に示す様に、実験1では羽毛試料をバッグの中に入れたままにし、実験2では屠畜場汚泥と直接混合した。羽毛バッグは密封されたバケット(各6バッグ)内において、ネガティブコントロールとして25℃の温度で、蒸留水を使って培養した。
All SBR experiments and their conditions are shown in Table 3. Two SBR experiments were performed. In
実施例3:生理化学的および微生物学的キャラクタリゼーション
AD−SBRに関して測定した全ての生理化学的要因およびそれらのサンプリング頻度を表4に示す。
Example 3: Physicochemical and microbiological characterization All the physiochemical factors measured for AD-SBR and their sampling frequency are shown in Table 4.
標準法(APHA、1992年、スープラ(supra))に従い、pH、アルカリ度、蒸発残留物(TS)、強熱減量(VS)および有機性浮遊物質(VSS)を決定した。pH値はpH計を使って測定した。アルカリ度を滴定によってpH4.38にした。TS含有量は、10mlの副試料を105℃で24時間乾かすことによって決定した。乾かした固形物はVS測定のため、550℃で3時間焼却した。同様に、遠心分離したスラリーを使用し、550℃で3時間焼却することによってVSSを決定した。可溶性化学的酸素要求量(SCOD)は、遠心分離したスラリーの上清を分析することによって決定した。全化学的酸素要求量(TCOD)および可溶性化学的酸素要求量(SCOD)は、密閉還流比色法(APHA、1992年、スープラ(supra))を使って決定した。羽毛バッグを毎月取り出して重量を測定した。羽毛バッグを取り出す際に、同じ重量の新しい羽毛バッグをSBRに設置した。ウェットチップガスメーター(wet tip gas meter)を使って一日当たりのバイオガス生成を観察し、その成分(メタン、二酸化炭素、水素、硫化物および窒素)をHach Carle 400 AGCガスクロマトグラフ(ハック社(Hach)、コロラド州ラブランド(Love-land))を使って毎週分析を行った。カラムと熱伝導検出器を80℃で運転した。全窒素(TKN)およびアンモニア‐Nは、マクロケルダール法(APHA、1992年、スープラ(supra))により、Tecator1030 Kjeltecオートアナライザー(テカトール社(Tecator AB)、Hoganas、スウェーデン)を使って決定した。酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、カプロン酸を含む揮発性脂肪酸(VFA)を、高分解能メガボアカラム(megabore column)を備えたオートシステム(商標)ガスクロマトグラフィ(パーキン・エルマー社(Perkin- Elmer Corporation); アメリカ合衆国コネティカット州06859ノーウォーク(Norwalk))をフレームイオン化検出器に接続して分析した(Masse氏ら、2000年、バイオリソース・テクノロジー(Bioresource Technology)、第75巻:205−211頁;Masse氏ら、2008年、バイオリソーステクノロジー、第99巻:7307−7311頁)。 The pH, alkalinity, evaporation residue (TS), loss on ignition (VS) and organic suspended matter (VSS) were determined according to standard methods (APHA, 1992, supra). The pH value was measured using a pH meter. The alkalinity was adjusted to pH 4.38 by titration. TS content was determined by drying a 10 ml subsample at 105 ° C. for 24 hours. The dried solid was incinerated at 550 ° C. for 3 hours for VS measurement. Similarly, VSS was determined by using a centrifuged slurry and incineration at 550 ° C. for 3 hours. Soluble chemical oxygen demand (SCOD) was determined by analyzing the supernatant of the centrifuged slurry. Total chemical oxygen demand (TCOD) and soluble chemical oxygen demand (SCOD) were determined using the closed reflux colorimetric method (APHA, 1992, supra). The feather bag was taken out every month and weighed. When removing the feather bag, a new feather bag of the same weight was placed in the SBR. A wet tip gas meter is used to observe daily biogas production and its components (methane, carbon dioxide, hydrogen, sulfide and nitrogen) are analyzed for Hach Carle 400 AGC gas chromatograph (Hach) Weekly analysis using Love-land, Colorado. The column and heat detector were operated at 80 ° C. Total nitrogen (TKN) and ammonia-N were determined by the Macrokjeldahl method (APHA, 1992, supra) using a Tector 1030 Kjeltec autoanalyzer (Tecator AB, Hoganas, Sweden). Volatile fatty acids (VFA), including acetic acid, propionic acid, butyric acid, isobutyric acid, valeric acid, caproic acid, and Autosystem ™ gas chromatography (Perkin-Elmer) with a high resolution megabore column. Elmer Corporation); 06859 Norwalk, Connecticut, USA, and analyzed by connecting it to a flame ionization detector (Masse et al., 2000, Bioresource Technology, 75: 205- 211; Masse et al., 2008, BioResource Technology, 99: 7307-7311).
実施例4:豚糞尿汚泥を植菌した低温嫌気性消化連続回分式反応槽(PAD)における鶏羽毛ケラチン(βケラチン)の生分解
むしり取ったばかりの白い鶏の羽毛を屠畜場(rue Principale, Saint-Anselme ケベック州)から回収し、4時間以内に実験室に移した。これらの鶏の羽毛を清潔な綿バッグに等分(各2Kg)し、水道水を使って洗濯機(フリジデアー(Frigidaire)社、アメリカジョージア州マーチネス(Martinez))で洗浄した(デリケート洗い)。続いて羽毛試料を一定の重さになるまで、Unithern(商標)ドライヤーを使って45℃で乾かした(約8週間)。これらの試料は4mmのふるいを通してミル(トーマス・ウィリー・ラボラトリー・ミル(Thomas-Wiley Laboratory Mill))ですり潰し、その後羽毛試料を孔サイズが50μmの無窒素ポリエステルの飼料バッグ(アンコム・テクノロジー社(ANKOM Technology)、2052 O'Neil Road Macedon, NY14502,アメリカ合衆国)に等分(各約33g)して分けた。これらのバッグはプラスチックのひも状の包装紙で密封し、再度同じ条件下において洗濯機で洗浄し、できるだけ多くの埃を取り除いた。最後に洗浄した羽毛バッグを重さが一定するまで45℃で乾かした。必要な時に、12の乾いた羽毛バッグ(各々31gの粉末状の羽毛を含有)を棒鋼に取り付け、PADに挿入した。
Example 4: Biodegradation of chicken feather keratin (β-keratin) in a low temperature anaerobic digestion continuous batch reactor (PAD) inoculated with swine manure sludge Peeled white chicken feathers were slaughtered (rue Principale, Saint- From Anselme Quebec) and transferred to the laboratory within 4 hours. These chicken feathers were aliquoted into clean cotton bags (2 Kg each) and washed with a washing machine (Frigidaire, Martinez, Georgia, USA) using tap water (delicate washing). Subsequently, the feather samples were dried at 45 ° C. using a Unithern ™ dryer until constant weight (approximately 8 weeks). These samples are ground in a mill (Thomas-Wiley Laboratory Mill) through a 4 mm sieve, and then the feather samples are fed into a nitrogen-free polyester feed bag (ANKOM) with a pore size of 50 μm. Technology), 2052 O'Neil Road Macedon, NY14502, United States of America). These bags were sealed with plastic string-like wrapping paper and again washed in a washing machine under the same conditions to remove as much dust as possible. The finally washed feather bag was dried at 45 ° C. until the weight was constant. When required, 12 dry feather bags (each containing 31 g of powdered feathers) were attached to the steel bar and inserted into the PAD.
この実験では3つの42Lのプレキシガラス製PADを使用した。PADの内の2つには、豚糞尿に適応する嫌気性汚泥を植菌した。容量の100%に相当するPADの接種材料は、カナダ農務・農産食品省の酪農・豚研究開発センター(Agriculture and Agri-Food Canada's Dairy and Swine Research and Development Centre)(カナダケベック州レノックスビレ(Lennoxville))に設置された7m3の準工業嫌気性生物反応槽から直接来たもので、25℃で2年間豚の糞尿処理が行われたものである。12の羽毛バッグ(始動負荷4g/g VS汚泥)をそれらの内の一つに加え、羽毛バッグを加えなかったものをネガティブコントロールとして使用した。3つめのPADには抗生物質(最終濃度100Mg/mLでアンピシリン)を含有する脱イオン水を充填し、12ケの羽毛バッグを加えて、羽毛バッグからの羽毛の生理化学的損失を決定した。各PADの接種材料および脱イオン水の量は35Lだった。全てのPADは25℃の温度に保った室内で運転した。実験1において、3つの羽毛バッグを各PADから30日毎に取り出し、脱イオン水で洗浄し、45℃で48時間乾かして重さを量った。実験2は実験1が3ヶ月目のプロセスの時に開始し、12の新しい羽毛バッグを生物反応槽に加え、実験1と同じ実験手順で、実験2の重量の減少も記録した。
In this experiment, three 42 L Plexiglas PADs were used. Two of the PADs were inoculated with anaerobic sludge adapted to pig manure. PAD inoculum equivalent to 100% of the volume is from the Agriculture and Agri-Food Canada's Dairy and Swine Research and Development Center (Lennoxville, Quebec, Canada) ) but came directly from semi-industrial anaerobic biological reactor of the installed 7m 3 to one in which manure processing two years pigs was performed at 25 ° C.. Twelve feather bags (starting load 4 g / g VS sludge) were added to one of them, and the one without the feather bag was used as a negative control. The third PAD was filled with deionized water containing antibiotics (
豚糞尿を植え付け、羽毛バッグを加えたPAD(羽毛PAD)における羽毛ケラチンの分解を記録した。実験1では、113日後、羽毛ケラチンの86%(実験の開始時は31±0.3gで、終了時は5±1.6g)が分解された。反対に、抗生物質を含む水を含有するPADにおける羽毛ケラチンの分解は僅かだった(3%以下)(データは省略する)。実験2では、150日後、羽毛ケラチンの99%(実験の開始時は31±0.1gで、終了時は0.14±0.08g)が分解された(表5、図14)。実験2の羽毛分解率は実験1の分解率よりも高く、実験1では、ケラチン分解微生物(KDO)が順調に増えたことを示している。この実験でわかった全ての結果は、ケラチナーゼがケラチンの存在下で誘導することのできる誘導酵素であることを実証するものである。従って、適切な増殖プロセスはPADでケラチンの分解を効率的に行うためには好適である。
The degradation of feather keratin was recorded in PAD (feather PAD) in which pig manure was planted and feather bags were added. In
実施例5:低温嫌気性消化連続回分式反応槽(PAD)における牛の生分解
牛蹄の準備
牛蹄(αケラチン)を、一日に約1000頭の牛を処理する地方の屠畜場(Colbex, Levinoff,ケベック州)から回収し、4時間以内に実験室に移した。これらの牛の蹄を脱イオン水で洗浄し、一定の重さになるまで、Unithern(商標)ドライヤーを使って45℃で乾かした(約1週間)。次にこれらの牛蹄をドリルを使って手作業により直径3〜5cm片に切断し、2mmのふるいを通してミル(トーマス・ウィリー・ラボラトリー・ミル(Thomas-Wiley Laboratory Mill))ですり潰した。得られた試料をブレンダー(バイタミックス(Vita-Mix)5200、バイタミックス社(Vitamix Corporation))でさらに潰し、孔のサイズが500μmのふるいにかけた。その後、27gの均一化された牛蹄を、孔サイズが50μの無窒素ポリエステルの飼料バッグ(アンコム・テクノロジー社(ANKOM Technology)、2052 O'Neil Road Macedon, NY14502,アメリカ合衆国)に等分し、プラスチックのひも状の包装紙で密封し、洗濯機(フリジデアー(Frigidaire)社、アメリカジョージア州マーチネス(Martinez))においてデリケート洗いで洗浄し、できるだけ多くの埃を取り除いた。洗浄した蹄バッグを一定した重さが得られるまで45℃で再び乾かした。最後に蹄バッグ(各約27g)を棒鋼に取り付け、生物反応槽に設置した。
Example 5: Cattle biodegradation in a low temperature anaerobic digestion batch reactor (PAD) Preparation of cow hoof Cattle hoof (alpha keratin) is processed in a local slaughterhouse (Colbex) that processes about 1000 cattle per day , Levinoff, Quebec) and transferred to the laboratory within 4 hours. The hoofs of these cows were washed with deionized water and dried at 45 ° C. with a Unitern ™ dryer until constant weight (about 1 week). These cow hooves were then cut manually into 3-5 cm diameter pieces using a drill and ground in a mill (Thomas-Wiley Laboratory Mill) through a 2 mm sieve. The obtained sample was further crushed with a blender (Vita-Mix 5200, Vitamix Corporation) and passed through a sieve having a pore size of 500 μm. The 27 g of homogenized cow hoof is then equally divided into nitrogen-free polyester feed bags (ANKOM Technology, 2052 O'Neil Road Macedon, NY14502, USA) with a pore size of 50μ and plastic. And was cleaned with a delicate wash in a washing machine (Frigidaire, Martinez, Georgia, USA) to remove as much dust as possible. The washed hoof bag was dried again at 45 ° C. until a constant weight was obtained. Finally, hoof bags (about 27 g each) were attached to the steel bar and installed in the bioreactor.
PADの取り付け
この実験では3つの42Lプレキシガラス製PADを使用した。2つのPADに豚糞尿に適応する嫌気性汚泥を植菌した。容量の100%に相当するPADの接種材料は、カナダ農務・農産食品省の酪農・豚研究開発センターに設置された7m3の準工業嫌気性生物反応槽から直接来たもので、これは25℃で2年間豚の糞尿処理が行われたものである。その内の一つに12の牛蹄バッグを加え、牛蹄バッグを加えなかったその他のものをネガティブコントロールとして使用した。3つめのPADには抗生物質(最終濃度100pg/mLでアンピシリン)を含有する脱イオン水を充填し、12ケの牛蹄バッグを加えて、蹄バッグからの牛蹄の生理化学的損失を決定した。各PADの接種材料の量は35Lだった。全てのPADを25℃の温度に保った室内で運転した。30日毎に3つの蹄バッグを各PADから取り出し、脱イオン水で洗浄し、45℃で48時間乾かし、重量を測定した。重量の減少を記録した。
Installation of PAD
In this experiment, three 42L Plexiglas PADs were used. Two PADs were inoculated with anaerobic sludge adapted to pig manure. The inoculum of the PAD, which corresponds to 100% of capacity, which has come directly from the semi-industrial anaerobic biological reaction tank of 7m 3, which is installed in the dairy, pig Research and Development Center of Agriculture and Agri-Food Canada, which is 25 Pig manure treatment was performed for 2 years at ℃. Twelve cow hoof bags were added to one of them, and the other without the cow hoof bag was used as a negative control. The third PAD is filled with deionized water containing antibiotics (
豚糞尿を植え付け、牛蹄バッグを加えたPAD内の牛蹄のケラチン分解を記録した。全ての個々のナイロンバッグにおいて、113日後、牛蹄ケラチンの86%(実験の開始時は27.6±0.1gで、終了時は3.9±0.2g)が分解された(表6、図15)。これとは対照的に、抗生物質を含む水を含有するPADにおいては、蹄ケラチンの分解は僅かだった(10%以下)。 The keratin degradation of the cow hoof in the PAD with the pig manure planted and the cow hoof bag added was recorded. In all individual nylon bags, after 113 days, 86% of cowshoe keratin was degraded (27.6 ± 0.1 g at the start of the experiment and 3.9 ± 0.2 g at the end) (Table 6). , FIG. 15). In contrast, in PAD containing water containing antibiotics, the degradation of hoof keratin was minimal (less than 10%).
本発明を特定の実施形態と関連させて説明してきたが、さらなる変更が可能であることを理解されたい。また本願は、一般に本発明の原理に従い、そして本発明が関連する技術範囲における既知かつ慣行の範囲内であり、先に定める基本的特徴に適用され、そして添付の特許請求の範囲に従うような、本開示からの逸脱を含む、本発明のいかなる変形、使用あるいは改作も包含することを意図している。 Although the invention has been described in connection with specific embodiments, it should be understood that further modifications are possible. This application is also generally in accordance with the principles of the invention and within the scope of known and common practice in the technical scope to which the invention pertains, as applied to the basic features set forth above, and in accordance with the appended claims. It is intended to encompass any modification, use or adaptation of the present invention, including departures from the present disclosure.
1 生物反応槽
2 汚泥床域
3 盛土域
4 ガス空間
5 バイオガス再循環ライン
6 バイオガス再循環ポンプ
7 供給ライン
8 排出ポート
9 汚泥サンプリングポート
10 混合液または浮遊物サンプリングポート
11 ガス出口
12 ガスメータ
13 熱電対
14 供給システム
DESCRIPTION OF
Claims (20)
(a)馴養嫌気性汚泥の層を含有する連続回分式反応槽(SBR)に特定危険部位(SRM)を供給するステップと、
(b)前記特定危険部位を前記汚泥と25℃以下で反応させ、プリオンタンパク質を分解するステップと
を含むプロセス。 A process of degrading a prion protein at a specific risk site,
(A) supplying a specific risk site (SRM) to a continuous batch reactor (SBR) containing a layer of habitually anaerobic sludge;
(B) reacting the specific risk site with the sludge at 25 ° C. or lower to decompose prion protein.
(a)馴養嫌気性汚泥の層を含む連続回分式反応槽(SBR)に特定危険部位(SRM)を供給するステップと、
(b)モデルタンパク質を前記SBRに添加するステップと、
(c)前記特定危険部位およびモデルタンパク質を5℃〜25℃の温度で前記汚泥と反応させるステップと
を含むプロセスであって、前記モデルタンパク質の分解は、前記SRM内のプリオンタンパク質を分解するSBRの有効性を示すプロセス。 A process for measuring the effectiveness of a continuous batch reactor (SBR) that degrades prion protein at a specific risk site,
(A) supplying a specific risk site (SRM) to a continuous batch reactor (SBR) containing a layer of conditioned anaerobic sludge;
(B) adding a model protein to the SBR;
(C) reacting the specific risk site and the model protein with the sludge at a temperature of 5 ° C. to 25 ° C., wherein the degradation of the model protein comprises SBR that degrades the prion protein in the SRM. The process of showing the effectiveness of
The process according to claim 18, wherein the hoof keratin is derived from bovine hoof.
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