JP2016523541A - 機械的な粉砕によりクロレラの細胞壁を破壊するための最適化された方法 - Google Patents

機械的な粉砕によりクロレラの細胞壁を破壊するための最適化された方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、工業規模でクロレラ(Chlorella)属の微細藻類の細胞を機械的に粉砕する方法であって、前記機械的な粉砕を水平ボールミルシステム中で実行し、ボールの見掛け密度が2〜3.5kg/lであり、粉砕チャンバの充填率が80%以上であり、好ましくは85%以上であり、機械的な粉砕を一連の連続したパスにより連続的に実行することを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、工業規模で、クロレラ(Chlorella)属の微細藻類の細胞壁を、より具体的にはクロレラ・ブルガリス(Chlorella vulgaris)、クロレラ・ソロキニアナ(Chlorella sorokiniana)またはクロレラ・プロトセコイデス(Chlorella protothecoides)の細胞壁を破壊するために最適化された方法に関する。
クロレラが潜在的な食料源であることは当業者に公知である。なぜならば、クロレラはタンパク質およびその他の必須栄養素に富むからである。
クロレラは、具体的には、タンパク質45%、脂質20%、炭水化物20%、繊維5%ならびにミネラルおよびビタミンを10%含む。
クロレラを食品に効率的に使用するためには、クロレラの消化率および吸収率を促進するために、「細胞の破壊」を利用することが多い。
この微細藻類の「細胞の破壊」は、下記の様々な技術を使用する特許文献および非特許文献によく記載されている:
− 物理的技術(超音波、マイクロビーズ、ヒートショック、高圧等)
− 化学的技術(酸、アルカリ、親水性有機溶媒等)
− 酵素的技術(セルラーゼ、リパーゼ等)。
これらの技術は、例えば、韓国特許出願第2012/0064786号明細書、中国特許第101756300号明細書、特開平05−68536号公報、特開昭49−71187号公報もしくは米国特許第5330913号明細書に記載されている、またはANASABE Annual International MeetingのSander
& Murthy,2009、もしくはApplied Biochemistry,164,7,1215−1224のZheng et al.,2011等の科学論文に記載されている。
しかしながら、これら様々な機械的、化学的または酵素的アプローチを、あまり効果的に工業規模まで外挿することができるわけではないことが一般に惜しまれている。
微細藻類のバイオマスを処理する必要がある場合には、実際に下記のような相当な困難がある:
− 高い細胞密度を有し(>100g/l)、および/または
− 微細藻類の細胞壁は特に高い機械的強度を有する。
このことは、クロレラ属の微細藻類の大部分に当てはまる。
微細藻類の生理機能に関連する困難さに加えて、下記のタイプの工業的制約が存在する場合には、細胞破壊方法の技術的選択は、より一層制限されることになる:
− 高い生産力、
− 信頼性、
− 運営コスト、
− 投資コスト等。
最後に、工業規模では、当業者は、化学的および酵素的アプローチを犠牲にしても機械的粉砕技術、より具体的には下記の2つの選択肢を有する機械的粉砕技術の方を好む:
− マイクロビーズを使用する粉砕、または
− 高圧破裂技術。
仮にそうだとしても、微生物の粉砕は著しいエネルギー投入を必要とするため、原価に無視できない影響を与えている。
このことは、非常に強い細胞壁を有するクロレラ類の微細藻類に関して、特に当てはまる。
「ビーズミル」(水平ビーズミル)技術は、これら様々な問題を満足させることができる技術的選択を構成する。
しかしながら、下記:
− 設備投資、特に開発コストおよび非消耗原価項目に関する設備投資(頭字語「CAPEX」)、ならびに
− 作業費用、特にエネルギー費用(頭字語「OPEX」)
に関する「ビーズミル」の影響は、有意に、設備性能レベルを改善するための最適化を必要とする。
これら技術的および財務上の両方の全ての制約は、工業規模でのこの「ビーズミル」技術の開発の抑制を構成する。
これらの制約を克服すべく、本出願人は、エネルギーコスト(OPEX)の最適化を達成するために、さらには、これを達成するために必要な投資能力(CAPEX)の最適化も達成するために、ビーズミル技術の制御の改善を実行することを選択した。
これを行うために、本出願人は、このビーズミル技術を実施する上でのキーパラメータの影響を実験室規模で評価するために検討することを選択し、前記キーパラメータは、OPEXおよびCAPEXの最適化を工業規模で調整する。
これらのキーパラメータは、
・ビーズの密度、
・ビーズの直径、
・粉砕チャンバの充填率、
・パスモード、
・粉砕ディスクの周速、
・細胞濃度
である。
この作業により、本出願人は、クロレラ(Chlorella)属の微細藻類の細胞を工業規模で機械的に粉砕する方法であって、機械的な粉砕を水平ビーズミル型のシステム中で実行し、
− ビーズの見掛け密度が2〜3.5kg/lであり、
− 粉砕室の充填率が80%以上である
ことを特徴とする方法を提供することに到った。
好ましくは、クロレラ属の微細藻類は、クロレラ・ブルガリス(Chlorella vulgaris)、クロレラ・ソロキニアナ(Chlorella sorokiniana)およびクロレラ・プロトセコイデス(Chlorella protothecoides)からなる群から選択され、より好ましくはクロレラ・プロトセコイデス(Chlorella protothecoides)である。
好ましくは、本発明による方法は、
− ケイ酸ジルコニウムビーズの使用、および/または
− 85%以上の充填率
を含む。
本発明による方法の第1の実施形態は、一連の連続したパスによって連続モードで粉砕を実行することを含む。
本発明による方法の第2の実施形態は、直径が1mm未満であり、好ましくは0.8mm未満であるビーズの使用を含む。
本出願人は、クロレラ属の微細藻類、特にクロレラ・プロトセコイデスの機械的粉砕を実行するためのパラメータの特定の組み合わせにより、CAPEXを犠牲にしてOPEXを最適化することができ、逆の場合も同じであることができることをさらに見出した。
そのため、本出願人は、当業者が、これらの仕様(設備での消費されるエネルギーまたは投資のコストに関する向上)に照らしてこれらの構成を選択することができる、本発明による方法の変形例を提案する。
そのため、OPEXを最適化するために、本出願人は、第1の変形例が、粉砕する微細藻類の密度を、例えば250g/l未満のレベルに調整することであることを見出した。
第2の変形例は、例えば、10m/秒未満の粉砕ディスクの適度な周速の選択であることができる。
これら2つの変形例は互いに排他的ではない。本方法は、これら2つの変形またはこれら2つの内の一方を示すことができる。
CAPEXを最適化するために、本出願人は、逆に、粉砕する微細藻類の細胞密度を、例えば250g/l超のレベルに高めることが必要であることを見出した。
第2の変形例は、例えば、10m/秒超の粉砕ディスクの周速の増加の選択であることができる。
ここで再び、これら2つの変形例は互いに排他的ではない。本方法は、これら2つの変形例またはこれら2つの内の一方を示すことができる。
粉砕性能レベルに対するビーズの密度(直径0.6mm)の影響。 粉砕性能レベルに対するビーズ(ZS)の直径の影響。 粉砕性能レベルに対するチャンバの充填率の影響。 粉砕性能レベルに対するパスモードの影響。 比粉砕エネルギーに対する周速の影響。 粉砕作業の生産性に対する周速の影響。 比粉砕エネルギーに対する細胞濃度の影響。 粉砕作業の生産性に対する細胞濃度の影響。
本出願人は、水平ビーズミルを使用する、クロレラ属の微細藻類の細胞壁を破壊するための機械的な粉砕技術の管理された実施により、所望の程度の粉砕を達成することを可能にし、さらにエネルギーコスト(OPEX)および投資コスト(CAPEX)を最適化することを見出した。
そのため、設備の全体的な性能レベルの改善は、OPEXおよびCAPEXを最適化すること、または最良の妥協点を見出すことを可能とする正確なパラメータの選択に基づく。
従って、本発明によれば、クロレラ属の微細藻類の細胞を工業規模で機械的に粉砕する方法であって、機械的な粉砕を水平ビーズミル型のシステム中で実行する方法は、
− ビーズの見掛け密度が2〜3.5kg/lであり、
− 粉砕チャンバの充填率が80%以上である
ことを特徴とする。
ビーズの見掛け密度
下記に例示するように、ケイ酸ジルコニウムビーズは、目標とする粉砕度を達成するのに必要な比エネルギーを制限することにより、本出願に最適な性能レベルを示す。そのため、見掛け密度は2〜3.5kg/lであり、好ましくは2〜3.2kg/lである。
充填率
充填率は、粉砕チャンバの空容積から撹拌システムが占める容積を差し引いた値(一般的に供給者により定義される)であると定義される。
低い充填率での比エネルギーは、高い充填率よりもわずかに高い。さらに、低い充填率では、生産性が改善される。
これらの理由から、本発明による方法は、
− ケイ酸ジルコニウムビーズの使用、および/または
−85%以上の充填率
を優先的に含む。
好ましくは、本方法は、ケイ酸ジルコニウムビーズおよび85%を超える充填率を使用する。
充填率は80%〜95%であることができ、特に85%〜90%であることができる。
本発明による方法の第1の実施形態は、一連の連続したパスによって連続モードで粉砕を実行することを含む。
ビーズ粉砕作業は、通常、いくつかの作業スキーム、即ち再循環、シングルパス、マルチパス等によって実行される。
工業用の一構成では、連続システムが好ましく、この連続システムは、シングルパスま
たはマルチパスの作業モードを含む。
下記に例示するように、性能レベルは、パスの数を増加させることにより向上する。なぜならば、同じ滞留時間でおよび比エネルギーが有意に上昇することなく、より高い粉砕度が得られるからである。
本発明による方法において、本方法を工業規模での最適化のためには、マルチパスモード(連続したいつかのミル)が好ましい。特に、本方法は、2回、3回、4回、5回またはそれ以上のパスを含むことができる。
本発明による方法の第2の実施形態は、直径が1mm未満であり、好ましくは0.8mm未満であるビーズの使用を含む。特定の一実施形態では、ビーズの直径は0.3〜0.8mmである。
粉砕ビーズの直径の影響を、0.3mm〜1.7mmの範囲の直径を有する同じケイ酸ジルコニウム範囲(同じ密度のビーズ)で調べる。
下記に例示するように、小さな直径のビーズは、より良好なエネルギー性能レベルと、良好な生産性を可能にする。
当業者が、これらの仕様(好適なOPEXまたはCAPEXを参照されたい)に照らしてこれらの構成を選択することができるように、本出願人は、本発明による方法の変形例を提供する。
本出願人は、
− 粉砕するクロレラ属の微細藻類の細胞密度
− 粉砕ディスクの周速
を調整することにより、これらの選択肢を提供できることを見出した。
細胞密度
いくつかの濃度(20%、25.2%および32.9%)で調製した、同じ製造バッチからのバイオマスを選択することにより、バイオマスの細胞濃度の粉砕性能レベルに対する影響を評価する。
同じ条件下で粉砕を実行し、結果を、上記のようにして生成した試料の固形分と比較する。
結果を下記の分析により2つの異なる角度から解釈する:
− 規定した粉砕度を得るのに必要な比粉砕エネルギーへの細胞濃度の影響の分析、
− 生産性の角度からの分析、即ち目標とする粉砕度と比較したバイオマスの導入の流量(乾燥バイオマスに対する)からの分析。
粉砕ディスクの周速
粉砕の最適化には、粉砕ディスクの最適な周速を規定することも必要である。
結果はまた、2つの異なる角度から解釈される:
− 周速の関数としての比粉砕エネルギーの分析、
− 生産性の角度からの分析、即ち周速に応じて目標とする粉砕度を達成するのに必要な流量の分析。
さらに、粉砕ディスクおよび粉砕チャンバの摩耗の問題ならびにビーズ摩滅の問題も考慮しなければならない。なぜならば、これらの問題の本方法への経済的影響は、無視できない可能性があるからである。
従って、本出願人は、過度の摩耗を避けるために、周速を15m/秒(またはさらに13m/秒)未満の値に制限することを推奨する。
そのため、クロレラ、特にクロレラ・プロトセコイデス類の粉砕の場合には、OPEXを最適化するために、本出願人は、第1の変形例が下記であることができることを見出した:
− 粉砕する微細藻類の密度を250g/l未満のレベルに調整すること、および/または
− 10m/秒未満の粉砕ディスクの周速を選択すること。
好ましくは、粉砕する微細藻類の密度は150g/l以上であり250g/l未満である。好ましくは、粉砕ディスクの周速は6m/秒以上であり10m/秒未満である。
CAPEXを最適化するために、クロレラ、特にクロレラ・プロトセコイデス類の粉砕の場合には、本出願人は、逆に以下であることが必要であることを見出した:
− 粉砕する微細藻類の細胞密度を250g/l超のレベルまで増加させること、および/または
− 10m/秒超の粉砕ディスクの周速を選択すること。
好ましくは、粉砕する微細藻類の密度は550g/l超であり350g/l以下である。特に、粉砕ディスクの周速は10m/秒〜15m/秒であり、好ましくは11m/秒〜13m/秒である。
当然のことながら、本発明は、本出願に記載した実施形態の任意の組み合わせに関する。
用語「工業規模」は、好ましくは、
− 粉砕チャンバの容積が100リットル以上であり、好ましくは500リットル以上である、および/または
− 流量が1m/時間超である、および/または
− バッチが1〜200mである
方法を意味することが意図される。
本発明は、例示的であるおよび非限定的であることを意図する下記の実施例からより明確に理解されるだろう。
実施例1.クロレラ・プロトセコイデス微細藻類のバイオマスの調製および使用したツールの提示
発酵プロトコルは、特許出願国際公開第2010/120923号パンフレットに全体的に一般的に記載されているプロトコルが適応された。
製造用発酵槽に、クロレラ・プロトセコイデスの前培養を接種する。接種後の容積は9000lに達する。
使用する炭素源は、時間/温度方式の適用により滅菌した、55w/w%のグルコースシロップである。
発酵は流加発酵であり、この流加発酵中は、3〜10g/lの残留グルコース濃度を維持するようにグルコースの流量を調整する。
製造用発酵槽の持続時間は4〜5日である。
発酵の終わりには、細胞濃度は185g/lに達する。
グルコース供給段階中は、50%(バイオマスの重量で)の量で脂質の蓄積を可能とするために、培養培地中の窒素含有量を制限する。
発酵温度を28℃に維持する。
接種前の発酵pHを6.8に調整し、その後の発酵中のpHを同じ値に調節する。
通気量、逆圧および発酵槽の撹拌を制御することにより、溶存酸素は最低30%に維持される。
発酵マストは、75℃で1分のスキームによりHTSTゾーンにわたって加熱処理され、その後6℃に冷却される。
次いで、バイオマスを6対1(水/マスト)の希釈比で脱炭酸飲料水により洗浄し、Alfa Laval Feux 510を使用する遠心分離により、250g/l(25%DCW「乾燥細胞重量」)に濃縮する。
ビーズ粉砕技術
上記のようにして調製された発酵バイオマスを使用して、実験用ビーズミルに対する粉砕パラメータのスクリーニングを実行する。
Figure 2016523541
検討したパラメータの結果は、一定の流量でいくつかの連続したパスを使用して得られ
た、いくつかの点を特徴とする。
次いで、試験した一連の各パラメータに関して、上記のようにして得た曲線を、比エネルギーまたは生産性の点で互いに比較する。
さらに、特定のパラメータの検討のために、バッチ間の組成物の変動をなくすべく、試験に使用したバイオマスは同じバッチに由来する。
細胞破壊の度合いの測定
粉砕度は、初期の参照試料に対する粉砕後の残余の細胞を顕微鏡により計数することにより測定される。
試料を1/800に希釈する。10×40の倍率で光学顕微鏡下での標準的な使用方法によるマラッセ細胞の計数により、分析を実行する。
初期の参照試料に対する残余の細胞の割合を算出することにより、細胞破壊の度合いを決定する。
実施例2.パラメータの最適化
ビーズ密度
密度は異なるが同じ直径の(0.6mm)材料で製造されたビーズの選択を使用して、粉砕ビーズの密度の影響を検討する。
Figure 2016523541
同じ作業条件下で使用したビーズの材料による同程度の粉砕で得た結果の比較(図1に示す)から、消費される比エネルギーの有意差は明らかである。
高密度のビーズ(ZO−酸化ジルコニウム)では、ケイ酸ジルコニウムビーズよりも比エネルギーの消費がはるかに高い。
ガラスビーズの密度はより低いが、得られた性能レベルは良好ではなく、そのため、目標とする粉砕度を達成するためには、より多い数のパスを必要とし、比エネルギー消費がより高い。
ケイ酸ジルコニウムビーズは、目標とする粉砕度を達成するのに必要な比エネルギーを制限することにより、この用途のための最高の性能レベルを示す。
ビーズの直径
直径が0.3mm〜1.7mmの範囲である同じケイ酸ジルコニウム範囲(同じ密度のビーズ)で、粉砕ビーズの直径の影響を検討する。
同じ作業条件ではあるが、ビーズの直径のみを変更する条件下で得た結果(図2に示す)から、このパラメータの粉砕性能レベルへの強い影響は明らかである。
直径が大きい(この場合は1.7mm)場合では、目標とする粉砕度を達成するのに必要なパスの数、さらに比エネルギーは、直径が小さい場合よりも有意に高い。
0.3mmのビーズと0.6mmのビーズとの間の差異はそれほどではない。直径の小さなビーズにより、より良好なエネルギー性能レベル、さらにより良好な生産性が可能となる。
チャンバの充填率
図3に示すように、低充填率での比エネルギーは、充填率が高い場合よりもわずかに高い。
さらに、充填率が低い場合には生産性が改善される(同じ作業条件下では、1回目のパスおよび2回目のパスで得た粉砕度は、80%の充填率よりも90%の充填率の方が高い)。
作業スキーム−パスモードの影響
図4に示すように、粉砕チャンバ中での滞留時間に関して、試験した3種の作業スキーム(シングルパス、マルチパス)は同じである(30kg/時間あたり1回のパス、60kg/時間あたり2回のパス、90kg/時間あたり3回のパス)。
さらに、比粉砕エネルギーは、これら3種のスキームにおいてほぼ同じである。
しかし、パスの数を増やすことにより性能は改善される。なぜならば、同等の滞留時間で比エネルギーが有意に増加することなく、より高い粉砕度が得られるからである。
従って、工業規模での本方法の最適化には、マルチパスモード(連続したいくつかのミル)が好ましい。
粉砕ディスクの周速
図5によれば、比粉砕エネルギーを周速の関数として相対的に分析することにより、互いに対する曲線の相対位置から、規定された粉砕度において、高周速での動作は有意に高い比エネルギーを必要とすることが明らかである。
従って、適度な周速での粉砕により、より良好なエネルギー性能レベルを達成することが可能となる。
図6によれば、生産性、より高い周速の観点から分析することにより、目標とする粉砕度に達するための、より高い流速が得られる。
設備の生産性は、周速が高くなるとより高くなる。
工業設備を最適化するために、適度な周速で最適化された作業費用(OPEX)と高周速で最小化された設備投資(CAPEX)との間で妥協点を決めなければならない。
さらに、粉砕ディスクおよびチャンバの摩耗の問題、ならびにビーズの磨耗の問題を考慮しなければならない。なぜならば、これらの問題は本方法へ無視できない経済的影響を
与える可能性があるからである。
過剰な摩耗を避けるために、周速を15m/秒(またはさらに13m/秒)未満の値に制限することが好ましい。
細胞密度
ビーズ粉砕設備の物理的パラメータに加えて、粉砕するバイオマスに関するいくつかの基準は、粉砕性能レベルに対して無視できない影響を与える場合がある。
そのため、バイオマスの細胞濃度の粉砕性能レベルへの影響を評価する。
同じ製造バッチから、バイオマスをいくつかの濃度(20%、25.2%および32.9%)で調製する。
同じ条件下で粉砕を実行し、結果を、上記のようにして生成された試料の固形分と比較する。
図7によれば、規定の粉砕度を得るために必要な比粉砕エネルギーへの細胞濃度の影響を相対的に分析することにより、それらの有意差は明らかである。
高い細胞濃度では、所定の粉砕度で消費される比エネルギーは、低い細胞濃度のものよりもはるかに高い。
従って、適度な濃度での細胞バイオマスの粉砕により、高濃度のときよりも良好なエネルギー性能レベルを達成することが可能となる。
図8によれば、高い細胞濃度で、生産性の角度から分析することにより、同等設備により、目標とする粉砕度を達成するのと同時に、より高い流量でパスさせることが可能となる。
換言すると、設備の生産性は、細胞濃度を増加させると高くなる。

Claims (5)

  1. クロレラ(Chlorella)属の微細藻類の細胞を工業規模で機械的に粉砕する方法であって、前記機械的な粉砕が水平ビーズミル型のシステム中で実行され、
    − ケイ酸ジルコニウムビーズの見掛け密度が2〜3.5kg/lであり、
    − 粉砕チャンバの充填率が80%以上であり、好ましくは85%以上であり、
    − 前記機械的な粉砕が一連の連続したパスによって連続モードで実行される
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記クロレラ属の微細藻類が、クロレラ・ブルガリス(Chlorella vulgaris)、クロレラ・ソロキニアナ(Chlorella sorokiniana)およびクロレラ・プロトセコイデス(Chlorella protothecoides)からなる群から選択され、より好ましくはクロレラ・プロトセコイデスであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記ビーズの直径が1mm未満であり、好ましくは0.8mm未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. クロレラ類の微細藻類、特にクロレラ・プロトセコイデスを粉砕するための工業設備のエネルギーコスト(OPEX)を最適化するための方法であって、
    − 前記粉砕する微細藻類の密度を250g/l未満のレベルに調整すること、および/または
    − 10m/秒未満の粉砕ディスクの周速を選択すること
    を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. クロレラ類の微細藻類、特にクロレラ・プロトセコイデスを粉砕するための工業設備の投資能力(CAPEX)を最適化するための方法であって、
    − 前記粉砕する微細藻類の細胞密度を250g/l超のレベルに増加させること、および/または
    − 10m/秒超の粉砕ディスクの周速を選択すること
    を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
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