JP2022024051A - 微生物の改善された発酵プロセス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物を発酵させる発酵プロセスに関する。特に、本発明は、改善されたバイオマス生産および細菌株などの微生物、例えばメタノトロフィック細菌株の増大した増殖速度を有する発酵プロセスに関する。
発酵によるメタンガスの利用に関して、多くの微生物、例えば細菌が知られている。典型的にはメタノトローフ(methanotroph)が、唯一の炭素およびエネルギー源としてメタンを消費する。このプロセスでは、メタンを直接または天然ガスから供給することができ、この目的のために、連続培養においてより長い期間にわたって増殖を支持するためには、純粋または共培養細菌コンソーシアムが必要である。
従来、天然ガスまたはメタンからの単細胞タンパク質(SCP)の生産または発酵は、連続培養の開始前の5~6日の初期開始時間の条件下で、単一の炭素源、すなわちメタンを使用している。従来、定常状態下で達成されるバイオマス生産は、乾物ベースで約1.5~2.5g/Lである。従来の発酵プロセスの発酵効率を高めるために、SCP生産のためのメタン利用プロセスは非常に効率的でなければならない。
メタノトロフィック細菌株を含む発酵プロセスのような従来の発酵プロセスの間、微生物は二酸化炭素(CO2)を生成し、これが発酵ブロスに放出される。従って、CO2は従来、廃ガスと考えられている。故に、発酵プロセスの生産性を改善するために、従来のプロセスは、生産性を改善するために、CO2が発酵槽から、例えばUループリアクタのヘッドスペースから除去されるべきであることを教示する。
さらに、例えば動物飼料用の、発酵されたタンパク質源の構築コストおよび操作コストは相当高価であり、同時に品質、標準および規制、ならびにタンパク質1kgあたりの低価格に対する要求および要件が高くなっている。従って、収益性の高いビジネスを確立し、効率を少しでも向上させることは困難であり、生産コストの削減は製造者の収入に重大な影響を及ぼし得る。
従って、改善された発酵プロセスが産業界において必要とされ、関心が持たれている。特に、産業界の要件および要求を損なうことなく、改善されたバイオマス生産および細菌株などの微生物、例えばメタノトロフィック細菌株の増殖速度の増加をもたらす、より効率的な発酵プロセスが産業界において必要とされている。
従って、本発明の目的は、微生物を発酵する発酵プロセスに関する。
特に、本発明の目的は、改善されたバイオマス生産および細菌株などの微生物、例えばメタノトロフィック細菌株の向上した増殖速度を有する発酵プロセスを提供することである。
従って、本発明の1つの態様は、発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法に関し、この方法が:
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含む。
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含む。
本発明の別の態様は、発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法に関し、この方法が:
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、2つ以上の炭素源の組み合わせを含む。
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、2つ以上の炭素源の組み合わせを含む。
本発明のさらに別の態様は、少なくとも1つのガス状基質を発酵槽に注入するための入口を含む発酵槽に関し、ここで少なくとも1つのガス状基質が二酸化炭素(CO2)を含む。
本発明のさらに別の態様は、本発明に従う方法によって得ることができる1つ以上の微生物を含む組成物に関する。
ここで、以下に本発明をより詳細に説明する。
従って、本発明は、細菌株などの微生物、例えばメチロコッカス(Methylococcaceae)またはメチロシスティス(Methylocystaceae)科のメタノトローフ細菌株の発酵のために開発された発酵プロセスに関し、これは炭素源、窒素源および無機塩を含有する発酵槽中で培養される。このプロセスは、半好気性プロセス(SAP)であってもよい。発酵プロセスは、従来の発酵プロセスよりも少なくとも4倍高い増殖速度および/または少なくとも1.5倍高いバイオマス生産をもたらし得る。驚くべきことに、本発明者らは、二酸化炭素が、本発明により得られた改善されたバイオマス生産および増大した増殖速度に有意な影響を及ぼすことを見出した従って、本発明のプロセスは、近い将来の食物需要のためのタンパク質生産において有意な改善を示すだけでなく(バイオマス生産の向上および増殖速度の増大によって示される)、本発明は、発酵プ
ロセスがCO2のような温室効果ガスの消費を伴うので、環境汚染低減に効果的であることも示す。
ロセスがCO2のような温室効果ガスの消費を伴うので、環境汚染低減に効果的であることも示す。
従って、本発明の好ましい実施形態は、発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法に関し、この方法が:
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含む。
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含む。
本発明の一実施形態では、ガス状基質はアルカンをさらに含み、好ましくはアルカンはC1化合物である。
本発明のさらに好ましい実施形態は、発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法に関し、この方法が:
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、2つ以上の炭素源の組み合わせを含む。
(i)1つ以上の微生物を提供する工程;
(ii)1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程;
(iii)1つ以上の微生物および発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程;
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程;
(v)少なくとも1つのガス状基質を発酵ブロスに注入する工程;
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程;
を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は、2つ以上の炭素源の組み合わせを含む。
本発明の一実施形態では、少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含んでいてもよい。
本発明の別の実施形態では、ガス状基質は、少なくとも0.05%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.075%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.1%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.2%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.3%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.4%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.6%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.7%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.8%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.9%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.25%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.75%の二酸化炭素、例えば少なくとも2.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも2.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも3.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも3.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも4.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも4.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも5.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも6.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも6.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも7.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも7.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも8.0%の二酸化炭素を含む。
ガス状基質および温室効果ガス、例えばCO2を発酵ブロスに注入してもよい。好ましくは、ガス状基質および温室効果ガス、例えばCO2の発酵ブロスに注入される量は、少なくとも0.001L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.005L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.01L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.05L/分/Lの発酵ブロス、例えば0.1L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも
0.13L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.15L/分/Lの発酵ブロス、例えば0.2L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.25L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.3L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.4L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.5L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.60L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.7L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.75L/分/Lの発酵ブロスである。
0.13L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.15L/分/Lの発酵ブロス、例えば0.2L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.25L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.3L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.4L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.5L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.60L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.7L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.75L/分/Lの発酵ブロスである。
本発明のさらなる実施形態では、2つ以上の炭素源の組み合わせは、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)と1つ以上のアルカンとの組み合わせを含む。
アルカンは、好ましくはC1化合物および/またはC1アルカンであってもよい。好ましくは、C1化合物および/またはC1アルカンは、メタン、メタノール、天然ガス、バイオガス、合成ガス、またはこれらのいずれかの組み合わせであってもよい。さらにより好ましくは、C1化合物および/またはC1アルカンはメタンであってもよい。
本発明の一実施形態では、ガス状基質は、重量:重量基準で、二酸化炭素1部とアルカン1部、例えば二酸化炭素1部とアルカン約1.5部、二酸化炭素1部とアルカン約2部、二酸化炭素1部とアルカン約2.5部、二酸化炭素1部とアルカン約3部の、二酸化炭素とアルカンとの比を含む。
ガス状基質は、少なくとも1つの窒素源をさらに含む。好ましくは、少なくとも1つの窒素源は、アンモニア、硝酸塩、分子状窒素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。好ましくは、窒素源は、アンモニアと硝酸塩との組み合わせである。
ガス状基質は、酸素をさらに含んでいてもよい。好ましくは、酸素は、大気、純酸素、または酸素が豊富な空気として提供されてもよい。
本発明の一実施形態では、ガス状基質は、C1アルカン、好ましくはメタンの含有量より2~15倍(vol/vol)高い;例えば3~12倍高い(vol/vol);例えば4~10倍高い(vol/vol);例えば5~9倍高い(vol/vol);例えば6~8倍高い(vol/vol)範囲の酸素、好ましくは大気の含有量を有していてもよい。
本発明の別の実施形態では、ガス状基質は、温室効果ガス、好ましくは二酸化炭素の含有量より5~25倍(vol/vol)高い、例えば7~20倍高い(vol/vol);例えば9~15倍高い(vol/vol);例えば10~14倍高い(vol/vol);例えば11~13倍高い(vol/vol)範囲の酸素、好ましくは大気の含有量を有していてもよい。
本明細書において、「発酵基質」という用語は、微生物の増殖に必要な可溶性成分を含む液体、好ましくは水性媒体に関する。
発酵プロセスの間に、炭素源、窒素源および/または酸素源がガス状基質中に提供される。発酵プロセス中に炭素源、窒素源および/または酸素源を微生物が容易に利用できるようにするには、ガス状基質を発酵ブロスに可溶性にすべきである。
液体中の気泡は、より大きな泡(合体)に共に融合する傾向があり、気泡の合体を避けるために、ミキサ、例えばスタティック・ガス・ミキサまたはバッフルを、発酵ブロス中のガスの再分散のために提供してもよい。
液体中に有利に分散され得る気体の量は、静水圧に依存し得る。従って、高さのあるリアクタの場合、ダウンフロー部分にガスを導入するためのいくつかの場所を有することが有利である。好ましくは、少なくとも1つのスタティック混合素子は、発酵ブロス中のガスを分散させるために、各入口からの距離をあけてまたはその直後に配置されてもよい。
1つ以上の微生物と発酵基質との混合により発酵ブロスを提供することは、発酵槽の外側または発酵槽の内側で行われてもよい。本発明の一実施形態では、1つ以上の微生物と発酵基質との混合により発酵ブロスを提供することは発酵槽で行われてもよい。
本発明の一実施形態では、発酵プロセスは、バッチ発酵、フェドバッチ、または連続発酵プロセスであってもよい。好ましくは、発酵プロセスは、連続発酵プロセスであってもよい。
本発明のさらなる実施形態では、連続発酵プロセスは、ケモスタット、pHスタット、生成物スタットまたは他の連続発酵プロセスモードとして行われてもよい。
本発明の好ましい実施形態において、発酵プロセスは、エアリフトリアクタ(発酵槽はエアリフトリアクタである)、ループリアクタ(発酵槽はループリアクタ)、U型リアクタ(発酵槽はU型リアクタである)および/または撹拌槽リアクタ(発酵槽は撹拌槽リアクタである)で行われる。
一実施形態では、発酵ブロスを混合に供してもよい。好ましくは、発酵槽は、発酵ブロスを混合するのに適した1つ以上のミキサを含む。本発明の一実施形態では、発酵槽は、ガス状基質を導入するためのガス入口に近接して、好ましくはその下流に少なくとも1つのミキサを含む。
発酵ブロス中のガス状基質の溶解性を増加させる1つの方法は、静水圧を増加させることによる。本発明の一実施形態では、発酵ブロスおよびガス状基質の圧力は、少なくとも1.5bar;例えば少なくとも1.75bar;例えば少なくとも2.0bar;例えば少なくとも2.5bar;例えば少なくとも3.0bar;例えば少なくとも3.5bar;例えば少なくとも4.0bar;例えば少なくとも4.5bar;例えば少なくとも5.0bar;例えば少なくとも5.5bar;例えば少なくとも6.0bar;例えば少なくとも7.0bar;例えば少なくとも8.0bar;例えば少なくとも9.0bar;例えば少なくとも10.0barの発酵槽の外側の圧力に対する超過圧力への増加分である。
種々の発酵条件の組み合わせは、発酵槽内で増殖する微生物に依存する。
微生物は、細菌細胞、真菌細胞、藻類細胞、または動物細胞からなる群から選択される。好ましくは、微生物は細菌細胞であってもよい。
本発明の一実施形態では、細菌細胞はメタノトロフィック細菌細胞であってもよい。
本発明のなおさらなる実施形態では、細菌細胞は、メチロコッカス(Methylococcus)株から選択されるメタノトロフィック細菌細胞であってもよい。
本発明のなおさらなる実施形態において、メチロコッカス(Methylococcus)株は、メチロコッカス・カプスラタス(Methylococcus capsulatus)であってもよい。
本発明のなおさらなる実施形態では、細菌細胞(好ましくは、天然ガスの存在下で増殖させる場合)は、メチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus);アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(好ましくはNCIMB13287);バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(好ましくはNCIMB13280);および/またはアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(好ましくはNCIMB13288)から選択される。好ましくは細菌細胞はメチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus);アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(好ましくはNCIMB13287);バチルス・フィルムス(Bacillus
firmus)(好ましくはNCIMB13280);およびアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(好ましくはNCIMB13288)の組み合わせである。
firmus)(好ましくはNCIMB13280);およびアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(好ましくはNCIMB13288)の組み合わせである。
本発明の好ましい実施形態において、発酵は、二酸化炭素(CO2)ならびに(a)メタノトロフィック細菌およびメタンまたは(b)メタノトロフィック細菌、アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(好ましくはNCIMB13287);バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(好ましくはNCIMB13280);および/またはアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(好ましくはNCIMB13288)および天然ガスの組み合わせを用いて開始されてもよい。この記載手順に従って、発酵は、定常状態発酵として連続あってもよく、ここで炭素源が天然ガスの場合、アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(好ましくはNCIMB13287);バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(好ましくはNCIMB13280);および/またはアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(好ましくはNCIMB13288)が、先に添加されない場合には、さらなるCO2の添加なしで、添加される。
上述したように、本発明による方法は、改善されたバイオマス生産および細菌株などの微生物、例えばメタノトロフィック細菌株の増殖速度の増大をもたらす。
本発明の好ましい実施形態では、本発明の方法は、少なくとも0.04h-1、例えば少なくとも0.05h-1、例えば少なくとも0.06h-1、例えば少なくとも0.08h-1、例えば少なくとも0.10h-1、例えば少なくとも0.12h-1、例えば少なくとも0.14h-1、例えば少なくとも0.15h-1、例えば少なくとも0.16h-1、例えば少なくとも0.17h-1、例えば少なくとも0.18h-1、例えば少なくとも0.19h-1、例えば少なくとも0.20h-1、例えば少なくとも0.22h-1、例えば少なくとも0.25h-1、例えば少なくとも0.27h-1、例えば少なくとも0.30h-1、例えば少なくとも0.32h-1、例えば少なくとも0.35h-1、例えば少なくとも0.37h-1である発酵プロセス中の微生物の増殖速度を与える。
本発明の別の好ましい実施形態では、乾物ベースで少なくとも2.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも2.6g/lのバイオマス生産を提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも2.7g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも2.8g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも2.9g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも3.0g/lのバイオマス生産を提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも3.5g/lのバイオマス生産を提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも4.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも4.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば
乾物ベースで少なくとも5.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも5.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも6.0g/lのバイオマス生成が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも6.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも7.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも7.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも10.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも12.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも15.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも17.5g/lのバイオマス生成が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも20.0g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで少なくとも22.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも25.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも27.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも30.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよい。
乾物ベースで少なくとも5.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも5.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも6.0g/lのバイオマス生成が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも6.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも7.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも7.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも10.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも12.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも15.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも17.5g/lのバイオマス生成が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも20.0g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで少なくとも22.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも25.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも27.5g/lのバイオマス生産が提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも30.0g/lのバイオマス生産が提供されてもよい。
本発明者らは、改善されたバイオマス生産および増大した増殖速度に加えて、高いバイオマス生産(または最大バイオマス生産(乾物ベースでのg/l単位で))が、従来の方法よりも顕著に早く得られ得ることを見出した。従って、本発明の一実施形態では、高いバイオマス生産(または最大バイオマス生産(乾物ベースでのg/l単位で))は、5日未満で、例えば4日未満で、例えば3日未満、例えば2日未満、例えば24時間未満、例えば20時間未満、例えば16時間未満、例えば14時間未満、例えば12時間未満、例えば10時間未満、例えば8時間未満で得られてもよい。
本発明の一実施形態では、乾物ベースで少なくとも3.5g/lのバイオマス生産が24時間未満で提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも4.0g/lのバイオマス生産が20時間未満で提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも4.5g/lのバイオマス生成が14時間未満で提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも5.0g/lのバイオマス生産が10時間未満で提供されてもよく、例えば乾物ベースで少なくとも5.5g/lのバイオマス生産が8時間未満で提供される。
本発明による新しい方法を提供するために、新しい発酵槽が開発された。従って、本発明の好ましい実施形態では、発酵槽が提供される。発酵槽は、少なくとも1つのガス状基質を発酵槽に注入するための入口を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は二酸化炭素(CO2)を含む。
本発明の好ましい実施形態では、発酵槽は、エアリフトリアクタ、ループリアクタ、U型リアクタ、または撹拌槽リアクタである。
溶存ガス(溶解したガス状基質)の量を改善するために、本発明による発酵槽は、1つ以上の混合装置をさらに含んでもよい。好ましくは、1つ以上の混合装置は、スタティック混合装置、またはバッフルおよび/またはアクティブ混合装置であってもよい。
発酵プロセスをさらに改善するために、発酵槽はさらに、1つ以上のセンサをさらに含んでいてもよい。このセンサは、ガス(例えばCO2、メタン、酸素など)、栄養、ミネラル、pHなどを決定するのに適していてもよい。
本発明の一実施形態では、1つ以上のセンサはCO2センサを含む。
本発明のさらなる実施形態では、1つ以上のセンサは、溶存CO2を決定するためのセ
ンサを含む。
ンサを含む。
本発明による方法は、CO2などの温室効果ガスをバイオマスおよび/またはタンパク質に転化するため、および/または培地中のCO2などの温室効果ガスの含有量を低減するために使用されてもよい。
本発明の態様の1つの文脈において記載される実施形態および特徴は、本発明の他の態様にも適用されることに留意すべきである。
ここで、本発明は、以下の非限定的な実施例において、さらに詳細に記載される。
[実施例1]
実施例1の目的は、本発明によって得られる、改善されたバイオマス生産および増大した増殖速度を実証することである。発酵は、従来のプロセスと比較して半好気性プロセスを用いて連続培養下でバッチ発酵および定常状態の両方で行われる。
実施例1の目的は、本発明によって得られる、改善されたバイオマス生産および増大した増殖速度を実証することである。発酵は、従来のプロセスと比較して半好気性プロセスを用いて連続培養下でバッチ発酵および定常状態の両方で行われる。
[材料および方法]
メタノトロフィック細菌株(メチロコッカス・カプスラタス((Methylococcus capsulatus))株が提供された。この株(NCIMB11132)は、NCIMB(National Collection of Industrial,Food and Marine Bacteria,Aberdeen,Scotland)から提供され、本発明による発酵プロセスと従来の発酵プロセスとの両方に関して、この作業を通して使用された。また、炭素源として天然ガスを用いた場合には、他の3つの株、アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(NCIMB13287)、バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(NCIMB13280)、アニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(NCIMB13288)も提供され、メチルコッカカス・カプスラタス(M.capsulatus)と共に本研究で使用された。
メタノトロフィック細菌株(メチロコッカス・カプスラタス((Methylococcus capsulatus))株が提供された。この株(NCIMB11132)は、NCIMB(National Collection of Industrial,Food and Marine Bacteria,Aberdeen,Scotland)から提供され、本発明による発酵プロセスと従来の発酵プロセスとの両方に関して、この作業を通して使用された。また、炭素源として天然ガスを用いた場合には、他の3つの株、アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(NCIMB13287)、バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(NCIMB13280)、アニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(NCIMB13288)も提供され、メチルコッカカス・カプスラタス(M.capsulatus)と共に本研究で使用された。
本発明による方法では、株を発酵プロセスに直接添加することができ(グリセロールストックとして添加する)、バッチ発酵のわずか1日後に連続培養を開始することができたが、同じ接種物サイズを用いた従来の発酵は、モードを連続培養に切り替える前に少なくとも5~7日間バッチ段階で培養した。
使用した炭素源はメタン(実験1A)、メタンおよびCO2(実験1B)、または天然ガスおよびCO2(実験1c)であった。
実験で使用した窒素源は、硝酸塩、アンモニアまたは硝酸アンモニウムである。
実験(本発明の方法および従来の方法に従う)において実施された培養は、3回の生物学的複製において最小培地の1L作業容積を有するバッチ発酵において行われ、連続培養が開始された。発酵槽(fermenter)(発酵槽(fermentation tank))を最小培地成分の一部でオートクレーブした。別々にオートクレーブした最小培地の他の部分を加えた後、発酵槽に5%の洗浄した予備培養物を接種した。通気速度は、培養懸濁液の体積あたり毎分1.5容量(vvm)の空気であった。従来の実験1aではメタン流量が0.36L/分であり、実験1bでは0.23L/分のメタン流量を有し、実験1cは本発明による方法で0.29L/分の天然ガス流量を有していた。本発明による方法では、実験1cでは0.145L/分のCO2を注入し、実験1bでは0.13L/分のCO2を注入した。2N NaOHまたは2N H2SO4の自動添加により培
地のpHを6.8に維持し、培養全体にわたって温度を42℃に維持した。溶存酸素較正は、空気およびN2によるガス処理によって実施した。撹拌速度は毎分600回転(rpm)に維持した。連続培養の間の希釈率は0.05h-1であった。
地のpHを6.8に維持し、培養全体にわたって温度を42℃に維持した。溶存酸素較正は、空気およびN2によるガス処理によって実施した。撹拌速度は毎分600回転(rpm)に維持した。連続培養の間の希釈率は0.05h-1であった。
この表は、メチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus)単独またはアルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(NCIMB13287)、バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(NCI
MB13280)およびアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus
danicus)(NCIMB13288)と組み合わせたメチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus)の3回培養による生物学的培養からの実験値を示す。SSは定常状態発酵を意味する。バッチはバッチ発酵を意味する。文字a、b、c、d、およびeは、各化合物の1モルのメタン消費あたりのモル単位での化学量論係数に関する。文字「μ」は比増殖速度に関連する。
MB13280)およびアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus
danicus)(NCIMB13288)と組み合わせたメチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus)の3回培養による生物学的培養からの実験値を示す。SSは定常状態発酵を意味する。バッチはバッチ発酵を意味する。文字a、b、c、d、およびeは、各化合物の1モルのメタン消費あたりのモル単位での化学量論係数に関する。文字「μ」は比増殖速度に関連する。
[議論]
発酵中に提供される化学転化の理論的化学量論は、以下のように記述できる:
CH4+aO2+bNaNO3/NH3/NH4NO3+cCO2->dCH1.8O0.5N0.2+eCO2+fH2O
発酵中に提供される化学転化の理論的化学量論は、以下のように記述できる:
CH4+aO2+bNaNO3/NH3/NH4NO3+cCO2->dCH1.8O0.5N0.2+eCO2+fH2O
CH4はメタンであり;O2は酸素であり;NaNO3は硝酸ナトリウムであり;NH3はアンモニアであり;NH4NO3は硝酸アンモニウムであり;CO2は二酸化炭素であり;CH1.8O0.5N0.2はバイオマスであり;H2Oは水である。
文字a、b、c、d、eおよびfは、各化合物の1モルのメタン消費あたりのモル単位での化学量論係数に関する。
理論的な化学量論バランスは、異なる窒素源下、二酸化炭素(CO2)を用いるまたは用いないプロセスで実施されている。
この表は、異なる炭素および窒素源に基づく異なる化学量論に関する理論値を示す。
メチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus)を、2つの異なる条件で(CO2を用いて(本発明の方法)またはCO2を用いずに(従来の方法))、および異なるタイプの窒素源(硝酸塩、アンモニアまたは硝酸アンモニウム)を特定の最小培地にて、単独で、または3つの他の細菌株(アルカリゲン・アシドボランス(Alcaligen acidovorans)(NCIMB13287)、バチルス・フィルムス(Bacillus firmus)(NCIMB13280)およびアニューロバチルス・ダニカス(Aneurobacillus danicus)(NCIMB13288)と共に増殖させた。バイオマスの光学密度および乾燥細胞重量ならびにメタンおよび二酸化炭素(CO2)の消費を、本発明の方法におけるバッチ段階で2~3時間毎にモニターした。増殖が遅いため、CO2が存在しない従来のプロセスではサンプリング頻度が低くなる。CO2を使用しないプロセスから得られた増殖速度は改善を示さず、増殖には少なくとも6日かかったが(図示せず)、天然ガスなどの炭素源をCO2と共に使用すると、最大比増殖速度は0.16h-1で相当迅速な増殖が生じた(結果表参照)。同様の結果
は、100Lの作業容積のUループ発酵槽からも達成された。
は、100Lの作業容積のUループ発酵槽からも達成された。
図1は、炭素源としてメタンを用いて従来の方法を用いて、1Lの発酵槽(a)で増殖させたメチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus)を示す。連続培養は、0.05h-1の希釈率を用いたバッチ増殖の4~5日後に開始された。乾燥細胞重量および550nm測定における培養物の光学密度(OD550)は、約0.04h-1の比増殖速度を示す。定常状態でのバイオマス濃度は2~2.5g/Lであり(データは示さず)、(b)は本発明による発酵プロセスを用いる。連続培養は、高い比増殖速度(約0.16h-1;乾燥細胞重量およびOD550データに基づいて)および0.05h-1の希釈速度のためにわずか1日後に開始された。定常状態のバイオマス濃度は4g/Lであった(データは示さず)。
この結果は、本発明によるCO2の添加下でのメタノトロフィック細菌(メチロコッカス科)(例えば、メチロコッカス・カプスラタス(M.capsulatus))のような微生物の培養が、有意に改善され得、従来の発酵プロセスと比較して、タンパク質1グラム当たりの生産コストが有意に低下し得ることを明確に実証している。
Claims (37)
- 発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法であって、
(i)1つ以上の微生物を提供する工程と、
(ii)前記1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程と、
(iii)前記1つ以上の微生物および前記発酵基質を混合して発酵ブロスを提供する工程と、
(iv)発酵槽に前記発酵ブロスを添加する工程と、
(v)少なくとも1つのガス状基質を前記発酵ブロスに注入する工程と、
(vi)発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程と、を含み、
少なくとも1つのガス状基質は、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含むことを特徴とする方法。 - 前記ガス状基質がC1化合物をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 発酵プロセスにおける微生物のバイオマス生産および/または増殖速度を改善するための方法であって、
(i)1つ以上の微生物を提供する工程と、
(ii)前記1つ以上の微生物を発酵させるのに適した発酵基質を提供する工程と、
(iii)前記1つ以上の微生物および前記発酵基質を混合して前記発酵ブロスを提供する工程と、
(iv)発酵槽に発酵ブロスを添加する工程と、
(v)少なくとも1つのガス状基質を前記発酵ブロスに注入する工程と、
(vi)前記発酵プロセスを少なくとも1時間の発酵期間の間実行する工程と、を含み、
前記少なくとも1つのガス状基質は、2つ以上の炭素源の組み合わせを含むことを特徴とする方法。 - 2つ以上の炭素源の前記組み合わせが、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)と1つ以上のアルカン、例えばメタンとの組み合わせを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのガス状基質が、1つ以上の温室効果ガス、例えば二酸化炭素(CO2)を含む、請求項3または4に記載の方法。
- 前記1つ以上の微生物と前記発酵基質との混合により発酵ブロスを提供することは前記発酵槽内で行われる、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記発酵ブロスが混合に供される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記発酵プロセスが、エアリフトリアクタ、ループリアクタ、U型リアクタ、または撹拌槽リアクタ内で行われる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記発酵ブロスおよび前記ガス状基質の圧力が、少なくとも1.5bar;例えば少なくとも1.75bar;例えば少なくとも2.0bar;例えば少なくとも2.5bar;例えば少なくとも3.0bar;例えば少なくとも3.5bar;例えば少なくとも4.0bar;例えば少なくとも4.5bar;例えば少なくとも5.0bar;例えば少なくとも5.5bar;例えば少なくとも6.0bar;例えば少なくとも7.0bar;例えば少なくとも8.0bar;例えば少なくとも9.0bar;例えば少なくとも10.0barの発酵槽の外側の圧力に対する超過圧力への増加分である、請求項1から8
のいずれか一項に記載の方法。 - 前記微生物が、細菌細胞、真菌細胞、藻類細胞、または動物細胞からなる群から選択される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記微生物が細菌細胞である、請求項10に記載の方法。
- 前記細菌細胞がメタノトロフィック細菌細胞である、請求項11に記載の方法。
- 前記メタノトロフィック細菌細胞がメチロコッカス(Methylococcus)、好ましくはメチロコッカス・カプスラタス(Methylococcus capsulatus)、から選択される、請求項12に記載の方法。。
- 前記発酵プロセスが、バッチ発酵、バッチ供給、または連続発酵プロセスであり、好ましくは、発酵プロセスは連続発酵プロセスである、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記連続発酵プロセスが、ケモスタット、pHスタット、生成物スタットまたは他の連続発酵プロセスモードとして行われる、請求項10に記載の方法。
- 前記ガス状基質は、少なくとも0.05%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.075%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.1%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.2%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.3%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.4%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.6%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.7%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.8%の二酸化炭素、例えば少なくとも0.9%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.25%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも1.75%の二酸化炭素、例えば少なくとも2.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも2.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも3.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも3.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも4.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも4.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも5.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも6.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも6.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも7.0%の二酸化炭素、例えば少なくとも7.5%の二酸化炭素、例えば少なくとも8.0%の二酸化炭素を含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記C1がアルカンである、請求項16に記載の方法。
- 前記C1化合物および/または前記アルカンが、メタン、メタノール、天然ガスまたはこれらのいずれかの組み合わせであり、好ましくは、前記C1化合物および/または前記アルカンはメタンである、請求項16または17に記載の方法。
- 前記ガス状基質が、重量:重量基準で、二酸化炭素1部とアルカン1部、例えば二酸化炭素1部とアルカン約1.5部、二酸化炭素1部とアルカン約2部、二酸化炭素1部とアルカン約2.5部、二酸化炭素1部とアルカン約3部の、二酸化炭素とアルカンとの比を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記ガス状基質がさらに、少なくとも1つの窒素源をさらに含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの窒素源が、アンモニア、硝酸塩、分子状窒素、およびこれらの組
み合わせからなる群から選択され、好ましくは、前記窒素源は、アンモニアと硝酸塩との組み合わせである、請求項20に記載の方法。 - 前記ガス状基質が酸素をさらに含む、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸素は、大気、純酸素または酸素が豊富な空気として提供される、請求項22に記載の方法。
- 前記ガス状基質が、C1アルカン、好ましくはメタンの含有量より2~15倍(vol/vol)高い;例えば3~12倍高い(vol/vol);例えば4~10倍高い(vol/vol);例えば5~9倍高い(vol/vol);例えば6~8倍高い(vol/vol)範囲の酸素、好ましくは大気の含有量を有する、請求項23に記載の方法。
- 前記ガス状基質が、温室効果ガス、好ましくは二酸化炭素の含有量より5~25倍(vol/vol)高い、例えば7~20倍高い(vol/vol);例えば9~15倍高い(vol/vol);例えば10~14倍高い(vol/vol);例えば11~13倍高い(vol/vol)範囲の酸素、好ましくは大気の含有量を有する、請求項22から24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記発酵プロセス中の微生物の増殖速度が、少なくとも0.04h-1、例えば少なくとも0.06h-1、例えば少なくとも0.08h-1、例えば少なくとも0.10h-1、例えば少なくとも0.12h-1、例えば少なくとも0.14h-1、例えば少なくとも0.15h-1、例えば少なくとも0.16h-1、例えば少なくとも0.17h-1、例えば少なくとも0.18h-1、例えば少なくとも0.19h-1、例えば少なくとも0.20h-1、例えば少なくとも0.22h-1、例えば少なくとも0.25h-1、例えば少なくとも0.27h-1、例えば少なくとも0.30h-1、例えば少なくとも0.32h-1、例えば少なくとも0.35h-1、例えば少なくとも0.37h-1である、請求項1から25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記発酵ブロス中に注入されるCO2の量が、少なくとも0.001L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.005L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.01L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.05L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.1L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.13L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.15L/分/Lの発酵ブロス、例えば0.2L/分/Lの発酵ブロス、例えば少なくとも0.25L/分/Lの発酵ブロスである、請求項1から26のいずれか一項に記載の方法。
- 乾物ベースで少なくとも2.5g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで2.6g/lのバイオマス生産を提供され、例えば乾物ベースで2.7g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで2.8g/lのバイオマス生産が提供されて、例えば乾物ベースで2.9g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで3.0g/lのバイオマス生産を提供され、例えば乾物ベースで3.5g/lのバイオマス生産を提供され、例えば乾物ベースで4.0g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで4.5g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで5.0g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで5.5g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで6.0g/lのバイオマス生成が提供され、例えば乾物ベースで6.5g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで7.0g/lのバイオマス生産が提供され、例えば乾物ベースで7.5g/lのバイオマス生産が提供される、請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記バイオマス生産が、5日未満で、例えば4日未満で、例えば3日未満、例えば2日未満、例えば24時間未満、例えば20時間未満、例えば16時間未満、例えば14時間未満、例えば12時間未満、例えば10時間未満、例えば8時間未満で得られる、請求項28に記載の方法。
- 乾物ベースで少なくとも3.5g/lのバイオマス生産が24時間未満で提供され、例えば乾物ベースで少なくとも4.0g/lのバイオマス生産が20時間未満で提供され、例えば乾物ベースで少なくとも4.5g/lのバイオマス生成が14時間未満で提供され、例えば乾物ベースで少なくとも5.0g/lのバイオマス生産が10時間未満で提供され、例えば乾物ベースで少なくとも5.5g/lのバイオマス生産が8時間未満で提供される、請求項1から29のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つのガス状基質を発酵槽に注入するための入口を含み、ここで少なくとも1つのガス状基質は二酸化炭素(CO2)を含む発酵槽。
- 前記発酵槽は、1つ以上の混合装置をさらに含む、請求項31に記載の発酵槽。
- 前記1つ以上の混合装置は、スタティック混合装置および/またはアクティブ混合装置である、請求項32に記載の発酵槽。
- 前記発酵槽は、1つ以上のセンサをさらに含む、請求項31から33のいずれか一項に記載の発酵槽。
- 前記1つ以上のセンサがCO2を含む、請求項34に記載の発酵槽。
- 前記1つ以上のセンサは、溶存CO2を決定するためのセンサを含む、請求項34または35に記載の発酵槽。
- 請求項1から30のいずれか一項に記載の方法によって得られることができる1つ以上の微生物を含む組成物。
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