KR20200084344A - 빈 공간으로 성장된 균학적 바이오폴리머의 균질성 증가 - Google Patents

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Abstract

바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법은, 챔버가 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 유지되는 동안, 기류가 각각의 용기 위를 통과하는 폐쇄된 배양 챔버 내에 위치된 용기에서 영양 기질 및 곰팡이로 구성된 성장 배지의 배양을 이용한다. 기류는 성장 배지의 표면에 평행하거나 수직으로 지향될 수 있다.

Description

빈 공간으로 성장된 균학적 바이오폴리머의 균질성 증가
본 출원은 정규 특허 출원이며 2017년 11월 14일자로 출원된 가특허 출원 제62/707,704호의 이점을 주장한다.
본 발명은 공개된 미국 특허 출원 제2015/0033620(A)호에 설명된 균학적 바이오폴리머와 비교하여 증가된 균질성, 강도 및 밀도의 바이오 재료를 생성하는 방법에 관한 것이다.
공개된 미국 특허 출원 제2015/0033620(A)호에 설명된 바와 같이, 균학적 바이오폴리머 생성물을 제조하기 위한 환경 조건, 즉 높은 이산화탄소(CO2) 함량(5 체적% 내지 7 체적%) 및 고온(85℉ 내지 95℉)은 곰팡이가 버섯으로 완전히 분화되는 것을 방지한다. 균병(stipe), 캡, 또는 포자가 생성되지 않는다. 고온은 조직 생성을 가속화시킨다. 바이오폴리머 생성물은 도구의 빈 공간으로 성장하여, 미분화된 균사체 키틴-폴리머(undifferentiated mycelium chitin-polymer)로 공간을 채우고, 이어서 기질로부터 추출되고 건조된다.
간단히 말하면, 본 발명은 가구류, 의복/패션, 군용 장비, 운동 장비, 및 신발류와 같은 많은 용례에서 가죽, 가죽 유사 재료, 직물, 및 고밀도 및 강도 발포체를 대체하는 데에 사용될 수 있는 강인하고 유연한 재료의 제조를 가능하게 한다.
본 발명은 지향성 기류 조건 하에서 균학적 바이오폴리머를 성장시키는 것, 성장 유기체의 표면 상에 습기 및 미네랄과 용질을 퇴적시키는 것, 스크림(scrim) 또는 로프트된 비-기질 매트릭스(lofted non-substrate matrix)를 통한 성장, 및 보다 균일한 재료를 유도하고 다양한 재료 밀도를 생성하기 위한 성장 전체에 걸쳐 습도 프로파일의 변동을 포함한다. 균학적 바이오폴리머 생성물은 전적으로 곰팡이 균사체(fungal mycelium)로 구성된다.
본 발명의 일 실시예는 성장 배지(growth media)의 표면 중 적어도 하나를 가로질러 지향성 기류를 전달하기 위해 구비된 성장 인클로저 내에서 균학적 바이오폴리머를 제조하는 데에 사용되는 함유되고 접종된 성장 배지의 배치이다.
이 실시예에서, 바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법은, 복수의 용기를 제공하는 단계로서, 각각의 용기는 영양 기질(nutritive substrate) 및 곰팡이로 구성된 성장 배지를 수용하는 공동을 한정하는 단계; 용기를 폐쇄된 배양 챔버 내에 배치하는 단계; 곰팡이가 버섯으로 완전히 분화되는 것을 방지하면서 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 배양 챔버를 유지하는 단계; 각각의 용기에서 성장 배지 위를 통과하도록 배양 챔버를 통해 높은 이산화탄소 함량을 함유하는 공기의 유동을 지향시키는 단계; 및 곰팡이가 영양 기질을 분해하고 각각의 용기에서 곰팡이 균사체로 완전히 구성된 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 용기에서 성장 배지를 배양하는 단계를 포함한다.
각각의 용기는 용기의 높이가 기류와 상호 작용하도록 "기류 박스" 내의 배양 챔버 내에 배치될 수 있거나, 또는 각각의 용기는 박스의 총 단면적이 사용될 수 있도록 기류 박스 내로 침지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 공기의 유동은 용기의 측방향으로 또는 용기의 수직으로 폐쇄된 배양 챔버로 지향된다.
본 발명의 제2 실시예는 습기 및 미네랄 퇴적 체적에 기초하여 다양한 밀도를 갖는 균질성을 유도하기 위해 성장 표면 중 적어도 하나에서 습기 및 미네랄의 제어된 퇴적을 사용한다.
이 실시예에서, 바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법은, 복수의 용기를 제공하는 단계로서, 각각의 용기는 영양 기질 및 곰팡이로 구성된 성장 배지를 수용하는 공동을 한정하는 단계; 복수의 용기를 폐쇄된 배양 챔버 내에 배치하는 단계; 곰팡이가 버섯으로 완전히 분화되는 것을 방지하면서 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 배양 챔버를 유지하는 단계; 각각의 용기에서 성장 배지 위를 통과하도록 배양 챔버를 통해 미스트를 분배하는 단계; 및 각각의 용기에서 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 용기에서 성장 배지를 배양하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 미스트는 습기 및 미네랄과 같은 용질을 포함한다.
본 발명의 제3 실시예는 기질 성장 표면 위에 직접 접촉하거나 표면 위보다 높고 뚜껑의 사용 없이 용기에서 성장되는 스크림 또는 로프트된 비-기질 매트릭스를 통한 균학적 바이오폴리머의 성장을 포함한다.
제4 실시예는 증가된 균질성의 고밀도 재료를 유도하기 위해 사이클 지속 기간 전체에 걸쳐 성장 시간에 습도 백분율의 변동을 사용한다.
제5 실시예는 특정 기류 유량을 사용하여 다양한 공기 균사체 밀도 및 기계적 성능을 달성한다.
본 발명의 모든 실시예에서, 균학적 바이오폴리머는 영양 기질로부터 성장되고, 입방 피트 당 0.5 내지 4 파운드의 건조 밀도로 패널로 성장한다. 국소 환경 조건, 즉 높은 이산화탄소 공기, 습기 퇴적 및 온도는, 각각의 패널 내에서 그리고 더 큰 성장 챔버 전체에 걸쳐 균일한 성장을 달성하기 위해, 스크림 또는 로프트된 비-기질 매트릭스를 사용하는 실시예를 제외하고 균질해야 한다.
공개된 미국 특허 출원 제2015/0033620(A)호에 추가로 설명된 바와 같이, 뚜껑의 사용은 균학적 바이오폴리머의 성장에 영향을 미치는 국소 환경 조건을 제어하기 위하여 요청되었다.
본 발명에 따르면, 지향성 기류 하에서, 용기 상의 뚜껑이 제거되고 국소 환경 조건은 기류를 통해 균질화된다. 기류의 사용은 성장 용기의 전체 표면으로부터의 성장을 허용하며 성장된 조직의 균질성 및 균일성을 개선시키는 데에 일조한다. 이는 성장 조직으로의 습도, 물 및 용질, 예를 들어 미네랄의 전달, 미세 환경의 제거, 및/또는 증가된 기계적 힘을 용이하게 하는 기류에 기인할 수 있다. 증가된 체적의 균질 재료를 필요로 하는 생물학적 직물 및 발포체에 대한 많은 용례가 있다.
특수 및 아가리쿠스 모두의 식용 버섯의 생산에 사용되는 성장 환경은 현재 가열, 냉각, 성장하는 버섯에 의해 생성되는 이산화탄소의 가스 발생 또는 성장 챔버로의 산소 도입을 위해 성장 챔버를 통한 일부 제어되지 않은 기류의 사용을 채용한다. 이는 균학적 바이오폴리머를 성장시키는 균일한 환경을 제공하면서 식용 버섯을 만드는 자실체(fruiting body)로의 곰팡이의 임의의 및 모든 분화를 방지하기 위해 채용되는 기류 기술과는 상이하다.
또한, 버섯 재배 내의 기류는 이산화탄소 및 다른 휘발성 물질과 같은 대사 부산물을 제거하는 것에 관한 것이며, 사실상 간헐적이다. 균학적 바이오폴리머를 성장시키기 위해 사용되는 기류는, 균사체가 버섯으로 분화될 수 없도록 충분히 제어된 파라미터(예를 들어, 높은 이산화탄소)를 갖는 국소 변동 없이 배양 환경의 일관된 균질화를 제공하는 것에 관한 것이다. 또한, 기류 유량은 밀도에 영향을 미치는 공기 균사체의 구조를 조절하는 지향력을 제공한다.
식용 버섯의 생산에 사용되는 성장 환경은 성장 챔버를 통한 기류의 사용을 채용할 수 있지만, 기류는 간접적이고 환경의 가습을 위한 재순환 시스템의 일부이다. 기류는 본 발명에 따른 경우와 같이 성장 배지의 표면을 가로질러 지향되지 않는다.
이들 및 기타 목적과 이점은 첨부 도면과 함께 취한 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 조직 형태의 분화가 최소인 직접적인 높은 기류 환경에서 성장된 패널의 상단 표면의 사진을 도시한다.
도 1b는 고도로 분화된 조직을 갖는 간접적인 낮은 기류 환경에서 성장된 패널의 상단 표면의 사진을 도시한다.
도 1c는 기류가 없는 환경에서 성장되어 고도로 분화된 조직 및 감소된 공기 성장을 초래하는 패널의 상단 표면의 사진을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 처리 대 밀도의 차트를 도시한다.
도 3a1은 본 발명에 따른 측방향 기류 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3a2는 본 발명에 따른 2개의 용기의 배양에 사용되는 공기 박스의 사시도를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 수정된 측방향 기류 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3c는 본 발명에 따른 다른 변형된 측방향 기류 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4a는 본 발명에 따른 성장 배지의 표면 위로 공기를 통과시키기 위한 수직 기류 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 도 4a의 시스템에서 성장된 패널의 상단 표면의 사진을 도시한다.
도 4c는 도 4a의 시스템에서 성장 배지 위의 기류 패턴을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 미스트 분배 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5b는 본 발명에 따르지 않는 가습된 공기의 재순환을 위한 간접 기류 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3a1을 참조하면, 제1 실시예에서, 바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법은 복수의 수직으로 이격된 선반(11) 및 챔버(10)의 내부를 보기 위한 투명한 전방벽(도시되지 않음)을 갖는 폐쇄된 배양 챔버(10)를 채용한다.
게다가, 기류 시스템(12)은 챔버(10)의 일 측면으로부터 챔버(10)의 반대쪽으로 그리고 반대쪽을 통해 화살표(13)에 의해 나타낸 바와 같이 챔버(10)를 가로질러 측방향으로 공기 유동을 지향시키기 위해 챔버(10)와 연결된다. 도시된 바와 같이, 기류 시스템(12)은 재가습을 위해 우측 하단에서 재순환될 때까지 선반(11) 아래로 떨어지도록 챔버(10)의 상단을 가로질러 가습된 공기를 분배하기 위해 챔버(10)의 상부에 매니폴드(M)를 포함한다.
챔버(10)의 각각의 선반(11)은 2개의 용기(14)를 포함하는 공기 박스(B)를 수용하도록 크기 설정되고, 각각의 용기는 영양 기질 및 곰팡이로 구성된 성장 배지(15)를 수용한다.
도 3a2를 참조하면, 각각의 용기(14)는 11.5 인치 x 18.5 인치 크기의 공동을 한정하는 개방된 상단을 갖고 전체 용기 둘레의 1 인치 립이 공동의 외부를 향해 외향 연장되는 직사각형 트레이 형태이다. 각각의 용기는 공기 박스(B) 내에 위치된다.
용기(14)는 폴리카보네이트와 같은 충분히 강성의, 비반응성 재료로 구성되며, 용기의 오리피스는 원하는 기류 유량을 달성하기 위해 기류 디바이스와 쌍을 이루도록 되어 있다. 기류 유량과 함께 용기의 길이는 그러한 유동의 일관성을 지정하고, 기류가 성장 부분에 도달하기 전의 입구 길이는 유동의 층류 또는 혼탁한 특성을 제어하도록 부여된다. 용기는 유동을 균질화하는 것을 돕기 위해 경사부, 공기포일(airfoil)과 같은 페어링, 또는 배플을 포함할 수 있다.
공기 박스(B)는 성장 트레이(14)를 수용하고 일 단부면에서 개방면(16)을 가지며 대향 단부면에 더 작은 오리피스(17)를 갖는 직사각형 형상으로 되어 있다.
기류 시스템(12)은 수평 화살표로 나타낸 바와 같이 용기(14) 내의 성장 배지(15) 및 성장 부분 위로 공기를 끌어 당기도록 각각의 공기 박스(B)의 오리피스(17)에 위치된 팬(12')을 포함한다. 오리피스는 모든 공기가 팬을 통해 이동하는 것을 보장하도록 팬으로 덮여 있다. 대안적으로, 팬(12')은 공기를 성장 배지(15) 위로 밀어내도록 공기 박스(B)의 개방면(16)에 위치 설정될 수 있다.
나타낸 바와 같이, 매니폴드(M)로부터 아래로 떨어지는 가습된 공기는 오리피스(16, 17)를 통해 각각의 공기 박스(B) 내로 그리고 공기 박스를 통과한다.
구체적으로, 성장 배지(15)는 다음을 포함한다:
투입 재료 대략적인 재료량
백 밀봉된 기질:
옥수수대 6000g
양귀비 씨앗 1440g
말토덱스트린 256g
황산칼슘 80g
수돗물 16000g
접종물:
이코바티브 스트레인 ID 2880g
045-08-003 스폰
바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법 동안, 배양 챔버(10)는 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 유지된다. 구체적으로, 챔버(10)는 배양 단계 동안 99%의 상대 습도(relative humidity)(RH), 5%의 CO2, 및 85℉ 내지 90℉의 변동 온도로 유지된다.
배양 챔버(10), 즉 성장 인클로저는 일 단부에서 개방될 수 있고, 타 단부에는 공기를 끊임없이 또는 펄스 방식으로 5 CFM 내지 10,000 CFM의 속도로 끌어 당기거나 밀어냄으로써 화살표(13)로 나타낸 바와 같이 측방향으로 용기(14) 위로 공기를 이동시키기 위한 팬 또는 장치가 장착될 수 있다. 배양 챔버(10)는 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소를 비롯한 환경 조건을 유지할 수 있는 더 큰 배양 챔버(도시되지 않음) 내에 있을 수 있다.
배양 챔버(10)의 형상 및 구조는 기류의 공기 유동 및 층류 또는 혼탁한 특성을 지향시키는 것을 돕기 위해 특별히 제조될 수 있다.
프로세스 단계(도 3a1 참조)
지향성 측방향 기류
1. 영양 성장 배지 및 유기 접종물(15)은 US 20150033620 A호에 설명된 바와 같이 용기(14) 내에 패킹되는데, 이들 용기(14)에는 뚜껑이 장착되어 있지 않다.
2. 이들 용기(14)는 폐쇄된 배양 챔버(10)의 선반(11) 상의 공기 박스(B) 내에 위치된다.
3. 화살표(13)로 나타낸 바와 같이 각각의 용기(14)에서 성장 배지(15) 위로 측방향으로 통과시키도록 배양 챔버(10)를 통해 기류 시스템(12)을 거쳐 공기의 유동을 지향시킨다.
4. 각각의 용기(14)에서 균사체 바이오폴리머의 패널(P)을 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 용기(14)에서 성장 배지(15)를 배양하고, 예를 들어, 패널은 배양 챔버(10) 내에서 4 내지 14일 동안 성장될 수 있다.
공기의 유동은 배양 챔버(10)에 장착된 팬에 의해 생성되고 용기(14) 위로 그리고 다시 더 큰 배양 공간으로 지향된다.
도 1a를 참조하면, 상기 방법에 따라 제조된 한 쌍의 패널(17)은 전체적으로 곰팡이 균사체로 구성되고 조직 형태에 있어서 최소의 분화를 나타낸다.
> 99%의 일정한 RH에서 분당 100 입방 피트의 기류 유량은 1.98 pcf의 건조 밀도 및 17.5 psi의 인장 강도를 갖는 조직을 초래하였다. 이들 패널은 고도의 일관성을 제공하였다.
분당 100-175 입방 피트의 기류 유량 및 48 시간 동안 96%로의 상대 습도 강하는 1.45 pcf의 건조 밀도 및 13.6 psi의 인장 강도를 갖는 조직을 초래하였다. 이러한 성장된 패널은 고도의 일관성을 초래하였다.
분당 300-350 입방 피트의 기류 유량 > 99%의 일정한 RH에서 3.32 pcf의 건조 밀도 및 31.2 psi의 인장 강도를 갖는 조직을 초래하였다.
도 1b를 참조하면, 지향성 기류가 없는 조건 하에서 제조된 패널 쌍은 고도로 분화된 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1c를 참조하면, 기류가 없는 환경에서 성장한 한 쌍의 패널은 고도로 분화된 조직 및 감소된 공기 성장을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 3b를 참조하면, 동일한 참조 부호는 상기와 동일한 부분을 나타내며, 배양 챔버(10)는 수직으로 이격된 선반(11)(또는 랙)으로 구성될 수 있고, 각각의 선반(11)이 단일 용기(14)만을 갖는 공기 박스(B)를 수용하도록 연장된 길이의 용기(14)와의 협력을 위해 시트(도시되지 않음)에 의해 둘러싸일 수 있다.
게다가, 배양 챔버(10)에는 챔버(10')에 끼워진 팬을 갖는 측방향 기류 시스템(12')이 장착되어, 화살표(18)로 나타낸 바와 같이 기류를 배양 환경으로부터 공기 박스(B)를 통해 그리고 용기(14) 위로 그리고 다시 더 큰 배양 공간으로 지향시킨다.
도 3c를 참조하면, 동일한 참조 부호는 상기와 동일한 부분을 나타내며, 배양 챔버(10')는 성장 배지(15)를 갖는 용기(14)가 공기 박스를 사용하지 않고 배치되는 개방된 선반(11)을 가질 수 있다. 게다가, 배양 챔버(10')에는 도시된 바와 같이 기류를 용기(14) 위에서 측방향으로 통과하면서 챔버(10')를 통해 그리고 챔버 밖으로 끌어 당기기 위해 챔버(10')의 우측에 위치된 팬(도시되지 않음)을 갖는 측방향 기류 시스템이 장착되어 있다.
도 4a를 참조하면, 유사한 참조 부호는 상기와 동일한 부분을 나타내며, 균학적 바이오폴리머의 성장은 용기(14)의 수직으로 기류를 통과시킴으로써 수행될 수 있다.
예를 들어, 폐쇄된 배양 챔버(10")는 컨디셔닝된 공기를 성장 균사체 위에서 밀거나 당기도록 영양 배지(15) 위에 위치 설정된 하나 이상의 기류 디바이스(도시되지 않음)로 구성될 수 있다. 도 3a1에서와 같은 기류 디바이스(12)는 성장 용기(14') 위의 원하는 높이에서 정지된 상태로 유지되거나 성장 과정을 통해 선형 액추에이터(도시되지 않음) 상에서 조절된다.
도시된 바와 같이, 2개의 용기(14')는 배양 챔버(10") 내의 각각의 선반(11) 상에 위치 설정되고, 각각의 용기(14')에는 용기(14')로부터 커버(19)(루프)를 이격시키는 수직 스탠드오프(18)가 마련된다. 수직 스탠드오프(18)는 폴리비닐클로라이드(PVC)와 같은 비반응성 물질로 제조되며, 기류 디바이스의 힘을 견디기에 충분히 강성이다.
배양 챔버(10")는 일 단부에서 개방될 수 있고, 타 단부에는 공기를 끊임없이 또는 펄스 방식으로 5 CFM 내지 10,000 CFM의 속도로 끌어 당기거나 밀어냄으로써 화살표(13")로 나타낸 바와 같이 성장 표면에 수직인 방향으로 용기(14') 위로 공기를 이동시키기 위한 팬 또는 장치가 장착될 수 있다.
배양 챔버(10")는 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소를 비롯한 환경 조건을 유지할 수 있는 더 큰 배양 챔버(도시되지 않음) 내에 있을 수 있다.
도 4b를 참조하면, 배양 챔버(10")에서 생성된 균학적 바이오폴리머의 패널은 도 1a에서 성장 부분을 가로지르는 것과 달리 공기가 도 4c에 나타낸 바와 같이 성장 표면 위로 당겨짐에 따라 기류 디바이스 아래에 균사체 농도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 기류 디바이스가 성장 배지의 중심 영역으로부터 공기를 상향으로 끌어 당기는 경우, 성장 균사체는 패널의 중심 영역에 집중되어 있다.
지향성 수직 기류(도 4a 참조)
1. 영양 성장 배지 및 유기 접종물은 US 20150033620 A호에 설명된 바와 같이 용기 내에 패킹되는데, 이들 용기에는 뚜껑이 장착되어 있지 않다.
2. 이들 용기(14")는 폐쇄된 배양 챔버(10") 내에 위치된다.
3. 화살표(13")로 나타낸 바와 같이 각각의 용기(14")에서 성장 배지의 수직으로 통과시키도록 배양 챔버(10")를 통해 기류 시스템(12)을 거쳐 공기의 유동을 지향시킨다.
4. 성장 인클로저의 형상과 설계는 공기의 유동 및 층류 또는 혼탁한 특성을 지향시키는 것을 돕기 위해 특별히 제조될 수 있다.
5. 각각의 용기(14")에서 균사체 바이오폴리머의 패널을 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 용기(14")에서 성장 배지(15)를 배양하고, 예를 들어, 패널은 배양 챔버(10") 내에서 4 내지 14일 동안 성장될 수 있다.
6. 기류를 사용하여 형상화된 최종 제품에 대해 성장 동안 재료를 특정 형상 및 패턴으로 몰딩 및 구조화하기 위해 공기 이동이 사용될 수 있다.
위의 단계 6에서, 끌어 당겨진 수평 기류 유량(> 175 cfm)는 조밀한 가리비형 패턴을 만든다. 수직 기류는 (석순처럼 상향으로 당겨진) 기류를 패리티시키는 형태를 나타내는 구조를 기류 디바이스 아래에 생성한다. 기류를 밀면 기류(160 CFM)에 반대되는 파동 패턴이 생성된다. 기류 디바이스에 근접하여 기류 패턴은 유동을 모방하는 조직 패턴을 생성시킨다.
도 2를 참조하면, 그래프로 도시된 바와 같이, 성장 배지의 습기 및 용질 함량은 성장되는 재료의 밀도와 직접적으로 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 습기 함량이 높을수록 성장되는 재료의 밀도가 낮아지고, 다양한 유형의 기질에 걸쳐 나타나는 경향이 있다.
도 2는 4가지 상이한 습기 함량에서 옥수수대 재료와 비교하여 3가지 다른 기질 종류를 도시한다. 그 결과, 최종 생성물 밀도에 변동이 있고, 이는 습기 함량이 높을수록 밀도가 낮은 조직을 초래하였다.
튜키 크래머(Tukey Kramer)는 테스트들 사이의 유의미한 차이를 결정하는 평균(평균값) 비교 테스트이다. 신뢰 구간은 0.05이므로 데이터 사이의 관계에 대한 신뢰는 95%이다.
빈 공간을 채우는 곰팡이 세포의 능력은 성장하는 동안 유기체가 이용할 수 있는 물과 용질에 의존한다. 이용할 수 있는 물이 많을수록, 유기체가 더 공격적으로 팽창하여 재료의 밀도가 떨어지게 될 수 있다.
따라서, 도 5a를 참조하면, 유사한 참조 부호는 상기와 동일한 부분을 나타내며, 폐쇄된 배양 챔버(20)에는 미스트 분배 시스템(21)이 장착되어 있어, 생산된 균학적 바이오폴리머에서 다양한 재료 밀도를 생성하기 위한 목적으로 다수의 방안을 통해 습기 및 용질이 성장 조직에 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 배양 챔버(20)는 복수의 수직으로 이격된 선반(21) 및 챔버(20)의 내부를 보기 위한 투명한 전방벽(도시되지 않음)을 갖는다. 배양 챔버(20)는 각각 성장 배지(15)로 각각 채워진 복수의 용기(14)를 수용하도록 크기 설정된다.
상기와 같이, 배양 챔버(20)는 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소를 비롯한 균일한 환경 조건을 유지할 수 있는 더 큰 배양 챔버 내에 위치될 수 있다.
미스트 분배 시스템(21)은 각각의 용기(14)에서 습기 및 미네랄과 같은 용질을 성장 조직의 상단으로 전달하도록 위치 설정되며 또한 재료 밀도를 제어하고 재료의 균질성을 조절하는 데에 사용될 수 있다. 이 재료는 영양분 공간 위로 그리고 이 공간으로부터 비-영양분 환경으로 성장하는 공기 균사(aerial hypha)로 구성된다. 그러한 환경에서의 성장을 제어하기 위해, 유기체는 정점 또는 균사 팁에서 균사의 연장을 조절하도록 팽압(turgor pressure)을 사용한다. 따라서, 성장 재료의 상단 표면에 걸쳐 퇴적된 이용 가능한 습기 및 용질의 양, 분포 및/또는 액적 크기를 조절하면 균사 내에서 생성된 삼투 구배 및 그 후의 성장 속도 및 콜로니화 패턴을 제어할 수 있다.
용질은 삼투 전위를 유발할 수 있는 임의의 작용제이다. RO(reverse osmosis) 또는 증류수에는 그러한 작용제가 없다. 다른 용질은 단백질, 탄수화물, 폴리머, 및 미네랄을 포함할 수 있다.
용질은 용액 내에서 삼투 전위를 유도하는 재료이다. 용질은 미네랄, 탄수화물, 단백질, 또는 지질일 수 있다. 세포막 및/또는 벽과 같은 막의 한쪽 면에서의 용질의 농도는 막의 반대쪽 면의 용액이 더 낮은 농도의 용질을 갖는다면 막을 가로질러 전위를 유도할 것이다.
특정 재료 밀도를 달성하고 재료 균질성을 증가시키기 위해 습기 및 용질 퇴적이 사용될 수 있다.
습기 및 용질은 물을 증기 또는 미스트로 세분화하는 "가습 퍽(humidifying puck)"이 장착된 수조를 사용하여 성장 배지의 성장 표면을 가로질러 분포될 수 있다. "가습 퍽"은 초음파 가습기로서, 품질이 낮고 액체 함량이 높으며 크기 범위가 5 내지 22 미크론인 액적을 생성한다. 액체 물방울은 증기와 달리 액체 물방울이 용질을 운반할 수 있기 때문에 중요하다. 스프레이 또는 기포의 경우에도 마찬가지이지만 증기로는 달성될 수 없다. 증기는 습도를 조절하는 데에 사용될 수 있지만, 용질을 운반하는 물의 대용품으로는 사용될 수 없다.
이 미스트는 팬 또는 유사한 장치로부터의 간접 기류를 사용하여 또는 압축 공기 또는 노즐 밖으로 습기를 방출하고 성장 배지의 성장 표면으로 지향되는 다른 수단이 장착될 수 있는 스프레이 노즐에 의해 성장 배지의 표면에 걸쳐 분포될 수 있다.
습기 및 미네랄의 양, 분포 및 액적 크기는 다양한 밀도의 균질한 균사체 바이오폴리머를 생성하도록 조절될 수 있다.
성장 사이클 동안 습도 백분율의 변동은 재료의 밀도 및 균질성을 증가시키는 방법으로서 사용될 수 있다. 공개된 US 2015/0033620 A호에 설명된 방법에서는, 재료 성장을 달성하기 위해 성장 사이클 지속 기간에 걸쳐 습도를 정지 상태로 유지하였다. 이 패러다임을 변경하고 성장 사이클 동안 목표 단계에서 성장 챔버의 습도를 변동시킴으로써, 밀도 및 균질성이 증가될 수 있다.
곰팡이가 공격적으로 성장하기 위해서는 일반적으로 습한 환경이 필요하다. 건조 환경에 직면했을 때, 많은 종의 곰팡이는 습기 손실로부터 스스로를 보호하는 방법을 개발하였다. 공기 균사의 경우, 지속적인 팽창을 허용하고 성장 표면을 향한 균사의 붕괴를 방지하기 위해 국소 고습 환경이 필요하다. 성장 챔버에서 습도의 변동은 건조 환경에 대한 유기체의 생리학적 반응을 유발할 뿐만 아니라 공기 균사 성장을 조작하여 원하는 재료 특성을 달성하는 데에 사용될 수 있다.
기류를 사용하지 않고 성장하는 재료 상에 미스트의 제어된 퇴적을 가능하게 하는 시스템 설계가 구현되었고 도 5a의 배양 챔버를 사용하여 테스트되었다. 이 미스트 시스템 프로토타입은 제어된 높은 기류 시스템으로서 성장 재료 상에 동등한 양의 미스트를 균일하게 분배하였다. 미스트 시스템은 SF1010SS 사이펀 공급 분무 노즐 또는 "분무기"를 사용하여, 직접적인 기류 사용 없이 시험 부품의 성장 표면을 가로질러, US 2015/0033620호에 설명된 방법에 사용된 MycoFlex™ 제어 기술과 크기가 동등한 미세한 물방울의 팬 형상 스프레이를 방출하였다.
분무기 미스트 시스템은 인큐베이터 벽으로부터 목표 성장 표면의 우측으로 26.5 인치에 위치 설정된 노즐을 갖도록 설정되었다. 노즐은 타겟 용기(14) 위의 선반(11)에 대해 45도 각도로 고정되고 90도 회전되어, 수직으로 배향된 팬 형상 스프레이 패턴을 초래하였다. 분당 센티미터당 0.28 마이크로시멘스(uS/cm)의 습기의 목표 총 체적 +/- 7 센티미터당 마이크로시멘스(uS/cm) 뿐만 아니라 0.00014 g/min의 패널 표면에 걸친 습기의 목표 편차는 1 분 동안의 2.4% 시간 미스트의 미스트 패러다임을 사용하여 달성되었다. 목표 체적은 도 3a1의 직접적인 높은 기류 배양 시스템에 대해 수집된 TDS 값에 기초하였다.
이 분무기 미스트 시스템은 기류와 독립적인 습기 퇴적의 영향을 평가하기 위해 바이오매스로 시험되었다. 임의의 기류 없이 분무기 미스트 시스템이 장착된 실험실 인큐베이터에 7개의 부품을 집어 넣었다(도 5a).
이 시스템의 가습은 분무기를 통해 시스템으로 유입되는 습기에 의해 달성되었다.
표준 바이오폴리머 가습 시스템 및 환경 조건을 사용하여 2개의 대조 인큐베이터를 동시에 작동시켰다. 하나의 대조 인큐베이터는 표준의 직접적인, 높은 기류 박스 시스템 및 가습 재순환 시스템(도 3a1)을 사용하여 설정되었고, 다른 하나는 가습된 공기의 재순환에 사용되는 낮은 간접 기류만을 갖추고 있다(도 5b). 3개의 인큐베이터 모두 9일의 성장 동안 99% RH, 5% CO2 및 화씨 85-90도의 변동 온도의 표준 바이오폴리머 환경 조건으로 설정되었다.
직접적인, 높은 기류는 전체 인큐베이터에 걸쳐 패널 내에서 성장의 균질성을 증가시켰으며 조직 형태에서의 최소의 분화로 도 1a의 패널을 생산하게 하였다.
분무기 미스트 시스템이 장착된 기류가 없는 인큐베이터는 수직 성장 체적이 적고 고도로 분화된 패널을 초래하였다(도 1c). 이 기술에 의해 성장된 패널은 직경이 0.1 내지 1 인치인 균사체 섬유의 "벌브(bulb)" 또는 다발을 갖고, 주로 결합 조직이 없는 별개의 조밀한 영역을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
낮은 간접적인 기류 인큐베이터는 또한 고도로 분화된 재료와 감소된 공기 성장을 초래하였다; 그러나, 수직 성장 체적은 증가되었다(도 1b). 이 기술에 의해 성장된 패널은 직경이 0.6 인치 이상, 예를 들어 0.6 내지 4 인치인 균사체 섬유의 "벌브" 또는 다발을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 그에 비해, 도 1c의 패널 상의 균사체 섬유의 "벌브"는 0.6 인치 미만이다.
또한, 도 1b의 패널은 결합 조직이 작고 균질한 미관적이지만 이질적인 성능을 초래하는 것을 특징으로 한다. 즉, 표면이 매끄럽게 보이지만, 기계 성능은 부품 섹션에 따라 다를 수 있다.
높은 직접적인 기류 성장 환경으로 인해 패널 전반에 걸쳐 최소의 분화로 훨씬 더 균질한 패널이 초래되었다(도 1a).
프로세스 단계
성장 중 재료 표면 상에 습기 및 미네랄 퇴적
1. 영양 성장 배지 및 유기 접종물은 US 20150033620 A호에 설명된 바와 같이 용기(14) 내에 패킹되는데, 이들 용기(14)에는 뚜껑이 장착되어 있지 않다.
2. 이들 용기(14)는 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소를 비롯하여 미리 결정된 환경 조건 하에서 유지되는 배양 챔버(10) 내에 위치되었다.
3. 습기 및 미네랄은 물을 증기 또는 미스트로 세분화하는 가습 성 퍽이 장착된 수조를 사용하여 용기 내 배지의 성장 표면을 가로질러 분포되었다.
4. 배양 챔버(10) 내에서 패널을 4 내지 14일 동안 성장시켰다.
조직 밀도를 제어하기 위한 기질 내 습기 및 미네랄의 조절
생성된 균학적 바이오폴리머 패널의 밀도와 관련하여 폐쇄된 배양 챔버에서의 배양 전에 기질(성장 배지) 내에서 습기 및 미네랄을 조절하는 효과를 결정하기 위해 시험을 수행하였다.
한 테스트에서 다음 단계를 사용하였다:
1. 영양 성장 배지 및 유기 접종물은 US 20150033620 A호에 설명된 바와 같이 용기(14) 내에 패킹되는데, 이들 용기(14)에는 뚜껑이 장착되어 있지 않다.
2. 습기와 미네랄을 성장 배지 내에 분포시켜 20-95% 습기 사이의 특정 습기를 달성하였다.
3. 각각의 용기(14)에서 균사체 바이오폴리머의 패널을 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 용기(14)에서 성장 배지(15)를 배양하고, 패널은 배양 챔버(10) 내에서 4 내지 14일 동안 성장되었다.
시험 결과에 따르면, 배양 챔버에 배치하기 전에 성장 배지 내의 습기 및 미네랄의 양은 원하는 밀도의 균질한 균학적 바이오폴리머 패널을 생성하도록 조절될 수 있다. 옥수수대 기질 상의 65%의 습기 함량은 1.7 pcf의 밀도를 초래하고, 55%의 습기 함량은 2.7 pcf의 밀도를 초래한다는 점은 중요하다.
다른 실시예에서, 균학적 바이오폴리머는 스크림 또는 로프트된 비-기질 매트릭스를 통해 성장될 수 있다. 이 실시예에서, 스크림 또는 로프트된 비-기질 매트릭스는 본질적으로 유기 또는 무기이며, 균사체가 재료에 침투할 수 있도록 충분한 다공성을 제공한다. 스크림 또는 로프트된 비-기질 매트릭스는 영양 기질 상에 또는 그 위에 위치 설정되고 전체 조립체는 상기 구성 중 하나에서 배양된다. 스크림 또는 로프트된 재료는 균사체에 대한 보강, 조직 성장을 배향 및 지향시키는 수단, 성장된 조직을 영양 기질로부터 일관되게 제거하는 방법, 또는 이들의 조합으로 기능한다.
제4 실시예에서, 사이클 지속 기간 전체에 걸쳐 성장 시간에서 습도 백분율의 변동은 증가된 균질성의 고밀도 재료를 유도하기 위해 사용된다. 이 실시예에서, 상대 습도는 공기 균사체 유도 기간 동안 높은 백분율로 지속되며, 이는 0 내지 5 성장일 사이에 시작될 수 있다. 유도되고 나면, 습도는 정점 조직의 치밀화를 유도하기 위해 4 내지 72 시간 동안 98% 미만으로 감소된다. 이어서, 습도는 새로 분화된 성장을 유도하여 생성물의 단면을 통해 다양한 밀도, 조직 형태, 및 배향을 제공하도록 다시 상승될 수 있다. 이는 균학적 발포체를 통해 원하는 성능 변화를 얻기 위해 필요한 만큼 많이 반복될 수 있다.
제5 실시예에서, 특정 기류 유량은 다양한 공기 균사체 밀도 및 기계적 성능을 달성하기 위해 사용된다. 이 실시예에서, 기류는 일정한 속도로 설정될 수 있어, 조직이 성장할 때에 기류 유량이 수동적으로 조절되거나, 속도는 성장 조직에 걸쳐 일정한 속도를 전달하도록 배양 과정을 통해 조절될 수 있다. 기류 유량이 높을수록 밀도가 높은 조직이 생성되는 것으로 입증되었고, 기류 유량이 낮을수록 건조시에 밀도가 낮은 조직의 로프트가 더 높아진다.

Claims (13)

  1. 바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법이며,
    복수의 용기를 제공하는 단계로서, 각각의 상기 용기는 영양 기질(nutritive substrate) 및 곰팡이로 구성된 성장 배지를 수용하는 공동을 한정하는 단계;
    상기 복수의 용기를 폐쇄된 배양 챔버 내에 배치하는 단계;
    상기 곰팡이가 버섯으로 완전히 분화되는 것을 방지하면서 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 상기 폐쇄된 배양 챔버를 유지하는 단계;
    각각의 상기 용기에서 성장 배지 위를 통과하도록 상기 배양 챔버를 통해 높은 이산화탄소 함량을 함유하는 공기의 유동을 지향시키는 단계; 및
    상기 곰팡이가 상기 영양 기질을 분해하고 각각의 상기 용기에서 곰팡이 균사체로 완전히 구성된 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 상기 용기에서 성장 배지를 배양하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기의 유동은 상기 용기의 측방향으로 상기 폐쇄된 배양 챔버 내로 지향되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공기의 유동은 상기 용기의 수직으로 상기 폐쇄된 배양 챔버 내로 지향되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 용기는 상기 배양 챔버 내에서 복수의 수직으로 이격된 열로 적층되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 환경은 상기 배양 단계 동안 99%의 상대 습도(RH), 5%의 CO2, 및 85℉ 내지 90℉의 변동 온도로 유지되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공기의 유동은 상기 용기의 측방향으로 상기 폐쇄된 배양 챔버 내로 지향되는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 공기의 유동은 상기 용기의 수직으로 상기 폐쇄된 배양 챔버 내로 지향되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 공기의 유동은 상기 배양 단계 동안 펄스화되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 공기의 유동은 적어도 5 체적% 내지 7 체적%의 이산화탄소 함량을 함유하는, 방법.
  10. 바이오폴리머 재료를 성장시키는 방법이며,
    복수의 용기를 제공하는 단계로서, 각각의 상기 용기는 영양 기질 및 곰팡이로 구성된 성장 배지를 수용하는 공동을 한정하는 단계;
    상기 복수의 용기를 폐쇄된 배양 챔버 내에 배치하는 단계;
    습도, 온도, 이산화탄소 및 산소의 미리 결정된 환경으로 상기 폐쇄된 배양 챔버를 유지하는 단계;
    각각의 상기 용기에서 성장 배지 위를 통과하도록 상기 배양 챔버를 통해 미스트를 분배하는 단계; 및
    상기 곰팡이가 상기 영양 기질을 분해하고 각각의 상기 용기에서 실질적인 형태학적 변동 없이 곰팡이 균사체로 완전히 구성된 균사체 바이오폴리머를 생성하기에 충분한 시간 동안 각각의 상기 용기에서 성장 배지를 배양하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 미스트는 습기 및 용질을 포함하는, 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 용질은 미네랄인, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 배양 단계 동안 공기 균사(aerial hypha)가 각각의 상기 용기로부터 성장하고, 상기 미스트는 미리 결정된 재료 밀도 및 재료 균질성을 달성하기 위해 상기 공기 균사의 상단 표면 상에 조절된 용질의 양 및/또는 분포로 분배되는, 방법.
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