KR102607724B1 - 압출에 의한 미생물 세포 파괴 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미생물 세포벽 파괴를 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 이 계획에서, 본 발명은 (i) 미생물의 유입관(1); (ii) 유입관(1)의 하류에 있고 이와 연결되어 미생물 세포의 파괴에 적합한 환형 채널(13), 환형 채널(13)은 외부 부분(7)과 내부 부분(8)에 의해 형성되고, 내부 부분은 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동 내부에 위치한다; 및 (iii) 환형 채널(13)의 하류에 있고 이와 연결되어 파괴된 미생물의 제거를 위한 유출관(9)을 포함하는 미생물 현탁액의 세포 파괴를위한 장치를 제공한다. 본 발명은 또한 전술한 장치와 관련된 방법을 추가로 제공한다.

Description

압출에 의한 미생물 세포 파괴 장치 및 방법
본 발명은 미생물의 세포벽 파괴를 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 미세 조류의 세포벽 파괴를 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.
미세 조류는 단백질, 지질, 고도 불포화 지방산, 카로티노이드, 안료 및 비타민의 훌륭한 공급원으로 인식되며 식품, 사료, 화장품, 제약 및 바이오연료 산업에 사용될 수 있다. 에너지 원으로서, 다른 기존 에너지 작물과 비교할 때 바이오 연료 생산을 위한 유망한 대안이다. 급속한 성장 및 지질 생산과 관련된 광합성 효율은 에탄올, 수소 및 바이오디젤과 같은 바이오연료 생산에 사용할 수 있게 한다.
사이아노박테리아와 같은 미세 조류는 급속한 세포 성장을 보이고 기본적인 영양 요구(햇빛, 물 및 CO2) 및 높은 돌연변이율을 가지고 있어 궁극적으로 유전적 변형의 가능성이 높기 때문에 산업 응용분야에서 사용하기에 경쟁력 있는 유기체이다. 자연적 다양성과 다양한 서식지에서 성장할 수 있는 능력 때문에, 특히 농업 가치가 낮은 지역에서 바이오연료 및 식품 생산에 이러한 미생물을 활용해야 할 필요성이 증가하고 있다.
관심 세포내 대사 산물을 추출하기 위해서는 미세 조류 세포벽의 파열이 필요하다. 이러한 관심 화합물의 추출을 위한 여러 세포 파괴 방법은 초음파, 마이크로파, 기계적 공정(고압 균질화기 및 분쇄기 사용), 화학 공정(용매 및 산), 고온 사용(오토클레이브), 동결 및 해동 사이클, 초임계 유체 및 이온성 액체에 의한 추출과 같은 과학 논문에 개시되어 있다.
305.9 내지 1529.5kgf/cm2(300 내지 1500bar)의 압력을 가진 균질화기를 사용한 기계적 파괴는 다른 방법에 비해 더 큰 추출 수율로 인해 대규모 응용 분야에서 성공적이었다. 그러나 높은 에너지 소비는 이 기술을 사용하여 부가가치가 낮은 제품을 추출하는 데 한계가 있다.
문서 "Show, K. Y., Lee, D. J., Tay, J. H., Lee, T. M., Chang, J. S., Microalgal drying and cell disruption"는 다음을 사용하는 세포 파괴 방법의 비교를 제시한다:
(i) 세포 파괴에 효율적이지만 상당한 에너지를 필요로 하고 높은 운영 비용으로 인해 대규모로 사용할 수 없는 고압 프레스;
(ii) 대규모 기계적 세포 파괴를 위한 실용적인 방법으로 구성되지만 세포 파괴의 정도는 분쇄 요소의 특성에 따라 다르며 대규모 적용은 많은 양의 에너지를 필요로 하는 볼 밀;
(iii) 짧은 시간에 추출을 도우며 용매 사용을 줄이지만, 높은 에너지 소비와 대규모 사용의 어려움은 부정적인 요소인 초음파 기술;
(iv) 독성 폐기물을 생성하지 않고 재생 가능한 소스의 용매를 사용하나, 높은 에너지 소비, 높은 구현 비용 및 확장의 어려움이 바이오연료 시나리오에서 기술을 실행 불가능하게 만드는 초임계 유체에 의한 추출; 및
(v) 더 큰 추출 효율과 더 큰 저항성 유기체를 위한 다른 세포 파괴 방법과 함께 사용되고, 효소 비용으로 인해 운영 비용이 높은 효소 추출.
또한 사용하기 쉽고 용매가 필요 없는 극저온 공정이 언급되지만, 대규모 사용은 높은 운영 비용을 초래하여 공정을 실행 불가능하게 만든다.
미국 특허 8,043,496 B1에 기록된 미세 조류 오일 추출 시스템은 펌핑 및 디플렉터에 대한 충격 후 미세 조류 세포벽을 파열하는 것을 제안한다. 이 단계 후에, 액상은 오일, 폐수 및 바이오매스의 세가지 상이 형성되는 탱크로 흐른다. 그러나, 세포 구조에 대한 손상은 미세 조류의 직경과 종에 따라 다르다. 그러나 이 문서에는 작동 압력 수준에 대한 정보가 없다.
유제품 산업에서 사용되는 고압 균질화기는 미세 조류의 세포 파괴에 적용할 수 있으며 고형분 함량이 높은 조류 바이오매스와 지속적으로 작업할 수 있는 장점이 있다. 균질화기에 의한 세포 파괴의 메커니즘은 완전히 이해되지는 않았지만 압력 변화, 전단 응력, 관성력, 충격, 난류 및 공동현상에 기인한다.
305.9 내지 1529.5kgf/cm2(300 내지 1500bar)의 고압이 30분 내지 3시간의 유압 체류 시간을 갖는 균질화기에서 필요하다. 높은 에너지 소비 때문에, 균질화기로 세포 파괴를 대규모로 사용하는 것은 바이오연료 생산을 위한 경제적 생존 가능성이 의심스럽다. 더욱이, 균질화기에서 발생하는 온도 상승은 단백질 및 불포화 오일과 같은 관심 화합물의 물리화학적 품질을 방해할 수 있다. 또한, 처리중인 미세 조류 종의 세포 크기가 아니라 필요한 압력 수준에 따라 조정이 이루어진다.
이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 실용적이고 효율적으로 해결하고자 한다.
본 발명의 주요 목적은 76.5 내지 153.0kgf/cm2(75 내지 150bar)의 저압을 사용하여 압출에 의한 미생물 세포의 기계적 파괴 장치 및 방법을 제공하여 에너지 소비를 줄이는 것이다.
본 발명은 미생물의 종 및 크기에 따라 시스템을 조절할 수 있는 세포 파괴 장치 및 방법을 제조하는 2차 목적을 가진다.
본 발명은 세포 파괴에 의해 추출된 물질의 물리화학적 특성의 손실을 방지하기 위한 냉각 시스템을 포함하는 미생물의 세포 파괴 장치 및 방법을 제공하는 3차 목적을 가진다.
상기 목적을 실현하기 위해, 본 발명은 (i) 미생물 현탁액의 유입관, (ii) 유입관의 하류에 있고 이와 연결되어 미생물 세포의 파괴에 적합한 환형 채널, 환형 채널은 외부 부분과 내부 부분에 의해 형성되고, 내부 부분은 외부 부분에 의해 형성된 공동 내부에 위치한다, 및 (iii) 환형 채널의 하류에 있고 이와 연결되어 파괴된 세포의 산출을 위한 유출관을 포함하는 압출에 의한 미생물 세포 파괴 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 (i) 유입관의 하류에 있고 이와 연결된 환형 채널을 통해 미생물 현탁액의 강제 유동을 촉진하는 단계, 환형 채널은 미생물 세포의 파괴에 적합하고 외부 부분과 내부 부분에 의해 형성되고, 내부 부분은 외부 부분에 의해 형성된 공동 내부에 위치한다; 및 (ii) 환형 채널의 하류에 있고 이와 연결된 유출관을 통해 파괴된 세포를 이동시키는 단계를 포함하는 압출에 의한 미생물 세포 파괴 방법을 제공한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
아래에 제시된 상세한 설명은 첨부된 도면과 각각의 참조 번호를 참고한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 장치의 단면을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 장치 및 방법을 적용한 결과, 보다 구체적으로 미세 조류 Scenedesmus obliquus BR003에서 파괴가 없고(0) 1, 5, 10, 20 및 40회 통과한 유세포 분석 결과를 나타낸다.
먼저, 이하의 설명은 본 발명의 바람직한 실시태양으로부터 시작된다는 점을 강조한다. 그러나, 본 발명은 이 특정 실시태양으로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 장치의 단면을 나타낸다. 본 발명의 세포 파괴 장치는 미생물 현탁액의 유입관(1)을 포함한다. 환형 채널(13)은 유입관(1)의 하류에 제공되어 이와 연결되며, 그 크기는 아래에서 보게 될 바와 같이, 압출에 의한 세포의 파괴를 위해 미생물의 종 및 직경에 따라 조절될 수 있다.
미생물의 흐름은 환형 채널(13)로 강제로 유입되어 세포벽이 압출에 의해 파열된다. 환형 채널(13)로의 강제 유동은 바람직하게는 유입관(1)에 위치하는 양 변위 펌프(2)에 의해 촉진된다.
압력 게이지(3)는 바람직하게는 장치의 입구 압력을 측정하기 위해 지점(2)과 환형 채널(13) 사이의 임의의 지점에 제공된다.
대안적으로, 음의 변위 펌프(도시되지 않음)가 환형 채널(13)의 하류에 있는 장치에 사용되어 미생물 현탁액을 장치로 끌어 들인다.
환형 채널(13)은 외부 부분(7)과 내부 부분(8)에 의해 형성되고, 내부 부분(8)은 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동 내부에 위치한다. 내부 부분(8)은 바람직하게는 외부 부분(7)에 의해 형성된 정확히 동일한 형상을 가져서 환형 채널(13)이 본질적으로 평행한 벽을 가진다. 보다 바람직하게는, 외부 부분(7)은 암(female)의 원뿔대 형상을 가진다. 이 실시태양에서 내부 부분(8)은 수(male)의 피팅을 갖는 동일한 원뿔대 형상을 가진다.
내부 부분(8)은 환형 채널(13)의 직경을 조절하기 위해 조절 장치(12)에 의해 외부 부분(7)에 의해 형성된 내부 공동에 대해 선택적으로 조절 가능하다. 또한, 조절 장치(12)는 공압, 유압, 기계, 전기 또는 수동 조절 장치일 수 있다. 조절 장치(12)의 활성화는 또한 적어도 2가지 유형의 구동의 조합에 의해 형성될 수 있다.
자동 제어 시스템이 선택적으로 제공되어 조절 장치(12)를 제어한다.
본 발명의 장치는 환형 채널(13)의 하류에 있고 이와 연결되어 파괴된 세포의 산출을 위해 유출관(9)을 추가로 포함한다.
내부 부분(8)은 바람직하게는 유출관(9) 근처에 위치된 공동(10)을 포함한다. 이 공동(10)은 이 지점에서 저압 구역을 생성하고 파괴된 물질의 유동을 유출관(9)으로 향하게 하는 기능을 가진다. 더욱 바람직하게는, 공동(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이 유출관과 정렬된다.
본 발명의 장치는 바람직하게는 조절 장치(12) 부근에 유입관(1)과 대향하게 환형 채널(13)의 단부에 위치된 밀봉 요소(11)를 포함한다. 밀봉 요소(11)는 바람직하게는 가요성 재료로 만들어진 개스킷이다.
미생물 현탁액의 과도한 온도 상승을 방지하기 위해, 냉각 시스템이 본 발명의 장치에 구비되는 것이 바람직하다. 시스템은 외부 부분(7) 주위에 위치한 냉각 재킷(4)을 포함한다.
냉각 시스템은 또한 냉각제를 냉각 재킷(4)에 주입하기 위한 냉각제 입구(5) 및 냉각 재킷(4)으로부터 냉각제를 제거하기 위한 냉각제 출구(6)를 포함한다. 냉각제 입구(5)는 바람직하게는 냉각제 출구(6)로부터 멀어지도록 종 방향 및 횡 방향으로 위치하여 실질적으로 전체 냉각 재킷(4) 및 외부 부분(7)에 걸쳐 냉각제 유동을 촉진한다.
외부 부분(7)은 바람직하게는 금속과 같은 열전도성 재료로 제조되어, 냉각제와 미생물 현탁액 사이의 효율적인 열교환을 가능하게 한다.
본 발명은 또한 다음의 단계를 포함하는 미생물 세포 파괴 방법을 제공한다:
(i) 유입관(1)의 하류에 있고 이와 연결된 환형 채널(13)을 통해 미생물 현탁액의 강제 유동을 촉진하는 단계, 환형 채널(13)의 직경은 미생물 세포의 파괴에 적합하고 외부 부분(7)과 내부 부분(8)에 의해 형성되고, 내부 부분(8)은 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동 내부에 위치한다; 및
(ii) 환형 채널(13)의 하류에 있고 이와 연결된 유출관(9)을 통해 파괴된 미생물을 통과시키는 단계.
본 발명의 방법은 또한 바람직하게는 환형 채널(13)의 직경을 조절하기 위해 조절 기구(12)에 의해 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동에 대해 내부 부분(8)의 위치를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 냉각 시스템에 의해 환형 채널(13) 내부의 미생물 현탁액을 냉각시키는 추가 단계를 포함한다. 보다 바람직하게는, 미생물 현탁액을 냉각시키는 단계는 냉각 재킷(4)을 통한 냉각제의 순환을 포함한다.
따라서, 본 발명은 76.5 내지 153.0kgf/cm2(75 내지 150bar)의 저압을 사용하여 에너지 소비를 감소시키는 압출에 의한 미생물 현탁액의 세포 파괴 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 장치는 심지어 미생물 세포의 직경 및 폭의 함수로서 환형 채널의 직경을 조절하여, 관심 종의 파괴에 완전하고 효율적으로 적응되도록 한다.
냉각 시스템은 또한 추출된 물질의 물리화학적 특성의 손실을 방지한다.
제안된 장치 및 방법의 효율성을 입증하기 위해, Scenedesmus obliquus BR003 종의 세포 파괴는 본 발명으로 수행되었다. 유세포 분석(BD Facsverse, BD Biosciences)을 사용하여 세포 파괴를 확인하였다. 분석은 127.5kgf/cm2(125bar)의 압력에서 5회 통과하는 사이클은 세포 구조에 손상을 일으키기에 충분하여, 대조군과 비교할 때(파괴 없음) 세포의 상대적 크기(FSC-전면 산란, 도 2)를 약 50만큼 감소시켰다는 것을 나타내었다.
세포의 상대적인 크기에 더하여, 매개 변수 SSC(SSC-측면 산란, 도 2)에 의해 관찰된 과립성의 감소도 있었다. 이 매개 변수는 입자의 내부 복잡성, 예를 들어 핵의 모양, 세포질 과립의 수와 유형 및 막의 거칠기에 따라 달라진다. 따라서이 매개 변수의 감소는 손상되지 않은 세포의 수가 감소하여 세포 조각(파편)을 생성함을 나타낸다. 표 1에 표시된 통계 분석은 10 내지 40 사이의 장치를 통과하는 횟수의 변화가 상대적인 세포 크기에 유의한 차이를 초래하지 않음을 나타내었다.
통과 횟수 SSC-A
평균		 FSC-A
평균		 FSC-A
SD		 FSC-A
VC (%)		 FSC-A
중앙값
0 34,806 111,871 50,149 44.8 109,368
1 27,016 73,560 39,442 53.6 66,187
5 23,658 62,318 31,500 50.6 55,724
10 22,739 59,217 29,629 50.0 52,950
20 21,507 57,099 27,496 48.2 51,431
40 21,840 57,063 27,858 48.8 51,025
표 1에 도시된 FSC 지수는 세포 크기와 관련이 있음을 유의해야 한다. SSC는 세포의 내부 복잡도와 관련이 있으며 SD 및 VC는 각각 표준 편차 및 변동 계수(%)에 해당한다.
본 출원의 보호 범위에 대한 다양한 변형이 가능하다. 이것은 본 발명이 전술한 특정 구성/실시태양에 제한되지 않는다는 사실을 강화한다.

Claims (15)

  1. 미생물 현탁액의 유입관(1);
    유입관(1)의 하류에 있고 이와 연결되어 미생물 세포의 파괴에 적합한 환형 채널(13)로서, 여기서 환형 채널(13)은 외부 부분(7)과 내부 부분(8)에 의해 형성되고, 내부 부분(8)은 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동 내부에 위치하는 것인 환형 채널(13); 및
    환형 채널(13)의 하류에 있고 이와 연결되어 파괴된 세포의 산출을 위한 유출관(9)을 포함하고,
    환형 채널(13)의 압력은 76.5 내지 153.0 kgf/cm2(75 내지 150 bar) 범위이고,
    내부 부분(8)의 위치는 환형 채널(13)의 직경을 조절하기 위해 조절 장치(12)에 의해 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동에 대해 조절 가능한 것
    을 특징으로 하는 압출에 의한 미생물 세포 파괴 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    환형 채널(13)을 통해 미생물 현탁액을 펌핑하도록 구성된 펌프(2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    펌프(2)는 유입관(1)에 위치된 양 변위 펌프(2)인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    조절 장치(12)는 적어도 하나의 공압, 유압, 기계, 전기 및 수동 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    장치의 입구 압력을 확인하도록 구성된 하나의 압력 게이지(3)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    조절 장치(12)를 제어하도록 구성된 자동 제어 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    내부 부분(8)은 유출관(9) 근처에 위치된 공동(10)을 포함하는 것을 특징으로하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    환형 채널(13)의 단부를 밀봉하도록 구성된 밀봉 요소(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    밀봉 요소(11)는 유입관(1)과 대향하게 환형 채널(13)의 단부에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 부분(7) 주위에 위치된 냉각 재킷(4);
    냉각 재킷(4)에 냉각제를 주입하도록 구성된 냉각제 입구(5); 및
    냉각 재킷(4)에서 냉각제를 제거하도록 구성된 냉각제 출구(6)를 포함하는 냉각제 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 유입관(1)의 하류에 있고 이와 연결된 환형 채널(13)을 통해 미생물 현탁액의 강제 유동을 촉진하는 단계로서, 환형 채널(13)은 미생물 세포의 파괴에 적합하고 외부 부분(7)과 내부 부분(8)에 의해 형성되고, 내부 부분은 외부 부분(7)에 의해 형성된 공동 내부에 위치하는 것인 단계; 및
    환형 채널(13)의 하류에 있고 이와 연결된 유출관(9)을 통해 파괴된 세포를 통과시키는 단계
    를 포함하고,
    환형 채널(13)의 압력은 76.5 내지 153.0 kgf/cm2(75 내지 150 bar) 범위이고,
    환형 채널(13)의 직경을 조절하기 위해 조절 장치(12)에 의해 외부 부분(7)의 공동에 대해 내부 부분(8)의 위치를 조절하는 추가적인 단계를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 압출에 의한 미생물의 세포 파괴를 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    냉각 시스템에 의해 환형 채널(13) 내부의 미생물 현탁액을 냉각시키는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    미생물 현탁액의 냉각 단계는 냉각 재킷(4)을 통한 냉각제의 순환을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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