TWI719294B - 生質產生器之進料 - Google Patents

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Abstract

用於生質產生器之細菌菌元材料，不會造成進料器機構堵塞，尤其在高溫及/或高濕度條件下，該菌元材料包含一或多種廢物分解細菌、蔗糖及大豆蛋白。較佳地，Di-Pac糖(蔗糖與麥芽糊精)及粉末狀龜甲萬醬油用作為糖及蛋白質成分。該菌元材料亦可包含乾燥之麩皮培養物，其包含假單胞菌屬。將菌元材料成分摻合在一起且形成具有適用於生質產生器之進料器機構的特別形狀、大小及硬度特徵之小片或小丸。

Description

生質產生器之進料
本發明大致關於用作為生質產生器之菌元材料(starter material)的小片狀摻合物(tableted blend)，其包含至少一廢物分解微生物、大豆蛋白及糖，其尤其適合於高濕度環境。
細菌於自然過程中分解環境中的有機材料，通常是將有機材料降解成二氧化碳及水。正常狀態下，對資源的競爭、有限的養分供給與天敵會聯合抑制快速的細菌生長，從而限制有機材料分解。當分離所選擇之菌株且提供促生長食物來源時，細菌快速增殖。該等較大的菌群更快速及有效地分解廢料且可在各種廣泛的應用中使用，諸如用於要收集以各種形式(諸如蛋白質、碳水化合物(諸如纖維素)及脂質(諸如脂肪和油))存在的廢物之腐化槽、集油井、排水溝、RV貯留槽、污水池、潟湖、池塘、戶外廁所、可攜式廁所及類似者。
含有實用的廢物分解菌群之溶液可在需要使用生質產生器處理之處或附近生長，諸如那些在美國專利案號6,335,191、7,081,361、8,551,762及其他引用彼等或彼等所引用的專利中所揭示者。該等生質產生器係使用菌元材料其包含至少一種所選的有益菌株及足夠的適合的細菌食物來源使細菌由小的菌元群生長成實用群(utility population)其為夠大而足以在由此裝置排入含有廢料或其他含另外可行食物來源之介質的處理處時能維持生長且促進所欲最終應用。通常，菌元材料係由儲存罐進料至生質產生器的生長室中且添加水。使細菌經生長期生長，經常約24小時。在生長期之後，將高菌數溶液由生長室排入需要處理的區域，諸如排水溝或集油井。接著將另一數量的菌元材料進料至生長室中且重複此過程。通常，在必須補充菌元材料之前，在儲存罐中有足夠供給生質產生器約一個月的菌元材料。
菌元細菌之習知的市售來源係以液體或固體形式取得。一些菌元細菌已與菌元養分組合而其他的菌元細菌需要與單獨的菌元養分混合，最常於水性懸浮液中。固體菌元材料優於液體菌元材料，因為其以提供穩定儲存、更容易處置及總成本低之形式提供細菌菌元群。然而，許多固體菌元材料亦有缺點。例如，粉末狀菌元材料在生長室中傾向漂浮在水面上而不是與水混合以容許細菌生長。粉末狀菌元材料亦傾向堵塞在生質產生器中的自動化進料機構，尤其在潮濕的條件下。菌元材料的一些小片(tablet)或小丸(pellet)形式亦傾向在進料機構中裂開(break apart)，造成細菌堵塞及過早激活。菌元材料的其他小片或小丸形式可能太硬而在進料機構中碎成粉末或在生長室內部不夠快速裂開。
發展出市售的自由流動小片(Free Flow tablet)以解決許多該等問題。用於生質產生器的自由流動小片包含乾燥之麩皮培養物其含有假單胞菌屬(Pseudomonas)、一或多種沒有載體(carrier)的芽孢桿菌屬(Bacillus species)及養分摻合物(包括蛋白質、澱粉及糖)，其呈具有特定的形狀及硬度之小片形式，如在美國專利申請案公開號2015/0079661(以引用方式併入本文)中所述。在使用期間，自由流動小片時常暴露於高熱及高濕度條件，其導致小片的結構性問題，包括膨脹及黏在一起的小片，其導致堵塞在生質產生器中的進料器機構。對在高熱及高濕度條件下維持結構完整性的改良之菌元材料小片或小丸組成物仍有需求。
適用於生質產生器(尤其在涉及高溫及高濕度的條件下)的根據本發明之細菌菌元材料組成物的一較佳的實施態樣係包含至少一種芽孢桿菌屬(Bacillus species)、大豆蛋白、糖及澱粉。更佳地，大豆蛋白為以米麴菌(Aspergillus oryzae)水解之蛋白質。最佳地，大豆蛋白為市售龜甲萬粉末狀醬油(Kikkoman Powdered Soy Sauce)。根據另一較佳的實施態樣，細菌菌元材料進一步包含作為糖的蔗糖或麥芽糊精(maltodextrin)或其組合。最佳地，糖為取自American Sugar Company/Domino Sugar的市售Di-Pac糖，其為蔗糖與麥芽糊精之混合物。根據另一較佳的實施態樣，本文所述之任何實施態樣的細菌菌元材料亦包含下列中之一或多者：鈉鹽、鈣鹽、磷酸鹽、氮化合物、鈉鹼(soda)、緩衝劑、小片澱粉(tablet starch)、黏合劑、以及包含麩皮和假單胞菌屬的乾燥之麩皮培養物(dried bran culture)。最佳地，細菌菌元材料為具有美國專利申請案公開號2015/0079661中所述之大小和形狀及小片特徵的小片或小丸形式。
用於製造根據本發明之小丸或小片形式的細菌菌元材料之一較佳方法包含下列步驟：(1)將蔗糖(或Di-Pac糖)研磨成適於形成小片之篩孔大小(mesh size)(若有需要)，較佳地具有下文指示之平均粒徑；(2)將其他成分(包括麩皮培養細菌，但非任何芽孢桿菌屬孢子(Bacillus spore)，其已經很小)研磨成約USS 20至30之篩孔大小(若有必要)；(3)將蛋白質、澱粉與糖摻合，較佳經約10分鐘；(4)將所有的其他成分摻合進來，較佳經約10分鐘；(5)使用壓片機以適當形狀及大小之模具形成小片或小丸。更佳地，將蔗糖(或Di-Pac糖)研磨成不超過3%為USS 40、不超過8%為USS 200、及至少75%為USS 100以具有平均粒徑為約USS 100之粒徑(若需研磨以獲得該等粒徑)。用於製造包含乾燥之麩皮培養物(諸如EcoBionics麩皮培養物(EcoBionics Bran Culture))的細菌菌元材料之另一較佳方法係包含在上述步驟2的研磨乾燥之麩皮培養物之前的下列另外的步驟：(a)將麩皮(較佳為麩皮薄片(bran flake))密蒸處理(autoclaving)以移除背景污染(background contamination)(其可能與所欲細菌競爭且可能對水系統或以生質產生器處理之其他區域有害)，較佳地在約121℃之溫度及15 p.s.i.之壓力下約1.5小時；(b)將作為接種物(inoculum)的假單胞菌屬細胞(在液體假單胞菌屬生長培養基中)施加至密蒸處理之麩皮薄片；(c)將麩皮培養物在濕度下培育約24至48小時；以及(d)將假單胞菌屬麩皮培養物(Pseudomonas bran culture)乾燥約72小時，較佳達水活性(water activity)為約0.6或更低。
根據本發明較佳的組成物實施態樣及較佳的方法之細菌菌元材料具有的優勢為維持小片或小丸在進料容器中及通過自動化或半自動化生質產生器之進料機構時的結構完整性(在較高溫及/或較高濕度條件下)，同時維持細菌在整個壓片製程及在遞送至生長槽之前儲存於生質產生器期間的生存力(viability)。與先前技術的菌元材料(包括在美國專利申請案公開號2015/0079661中所述之先前型式的自由流動小片)相比，較佳的實施態樣不會造成進料器機構的堵塞、在高溫或高濕度條件下不會膨脹(swell)、小片或小丸不會彼此相黏且不易使細菌過早激活(premature bacteria activation)(在到達生長槽之前)。在介於約40 F與約115 F之間的溫度下儲存時，根據本發明較佳的實施態樣之呈小片形式的進料可維持結構穩定性且不與具相同進料的其他小片相黏。
在介於約0%與約67%之間的相對濕度值下儲存時，根據本發明較佳的實施態樣之呈小片形式的進料亦可維持結構穩定性且不與具相同進料的其他小片相黏。
本發明為細菌與養分(nutrient)遞送組成物以及製造用於生質產生器之小片或小丸形式的組成物之方法。根據本發明之較佳的組成物在儲存期間及在進料容器和生質產生器之進料機構中具有結構穩定性，尤其在高溫及/或高濕度條件下，但在生質產生器之生長槽中可易於溶解。
根據本發明之細菌菌元材料組成物的一較佳實施態樣係包含至少一種芽孢桿菌屬(Bacillus species)、大豆蛋白(soy protein)、糖及澱粉。更佳地，大豆蛋白為以米麴菌(Aspergillus oryzae)水解之蛋白質。以米麴菌水解之蛋白質優於大豆的酸水解(acid hydrolysis)，但是亦可使用酸水解之大豆。最佳地，大豆蛋白為市售龜甲萬粉末狀醬油(Kikkoman Powdered Soy Sauce)或溜醬油(Tamari soy)產品。亦可使用全大豆蛋白(whole soy protein)，諸如Baker’s NutriSoy。在先前技術的自由流動小片(Free Flow tablet)中所使用之蛋白質來源為酪蛋白，其係經酸水解，產生較少的胺基酸具有用作菌元材料中的細菌種類之生長促進養分的生物可利用性(bioavailable)。龜甲萬醬油及溜醬油二者係以米麴菌水解而非酸水解(acid hydrolysis)，導致有更大百分比(約100%)的胺基酸具有生物可利用性。較佳地，細菌菌元材料包含約2至7重量%之大豆蛋白，更佳為約5%之粉末狀龜甲萬醬油。
根據另一較佳的實施態樣，細菌菌元材料進一步包含作為糖的蔗糖或麥芽糊精或其組合。最佳地，糖為取自American Sugar Company/Domino Sugar的市售Di-Pac糖，其為約96.25至97.75%之蔗糖與2.25至3.75%之麥芽糊精的混合物。較佳地，細菌菌元材料包含約25至40重量%之一或多種糖，更佳為介於約35%至40%之蔗糖與麥芽糊精的組合。在先前技術的自由流動小片中所使用之糖來源為右旋糖(dextrose)。發現使用約35%之右旋糖有助於達成小片形成之恰好的可壓縮性(compressibility)。然而，右旋糖易發生梅納反應(Maillard reaction)或焦糖化(caramelization)。梅納反應的起始步驟為羰基(在此例子中來自單醣葡萄糖還原)與游離胺基酸基團之縮合。當先前技術的自由流動小片與右旋糖在儲存或用於生質產生器之期間暴露於高溫及高濕度條件時，梅納反應危及小片結構，導致膨脹的軟小片黏在一起且凝結成塊(clump)。這阻礙進料機構在生質產生器中起適當的作用，使得菌元材料不能至生長室生長成實用群(utility population)且需要維護生質產生器單元。蔗糖的使用避免了與右旋糖相關的結構問題，因為蔗糖不易於焦糖化；同時保持小片形成所需之可壓縮性。蔗糖為非還原性雙醣(non-reducing disaccharide)，其在可能經歷焦糖化之前必先經由水解而分裂成其組成單醣(constituent monosaccharide)。藉由使用蔗糖(最佳為蔗糖與麥芽糊精之Di-Pac組合)，根據此較佳實施態樣之細菌菌元材料小片在45℃及67%之相對濕度下30天之後為結構穩定的。先前技術的具右旋糖之自由流動小片則在45至49℃下僅三天之後便膨脹且融合在一起。
根據另一較佳的實施態樣，本文所述之任何實施態樣的細菌菌元材料亦包含下列中之一或多者：鈉鹽、鈣鹽、磷酸鹽、氮化合物、鈉鹼、緩衝劑、小片澱粉、黏合劑、以及包含麩皮和假單胞菌屬的乾燥之麩皮培養物。最佳地，細菌菌元材料包含具有下列量(重量)的各該等成分：
表1 – 用於細菌菌元小片/小丸之原料
Figure 107110411-A0304-0001
最佳地，根據一較佳實施態樣之細菌菌元材料包含具有下列量(重量)的各該等成分：
表2–用於細菌菌元小片/小丸之較佳的原料
Figure 107110411-A0304-0002
在表2中的〝孢子摻合物(Spore Blend)〞為約60%至40%之細菌(其包含約33%之AT31枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、33%之AT316地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)、17.5%之AT3032枯草芽孢桿菌及17.5% AT3040蘇雲金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis))以及約40%至60%之食鹽(table salt)。亦可使用一般熟習本技術領域者已知的其他適合的培養物。芽孢桿菌屬菌株較佳經噴霧乾燥(沒有任何載體材料)以獲得乾孢子粉末原料(dry spore powder raw material)。根據本發明較佳實施態樣之組成物可進一步包含填充劑、黏合劑及緩衝劑和其他材料諸如滑石、乳糖、高分散性氧化矽(highly dispersed silica)、聚乙烯吡咯啶酮(polyvinylpyrrolidone)、纖維素粉末、甘露醇、山梨醇、木糖醇、葡萄糖、果糖、麥芽糖、右旋糖、高嶺土或纖維素衍生物(諸如甲基纖維素、羥丙基纖維素(hydroxylpropylcellulose)或羥丙基甲基纖維素(hydroxypropylmethylcellulose))、澱粉(包括各種形式，諸如預糊化(pre-gelatinized))、輕質無水矽酸(light anhydrous silicic acid)、氧化鈦、偏矽酸鋁鎂(magnesium aluminometasilicate)和聚乙二醇，以及碳酸鈣、鈣、鎂或甘油硬脂酸酯(glyceryl stearate)。亦可使用另外的蛋白質(諸如酪蛋白)或其他適合的胺基酸及彼等之肽聚合物(peptide polymer)和其衍生物，包括各種含氮化合物。亦可使用各種鈉及鈣鹽，諸如氯化鈉、碳酸氫鈉、磷酸二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫鈣(calcium monohydrogen phosphate)和硫酸鈣。可使用各種油，包括氫化的及部分氫化的油。亦可使用任何適合的著色劑。本發明之小片組成物(tablet composition)亦可包含經常併入小片組成物中以輔助小片形成製程或穩定小片之儲存的添加劑。
根據本發明之細菌菌元材料組成物較佳係形成小片或小丸。製造小片(tablet)時，通常重要的是具有實質上均勻的成分粒徑以獲得能適用於生質產生器的小片，因為其夠硬而不會在進料器機構中裂開、但在生長室中與水接觸時仍快速地完全裂開。然而，根據本發明較佳的實施態樣使用蔗糖時，重要的是蔗糖的粒徑顯著地小於其他成分的大小，因為蔗糖比右旋糖輕且不如此輕易地形成小片。較佳地，所使用之蔗糖具有約USS 100之平均粒徑，更佳地不超過3%之蔗糖為USS 40、不超過8%為USS 200、及至少75%為USS 100。蔗糖若有需要時可研磨且較佳地與其他材料通過研磨機以達成USS 20至30篩孔(mesh)之最大成分粒徑(maximum ingredient size)。更佳為最多約2至5%、最佳為約3%之蔗糖具有50篩孔粒徑(mesh particle size)，且最多約5%至10%、最佳為約8%，具有200篩孔粒徑。蔗糖的該等粒徑參數對達成適當的小片形成和所需的小片硬度、以及對在高溫及高濕度水平下維持小片完整性是重要的。其餘成分(除了已經很小的芽孢桿菌屬孢子以外)亦通過研磨機且具有USS 20至30篩孔(mesh)之最大粒徑。
用於製造根據本發明的細菌菌元材料之一較佳方法係包含下列步驟：(1)將蔗糖(或Di-Pac)研磨成根據上文所討論之範圍的篩孔大小(mesh size)；(2)將其他成分(包括麩皮培養細菌，但較佳地不為已經很小的芽孢桿菌屬孢子)研磨成約20至30之篩孔大小(若有必要)；(3)將蛋白質、澱粉及糖摻合，較佳經約10分鐘；(4)將所有的其他成分摻合進來，較佳經約10分鐘；(5)使用壓片機以適當形狀及大小之模具形成小片或小丸。用於製造包含乾燥之麩皮培養物(諸如EcoBionics麩皮培養物)的細菌菌元材料之另一較佳方法係包含在上述步驟2的研磨乾燥之麩皮培養物之前的下列另外的步驟：(a)將麩皮(較佳為麩皮薄片)密蒸處理(autoclaving)以移除背景污染(background contamination)(其可能與所欲細菌競爭且可能對水系統或以生質產生器處理之其他區域有害)，較佳地在約121℃之溫度及15 p.s.i.之壓力下約1.5小時；(b)將作為接種物(inoculum)的假單胞菌屬細胞(在液體假單胞菌屬生長培養基中)施加至密蒸處理之麩皮薄片(autoclaved bran flake)；(c)將麩皮培養物在濕度下培育約24至48小時；以及(d)將假單胞菌屬麩皮培養物乾燥約72小時，較佳達水活性(water activity)為約0.6或更低。培育期(incubation period)容許假單胞菌屬生長(自最初施加至麩皮時約1×108 cfu/gm麩皮增加至在假單胞菌屬麩皮培養物中生長後約 5×109 cfu/g)且形成有助於保護其通過其餘的製造程序之生物膜(biofilm)。乾燥係避免了任何殘餘污染(細菌、酵母或黴菌(mold))在假單胞菌屬麩皮培養物上生長。接著將乾燥之麩皮培養物研磨(如同其他的成分)成較佳的篩孔大小範圍。研磨步驟具有重要性，因為在麩皮上生長之不形成孢子之細菌(non-spore forming bacteria)呈不規則的形狀、密度及大小，這非常不適合於壓片。研磨乾燥之假單胞菌屬麩皮培養物提供了實質上大小及形狀均勻的粒子，其容許小片形成而無需使用會傷害細菌的過度壓力。
為了減小細菌成分(在乾燥之麩皮培養物中的芽孢桿菌屬(若有需要)及/或假單胞菌屬)之篩孔大小(mesh size)，以Stokes’研磨機 (例如，諸如棒振盪型造粒機(bar oscillating granulator)之研磨機)較佳，部分是因為其比其他類型研磨機(例如，剪切力更大的旋轉型研磨機(rotary-type grinder))有更小的剪切力(shear)及更低的熱。所有的其他成分可以Fitzmill (例如，Model IR520 Chilsonator®)或Stokes研磨機(Stokes Grinder)或能夠減小組成粒子的大小至較佳的篩孔大小及使相分離最小化之任何其他的研磨機進行研磨。
將表2所呈示之較佳的實施態樣之組份以如下較佳的方式摻合(但也可接受其他的方式)：使玉米澱粉、Di-Pac與龜甲萬醬油(粉末狀)在摻合機中混合10分鐘，接著添加氯化鈉、硫酸鈣、碳酸氫鈉、磷酸二鈉、磷酸二氫鈉、尿素、微晶纖維素、孢子摻合物及EcoBionics麩皮培養物(若需要時，將全部預研磨，如先前所述)且混合約10分鐘。亦將硬脂酸鎂與組成物混合，且所有的混合時間近似並可取決於材料、相對濕度、篩孔大小及一般熟習本技術領域者理解的其他因素而縮短或延長。接著最終組成物係使用納入模具之所欲壓片機形成，以獲得在美國專利申請案公開號2015/0079661中所述之較佳的小片形狀。
本文所使用之術語小片及小丸可互換，除非明確地排除一者或另一者。那些一般熟習本技術領域者在閱讀本說明書(包括其中涵蓋的實例)時將理解可在本發明範圍內對組成物及用於製造組成物之方法進行修飾或改變，且本文所揭示之本發明範圍僅受限於所附申請權利範圍的最廣義解釋(本案發明人有合法權力)。

Claims (26)

  1. 一種呈小片(tablet)或小丸形式的生質產生器進料，該進料包含下列成分：至少一種芽孢桿菌屬(Bacillus species)；以米麴菌(Aspergillus oryzae)水解或酸水解之大豆蛋白；具有介於40至200之間的USS篩孔大小(mesh size)之蔗糖；及澱粉。
  2. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，該等成分混合於整個小片中。
  3. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，該進料係小片，具有具凸端之實質上圓柱形狀、介於0.9與1.2之間的長度對直徑比、及介於0.018英吋與0.048英吋之間的杯深(cup depth)。
  4. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，小片或小丸係具有介於5.5公斤力(kilopond)與8.5公斤力之間的硬度。
  5. 根據申請專利範圍第1項之進料，其進一步包含麩皮與不形成孢子之假單胞菌屬(Pseudomonas)的乾燥之培養 物。
  6. 根據申請專利範圍第5項之進料，其中，芽孢桿菌屬細菌為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)、蘇雲金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)、液化澱粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)或簡單芽孢桿菌(Bacillus simplex)中之一或多者。
  7. 根據申請專利範圍第5項之進料，其中，芽孢桿菌屬細菌沒有載體(carrier)。
  8. 根據申請專利範圍第6項之進料，其中，芽孢桿菌屬細菌沒有載體。
  9. 根據申請專利範圍第1項之進料，其進一步包含麥芽糊精。
  10. 根據申請專利範圍第9項之進料，其中，該水解大豆蛋白包含粉末狀醬油。
  11. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，小片或小丸係包含2至7重量%之水解大豆蛋白及25至40重量%之蔗糖。
  12. 根據申請專利範圍第1項之進料，其進一步包含麩皮與不形成孢子之假單胞菌屬的乾燥之培養物，且其中，小片係包含以組合重量計0.1至10%之假單胞菌屬及芽孢桿菌屬。
  13. 根據申請專利範圍第12項之進料，其中，該小片或小丸係包含作為該水解大豆蛋白的粉末狀醬油及33重量%至35重量%之蔗糖。
  14. 根據申請專利範圍第13項之進料，其中，澱粉為玉米澱粉。
  15. 根據申請專利範圍第13項之進料，其進一步包含0.5重量%至1.5重量%之麥芽糊精。
  16. 根據申請專利範圍第15項之進料，其進一步包含10至15重量%之微晶纖維素。
  17. 根據申請專利範圍第16項之進料，其中，小片或小丸係包含少於2重量%之麩皮。
  18. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，在介於40 F與115 F之間的溫度下儲存至多30天時，小片係維持結構 穩定性且不與具相同進料的另一小片相黏。
  19. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，在介於0%與67%之間的相對濕度下儲存至多30天時，小片係維持結構穩定性且不與具相同進料的另一小片相黏。
  20. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，至少75%之蔗糖具有100的USS篩孔大小。
  21. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，該水解大豆蛋白及澱粉具有介於20與30之間的USS篩孔大小。
  22. 根據申請專利範圍第12項之進料，其中，至少75%之蔗糖具有100的USS篩孔大小，且其中，該水解大豆蛋白、澱粉及乾燥之麩皮培養物具有介於20與30之間的USS篩孔大小。
  23. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，該水解大豆蛋白為溜醬油(tamari soy)。
  24. 根據申請專利範圍第1項之進料，其中，該大豆蛋白以米麴菌(Aspergillus oryzae)水解。
  25. 根據申請專利範圍第9項之進料，其中，該大豆蛋白 以米麴菌水解。
  26. 根據申請專利範圍第9項之進料，其中，該水解大豆蛋白係溜醬油。
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