JP7408645B2 - 細菌発酵プロセスからタンパク質富化栄養素サプリメントを得るためのシステム - Google Patents
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Description
本出願は、2018年5月21日に出願された米国特許仮出願第62/674,604号および2019年5月17日に出願された米国特許出願第16/416,133号の利益を主張するものであり、上記の出願はすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
一実施形態において、発酵プロセスからタンパク質含有部分を製造する細菌発酵システムが提供され、これは、1つまたは複数の発酵容器、1つまたは複数の細胞セパレータ、1つまたは複数の加工チャンバー、1つまたは複数の細胞破壊装置、および1つまたは複数の分画装置を含む。別の実施形態では、本発明は、様々な動物およびヒトが摂取するために有用な用途を有する嫌気性細菌を使用した発酵プロセスから生成されるタンパク質富化栄養素サプリメントの組成物をさらに提供する。
一態様において、第1のタンパク質含有画分および/またはタンパク質含有細胞残屑画分を加工して、タンパク質富化栄養素サプリメントとして製造することができる。別の態様において、第1のタンパク質含有画分を、タンパク質含有量が約10%以上、例えば40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、または80%以上、90%以上、例えば約10%~約80%、または約10%~約95%、例えば約10%~約98%のタンパク質富化栄養素サプリメントとして製造する。
別の態様において、本発明の方法は、嫌気性細菌細胞の細胞膜を破壊する前に、嫌気性細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液を1種または複数の添加剤で処理することをさらに含む。あるいは、方法は、細胞含有細胞残屑画分から第1のタンパク質含有画分を分離する前に、嫌気性細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液を1種または複数の添加剤で処理することを含む。
細菌発酵システムは、第1の細胞含有懸濁液を受け取り、第1の細胞含有懸濁液中に含まれる細胞の細胞膜を破壊し、ホモジネートを生成するための、1つまたは複数の細胞破壊装置と、1つまたは複数の細胞破壊装置からホモジネートを受け取り、ホモジネートを第1のタンパク質含有画分とタンパク質含有細胞残屑画分とに分画するための、1つまたは複数の細胞破壊装置の出口ラインに接続された1つまたは複数の分画装置と、をさらに含む。
一態様において、細菌発酵システムは、発酵容器および破壊装置に接続された第1の細胞セパレータを含む。第1の細胞セパレータは、第1の細胞濃度の発酵液を発酵容器から受け取り、発酵液を細胞非含有浸透液と第2の細胞濃度の細胞含有懸濁液とに分離する。別の態様において、細菌発酵システムは、ある量の第1の細胞含有懸濁液を受け取るために第1の細胞セパレータに接続された細胞含有保持タンクをさらに含む。さらに別の態様において、細菌発酵システムは、第2の発酵液体ブロス流を発酵容器から受け取り、第2の発酵液体ブロス流を第2の細胞含有懸濁液と第2の細胞非含有浸透液とに分離するための、発酵容器の第4の出口ラインに接続された第2の細胞セパレータをさらに含む。
別の実施形態において、本発明は、酢酸生成菌培養物を使用する発酵プロセスから生成されるタンパク質富化栄養素サプリメントの組成物である。一態様において、組成物は、ホモジネートから分画されるタンパク質含有画分を含み、該ホモジネートは、嫌気性細菌の細胞を含有する細胞含有懸濁液を破壊して得られ、該細胞含有懸濁液は、嫌気性細菌によるガス状基質の発酵中に発酵容器から送り出された発酵液体ブロスから得られ、発酵液体ブロスから得られた嫌気性細菌の細胞は、細胞含有懸濁液と細胞非含有浸透液とに分離される。別の態様において、本発明の組成物は、ホモジネートから分画されたタンパク質含有細胞残屑画分を含む。
細菌発酵プロセスは、一般的に、合成ガスまたは一酸化炭素(CO)含有ガス状基質などのガス状基質を、特に嫌気性細菌または酢酸生成細菌などの細菌によって発酵することと、二酸化炭素(CO2)、エタノール、ブタノール、酪酸、酢酸などを含む発酵製品を生成することと、を含む。さらに重要なことには、嫌気性細菌発酵プロセス後、大量の微生物バイオマスが得られる。大量の微生物バイオマスは、細菌発酵プロセスの間またはその後に除去することができる。細胞除去が完了した際、または細菌発酵プロセスの間、このような大量の微生物バイオマスは、他の用途に有用であり得る。しかしながら、例えば栄養素サプリメントまたは動物用供給原料として有用になるような高品質(すなわち、有害物質または汚染物質がない状態)になるまで発酵由来タンパク質を大量に抽出するには、さらに複雑な加工が必要となる。具体的には、本発明は、このような発酵由来タンパク質を細菌発酵プロセス由来の細胞バイオマスから抽出するプロセスを含む。より具体的には、本発明は、栄養素サプリメントまたは動物用飼料に加工するための、1つまたは複数の発酵由来タンパク質含有画分を細胞集団または微生物バイオマスから抽出する細菌発酵プロセスのためのシステムを含む。
工程110で、発酵培地を発酵容器に加えて細菌発酵プロセスを実施する。加えて、1種または複数のガス状基質を発酵容器に送達し、細菌培養物(嫌気性細菌を含有する培養物など)によって発酵する。最初に、発酵容器に含まれる液体発酵培地は、様々なタイプの好適な細菌培地、発酵培地または液体栄養培地を含んでもよい。栄養培地は、使用する微生物の増殖を可能にする、かつ/または特定の生成物の生成に有利な有効量の1種または複数のビタミンおよびいくつかのミネラルを含む。
加えて、方法100の細菌発酵プロセスで使用する1種または複数のガス状基質としては、様々な合成用ガス(synthesis gas)(すなわち、合成ガス(syngas))、鋼生産プロセス由来の排ガス、鉄生産プロセス由来の排ガス、石炭生産プロセス由来の排ガス、または任意の他の好適な工業生産プラント由来のガス源を挙げることができる。一実施形態において、細菌発酵プロセスで使用されるガス状基質としては、一酸化炭素(CO)含有ガス状基質および/または追加のガス、例えば水素ガス、二酸化炭素(CO2)、窒素ガス(N2)、およびこれらの組合せが挙げられる。
一実施形態において、発酵容器は、第2のバイオリアクターに接続された第1のバイオリアクターを含み、第1のバイオリアクターは、発酵液を第2のバイオリアクターに供給し、第2のバイオリアクター中でエタノール製造が行われる。例えば、発酵容器は、培養安定性の改善のために2段階CSTRシステムであってもよい。例として、発酵容器は、第1のCSTR室を用いた第1の増殖段階と、第2のCSTR室を用いた第2の製造段階とを任意で含んでもよい。
発酵容器内に含まれる発酵液体ブロスは、希釈濃度のエタノールを含有してよく、品質および/または濃度の面でさらに加工する必要があり得る。例えば、発酵液体ブロス中に含まれる発酵生成物を発酵容器から蒸留室または他のタイプの反応器へ送達して、高濃度の最終蒸留生成物を得、それをさらに加工し、回収することができる。
発酵容器中の微生物培養物の所望の細胞濃度を維持するために、細菌発酵プロセスは、一部の発酵液体ブロスを除去することを含む。細胞濃度の増加に伴い、発酵中の操作に関連する問題、例えば不要な遊離酢酸の濃度の増加が多くなり、アセテート製造がエタノール製造より優先されるようになる。したがって、細胞密度を監視し、発酵液体ブロスの定期的または連続的な細胞除去を行うことが重要となる。用語「細胞密度」は、発酵培地の単位体積当たりの微生物の質量、例えばグラム/リットルを意味する。
一実施形態において、工程130で使用する細胞セパレータは、細菌細胞を細菌含有懸濁液と細胞非含有浸透液とに分離し、かつ/または細胞含有懸濁液を、細胞セパレータによって細胞分離する前の発酵液体ブロス中の細胞濃度より高い濃度になるように濃縮するように機能する。代替の実施形態において、発酵液体ブロス中の細胞を、細胞セパレータに数回通過させて(例えば、1つもしくは複数のフィルター型濾過装置に数回通過させて、または同一もしくは異なる遠心分離速度で1つもしくは複数の遠心分離機に数回かけて遠心分離することによって)、分離および濃縮することができる。
別の態様において、細胞のリサイクルを実施し、これは一般に、細胞非含有浸透液から細菌細胞含有懸濁液を分離して、この分離した細菌細胞の全部または一部を発酵容器に戻すことを指す。一実施形態において、濾過装置などの細胞セパレータによる限外濾過を用いて、細胞の分離および/または細胞のリサイクルを達成する。
一態様において、細胞除去は、連続細菌発酵中に行われる。別の態様において、細胞除去は、細菌発酵の後に行われ、ここで、細菌発酵プロセスを中断または停止して、発酵容器からの微生物バイオマスの除去を可能にする。
工程150で、ホモジネートを分画するための1つまたは複数の分画装置の好適な例としては、これらに限定されないが、様々なタイプの固液分画装置、遠心分離装置、連続遠心分離装置、デカンター遠心分離装置、ディスクスタック遠心分離装置、濾過装置、中空糸濾過装置、螺旋巻き濾過装置、セラミックフィルター装置、クロスフロー濾過装置、サイズ排除装置、1本または一連のサイズ排除カラム、1本または一連のイオン交換カラム、1本または一連の炭素重合体カラム、流入式磁気分別装置、限外濾過装置、1本または一連のアフィニティクロマトグラフィーカラム、1本または一連のゲル濾過カラム、およびこれらの組合せが特に挙げられる。
方法100の工程130は、発酵液由来の嫌気性細菌の細胞を、細胞非含有浸透液と、第2の細胞濃度の嫌気性細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液とに分離することを含む。方法100の工程135は、第1の保持タンク中に細胞含有懸濁液を保持することを含んでもよい。一態様において、高いタンパク質含有量および適切な摂取のタンパク質富化サプリメントの生成に備えて、細菌細胞に前処理を施してもよい。さらに別の態様において、工程130の前処理プロセスで添加される1種または複数の添加剤は、細菌細胞を破壊するための条件を最適化し、高品質のホモジネートを生成するのを助けることもできる。
方法100の工程150は、第1の分画装置を使用して、ホモジネートを第1のタンパク質含有画分とタンパク質含有細胞残屑画分とに分画することを含む。方法100の工程160は、タンパク質富化栄養素サプリメントとして第1のタンパク質含有画分を得ることを含む。方法100の工程165は、タンパク質富化栄養素サプリメントとしてタンパク質含有細胞残屑画分を得ることを含む。
工程202の細胞の前処理プロセスにおいて、細胞含有懸濁液を前処理チャンバー内または前処理用の保持タンク中で加工し、工程204で、1種または複数の添加剤で処理して、嫌気性細菌細胞の細胞壁および細胞膜を破壊するために細胞破壊効率を助長および向上することができる。一態様において、濃縮細菌細胞は保持タンクに入り、そこで、破壊装置が大容量の細胞をまとめて加工するための準備ができるまで収容される。別の態様において、保持タンクに収容されている間、細菌細胞に、タンパク質含有量が高く、摂取に適切なタンパク質富化サプリメントを生成するのに備えて前処理を施すことができる。さらに別の態様において、工程202における前処理プロセスで添加した1種または複数の添加剤は、工程204で細菌細胞を破壊し、高品質のホモジネートを生成する条件を最適化するのを助けることもできる。
あるいは、工程204で、濃縮細菌細胞の細胞含有懸濁液は、破壊装置に直接移行してもよく、次いで工程202に関して記述したように前処理プロセスを経て、工程206においてホモジネートを分離および分画する条件の最適化を助ける。別の態様において、方法200Aから回収されたタンパク質は、さらなる下流加工を経て、次いで第1のタンパク質含有画分と合わせ、タンパク質富化栄養素サプリメントとして製造することができる。
一態様において、2つの分画装置を有する発酵システムが使用される。別の実施形態において、3つの分画装置を有する発酵システムが使用される。図2Bは、3つの分画装置を使用して、本発明の1つまたは複数の実施形態によるタンパク質富化栄養素サプリメントとして第3のタンパク質含有画分を得る発酵プロセスの細胞含有懸濁液を加工する方法200Bの一例である。
例として、工程210から第2のタンパク質含有画分を送達して第3の分画装置(例えば、濾過装置)に入れ、濾過液として収集されたタンパク質含有画分を得、タンパク質富化サプリメントとして使用することができる。別の例としては、第2のタンパク質含有画分を遠心分離にかけ、その後、上清タンパク質含有画分およびペレット状細胞残屑画分を収集する。濾過液のタンパク質含有画分を濾過装置から収集し、タンパク質含有量が約1%~3%、3%~7%、7%~10%、約10%~14%、約11%~20%、約21%~35%、および約35%以上のタンパク質富化栄養素サプリメントとして製造する。
一実施形態において、本発明は、嫌気性細菌を使用する発酵プロセスからタンパク質富化栄養素サプリメントを製造する方法である。方法は、発酵容器中で嫌気性細菌によってガス状基質を発酵させることと、発酵容器から、第1の濃度の嫌気性細菌の細胞を含有する発酵液のある程度の量を得、発酵液からの嫌気性細菌の細胞を、細胞非含有浸透液と第2の濃度の嫌気性細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液とに分離することと、細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の細胞膜を破壊してホモジネートを得ることと、ホモジネート中の細胞残屑画分から第1のタンパク質含有画分を分離することと、を含む。
方法は、発酵容器から、第1の細胞濃度の嫌気性細菌の細胞を含有する発酵液のある程度の量を得ることをさらに含む。発酵液の集合体を、細菌発酵システム中の1つまたは複数の装置へ送達することができる。一態様において、後続して操作された量の発酵液は、第2、第3、および第4の細胞濃度である。大部分の態様において、第2の細胞濃度の操作発酵液は、第1の細胞濃度の第1の発酵液より高濃度である。
本発明の方法は、発酵プロセスで使用する細菌細胞中の有用な部分に再度目的を持たすと同時に、高い生産力のエタノール製造を実現する同時手法を提供する。収集した発酵液は、第1の濃度の嫌気性細胞細菌である。細胞セパレータは、第2の濃度の嫌気性細胞を含む細胞含有懸濁液を生成する。一実施形態において、細胞セパレータは、第2の濃度の細胞含有懸濁液を破壊装置へ送達する。別の実施形態では、細胞セパレータは、細胞含有懸濁液を保持タンクへ送達する。
収集したら、集合体をさらに加工して、発酵液の嫌気性細菌の細胞を、細胞非含有浸透液と、第2の濃度の嫌気性細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液とに分離することができる。第2の濃度の細胞含有懸濁液は、第1の濃度の嫌気性細菌細胞を含有する発酵液より高濃度である。細胞非含有浸透液を加工チャンバーへ送り戻し、そこでエタノール製造のためにエタノールを蒸留する。これは、依然として有用なエタノール含有の細胞非含有浸透液を廃棄しない効率的なシステムを提供する。
一態様において、方法は、ホモジネートの細胞残屑画分から分離した第1のタンパク質含有画分を脱水することを含む。この態様において、システムは、第1の分画装置に接続された脱水チャンバーを有する。第1の分画装置は、第1のタンパク質含有画分を脱水チャンバーへ送達し、脱水チャンバーが、タンパク質富化栄養素サプリメントとして製造される乾燥タンパク質含有画分を生成する。
細菌発酵システムは、これらに限定されないが、細菌発酵容器、1つまたは複数の破壊装置、1つまたは複数の細胞セパレータ、および1つまたは複数の分画装置を含む。加えて、得られたタンパク質含有画分のタンパク質濃度を増加し、その水分を減少させるために、1つまたは複数の脱水チャンバーが1つまたは複数の破壊装置および/または1つまたは複数の分画装置に接続されている。細菌発酵システムは、細菌細胞または細胞含有懸濁液を保持するための1つまたは複数の保持タンク、貯蔵室、および/または前処理チャンバーをさらに含んでもよい。
図3A~3B、4A~4H、5A~5E、および6は、嫌気性細菌の培養物を使用した発酵プロセスから細胞含有懸濁液および1種または複数の含酸素炭化水素質化合物を製造するための例示的な細菌発酵システムを示している。図3Aは、2つの細胞セパレータおよび1つの脱水チャンバーを使用した、細胞含有懸濁液および1種または複数の含酸素炭化水素質化合物を製造するための細菌発酵システム300Aの概略図である。
図3A中、細菌発酵システム300Aは、発酵容器310、細胞セパレータ320、細胞セパレータ330、加工チャンバー350、および任意の脱水チャンバー375を含む。一実施形態において、細菌発酵システム300Aは、連続細菌発酵システムであってもよい。あるいは、細菌発酵システム300Aは、回分細菌発酵システムであってもよい。
タンパク質富化サプリメントを得るための細胞含有懸濁液の加工の一例としては、高温加工チャンバー内、例えば噴霧乾燥脱水チャンバー内で摂氏約100℃以上(例えば、摂氏250℃以上)の高温に細胞懸濁液をさらし、細胞を破壊して、細胞含有懸濁液の水分を減少させてペーストまたは粉末の形態にするものがある。細胞含有懸濁液の加工の別の例としては、低温加工チャンバー内で摂氏約0℃以下の温度に細胞懸濁液をさらすものがある。
出口ライン376が脱水チャンバー375に接続され、脱水チャンバー375から排出された破壊および脱水形態の細胞含有懸濁液を送達し、タンパク質富化サプリメントの組成物にブレンドされる状態にする。脱水チャンバー375中で脱水プロセスを経た後、タンパク質富化栄養素サプリメントが得られ、出口ライン376を介して細菌発酵システム300Aから収集される。
加工チャンバー450内で、細胞非含有浸透液を加工して含酸素炭化水素質化合物を得る。加工チャンバー450はまた、出口ライン454を介して発酵容器410に水を戻して再利用する。加工チャンバー450は、出口ライン452を通じて合計で95%のエタノールをさらなる下流加工のために送り出す。
破壊装置460の一例としては、細菌性微生物の細胞膜および細胞壁の構造に不可逆変化をもたらし、細菌細胞の内容物のさらなる操作を可能にする装置がある。細菌細胞の内容物は、核酸、タンパク質、グリコーゲン、顔料、脂肪滴、結晶、および他の栄養素(種々の形態の炭素、窒素、硫黄、カルシウムなど)を含む。
例として、破壊装置460は、マイクロ流体装置である。マイクロ流体装置は、これらに限定されないが、反応室、管、ポンプ、フランジ管、リング、ガスケット、高圧逆止め弁を含む。マイクロ流体装置の反応室は、セラミック反応室、耐摩耗室、スプール反応室であってもよく、シングルスロット付き、マルチスロット付きであり、マイクロチャネリングを有する。
脱水チャンバー475Aおよび脱水チャンバー475B中で行われる脱水プロセスの後、タンパク質富化栄養素サプリメントを得ることができ、脱水チャンバー475Aおよび脱水チャンバー475Bそれぞれから、出口ライン476Aおよび476Bの両方を介して収集することができる。
一態様において、破壊装置460によって加工した後、ホモジネートを分画装置470へ送達して、タンパク質含有画分と細胞残屑画分とに分離する。分画装置470は、出口ライン462を介して破壊装置460に接続されている。分画装置470は、少なくとも2つの出口ラインを有し、出口ライン472は、細胞残屑画分を送達するために使用され、第2の出口ライン474は、タンパク質含有画分を送達するために使用される。
細菌発酵システム400Fにおいて、細胞を含有する細胞含有懸濁液を、細胞含有保持タンク445内で、1種または複数の添加剤で前処理することができる。1種または複数の添加剤、例えば、界面活性剤、洗剤、EDTA、Triton X-100、Tween-20、ドデシル硫酸ナトリウム、CHAPS、酵素、プロテアーゼ、リゾチーム、ベンゾナーゼ、ヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ(RNase)、デオキシリボヌクレアーゼ(DNase)、加水分解誘発剤、pH調整剤、およびこれらの組合せは、入口ライン406を介して細胞含有保持タンク445に添加することができる。pH調整剤としての添加剤の別の例には、塩化水素がある。
特定の実施形態において、細菌発酵システム400Hは、1つまたは複数の再循環ラインをさらに含む。一実施形態において、再循環ラインは、破壊装置460に接続された戻りライン464である。戻りライン464は、破壊装置から一部の生成物混合物を取り、破壊装置460に再度入る。これによって、複数回の破壊装置460を経る通過が可能になり、その結果、破壊量および嫌気性細菌細胞のタンパク質含有ホモジネートのタンパク質濃度が増加し、さらなる加工のために細菌細胞中のタンパク質化合物への十分な到達が確保される。
細胞含有保持タンク545内のミキサー548は、撹拌装置、例えば内部にプロペラを備えた撹拌装置である。破壊装置560は、出口ライン542を介して細胞含有保持タンク545に接続されている。破壊装置560は、嫌気性細菌細胞のホモジネートを生成する。細胞含有保持タンク545中で特定の期間を経た後、細胞含有懸濁液を破壊装置560へ送達する。
一態様において、分画装置570は、1つまたは複数のタンパク質含有画分を受け取って乾燥させる、1つまたは複数の脱水チャンバー(例えば、脱水チャンバー575Aおよび575B)に接続されている。使用される乾燥技法には、乾燥、噴霧乾燥、凍結乾燥などが挙げられる。次いで、タンパク質含有画分をさらに加工し、ブレンドして、タンパク質富化栄養素サプリメントにする。タンパク質含有画分は、タンパク質富化栄養素サプリメントの10%以上(例えば、10%~80%または50%~95%)のタンパク質含有量を占め得る。
本明細書に記載の細菌発酵システムから回収された1つまたは複数のタンパク質含有画分に、供給原料組成物との直接のブレンド、乾燥、沈降、濾過、限外濾過、精密濾過、真空濾過、遠心分離、連続遠心分離、冷凍乾燥、凍結、加水分解、およびこれらの組合せを行い、非常に純粋な形態のタンパク質をより高いタンパク質濃度で生成して得ることができる。微生物バイオマスが加水分解される態様において、加水分解は、熱処理、酸加水分解、酵素加水分解、アルカリ加水分解、およびこれらの組合せによって実施することができる。
方法の一実施形態において、第1のタンパク質含有画分を、タンパク質富化栄養素サプリメントとして製造する。第1のタンパク質含有画分は、60%~80%のタンパク質含有量を占める。別の態様では、第1のタンパク質含有画分は、40%~60%のタンパク質含有量を占める。さらに別の態様では、第1のタンパク質含有画分は、10%~40%のタンパク質含有量を占める。
一実施形態において、本発明は、タンパク質富化栄養素サプリメントである組成物を提供する。この組成物は、酢酸生成細菌培養物を使用する発酵プロセスから生成される。この組成物は、ホモジネートの細胞残屑画分から分離されるタンパク質含有画分を含み、該ホモジネートは、酢酸生成細菌培養物の細胞を含有する細胞含有懸濁液を破壊して得られ、細胞含有懸濁液は、酢酸生成細菌培養物を使用してガス状基質を発酵させる間、発酵容器から送り出される発酵液から得られる。
別の態様において、組成物のタンパク質含有画分は、組成物の約10%~約80%の含有量のタンパク質、組成物の約5%~約35%の含有量の炭水化物、および組成物の約5%~約15%の含有量の核酸を含む。タンパク質含有画中のタンパク質含有量は、タンパク質含有画分中の炭水化物含有量より多い。さらに別の態様では、核酸含有量は、組成物の2%を超えない。これは、ヒトおよび動物などが摂取可能な組成物である。
別の態様において、組成物は、組成物の約10%~約80%のタンパク質含有量、組成物の約5%~約35%の炭水化物含有量、および組成物の2%を超えない核酸含有量を含む。
別の態様において、供給原料組成物は、乾燥酢酸生成バイオマス100グラム当たり約220kcal以上、別の態様では、約220kcal~約400kcal、別の態様では、約250kcal~約350kcal、別の態様では、約300kcal~約325kcal、および別の態様では、約220kcal~約300kcalをもたらす。
別の態様において、供給原料組成物は、乾燥酢酸生成バイオマス100グラム当たり約15グラム以上、別の態様では、約15グラム~約60グラム、別の態様では、約20~約40グラム、別の態様では、約25~約35グラム、および別の態様では、約30~約35グラムの炭水化物をもたらす。この態様において、供給原料の炭水化物とタンパク質の質量比は、約1.0以下、別の態様では、約0.75以下、別の態様では、0.5以下、別の態様では、約0.25以下、および別の態様では、0.1以下である。一態様において、供給原料は、検出可能な炭水化物がなく、タンパク質のみを含む。別の態様では、炭水化物は、エタノールおよび/または水溶性糖類を含み得る。
連続細菌発酵プロセス
COおよび/またはCO2/H2を含有する合成物ならびに廃ガスを、クロストリジウム・リュングダーリイ(Clostridium ljungdahlii)の株が入っている撹拌タンクバイオリアクター内に、ビタミン、微量の金属、および塩を含有する発酵培地と共に連続して導入する。使用される適切な発酵培地を、以下の表1に報告する。
理想的には、始動時の気相はCO2を含まずに過剰なH2を含有する。気体速度および撹拌速度を低レベルに保持して(New Brunswick Scientific Bioflo(登録商標)発酵バイオリアクターにおいて500rpm未満)、COおよびH2が僅かに過剰に得られるが、同時にCO基質阻害が回避される。例として、1リットルの実験室用New Brunswick Scientific Bioflo(登録商標)発酵バイオリアクターでは、供給ガス組成が63% H2、32% CO、および5% CH4であるが、始動開始のための撹拌速度は400rpmであり、気体速度は20ml/分である。始動中にエタノール製造を行うため、H2および液体栄養素が共に過剰にある。発酵培地中のある特定の栄養素に対する制限が、後に課される。したがって、過剰な液体栄養素(例えば、パントテン酸カルシウム、コバルト)が、始動中に実際に存在して、低栄養に対する望ましくない培養順化が回避される。
一実施形態では、この時、気体速度の調節(増大)および第1の栄養素の濃度の調節(減少)と共に細胞リサイクルを反応器システムに加える。New Brunswick Scientific Bioflo(登録商標)CSTRでの細胞リサイクルにより、気体保持時間は典型的には8分であり、液体保持時間が12時間であり、細胞保持時間は40時間であり、撹拌速度は900rpmである。これらの条件は、典型的には92%のCO変換率および50%のH2変換率を、パントテネートの制限と共にもたらす。連続発酵のこの方法は、安定した操作条件下、低い副生成物アセテート濃度と共に、高いエタノール濃度の連続生成および維持を可能にして、エタノール製造のための工業規模での対象の細菌の使用を高める。
発酵生成物比を制御するための、発酵容器からの細菌細胞の除去
ガス状基質(30%CO、15%H2、10%CO2、45%N2)発酵は、C.リュングダーリイ株C-01を利用するCSTR(pH=5.0、温度=38℃、圧力=20psig)で、細胞リサイクル(細胞保持時間=40時間、および液体保持時間=6時間)と共に行われ、培養は、コバルト、パントテン酸カルシウム、または任意の他の栄養素による成長に限定されない。培養物が成長するにつれ、細胞密度は、特異的な取込み(分当たりの乾燥細胞のグラム当たりのCOのmmol)が0.5よりも低くなるように、かつ酢酸がエタノールよりも優先して生成されるように、実現される。この結果を防止するために、細胞除去速度を増大させて細胞密度の増大を防止し、それによって細胞の定常濃度が、分当たりの乾燥細胞のグラム当たり0.5mmol COよりも高い特異的取込みを維持するのに十分低く保持されるようにする。そのようにすることで、細胞保持時間は6~25時間に短縮される。C.リュングダーリイの株の細菌発酵プロセス中の細胞濃度のモニタリングに関する、表2を参照されたい。
酢酸生成細菌細胞の細胞バイオマスの分析
クロストリジウム・リュングダーリイC-01を、合成ガスを用いてバイオリアクター内で成長させた。バイオリアクターからの発酵物の試料、および細胞バイオマスの濃縮乾燥質量を、以下の表3の手順に従い分析した。
酢酸生成細菌細胞のタンパク質、炭水化物、および核酸含有量の分析
クロストリジウム・リュングダーリイC-01を、合成ガスを用いてバイオリアクター内で成長させた。細胞培養物を4,000RPMで遠心分離して、培地を除去した。ペレットを収集し、100Cの炉内で一晩乾燥した。
破砕された乾燥ペレット100グラムを、実施例3で記述したものと同じ炭水化物およびタンパク質に関する試験を使用して、分析に供した。表6は、細胞質量の最大80%がタンパク質であることを示す。
1つまたは複数のマイクロ流体化破壊装置による細菌細胞の破壊、およびマイクロ流体化破壊装置による細菌細胞の破壊のためのタンパク質の回収
マイクロ流体工学によるマイクロ流体化装置は、発酵プロセスからの嫌気性細菌細胞を破壊し、かつタンパク質含有部分を生成する、破壊装置と確認された。ある体積の発酵液体は、発酵容器から得た。試料を、遠心分離によって1.5倍にまたは例えば約20g/L以上の細胞濃度に濃縮した。例えば、発酵液体約15g/Lは発酵容器から得られ、試料は、遠心分離により濃縮して22.4g/L以上の細胞密度を得た。
得られる細胞を、溶液に再懸濁し(例えば、細胞を約44g含有し得る2L溶液に)、マイクロ流体装置に送った。マイクロ流体化プロセスでは、高圧でマイクロ流体反応室内のマイクロチャネルに細胞を強制的に通すことによって創出された高剪断力で、細胞を破壊する。
1つの実験では、いくつかの試料を、マイクロ流体化装置に1回だけ通過させて処理した。1回の通過後、第1のタンパク質含有部分を、ホモジネートから分離した。次いで第1のタンパク質含有部分を噴霧乾燥して、タンパク質含有粉末を得ることができる。
第2の実験では、試料を、マイクロ流体化装置を2回通過させることにより処理し、前処理された細胞含有懸濁液はリサイクル流中を流動して2回目にマイクロ流体化装置に再度進入した。2回通過後、タンパク質含有部分が得られた。次いでタンパク質含有部分の粉末形態を得ることができる。例えば、3つの異なる乾燥技法(高温での乾燥、噴霧乾燥、および凍結乾燥)を、タンパク質含有部分が得られた後に試験した。
1つまたは複数の濾過型分画装置による、破壊された細菌細胞のホモジネートの分画
実施例5の処理プロセス後のタンパク質含有部分のホモジネートを、ナイロンフィルターに通して濾過した。ホモジネートの濾過により、当初の微生物バイオマスの5~15%を、表7に示されるように可溶性タンパク質として回収することが可能になった。
1つまたは複数の遠心分離型分画装置による破壊細菌細胞のホモジネートの分画
実施例4のホモジネートに、2,000~10,000RPMの速度で6分間、遠心分離を行い、タンパク質含有量を、Bradfordタンパク質アッセイを使用して分析した。可溶性タンパク質の回収率パーセントを、基本的に出発時のバイオマス濃度を使用して計算した。
結果は、タンパク質の最大25%がマイクロ流体化後に回収されたことを示し、このことは、表7にも示されるように、マイクロ流体化およびその後の遠心分離が、細胞を溶解しかつ可溶性タンパク質を回収するのに実現可能な方法であることを示している。
別の実施例では、細胞密度が22.4g/Lである細胞懸濁液(発酵ブロス中の細胞)を、マイクロ流体化装置に送った。1つの試料をマイクロ流体化装置に18,000psiで通過させ、別の試料を同じ型のマイクロ流体化装置に28,000psiの圧力で2回通過させた。結果を比較し、表8に示されるように得られた。
1つまたは複数のマイクロ流体化破壊装置による細菌細胞の破壊からの細胞溶解
破壊プロセスを実行するのに選択される破壊装置は、マイクロ流体化装置およびその他の市販の装置とすることができる。図7B~図7Eにおいて、破壊プロセスを実行するのに選択された破壊装置は、マイクロ流体化装置である。破壊装置内の破壊プロセスは、圧力および通過回数を含む種々の変数の下で実行することができる。
図7Aは、溶解に供されなかった細胞含有懸濁液の電子顕微鏡写真を示す。電子顕微鏡写真は、顕微鏡により100×の倍率でホモジネートを標的として撮影された。
破壊装置内の破壊プロセスを受けるために選択された細胞含有懸濁液は、種々の密度のものとすることができる。図7Aにおいて、破壊プロセスを受けなかった細胞含有懸濁液の密度は、約10g/L以上、例えば約16g/L以上である。
図7Bは、本発明の1つまたは複数の実施形態による、破壊装置460、560、または660内で得られる、かつ破壊装置460、560、または660内の細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の破壊細胞膜からの生成物である、ホモジネートの別の電子顕微鏡写真を示す。
図7Cは、本発明の1つまたは複数の実施形態による、破壊装置460、560、または660内で破壊される前の、細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の細胞膜の電子顕微鏡写真を示す。
図7Dは、本発明の1つまたは複数の実施形態による、破壊装置460、560、または660内で得られたかつ破壊装置460、560、または660内で細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の破壊細胞膜からの生成物であるホモジネートの、別の電子顕微鏡写真を示す。
図7Eは、本発明の1つまたは複数の実施形態による、破壊装置460、560、または660内で得られる、かつ破壊装置460、560、または660内の細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の破壊細胞膜からの生成物である、ホモジネートの、別の電子顕微鏡写真を示す。
細胞含有保持タンクにおける細菌細胞の前処理での1つまたは複数のマイクロ流体化破壊装置による細菌細胞の破壊
マイクロ流体化破壊装置(例えば、マイクロ流体装置)を使用して、発酵プロセスからの嫌気性細菌細胞を破壊し、タンパク質含有部分を生成した。発酵液体ブロス(例えば、細胞密度が15g/L)を、発酵容器の高細胞密度実験室反応器から得た。試料を遠心分離によって濃縮して、細胞密度45g/Lを得た。得られる細胞懸濁液(細胞90gを含有する2L)を、前処理のために細胞含有保持タンクに送った。
マイクロ流体化プロセスでは、高圧で1μm反応室に細胞を強制的に通すことにより創出された高剪断力で、細胞を破壊する。細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液を、6つの試料に分割した。細胞含有懸濁液を、1種または複数の添加剤(例えば、洗剤、酵素など)で処理し、15,000psiでマイクロ流体化装置内に通した。マイクロ流体化破壊装置内へのたった1回の通過が実行された。1回の通過後、第1のタンパク質含有部分をホモジネートから分離し、噴霧乾燥した。
1つまたは複数の超音波処理破壊装置による細菌細胞の破壊
超音波処理装置は、発酵プロセスからの嫌気性細菌細胞を破壊しかつタンパク室含有部分を生成する破壊装置として特定された。15g/Lの発酵液体が、発酵容器の高細胞密度実験室反応器から得られた。試料を遠心分離によって濃縮して、細胞密度22.4g/Lを得た。得られた細胞再懸濁液(細胞44gを含有する2L)を、超音波処理に供した。超音波処理プロセスでは、細胞を撹拌し細胞膜を破る超音波周波数での音響エネルギーを介した、高い力で細胞を破壊する。細菌細胞を含有する細胞含有懸濁液を、6つの試料に分割した。各試料を超音波処理に供した。
細胞含有保持タンクにおける細菌細胞の前処理での1つまたは複数の超音波処理破壊装置による細菌細胞の破壊
超音波処理装置は、発酵プロセスからの嫌気性細菌細胞を破壊しかつタンパク質含有部分を生成する、破壊装置として特定された。発酵液体ブロスを、3つの高細胞密度発酵容器から得た。試料を、遠心分離を介して濃縮して、4~10mg/mlの細胞密度を得た。
例えば、細菌細胞を約4.2mg/ml含有する発酵容器(この実施例では、例示的な容器A)から得られた発酵液体ブロスを、様々な緩衝剤中での超音波処理に供した。嫌気性細菌細胞約9.2mg/mlを含有する別の発酵容器(例示的な容器B)からの細胞含有懸濁液を、様々な緩衝剤中での超音波処理に供した。細胞約7.1mg/mlを含有する別の発酵容器(例示的な容器C)からの細胞含有懸濁液も、様々な緩衝剤中での超音波処理に供した。
発酵容器から発酵ブロスを収集した後、発酵ブロスからの細菌細胞を、遠心分離を介してスピンダウンし(例えば、4,000RPM以上の遠心分離速度で細菌細胞をスピンダウンする)、そのそれぞれの緩衝剤中に再懸濁した。
細胞を、5秒のパルスで超音波処理し、その後、それらの間で氷上に載置した。サイクルを3回繰り返した。超音波処理後、細胞を10分間、20K RPMでスピンダウンし、上澄みを除去した。可溶性タンパク質画分を、Lowryベースのタンパク質アッセイを使用してタンパク質含有量に関して分析した。可溶性タンパク質回収率のパーセンテージを、超音波処理に供される細胞の濃度に基づいて計算した。
発酵液体を、3つの高細胞密度発酵容器から得た。試料を、4,000RPMでの遠心分離を介して濃縮して、4~10mg/mlの細胞密度を得た。細胞を、洗剤含有緩衝剤(TrisHCl pH8であり、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、CHAPS、Triton X-100、またはTween 20を含有する)または酵素含有緩衝剤(TrisHCl pH8であり、リゾチームを含有する)中に再懸濁した。TrisHCl pH8を、対照緩衝剤として使用した。得られた細胞懸濁液を、超音波処理に供した。超音波処理プロセスでは、細胞を撹拌し細胞膜を破る超音波周波数での音響エネルギーを介した、高い力で細胞を破壊する。
表9に示される結果は、細胞が超音波処理に供されたとき、洗浄添加剤がタンパク質の溶解度を増大させることができることを示す。特に、SDSまたはリゾチームの添加は、膜タンパク質の溶解度を大幅に高める。
1つまたは複数の濾過型分画装置による破壊細菌細胞のホモジネートの分画
実施例4のホモジネートを、ナイロンフィルターに通して濾過する。ホモジネートの濾過は、当初の微生物バイオマスの10.7%を可溶性タンパク質として回収可能にした。
1つまたは複数の遠心分離型分画装置による破壊細菌細胞のホモジネートの分画
実施例4のホモジネートが2000rpmでの遠心分離を受け、タンパク質3.3mgを上澄み中に分画した。ホモジネートの遠心分離は、発酵容器から収集された初期微生物バイオマスの全細胞集団から分離された可溶性タンパク質の、14.3%の回収率を可能にした。
1つまたは複数の破壊装置を通した破壊の後に回収されたタンパク質に対する、細胞含有懸濁液中のpHの影響の決定
試料を、高細胞密度発酵容器から収集した。収集時の細胞濃度は約22g/Lであった。ある体積の細胞培養物を、4,000RPMで10分間、スピンダウンした。細胞ペレットを、遠心分離後に除去された培地の体積と同じ体積のTrisHCl中に再懸濁した(したがって試料は、濃縮されずまたは希釈されなかった)。多数の体積の細胞培養物を、0.5M NaOHの添加によってpH調整に供し、培養ブロスの最終pHが3.5~10になるようにした。試料を、10,000~20,000psiで、1回または多数回の通過に関して処理した。各試料を、13,300RPMで6分間、スピンダウンした。上澄みを収集し、Lowryベースのタンパク質アッセイを使用して可溶性画分中のタンパク質濃度を決定した。
表10に示されるデータは、マイクロ流体化前の細胞ホモジネートのpHの上昇が、タンパク質の溶解度を高めることを示す。特に、pHが高いとき(7.6よりも上)可溶性タンパク質の回収は高められる。
可溶性タンパク質回収率に対するリゾチームの影響の決定
試料を、高細胞密度発酵容器から収集した。ある体積の細胞培養物を、これまで述べてきたものと同じ手法で、スピンダウンしかつTrisHCl緩衝剤中に再懸濁した。培養ブロスのpHを、0.5Mの水酸化ナトリウムを使用してpH8に上昇させた。酵素前処理の影響を決定するために、0.5mg/mlのリゾチームを使用した。培養ブロス試料では、リゾチームとのインキュベーションを約30分、室温で継続した。TrisHCl試料では、リゾチームとのインキュベーションを室温で約45分継続した(相違は、ボトルネックとしてマイクロ流体化装置による処理の遅延に起因する)。試料を、10,000~20,000psiで、1回または多数回の通過のために処理した。対照も同様に実験操作に供したが、試料はマイクロ流体化装置に通して処理しなかった。各試料を、13,300RPMで6分間、スピンダウンした。上澄みを収集し、LowryベースのおよびBradfordベースのタンパク質アッセイを使用して、可溶性画分中のタンパク質濃度を決定し、その結果を表11に示す。
リゾチーム濃度の減少およびインキュベーション時間の延長の影響の決定
試料を高細胞密度発酵容器から収集し、4,000RPMでの10分間の遠心分離を介して濃縮した。培養ブロスのpHを、7~10に調節した。いくつかの試料を、100ng/mlのリゾチームと共に1時間、37Cでインキュベートした。試料を10分ごとに採取して、リゾチーム活性をモニターした。
大量の試料を30分および1時間で採取し、10,000~20,000psiでマイクロ流体化装置に通して1回または複数回の通過のために処理した。各試料を13,300RPMで6分間、スピンダウンした。上澄みを収集し、Lowryベースのタンパク質アッセイを使用して、可溶性画分中のタンパク質濃度を決定し、その結果を表12に示す。
タンパク質の抽出に対するpHおよび細胞濃度の影響
高細胞密度発酵容器からの試料を、遠心分離を介して1~10g/Lの濃度に希釈し、培地に再懸濁した。培養ブロスpHを、0.5Mの水酸化ナトリウムを使用して6~10に調節した。試料(発酵pHでの非修飾培養ブロスを含む)を、マイクロ流体化装置に通して10,000~20,000psiで、1回または複数回の通過で処理した。同様に、高細胞密度発酵容器から除去した非希釈培養物を、1つの酸性pHおよび1つのアルカリ性pHで処理した。各試料を、13,300RPMで6分間、スピンダウンした。
上澄みを収集し、Lowryベースのタンパク質アッセイを使用して、可溶性画分中のタンパク質濃度を決定した。表13は、培養ブロスのpHがマイクロ流体化前に上昇するにつれ、可溶性画分中に回収されたタンパク質の量が増大することを示す。
図8Aは、本発明の1つまたは複数の実施形態による、破壊装置460、560、または660からおよび細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞の細胞膜から得られた可溶性タンパク質のグラフを示す。
破壊プロセスを実行するよう選択された破壊装置は、マイクロ流体化装置およびその他の市販の装置とすることができる。この図8Aにおいて、破壊プロセスを実行するよう選択された破壊装置は、マイクロ流体化装置である。
破壊装置460、560、または660内での破壊プロセスは、圧力および通過回数を含む種々の変数の下で実行することができる。この図8Aにおいて、破壊プロセスは、細胞含有懸濁液に対しておよびただ1回の通過の下で、平方インチ当たり15,000ポンド(psi)の圧力まで実行される。
線802のy軸は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、密度が18.5g/Lの、細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞から種々のpH条件下(X軸)で調製された、破壊装置460、560、または660から破壊されかつ得られた細胞ホモジネートからのタンパク質の収率を表す。
線806のy軸は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、種々のpH条件に対してプロットされた5g/Lの密度を有する、細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞から種々のpH条件下(X軸)で調製された、破壊装置460、560、または660から破壊されかつ得られた細胞ホモジネートからのタンパク質の収率を表す。
線808のy軸は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、密度が1g/Lの細胞含有懸濁液中の嫌気性細菌細胞から種々のpH条件下(X軸)で調製された、破壊装置460、560、または660から破壊されかつ得られた細胞ホモジネートからのタンパク質の収率を表す。
高濃度のタンパク質含有懸濁液に対するpHの影響
試料を、高細胞密度発酵容器から収集し、4,000RPMで10分間、細胞を遠心分離することによって、3倍に濃縮した。細胞ペレットを、培地に再懸濁した。培地を、濃縮水酸化ナトリウムを使用して5~10のpHに調節した。例えば、試料は、細胞を4,000RPMで10分間、遠心分離することによって、45g/Lに濃縮した。細胞ペレットを、培地に再懸濁した。得られた細胞混合物のpHを、0.5Mの水酸化ナトリウムを使用して、5、6、7、または8に修正した。試料を、1回の通過のためにマイクロ流体化装置に通して15,000PSIで処理した。各試料を、13,300RPMで6分間スピンダウンした。上澄みを収集し、Lowryベースのタンパク質アッセイを使用して、可溶性画分中のタンパク質濃度を決定した。
前述の内容は本発明の実施形態を対象とするが、本発明のその他およびさらなる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく考えられ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
Claims (20)
- 嫌気性細菌を使用した発酵プロセスからタンパク質富化栄養素サプリメントを製造するためのシステムであって、
ガス状基質および培地を発酵液体ブロスに発酵させるための、ガス状基質を発酵容器中へ流し入れるためのガス入口ラインおよび嫌気性細菌を含有する発酵容器中に培地を供給するための液体入口ラインに接続された発酵容器と、
前記発酵容器から発酵液体ブロスの第1の流れを受け取り、前記発酵液体ブロスの第1の流れを、第1の細胞含有懸濁液と第1の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器の1つまたは複数の第1の出口ラインに接続された第1の細胞セパレータと、
前記第1の細胞非含有浸透液を前記第1の細胞セパレータから受け取り、前記第1の細胞非含有浸透液を含酸素炭化水素質化合物に加工するための、前記第1の細胞セパレータの1つまたは複数の第2の出口ラインに接続された、蒸留室である加工チャンバーと、
前記発酵容器から発酵液体ブロスの第2の流れを受け取り、前記発酵液体ブロスの第2の流れを、第2の細胞含有懸濁液と第2の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器の1つまたは複数の第2の出口ラインに接続された第2の細胞セパレータと、
前記第2の細胞含有懸濁液を受け取り、前記第2の細胞含有懸濁液の細胞膜を破壊し、ホモジネートを生成するための、前記第2の細胞セパレータに接続された1つまたは複数の細胞破壊装置と、ここで、細胞膜の破壊が、マイクロ流体装置、超音波処理装置、超音波装置、フレンチプレス、およびこれらの組合せからなる群から選択される、1つまたは複数の細胞破壊装置により行われ、
前記1つまたは複数の細胞破壊装置から前記ホモジネートを受け取り、前記ホモジネートを第1のタンパク質含有画分とタンパク質含有細胞残屑画分とに分画するための、前記1つまたは複数の細胞破壊装置の1つまたは複数の第3の出口ラインに接続された1つまたは複数の分画装置と、
を含む、システム。 - 前記ガス状基質が、炭素源基質、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、水素ガス(H2)、合成ガス、およびこれらの組合せからなる群から選択される1種または複数のガスを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記発酵容器が、連続撹拌槽型反応器(CSTR)、固定化細胞反応器(ICR)、トリクルベッド反応器(TBR)、気泡塔、ガスリフト発酵槽、静的ミキサー、容器、配管、塔、ループ型反応器、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の細胞含有懸濁液を受け取るための、前記第1の細胞セパレータに接続された細胞含有保持タンク
をさらに含む、請求項1に記載のシステム。 - 第1の量の第2の細胞非含有浸透液が前記加工チャンバーへ送達される、請求項1に記載のシステム。
- 第2の量の第2の細胞非含有浸透液が、前記加工チャンバーに接続された細胞非含有保持タンクへ送達される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第2の細胞含有懸濁液を受け取るための前記第2の細胞セパレータに接続された細胞含有保持タンクをさらに含み、前記第2の細胞セパレータが、濾過装置、中空糸濾過装置、螺旋巻き濾過装置、限外濾過装置、セラミックフィルター装置、クロスフロー濾過装置、サイズ排除カラム濾過装置、クロスフローフィルターを有する濾過装置、遠心分離装置、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の細胞セパレータが、濾過装置、中空糸濾過装置、螺旋巻き濾過装置、限外濾過装置、セラミックフィルター装置、クロスフロー濾過装置、サイズ排除カラム濾過装置、クロスフローフィルターを有する濾過装置、遠心分離装置、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の分画装置が、固液分画装置、遠心分離装置、連続遠心分離装置、デカンター遠心分離装置、ディスクスタック遠心分離装置、濾過装置、中空糸濾過装置、螺旋巻き濾過装置、セラミックフィルター装置、クロスフロー濾過装置、サイズ排除装置、1本または一連のサイズ排除カラム、1本または一連のイオン交換カラム、1本または一連の炭素重合体カラム、流入式磁気分別装置、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の分画装置から得られた1つまたは複数の画分を受け取り、前記1つまたは複数の画分を脱水してタンパク質富化栄養素サプリメントを製造するための、1つまたは複数の脱水チャンバーをさらに含むシステムであって、前記1つまたは複数の画分が、第1のタンパク質含有画分、タンパク質含有細胞残屑画分、およびこれらの組合せからなる群から選択され、前記1つまたは複数の脱水チャンバーが、噴霧乾燥装置、ドラム乾燥機、フリーズドライヤー、凍結乾燥装置、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 嫌気性細菌を使用した発酵プロセスからタンパク質富化栄養素サプリメントを製造するためのシステムであって、
ガス状基質および培地を発酵液体ブロスに発酵させるための、ガス状基質を発酵容器中へ流し入れるためのガスラインおよび嫌気性細菌を含有する発酵容器中に培地を供給するための液体入口ラインに接続された発酵容器と、
発酵液体ブロスの第1の流れを受け取り、発酵液体ブロスの第1の流れを第1の細胞含有懸濁液と第1の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器の1つまたは複数の第1の出口ラインに接続された第1の細胞セパレータと、
前記第1の細胞非含有浸透液を受け取るための、前記第1の細胞セパレータの1つまたは複数の第2の出口ラインに接続された細胞非含有保持タンクと、
前記第1の細胞非含有浸透液を前記細胞非含有保持タンクから受け取り、前記第1の細胞非含有浸透液を含酸素炭化水素質化合物に加工するための、前記細胞非含有保持タンクの1つまたは複数の第3の出口ラインに接続された、蒸留室である加工チャンバーと、
前記発酵容器から発酵液体ブロスの第2の流れを受け取り、前記発酵液体ブロスの第2の流れを、第2の細胞含有懸濁液と第2の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器の1つまたは複数の第2の出口ラインに接続された第2の細胞セパレータと、
前記第2の細胞含有懸濁液を受け取り、前記第2の細胞含有懸濁液中に含まれる細胞の細胞膜を破壊し、ホモジネートを生成するための、1つまたは複数の細胞破壊装置と、ここで、細胞膜の破壊が、マイクロ流体装置、超音波処理装置、超音波装置、フレンチプレス、およびこれらの組合せからなる群から選択される、1つまたは複数の細胞破壊装置により行われ、
前記1つまたは複数の細胞破壊装置から前記ホモジネートを受け取り、前記ホモジネートを第1のタンパク質含有画分とタンパク質含有細胞残屑画分とに分画するための、1つまたは複数の細胞破壊装置の1つまたは複数の第4の出口ラインに接続された1つまたは複数の分画装置と、
を含む、システム。 - 第1の量の前記第2の細胞非含有浸透液が前記発酵容器へ送達される、請求項11に記載のシステム。
- 第2の量の前記第2の細胞非含有浸透液が前記細胞非含有保持タンクへ送達される、請求項11に記載のシステム。
- 第3の量の前記第2の細胞非含有浸透液が前記加工チャンバーへ送達される、請求項11に記載のシステム。
- 前記第2の細胞含有懸濁液を受け取るための前記第2の細胞セパレータに接続された細胞含有保持タンク
をさらに含む、請求項11に記載のシステム。 - 嫌気性細菌を使用した発酵プロセスからタンパク質富化栄養素サプリメントを製造するためのシステムであって、
ガス状基質および培地を発酵液体ブロスに発酵させるための、ガス状基質を発酵容器中へ流し入れるためのガス入口ラインおよび発酵容器中に培地を供給するための液体入口ラインに接続された発酵容器と、
前記発酵容器から発酵液体ブロスの第1の流れを受け取り、前記発酵液体ブロスの第1の流れを、第1の細胞含有懸濁液と第1の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器の1つまたは複数の第1の出口ラインに接続された第1の細胞セパレータと、
前記第1の細胞非含有浸透液を前記第1の細胞セパレータから受け取り、前記第1の細胞非含有浸透液を含酸素炭化水素質化合物に加工するための、前記第1の細胞セパレータの1つまたは複数の第2の出口ラインに接続された、蒸留室である加工チャンバーと、
第2の発酵液体ブロスの第2の流れを前記発酵容器から受け取り、前記第2の発酵液体ブロスの前記第2の流れを第2の細胞含有懸濁液と第2の細胞非含有浸透液とに分離するための、前記発酵容器に接続された第2の細胞セパレータと、
前記第2の細胞含有懸濁液を受け取るための前記第2の細胞セパレータに接続されている細胞含有保持タンクと、
前記第2の細胞含有懸濁液を受け取り、前記第2の細胞含有懸濁液のホモジネートを生成するための、1つまたは複数の細胞破壊装置と、ここで、細胞膜の破壊が、マイクロ流体装置、超音波処理装置、超音波装置、フレンチプレス、およびこれらの組合せからなる群から選択される、1つまたは複数の細胞破壊装置により行われ、
前記ホモジネートを受け取り、前記ホモジネートを第1のタンパク質含有画分とタンパク質含有細胞残屑画分とに分離するための、前記1つまたは複数の細胞破壊装置に接続された1つまたは複数の分画装置と、
を含む、システム。 - 前記細胞含有保持タンクが、前記第2の細胞含有懸濁液を受け取り、前記第2の細胞含有懸濁液を1種または複数の添加剤で処理して、前処理された細胞懸濁液を生成するための前処理チャンバーとして機能する、請求項16に記載のシステム。
- 前記1種または複数の添加剤が、界面活性剤、洗剤、EDTA、ポリソルベート20、オクチルフェノールエチレンオキシド縮合物、ドデシル硫酸ナトリウム、CHAPS、酵素、プロテアーゼ、リゾチーム、ベンゾナーゼ、ヌクレアーゼ、pH調整剤、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項17に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数の細胞破壊装置が、前記細胞含有保持タンクに接続され、前記前処理された細胞懸濁液を前記保持タンクから受け取る、請求項17に記載のシステム。
- 前記第1の細胞セパレータの1つまたは複数の第3の出口が、前記発酵容器に接続され、前記第1の細胞含有懸濁液が前記第1の細胞セパレータから前記発酵容器へ送達される、請求項16に記載のシステム。
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