JP2021523676A - 菌糸体生体材料を生成するプロセス及び装置 - Google Patents

Abstract

成長する菌糸体生体材料にフレッシュな酸素を供給する一方、大量の材料を通気することによって廃物である熱及び二酸化炭素を除去する、菌糸体生体材料を生成するプロセス。真菌増殖の第１のフェーズにおいて、プログラムされた温度の加湿空気が、真菌が接種された離散粒子の基質を上方に通過して、真菌接種物が増殖して基質を支配し得る。接種された混合物に栄養素が追加されて、真菌増殖の第２のフェーズが実行され、そこでは、プログラムされた温度の加湿空気が、栄養が豊富な真菌接種基質を上方に通過して、真菌接種物が、離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得る。本発明のプロセス及び装置は、６インチを超える、特に２４インチから２８インチの範囲内の深さにて菌糸体により結合された成長材料の処理を可能にする。

Description

本出願は、２０１８年５月２４日出願の米国仮特許出願第６２／６７５，９２２号明細書の利益を主張する。

本発明は、菌糸体生体材料を生成するプロセス及び装置に関する。より詳細には、本発明は、静的な通気容器内で菌糸体生体材料を生成するプロセス及び装置に関する。さらに詳細には、本発明は、菌糸体生体材料の生成、特に真菌生体材料の生成のためのプロセス及び装置に関する。

糸状菌の菌糸体と一緒に結合させた材料の成長は、特に、米国特許第９，４８５，９１７号明細書に記載されているように、既知の技術である。

知られているように、菌類は、主に、酸素消費代謝経路に作用する。菌類は、同代謝を通じて、二酸化炭素及び熱を生成するが、双方とも、菌糸体の更なる成長に対して毒性となり得る。菌類は、動物に存在するような呼吸器系及び循環輸送系が発達していないことに起因して、利用性が高いエリアから、限られているエリアに酸素を輸送する能力が制限されている。菌類はまた、ここでも、生物レベルの効果的な気体又は液体の輸送機構の欠如に起因して、有毒な二酸化炭素及び熱の蓄積を追い払う能力が制限されている。

実際には、これらの制限は、熱及び気体の自由拡散速度に基づいて、菌糸体によって結合された成長材料が容積全体で制限されていることを意味する。トレイベースの単純な成長について、酸素が豊富な表面から６インチを超える深さは、達成するのが困難である。加えて、多量の材料は、熱の除去を可能にするような方法で分離する必要があり、例えば、ラックのグループの周りに空気を流して、ラック上で間隔を空けた１０ポンドのバッグに充填するが、これは、大規模製造における運用効率を著しく制限する。好気性発酵法におけるこれらの制限を克服する成功した一方法は、材料及び真菌のコロニーを定期的に撹拌するものである。しかしながら、完全に形成された（ｆｕｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ）結合材料の生成が目的である場合、この撹拌発酵法は、非生産的である。

したがって、本発明の目的は、菌糸体生体材料を比較的簡単な方法で生成することである。

本発明の別の目的は、菌糸体によって結合された材料を、容積全体で制限されずに成長させることができることである。

本発明の別の目的は、非無菌の開放ウェアハウス条件下で、菌糸体生体材料を成長させるプロセス及び装置を提供することである。

本発明の別の目的は、菌糸体生体材料を生成するプロセスコスト及び複雑性を引き下げることである。

簡潔に言えば、本発明は、成長する菌糸体生体材料にフレッシュな酸素を供給する一方、大量の材料を通気することによって、廃物である熱及び二酸化炭素を除去する、菌糸体生体材料を生成するプロセスを提供する。

当該プロセスは、離散粒子の基質及び真菌接種物を混合して、第１の注入可能な混合物を形成するステップと；菌類の増殖の第１のフェーズにおいて、混合物の所定の高さを、真菌接種物が増殖して基質を支配し得るのに十分な時間、かつ温度にて、通気するステップとを含む。

その後、プロセスは、通気された混合物を、加えた栄養素と混合して、第２の注入可能な混合物を形成するステップと；真菌増殖の第２のフェーズにおいて、第２の混合物の所定の高さを、真菌接種物が離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、かつ温度にて、通気するステップとを含む。

最後に、当該プロセスは、バイオ複合材料を脱水して、菌糸体生体材料を形成するステップを含む。

本発明はまた、菌糸体生体材料を生成する装置を提供する。当該装置は、所定の圧力にて安定した空気流を発生させるブロワーと；空気流の温度を調整するインタークーラーと；空気流を加湿する加湿ユニットと；離散粒子及び真菌接種物の注入可能な混合物を受け入れるキャビティを有する容器と；加湿ユニットと連通して、加湿された空気を、容器のキャビティ、及びキャビティ内の注入可能な混合物を通して上方に送る、容器の基部内の複数のノズルとを備える。

容器のキャビティには、１つ以上のインサートが設けられていてよいので、注入可能な混合物を受け入れる前に、インサートを、生成される生体材料内に組み込むことができる。

容器のキャビティは、出荷用のクーラー等の空隙のある最終生成物を製造するための内部形状（空隙ツーリング）を有するように構築されてもよい。単一の容器は、複数の生成物、例えば、１つの容器内に４８個のクーラーを組み込んでよく、当該生成物は、容器からの取出し後に、最終部品に切り取られることとなる。

本発明は、通気を達成するために必要とされる装置、並びに装置内での制御された信頼できる成長を成功裏に達成するために必要とされる基質、生物、及びプロセスパラメータの組合せである。

本発明は、非撹拌通気固体バイオリアクタのカテゴリに属するが、その運用の深さ、及び非無菌開放ウェアハウス条件での運用能力が、さらには、原材料を低温殺菌も蒸気滅菌もせずに運用する能力が独特であり、これらは、プロセスのコスト及び複雑性を劇的に引き下げる。これは全て、基質パラメータ及びプロセスパラメータの特質によって、並びに生成された材料の性質によって、可能になる。

＜物理系（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）＞
本発明の装置は、菌糸体生体材料の生成用の、特に真菌生体材料の生成用の、空気分配を含む空気前処理系と容器とから主に構成される物理系を提供する。

＜空気前処理＞
温度、湿度、及び気体濃度を制御するには、空気の前処理が重要である。ブロワー１の保護用の粗微粒子フィルタのみを介して空気が系に導入される（無菌用の高レベルの濾過は必要とされない）。使用されるブロワーは、ロータリーローブブロワーであるが、コンプレッサ、ダイアフラムポンプ、及び再生ブロワーが挙げられる他のスタイルも使用することができる。重大なことに、ブロワーは、成長前に、ゆるい基質を通過させるだけでなく、圧力が最も高い場合に、プロセスサイクルの最後に、完全に成長した材料を通過させることが可能である範囲又は圧力の空気を供給することができる。

ブロワーからの空気は、インタークーラー又はファンベンチレータによって、プログラム可能な温度（Ｔ_１）に冷却される。これにより、系を、外部温度が変動する環境において実行させることができ、また、負荷に応じて変わり得る、ファンによって加えられる可変熱量が制御される。次いで、温度制御された空気を、複数の容器を支持するマニホールドを介して、複数の流に分割することができる。ここでは、各容器への流量（ｖ／ｖ／ｍ）も測定されて、所望の流量が確実に達成される。

空気温度が経時的に低下若しくは上昇する、又は周期的に変動するサイクル等のプログラム可能な空気温度設定を使用して、菌糸体からのある種の応答をドライブすることができる。また、プログラム可能な空気温度設定を使用して、安定した最適な材料温度を維持することができる一方、菌糸体の代謝活性は、経時的に変化する。

次に、温度Ｔ_１の空気が加湿ユニットに入り、そこで空気は、水柱を通して泡立てられる。加湿ユニットは、空気を完全に飽和させるのに十分な水分を空気中に供給するのに十分な深さ及びサイズで構成される。加えて、水を気流中に蒸発させるプロセスは、熱を必要とするので、非常に高い流量であっても空気を継続的に完全に加湿するのに必要とされるエネルギーを加えるためのヒーターが実装されてもよい。このエネルギー入力を変動させることによって、定常状態の運用で湿度レベル（ＲＨ％）を正確に制御することができる。なお、空気の加湿速度は、水の温度（Ｔ_２）が空気の温度（Ｔ_１）にて、又はそれを僅かに超える温度にて維持される場合に、かなり速くなる。また、湿度を意図的に下げることを、強力な冷却プロセスステップとして使用することもできる。

加湿ユニット（及び空気流前処理系の全ての部品）は、材料が最も完全に一緒に結合されて多孔性が最小である場合に、プロセスの最後に維持されることとなる圧力を取り扱うように構築されなければならない。このため、高圧運転用に構築するには費用がかかる、単一のはるかに大きな加湿容器ではなく、より小さな加湿容器（別個の成長容器ごとに１つ）が用いられてもよい。

加湿ユニットを出た後、空気は、温度制御かつ湿度制御され、断熱ホースによって成長容器に分配される。

記載されているのは、所望の湿度特性（ｐｓｙｃｈｒｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）の空気を生成する具体的な一方法である。温度制御及び加湿の他の方法が、同様に作動するように構築されてよいことが理解され、以下に限定されないが、超音波噴霧、スリング加湿器、又は噴霧ノズルが挙げられる。

＜容器及び空気分配＞
前処理された空気は、カスタム成形された形状から、後にパネルに処理される一般的なバンまで、種々の容器設計に連結することができる。使用される容器の構造は、使用されることとなる基質の性質に、特にその多孔性に、及び他の変数、例えば、プロセスパラメータの所定の組合せにより生成される代謝熱によって決まる。

その最も単純な実装では、単一の通気ポイントが容器の底部に提供されることとなり、空気が、材料を通過するように押し上げられて（ｆｏｒｃｅｄ ｕｐ）、開放最上部から排出される。容器が広くなるにつれ、追加の空気入り口点が必要とされる。大きな容器では、ノズルのアレイが使用され、それぞれが均一な材料を生成するための等しい流量を提供する。成長した材料中に侵入するノズルは、穴の開いた平坦な底部又は空気分配層（ルーズなマルチ又は砂利等）よりも流の良好な方向を提供し、かつサイドチャネリングに対する耐性が高いことが見出された。

使用されるノズルは、自由流に対する均一な背圧を提供するように特別に設計されているため、各ノズルを通して均等な流量を維持し、かつ材料内のランダムな多孔性変動の影響を最小限に抑える。この均等な流を維持するために、ノズル全体の圧力降下（Ｐ_Ｄ＿Ｎ）は、ゆるい充填基質全体の圧力降下（Ｐ_Ｄ＿Ｓ）に近いか、それよりも大きい必要がある。成長中、ゆるい充填基質内の開放したギャップの、菌糸体による充填に起因して、基質全体の圧力降下が増すこととなる。最終圧力は、Ｐ_Ｄ＿Ｎ＋Ｐ_Ｄ＿Ｓ＋Ｐ_Ｄ＿Ｇに等しくなり、式中、Ｐ_Ｄ＿Ｇは、成長に起因する追加の圧力降下である。

本発明のプロセス及び装置は、６インチを超える、特に２４インチから２８インチの範囲内の深さにて菌糸体により結合された成長材料の処理を可能にする。

＜基質（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）＞
基質は、空気流を増大させ、かつブロワーに対する負荷を引き下げることができるような、木くず、大きな木材チップ、又は木毛等の非常に多孔質の材料であってよい。

基質は、夾雑（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）を阻害するテルペン等のある種の揮発性の有機化合物を含むように選択又は補足されてよい。通気は、使用された真菌等のある種の所望の生物のみを選択するような方法で、これらの化合物の蓄積を防ぐのに使用されてもよい。

原料の大部分を含む適切な一次基質の選択は、安定かつ生産的な操作を達成するのに重要である。考慮すべき属性として、密度、多孔性、栄養利用性、植物化学組成、及び清浄度が挙げられる。

材料の密度は、主に、最終の材料特性に影響を及ぼすが、密度はまた、本明細書中に記載する「バーピング（ｂｕｒｐｉｎｇ）」が発生する背圧を加減する。最後に、バルク基質の圧縮抵抗は、容器の底部から最上部への不所望の密度勾配を生じさせることなく容器深さを達成することができるように、材料密度を支持することができなければならない。

バルク基質の多孔性は、通気の容易さに影響を及ぼすので、成長期間の全体を通して通気を維持するのに必要とされる通気装置のサイズ及び出力に影響を及ぼす。多孔性はまた、バープ圧の低下、及び空気が壁をサイドチャネルアップする（ｓｉｄｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｕｐ）傾向に（とりわけ、背の高いシリンダーリアクタ等の、高さ対面積比が大きい容器において）影響を及ぼす。多孔性は、ゆるい基質の圧力降下に反映される。多孔性はまた、生物学的特性の属性及び材料特性の属性を有する。より多孔質の材料は、強く相互連結した粒子結合を形成するために、より多くの空中菌糸成長（ｍｏｒｅ ａｅｒｉａｌ ｈｙｐｈａｌ ｇｒｏｗｔｈ）を求める場合があり、隣接する粒子間のギャップが小さい低多孔質基質とは非常に異なる音響学的特性又は機械的特性を生じさせる場合がある。

基質の栄養利用性は、系の適切な設計及び操作において、絶対的に重要な属性である。栄養利用性は、生物の所望の真菌生物又は宿主のための利用性の観点から、また、細菌及び他の菌類が挙げられる、一般的に存在する競合生物のための利用性の観点から、考慮されなければならない。

所望の生物のための栄養利用性は、成長をもたらすようにバランスをとるべきである一方で、所望の生物が、代替酸素（ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ）を提供し、かつ廃物の二酸化炭素及び熱を除去する通気系の能力を克服するほど容易に利用可能ではない。このように、最適化された系は、実際に、必要とされる空気流量を引き下げ、又は容器の底部と最上部との間の最終デルタＴ（流体流及び発熱速度の双方の関数）を引き下げる手段として、所望の生物のための栄養利用性を制限してよい。

不所望の生物（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ：夾雑菌）のための栄養利用性は、最小限に抑えられるべきである。様々な生物にとって高度に利用可能な基質（単糖を多く含む基質等）は、所望の生物と競合して、多くの場合圧倒することとなるあらゆる夾雑菌の混入を回避するための高度な無菌操作、強力な滅菌、及び気流の処理を必要とすることとなる。既存のキノコ栽培及び他の発酵形態についての多くのモデルは、生物学的排除を実現するための、他の手段による夾雑菌の排除又は堆肥化のシーケンスを必要とする、広くアクセス可能な基質を使用する。本明細書中に記載する本発明の理想的な運用は、管理可能である限り少数の夾雑菌にしか栄養的に利用可能でないように特異的に選択された基質を含む。

基質の植物化学組成は、同様に、所望の生物の成長及び夾雑菌の回避のための選択圧を提供する方法として重要である。

基質の清浄度は、プロセスの理想的な運用において、最終の考慮事項である。源が清浄であればあるほど、前処理滅菌によって、又は成長中の所望の生物によって克服されなければならない、入ってくるバイオバーデン負荷は、低くなる。清浄度は、処理方法及び使用前の保存方法によって影響され得る。

上記の考慮事項を全て考慮すると、本発明用の、当該技術の基質の現行の状態は、改良型全樹木ドラムチッパーを使用してＡｓｐｅｎ丸太から製造されたＡｓｐｅｎマイクロチップである。チップのサイズは、３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍである。Ａｓｐｅｎ木材は、リグノセルロースで構成されており、リグノセルロースは、非常に難分解性の（ｒｅｃａｌｃｉｔｒａｎｔ）有機分子であることが周知であり、ほとんどの生物は、消化するのが困難である。

加えて、バイオマス増殖の第１のフェーズにとって最適な基質は、更なる増殖の次のフェーズに使用することができるものとは意味深に異なる場合がある。基質に対するある種の優位性が、所望の生物によって達成されると、より一般的に利用可能な追加の栄養量（Ｎｕｔ％）が加えられてもよい。当該栄養は、所望の生物の集団によって急速に支配されて、あまりロバストでない集団であれば打ち負かしたであろうと考えられる夾雑菌が、打ち負かされる。このようにして、より高い代謝率での成長、及び菌糸体の急速な成長が起こり得る。栄養のこの最初の飢餓、その後の栄養の追加は、フェーズＩ（Ｔ_{ｐｈａｓｅＩ}）及びフェーズＩＩ（Ｔ_{ｐｈａｓｅＩＩ}）の成長として説明される。

＜生物（Ｏｒｇａｎｉｓｍ）＞
生物の選択には、接種率、消化ツールキット、成長温度依存性、及び糸状細胞形態学が挙げられるいくつかの考慮事項が含まれる。

接種率（Ｉｎ％）は、説明されるプロセスの操作に、いくつかの点で影響を及ぼし得る。より高い接種量は、より一般的に利用可能な基質の上で夾雑菌を打ち負かす手段、最終特性を増大させる手段、又は成長フェーズを減少させる手段となり得る。より低い接種量は、最も単純にお金を節約するが、代謝率を下げることで、容器の最上部と底部との間の通気要件及び最終デルタＴを低くするツールでもあり得る。

慎重な基質の選択と一緒に、概して一般的にアクセス可能でない栄養源で消化かつ繁殖することができるような所望の生物が選択されるべきである。この組み合わされた制限により、系は一般に、先行技術において一般的な無菌制御よりもはるかに無菌的でない制御で運用することが可能となり、外気混合及び濾過なしが可能となる。

選択される生物はまた、ある温度範囲にて成長することができなければならない（Ｔ_ｂｏｔとＴ_ｔｏｐ間の温度範囲での成長と概して同様である）。この基準についての選択により、均一な生成物が可能となる。

最後に、生物は、操作及び最終生成物の双方に所望される糸状特性を示さなければならない。生物が、多過ぎる空中バイオマス又は滲出物を生成するならば、生物は、基質を詰まらせて、バープ圧を超える、又は経済的に妥当な動作圧を超える圧力降下を増大させる可能性がある。逆に、生物が、十分な空中組織構造を生成しなければ、粒子が密着して結合せずに、材料特性が損なわれることとなる。成長の結果としての圧力降下（Ｐ_Ｄ＿Ｇ）と、機械的特性との関係は、複雑である。この関係は、個々の細胞のサイズ及び強度、細胞間の分岐度、並びに基質への細胞の接着強度等の多くの属性によって決まり得る。生物の選択及び他のプロセスパラメータ制御（空気流量及び温度等）により、過剰な圧力降下を生じさせずに機械的特性を最大にすることができる。本明細書中に記載されるプロセスに使用される生物は、霊芝（Ｇａｎｏｄｅｒｍａ ｌｕｃｉｄｕｍ）又はカワラタケ（Ｔｒａｍｅｔｅｓ ｖｅｒｓｉｃｏｌｏｒ）等の白色腐敗菌である。

＜生成物＞
最終生成物は、ブロック、フラットパネル、又は成形された形状が挙げられるがこれらに限定されない種々の形態をとってよい。

ブロックの場合、容器は矩形となって、矩形のブロック又はバンを生成するであろう。この場合、加湿がオフになって空気温度が上昇し得る一方、ブロックがまだリアクタ内にあり、乾燥フェーズを開始させて、真菌を死滅させ、かつ材料を安定させる（生物学的に活性なブロックを冷却空気から取り出すことから生じ得る過熱を回避する）。そのようなブロックは、土木工学に使用されてもよいし、建築コンポーネントに彫り込むためのブランクとして使用されてもよい。

パネルの場合、ブロック（予め乾燥させたが容器内にあるもの、又はまだ完全に生物学的に活性なもの）は、容器から取り出されて、多数のパネルにスライスされることとなる。これは、一般的に入手可能な製材場の設備を使用して達成することができる。０．２５インチから、最大、ブロックの全厚のパネルを製造することができる。ブロックを薄いパネルにスライスすると、厚いパネルよりも高速な低エネルギーでの乾燥及び熱処理が可能となる。あるいは、切断後かつ乾燥前に、パネルをさらにインキュベートして、表面成長及び更なる強化を実現し、又はより大きな三次元物体に一緒に成長させることができる。

この方法で製造したパネルの潜在的用途として、家具の表面及びドアのコア、防音パネル、断熱パネル、湿地修復用ラフト、セットデザインのコンポーネント、一時的サインパネル、並びにフラットシート包装材が挙げられる。

容器はまた、椅子若しくはカウチの下部構造、又は複数の輸送用冷却器容積等の有用な形状の製造用の成形容積として形成されてもよい。椅子の下部構造の場合、木片等の追加の強化コンポーネント及び取付けコンポーネントを、充填前に容器中に入れて、所定の場所に成長させてもよい。ブロックの場合と同様に、容器内にありながら若干の乾燥を用いて、乾燥時間を短縮することができる。輸送用冷却器の場合、いくつかの部品を、単一の成形容器内で一緒に成長させて、その後、乾燥の前又は後に、商業販売用に個々のユニットに切り離してもよい。

＜改変（Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）＞
混合物は、容器内のフェーズ１でのみ成長してから、栄養素と混合された後に、フェーズ２用の異なる容器中に移されてよい。

第２の容器は、寸法が２１インチ×２１インチの一連の熱成形されたプラスチックトレイ等の、非通気型又は複数の非通気型であってよい。当該型は、混合物で充填して、包装用のコーナーブロック等の形状を形成するために、最上部が開放していてもよいし、いくつかの凹部を含んでもよい。

混合物は、容器内のフェーズ１でのみ成長してから、栄養素と混合された後に、異なる容器中に移されてよく、フェーズ２に曝されなくてよい。この場合、栄養素と混合された後に、混合物は、米国特許第９，４８５，９１７号明細書に記載されるように、前記真菌接種物が前記離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、インキュベートされる。

また、第２の容器は、屋外の大地（ｅａｒｔｈ）の形状にすることもでき、例えば、溝又は窪地の底部を小川又は池に対応するように備えてよく、そこで材料は、非通気フェーズ２中に（深さ＜１２インチにて）適所に成長することとなる。最終成長層は、不浸透層又は耐荷重面、例えば一時的な道路として機能し得る。

容器は、静止したレーン又はトンネルの形態をとってもよく、そこで材料は、フェーズ１とフェーズ２との間で容器内混合されてから、ドラッグコンベア又はホイストによって荷降ろし（ｕｎｌｏａｄｅｄ）される。

これらの、並びに他の目的及び利点は、添付の図面と共に、以下の詳細な説明からより明らかとなろう。

本発明のプロセスステップを概略的に示す図である。 本発明のプロセスについてのパラメータ選択、プロセスフィードバックループ、及び生成物の属性をグラフィカルに示す図である。 本発明に従う装置を概略的に示す図である。 本発明の装置に使用される容器の部分側断面図を示す。 本発明に従う、インサートを備えた容器を示す図である。 本発明に従う、一対のインサートを中に組み込んだ、生成された菌糸体生体材料の図を示す。 空隙を有する最終生成物を製造するための内部形状を有するように構築された容器を示す図である。 本発明のプロセスに従って製造されたマルチキャビティブロックを示す図である。 図８のブロックから切り取られた層を示す図である。 図９の層から分離されたセグメントを示す図である。 本発明のプロセスに従って製造された真菌生体材料の大きなブロックを示す図である。 図１１のブロックから切り取られた薄いシートを示す図である。 ランドスケープマットとして適所にある、図１１のブロック由来の薄いシートを示す図である。 椅子用の座席として適所にある、図１１のブロック由来のシートを示す図である。 本発明の装置に使用されるノズルの断面図を示す。

図１を参照すると、真菌生体材料の生成プロセスは、接種物、例えば霊芝（Ｇａｎｏｄｅｒｍａ Ｌｕｃｉｄｕｍ）又はホウロクタケ（Ｔｒａｍｅｔｅｓ）属種を、１〜１０乾燥質量％の量で、離散粒子の基質、例えばＡｓｐｅｎチップを混合して、注入可能な混合物を形成するステップを含む。混合物は、連続スクリューミキサ又はバッチリボンブレンダ内で混合されてよく、Ａｓｐｅｎチップは、冷やして接種物と混合する前に、滅菌、例えば大気中の蒸気に曝されてよい。

当該プロセスはまた、混合物を１つ以上の容器中に分配するステップを含む。容器は、４０インチ×４０インチ×２８インチの寸法を有するビンであってよく、２４インチ〜２８インチの高さまで満たされてよい。容器が満たされるにつれ、混合物は容器中に圧縮され得る。

その後、容器内の混合物は、真菌接種物が増殖して基質を支配し得るのに十分な時間、かつ温度にて、通気ステップにかけられる。このステップは、フェーズＩの低栄養成長を提供する。このステップの間、通気は低くてもよく、例えば０．５０ｖ／ｖ／ｍであってよい。これは、容易に入手可能な栄養素がほとんどないため、発熱が比較的少ないためである。このステップ中、混合物の真菌部分は、あらゆる夾雑生物（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ）を打ち負かして、混合物の木材チップ部分を覆って支配するように増殖することができる。このステップの最終結果は、混合物が真菌組織内に均一にコーティングされることである。しかしながら、バラバラにして再混合するのは依然として容易である。

次に、混合物は、容器から取り出されて、追加された栄養素と混合される。

次に、栄養素が追加された混合物は、生成物にとって最終の所望される形状のキャビティを有する第２の容器中に注がれる。あるいは、栄養素が追加された混合物は、第１の容器が生成物にとって最終の所望される形状のキャビティを有するならば、その容器中に注ぎ戻されてもよい。２つの容器を使用する利点の１つは、容器をローテーションで使用して、操作をより速くすることができることである。

栄養素の追加は、真菌が支配を確立した後に実行されて、容易に消化可能な追加の栄養素にアクセスする潜在的なあらゆる夾雑生物を打ち負かすことができる。

当該栄養素は、追加の真菌組織バイオマスに直ぐに変換され、これは混合物に結合してその最終形態となる。次に、混合物は、フェーズＩＩの通気にかけられる。この通気は、追加の栄養素によって発生する追加の代謝エネルギーに対抗するために、速度がより高く、かつ潜在的により低温である。

フェーズＩＩの通気中に、バイオマスは、真菌接種物が離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、かつ温度にて、通気される。

その最終形状に固化した後に、バイオ複合材料は、容器内で脱水され（ｄｅｓｉｃｃａｔｅｄ）、又はまだ湿っている間に容器から取り出され、その後乾燥される（ｄｒｉｅｄ）。

取り出された湿潤バイオ複合材料は、乾燥させてさらに処理されてもよいし、さらに処理されてから乾燥させてもよい。更なる処理には、１インチパネル等のより小さなコンポーネントへの機械加工が含まれてよい。

湿潤バイオ複合材料のシートがさらに、切断面上に組織の層を形成するための、湿度１００％、かつ８０°Ｆでの最終インキュベーションステージによって、又は箱等の最終形状に組み立てて、同じ条件でインキュベートすることで、一緒に成長させることによって、処理されてよい。

また、ブロックから切り取られたフレキシブルなシートが、乾燥かつ成形の組合せステップにおいて、４００°Ｆでの加熱プレスによって、３Ｄ輪郭にプレスされてもよい。

バイオ複合材料の最終乾燥は、周囲温度にて１週間以上にわたって行われてもよいし、木材キルンスタイルドライヤ内で１８０°Ｆにて２４時間の速さにまで促進されてもよい。温度が４０°Ｆ〜９０°Ｆの気候において数週間屋外で覆われたままのブロック又はパネルは、硬化し続けて、エージングされた材料が生成することとなる。

図２を参照すると、静的な通気容器内での菌糸体生体材料の生成は、レシピの選択及びリアクタ設定の選択を必要とする。レシピの選択として、基質、生物、蒸気処理パラメータ、接種％、接種タイプ、水分％、及び追加栄養素の選択が挙げられる。所定のレシピは、ａｓｐｅｎかんな削りくず、霊芝（Ｇ．ｌｕｃｉｄｕｍ）、１０分間の大気圧蒸気処理の有無、５乾燥質量％の接種率、合成微接種（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆｉｎｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ）のタイプ、６５％の含水率、及び第２の純粋の小麦粉（ｃｌｅａｒ ｆｌｏｕｒ）の追加栄養素であってよい。

リアクタの設定として、空気流量、空気温度、空気の相対性（ａｉｒ ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ）、及び酸素の割合が挙げられる。所定のレシピは、フェーズＩについて０．５ｖ／ｖ／ｍ、フェーズＩＩについて１．２５ｖ／ｖ／ｍ、空気温度７５°Ｆ、相対湿度１００％、及び大気濃度に等しい酸素割合であってよい。

図２にさらに示すように、レシピ及びリアクタの設定は、成長条件として特徴付けることができる容器内の条件をもたらす。当該条件として、Ｏ_２及びＣＯ_２の濃度、温度、相対湿度、水分の蒸発率、対気速度、及び栄養利用性が挙げられる。例として、５％を超えるＯ_２濃度、容器全体での９５°Ｆ未満の温度、１日あたりの水分含有量が＜２％の蒸発率、フェーズＩでは１．２フィート／分、フェーズＩＩでは２．９フィート／分の対気速度、及びフェーズＩでは難分解性の栄養利用性、フェーズＩＩでは単一のデンプンの栄養利用性がある。

図２にさらに示すように、成長条件は、真菌組織内で起こる代謝作用を決定する。これとして、発熱、酸素消費率、水生成率、細胞バイオマス生成率、特定の形態的特徴、及び競合ダイナミクスが挙げられる。例として、代謝作用は、混合物の湿潤ポンドあたり１ワットの発熱、フレッシュな空気流によって置き換えられるほど十分に低い酸素消費量、＜２％の１日あたり水分含有量損失率を維持するのに十分な水の生成、１日あたりの乾燥混合物重量の１％の細胞バイオマス生成率、大量の高度に架橋かつ分岐した細胞等の、最大強度の形態的特徴、及び競合生物の確立に勝る強い支配からなってよい。

図２にさらに示すように、任意の所定の時点での代謝作用は、リアクタ内の成長条件を改変し得、これが今度は代謝条件を決定し得る。これにより、温度の緩やかな上昇等の時間依存的変化が生じ得る。リアクタの設定はまた、温度の緩やかな下降又は通気の増大等の結果をもたらす時間を通して調整されてもよい。

最後に、図２に示すように、最終的な材料特性は、代謝活性の結果である。当該特性として、細胞バイオマス、形態、化学組成、二次代謝産物、及び基質の改変が挙げられる。例示的なプロセスは、混合物の５乾燥質量％の細胞バイオマス、高度に分岐した栄養細胞の形態、強い細胞壁に好都合な化学組成、疎水性を高める二次代謝産物の発現、及び動物飼料についてよりアクセス可能にする基質の化学的性質の改変をもたらし得る。

図３を参照すると、真菌生体材料の生成装置は、ブロワー１、インタークーラー２、マニホールド３、加湿ユニット４、容器５、及び容器５の基部にある複数の空気流ノズル６を備える。

ブロワー１は、組織成長が起こった後でも、容器５を通って流れるのに十分な圧力にて安定した空気流を提供するように作動する。

インタークーラー２は、ブロワー１からの空気温度を調整し、かつ圧縮に起因して導入される熱を除去するように作動する。

マニホールド３は、加圧温度制御空気流を複数の容器中に分離するように作動し、各容器への流を独立して調整かつ測定する手段を含む。

加湿ユニット４は、空気流の湿度を完全に飽和するまで上げるだけでなく、容器５への水分の追加供給のために水ミストを空気流中に同伴させるための最終温度制御タンクとして作動する。水の蒸発によって除去された蒸発熱を補うためのヒーター（図示せず）が備えられている。

空気流ノズル６は、温度及び湿度が制御された空気流を容器５中に均一に分配するように、容器５内の成長材料７中に空気を注入して、サイドチャネリングを妨げ、かつ混合物の全ての部分への均等な通気を提供するように作動する。

装置は、容器５から取り出されてからパネル９にスライスされる成長した材料８の完成ブロックを製造するように機能する。示されるように、パネル９は、最終硬化、又は対流によるより効率的な乾燥のいずれかのために、垂直方向に間隔を空けて積み重ねられてよい。

図４、図５、及び図６を参照すると、フェーズＩＩについて、通気容器５’は、椅子又はソファ（図６）等の最終生成物１２を製造するための幾何学形状のキャビティ１０を有するように構築されてもよい。

また、容器５’のキャビティ１０には、フェーズＩＩ用の注入可能な混合物を受け入れる前に、１つ以上のインサート１１（図５）が提供されてよく、このためインサート１１は、生成された生体材料生成物内に組み込まれて、追加の利点、例えば、木材支持梁、又は室内装飾用のタックストリップが提供され得る。

図７〜図１０（同様の参照文字は、上記の同様の部品を示す）を参照すると、容器５’は、空隙を有する最終生成物、例えば出荷用のクーラーを製造する内部形態（空隙ツーリング）を有するように構築されてもよい。単一の容器５’は、複数の生成物、例えば、１つの容器内に４８個のクーラーを組み込んでよく、当該生成物は、容器からの取出し後に、最終部品に切り取られることとなる。

図７に示されるように、容器５’は、成長した材料８、すなわち、図８に示す、菌糸体生体材料の単一ブロックを生成するための、内部に複数の直立した支柱１３を備えており、複数の長手方向に延びるトンネル１４の断面形状が、容器５’内の支柱１３の断面形状に対応する。

図９を参照すると、図８のブロック８は、複数の層１５に、横方向に切り取られてもよく、そのうちの１つのみが示されている。示されるように、層１５は、容器５’内の支柱１３のパターンに対応する複数の開口部１６を含む。

図１０を参照すると、図９の層１５は、単一の開口部１８を有する個々のセグメント１７に切り取られてもよく、そのうちの１つのみが示されている。

図１１及び図１２（同様の参照文字は、上記の同様の部品を示す）を参照すると、成長した材料８のブロックは、複数の平坦なシート又はパネル１９に切り取られてもよく、そのうちの１つのみが示されている。

フラットパネル１９は、最終生成物が、侵食及び雑草の成長を妨げるような順応性のあるランドスケープマット（図１３）等の生成物に使用されるようにフレキシブルであるほど十分に薄く切り取られてもよい。フラットパネル１９はまた、成形椅子の背もたれ（図１４）等の生成物に使用されてもよく、薄いパネルが複雑な三次元形状に圧縮成形されてもよい。

また、複数のフラットパネル１９を組み立てて最終形状（図示せず）にして、最後まで成長させて、輸送用のクーラー等の最終生成物を製造してもよい。

図１５を参照すると、各ノズル６が、容器の基部２０内に取り付けられており、容器内に配置される円筒体２１であって、増殖チャンバ２２、及び容器の基部２０の外側から円筒体２１中に螺入されて、円筒体２１を基部２０に固定するナット２３を規定する円筒体２１を備える。また、各ノズル６は、加湿ユニット４（図３参照）からナット２３を通して増殖チャンバ２２中に、制限された空気流を送るための、ナット２３内に固定される連結片２４を備える。連結片２４は、背圧を提供する流制限領域として機能する。

また、メッシュスクリーン２５が、増殖チャンバ２２をおおって円筒体２１上に配置されており、円筒カバー２６が、円筒体２１及びメッシュスクリーン２５をおおって摺動可能に取り付けられている。カバー２６は、増殖チャンバ２２と同軸の開口部２７を有し、そこを通って空気が送られる。

スクリーン２５と増殖チャンバ２２の断面積は、スクリーン２５に寄りかかる（ｌｙｉｎｇ ａｇａｉｎｓｔ）基質チップに起因する部分的な遮断があっても、残りの断面積が、流制限領域の断面積よりもなお大きくなるように選択される。これにより、スクリーン上のチップのランダムな向きに起因するノズル間の流変動が最小限に抑えられる。この特徴がないと、あるノズルがチップによって遮断される一方、別のノズルで空気が自由に流れる虞がある。加えて、各ノズル５は、材料中に延びて、容器の壁を渡って流れる（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ ａｃｒｏｓｓ）空気を減少させる。

ここで重要なのは、Ｐ_Ｄ＿Ｓ＋Ｐ_Ｄ＿Ｇが基質上で重力を超えると、成長材料が持ち上がって、低い抵抗の空気流チャネルが開くこととなり、材料をバイパスして通気効率を低下させることとなることである。これは、口語的に「バーピング」と呼ばれ、これが運転中に発生するかは、基質の多孔性、組織成長の密度、必要とされる空気流量、及び基質の密度の関数組合せ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であり、全てが組み合わさってバーピング背圧（Ｐ_ｂｕｒｐ）が決定される。

重要な一寸法は、容器５の高さ（ｈ）である（図３）。通気が片側に、例えば矩形の最上部開放容器の底部に導入されるならば、容器の全長及び幅の寸法が、壁を通過する熱損失が中央の材料について考えられ得ないほど十分に大きければ、コアにおいて、本質的に一次元の熱力学流体力学系となる。そのような系では、材料の連続する各ユニット層によって発熱し、容器の底部（Ｔ_ｂｏｔ）と最上部（Ｔ_ｔｏｐ）での材料間の温度デルタは、容器の高さに直接関係することとなる。

同じ理由で、材料が発熱し、かつ通気によって冷却されることとなる限り、容器の底部と最上部間で常に温度差があることとなる。空気流量、代謝条件、基質のエネルギー利用性、成長に選択された生物、及び容器の高さは全て、材料の最上部と底部由来の比較される最終的な特性が、双方とも所望の仕様の範囲内であるほど十分に最上部と底部間のデルタＴが小さくなるように、一緒に選択されることが重要である。

容器についての最終的なパラメータは、最上面処理である。材料上の夾雑胞子の定着を引き下げる手段として、通気を用いることができる。しかしながら、表面夾雑菌をさらに排除するには、蓋が所望されてもよい。この蓋は、通気用の空気を逃がすことができる特徴を備えた物理的な壁の形態をとってもよいが、そのような蓋は、結露、熱、及び水分をトラップすることができる。本明細書中に記載されるように、あらゆる夾雑菌の成長を妨げるために具体的に選択される材料、例えば木材灰の最上部浸透層が使用される。これにより、結露が形成されたり、高温の排気ガスがトラップされたりすることなく、通気用の空気が自由に流れ得る。阻害の優先効果が確立されると、最上部浸透層が取り外されてもよい。

容器は、充填し、あちこちに移動させ、かつ廃棄することができるものであるべきである。商業的な堆肥化に使用されるのと同じ換気系が、はるかに大きなレーンに応用されてもよい。ここでは、基質がロードされ、必要に応じて適所で混合され、ここでも堆肥化で使用されるようなドラッグネットコンベアによって抽出されてもよい。

レーンは、実質的に大きなサイズの固定された建設セメント構造である容器である。レーンは、４フィート×４フィートの容器に対して、全長１００〜４００フィート、幅６〜１０フィートのオーダーとなろう。

容器、例えば４フィート×４フィートの容器は、持運び可能であり、かつ生成物を取り出すために上下逆さまに反転することができるが、レーンは移動可能ではなく、完成した生成物は、レーンから引き出されなければならない。また、追加された栄養素が混合される混合ステップのために、持運び可能な容器は、内容物を混合器中にダンプしてから、小さな容器中に分配し戻すことができるほど十分に小さい。レーンについて、栄養素がレーン中に直接追加されてから、混合装置のピース（ガントリー系上のオーガー等）が、レーン内の混合物を混合しなければならない。

このように、本発明は、菌糸体生体材料を比較的簡単な方法で生成するためのプロセス及び装置、並びに容積全体が制限されない菌糸体生体材料を提供する。

本発明はまた、非無菌の開放ウェアハウス条件下で菌糸体生体材料を成長させることによって、菌糸体生体材料を生成するプロセスコスト及び複雑性を引き下げるプロセス及び装置を提供する。

Claims (20)

1. 菌糸体生体材料を生成するプロセスであって、
   離散粒子の基質及び真菌接種物を混合して、第１の注入可能な混合物を形成するステップと；
   真菌増殖の第１のフェーズにおいて前記混合物の所定の高さを、前記真菌接種物が増殖して前記基質を支配し得るのに十分な時間、かつ温度にて通気するステップと；
   その後、通気された前記混合物を、追加された栄養素と混合して、第２の注入可能な混合物を形成するステップと；
   真菌増殖の第２のフェーズにおいて前記第２の混合物の所定の高さを、前記真菌接種物が前記離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、かつ温度にて通気するステップと；
   その後、前記バイオ複合材料を脱水して、菌糸体生体材料を形成するステップと
   を含むプロセス。
2. 前記基質が、Ａｓｐｅｎ木材チップを含み、前記真菌接種物が、霊芝（Ｇａｎｏｄｅｒｍａ ｌｕｃｉｄｕｍ）及びカワラタケ（Ｔｒａｍｅｔｅｓ ｖｅｒｓｉｃｏｌｏｒ）の１つである、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記第１の混合物の前記所定の高さが、２４インチから２８インチであり、前記第２の混合物の前記所定の高さが、２４インチから２８インチである、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記混合物を通気する前記ステップが、前記混合物中に加湿空気を上方に導入することを含む、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記第２の混合物を通気する前記ステップが、前記混合物中に加湿空気を上方に導入することを含む、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記第２の混合物が、前記第１の混合物よりも高速で通気される、請求項５に記載のプロセス。
7. 真菌増殖の前記第１のフェーズが、前記第１の混合物を受け入れるキャビティを有する容器内で起こる、請求項１に記載のプロセス。
8. 真菌増殖の前記第２のフェーズが、前記容器内で起こる、請求項７に記載のプロセス。
9. 真菌増殖の前記第２のフェーズが、所定の形状のキャビティを有する第２の容器内で起こり、これによって前記自己支持性のバイオ複合材料が、前記第２の容器の前記キャビティに順応する形状を有する、請求項７に記載のプロセス。
10. 前記自己支持性のバイオ複合材料が、ブロックの形状であり、ブロック形状の前記バイオ複合材料を、厚さが最大１インチの薄いシートに切り取るステップをさらに含む、請求項９に記載のプロセス。
11. 真菌増殖の前記第２のフェーズにおいて前記第２の混合物を通気する前記ステップの前に、前記第２の混合物の前記所定の高さの最上部上に、夾雑菌（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）の成長を妨げることができる材料の浸透層を配置するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
12. 菌糸体生体材料を生成するプロセスであって、
    離散粒子の基質及び真菌接種物を混合して、第１の注入可能な混合物を形成するステップと；
    前記混合物を容器中に分配して、前記容器を、前記容器内の所定の高さまで充填するステップと；
    真菌増殖の第１のフェーズにおいて前記容器内の前記混合物を、前記真菌接種物が増殖して前記基質を支配し得るのに十分な時間、かつ温度にて通気するステップと；
    その後、通気された前記混合物を、追加された栄養素と混合して、第２の注入可能な混合物を形成するステップと；
    前記第２の注入可能な混合物を第２の容器中に分配するステップと；
    真菌増殖の第２のフェーズにおいて前記第２の容器内の前記第２の注入可能な混合物を、前記真菌接種物が前記離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、かつ温度にて通気するステップと；
    その後、前記バイオ複合材料を脱水して、菌糸体生体材料を形成するステップと
    を含むプロセス。
13. 前記第２の容器が、前記第２の注入可能な混合物を受け入れるための所定の三次元形状のキャビティを有し、前記バイオ複合材料が、前記形状に順応する、請求項１２に記載のプロセス。
14. 前記第２の混合物を前記第２の容器中に分配する前記ステップの前に、インサートを前記第２の容器中に入れて、前記第２の注入可能な混合物を分配するための複数のキャビティを規定するステップをさらに含む、請求項１２に記載のプロセス。
15. 前記第２の容器の前記キャビティのそれぞれの中の前記第２の注入可能な混合物が、通気されて、前記真菌接種物が、前記キャビティのそれぞれの中で、前記離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得る、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記第２の注入可能な混合物を通気する前記ステップの前に、前記第２の容器内の前記第２の注入可能な混合物の最上部上に、夾雑菌（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）の成長を妨げることができる材料の浸透層を配置するステップをさらに含む、請求項１２に記載のプロセス。
17. 菌糸体生体材料を生成するプロセスであって、
    離散粒子の基質及び真菌接種物を混合して、第１の注入可能な混合物を形成するステップと；
    真菌増殖の第１のフェーズにおいて前記混合物の所定の高さを、前記真菌接種物が増殖して前記基質を支配し得るのに十分な時間、かつ温度にて通気するステップと；
    その後、通気された前記混合物を、追加された栄養素と混合して、第２の注入可能な混合物を形成するステップと；
    前記第２の注入可能な混合物を、前記真菌接種物が前記離散粒子に結合して、自己支持性のバイオ複合材料となり得るのに十分な時間、インキュベートするステップと
    を含むプロセス。
18. 菌糸体生体材料を生成する装置であって、
    所定の圧力にて安定した空気流を発生させるブロワーと；
    前記空気流の温度を調整するインタークーラーと；
    前記空気流を加湿する加湿ユニットと；
    離散粒子及び真菌接種物の注入可能な混合物を受け入れる少なくとも１つのキャビティを有する容器と；
    前記加湿ユニットと連通して、加湿された空気を前記加湿ユニットから、前記容器の前記キャビティ、及び前記キャビティ内の前記注入可能な混合物を通して上方に送る、前記容器の基部内の複数のノズルと
    を備える装置。
19. 前記複数のノズルの各ノズルは、増殖チャンバを規定するように前記容器内に配置される円筒体と、前記容器の外側から前記円筒体中に螺入されて、前記円筒体を前記容器に固定するナットと、制限された空気流を、前記加湿ユニットから前記ナットを通して前記増殖チャンバ中に送るように前記ナット内に固定される連結片と、前記増殖チャンバをおおって前記円筒体上に配置されるメッシュスクリーンと、前記円筒体及び前記メッシュスクリーンをおおって摺動可能に取り付けられる円筒カバーとを備え、前記カバーは、前記増殖チャンバと同軸の開口部を有し、前記開口部を通って空気が送られる、請求項１８に記載の装置。
20. 前記容器内に、前記混合物を分配するための複数のキャビティを規定する複数のインサートをさらに備える、請求項１８に記載の装置。
    

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