通过机械破碎来破坏小球藻壁的优化方法
【专利说明】通过机械破碎来破坏小球藻壁的优化方法
[0001] 本发明涉及一种用于以工业规模破坏小球藻（Chlorella)属微藻更具体地说普 通小球藻（Chlorellavulgaris)、根腐小球藻（Chlorellasorokiniana)或原壳小球藻 (Chlorellaprotothecoides)的细胞壁的优化方法。
【背景技术】
[0002] 本领域技术人员已知小球藻是食物的潜在来源，因为它们富含蛋白质和其他必需 营养素。
[0003] 具体地，它们含有45%的蛋白质、20%的脂肪、20%的碳水化合物、5%的纤维以及 10%的矿物质和维生素。
[0004] 为了在食物中有效地使用小球藻，常常使用"细胞破坏"，以便促进其可消化性和 其吸收率。
[0005] 通过使用各种技术的微藻的此"细胞破坏"大量描述于专利和非专利文献中：
[0006]-物理技术（超声、微珠、热冲击、高压等）
[0007]-化学技术（酸、碱、亲水性有机溶剂等）
[0008]-酶技术（纤维素酶、脂酶等）。
[0009] 这些技术例如描述于专利申请或专利KR2012/0064786、CN101756300、JPH 0568536、JPS4971187 或US5330913,或者科学文章（例如Sander&Murthy, 2009， ANASABEAnnualInternationalMeeting或Zheng等人，2011，AppliedBiochemistry, 164, 7, 1215-1224)中。
[0010] 然而，通常令人遗憾的是这些各种机械、化学或酶方法不能非常成功地外推到工 业规模。
[0011] 当需要处理微藻生物质时，困难实际上相当大，因为这些微藻生物质：
[0012] -具有高的细胞密度（>100g/l)，和/或
[0013]-细胞壁具有特别高的机械强度。
[0014] 绝大多数小球藻属微藻都是这种情况。
[0015] 加上与微藻的生理学相关的困难，细胞破坏方法的技术选择变得甚至更加有限， 存在以下类型的工业限制：
[0016]-高生产能力，
[0017]-可靠性，
[0018]-操作成本，
[0019]-投资成本等。
[0020] 最后，在工业规模上，本领域技术人员偏爱机械研磨技术而不喜欢化学和酶方法， 更特别地偏爱两个选择：
[0021] -使用微珠研磨，或者
[0022] -高压破裂技术。
[0023]即使如此，微生物的研磨需要大量的能量输入，因此对成本价格具有不小的影响。
[0024] 对于具有非常坚固的壁的小球藻类型的微藻尤其如此。
[0025] "珠磨机"（卧式珠磨机）技术构成能够满足这些各种问题的技术选择。
[0026] 然而，其对于以下两个因素的影响：
[0027]-资本支出，特别是就开发成本和非消耗类物资成本而言（首字母缩写为 "CAPEX"）和
[0028]-操作费用，特别是能量费用（首字母缩写为"0ΡΕΧ"），
[0029] 是显著的，并且需要优化以提高设施的性能水平。
[0030] 所有这些限制（技术和财政）均构成对开发工业规模的这种"珠磨机"技术的束 缚。
【发明内容】
[0031] 为了克服这些限制，申请人公司选择开展控制珠磨技术的工作，以设法优化能量 成本（0ΡΕΧ)以及实现其所需的投资能力（CAPEX)。
[0032] 为此，申请人公司选择实施研究以在实验室规模评估在实施这项珠磨技术中的关 键参数的影响，这些关键参数在工业规模决定0ΡΕΧ和CAPEX的优化。
[0033] 这些关键参数是：
[0034]。珠密度，
[0035]。珠的直径，
[0036] 〇研磨室的填充率，
[0037]。通过（passage)模式，
[0038] 〇研磨盘的圆周速度，
[0039]。细胞浓度。
[0040] 这项工作使得申请人公司提供以工业规模机械研磨小球藻属微藻细胞的方法，该 机械研磨在卧式珠磨机类型的系统中来实施，其特征在于：
[0041]-珠的表观密度在2kg/l和3. 5kg/l之间，并且
[0042] -研磨室的填充率大于或等于80%。
[0043] 优选地，小球藻属微藻选自由普通小球藻、根腐小球藻和原壳小球藻组成的组，并 且更特别地为原壳小球藻。
[0044] 优选地，根据本发明的方法包括：
[0045]-使用硅酸锆珠，和/或
[0046]-填充率大于或等于85 %。
[0047] 根据本发明的方法的第一实施例包括借助于一系列的接连多次通过而以连续模 式实施研磨。
[0048] 根据本发明的方法的第二实施例包括使用直径小于1mm，优选小于0. 8mm的珠。 [0049]而且，申请人公司已经发现，用于实施小球藻属微藻特别是原壳小球藻的机械研 磨的参数的特定组合可优化0ΡΕΧ而不利于CAPEX，反之亦然。
[0050] 因此，申请人公司提供根据本发明的方法的变体，从而允许本领域技术人员对比 其规格（在设备能量消耗或投资成本方面的增益）选择其配置。
[0051] 因此，为了优化0ΡΕΧ，申请人公司已经发现，第一变体可以是将待研磨的微藻的密 度调节到例如小于250g/l的水平。
[0052] 第二变体可以是选择例如小于10m/s的研磨盘的中等圆周速度。
[0053] 这两种变体不是相互排斥的。该方法可以表现出这两种变体或两种中的一种。
[0054] 为了优化CAPEX，申请人公司已经发现，相反地，需要将待研磨的微藻的细胞密度 增加到例如大于250g/l的水平。
[0055] 第二变体可以是选择例如大于10m/s的研磨盘的提高的圆周速度。
[0056] 再次，在这里，这两种变体不是相互排斥的。该方法可以表现出这两种变体或两种 中的一种。
【具体实施方式】
[0057] 申请人公司已经发现，使用卧式珠磨机破坏小球藻属微藻的壁的机械研磨技术的 管理利用使得有可能实现所需的研磨程度同时优化能量成本（0PEX)和投资成本（CAPEX)。
[0058] 因此，设施的整体性能水平的提高是基于可优化0PEX和CAPEX或找到最佳折衷的 精确参数的选择。
[0059] 因此，根据本发明的用于以工业规模机械研磨小球藻属微藻细胞的方法（该机械 研磨在卧式珠磨机类型的系统中来实施）的特征在于：
[0060]-珠的表观密度在2kg/l和3. 5kg/l之间，并且
[0061] -研磨室的填充率大于或等于80%。
[0062] 珠的表观密度
[0063] 如下文中所示例说明，硅酸锆珠通过限制实现目标研磨程度所需的比能量而对于 该应用表现出最佳性能水平。因此，表观密度在2kg/l和3. 5kg/l之间，优选地在2kg/l和 3. 2kg/l之间。
[0064] 填充率
[0065] 填充率定义为研磨室的空容积减去由搅拌系统所占据的容积（通常由供应商确 定）。
[0066] 较低填充率下的比能量略高于高填充率下的比能量。此外，其中的生产力也提高。
[0067] 因此，根据本发明的方法优选包括：
[0068]-使用硅酸锆珠，和/或
[0069]-填充率大于或等于85%。
[0070] 优选地，该方法使用硅酸锆珠和大于85 %的填充率。
[0071] 填充率可在80%和95%之间，特别是在85%和90%之间。
[0072] 根据本发明的方法的第一实施例包括借助于一系列的接连通过而以连续模式实 施研磨。
[0073] 常规上根据几种操作方案来实施珠磨操作：再循环、单次通过、多次通过等。
[0074] 在一种工业配置中，连续系统是优选的并且涉及单次通过或多次通过操作模式。
[0075] 如下文中所示例说明，增加通过次数可提高性能水平，因为在相等的停留时间下 在比能量没有显著增加的情况下获得更高程度的研磨。
[0076] 在根据本发明的方法中，对于工业规模的该方法的优化，多次通过模式（连续几 次研磨）将是优选的。具体地，该方法可包括2次通过、3次通过、4次通过、5次通过或更多 次通过。
[0077] 根据本发明的方法的第二实施例包括使用直径小于1mm，优选小于0. 8mm的珠。在 一个特定实施例中，珠的直径在〇. 3mm和0. 8mm之间。
[0078] 在具有在0. 3mm至1. 7mm范围内的直径的相同的硅酸锆范围（相同密度的珠）研 究研磨珠的直径的影响。
[0079] 如下文中所示例说明，小直径的珠能够实现更好的能量性能水平以及更好的生产 力。
[0080] 为了使本领域技术人员能够对比其规格（看有利于0ΡΕΧ或CAPEX)选择其配置， 申请人公司提供根据本发明的方法的变体。
[0081] 申请人公司已经发现，这些选择可以通过调整以下因素提供：
[0082]-待研磨的小球藻属微藻的细胞密度，
[0083]-研磨盘的圆周速度。
[0084] 细胞密度
[0085] 生物质的细胞浓度对研磨性能水平的影响通过选择以几种浓度（20%、25. 2%和 32. 9% )制备的来自同一生产批次的生物质进行评估。
[0086] 在相同条件下实施研磨，并针对由此产生的样品的固体含量，将结果进行比较。
[0087] 结果从两个不同的角度进行解释：
[0088]-通过分析细胞浓度对获得限定研磨程度所需的比研磨能量的影响，
[0089]-通过对比目标研磨程度从生产力的角度分析生物质的引入流速（相对于干生物 质）。
[0090] 研磨盘的圆周速度
[0091] 研磨的优化也需要确定研磨盘的最佳圆周速度。
[0092] 结果也从两个不同的角度进行解释：
[0093]-通过分析比研磨能量随圆周速度的变化，
[0094]-通过从生产力的角度根据圆周速度分析实现目标研磨程度所需的流速。
[0095] 此外，也应考虑研磨盘和研磨室的磨蚀问题以及珠磨损问题，因为它们可能对该 方法具有不小的经济影响。
[0096] 因此，申请人公司建议将圆周速度限制到小于15m/s(或甚至13m/s)的值，以避免 过度磨蚀。
[0097] 因此，在研磨小球藻特别是原壳小球藻类型的小球藻的情况下，为了优化0ΡΕΧ，申 请人公司已经发现，第一变体可以是：
[0098] -将待研磨的微藻的密度调节到小于250g/l的水平和/或
[0099]-选择小于10m/s的研磨盘的圆周速度。