JP2018521639A - 発酵ブロスに大量の気体を供給するための装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
1または複数の実施形態によると、発酵は、たとえばグルコース、フルクトース、およびスクロースといった糖などの分子が、たとえばアルコールなど他の分子、およびたとえば二酸化炭素および熱形式のエネルギといった代謝産物に転換される生物学的プロセスである。たとえばグルコースおよび/またはキシロースは、たとえばラクトバチルスなど1または複数の細菌を用いて乳酸に発酵することができ、あるいはグルコースおよび窒素源は、たとえばタンパク質または酵素などのペプチドまたはポリペプチドを生成するために共発酵され得る。図2に示すように、たとえば、容器内に糖水溶液が注入され、発酵中、炭水化物基質として機能する糖水溶液に、好気条件下で微生物を接種する。微生物の最適な発生には、糖水溶液中の酸素溶液が、代謝プロセスによって消費される酸素との置換に十分な割合であることが必要である。微生物の発生割合、およびそれに伴う嫌気容器の生成能力は、溶液内の酸素の割合によって大幅に限定される。図2に示すように、好気発酵の場合、酸素は、後述するようにたとえばスパージ管などの散気装置によって生成され得る微細気泡として糖水溶液内に注入され得る。嫌気発酵の場合、注入される気体は、たとえば二酸化炭素、窒素、アルゴン、またはメタンであってよい。糖水溶液内に、インペラによる溶液の混合が生じてもよい。利用されるインペラ(または混合システムにおけるインペラのうちの少なくとも1つ)は多くの場合、空気または他の気体を溶液内に「叩き込む」ために適しており、これは、気体は概して低い液中溶解度、たとえば水中の空気の場合は約8mg/L、を有するためである。そのようなインペラは多くの場合、半径流インペラと呼ばれ、その例は、ラシュトンインペラまたはラシュトン型インペラを含む。酸素溶液の割合は主に、気泡表面積と、気泡と糖水溶液とが接触する回数との関数である。概して、酸素移動速度は、気泡の大きさを低減すること、たとえば半径流インペラを用いてシアを増加すること、たとえば化学反応器を高いLD比にするなど滞留時間を増加すること、または、ラシュトン型インペラを(頂部)ポンプダウンインペラと(底部)ポンプアップインペラとの間に挟むことによって改善され得る。たとえば、(好気発酵の場合)より高い酸素レベルまたは純酸素とともに空気を用いること、あるいは発酵の温度を下げ、発酵ブロス内の気体溶解性を高めることなどによって、他の技術も利用可能である。
図3を参照すると、本開示の1または複数の態様に係る、全体として300で示される発酵システムが図示される。後述するように、発酵システム300は、容器302、1または複数の送風器306を含む送風器スキッド304、送風器(複数も可)306によって生じる流入空気のための少なくとも1つの入口濾過装置310、少なくとも1つのスパージ管312、凝縮器314、および出口濾過アセンブリ316を含んでよい。
様々な態様によると、たとえば真菌、細菌、または酵母細胞発酵などの発酵は、図3に示すような容器302内で一部または全てが実行され得る。特定の実施形態において、糖水溶液および/または他の栄養分または発酵用添加剤は、容器の頂部、容器の底部、または本明細書で説明される発酵方法を実現するために適した中間部のどこかに位置し得る、本明細書において注入流入口とも称される容器の入口に注入され得る。本明細書で用いられる場合、「容器」という用語は、気体、液体、および固体成分、およびそれらの混合物を含む1または複数のプロセス成分を閉じ込めるために適した任意の構造を意味する。いくつかの実施形態によると、容器は、少なくとも1000ガロンの容積を有するサイズであってよい。たとえば容器は、1500ガロンの容積を有するサイズであってよい。他の例によると、容器は、2500ガロンの容積を有するサイズであってよい。他の実施形態によると、容器は、少なくとも10,000ガロンの容積を有するサイズであってよい。たとえば容器は、15,000ガロンの容積を有するサイズであってよい。いくつかの実施形態によると、容器は、少なくとも100,000ガロンの容積を有するサイズであってよい。
1または複数のスパージ管312または散布器もまた、容器302に沿った様々な位置に配置され得る。図3ではスパージ管312は容器302の外側にあるように示されるが、各スパージ管312は入口濾過装置310に連結して容器内に伸長し、微生物の成長増強を目的として発酵ブロス内に微細気泡を注入するために機能する。様々な実施形態によると、スパージ管は、特別に焼結された多孔質金属材料で構成され得る。焼結されたスパージ管材料は、高い等静圧が昇温状態での実行において粉末構成材料に印加される熱間等静圧加圧工程を実行することによって作られてよく、焼鈍工程は完成前に終了する。その結果、微細気泡を生成するのに適した多孔質材料が生じる。スパージ管に使用される適切な多孔質金属の非限定的な例は、ステンレス鋼、ステンレス鋼合金(たとえばAISI 316Lなど)、チタン、ニッケル、およびニッケル合金を含む。いくつかの実施形態によると、スパージ管は、多孔質金属部品、ねじ付き取付け具、および特定の例において補強用ロッドから構成される。スパージ管は、容器の側面にフランジで取り付けられ得る。スパージ部品は、円筒形または円形を含む多種多様な形状であってよい。特定の実施形態において、スパージ部品は円形状であり、槽全体に沿って配置される。特定の実施形態によると、スパージ管の孔径は、100ミクロン未満、たとえば90、80、70、60、50、40、30、20、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、または0.9ミクロン未満、たとえば0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、または0.25ミクロン未満である。特定の実施形態によると、たとえば圧力降下を最小限にするために、スパージ部品の多孔性は50パーセントより上、たとえば60、70、80、85、88、90、または95パーセントを上回る。図3に示すように、4つのスパージ管312は、容器302の周囲に沿って等距離の位置に配置され得る。スパージ管312はまた、容器302の下部および容器内に保持された発酵ブロスの底部に空気を注入するように配置され、それによって、容器302の頂部付近に空気入口を設けるのとは対照的に、より効率的な空気分配が可能である。理解されるように、スパージ管の数は、容器のサイズおよびプロセス要件に従って増減してよい。スパージ管は、1方向、複数方向、またはたとえば360度の配置において全方向に微小サイズの気泡を生成するように構成され得る。
1または複数の実施形態によると、発酵システムは、図3〜図6に示すような、たとえば酸素または空気などの気体を容器302内の発酵ブロスに供給する送風器スキッド304を含んでよい。送風器スキッド304は、少なくとも1つの送風器306および熱交換器308を含む。送風器スキッド304はまた、少なくとも1つの圧力計318および324、少なくとも1つの温度計320、および少なくとも1つの流量計322も含んでよい。
特定の実施形態によると、発酵システムは、図3、図8、および図9に示すような、本明細書において入口濾過装置とも称される少なくとも1つの濾過装置310を含む。送風器306および熱交換器308から出て発酵プロセスに導入されるたとえば空気または酸素などの気体は、酵素化学に干渉しないように最初に除菌される必要があり得る。図3に示す実施形態によると、送風器スキッドアセンブリ304から出た空気は、可撓性導管を用いて、たとえば図3に示す4つの個別の流路のような複数の流路に分割される。可撓性導管の各々は、大きな圧力降下が生じることを防ぐサイズであってよい。たとえば、可撓性導管は、少なくとも2インチの径を有するサイズであってよい。各流路には、図8および図9により明確に示されるように濾過装置310が備えられる。各濾過装置は、濾過膜を含んでよい。濾過膜の多孔性は、約50パーセント〜約95パーセント、たとえば約60パーセント〜約80パーセントであってよく、孔径は、約0.1ミクロン〜2ミクロン、たとえば0.2ミクロン〜1ミクロンであってよい。たとえば、送風器スキッドアセンブリ304からの加温空気は、空気粒子および細菌および0.2ミクロンに至るまでの多数のウイルスを除去する濾過器に通され得る。熱交換器308を含む送風器スキッド304より手前の入口側ではなく外側に入口濾過装置310を設けることによって、周囲に対して正圧下で空気が濾過器を通ることが確実になる。したがって濾過器前後のあらゆる漏洩は、空気の流れへの微粒子の侵入経路とはならない。膜は、ポリマを含む任意の1または複数の疎水性材料で構成され得る。適切な濾過器は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)Pall Emflon(登録商標)濾過器(ニューヨーク州ロングアイランド、イーストヒルズ所在のポール社製)を含む。
様々な実施形態によると、発酵システム300は、流体を再び槽内に凝縮させるように機能する凝縮器314も含んでよい。凝縮器314は、図3、図10A、および図10Bに示される。スパージングによって生じた容器302内の圧力によって、水は容器302外へ排出される。また、スパージング中に霧化された水粒子は、水が濾過器内で凝縮することを防ぐために、出口濾過アセンブリ316(後述)へ流入することを阻止または防止される必要がある。したがって、凝縮器314は容器の頂部に配置され、容器302の底部から頂部へ浮遊するスパージ気泡を凝縮するために用いられ得る。様々な態様によると、凝縮器314には、周囲を取り巻く空気によって冷却される複数の管が備えられてよく、それによってスパージ気泡を水として凝縮し、容器302内へ還流させる。特定の実施形態によると、凝縮器314から出た空気は、出口濾過アセンブリ316に流入する前に水分を全て取り払うために更に加熱される。
少なくとも1つの実施形態によると、発酵システム300は、本明細書において出口濾過アセンブリとも称される濾過アセンブリ316を含む。出口濾過アセンブリは、細菌および他の汚染物質が容器302内へ逆流することの防止を含むいくつかの機能を果たし得る。出口濾過アセンブリ316は、たとえば入口濾過装置310に関して上述したようないくつかの濾過器を含んでよい。特定の実施形態によると、出口濾過アセンブリ316は、加熱され得る導管を介して凝縮器314と流体連通してよい。たとえば、容器から漏れ出た水全てが受け止められ、凝縮器314によって容器内に再び凝縮されるわけではない。したがって、全ての残留液体を蒸発するために、導管内で余分な水分が加熱され得る。いくつかの実施形態によると、出口濾過アセンブリから出た空気は、大気中に発散し、特定の例において、外部環境に発散され得る。
図13A、図13B−1、図13B−2、図13C−1、および図13C−2を参照すると、容器の内部には、容器の内容物を機械的に混合し、酸素移動を最大化するように機能する混合システム326が備えられ得る。いくつかの実施形態によると、混合システム326は、1または複数のインペラを含んでよい。混合システム326は、容器302の中心に鉛直に配置され得る。混合システム326は、鉛直に配置されたインペラ羽根を含むモータ付き中心軸によって駆動され得る。たとえば、図13Aに示すように、第1のインペラは容器内部の上部に配置され、第2のインペラは容器の中心付近に配置され、第3のインペラは容器の下部に配置され得る。第1のインペラの上面図および側面図が図13B−1および図13B−2にそれぞれ示され、第3のインペラの上面図および側面図が図13C−1および図13C−2にそれぞれ示される。各インペラは、異なる機能を果たすように構成され得る。図13Aに示す構成において、第1の(頂部)インペラおよび第3の(底部)インペラは、これら2つのインペラ間の空間に空気を留めておくことによって容器内にスパージされた空気の滞留時間を増加させる。たとえば底部インペラは、頂部インペラの押力または下降力によって相殺される揚力または上昇力を生じるように構成される。第2の中間インペラは、上述したようなラシュトンタービンであってよく、周囲の発酵ブロスへの「叩き込み」あるいは気体溶解を促進する高い径方向せん断力を生じる。インペラの各々に関して用いられる速度は、容器のサイズおよび処理の種類に依存してよい。たとえば、2500ガロンの槽のためのインペラの速度は、100rpm未満、たとえば80、70、60、または50rpm未満であってよい。インペラ羽根は、たとえば鋼または合金を含む金属など、化学発酵プロセスに干渉しない材料から構成される。また混合システム326には様々な速度コントローラも備えられてよく、それによって1または複数のインペラの速度が発酵プロセス中に調整され得る。15hpモータのようなモータを用いて中心軸を駆動することができる。
図7を参照すると、図3に示す好気発酵システム300の略図が示される。運転中、糖水溶液は入口(図7には不図示)を通って発酵容器302内に注入される。いくつかの実施形態において、入口は、容器の上部に配置された1または複数のポート内に差し込まれてよく、特定の例において、ブロスは、容器内の流体線より上の任意のポートに注入され得る。いくつかの実施形態によると、発酵は、発酵の開始時に少なくとも5wt.%の初期グルコース濃度を有するグルコース溶液を用いて実行される。また、グルコース溶液は、発酵の開始後、希釈され得る。
様々な実施形態によると、発酵プロセスにおいて用いられる微生物は、自然発生的微生物および/または技術操作された微生物であってよい。たとえば微生物は、セルロース分解細菌などの細菌類、酵母などの真菌類、植物、原虫などの原生生物、または粘菌または藻類などの真菌状原生生物であってよい。微生物が適合性を有する場合、微生物の混合物が発酵のために用いられ得る。
本明細書で説明されるシステムおよび方法は以下の例を通して更に例証されるが、この例は本質として例示的であり、本開示の範囲を限定することが意図されない。
本明細書で説明される発酵プロセスおよびシステムでの使用に適した送風器システムの例は、Spencer Turbine社(コネチカット州ウィンザー)から入手可能なSpencer2500シリーズ、Power Mizer High Efficiency Multistage Centrifugal Cast Blower、型番CS21R96を2つ含む。送風器の各々は、11psigで650ICFMの速度であり、6インチのフランジ付き入口および5インチのフランジ付き出口を含む。各送風器は、50HP、460ボルト、3相、60Hz、3600rpmのTEFCモータによって動かされる。
Claims (13)
- たとえば水性液体の好気発酵のためのシステムなど、水性液体に気体を供給するためのシステムであって、
容器と、
前記容器の内部と流体連通している少なくとも1つのスパージ管と、
前記少なくとも1つのスパージ管に気体を供給するように構成された少なくとも1つの送風器と
を備えるシステム。 - 前記少なくとも1つのスパージ管は、多孔質金属から構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのスパージ管は、前記容器の下部に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記容器は、2:1のアスペクト比を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの送風器から前記少なくとも1つのスパージ管へ供給される空気を濾過するように構成された少なくとも1つの濾過器を更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記送風器の出口と流体連通している入口および前記少なくとも1つの濾過器と流体連通している出口を有する熱交換器を更に備える、請求項5に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの濾過器および前記熱交換器に連結された可撓性導管材を更に備える、請求項6に記載のシステム。
- 前記システムは、前記容器の周囲に沿って等距離の位置に配置された複数の濾過器を含む、請求項5に記載のシステム。
- 前記容器の内部と流体連通し、スパージ気泡を凝縮するように構成された少なくとも1つの凝縮器を更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記容器の内部に配置された混合システムを更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの送風器は、20psiの圧力で空気を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 発酵プロセスに気体を供給するためのシステムであって、
発酵ブロスと、
前記発酵ブロスと流体連通している少なくとも1つの気体送風器と
を備えるシステム。 - 前記少なくとも1つの気体送風器は、気体を生成するように構成された気体生成部と、前記発酵ブロスに前記気体を供給するように構成された気体供給部とを含む、請求項12に記載のシステム。
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