JP2014507944A - 含油微生物を含む固体ペレットを形成および抽出する方法 - Google Patents

含油微生物を含む固体ペレットを形成および抽出する方法 Download PDF

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Abstract

(a)ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供すること;(b)少なくとも1つの結合剤を前記破砕バイオマス混合物とブレンドして固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供すること;ならびに(c)固定可能な混合物から固体ペレットを形成することを含む方法。本方法は、場合により、溶媒により固体ペレットを抽出して抽出微生物油を提供することを含む。

Description

本出願は、参照により全体として本明細書に組み込まれる2011年2月11日に出願された米国仮特許出願第61/441,836号明細書の利益を主張する。
本発明は、含油微生物を含む微生物バイオマスから固体ペレットを形成する方法および前記固体ペレットを抽出して油を提供する方法に関する。
PUFA、例えばエイコサペンタエン酸(EPA;ω−3)およびドコサヘキサエン酸(DHA;ω−3)を医薬品および食品に含めることへの関心が高まっている。多価不飽和脂肪酸(PUFA)含有脂質組成物は、例えば、天然微生物源、組換え微生物、または魚油および海洋プランクトンから得ることができる。PUFA含有脂質組成物は、ある条件下で酸化的に不安定なものとして認識され、未酸化組成物を得るためにかなりの注意を払う必要がある。
特許文献1は、高トリグリセリド含有率および高い酸化安定性を有する微生物PUFA含有油を開示する。さらに、低温殺菌された発酵ブロスに由来する微生物バイオマスからそのような油を回収する方法であって、微生物バイオマスを抽出に供して顆粒粒子を形成し、乾燥させ、次いで適切な溶媒を使用して乾燥顆粒から油を抽出する方法が記載されている。
特許文献2は、微生物細胞中に含有される脂溶性構成成分を抽出する方法であって、脂溶性構成成分を含有する微生物細胞を乾燥させ、同時に乾燥微生物細胞を破砕し、押出機の使用によりペレットに成形し、含有される脂溶性構成成分を有機溶媒の使用により抽出することを要求する方法を開示している。
特許文献3は、細胞および水を含む組成物から脂質を得る方法であって、組成物を乾燥剤と接触させ、細胞から脂質を回収することを含む方法を開示している。
高濃度EPAを生成する連続向流超臨界二酸化炭素分画法について開発されたプロセスフローダイアグラムは、非特許文献1により開示されている。
米国特許第6,727,373号明細書 米国特許第6,258,964号明細書 米国特許出願公開第2009/0227678号明細書
V.J.Krukonis et al.(Adv.Seafood Biochem.,Pap.Am.Chem.Soc.Annu.Meet.(1992),Meeting Date 1987,169−79)
微生物バイオマスから油を効率的に回収する方法が望まれている。
第1の実施形態において、本発明は:
a)ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供すること;
b)少なくとも1つの結合剤を前記破砕バイオマス混合物とブレンドして固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供すること;ならびに
c)固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成すること
を含む方法に関する。
本方法の第2の実施形態において、微生物バイオマスの水分レベルは、好ましくは、約1から10重量パーセントの範囲である。
本方法の第3の実施形態において、少なくとも1つの粉砕剤は、好ましくは
a)前記少なくとも1つの粉砕剤は、2.0から6.0のMoh硬度およびASTM法D1483−60に従って測定される0.8以上の吸油係数を有する粒子である;
b)前記少なくとも1つの粉砕剤は、シリカおよびケイ酸塩からなる群から選択される;ならびに
c)前記少なくとも1つの粉砕剤は、固体ペレット中の微生物バイオマス、粉砕剤および結合剤の重量の総和に対して約1から20重量パーセント存在する、
からなる群から選択される特性を有する。
本方法の第4の実施形態において、少なくとも1つの結合剤は、好ましくは
a)前記少なくとも1つの結合剤は、水ならびにスクロース、ラクトース、フルクトース、グルコース、および可溶性デンプンからなる群から選択される炭水化物から選択される;ならびに
b)前記少なくとも1つの結合剤は、固体ペレット中の微生物バイオマス、粉砕剤および結合剤の重量の総和に対して約0.5から10重量パーセント存在する、
からなる群から選択される特性を有する。
本方法の第5の実施形態において、前記バイオマスを混合する工程(a)および少なくとも1つの結合剤をブレンドする工程(b)は、押出機中で実施し、同時に実施し、または押出機中で同時に実施する。
本方法の第6の実施形態において、前記固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成する工程(c)は、
(i)前記固定可能な混合物をダイに通して押出してストランドを形成すること;
(ii)前記ストランドを乾燥および破壊すること;ならびに
(iii)前記固定可能な混合物をダイに通して押出してストランドを形成する工程(i)ならびに前記ストランドを乾燥および破壊する工程(ii)の組合せ
からなる群から選択される工程を含む。
本方法の第7の実施形態において、ペレットは、粗砕機を使用して形成し、流動床乾燥機を使用して乾燥させ、または粗砕機を使用して形成し、かつ流動床乾燥機を使用して乾燥させる。
本方法の第8の実施形態において、含油微生物は、酵母、藻類、菌類、細菌、ユーグレナ類、ストラメノパイルおよび卵菌綱からなる群から選択される。好ましくは、含油微生物は、少なくとも1つの多価不飽和脂肪酸を油中に含む。
本方法の第9の実施形態において、微生物バイオマスは、含油微生物の少なくとも50%の破砕効率を有する破砕バイオマスである。
本方法の第10の実施形態において、微生物バイオマスを、
(a)0.04から0.4KW/(kg/hr)の総比エネルギーインプット(SEI);
(b)次第に短くなるピッチ長さを有するブッシュエレメントを使用する圧密帯域;および
(c)流動制限を使用する圧縮帯域
を含む2軸スクリュー押出機中で破砕して破砕バイオマスを生成し;
押出機中で圧密帯域は圧縮帯域よりも先行する。
流動制限は、好ましくは、リバーススクリューエレメント、制限/ブリスターリングエレメントまたはニーディングエレメントから提供する。
含油微生物の少なくとも50%の破砕効率を有する微生物バイオマスが破砕バイオマスである本方法の第11の実施形態において、本方法は、溶媒により固体ペレットを抽出して油を含む抽出物を提供する工程(d)をさらに含み得る。
好ましくは、溶媒は液体または超臨界流体二酸化炭素を含む。
本方法の第11の実施形態において、それから作製されたペレット化含油微生物バイオマスが存在する。
本方法の第12の実施形態において、
a)約70から約98.5重量パーセントの、含油微生物を含む破砕バイオマス;
b)約1から約20重量パーセントの、少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤;および
c)約0.5から10重量パーセントの少なくとも1つの結合剤
を含み、(a)、(b)および(c)の重量パーセントは、固体ペレット中の(a)、(b)および(c)の総和に対する固体ペレットが存在する。
固体ペレットは、好ましくは、約0.5から約1.5mmの平均直径および約2.0および約8.0mmの平均長さを有する。好ましくは、固体ペレットは、約0.1から5.0重量パーセントの水分レベルを有する。
特注高圧抽出装置フローシートを説明する。
生物寄託
以下の生物材料は、American Type Culture Collection(ATCC),10801 University Boulevard,Manassas,VA 20110−2209に寄託され、以下の名称、受託番号および寄託日を有する。
Figure 2014507944
上記列挙した生物学的材料は、特許手続上の微生物の寄託の国際的承認に関するブダペスト条約の条項に従って寄託された。列挙された寄託株は、指定の国際寄託機関で少なくとも30年間維持され、それを開示する特許の付与に際して公的に入手可能となる。寄託株の利用可能性は、政府の行為により付与された特許権を失墜させて主題発明を実施する認可とはみなされない。
ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y9502は、米国特許出願公開第2010−0317072−A1号明細書に記載の方法論に従ってY・リポリティカ(Y.lipolytica)Y8412から誘導した。同様に、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y8672は、米国特許出願公開第2010−0317072−A1号明細書に記載の方法論に従ってY・リポリティカ(Y.lipolytica)Y8259から誘導した。
本明細書に引用される全ての特許および非特許文献の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
量、濃度、または他の値もしくはパラメーターが範囲、好ましい範囲、または好ましい上方値および好ましい下方値の列挙として挙げられる場合、これは、範囲が個別に開示されているかどうかに関わらず、任意の範囲上限または好ましい上方値と、任意の範囲下限または好ましい下方値との任意のペアから形成される全ての範囲を具体的に開示していると理解されるべきである。本明細書において数値の範囲が引用されている場合、特に記載のない限り、この範囲は、その終点、および範囲内の全ての整数および分数を含むことが意図される。本発明の範囲が、範囲を定義する場合において規定の値に限定されることは意図されない。
本明細書において使用される用語「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(has)」、「有する(having)」、「含有する(contains)」もしくは「含有する(containing)」、またはその任意の他の変形は、非排他的包含をカバーするものと意図される。例えば、要素の列挙を含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、それらの要素のみに必ずしも限定されるものではなく、表現的に列挙されていないかまたはそのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含み得る。さらに、表現的に逆の記載がない限り、「または」は、包含的なまたはを指すかまたは排他的なまたはを指さない。例えば、条件AまたはBは、以下のいずれか1つにより充足される:Aは真であり(または存在し)、Bは偽である(または存在しない)、Aは偽であり(または存在せず)、Bは真である(または存在する)、ならびにAおよびBは真である(または存在する)。
また、本発明の要素または構成成分に先行する不定冠詞「a」および「an」は、要素または構成成分の例の数(すなわち、出現率)に関して非限定的であると意図される。したがって、「a」または「an」は、1つまたは少なくとも1つを含めるように読まれるべきであり、要素または構成成分の単数形の単語形態は、数字が明らかに単数を意味しない限り複数形も含む。
本明細書において使用される用語「発明」または「本発明」は、特許請求の範囲および本明細書に記載の本発明の全ての態様および実施形態を指すことが意図され、いかなる特定の実施形態または態様にも限定されるものと読まれるべきではない。
以下の定義を本開示において使用する:
「二酸化炭素」は「CO」と略す。
「American Type Culture Collection」は、「ATCC」と略す。
「多価不飽和脂肪酸」は、「PUFA」と略す。
「リン脂質」は、「PL」と略す。
「モノアシルグリセロール」は、「MAG」と略す。
「ジアシルグリセロール」は、「DAG」と略す。
「トリアシルグリセロール」は、「TAG」と略す。本明細書において、用語「トリアシルグリセロール」(TAG)は、用語「トリアシルグリセリド」と同義であり、グリセロール分子にエステル化された3つの脂肪酸アシル残基から構成される中性脂肪を指す。TAGは、長鎖PUFAおよび飽和脂肪酸、ならびに短鎖飽和および不飽和脂肪酸を含有し得る。
「遊離脂肪酸」は、「FFA」と略す。
「総脂肪酸」は、「TFA」と略す。
「脂肪酸メチルエステル」は、「FAME」と略す。
「乾燥セル重量」は、「DCW」と略す。
本明細書において使用される用語「微生物バイオマス」は、微生物油を生成するために実施される含油微生物の微生物発酵からの微生物細胞材料を指す。微生物バイオマスは、全細胞、全細胞溶解物、ホモジナイズされた細胞、部分加水分解された細胞材料、および/または破砕細胞の形態であり得る。好ましくは、微生物油は、少なくとも1つのPUFAを含む。
用語「未処理微生物バイオマス」は、溶媒による抽出前の微生物バイオマスを指す。場合により、未処理微生物バイオマスは、溶媒による抽出前に少なくとも1つの機械的プロセス(例えば、バイオマスの乾燥、バイオマスの破砕、バイオマスのペレット化、またはそれらの組合せによる)に供することができる。
用語「破砕微生物バイオマス」は、破砕のプロセスに供された微生物バイオマスを指し、前記破砕は、微生物バイオマスの少なくとも50%の破砕効率をもたらす。
用語「破砕効率」は、光学的可視化により定性的に測定されるかまたは以下の式:%破砕効率=(%遊離油100)を(%総油)で割る(%遊離油および%総油は、固体ペレットについて計測される)に従って定量的に測定される、加工の間に破断または破裂された細胞壁のパーセントを指す。微生物バイオマスの破砕効率の増加は、典型的には、微生物バイオマス内に含有される微生物油の抽出収率の増加をもたらす。
用語「パーセント総油」は、固体ペレット試料内に存在する全ての油(例えば、細胞膜、脂肪体などに存在する中性脂肪画分[DAG、MAG、TAG]、遊離脂肪酸、リン脂質などからの脂肪酸を含む)の総量を指す。パーセント総油は、機械的破砕に供されたペレット化試料内の全ての脂肪酸を変換し、次いでアシル脂質のメタノリシスおよびメチル化を行うことにより効率的に計測する。したがって、脂肪酸(トリグリセリド形態で表現)の総和は、試料の総油含有量と解釈される。本発明において、パーセント総油は、乳鉢および乳棒を使用して固体ペレットを微粉末に穏やかに粉砕し、次いで分析のためのアリコート(トリプリケートで)を秤量することにより選択的に測定される。試料中の脂肪酸(主としてトリグリセリドとして存在する)は、80℃における塩化アセチル/メタノールとの反応により対応するメチルエステルに変換する。次いで、C15:0内部標準を、較正目的のために既知量でそれぞれの試料に添加する。個々の脂肪酸の測定は、火炎イオン化検出(GC/FID)を用いるキャピラリーガスクロマトグラフィーにより行う。さらに、脂肪酸(トリグリセリド形態で表現)の総和は、試料の総油含有量と解釈される。
用語「パーセント遊離油」は、特定の固体ペレット試料からの抽出に容易に利用可能な遊離および未結合油(例えば、トリグリセリド形態で表現される脂肪酸だが、一部はリン脂質)の量を指す。したがって、例えば、パーセント遊離油の分析は、破砕されていない膜結合脂肪体中に存在する油を含まない。本発明において、パーセント遊離油は、試料をn−ヘプタンと撹拌し、遠心分離し、次いで上清を乾燥するまで蒸発させることにより選択的に測定される。次いで、得られた残留油を重量測定し、元の試料の重量割合として表現する。
用語「破砕バイオマス混合物」は、微生物バイオマスおよび少なくとも1つの粉砕剤を混合することにより得られる生成物を指す。
用語「粉砕剤」は、破砕バイオマス混合物を得るために微生物バイオマスと混合される吸油し得る薬剤を指す。好ましくは、少なくとも1つの粉砕剤は、微生物バイオマス100部に対して約1から50部存在する。一部の好ましい実施形態において、粉砕剤はシリカまたはケイ酸塩である。粉砕剤の他の好ましい特性は、以下に考察する。
用語「固定可能な混合物」は、少なくとも1つの結合剤を破砕バイオマス混合物とブレンドすることにより得られる生成物を指す。固定可能な混合物は、溶媒の除去(例えば、乾燥工程における水の除去)時に固体ペレットを形成し得る混合物である。
用語「結合剤」は、固定可能な混合物を得るために破砕バイオマス混合物とブレンドされる薬剤を指す。好ましくは、少なくとも1つの結合剤は、微生物バイオマス100部に対して約0.5から20部存在する。一部の好ましい実施形態において、結合剤は炭水化物である。結合剤の他の好ましい特性は、以下に考察する。
用語「固体ペレット」は、構造的剛性および形状または容積の変化に対する耐性を有するペレットを指す。固体ペレットは、本明細書において、微生物バイオマスから「ペレット化」のプロセスを介して形成される。典型的には、固体ペレットは、約0.1から5.0重量パーセントの最終水分レベルを有し、約0.5から3.0重量パーセントの範囲がより好ましい。
本明細書において使用される用語「残留バイオマス」は、溶媒(例えば、無機または有機溶媒)により少なくとも1回抽出された、微生物油を生成するために実施される微生物発酵からの微生物細胞材料を指す。抽出に供する最初の微生物バイオマスが固体ペレットの形態である場合、残留バイオマスは「残留ペレット」と称することができる。
用語「脂質」は、任意の脂溶性(すなわち親油性)天然分子を指す。脂質は、多くの重要な生物学的機能を有する多様な群の化合物、例えば細胞膜の構造的構成成分、エネルギー保存源、およびシグナル伝達経路中間体である。脂質はケトアシルまたはイソプレン基のいずれかに、完全にまたは部分的に由来する、疎水性または両親媒性の小分子として広く定義することができる。Lipid Metabolites and Pathways Strategy(LIPID MAPS)分類体系(National Institute of General Medical Sciences,Bethesda,MD)に基づく脂質の一般的概要を以下の表1に示す。
Figure 2014507944
用語「油」は、25℃において液体であり、通常は多価不飽和である脂質物質を指す。油性生物において、油は総脂質の大部分を構成する。「油」は主としてトリアシルグリセロール(TAG)から構成されるが、他の中性脂肪、リン脂質(PL)および遊離脂肪酸(FFA)も含有し得る。油中の脂肪酸組成および総脂質の脂肪酸組成は、一般に類似しており;したがって総脂質中のPUFA濃度の増加または減少は、油中のPUFA濃度の増加または減少に対応し、逆もまた然りである。
「中性脂肪」は、脂肪体の細胞中に貯蔵脂肪として一般に見出される脂質を指し、細胞のpHにおいて脂質は荷電基を担持しないため、そのように称される。一般にこれらは完全に非極性であり、水についての親和性を有さない。中性脂肪は、一般に脂肪酸とのグリセロールのモノ−、ジ−、および/またはトリエステルを指し、それぞれモノアシルグリセロール、ジアシルグリセロールもしくはトリアシルグリセロール(TAG)とも称され、または集合的にアシルグリセロールとも称される。アシルグリセロールからFFAを放出するためには、加水分解反応が起きなくてはならない。
用語「抽出油」は、油が合成される細胞材料、例えば微生物から分離された油を指す。微生物から抽出することができる油の量は、破砕効率に比例することが多い。
抽出油は、広範な方法を介して得られ、最も単純なものは物理的手段のみを伴う。例えば、種々のプレス構造(例えばスクリュー、エキスペラー、ピストン、ビードビーターなど)を使用する機械的圧潰が、細胞材料から油を分離し得る。あるいは、油抽出は種々の有機溶媒(例えばヘキサン、イソヘキサン)による処理、酵素的抽出、浸透圧衝撃、超音波抽出、超臨界流体抽出(例えばCO抽出)、鹸化およびそれらの方法の組合せを介して行うことができる。抽出油のさらなる精製または濃縮は、任意選択である。
本明細書において用語「総脂肪酸(TFA)」は、例えば微生物バイオマスまたは油であり得る所与の試料中において、(当技術分野において公知の)塩基エステル交換法により脂肪酸メチルエステル(FAME)に誘導体化することができる全ての細胞脂肪酸の総和を指す。したがって、総脂肪酸は、(DAG、MAG、およびTAGを含む)中性脂肪画分からの、および(ホスファチジルコリンおよびホスファチジルエタノールアミン画分を含む)極性脂質画分からの脂肪酸を含むが、FFAは含まない。
細胞の「総脂質含有率」という用語は、乾燥細胞重量(DCW)のパーセントとしてのTFAの尺度であるが、総脂質含有率は、DCWのパーセントとしてのFAME(FAME%DCW)の尺度として近似させることができる。したがって総脂質含有率(TFA%DCW)は、例えばDCW100ミリグラム当たりの総脂肪酸のミリグラムに等しい。
総脂質中の脂肪酸濃度は、本明細書においてTFAの重量パーセント(%TFA)、例えばTFA100ミリグラム当たりの所与の脂肪酸のミリグラムとして表現される。本開示において、特に具体的な記載のない限り、総脂質に対する所与の脂肪酸のパーセントへの言及は、%TFAとしての脂肪酸濃度に等しい(例えば総脂質の%EPAは、EPA%TFAに等しい)。
場合によっては、細胞中の所与の脂肪酸含有率をその乾燥細胞重量の重量パーセント(%DCW)として表現することが有用である。したがって例えばエイコサペンタエン酸%DCWは、以下の式に従って求められる:(エイコサペンタエン酸%TFA)(TFA%DCW)]/100。しかしながら、乾燥細胞重量の重量パーセント(%DCW)としての細胞中の所与の脂肪酸含有率は、以下のとおり近似させることができる:
(エイコサペンタエン酸%TFA)(FAME%DCW)]/100。
「脂質プロファイル」および「脂質組成」という用語は同義であり、特定の脂質画分、例えば総脂質中または油中などに含有される個々の脂肪酸の量を指し、その量はTFAの重量パーセントとして表現される。混合物中に存在するそれぞれの個々の脂肪酸の総和は、100になるべきである。
用語「脂肪酸」は、変動する約C12からC22の鎖長の長鎖脂肪酸(アルカン酸)を指すが、鎖長のより長い酸およびより短い酸の両方も公知である。優勢な鎖長は、C16からC22の間である。脂肪酸の構造は「X:Y」(式中、Xは特定の脂肪酸中の炭素[「C」]原子の総数であり、Yは二重結合の数である)の簡易表記体系により表される。「飽和脂肪酸」と「不飽和脂肪酸」、「一価不飽和脂肪酸」と「多価不飽和脂肪酸」(PUFA)、および「ω−6脂肪酸」[「ω−6」または「n−6」]と「ω−3脂肪酸」[「ω−3」または「n−3」]の区別に関する追加的詳細は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第7,238,482号明細書に提供されている。
本明細書でPUFAを記載するために使用される命名法を表2に示す。「略記法」と題された欄ではω−基準系を使用して、炭素数、二重結合数、この目的で1番目であるω炭素から数えたω炭素に最も近い二重結合の位置を示す。表の残りは、ω−3およびω−6脂肪酸ならびにそれらの前駆体の一般名、明細書全体を通じて使用される略語、ならびにそれぞれの化合物の化学名をまとめる。
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「高レベルPUFA生成」という用語は、微生物宿主の総脂質の少なくとも約25%のPUFA、好ましくは、総脂質の少なくとも約30%のPUFA、より好ましくは、総脂質の少なくとも約35%のPUFA、より好ましくは、総脂質の少なくとも約40%のPUFA、より好ましくは、総脂質の少なくとも約40〜45%のPUFA、より好ましくは、総脂質の少なくとも約45〜50%のPUFA、より好ましくは、少なくとも約50〜60%のPUFA、最も好ましくは、総脂質の少なくとも約60〜70%のPUFAの生成を指す。PUFAの構造形態は限定的でなく;したがって例えばPUFAは、FFAとして、またはエステル化形態、例えばアシルグリセロール、リン脂質、硫脂質または糖脂質で総脂質中に存在し得る。
「含油微生物」という用語は、微生物油を生成し得る微生物を指す。したがって、含油微生物は、酵母、藻類、ユーグレナ類、ストラメノパイル、菌類、またはそれらの組合せであり得る。好ましい実施形態において、含油微生物は油性である。
「油性」という用語は、それらのエネルギー源を油の形態で貯蔵する傾向がある生物を指す(Weete,In:Fungal Lipid Biochemistry,2ndEd.,Plenum,1980)。一般に、油性微生物の細胞油含有率はS字形曲線に従い、脂質の濃度は対数後期または初期静止期においてそれが最大に達するまで増加し、次に後期静止期および死滅期中に徐々に減少する(Yongmanitchai and Ward,Appl.Environ.Microbiol.,57:419−25(1991))。油性微生物がそれらの乾燥細胞重量の約25%を超えて、油として蓄積することは珍しくない。油性生物の例には、限定されるものではないが、モルティエラ(Mortierella)、スラウストキトリウム(Thraustochytrium)、シゾキトリウム(Schizochytrium)、ヤロウィア(Yarrowia)、カンジダ(Candida)、ロドトルラ(Rhodotorula)、ロドスポリジウム(Rhodosporidium)、クリプトコッカス(Cryptococcus)、トリコスポロン(Trichosporon)、およびリポマイセス(Lipomyces)からなる群から選択される属の生物が含まれる。
「油性酵母」という用語は、油を生成し得る酵母に分類される油性微生物を指す。油性酵母の例には、決して限定されるものではないが、以下の属:ヤロウィア(Yarrowia)、カンジダ(Candida)、ロドトルラ(Rhodotorula)、ロドスポリジウム(Rhodosporidium)、クリプトコッカス(Cryptococcus)、トリコスポロン(Trichosporon)およびリポマイセス(Lipomyces)が含まれる。
一般に、油性微生物中の脂質蓄積は、成長培地内に存在する全炭素対窒素比に応答して誘発される。油性微生物中で遊離パルミテート(16:0)のデノボ合成をもたらすこのプロセスについては、米国特許第7,238,482号明細書において詳述されている。パルミテートは、エロンガーゼおよびデサチュラーゼの作用を介して形成される、鎖長のより長い飽和および不飽和脂肪酸誘導体の前駆体である。
幅広い脂肪酸(飽和および不飽和脂肪酸、ならびに短鎖および長鎖脂肪酸を含む)を、脂肪酸の主要貯蔵単位であるTAG中に取り込むことができる。長鎖PUFAのTAG中への取り込みが最も望ましいが、PUFAの構造的形態は限定的でない。より具体的には、一実施形態において、含油微生物は、LA、GLA、EDA、DGLA、ARA、DTA、DPAn−6、ALA、STA、ETrA、ETA、EPA、DPAn−3、DHA、およびそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも1つのPUFAを生成する。より好ましくは、少なくとも1つのPUFAは、EDA、DGLA、ARA、DTA、DPAn−6、ETrA、ETA、EPA、DPAn−3、DHA、およびそれらの混合物からなる群から選択されるPUFAのように、少なくともC20鎖長を有する。一実施形態において、少なくとも1つのPUFAは、ARA、EPA、DPAn−6、DPAn−3、DHA、およびそれらの混合物からなる群から選択される。別の好ましい実施形態において、少なくとも1つのPUFAは、EPAおよびDHAからなる群から選択される。
ほとんどのPUFAは中性脂肪としてTAG中に取り込まれて脂肪体中に貯蔵される。しかしながら、油性生物中の総PUFAの計測は、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミンおよびTAG画分中に局在するPUFAを最低限含むべきであることに留意することが重要である。
本発明は、場合により抽出に供して微生物油を生成することができる破砕含油微生物を含む固体ペレットを形成する方法に関するが、含油微生物自体を得るために有用であり得る関連方法の概要が認識される。ほとんどの方法は、微生物発酵から開始し、特定の微生物を、成長および微生物油の生成を可能とする条件下で培養する。適切な時間において、微生物細胞を発酵容器から回収する。この未処理微生物バイオマスは、種々の手段、例えば脱水、乾燥などを使用して機械的に加工することができる。次いで、本明細書に開示される方法を開始することができる:(a)微生物バイオマスを粉砕剤と混合して破砕バイオマス混合物を提供し;(b)結合剤を破砕バイオマス混合物とブレンドして固定可能な混合物を提供し;(c)固定可能な混合物を固体ペレットに形成する。固体ペレットは、場合により油抽出に供することができ、残留バイオマス(例えば、残留ペレットの形態の細胞デブリス)および抽出油を生成する。それらの態様のそれぞれは以下にさらに詳細に考察される。
含油微生物は、微生物が成長および増殖するにつれて微生物バイオマスを生成する。微生物バイオマスは、天然または組換え(「遺伝子操作」)に関わらず、微生物油を生成し得る任意の微生物からのものであり得る。したがって、例えば、含油微生物は、酵母、藻類、ユーグレナ類、ストラメノパイル、菌類、およびそれらの混合物からなる群から選択することができる。好ましくは、微生物は、微生物油内の高レベルPUFA生成が可能である。
例としてARA油の商業的供給源は、典型的には、モルティエラ(Mortierella)属(糸状菌)、ハエカビ(Entomophthora)属、ピシウム(Pythium)属およびチノリモ(Porphyridium)属(紅藻)の微生物から生成される。最も注目すべきことに、Martek Biosciences Corporation(Columbia,MD)はARA含有真菌油(ARASCO(登録商標);米国特許第5,658,767号明細書)を生成し、これは実質的にEPAを含まず、モルティエラ・アルピナ(Mortierella alpina)またはピシウム・インシジオスム(Pythium insidiuosum)のいずれかに由来する。
同様に、EPAは、利用される規定の微生物の天然能力に基づく多数の異なる方法を介して、微生物を利用して生成することができる[例えば、従属栄養珪藻キクロテラ(Cyclotella)種およびニッチア(Nitzschia)種(米国特許第5,244,921号明細書);シュードモナス(Pseudomonas)種、アルテロモナス(Alteromonas)種またはシュワネラ(Shewanella)種(米国特許第5,246,841号明細書);ピシウム(Pythium)属の糸状菌(米国特許第5,246,842号明細書);またはモルティエラ・エロンガータ(Mortierella elongata)、M.エクシグア(M.exigua)、またはM.ハイグロフィラ(M.hygrophila)(米国特許第5,401,646号明細書);およびナンノクロロプシス(Nannochloropsis)属の真正眼点藻(Krienitz,L.and M.Wirth,Limnologica,36:204−210(2006))]。
DHAも、天然微生物の天然能力に基づく方法を使用して生成することができる。例えばシゾキトリウム(Schizochytrium)種(米国特許第5,340,742号明細書;米国特許第6,582,941号明細書);ウルケニア(Ulkenia)(米国特許第6,509,178号明細書);シュードモナス(Pseudomonas)種YS−180(米国特許第6,207,441号明細書);スラウストキトリウム(Thraustochytrium)属LFF1株(米国特許出願公開第2004/0161831A1号明細書);クリプテコジニウム・コーニイ(Crypthecodinium cohnii)(米国特許出願公開第2004/0072330A1号明細書;deSwaaf,M.E.et al.BiotechnolBioeng.,81(6):666−72(2003)およびAppl Microbiol Biotechnol.,61(1):40−3(2003));エミリアニア(Emiliania)種(特開平5−308978号公報(1993));およびジャポノキトリウム(Japonochytrium)種(ATCC#28207;特開199588/1989号公報]について開発された方法参照。さらに以下の微生物がDHA生成能を有することが公知である:ビブリオ・マリヌス(Vibrio marinus)(深海から単離された細菌;ATCC#15381);微小藻類キクロテラ・クリプティカ(Cyclotella cryptica)およびイソクリシス・ガルバナ(Isochrysis galbana);ならびに鞭毛菌類、例えばスラウストキトリウム・アウレウム(Thraustochytrium aureum)(ATCC#34304;Kendrick,Lipids,27:15(1992))およびATCC#28211、ATCC#20890、およびATCC#20891と称されるスラウストキトリウム(Thraustochytrium)種。現在、DHAを商業生成する少なくとも3つの異なる発酵法が存在する:DHASCO(商標)を生成するためのC.コーニイ(C.cohnii)の発酵(Martek Biosciences Corporation,Columbia,MD);以前にDHAGoldとして公知の油を生成するためのシゾキトリウム(Schizochytrium)種の発酵(Martek Biosciences Corporation);およびDHActive(商標)を生成するためのウルケニア(Ulkenia)種の発酵(Nutrinova,Frankfurt,Germany)。
組換え手段を使用する微生物油中のPUFAの微生物生成は、天然微生物源からの生成と比べて、いくつかの利点を有することが予期される。例えば、宿主中への新しい生合成経路の導入により、および/また不所望な経路の抑制により宿主の天然の微生物脂肪酸プロファイルを変えることができ、それにより所望のPUFA(またはそのコンジュゲート形態)の生成レベルの増加および不所望なPUFAの生成の減少がもたらされるため、油生成に好ましい特徴を有する組換え微生物を使用し得る。第2に組換え微生物は、規定の用途を有し得る特定形態でPUFAを提供し得る。さらに培養条件を制御することにより、とりわけ微生物により発現される酵素のための特定基質源を提供することにより、または化合物/遺伝子操作を付加して不所望な生化学的経路を抑制することにより、微生物油生成を操作することができる。したがって、例えば、こうして生成されるω−3脂肪酸とω−6脂肪酸との比を改変し、または他のPUFAの下流もしくは上流生成物の顕著な蓄積なしに、規定のPUFA(例えばEPA)の生成を遺伝子操作することが可能である。
したがって、例えば、適切なPUFA生合成経路遺伝子、例えばδ−4デサチュラーゼ、δ−5デサチュラーゼ、δ−6デサチュラーゼ、δ−12デサチュラーゼ、δ−15デサチュラーゼ、δ−17デサチュラーゼ、δ−9デサチュラーゼ、δ−8デサチュラーゼ、δ−9エロンガーゼ、C14/16エロンガーゼ、C16/18エロンガーゼ、C18/20エロンガーゼおよびC20/22エロンガーゼの規定の組合せを導入することにより、EPAを生成する天然能力を欠く微生物を遺伝子操作してPUFA生合成経路を発現させることができるが、導入される規定の酵素(およびそれらの酵素をコードする遺伝子)は、本発明を決して限定するものではないと認識されるべきである。
例として、いくつかの酵母が、少なくとも1つのPUFAを生成するように組換え遺伝子操作されている。例えば、サッカロミセス・セレヴィシエ(Saccharomyces cerevisiae)(Dyer,J.M.et al.,Appl.Envi.Microbiol.,59:224−230(2002);Domergue,F.et al.,Eur.J.Biochem.,269:4105−4113(2002);米国特許第6,136,574号明細書;米国特許出願公開第2006−0051847−A1号明細書)および油性酵母ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)(米国特許第7,238,482号明細書;米国特許第7,465,564号明細書;米国特許第7,588,931号明細書;米国特許第7,932,077号明細書;米国特許第7,550,286号明細書;米国特許出願公開第2009−0093543−A1号明細書;および米国特許出願公開第2010−0317072−A1号明細書)における研究参照。
一部の実施形態において、微生物宿主細胞が油性である場合に利点が認識される。油性酵母は天然で油合成および蓄積が可能であり、総油含有率は、細胞乾燥重量の約25%を超えて、より好ましくは、細胞乾燥重量の約30%を超えて、最も好ましくは、細胞乾燥重量の約40%を超えて構成し得る。代替実施形態において、例えば酵母、例えばサッカロミセス・セレヴィシエ(Saccharomyces cerevisiae)などの非油性酵母を、細胞乾燥重量の25%を超える油を生成し得るように、それを遺伝子操作して油性にすることができる(国際公開第2006/102342号パンフレット)。
典型的に油性酵母として同定される属には、限定されるものではないが、ヤロウィア(Yarrowia)、カンジダ(Candida)、ロドトルラ(Rhodotorula)、ロドスポリジウム(Rhodosporidium)、クリプトコッカス(Cryptococcus)、トリコスポロン(Trichosporon)およびリポマイセス(Lipomyces)が含まれる。より具体的には、例証的な油合成酵母には、ロドスポリジウム・トルロイデス(Rhodosporidium toruloides)、リポマイセス・スターケイ(Lipomyces starkeyii)、L.リポフェラス(L.lipoferus)、カンジダ・レブカウフィ(Candida revkaufi)、C.プリケリーマ(C.pulcherrima)、C.トロピカリス(C.tropicalis)、C.ユチリス(C.utilis)、トリコスポロン・プランズ(Trichosporon pullans)、T.クタネウム(T.cutaneum)、ロドトルラ・グルチヌス(Rhodotorula glutinus)、R.グラミニス(R.graminis)、およびヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)(以前はカンジダ・リポリティカ(Candida lipolytica)に分類された)が含まれる。
最も好ましいのは、油性酵母ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)であり;さらなる実施形態において、最も好ましいのはATCC#20362、ATCC#8862、ATCC#18944、ATCC#76982および/またはLGAMS(7)1と称されるY.リポリティカ(Y.lipolytica)株である(Papanikolaou S.,and Aggelis G.,Bioresour.Technol.82(1):43−9(2002))。
一部の実施形態において、油性酵母は「高レベルPUFA生成」が可能であることが望ましいことがあり、生物は総脂質の少なくとも約5〜10%の所望のPUFA(すなわち、LA、ALA、EDA、GLA、STA、ETrA、DGLA、ETA、ARA、DPAn−6、EPA、DPAn−3および/またはDHA)を生成し得る。より好ましくは、油性酵母は、総脂質の少なくとも約10〜70%の所望のPUFAを生成する。PUFAの構造形態は限定的でないが、好ましくは、TAGはPUFAを含む。
したがって、本明細書に記載のPUFA生合成経路遺伝子、および遺伝子産物は、異種微生物宿主細胞中、特に油性酵母細胞(例えばヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica))中で生成することができる。組換え微生物宿主中における発現は、種々のPUFA経路中間体を生成するのに、または従来は宿主を使用して可能でなかった新しい生成物を合成するために宿主中に既存のPUFA経路をモジュレートするのに、有用であり得る。
上記に提供される引用教示に基づき、好ましいω−3/ω−6PUFA生成のために多数の油性酵母を遺伝子操作することができるが、油性酵母の代表的PUFA生成株であるヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)について表3に記載する。これらの株は、以下のPUFA生合成経路遺伝子:δ−4デサチュラーゼ、δ−5デサチュラーゼ、δ−6デサチュラーゼ、δ−12デサチュラーゼ、δ−15デサチュラーゼ、δ−17デサチュラーゼ、δ−9デサチュラーゼ、δ−8デサチュラーゼ、δ−9エロンガーゼ、C14/16エロンガーゼ、C16/18エロンガーゼ、C18/20エロンガーゼ、およびC20/22エロンガーゼの種々の組合せを有するが、導入される規定の酵素(およびそれらの酵素をコードする遺伝子)および生成される規定のPUFAは、決して本発明を限定するものではないことが認識されるべきである。
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PUFA生合成経路を油性酵母中に導入する手段は周知であるため、当業者は、本発明の方法論が、上記のヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)株にも、本発明が実証される種(すなわちヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica))または属(すなわちヤロウィア(Yarrowia))にも限定されないことを認識する。それよりむしろ、PUFAを含無微生物油を生成し得る任意の油性酵母または任意の他の好適な微生物が、実施例11に実証されるとおり本方法論において使用するのに同等に好適である(しかし、取り扱われるそれぞれの新たな微生物について、例えば、それぞれの微生物の細胞壁組成の差異に基づき一部のプロセス最適化が要求され得る)。
脂質が微生物により生成される条件下で、好ましくはPUFAを含む脂質を生成する微生物種を発酵培地中で培養し、成長させることができる。典型的には、微生物に微生物の成長および/または微生物油(好ましくはPUFAを含む)の生成を可能にする多数の追加的化学薬品または物質とともに炭素および窒素源をフィードする。発酵条件は、上記引用に記載のとおり、使用される微生物に依存し、得られるバイオマス中のPUFAを高含有率にするために、最適化することができる。
一般に、炭素源のタイプおよび量、窒素源のタイプおよび量、炭素対窒素比、異なる無機イオンの量、酸素レベル、成長温度、pH、バイオマス生成期の長さ、油蓄積相の長さ、ならびに細胞回収時期および方法を改変することにより、培地条件を最適化することができる。例えば、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)は、一般に、複合培地、例えば酵母抽出物−ペプトン−デキストロースブロス(YPD)中で、または限定最小培地(例えば成長に必要な構成成分を欠き、それによりPUFAの生成を可能にする所望の組換え発現カセットの選択を強制する、酵母窒素原礎培地(DIFCO Laboratories,Detroit,IM))中で成長させる。
好ましくはPUFAを含む微生物油の所望量が微生物により生成された場合、発酵培地を機械的に加工して微生物油を含む未処理微生物バイオマスを得ることができる。例えば、発酵培地を濾過し、または別の方法により処理して水性構成成分の少なくとも一部を除去することができる。当業者により認識されるとおり、未処理微生物バイオマスは、典型的に水を含む。好ましくは、微生物発酵後に、水の一部を未処理微生物バイオマスから除去して、10重量%未満の水分レベル、より好ましくは、5重量%未満の水分レベル、最も好ましくは、3重量%以下の水分レベルを有する微生物バイオマスを提供する。微生物バイオマスの水分レベルは、乾燥において制御することができる。好ましくは、微生物バイオマスは、約1から10重量パーセントの範囲の水分レベルを有する。
場合により、発酵培地および/または微生物バイオマスを低温殺菌し、または他の手段により処理して、微生物油および/またはPUFA生成物を損ない得る、内在微生物酵素の活性を低減させることができる。
したがって、微生物バイオマスは、全細胞、全細胞溶解物、ホモジナイズされた細胞、部分加水分解された細胞材料、および/または破砕細胞(すなわち、破砕微生物バイオマス)の形態であり得る。
破砕微生物バイオマスは、含油微生物の少なくとも50%の破砕効率を有する。より好ましくは、破砕効率は、含油微生物の少なくとも70%、より好ましくは、少なくとも80%、最も好ましくは、85〜90%以上である。好ましい範囲を上記したが、破砕効率の有用な例には、50%から100%の任意の整数割合、例えば51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%または99%の破砕効率が含まれる。
破砕効率は、光学的可視化により定性的に測定されるかまたは以下の式:%破砕効率=(%遊離油100)を(%総油)で割る(%遊離油および%総油は、固体ペレットについて計測される)に従って定量的に測定される、加工の間に破断または破裂された細胞壁のパーセントを指す。
破砕(例えば、スクリュー押出、エキスペラー、ピストン、ビードビーター、乳鉢および乳棒、ハンマーミル処理、エアジェットミル処理などを使用する、例えば、機械的圧潰)のプロセスに供されなかった固体ペレットは、典型的には、低い破砕効率を有する。それというのも、破砕のプロセスが細胞壁および脂肪体を包囲する膜を含む種々のオルガネラの内膜の両方を破壊するまで、DAG、MAGおよびTAG、ホスファチジルコリンおよびホスファチジルエタノールアミン画分内の脂肪酸ならびに遊離脂肪酸は一般に微生物バイオマスから抽出不可能であるためである。種々の破砕のプロセスは、そのプロセスにおいて固有に生成される特定の剪断、圧縮、静的および動的な力に基づき種々の破砕効率をもたらす。
微生物バイオマスの破砕効率の増加は、典型的には、抽出収率(例えば、粗製抽出油の重量パーセントにより計測)の増加をもたらし、それというのも、細胞壁および膜の破砕とともに微生物油の多くが抽出溶媒の存在に影響を受ける可能性が高いためである。
種々の装置を利用して破砕微生物バイオマスを生成することができるが、好ましくは、破砕は、2軸スクリュー押出機中で実施する。より具体的には、2軸スクリュー押出機は、好ましくは、(i)約0.04から0.4KW/(kg/hr)、より好ましくは、0.05から0.2KW/(kg/hr)、最も好ましくは、約0.07から0.15KW/(kg/hr)の押出機中の総比エネルギーインプット(SEI);(ii)次第に短くなるピッチ長を有するブッシュエレメントを使用する圧密帯域;および(iii)流動制限を使用する圧縮帯域を含む。細胞破砕に要求される機械的エネルギーのほとんどは、圧縮帯域中で付与され、例えばリバーススクリューエレメント、制限/ブリスターリングエレメントまたはニーディングエレメントの形態の流動制限を使用して作出される。圧密帯域は、押出機中で圧縮帯域よりも先行する。押出機の第1の帯域は、バイオマスを圧密帯域中にフィードおよび輸送するために存在し得る。
本発明の工程(a)は、ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供する工程を含む。
吸油し得る粉砕剤は、2.0から6.0、好ましくは、2.0から約5.0;より好ましくは、約2.0から4.0のMoh硬度;およびAmerican Society for Testing And Materials(ASTM)Method D1483−60に従って測定される0.8以上、好ましくは、1.0以上、より好ましくは、1.3以上の吸油係数を有する粒子であり得る。好ましい粉砕剤は、約2から20ミクロン、好ましくは、約7から10ミクロンの中央粒径;およびBET法(Brunauer,S.et al.J.Am.Chem.Soc.,60:309(1938))により測定される少なくとも1m/g、好ましくは、2から100m/gの比表面積を有する。
好ましい粉砕剤は、シリカおよびケイ酸塩からなる群から選択される。本明細書において使用される用語「シリカ」は、主に(少なくとも90重量%、好ましくは、少なくとも95重量%の)ケイ素および酸素原子からなり、約2つの酸素原子と1つのケイ素原子との比であり、したがってSiOの実験式を有する固体化学物質を指す。シリカには、例えば、沈殿シリカ、ヒュームドシリカ、アモルファスシリカ、珪藻土としても公知の珪藻シリカおよびそれらのシリカのシラン処理形態が含まれる。用語「ケイ酸塩」は、主に(少なくとも90重量%、好ましくは、少なくとも95重量%の)ケイ素、酸素の原子および少なくとも1つの金属イオンからなる固体化学物質を指す。金属イオンは、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、またはそれらの混合物であり得る。天然および合成のゼオライトの形態のケイ酸アルミニウムを使用することができる。有用であり得る他のケイ酸塩は、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸ナトリウム、およびケイ酸カリウムである。
好ましい粉砕剤は、約10〜20m/gの比表面積および1.3以上の吸油係数を有する珪藻土である。好適な吸油し得る粉砕剤の市販源は、Celite Corporation,Lompoc,CAから入手可能なCelite 209珪藻土である。
他の粉砕剤は、ポリ(メタ)アクリル酸、ならびにナトリウムまたはカリウム塩基によるポリ(メタ)アクリル酸の部分および完全中和から誘導されるイオノマーであり得る。本明細書において、(メタ)アクリレートという用語は、化合物がアクリレート、メタクリレート、またはその2つの混合物のいずれかであり得ることを意味する。
少なくとも1つの粉砕剤は、固体ペレット中の構成成分(a)微生物バイオマス、(b)粉砕剤および(c)結合剤の総和に対して約1から20重量パーセント、より好ましくは、1から15重量パーセント、最も好ましくは、約2から12重量パーセント存在する。
微生物バイオマスおよび吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供すること[工程(a)]は、当技術分野において公知の任意の方法により実施してエネルギーを混合媒体に適用することができる。好ましくは、混合は、90℃以下、より好ましくは、70℃以下の温度を有する破砕バイオマス混合物を提供する。
例えば、微生物バイオマスおよび粉砕剤は、混合機、例えば単軸スクリュー押出機もしくは2軸スクリュー押出機、撹拌機、単軸スクリューもしくは2軸スクリューニーダー、またはBanbury混合機中にフィードすることができ、添加工程は、1回における全ての成分の添加またはバッチでの漸次添加であり得る。
好ましくは、混合は、約0.04から0.4KW/(kg/hr)のSEI、次第に短くなるピッチ長を有するブッシュエレメントを使用する圧密帯域、および流動制限を使用する圧縮帯域を有する上記の2軸スクリュー押出機中で実施する。これらの条件下、最初の微生物バイオマスは全乾燥細胞であり得、含油微生物の少なくとも50%の破砕効率を有する破砕微生物バイオマスをもたらす細胞破砕のプロセスは、混合工程の開始時または混合工程の間に行うことができ、すなわち、細胞破砕および工程(a)を組み合わせ、同時として破砕バイオマス混合物を生成することができる。粉砕剤の存在は、細胞破砕を向上させるが、ほとんどの細胞破砕は、2軸スクリュー押出機自体の結果として生じる。
したがって、明確性のために、微生物バイオマスの細胞破砕は、例えば、上記の圧縮帯域を有する2軸スクリュー押出機中で粉砕剤の不存在下で実施することができ、次いで粉砕剤および破砕微生物バイオマスの混合を2軸スクリュー押出機または種々の他の混合機中で実施して破砕バイオマス混合物を提供する。または、微生物バイオマスの細胞破砕は、例えば、圧縮帯域を有する2軸スクリュー押出機中で粉砕剤の存在下で実施することができる。しかしながら、いずれの場合においても、細胞破砕(すなわち、破砕効率)は、後続のプロセス工程において含油微生物からの抽出油の収率の最大化を所望する場合、最大化すべきである。
本発明の工程(b)は、結合剤を前記破砕バイオマス混合物とブレンドして固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供する工程を含む。
本発明において有用な結合剤には、水溶性または水分散性の親水性有機材料および親水性無機材料が含まれる。好ましい水溶性結合剤は、23℃において少なくとも1重量パーセント、好ましくは、少なくとも2重量パーセント、より好ましくは、少なくとも5重量パーセントの水中溶解度を有する。
結合剤は、好ましくは、1x10−3モル分率未満;好ましくは、1x10−4未満、より好ましくは、1x10−5未満、最も好ましくは、1x10−6モル分率未満の500barにおける超臨界流体二酸化炭素中溶解度を有する。溶解度は、「Solubility in Supercritical Carbon Dioxide」,Ram
Gupta and Jae−Jin Shim,Eds.,CRC(2007)開示されている方法に従って測定することができる。
結合剤は、ペレット化プロセスから形成されたペレットの整合性およびサイズを保持するように作用し、さらにペレットのさらなる加工および輸送において微粉を低減させるように作用する。
好適な有機結合剤には、0.5から1の置換度を有するアルカリ金属カルボキシメチルセルロース;好ましくは、1,000未満の平均分子量を有するポリエチレングリコールおよび/またはアルキルポリエトキシレート;リン酸化デンプン;セルロースおよびデンプンエーテル、例えばカルボキシメチルデンプン、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースおよび対応するセルロース混合エーテル;ゼラチンおよびカゼインを含むタンパク質;トラガカント、アルギン酸ナトリウムおよびカリウム、グアムアラビア(guam Arabic)、タピオカ、マルトデキストロースおよびデキストリンを含む部分加水分解デンプン、水溶性デンプンを含む多糖;スクロース、転化糖、グルコースシロップおよび糖蜜を含む糖;ポリ(メタ)アクリレート、マレイン酸またはビニル基を含有する化合物とのアクリル酸のコポリマー、ポリビニルアルコール、部分加水分解ポリビニルアセテートならびにポリビニルピロリドンを含む合成水溶性ポリマーが含まれる。上記の化合物が遊離カルボキシル基を含有するものである場合、それらは通常、それらのアルカリ金属塩、より特定すると、それらのナトリウム塩の形態で存在する。
リン酸化デンプンは、デンプン無水グルコース単位のヒドロキシル基が−−O−−P(O)(OH)基により置き換えられているデンプン誘導体またはその水溶性塩、より特定するとアルカリ金属塩、例えばナトリウムおよび/またはカリウム塩と理解される。デンプンの平均リン酸化度は、全てのサッカリド単位にわたり平均化されたデンプンのサッカリドモノマー当たりのリン酸基を担持するエステル化酸素原子の数と理解される。好ましいリン酸デンプンの平均リン酸化度は、1.5から2.5の範囲である。
本発明に関する部分加水分解デンプンは、慣用の例えば酸または酵素触媒プロセスを使用するデンプンの部分加水分解により得ることができる炭水化物のオリゴマーまたはポリマーと理解される。部分加水分解デンプンは、好ましくは、440から500,000の平均分子量を有する加水分解生成物である。0.5から40、より特定すると、2から30のデキストロース当量(DE)を有する多糖が好ましく、DEは、デキストロース(100のDEを有する、すなわちDE100)との比較による多糖の還元効果の標準的尺度である。マルトデキストリン(DE3〜20)および乾燥グルコースシロップ(DE20〜37)ならびにさらに約2,000から30,000の比較的高い平均分子量を有するいわゆる黄色デキストリンおよび白色デキストリンの両方をリン酸化後に使用することができる。
結合剤の好ましいクラスは、水ならびにスクロース、ラクトース、フルクトース、グルコース、および可溶性デンプンからなる群から選択される炭水化物である。好ましい結合剤は、少なくとも50℃、好ましくは、少なくとも80℃、より好ましくは、少なくとも100℃の融点を有する。
好適な無機結合剤には、ケイ酸ナトリウム、ベントナイト、および酸化マグネシウムが含まれる。
好ましい結合剤は、「食品グレード」または「一般に安全と認められる」(GRAS)とみなされる材料である。
結合剤は、固体ペレット中の(a)微生物バイオマス、(b)粉砕剤および(c)結合剤の構成成分の総和に対して約0.5から10重量パーセント、好ましくは、1から10重量パーセント、より好ましくは、約3から8重量パーセント存在する。
当業者が認識するとおり、固定可能な混合物(すなわち、破砕バイオマス混合物を少なくとも1つの結合剤とブレンドすることにより得られる)は、最終固体ペレットの水分レベルよりも顕著に高い水分レベルを有して容易な取扱(例えば、固定可能な混合物のダイ中への押出)を可能とする。したがって、例えば、スクロースおよび水の溶液を含む結合剤は、0.5から20重量パーセントの水を有する固定可能な混合物をもたらす様式で、破砕バイオマス混合物に添加することができる。しかしながら、固定可能な混合物を乾燥させて固体ペレットを形成するとき、固体ペレットの最終水分レベルは5重量パーセント未満の水であり、スクロースは10重量パーセント未満である。
少なくとも1つの結合剤を破砕バイオマス混合物とブレンドして固定可能な混合物を提供すること[工程(b)]は、結合剤の溶解および破砕バイオマスとのブレンドを可能とする任意の方法により実施して固定可能な混合物を提供することができる。「固定可能な混合物」という用語は、混合物が乾燥工程における溶媒、例えば水の除去時に固体ペレットを形成し得ることを意味する。
結合剤は、種々の手段によりブレンドすることができる。1つの方法は、結合剤を溶媒中で溶解させて結合剤溶液を提供し、次いで結合剤溶液を、破砕バイオマス混合物中に制御速度において計量供給することを含む。好ましい溶媒は水であるが、他の溶媒、例えばエタノール、イソプロパノールなどを有利に使用することができる。別の方法は、結合剤を固体または溶液としてバイオマス/粉砕剤に混合工程の開始時またはその間に添加することを含み、すなわち工程(a)および(b)を組み合わせ、同時とする。結合剤を固体として添加する場合、好ましくは、ブレンド工程の間に結合剤を溶解させるために十分な水分が破砕バイオマス混合物中に存在する。好ましいブレンド方法は、結合剤溶液を、押出機中で、好ましくは、上記の圧縮帯域後に破砕バイオマス混合物中に制御速度において計量供給することを含む。圧縮帯域後の結合剤溶液の添加は、破砕バイオマス混合物の急速冷却を可能とする。
固定可能な混合物から固体ペレットを形成すること[工程(c)]は、当技術分野において公知の種々の手段により実施することができる。1つの方法は、固定可能な混合物をダイ、例えばドーム粗砕機中に押出して均一直径のストランドを形成し、それを振動または流動床乾燥機上で乾燥させてストランドを破壊してペレットを提供することを含む。ペレット化材料は、下流の油抽出、輸送、または他の目的に好適である。
本明細書に開示される方法により提供される固体ペレットは、望ましくは、室温において非粘着性である。固体ペレットの大部分は、ペレット構造の分解なしで、一緒に結合することもなく何日間も一緒に充填することができる。ペレットの大部分は、望ましくは、自由流動するペレット化組成物である。好ましくは、ペレットは、約0.5から約1.5mmの平均直径および約2.0から約8.0mmの平均長さを有する。好ましくは、固体ペレットは、約0.1%から5.0%の最終水分レベルを有し、約0.5%から3.0%の範囲がより好ましい。最終固体ペレットの水分レベルの増加は、例えばカビの成長に起因する貯蔵の間の困難性をもたらし得る。
したがって、一実施形態において、本発明は、上記の工程(a)〜(c)のプロセスにより作製されたペレット化含油微生物バイオマスに関する。
a)約70から約98.5重量パーセントの、含油微生物を含む破砕バイオマス;
b)約1から20重量パーセントの、吸油し得る粉砕剤;および
c)約0.5から10重量パーセントの結合剤
を含み、重量パーセントは、固体ペレット中の(a)、(b)および(c)の総和に対する固体ペレットも開示される。固体ペレットは、75から98重量パーセントの(a);1から15重量パーセントの(b)および1から10重量パーセントの(c);を含み得、好ましくは、ペレットは、80から95重量パーセントの(a);2から12重量パーセントの(b)および3から8重量パーセントの(c)を含む。
本明細書の本発明の別の実施形態は、工程(d)、すなわち、固体ペレットを溶媒により抽出して抽出油および抽出ペレット(すなわち、「残留バイオマス」または「残留ペレット」)を提供することをさらに含む、上記の工程(a)〜(c)の方法である。
油抽出は、種々の有機溶媒(例えば、ヘキサン、イソヘキサン)、酵素的抽出、浸透圧ショック、超音波抽出、超臨界流体抽出(例えば、CO抽出)、鹸化およびそれらの方法の組合せによる処理を介して行うことができる。
1つの好ましい実施形態において、抽出は、超臨界流体(SCF)を使用して行う。SCFは、気体と液体との中間の特性を示す。SCFの重要な特性は、温度もしくは圧力、またはそれらの組合せを変動させることにより流体密度が液体様から気体様密度に連続的に変動し得ることである。同様に、種々の密度依存性物理的特性は、この領域中で同様の連続的変動を示す。これらの特性の一部には、限定されるものではないが、溶媒強度(SCF媒体中の種々の物質の溶解度により証明される)、極性、粘度、拡散性、熱容量、熱伝導性、等温圧縮性、膨張性、収縮性、流動性、および分子充填が含まれる。SCFの密度変動は、溶質の化学ポテンシャル、ひいては反応速度および平衡定数にも影響する。したがって、SCF媒体中の溶媒環境は、種々の密度依存性流体特性を調整することにより規定の用途について最適化することができる。
系の温度および圧力が、臨界温度(T)および圧力(P)により定義される対応する臨界点値を超過する場合、流体はSCF状態である。純粋な物質について、臨界温度および圧力は、蒸気および液相が共存し得る最高値である。臨界温度を超えると、印加される圧力にかかわらず純粋な物質については液体は形成しない。同様に、臨界圧力および臨界モル容積は、蒸気および液相が融合する状態に対応するこの臨界温度において定義される。多成分混合物についてはより複雑になるが、混合物の臨界状態は、共存する蒸気および液相の特性が区別不能になる条件として同様に同定される。超臨界流体の考察については、Kirk−Othmer Encycl.of Chem.Technology,4thed.,Vol.23,pg.452−477,John Wiley & Sons,NY(1997)参照。
任意の好適なSCFまたは液体溶媒を、油抽出工程、例えば、固体ペレットを溶媒と接触させて微生物バイオマスから油を分離することにおいて使用することができ、それには、限定されるものではないが、CO、テトラフルオロメタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、イソブタン、イソブテン、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、およびそれらの混合物が含まれるが、全ての試薬および生成物に不活性であることを条件とする。好ましい溶媒には、COまたはC−Cアルカンが含まれる。より好ましい溶媒は、CO、ペンタン、ブタン、およびプロパンである。最も好ましい溶媒は、COを含む超臨界流体溶媒である。
好ましい実施形態において、超臨界CO抽出は、米国特許出願公開第2011−0263709−A1号明細書、標題「Method for Obtaining Polyunsaturated Fatty Acid−Containing Compositions from Biomass」(参照により本明細書に組み込まれる)に開示されるとおり実施する。この特定の方法論は、微生物バイオマスを油抽出に供してリン脂質(PL)および残留バイオマスを除去し、次いで得られた抽出物を分別して「リファインド脂質組成物」を有する抽出油を生成する。リファインド脂質組成物は、中性脂肪および/または遊離脂肪酸を含み得る一方、PLを実質的に含まない。リファインド脂質組成物は、微生物バイオマスの油組成物に対してTAG(PUFAを含む)を濃縮することができる。リファインド脂質組成物は、さらなる精製に付して「精製油」を生成することができる。
したがって、抽出油は、PLを実質的に含まない脂質画分、およびPLを含む残留バイオマスを含む抽出残留ペレットを含む。この方法において、COを含む超臨界流体は、追加の溶媒の存在または量がプロセスに有害でない限り、例えば、微生物バイオマス中に含有されるPLを一次抽出工程の間に可溶化させない限り、少なくとも1つの追加の溶媒(すなわち、共溶媒)、例えば、上記列挙の溶媒の1つ以上をさらに含み得る。しかしながら、極性共溶媒、例えばエタノール、メタノール、アセトンなどを添加して溶媒相に極性を故意に付与して、任意選択の二次油抽出の間に微生物バイオマスからのPLの抽出を可能としてPLを単離することができる。
含油破砕微生物バイオマスを含む固体ペレットは、少なくとも2つの方法に従って好適な抽出条件下で液体または超臨界COと接触させて抽出物および残留バイオマスを提供することができる。米国特許出願公開第2011−0263709−A1号明細書の第1の方法によれば、未処理微生物バイオマスのCOとの接触を、溶媒密度の増加に対応する抽出条件下で、例えば増加圧力および/または温度減少下で複数回実施して脂質画分がPLを実質的に含まないリファインド脂質組成物を含む抽出物を得る。抽出物のリファインド脂質組成物は、FFA、MAG、DAG、およびTAGの分布がそれらの相対溶解度に従って変動し、それは複数の抽出のそれぞれの選択抽出条件に対応する溶媒密度に依存する。
あるいは、および本方法によれば、米国特許出願公開第2011−0263709−A1号明細書の第2の方法において、未処理微生物バイオマスは、溶媒、例えばCOと、PLを実質的に含まない脂質画分を含む抽出物を提供するために選択された抽出条件下で接触させ、続いて一連の複数の段階的圧力降下工程に付してリファインド脂質組成物を提供する。これらの段階的圧力降下工程のそれぞれは、分別機容器中で、溶媒密度の減少に対応する圧力および温度条件下において実施して液相リファインド脂質組成物を単離し、それを例えば簡単なデカンテーションにより抽出相から分離することができる。提供されるリファインド脂質組成物は、FFA、MAG、DAG、およびTAGの分布が、それらの相対溶解度に従って変動し、それは段階的分別機容器の選択条件に対応する溶媒密度に依存する。
第2の方法により得られるリファインド脂質組成物は、抽出条件が適切に適合する場合、第1の方法において得られる抽出物に対応し得る。したがって、第1の方法の実施を介して本方法により得ることができるリファインド脂質組成物を例示することが可能と考えられる。
本方法によれば、含油破砕微生物バイオマスを含む固体ペレットは、溶媒、例えば液体またはSCF COと、PLを実質的に含まない脂質画分を含む抽出物を得るために十分な温度および圧力ならびに接触時間において接触させることができる。脂質画分は、中性脂肪(例えば、TAG、DAG、およびMAGを含む)およびFFAを含み得る。接触および分別温度は、液体またはSCF COを提供するように、PUFAの熱安定性の範囲内であるように、ならびにTAG、DAG、MAG、およびFFAを可溶化させるために十分なCOの密度を提供するように選択することができる。一般に、接触および分別温度は、約20℃から約100℃、例えば約35℃から約100℃であり得;圧力は、約60barから約800bar、例えば約80barから約600barであり得る。十分な接触時間、および適切なCOとバイオマスとの比は、固体ペレットの特定の試料についての抽出曲線を作成することにより決定することができる。これらの抽出曲線は、温度、圧力、CO流速、ならびに可変要素、例えば細胞破砕の程度およびバイオマスの形態の抽出条件に依存する。本方法の一実施形態において、溶媒は、液体または超臨界流体COを含み、COと微生物バイオマスとの質量比は、約20:1から約70:1、例えば約20:1から約50:1である。
本発明の方法論は、有効で、高度にスケーラブルで堅牢でユーザフレンドリーある一方、比較的高い収率およびハイスループット速度における生成を可能とすることが証明された。慣用の技術、例えば噴霧乾燥、高剪断混合機などの使用を使用する細胞破砕は、例えば、キチンを含む酵母細胞壁には不適切であることが見出された。現行の湿潤媒体ミル破砕プロセスは、微粉およびコロイド状汚染物を生成し、さらなる分離工程を必要とし、顕著な油損失をもたらした。さらに、湿潤媒体ミル処理工程は、液体担体(例えば、イソヘキサンまたは水)を導入し、固液分離工程を要求することにより下流加工を複雑化し、油損失を伴った。本明細書に記載の方法は、破砕バイオマス混合物の生成に依拠し(すなわち、破砕バイオマス混合物は、ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマスを、少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤と混合することにより生成する);しかしながら、有利には、破砕は、液体担体を要求せずに行う。さらに、固体ペレット内の粉砕剤の存在は、高レベルの油抽出を促進すると思われる。ペレットは抽出プロセス全体にわたり耐久性を保持するため、このことは操作性およびサイクル時間を支援する。
少なくとも1つのPUFA、例えばEPA(またはその誘導体)を含む抽出油組成物は、周知の臨床および薬学的価値を有する。例えば、米国特許出願公開第2009−0093543A1号明細書参照。例えば、PUFAを含む脂質組成物を、静脈内栄養補給を受ける患者のために、または栄養失調を防止もしくは治療するために食事代用品または補助品、特に特殊調製粉乳として使用することができる。あるいは、精製PUFA(またはその誘導体)を、通常使用において受容者が食事補給について所望量を受容するように配合された食用油、脂肪またはマーガリン中に取り込むことができる。PUFAは、特殊調製粉乳、栄養補助品または他の食品中にも取り込むことができ、抗炎症またはコレステロール低下剤として使用することができる。場合により、組成物は、ヒトまたは動物のいずれかの薬学的使用に使用することができる。
ヒトまたは動物のPUFAの補給は、添加PUFA、およびそれらの代謝結果のレベルの増加をもたらし得る。例えば、EPAによる治療は、EPAのレベルの増加だけでなく、EPAの下流生成物、例えばエイコサノイド(すなわち、プロスタグランジン、ロイコトリエン、トロンボキサン)、DPAn−3およびDHAのレベルの増加ももたらし得る。複雑な調節機序は、種々のPUFAを組み合わせ、またはPUFAの異なるコンジュゲートを添加してそのような機序を防止、制御または克服して個体における所望レベルの規定のPUFAを達成することを望ましくし得る。
あるいは、PUFA、またはその誘導体は、動物および水産飼料、例えば乾燥飼料、半湿潤および湿潤飼料の合成において利用することができる。それというのも、これらの配合物は、一般に、栄養組成物の少なくとも1〜2%がω−3および/またはω−6PUFAであることを要求するためである。
本発明を以下の実施例でさらに定義する。これらの実施例は本発明の好ましい実施形態を示しながら、例証としてのみ挙げられるものと理解すべきである。上記考察およびこれらの実施例から、当業者は本発明の本質的特徴を確認してその趣旨および範囲を逸脱することなく本発明の種々の変更および改変を行い、それを種々の使用および条件に適応させることができる。
以下の略語が使用される:
「HPLC」は高速液体クロマトグラフィーであり、「ASTM」は、American Society for Testing And Materialsであり、「C」は摂氏であり、「kPa」はキロパスカルであり、「mm」はミリメートルであり、「μm」はマイクロメートルであり、「μL」はマイクロリットルであり、「mL」はミリリットルであり、「L」はリットルであり、「min」は分であり、「mM」はミリモル濃度であり、「mTorr」はミリTorrであり、「cm」はセンチメートルであり、「g」はグラムであり、「wt」は重量であり、「h」または「hr」は時間であり、「temp」または「T」は温度であり、「SS」はステンレス鋼であり、「in」はインチであり、「i.d.」は内径であり、「o.d.」は外径である。
材料
バイオマス調製
PUFAを含む種々の量の微生物油を生成するヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)酵母の株について、下述する。バイオマスは2段階流加発酵プロセスで得、次いで下記のとおり下流加工に供した。
ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)株:本明細書の比較例C1〜C4ならびに実施例1および2において使用される酵母バイオマスは、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y8672株を利用した。Y8672株の作製は、米国特許出願公開第2010−0317072−A1号明細書に記載されている。ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)ATCC#20362に由来するY8672株は、δ−9エロンガーゼ/δ−8デサチュラーゼ経路の発現を介して、総脂質に対して約61.8%のEPAを生成し得た。
野性型Y・リポリティカ(Y.lipolytica)ATCC#20362に対するY8672株の最終遺伝子型は、Ura+、Pex3−、unknown1−、unknown2−、unknown3−、unknown4−、unknown5−、unknown6−、unknown7−、unknown8−、Leu+、Lys+、YAT1::ME3S::Pex16、GPD::ME3S::Pex20、GPD::FmD12::Pex20、YAT1::FmD12::Oct、EXP1::FmD12S::ACO、GPAT::EgD9e::Lip2、FBAINm::EgD9eS::Lip2、EXP1::EgD9eS::Lip1、YAT1::EgD9eS::Lip2、FBAINm::EgD8M::Pex20、FBAIN::EgD8M::Lip1、EXP1::EgD8M::Pex16、GPD::EaD8S::Pex16(2コピー)、YAT1::E389D9eS/EgD8M::Lip1、YAT1::EgD9ES/EgD8M::Aco、FBAIN::EgD5SM::Pex20、YAT1::EgD5SM::Aco、GPM::EgD5SM::Oct、EXP1::EgD5M::Pex16、EXP1::EgD5SM::Lip1、YAT1::EaD5SM::Oct、YAT1::PaD17S::Lip1、EXP1::PaD17::Pex16、FBAINm::PaD17::Aco、GPD::YlCPT1::Aco、およびYAT1::MCS::Lip1であった。上記発現カセットの構造は、簡易表記体系「X::Y::Z」により表され、Xはプロモーター断片を記載し、Yは遺伝子断片を記載し、Zはターミネーター断片を記載し、それらは全て互いに作動的に連結する。略称は、以下のとおりである:FmD12は、フザリウム・モニリフォルメ(Fusarium moniliforme)δ−12デサチュラーゼ遺伝子[米国特許第7,504,259号明細書]であり;FmD12Sは、フザリウム・モニリフォルメ(Fusarium moniliforme)[米国特許第7,504,259号明細書]に由来するコドン最適化δ−12デサチュラーゼ遺伝子であり;ME3Sは、モルティエラ・アルピナ(Mortierella alpina)[米国特許第7,470,532号明細書]に由来するコドン最適化C16/18エロンガーゼ遺伝子であり;EgD9eは、ユーグレナ・グラシリス(Euglena gracilis)δ−9エロンガーゼ遺伝子[米国特許第7,645,604号明細書]であり;EgD9eSは、ユーグレナ・グラシリス(Euglena gracilis)[米国特許第7,645,604号明細書]に由来するコドン最適化δ−9エロンガーゼ遺伝子であり;EgD8Mは、ユーグレナ・グラシリス(Euglena gracilis)[米国特許第7,256,033号明細書]に由来する合成突然変異体δ−8デサチュラーゼ遺伝子[米国特許第7,709,239号明細書]であり;EaD8Sは、ユーグレナ・アナベナ(Euglena Anabaena)[米国特許第7,790,156号明細書]に由来するコドン最適化δ−8デサチュラーゼ遺伝子であり;E389D9eS/EgD8Mは、ユートレプチエラ(Eutreptiella)種CCMP389 δ−9エロンガーゼ(米国特許第7,645,604号明細書)に由来するコドン最適化δ−9エロンガーゼ遺伝子(「E389D9eS」)と、δ−8デサチュラーゼ「EgD8M」(前出)[米国特許出願公開第2008−0254191−A1号明細書]とを連結させて作出されたDGLAシンターゼであり;EgD9ES/EgD8Mは、δ−9エロンガーゼ「EgD9eS」(前出)とδ−8デサチュラーゼ「EgD8M」(前出)[米国特許出願公開第2008−0254191−A1号明細書]とを連結させて作出されたDGLAシンターゼであり;EgD5MおよびEgD5SMは、ユーグレナ・グラシリス(Euglena gracilis)[米国特許第7,678,560号明細書]に由来する合成突然変異体δ−5デサチュラーゼ遺伝子[米国特許出願公開第2010−0075386−A1号明細書]であり;EaD5SMは、ユーグレナ・アナベナ(Euglena Anabaena)[米国特許第7,943,365号明細書]に由来する合成突然変異体δ−5デサチュラーゼ遺伝子であり[米国特許出願公開第2010−0075386−A1号明細書];PaD17は、ピシウム・アファニデルマタム(Pythium aphanidermatum)δ−17デサチュラーゼ遺伝子[米国特許第7,556,949号明細書]であり;PaD17Sは、ピシウム・アファニデルマタム(Pythium aphanidermatum)[米国特許第7,556,949号明細書]に由来するコドン最適化δ−1
7デサチュラーゼ遺伝子であり;YlCPT1は、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)ジアシルグリセロールコリンホスホトランスフェラーゼ遺伝子[米国特許第7,932,077号明細書]であり;MCSは、リゾビウム・レグミノサルム(Rhizobium leguminosarum)bv.viciae 3841[米国特許出願公開第2010−0159558−A1号明細書]に由来するコドン最適化マロニル−CoAシンセターゼ遺伝子である。
Y8672株の総脂質含有率および組成の詳述な分析のために、細胞を2段階で合計7日間成長させるフラスコアッセイを実施した。分析に基づいて、Y8672株は3.3g/Lの乾燥細胞重量[「DCW」]を生成し、細胞の総脂質含有率は26.5[「TFA%DCW」]であり、乾燥細胞重量のパーセントとしてのEPA含有率[「EPA%DCW」]は16.4であり、それぞれの脂肪酸濃度をTFAの重量パーセント[「%TFA」]とする脂質プロファイルは以下のとおりであった:16:0(パルミテート)は2.3、16:1(パルミトレイン酸)は0.4、18:0(ステアリン酸)は2.0、18:1(オレイン酸)は4.0、18:2(LA)は16.1、ALAは1.4、EDAは1.8、DGLAは1.6、ARAは0.7、ETrAは0.4、ETAは1.1、EPAは61.8、その他は6.4。
対照的に、本明細書の比較例C5〜C6ならびに実施例3および10に使用された酵母バイオマスは、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y9502株を利用した。Y9502株の作製については、参照により全体として本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2010−0317072−A1号明細書に記載されている。ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)ATCC#20362に由来するY9502株は、δ−9エロンガーゼ/δ−8デサチュラーゼ経路の発現を介して、総脂質に対して約57.0%のEPAを生成し得た。
野生型Y・リポリティカ(Y.lipolytica)ATCC#20362に対するY9502株の最終遺伝子型は、Ura+、Pex3−、unknown1−、unknown2−、unknown3−、unknown4−、unknown5−、unknown6−、unknown7−、unknown8−、unknown9−、unknown10−、YAT1::ME3S::Pex16、GPD::ME3S::Pex20、YAT1::ME3S::Lip1、FBAINm::EgD9eS::Lip2、EXP1::EgD9eS::Lip1、GPAT::EgD9e::Lip2、YAT1::EgD9eS::Lip2、FBAINm::EgD8M::Pex20、EXP1::EgD8M::Pex16、FBAIN::EgD8M::Lip1、GPD::EaD8S::Pex16(2コピー)、YAT1::E389D9eS/EgD8M::Lip1、YAT1::EgD9eS/EgD8M::Aco、FBAINm::EaD9eS/EaD8S::Lip2、GPD::FmD12::Pex20、YAT1::FmD12::Oct、EXP1::FmD12S::Aco、GPDIN::FmD12::Pex16、EXP1::EgD5M::Pex16、FBAIN::EgD5SM::Pex20、GPDIN::EgD5SM::Aco、GPM::EgD5SM::Oct、EXP1::EgD5SM::Lip1、YAT1::EaD5SM::Oct、FBAINm::PaD17::Aco、EXP1::PaD17::Pex16、YAT1::PaD17S::Lip1、YAT1::YICPT::Aco、YAT1::MCS::Lip1、FBA::MCS::Lip1、YAT1::MaLPAAT1S::Pex16であった。上記定義されていない略語は、以下のとおり:EaD9eS/EgD8Mは、ユーグレナ・アナベナ(Euglena anabaena)δ−9エロンガーゼ[米国特許第7,794,701号明細書]に由来するコドン最適化δ−9エロンガーゼ遺伝子(「EaD9eS」)とδ−8デサチュラーゼ「EgD8M」(前出)[米国特許出願公開第2008−0254191−A1号明細書]とを連結させて作出されたDGLAシンターゼであり;MaLPAAT1Sは、モルティエラ・アルピナ(Mortierella alpina)米国特許第7,879,591号明細書]に由来するコドン最適化リゾホスファチジン酸アシルトランスフェラーゼ遺伝子である。
Y9502株の総脂質含有率および組成の詳述な分析のために、細胞を2段階で合計7日間成長させるフラスコアッセイを実施した。分析に基づいて、Y9502株は3.8g/Lの乾燥細胞重量[「DCW」]を生成し、細胞の総脂質含有率は37.1[「TFA%DCW」]であり、乾燥細胞重量のパーセントとしてのEPA含有率[「EPA%DCW」]は21.3であり、それぞれの脂肪酸濃度をTFAの重量パーセント[「%TFA」]とする脂質プロファイルは以下のとおりであった:16:0(パルミテート)は2.5、16:1(パルミトレイン酸)は0.5、18:0(ステアリン酸)は2.9、18:1(オレイン酸)は5.0、18:2(LA)は12.7、ALAは0.9、EDAは3.5、DGLAは3.3、ARAは0.8、ETrAは0.7、ETAは2.4、EPAは57.0、その他は7.5。
発酵:振とうフラスコ中で、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)の凍結培養物から接種材料を調製した。インキュベーション期間後、培養物を使用して種発酵槽に接種した。種培養物が適切な標的細胞密度に達したとき、次いでそれを使用してより大きな発酵槽に接種した。発酵は、2段階流加法である。第1の段階において、高細胞密度への急速成長を促進する条件下で酵母を培養し;培養培地は、グルコース、種々の窒素源、微量金属、およびビタミンを含むものであった。第2の段階において、酵母を窒素飢餓状態にし、グルコースを連続的にフィードして脂質およびPUFAの蓄積を促進した。標準操作条件につき温度(30〜32℃に制御)、pH(5〜7に制御)、溶解酸素濃度およびグルコース濃度を含むプロセス可変要素をモニタリングおよび制御して一貫したプロセス性能および最終PUFA油の品質を確保した。
発酵当業者は、発酵ラン自体、培地条件、プロセスパラメーター、スケールアップなど、ならびに培養物をサンプリングする特定の時点に応じて規定のヤロウィア(Yarrowia)株の油プロファイルに変動が起きることを把握する(例えば米国特許出願公開第2009−0093543−A1号明細書参照)。
下流加工:加工前に抗酸化剤を発酵ブロスに場合により添加して、EPA油の酸化安定性を確保した。酵母バイオマスを脱水し、洗浄して塩と残留培地を除去し、リパーゼ活性を最小化した。次いで、ドラム乾燥(典型的に80psigの蒸気による)または噴霧乾燥のいずれかを実施して水分レベルを5%未満に低減させ、短期貯蔵および輸送の間の油安定性を確保した。約10から100ミクロンの範囲の粒子サイズ分布を有するドラム乾燥フレーク、または噴霧乾燥粉末を、以下の比較例および実施例において最初の「含油微生物を含む微生物バイオマス」として使用した。
粉砕剤:Celite 209珪藻土は、Celite Corporation,Lompoc,CAから入手可能である。Celatom MN−4珪藻土は、EP Minerals,An Eagle Pitcher Company,Reno,NVから入手可能である。
他の材料:全ての市販の試薬はそのまま使用した。使用された全ての溶媒は、HPLCグレードであった。塩化アセチルは、99+%であった。TLCプレートおよび溶媒は、VWR(West Chester,PA)から入手した。HPLCまたはSCFグレード二酸化炭素は、MG Industries(Malvern,PA)から入手した。
方法
2軸スクリュー押出法
粉砕剤を用いる乾燥酵母バイオマスの破砕および破砕バイオマス混合物の調製において、2軸スクリュー押出を使用した。
乾燥酵母を押出機、好ましくは、下記操作を達成するために好適な長さ、通常21〜39L/Dを有する2軸スクリュー押出機中にフィードする(しかし、この特定のL/D比は本明細書において限定的なものとみなされるべきではない)。押出機の第1の区画を使用して材料をフィードおよび輸送する。第2の区画は、次第に短くなるピッチ長を有するブッシュエレメントを使用してフィードを圧密および圧縮するように設計された圧密帯域である。圧密帯域後、細胞破砕に要求される機械的エネルギーのほとんどを付与するために機能する圧縮帯域が続く。この帯域は、リバーススクリューエレメントまたはニーディングエレメントの形態のいずれかの流動制限を使用して作出される。破砕バイオマスを調製するとき、粉砕剤(例えば、珪藻土)を微生物バイオマスフィードと、両方が圧縮/圧密帯域を通るように同時にフィードし、こうして破砕レベルを向上させる。圧縮帯域後、結合剤(例えば、水/スクロース溶液)を液体注入ポートを介して添加し、混合エレメントの種々の組合せからなる後続の混合区画中で混合する。最終混合物(すなわち、「固定可能な混合物」)は、端部において開口する最終バレルを介して排出し、こうして押出機中の背圧をほとんど生じさせないかまたは生じさせない。次いで、固定可能な混合物をドーム粗砕機および振動または流動床乾燥機のいずれかにフィードする。これは、下流の油抽出に好適なペレット化材料(すなわち、固体ペレット)をもたらす。
COによるSCF抽出
以下の実施例における酵母試料の超臨界CO抽出は、図1のフローシートに例証される特注高圧抽出装置中で実施した。一般に、乾燥および機械的に破砕された酵母細胞(自由流動する、またはペレット化されたもの)を、グラスウールのプラグ間で充填された抽出容器(1)に装填し、COによりフラッシュし、次いでCO流下で所望の操作条件に加熱および加圧した。89ml抽出容器は、316SS管(2.54cmのo.d.x1.93cmのi.d.x30.5cmの長さ)から製作し、容器の流出端部上に2ミクロン焼結金属フィルターを備えた。抽出容器を、自動化温度制御装置により制御される4つのcalrod加熱カートリッジを備える特注機械加工アルミニウムブロックの内側に設置した。排出管を備える市販のシリンダー(2)からCOを液体として直接フィードし、冷蔵ヘッドアセンブリ(JascoモデルPU−1580−CO2)を備える高圧容積式ポンプ(3)により計量供給した。抽出圧力は、容器の流出側上で流動制限を提供する自動背圧調節装置(4)(JascoモデルBP−1580−81)により維持し、抽出油試料を試料容器中で回収する一方、同時にCO溶媒を大気に発散させた。
報告される酵母試料からの油抽出収率は、抽出の間の試料からの質量損失を計測することにより重量測定した。したがって、報告される抽出油は、微生物油および固体ペレットに伴う水分を含む。
実施例
比較例C1、C2A、C2B、実施例1、実施例2ならびに比較例C3およびC4:ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)のドラム乾燥フレークからの破砕バイオマス混合物を作出するための手段の比較
比較例C1、C2A、C2B、C3およびC4ならびに実施例1および2は、酵母(すなわち、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y8672株)のドラム乾燥フレークの破砕を最適化するために実施された一連の比較試験を記載する。具体的には、粉砕剤を添加するかまたは添加しないハンマーミル処理を試験し、単軸スクリューまたは2軸スクリュー押出機のいずれかを使用した。結果を総遊離微生物油および微生物細胞の破砕効率、ならびに総抽出収率(超臨界CO抽出に基づく)に基づき比較する。
比較例C1:
粉砕剤を用いないハンマーミル処理酵母粉末
24.2%の総油(乾燥重量)を含有する酵母(ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y8672株)バイオマスのドラム乾燥フレークを、周囲温度においてジャンプギャップ(jump gap)分別機を16000rpmにおいて使用して3つのハンマーによりハンマーミル処理(12Kg/hのフィード速度におけるMikropul Bantamミル)してミル処理粉末を提供した。ミル処理粉末の粒子サイズは、フラウンホーファーレーザー回折を使用して水中で懸濁させて分析してd10=3μm;d50=16μmおよびd90=108μmであった。
比較例C2A:
粉砕剤および空気ミル混合を用いるハンマーミル処理酵母粉末
比較例C1により提供されたハンマーミル処理酵母粉末(833g)を、空気(ジェット)ミル(Fluid Energy Jet−o−mizer 0101、6Kg/hのフィード速度)中でCelite 209珪藻土(167g)と周囲温度において約20分間混合した。
比較例C2B:
粉砕剤および手動混合を用いるハンマーミル処理酵母粉末
比較例C1により提供されたハンマーミル処理酵母粉末(833g)を、プラスチックバッグ中でCelite 209珪藻土(167g)と手動で混合した。
実施例1:
粉砕剤、手動混合、および単軸スクリュー押出機を用いるハンマーミル処理酵母粉末
比較例C2Bからの珪藻土を有するハンマーミル処理酵母粉末(1000g)を、17.6重量%のスクロース水溶液(291.6gの水中62.5gのスクロース)とHobart混合機中で約2.5分間混合し、次いで1mmの開口部を有する単軸スクリュードーム粗砕機に通して押出した(50〜200psi、550in−lbsを超過しないトルク;40℃以下の押出物温度)。押出物を流動床乾燥機中で、65℃に制御された流動空気を使用して50℃の床温度に乾燥させて、約14分後に3.9%の残留水を有する非粘着ペレット(815g、2から8mmの長さおよび約1mm直径の寸法を有する)を提供した。
実施例2:
粉砕剤、空気ミル混合、および単軸スクリュー押出機を用いるハンマーミル酵母処理粉末
比較例C2Aからの珪藻土を有するハンマーミル酵母粉末(1000g)を実施例1に従って加工して、約10分後に6.9%の残留水を有するペレット(855g、2から8mmの長さおよび約1mm直径の寸法を有する)を提供した。
比較例C3:
粉砕剤を用いず、2軸スクリュー押出機を用いるハンマーミル処理酵母粉末
比較例C1から提供されたハンマーミル処理酵母粉末を、10kWのモーターおよび高トルクシャフトにより150rpmおよび66〜68の%トルク範囲において稼働する18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC,Stuttgart,Germany)に2.3kg/hrにおいてフィードして最終水冷バレル中で26℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
比較例C4:
粉砕剤を用いず、2軸スクリュー押出機を用いる酵母粉末
24.2%の総油を含有する酵母(ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y8672株)バイオマスのドラム乾燥フレークを、10kWのモーターおよび高トルクシャフトにより150rpmおよび71〜73の%トルク範囲において稼働する18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に2.3kg/hrにおいてフィードして最終水冷バレル中で23℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
破砕酵母粉末における遊離微生物油および破砕効率の比較
遊離微生物油および破砕効率は、実施例1および2、ならびに比較例C1〜C4の破砕酵母粉末において以下の方法に従って測定した。具体的には、押出バイオマス試料の遊離油および総油含有率は、Troeng(J.Amer.Oil Chemists Soc.,32:124−126(1955))により報告された方法の改変バージョンを使用して測定した。この方法において、押出バイオマスの試料を、計測容積のヘキサンを有するステンレス鋼遠心分離管中に秤量した。総油を測定すべき場合、いくつかのクロム鋼ボールベアリングを添加した。遊離油を測定すべき場合、ボールベアリングは使用しなかった。次いで、管にキャップし、シェーカー上に2時間装入した。振とうさせた試料を遠心分離し、上清を回収し、容積を計測した。一定の重量が得られるまで、ヘキサンを上清から、最初に回転フィルム蒸発により、次いで乾燥窒素流下での蒸発により蒸発させた。次いで、この重量を使用して元の試料中の遊離または総油の割合を計算した。油含有率は、試料の含水率の計測によりパーセント乾燥重量基準で表現し、適宜補正する。
パーセント破砕効率(すなわち、加工の間に破断した細胞壁のパーセント)は、光学的可視化により定量した。
表4は、実施例1および2、ならびに比較例C1〜C4についての酵母細胞破砕効率データをまとめ、以下のことを表す:
比較例C1は、粉砕剤の不存在下でのハンマーミル処理が酵母細胞の33%の破砕をもたらすことを示す。
比較例C2Aは、粉砕剤の存在下でのハンマーミル処理酵母の空気ジェットミル処理が、酵母細胞の破砕を62%に増加させることを示す。
実施例1は、粉砕剤の存在下でのHobart単軸スクリュー混合機中でのハンマーミル処理酵母(比較例C1からのもの)のさらなる混合が、酵母細胞の破砕を38%に増加させることを示す。
実施例2は、Hobart単軸スクリュー混合機中での空気ミル処理およびハンマーミル処理酵母と粉砕剤(比較例C2Aからのもの)とのさらなる混合が、酵母細胞の破砕を57%に増加させることを示す。
比較例C3およびC4は、粉砕剤の不存在下、ハンマーミル処理を用いるかまたは用いない場合(それぞれ)、圧縮帯域を有する2軸スクリュー押出を使用すると、酵母細胞破砕は80%超であったことを示す。
Figure 2014507944
SCF抽出
抽出容器に、約25g(酵母基準)の比較例C1、C2AおよびC4の破砕酵母バイオマスをそれぞれ装填した。酵母をCOによりフラッシュし、次いで約40℃に加熱し、約311barに加圧した。酵母をこれらの条件において4.3g/minのCOの流速において約6.7hr抽出し、約75gのCO/g酵母の最終溶媒フィード(S/F)比を得た。抽出収率を表5に報告する。
データは、より高い細胞破砕は、粗製抽出油の重量パーセントとして計測された顕著に高い抽出収率をもたらすことを示す。
Figure 2014507944
比較例C5A、C5B、C5C、C6A、C6BおよびC6C:
ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)から破砕バイオマス混合物を作出するための手段の比較
比較例C5A、C5B、C5C、C6A、C6BおよびC6Cは、破砕酵母粉末を調製するために実施された一連の比較試験を記載し、最初の微生物バイオマスは、2軸スクリュー押出機中で粉砕剤と混合したかまたは混合しない酵母のドラム乾燥フレークまたは噴霧乾燥粉末であった。
比較例C5A、C5B、C5C、C6A、C6BおよびC6Cのそれぞれにおいて、最初の酵母バイオマスは、2.8%の水分レベルを有し、約36%の総油を含有するヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y9502株からのものであった。乾燥酵母フレークまたは粉末(粉砕剤を有するかまたは有さない)を、10kWのモーターおよび高トルクシャフトにより150rpmにおいて稼働する18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)にフィードした。得られた破砕酵母粉末を最終水冷バレル中で冷却した。
次いで、比較例C5A、C5B、C5C、C6A、C6BおよびC6Cにおいて調製された破砕酵母粉末を超臨界CO抽出に供し、総抽出収率を比較した。
比較例C5A:
粉砕剤を用いないドラム乾燥酵母フレーク
酵母バイオマスのドラム乾燥フレークを、34〜35の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に2.3kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を27℃に冷却した。
比較例C5B:
粉砕剤を用いるドラム乾燥酵母フレーク
92.5部の酵母バイオマスのドラム乾燥フレークを、7.5部のCelite 209珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、44〜47の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に2.3kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を29℃に冷却した。
比較例C5C:
粉砕剤を用いるドラム乾燥酵母フレーク
85部の酵母バイオマスのドラム乾燥フレークを、15部のCelite 209珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、48〜51の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に2.3kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を29℃に冷却した。
比較例C6A:
粉砕剤を用いない噴霧乾燥酵母粉末
酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末を、33〜34の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に1.8kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を26℃に冷却した。
比較例C6B:
粉砕剤を用いる噴霧乾燥酵母粉末
92.5部の酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末を、7.5部のCelite 209珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、37〜38の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に1.8kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を26℃に冷却した。
比較例C6C:
粉砕剤を用いる噴霧乾燥酵母粉末
85部の酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末を、15部の珪藻土(Celite 209)とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、38〜39の%トルク範囲により稼働する2軸スクリュー押出機に1.8kg/hrにおいてフィードした。破砕酵母粉末を27℃に冷却した。
SCF抽出
抽出容器に、11.7g(酵母基準)の比較例C5A、C5B、C5C、C6A、C6BおよびC6Cの破砕酵母バイオマスをそれぞれ装填した。酵母をCOによりフラッシュし、次いで約40℃に加熱し、約311barに加圧した。酵母試料をこれらの条件において4.3g/minのCOの流速において約3.2hr抽出し、約76.6gのCO/g酵母の最終溶媒フィード(S/F)比を得た。種々の配合物についての抽出収率を表6に報告する。
データは、粉砕剤としての珪藻土を有する試料(すなわち、比較例C5B、C5C、C6BおよびC6C)が、珪藻土が存在しない場合(すなわち、比較例C5AおよびC6A)よりも高い抽出収率をもたらすことを示す。
Figure 2014507944
実施例3、4、5、6、7、8、9および10
ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)から固体ペレットを作出するための手段の比較
実施例3〜10は、酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末またはドラム乾燥フレークを、粉砕剤および結合剤と混合して固体ペレットを提供するために実施された一連の比較試験を記載する。
実施例3〜10のそれぞれにおいて、最初の酵母バイオマスは、2.8%の水分レベルを有し、約36%の総油を含有するヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)Y9502株からのものであった。約1mm直径×2〜8mm長さの固体ペレットの調製後、ペレットを超臨界CO抽出に供し、総抽出収率を比較した。固体ペレットの機械的圧縮特性および耐摩耗性も分析した。
実施例3:
85部の酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末を、15部のCelatom MN−4珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に2.3kg/hrにおいてフィードした。乾燥フィードとともに、14部の水および5.1部の糖から作製された水/糖溶液を、押出機の破砕帯域後に8.2ml/minの流速において注入した。押出機は、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、150rpmおよび58〜60の%トルク範囲において稼働して最終水冷バレル中で24℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
次いで、固定可能な混合物を、1mm穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、70RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機中にフィードした。押出物を67.5kg/hrおよび定常2.7アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で10分間乾燥させて、7.1%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例4:
実施例3に従って調製された固定可能な混合物を、粗砕機に45RPMにおいて導通させた。押出物を31.7kg/hrにおいて形成し、Sherwood乾燥機中で10分間乾燥させて8.15%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例5:
実施例3に従って調製された固定可能な混合物を、粗砕機に90RPMにおいて導通させた。押出ペレットをMDB−400流動床乾燥機中で15分間乾燥させて4.53%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例6:
85部の酵母バイオマスの噴霧乾燥粉末を、15部のCelatom MN−4珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、150rpmおよび70〜74の%トルク範囲において稼働する18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に2.3kg/hrにおいてフィードして最終水冷バレル中で31℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
次いで、破砕酵母粉末を、スクロースおよび水の22.6%溶液(すなわち、17.5部の水および5.1部の糖)とKitchen Aid混合機中で混合した。総混合時間は4.5分間であり、最初の2分間にわたり溶液を添加した。
固定可能な混合物を、1mmの穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、70RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機にフィードした。押出物を71.4kg/hrおよび定常2.7アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で合計20分間乾燥させて6.5%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例7:
実施例6に従って調製された破砕酵母粉末を、スクロースおよび水の22.6%溶液(すなわち、17.5部の水および5.1部の糖)を有するKDHJ−20回分式シグマブレードニーダー中に装入した。総混合時間は3.5分間であり、最初の2分間にわたり溶液を添加した。
固定可能な混合物を、1mmの穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、90RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機にフィードした。押出物を47.5kg/hrおよび定常2.3アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で合計15分間乾燥させて7.4%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例8:
酵母バイオマスのドラム乾燥フレークを、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、150rpmおよび38〜40の%トルク範囲において稼働する18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に1.8kg/hrにおいてフィードして最終水冷バレル中で30℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
破砕酵母粉末(69.5部)を、12.2%のCelite 209珪藻土(12.2部)および水と糖との比3.3から作製されたスクロース水溶液(18.3部)とKitchen Aid混合機中で混合した。総混合時間は4.5分間であり、最初の2分間にわたり溶液を添加した。
固定可能な混合物を、1mmの穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、90RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機にフィードした。押出物を68.2kg/hrおよび定常2.5アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で合計15分間乾燥させて6.83%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例9:
酵母バイオマスのドラム乾燥フレーク(85部)を、15部のCelite 209珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に2.3kg/hrにおいてフィードした。乾燥フィードとともに、14部の水および5.1部の糖から作製された水/糖溶液を、押出機の破砕帯域後に8.2ml/minの流速において注入した。押出機は、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、150rpmおよび61〜65の%トルク範囲において稼働して最終水冷バレル中で25℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
次いで、固定可能な混合物を、1mm穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、90RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機中にフィードした。押出物を81.4kg/hrおよび定常2.5アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で15分間乾燥させて、8.3%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。
実施例10:
酵母バイオマスのドラム乾燥フレーク(85部)を、15部のCelatom NM−4珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に4.6kg/hrにおいてフィードした。乾燥フィードとともに、14部の水および5.1部の糖から作製された水/糖溶液を、押出機の破砕帯域後に8.2ml/minの流速において注入した。押出機は、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、300rpmおよび約34の%トルク範囲において稼働して破砕酵母粉末を提供した。
次いで、固定可能な混合物を、1mm穴径×1mm厚スクリーンにより組み立てられ、90RPMに設定されたMG−55LCIドーム粗砕機中にフィードした。押出物を81.4kg/hrおよび定常2.5アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で15分間乾燥させて固体ペレットを提供した。
固体ペレットの圧縮試験および耐摩耗性
圧縮試験を以下のとおり実施した。ASTM規格D−6683に記載の試験装置およびプロトコルを使用して外部負荷、例えばガス圧勾配により負荷されるものに対する固体ペレットの応答を評価した。本試験において、既知質量の容積を機械的に適用される圧密ストレスの関数として計測する。結果の片対数グラフは、典型的には、試料の圧縮を反映する傾きβを有する直線である。βの値が高ければ圧縮が大きいことを反映する。この圧縮は、加工の間に不所望な隔離およびガス流制限をもたらす粒子破損を示し得る。
ASTM試験の最後、負荷をペレット上でさらに2時間維持し、加工時間の延長を模擬した。2時間後に計測されたクリープは、固体ペレットが変形する見込みのさらなる指標である。クリープが低ければ変形が少ないことを示す。
次いで、試料を含有する試験セルを反転させ、ペレット試料を注ぎ出した。必要により、セルを穏やかにタップして内容物を放出させた。セルを空にすることの容易性およびペレットの得られるテキスチャー(すなわち、ルーズまたは凝集)を記録した。
試験後のテキスチャーは、事前の計測において使用された試験セルを空にするのがいかに困難であるかの定性的観察である。最も望ましい試料は直ちに注ぎ出た一方、一部の試料はタップの量の増加を要し、大きい塊になり得た(すなわち、あまり望ましくない)。
耐摩耗性を測定するため、次いで圧縮試験ASTM試験において事前に圧縮した固体ペレット(10g)を3インチ直径の500ミクロンの篩に移した。篩を手作業でタップして500ミクロンよりも小さいペレットのいかなる最初の断片も除去した。残留ペレットの正味重量を記録した。次いで、それぞれ0.50インチ直径×0.50インチ厚でそれぞれ重量5.3グラムの3つの円筒粉砕媒体ビーズを、篩に添加した。篩を自動篩いシェーカー(Gilson Model SS−3、「8」の設定、自動化タップ「オン」)に装入し、2、5または10分の時間振とうさせた。粉砕媒体ビーズは、ペレットにランダムな角度から何度も衝突する。振とう後、篩下のパンを秤量して摩耗し、篩を介して落下した材料の量を測定した。本試験は、油抽出プロセス後のペレットの極めて粗い取扱を模擬するものとする。
実施例3〜10からの固体ペレットをそれぞれ分析してそれらの圧縮特性および耐摩耗性を決定した。結果を以下に表7にまとめる。
Figure 2014507944
SCF抽出
抽出容器に、実施例3〜9からの固体ペレット(乾燥重量基準、表8に列挙)をそれぞれ装填した。ペレットをCOによりフラッシュし、次いで約40℃に加熱し、約311barに加圧した。ペレットをこれらの条件において4.3g/minのCOの流速において約6.8hr抽出し、約150gのCO/g酵母の最終溶媒フィード(S/F)比を得た。一部の実施例において、総抽出時間が11.6時間になるように第2のランをさらに4.8時間実施した。油抽出収率および抽出に使用された規定のパラメーターを表8に列挙する。
Figure 2014507944
残留ペレット(抽出後)の圧縮試験および耐摩耗性
SCF抽出後、実施例3〜9からの残留ペレットをそれぞれ分析してそれらの圧縮特性および耐摩耗性を決定した。結果を以下の表9にまとめる。
Figure 2014507944
上記に基づき、本明細書に記載の方法[すなわち、(a)ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供する工程;(b)少なくとも1つの結合剤を前記破砕バイオマ
ス混合物とブレンドして固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供する工程;ならびに(c)固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成する工程を含む方法]は、ヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)からの破砕微生物バイオマスを含む固体ペレットを生成するために首尾良く利用することができることが結論づけられる。さらに、本実施例は、固体Y・リポリティカ(Y.lipolytica)ペレットを溶媒(すなわち、SCF抽出)により抽出して微生物油を含む抽出物を提供することができることを実証する。
実施例11
ナンノクロロプシス・アルガエ(Nannochloropsis Algae)からの固体ペレットの作出およびその油抽出
本実施例は、ヤロウィア(Yarrowia)以外の微生物バイオマスを用いる使用についての本明細書に開示される方法論の適用性を実証するために実施された試験を記載する。具体的には、ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)バイオマスを、粉砕剤および結合剤と混合して固体ペレットを提供した。これらのペレットを超臨界CO抽出に供し、総抽出収率を比較した。
Kuehnle Agrosystems,Inc.(Honolulu,HI)は、購入用の種々の純培養の単藻ストック藻類を提供している。依頼時、少なくとも20%の脂質含有率を有する適切な微生物バイオマスとして、ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)種を含む藻類KAS604株が提案された。バイオマスを標準条件(油含有率について最適化しない条件)下で成長させ、Kuehnle Agrosystems,Inc.により乾燥させ、次いで微細藻類粉末を以下の使用のために購入した。
91.7部の微細藻類粉末を、8.3部のCelatom MN−4珪藻土とバッグ中で予備混合した。得られた乾燥混合物を、18mm2軸スクリュー押出機(Coperion Werner Pfleiderer ZSK−18mm MC)に0.91kg/hrにおいてフィードした。乾燥フィードとともに、10.9部の水および5.0部の糖から作製された糖の31%水溶液を、押出機の破砕帯域後に2.5mL/minの流速において注入した。押出機は、10kWモーターおよび高トルクシャフトにより、200rpmおよび46〜81の%トルク範囲において稼働して最終水冷バレル中で31℃に冷却された破砕酵母粉末を提供した。
次いで、固定可能な混合物を、1.2mm穴径×1.2mm厚スクリーンにより組み立てられ、20RPMに設定されたMG−55 LCIドーム粗砕機中にフィードした。押出物を20kg/hrおよび6〜7アンペア電流において形成した。試料をSherwood乾燥機中で70℃において20分間乾燥させて4.9%の最終水分レベルを有する固体ペレットを提供した。約1.2mm直径×2〜8mm長の固体ペレットは、82.1%の藻類であり、組成物の残部はペレット化助剤であった。次いで、固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレット中の総油および遊離油の量を測定し、SCFにより固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレットから抽出された油の量と比較した。
固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレットの総油含有率の測定
具体的には、総油は、ペレット化試料について、乳鉢または乳棒を使用してそれを穏やかに微粉末に粉砕し、次いで分析のためのアリコート(トリプリケートで)を秤量することにより測定した。試料中の脂肪酸(主としてトリグリセリドとして存在)を、80℃における塩化アセチル/メタノールとの反応により対応するメチルエステルに変換させた。次いで、C15:0内部標準を、較正目的のために既知量でそれぞれの試料に添加した。個々の脂肪酸の測定は、火炎イオン化検出(GC/FID)を用いるキャピラリーガスクロマトグラフィーにより行った。脂肪酸(トリグリセリド形態で表現)の総和は6.1%であり;これを試料の総油含有率と解釈した。正規化後、ペレット中の藻類は総質量の82.1%のみを表したため、藻類の総油含有率は7.4%と決定した(すなわち、6.1%を0.821で割った)。
総油試料内の個々の脂肪酸の分布を以下の表に示す。
Figure 2014507944
固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレットの遊離含油率の測定
遊離油は、通常、試料をn−ヘプタンと撹拌し、遠心分離し、次いで上清を乾燥するまで蒸発させることにより測定する。次いで、得られた残留油を重量測定し、元の試料の重量割合として表現する。この手順は、ペレット化藻類試料について十分でないことが見出された。それというのも、得られた残留物が顕著なレベルの色素を含有したためである。したがって、上記手順は、上記の残留物を回収し、既知量のC15:0内部標準を添加し、次いで総油測定と同一のパラメーターを使用するGC/FIDにより分析することにより改変した。このようにして、試料の遊離油含有率を3.7%と測定した。正規化後、藻類の遊離油含有率は4.5%(すなわち、3.7%を0.821で割った)と測定した。
固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレットのSCF抽出
抽出容器に、24.60gの固体ペレット(乾燥重量基準)を装填し、粉砕剤および結合剤を補正すると約21.24gの藻類をもたらした。ペレットをCOによりフラッシュし、次いで約40℃に加熱し、約311barに加圧した。ペレットをこれらの条件において3.8g/minのCOの流速において約6.7hr抽出し、約71gのCO/g藻類の最終溶媒フィード(S/F)比を得た。抽出収率は装填された藻類の6.2%であった。
上記に基づき、本明細書に記載の方法[すなわち、(a)ある水分レベルを有し、含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して破砕バイオマス混合物を提供する工程;(b)少なくとも1つの結合剤を前記破砕バイオマス混合物とブレンドして固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供する工程;ならびに(c)固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成する工程を含む方法]は、ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)からの破砕微生物バイオマスを含む固体ペレットを生成するために首尾良く利用することができることが結論づけられる。本方法論は、多くの他の含油微生物に好適であることが証明されることが仮定されるが、それぞれの特定の微生物についてのプロセスの最適化が破砕効率の増加をもたらすことが予期される。さらに、本実施例は、固体ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)ペレットを種々の手段において溶媒により抽出して油を含む抽出物を提供することができることを実証する。当技術分野において周知のとおり、異なる抽出法は、異なる量の抽出油をもたらし;抽出収率は、抽出プロセスの最適化時に特定の固体ペレットについて増加させることができることが予期される。

Claims (18)

  1. a)ある水分レベルを有し含油微生物を含む微生物バイオマス、および少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤を混合して、破砕バイオマス混合物を提供すること;
    b)少なくとも1つの結合剤を前記破砕バイオマス混合物とブレンドして、固体ペレットを形成し得る固定可能な混合物を提供すること;ならびに
    c)前記固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成すること
    を含む方法。
  2. 前記少なくとも1つの粉砕剤が、好ましくは
    a)前記少なくとも1つの粉砕剤は、2.0から6.0のMoh硬度およびASTM法D1483−60に従って測定される0.8以上の吸油係数を有する粒子である;
    b)前記少なくとも1つの粉砕剤は、シリカおよびケイ酸塩からなる群から選択される;ならびに
    c)前記少なくとも1つの粉砕剤は、前記固体ペレット中の微生物バイオマス、粉砕剤および結合剤の質量の総和に対して約1から20質量パーセント存在する、
    からなる群から選択される特性を有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記微生物バイオマスの水分レベルが、約1から10質量パーセントの範囲である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記少なくとも1つの結合剤が、好ましくは
    a)前記少なくとも1つの結合剤は、水ならびにスクロース、ラクトース、フルクトース、グルコース、および可溶性デンプンからなる群から選択される炭水化物から選択される;ならびに
    b)前記少なくとも1つの結合剤は、前記固体ペレット中の微生物バイオマス、粉砕剤および結合剤の質量の総和に対して約0.5から10質量パーセント存在する、
    からなる群から選択される特性を有する、請求項1に記載の方法。
  5. 前記バイオマスを混合する工程(a)および少なくとも1つの結合剤をブレンドする工程(b)を押出機中で実施し、同時に実施し、または押出機中で同時に実施する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記固定可能な混合物から前記固体ペレットを形成する工程(c)は、
    (i)前記固定可能な混合物をダイに通して押出してストランドを形成すること;
    (ii)前記ストランドを乾燥および破壊すること;ならびに
    (iii)前記固定可能な混合物をダイに通して押出してストランドを形成する工程(i)ならびに前記ストランドを乾燥および破壊する工程(ii)の組合せ
    からなる群から選択される工程を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記固体ペレットが、約0.5から約1.5mmの平均直径および約2.0から約8.0mmの平均長さを有する、請求項1に記載の方法。
  8. 前記固体ペレットを、粗砕機を使用して形成し、流動床乾燥機を使用して乾燥させ、または粗砕機を使用して形成し、かつ流動床乾燥機を使用して乾燥させる、請求項1に記載の方法。
  9. 前記含油微生物が、酵母、藻類、菌類、細菌、ユーグレナ類、ストラメノパイル、卵菌綱からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  10. 前記含油微生物が、少なくとも1つの多価不飽和脂肪酸を油中に含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記微生物バイオマスが、前記含油微生物の少なくとも50%の破壊効率を有する破砕バイオマスである、請求項1に記載の方法。
  12. 前記微生物バイオマスを、
    (a)約0.04から0.4KW/(kg/hr)の総比エネルギーインプット(SEI);
    (b)次第に短くなるピッチ長を有するブッシュエレメントを使用する圧密帯域;および
    (c)流動制限を使用する圧縮帯域
    を含む2軸スクリュー押出機中で破砕して破砕バイオマスを生成し;
    前記押出機中で前記圧密帯域は前記圧縮帯域よりも先行する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記流動制限を、好ましくは、リバーススクリューエレメント、制限/ブリスターリングエレメントまたはニーディングエレメントから提供する、請求項11に記載の方法。
  14. d)溶媒により前記固体ペレットを抽出して油を含む抽出物を提供することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
  15. 前記溶媒が、液体または超臨界流体二酸化炭素を含む、請求項12に記載の方法。
  16. 請求項1に記載の方法により作製されたペレット化含油微生物バイオマス。
  17. a)約70から約98.5質量パーセントの、含油微生物を含む破砕バイオマス;
    b)約1から約20質量パーセントの、少なくとも1つの吸油し得る粉砕剤;および
    c)約0.5から10質量パーセントの少なくとも1つの結合剤
    を含み、(a)、(b)および(c)の質量パーセントは、固体ペレット中の(a)、(b)および(c)の総和に対する固体ペレット。
  18. (a)約0.5から約1.5mmの平均直径および約2.0および約8.0mmの平均長さ;ならびに
    (b)約0.1から5.0質量パーセントの水分レベル
    からなる群から選択される特性を有する、請求項17に記載の固体ペレット。
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