JP7502740B2 - Method and system for destroying the outer shell of microalgae by shear processing - Google Patents
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Description
本発明は、剪断処理による微細藻類の外被破壊法及び外被破壊システムに関する。更に詳しくは、強固な外被(細胞壁、細胞膜、シスト膜などの藻体外被)を有する微細藻類の細胞内有用物質を短時間で効率良く且つその品質を劣化させることなく、細胞内から処理液中に漏出させることが可能な剪断処理による微細藻類の外被破壊法及び外被破壊システムに関するものである。 The present invention relates to a method and system for destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment. More specifically, the present invention relates to a method and system for destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment that can efficiently release intracellular useful substances of microalgae having strong outer coats (algal coats such as cell walls, cell membranes, and cyst membranes) in a short time and without deteriorating their quality from within the cells into a treatment liquid.
微細藻類の中には、藻体内にアスタキサンチンを産するヘマトコッカスやEPAを産するナンノクロロプシスのように有用な藻類があり、これらの藻類については培養藻体から内容物の抽出が行われている。微細藻類は一種の単細胞植物であり、細胞壁を有しているため(ユーグレナ属など一部の種類を除く)、当然ながら内容物を取り出すためには細胞壁や細胞膜などの外被を破壊しなければならない。そのために現行の多くのプロセス(乾式破砕工程)では、藻体を噴霧乾燥やドラム乾燥、通風乾燥などの方法で乾燥後、アトマイザーやディスクミル、ボールミルなどを用いて機械的に粉砕を行った後に溶媒等により抽出しているのが実状である。 Among microalgae, there are useful algae such as Haematococcus, which produces astaxanthin in the algae body, and Nannochloropsis , which produces EPA, and the contents of these algae are extracted from the cultured algae body. Since microalgae are a type of unicellular plant and have cell walls (except for some species such as Euglena), it is natural that the cell walls and cell membranes must be destroyed in order to extract the contents. For this reason, in many current processes (dry crushing processes), the algae body is dried by methods such as spray drying, drum drying, and ventilation drying, and then mechanically crushed using an atomizer, disk mill, ball mill, etc., and then extracted with a solvent, etc.
しかしながら上記のような工程を行うにあたり、以下のような問題点と効率向上のために改良すべき点がある。
(1)加熱乾燥時には、藻体は高温の空気(酸素)に触れることになり、例えばヘマトコッカスが産するアスタキサンチンのような強力な抗酸化物質は乾燥中に酸化され、純度や活性が低下してしまう。
(2)乾燥工程において、細胞壁に覆われた藻体内の水分が藻体外に出て行くためには、栄養成分等の通路であるプラスモデスムのような微細な通路を通って出て行くしかなく、外被に覆われたままの藻体の乾燥は、乾燥速度的にも投入エネルギー的にも不利である。
(3)乾燥した藻体中のアスタキサンチンやEPA等の有用な内容物を抽出するにあたっては、溶媒が細胞内容物に接して溶解できるようにするために乾燥藻体の外被を何らかの粉砕方法で破砕する必要がある。しかしながら、微細藻類は細胞の大きさが数十ミクロンと非常に微小で、その細胞壁が靱性を有するセルロース等の多糖からなるため外被を破壊するのは非常に難しい。これは、積み重なった固体粒子に機械的に力を加えても破壊のための力が均一には伝わらず、破壊作用がおよぶ範囲が限定されることによるもので、脆性が小さな微細藻の細胞の破壊では特に困難を極める(例えば、すり鉢の中でゴマを粉砕する時に全体を高速かつ均一に粉砕するのは非常に難しい)。そのため、例えばヘマトコッカスのアスタキサンチン抽出の工程においては、十分な粉砕を如何に行うかが重要な課題となっているのが実状である。
However, when carrying out the above-mentioned process, there are problems and points that need to be improved in order to increase efficiency, as described below.
(1) During heating and drying, the algae cells come into contact with hot air (oxygen), and powerful antioxidants such as astaxanthin produced by Haematococcus are oxidized during drying, resulting in a decrease in their purity and activity.
(2) In the drying process, the only way for moisture to escape from the algae, which are covered by the cell wall, is through minute passages such as plasmodesmata, which are passages for nutrients, etc.; therefore, drying of algae that are still covered by the cell wall is disadvantageous in terms of both the drying speed and the energy input.
(3) In order to extract useful contents such as astaxanthin and EPA from dried algae, it is necessary to break the outer coat of the dried algae by some kind of crushing method so that the solvent can contact and dissolve the cell contents. However, microalgae cells are very small, measuring only a few tens of microns, and their cell walls are made of tough polysaccharides such as cellulose, making it very difficult to break the outer coat. This is because even if mechanical force is applied to piled-up solid particles, the force for breaking is not transmitted uniformly, and the range of the breaking action is limited, making it particularly difficult to break down the cells of microalgae, which are not very fragile (for example, it is very difficult to crush sesame seeds in a mortar at high speed and uniformly). Therefore, for example, in the process of extracting astaxanthin from Haematococcus, the actual situation is that how to perform sufficient crushing is an important issue.
ところで、微細藻類は上述のような有用物質の抽出原料としてのみで無く、食品素材や飼料、肥料原料としての利用や、産生するオイルの化粧品用油脂、燃料オイルとしての利用も強く期待されており、一部では実用化も進んでいる。これは微細藻類が普通の植物に比べて成長が早く、単位面積当たりの収穫量も大きく、二酸化炭素固定能が高く、年間を通して収穫が可能であり、培養槽が設置できれば農作物を生産できないような荒れ地でも栽培が可能であるなどの理由による。しかしながら、これらの場合においても藻体の外被は種々の効率を低下させる原因となっている。 Incidentally, microalgae are not only useful as a raw material for extracting useful substances as mentioned above, but are also expected to be used as food ingredients, feed, and fertilizer raw materials, and the oils they produce can be used as cosmetic fats and oil fuels, and some of these applications are already underway. This is because microalgae grow faster than ordinary plants, have a large yield per unit area, have a high carbon dioxide fixation capacity, can be harvested throughout the year, and can be cultivated even in wasteland where crops cannot be produced if culture tanks are installed. However, even in these cases, the outer covering of the algae body is a cause of various reduced efficiencies.
すなわち、(4)藻体を食品素材や飼料として利用する場合、難消化性の細胞壁に覆われた藻体内容物を栄養成分として利用しにくいため、外被を破壊した方が消化利用効率の向上が期待できる。飼料の場合は、特に反芻を行わない単胃動物において栄養効率の向上が期待できる。
(5)藻体を肥料化する場合、特に堆肥化においては外被が破壊されていた方が発酵速度が速くなることが期待される。
That is, (4) when using algae as food materials or feed, the digestive and utilization efficiency can be improved by destroying the cell wall, because the contents of the algae are difficult to utilize as nutrients due to their indigestible cell wall. In the case of feed, it is expected to improve the nutritional efficiency, especially in monogastric animals that do not ruminate.
(5) When using algae as fertilizer, especially in composting, it is expected that the fermentation rate will be faster if the outer shell is destroyed.
これらの理由から、微細藻類の外被を効率よく十分に破壊することができれば、乾燥や抽出、飼・肥料化のいずれの場合においても現状を上回る高効率・高収率のプロセスの構築が可能となる。For these reasons, if the outer covering of microalgae could be destroyed efficiently and sufficiently, it would be possible to develop more efficient, higher-yield processes than currently available in the areas of drying, extraction, feeding, and fertilizer production.
また、アスタキサンチン等の細胞内有用物質を抽出する工程として、アスタキサンチンを含有する天然物を有機溶媒中に懸濁させ、破砕機で破砕しながら有機溶媒中で抽出したのち、固形物を除去し、更に有機溶媒を除去することにより、アスタキサンチンを抽出する工程(湿式破砕工程)も知られている(例えば、特許文献1を参照。)。In addition, a process for extracting intracellular useful substances such as astaxanthin (wet crushing process) is also known in which a natural product containing astaxanthin is suspended in an organic solvent, extracted in the organic solvent while being crushed in a crusher, solids are removed, and the organic solvent is further removed to extract astaxanthin (see, for example, Patent Document 1).
また、細胞壁を破壊する方法として、藻体の緩慢凍結により、細胞内液の氷結晶の成長を促し、細胞内部から外被を破壊する凍結破砕法が知られている。しかしながら、本願発明者がシスト化したヘマトコッカスを、1.0、1.5、2.0℃/minの降温速度で冷却する実験を行い、得られた処理細胞を顕微鏡で観察したところ、外被の破壊率はせいぜい50%あるいはそれ以下にとどまった。これは、細胞内液の相変化による体積上昇が外被の弾性限界内であったことを示唆している。 A known method for destroying cell walls is the freeze-fracture method, in which slow freezing of the algae promotes the growth of ice crystals in the intracellular fluid, destroying the cell envelope from within. However, when the inventors of the present application conducted experiments in which encysted Haematococcus were cooled at cooling rates of 1.0, 1.5, and 2.0°C/min and the resulting treated cells were observed under a microscope, the destruction rate of the envelope was at most 50% or less. This suggests that the increase in volume due to the phase change of the intracellular fluid was within the elastic limit of the envelope.
上記乾式破砕工程の場合、加熱時に多大な熱エネルギーが消費される上に、酸化によって目的物質であるアスタキサンチンの品質・収率が低下するという問題がある。また、数十ミクロンといった微小固体において破砕時の機械的エネルギーは破砕対象物の一部しか伝わらず、均等かつ十分な破砕に至らないという問題もある。 In the case of the above-mentioned dry crushing process, there is a problem that a large amount of thermal energy is consumed during heating, and the quality and yield of the target substance, astaxanthin, decreases due to oxidation. In addition, there is also the problem that the mechanical energy during crushing of tiny solids of several tens of microns is only transmitted to a part of the object to be crushed, and uniform and sufficient crushing is not achieved.
他方、上記湿式破砕工程の場合、破砕機はビーズミルを使用することが好ましいとされている。また、滞留時間としては1~30分、好ましくは2~15分であり、周速は2~30m/s、好ましくは8~12m/sであり、用いられるビーズ径は、0.2~5mm、好ましくは0.5~2mmである、という旨の記載がある(例えば、特許文献1[0026]を参照。)On the other hand, in the case of the above-mentioned wet crushing process, it is preferable to use a bead mill as the crusher. It is also described that the residence time is 1 to 30 minutes, preferably 2 to 15 minutes, the peripheral speed is 2 to 30 m/s, preferably 8 to 12 m/s, and the bead diameter used is 0.2 to 5 mm, preferably 0.5 to 2 mm (see, for example, Patent Document 1 [0026]).
しかしながら、ビーズミルはビーズ間の衝突や剪断等のいわゆる点接触によって、対象物を破砕するものであり、上記乾式破砕工程と同様に、機械的エネルギーは破砕対象物の一部しか伝わらず、ヘマトコッカスの破砕に対してあまり効果がないものと考えられる。However, bead mills crush objects by so-called point contact, such as collisions and shearing between beads, and as with the dry crushing process described above, mechanical energy is transmitted to only a portion of the object to be crushed, and it is thought that this is not very effective in crushing Haematococcus.
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、乾燥や抽出、生体内での消化や堆肥化時の障壁となっている微細藻類の外被を高効率で破壊し、細胞内有用物質を短時間で効率良く且つその品質を劣化させることなく、細胞内から処理液中に漏出させることが可能な剪断処理による微細藻類の外被破壊法及び外被破壊システムを提供することにある。Therefore, the present invention has been made in consideration of the problems of the above-mentioned conventional technology, and its purpose is to provide a method and system for destroying the outer coat of microalgae using a shearing process that can highly efficiently destroy the outer coat of microalgae, which acts as a barrier during drying, extraction, digestion in the body, and composting, and can cause useful substances within the cells to leak into the treatment liquid from within the cells efficiently in a short period of time and without deteriorating their quality.
上記目的を達成するための本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法は、有用物質を産出又は含有する細胞を含む処理液をポンプ(2)によって圧送しながら、対向して配置された移動不能な第1面(41b)と移動可能な第2面(42a)とによって形成される面隙間(47)を通過させ、且つ前記処理液の流れの方向を変化させながら前記面隙間(47)を通過させ、前記処理液の流れと前記第1面(41b)又は第2面(42a)との間に生じる剪断力により前記細胞の外被を前記処理液中で破壊することを特徴とする。The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to the present invention for achieving the above-mentioned object is characterized in that a treatment liquid containing cells that produce or contain useful substances is pressure-fed by a pump (2) while passing through a surface gap (47) formed by an immovable first surface (41b) and a movable second surface (42a) arranged opposite each other, and the treatment liquid is passed through the surface gap (47) while changing the flow direction of the treatment liquid, and the outer coat of the cells is destroyed in the treatment liquid by the shear force generated between the flow of the treatment liquid and the first surface (41b) or the second surface (42a).
上記構成では、ポンプ(2)によって圧送された処理液は、第1面(41b)と第2面(42a)との間に形成される狭い面隙間(47)を通過することによって、処理液の流れと狭い流路面(41b、42a)との間に生じる強い剪断力が、続けて処理液中の藻類藻体に作用することになる。同時に、処理液の流れの方向が変化する部分においては圧縮(増圧)と膨張(減圧)による処理液の圧力変動が発生する。その結果、処理液中の藻類藻体は上記剪断作用に加え圧力変動による負荷を受けることになる。
このように、本発明に係る微細藻類の外被破壊法は、処理液の流れと狭い流路面(41b、42a)との間に生じる強い剪断力によって、処理液中の藻類藻体の外被を破壊し、細胞内から処理液中に細胞内有用物質を漏出させることになる。
In the above configuration, the treatment liquid pumped by the pump (2) passes through the narrow surface gap (47) formed between the first surface (41b) and the second surface (42a), and the strong shear force generated between the flow of the treatment liquid and the narrow flow path surface (41b, 42a) is then applied to the algae bodies in the treatment liquid. At the same time, in the portion where the flow direction of the treatment liquid changes, pressure fluctuations occur in the treatment liquid due to compression (pressure increase) and expansion (pressure decrease). As a result, the algae bodies in the treatment liquid are subjected to the load due to the pressure fluctuations in addition to the shear action.
In this way, the method for destroying the outer coat of microalgae according to the present invention destroys the outer coat of the algae bodies in the treatment liquid by using the strong shear force generated between the flow of the treatment liquid and the narrow flow path surface (41b, 42a), thereby causing intracellular useful substances to leak from within the cells into the treatment liquid.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第2の特徴は、前記処理液が前記面隙間(47)を通過する前に、前記処理液を流路が絞られた狭路(41c)を通過させることである。The second feature of the method for destroying the outer covering of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the treatment liquid is passed through a narrow passage (41c) with a narrowed flow path before passing through the surface gap (47).
上記構成では、処理液が狭路(41c)を通過することによって、処理液の流れと狭い流路面(41c)との間に生じる強い剪断力が、処理液中の藻類藻体に作用することになる。さらに、処理液の流れが狭路(41c)によって絞られるため、処理液は増速されて第2面(42a)に衝突する。この剪断力と衝突により、面隙間(47)を通過させる前に処理液中の藻類藻体の外被を弱まらせることができる。In the above configuration, as the treatment liquid passes through the narrow passage (41c), a strong shear force generated between the flow of the treatment liquid and the narrow flow path surface (41c) acts on the algae bodies in the treatment liquid. Furthermore, as the flow of the treatment liquid is constricted by the narrow passage (41c), the treatment liquid is accelerated and collides with the second surface (42a). This shear force and collision can weaken the outer covering of the algae bodies in the treatment liquid before it passes through the surface gap (47).
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第3の特徴は、前記処理液が前記面隙間(47)を通過する際、前記面隙間(47)の閉じる方向に前記第2面(42a)を所定の圧力条件で加圧することである。The third feature of the method for destroying the outer covering of microalgae by shear treatment according to the present invention is that when the treatment liquid passes through the surface gap (47), the second surface (42a) is pressurized under predetermined pressure conditions in the direction of closing the surface gap (47).
上記構成では、処理液は第2面(42a)を押し退けて(押し上げて)自身が流れる隙間を形成しながら、第1面(41b)と第2面(42a)との間の面隙間(47)を通過して行くことになる。これにより、面隙間(47)が固定されている場合に比べより強い剪断作用を処理液中の藻類藻体は受けることになる。In the above configuration, the treatment liquid passes through the surface gap (47) between the first surface (41b) and the second surface (42a) while pushing aside (pushing up) the second surface (42a) and forming a gap through which it can flow. This causes the algae bodies in the treatment liquid to be subjected to a stronger shearing action than when the surface gap (47) is fixed.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第4の特徴は、前記処理液は前記狭路(41c)及び前記面隙間(47)を通過させることである。The fourth feature of the method for destroying the outer covering of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the treatment liquid is passed through the narrow passage (41c) and the surface gap (47).
上記構成では、処理液中の藻類藻体は”処理液の流れと狭い流路面との間に生じる強い剪断力”と”圧力変動による負荷”を受けることになる。 In the above configuration, the algae cells in the treatment liquid are subjected to "strong shear forces generated between the flow of the treatment liquid and the narrow flow path surface" and "loads due to pressure fluctuations."
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第5の特徴は、前記処理液を往復式の前記ポンプ(2)によって圧送することである。The fifth feature of the method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the treatment liquid is pumped by the reciprocating pump (2).
上記構成では、往復式のポンプの吐出圧力によって、処理液を狭路(41c)及び狭い面隙間(47)を通過させるために必要な流体エネルギー(ヘッド)を処理液に付与することができる。In the above configuration, the discharge pressure of the reciprocating pump can impart to the treatment liquid the fluid energy (head) required to pass the treatment liquid through the narrow passage (41c) and the narrow surface gap (47).
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第6の特徴は、前記面隙間(47)を通過させた前記処理液を凍結乾燥させることである。The sixth feature of the method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the treatment liquid that has passed through the surface gap (47) is freeze-dried.
上記構成では、剪断処理によって藻体内部から処理液中に溶出した細胞内有用物質に対する酸化よる劣化を最小限に抑えながら、処理液から水分を除去することが可能となる。 With the above configuration, it is possible to remove water from the treatment liquid while minimizing the deterioration due to oxidation of intracellular useful substances that have been dissolved into the treatment liquid from inside the algae cells by the shearing process.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法の第7の特徴は、凍結させた前記処理液を大気圧より減圧した環境下に置いて乾燥させることである。The seventh feature of the method for destroying the outer shell of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the frozen treatment liquid is placed in an environment reduced in pressure below atmospheric pressure and dried.
上記構成では、細胞内有用物質と酸素との接触を最小限に抑えながら処理液から水分を蒸発させることが可能となる。 The above configuration makes it possible to evaporate water from the treatment solution while minimizing contact between intracellular useful substances and oxygen.
上記目的を達成するための本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムは、有用物質を産出又は含有する細胞を含む処理液を貯蔵するタンク(1)と、処理液を圧送するポンプ(2)と、前記細胞の外被を破砕する剪断処理部(4)とを備えた微細藻類の外被破壊システムであって、前記剪断処理部(4)は、圧送した処理液を移送する第1流路(41a)と、該第1流路(41a)に交差し移動不能な第1面(41b)と、該第1面(41b)に対向して配置され移動可能な第2面(42a)と、該第2面(42a)を収容する第2流路(43a)とを備え、前記第1面(41b)の表面には第1の溝(41d)が形成され、且つ前記第2面(42a)の表面には前記第1の溝(41d)に嵌合可能な第2の溝(42d)が形成されると共に、前記処理液は前記第1面(41b)と前記第2面(42a)との間に形成される面隙間(47)を通過することを特徴とする。The system for destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment according to the present invention for achieving the above-mentioned object is a system for destroying the outer coat of microalgae comprising a tank (1) for storing a treatment liquid containing cells that produce or contain useful substances, a pump (2) for pumping the treatment liquid, and a shearing treatment section (4) for crushing the outer coat of the cells, the shearing treatment section (4) comprising a first flow path (41a) for transporting the pressure-fed treatment liquid, a first surface (41b) that intersects with the first flow path (41a) and is immovable, and a second surface (41b) that intersects with the first flow path (41a) and is immovable. The device is provided with a movable second surface (42a) arranged opposite to the first surface (41b), and a second flow path (43a) accommodating the second surface (42a), wherein a first groove (41d) is formed on the surface of the first surface (41b), and a second groove (42d) capable of fitting into the first groove (41d) is formed on the surface of the second surface (42a), and the treatment liquid passes through a surface gap (47) formed between the first surface (41b) and the second surface (42a).
上記構成では、上記第1の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the first characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第2の特徴は、前記第1流路(41a)には流路が絞られた狭路(41c)が形成されることである。The second feature of the system for destroying the outer covering of microalgae by shear processing according to the present invention is that a narrow passage (41c) is formed in the first flow path (41a) by narrowing the flow path.
上記構成では、上記第2の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer shell of microalgae by shearing treatment having the second characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第3の特徴は、前記第2面(42a)を前記第1面(41b)に押し付ける方向に所定の圧力条件で加圧するアクチュエータ部(46)を備えることである。A third feature of the system for destroying the outer covering of microalgae by shear processing according to the present invention is that it is provided with an actuator unit (46) that applies pressure under predetermined pressure conditions in a direction pressing the second surface (42a) against the first surface (41b).
上記構成では、上記第3の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the third characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第4の特徴は、前記剪断処理部(4)と前記タンク(1)を連結する戻り配管(6)を備えることである。The fourth feature of the microalgae outer covering destruction system by shear treatment according to the present invention is that it is provided with a return pipe (6) connecting the shear treatment section (4) and the tank (1).
上記構成では、上記第4の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the fourth characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第5の特徴は、前記ポンプ(2)はシリンダ(33)と、シリンダ(33)内を往復するピストン(21)と、前記シリンダ(33)と前記ピストン(21)によって形成されるヘッドスペース(32)と、前記ヘッドスペース(32)に処理液を充填するための吸込弁(23)と、前記ヘッドスペース(32)から処理液を送り出すための吐出弁(27)とを備えた往復式ポンプであることである。The fifth feature of the system for destroying the outer shell of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the pump (2) is a reciprocating pump equipped with a cylinder (33), a piston (21) reciprocating within the cylinder (33), a headspace (32) formed by the cylinder (33) and the piston (21), a suction valve (23) for filling the headspace (32) with a treatment liquid, and a discharge valve (27) for pumping the treatment liquid out of the headspace (32).
上記構成では、上記第5の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the fifth characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第6の特徴は、前記面隙間(47)を通過させた前記処理液を凍結させる低温槽(10)と、凍結させた前記処理液を乾燥させる凍結乾燥機(11)とを備えることである。The sixth feature of the system for destroying the outer shell of microalgae by shear treatment according to the present invention is that it is equipped with a low-temperature tank (10) for freezing the treatment liquid that has passed through the surface gap (47), and a freeze dryer (11) for drying the frozen treatment liquid.
上記構成では、上記第6の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the sixth characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊システムの第7の特徴は、前記凍結乾燥機(11)は凍結させた前記処理液を大気圧より減圧した環境下で乾燥させることである。The seventh feature of the system for destroying the outer shell of microalgae by shear treatment according to the present invention is that the freeze-dryer (11) dries the frozen treatment liquid in an environment reduced in pressure below atmospheric pressure.
上記構成では、上記第7の特徴を有する剪断処理による微細藻類の外被破壊法を好適に実施することが可能となる。 With the above configuration, it becomes possible to effectively carry out the method of destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment having the seventh characteristic described above.
本発明に係る剪断処理による微細藻類の外被破壊法及び外被破壊システムによれば、強固な外被(細胞壁や細胞膜、シスト膜など)を有する細胞から有用物質を短時間で効率良く且つその品質を劣化させることなく、細胞内から処理液中に漏出させることが可能となる。The method and system for destroying the outer coat of microalgae using shear treatment according to the present invention makes it possible to efficiently extract useful substances from cells having a strong outer coat (cell wall, cell membrane, cyst membrane, etc.) in a short period of time and without deteriorating their quality, and to cause them to leak from within the cells into the treatment solution.
また、上記微細藻類の外被破壊により、藻体内容物(有用物質)は細胞内から処理液中に漏出しているため、藻体内容物(有用物質)の分離精製が容易となる。更に、剪断処理した懸濁液を、漏出した内容物と粉砕された外被を分離することなく乾燥等を行い食品素材とした場合、剪断破壊せずに乾燥した場合よりも有用成分が生体内で効率よく吸収され利用できる。同様に、剪断処理した懸濁液を、漏出した内容物と粉砕された外被を分離することなく堆肥等へ肥料化する場合、発酵効率を向上させることが可能となる。 In addition, by destroying the microalgae's outer coat, the algae contents (useful substances) leak from within the cells into the treatment liquid, making it easier to separate and purify the algae contents (useful substances). Furthermore, if the sheared suspension is dried or otherwise processed into a food material without separating the leaked contents from the crushed outer coat, the useful components can be absorbed and utilized more efficiently in the body than if it was dried without shear destruction. Similarly, if the sheared suspension is converted into compost or other fertilizer without separating the leaked contents from the crushed outer coat, it is possible to improve fermentation efficiency.
また、処理済み液から水分の移動障壁となっている微細藻類藻体の外被を分離・除去することにより、抽出した藻体内容物(有用物質)についての乾燥時間(乾燥速度)が短縮化(高速化)して、これにより藻体内容物(有用物質)についての乾燥エネルギーを低減化することが可能となる。 In addition, by separating and removing the outer covering of the microalgae cells, which acts as a barrier to moisture movement, from the treated liquid, the drying time (drying rate) of the extracted algae cell contents (useful substances) is shortened (speeded up), thereby making it possible to reduce the energy required to dry the algae cell contents (useful substances).
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Below, an embodiment of the present invention is described in detail with reference to the attached drawings.
図1は、本発明の第1実施形態に係る湿式剪断処理システム100を示す説明図である。 Figure 1 is an explanatory diagram showing a wet shear processing system 100 relating to the first embodiment of the present invention.
この湿式剪断処理システム100は、アスタキサンチンやEPA等の有用物質を含む藻体の細胞の外被(細胞壁や細胞膜、シスト膜など)を液中で破壊する剪断処理を施して、その細胞内に含まれる有用物質を液中に漏出させるための剪断処理による微細藻類の外被破壊システムである。なお、有用物質が漏出した液体は、公知の分離方法(例えば遠心分離や膜濾過)によって有用物質とそれ以外の物質に分離され、その有用物質のみが抽出されることになる。なお、以降において藻体を含む液体については、この湿式剪断処理システム100による剪断処理を受けていないものを「未処理液」と、剪断処理を受けたものを「処理済み液」としそれぞれ区別することにする。また、特に区別する必要がない場合は、単に「処理液」ということにする。This wet shear processing system 100 is a system for destroying the outer coat of microalgae by shear processing, which performs a shear processing to destroy the outer coat (cell wall, cell membrane, cyst membrane, etc.) of the cells of algae bodies containing useful substances such as astaxanthin and EPA in a liquid, thereby leaking the useful substances contained in the cells into the liquid. The liquid from which the useful substances have leaked is separated into the useful substances and other substances by known separation methods (e.g., centrifugation or membrane filtration), and only the useful substances are extracted. In the following, liquids containing algae bodies will be distinguished as "untreated liquid" if they have not been subjected to shear processing by this wet shear processing system 100, and "treated liquid" if they have been subjected to shear processing. In addition, when there is no particular need to distinguish, they will simply be called "treated liquid".
この湿式剪断処理システム100の構成としては、未処理液または処理済み液を貯蔵するリザーブタンク1と、未処理液または処理済み液を圧送するポンプ2と、ポンプ2によって圧送された未処理液または処理済み液に対し剪断処理を行う剪断処理部4と、リザーブタンク1とポンプ2を連結する吸込配管3と、ポンプ2と剪断処理部4を連結する吐出配管5と、剪断処理部4とリザーブタンク1を連結する戻り配管6とを具備して構成される。なお、ポンプ2については処理液を高い吐出圧力で送り出すことが出来るものであればよく、処理液の送り出し方式は特に問わない。本実施形態では、ポンプ2は往復式ポンプを採用している。以下、各構成について更に説明する。This wet shear processing system 100 is configured to include a
図2は、本発明に使用されるポンプ2を示す要部断面説明図である。なお、説明の都合上、吸込弁23及び吐出弁27は閉じた状態として図示されている。ポンプ2は、ピストン21がシリンダ33内を往復運動することにより、吸込弁23を介して未処理液を吸い込み、ヘッドスペース32で未処理液を圧縮し、圧縮した未処理液を吐出弁27から後段の剪断処理部4に圧送する往復式ポンプである。
Figure 2 is a cross-sectional view of the
そのための構成としては、処理液を圧縮するピストン21と、ピストン21を図上右側に付勢する第1スプリング22と、イン側連結部26からヘッドスペース32への処理液の流れのみを通過させる吸込弁23と、吸込弁23を受ける第1弁座24と、吸込弁23の移動をガイドする第1スリーブ25と、リザーブタンク1から処理液を取り込むイン側連結部26と、ヘッドスペース32からアウト側連結部31への処理液の流れのみを通過させる吐出弁27と、吐出弁27を受ける第2弁座28と、吐出弁27を閉じる側に付勢する第2スプリング29と、吐出弁27の移動をガイドする第2スリーブ30と、剪断処理部4と連通するアウト側連結部31と、ピストン21が処理液を圧縮するためのヘッドスペース32と、ピストン21が往復運動するためのシリンダ33と、回転エネルギーを並進エネルギーに変換するコンロッド34及びクランクシャフト35と、を具備して上記ポンプ2は構成されている。なお、説明の都合上、ポンプ2は単一のピストン21によって構成されているが、上記構成を複数個直列または並列に組み合わせることによりポンプ2を構成しても良い。To achieve this, the
ピストン21にはヘッドスペース32内の液密を保持するピストンリング21aが設けられている。また、ピストン21はコンロッド34に連結され、そのコンロッド34はクランクシャフト35に連結されている。そのクランクシャフト35は電動機(図示)に同軸に連結されている。また、その電動機はインバータ(図示せず)によって回転数を制御されるように構成されている。従って、ピストン21の単位時間当たりの振動数(周波数)は、そのインバータによって変えられるように構成されている。以下、ポンプ2の動作について説明する。The
図3は、ポンプ2の吸い込み工程を示す説明図である。ピストン21が図上右側に移動するとき、ヘッドスペース32がピストン21によって負圧になる。その結果、”イン側連結部26の圧力”>”ヘッドスペース32の圧力”となる。その結果、吸込弁23が開き、処理液がイン側連結部26からヘッドスペース32に充填されるようになる。一方、”ヘッドスペース32の圧力”<”アウト側連結部31の圧力+第2スプリング29の弾性力”となるため、吐出弁27は閉じたままである。
Figure 3 is an explanatory diagram showing the suction process of
図4は、ポンプ2の吐出工程を示す説明図である。ピストン21が図上左側に移動するとき、ヘッドスペース32に充填された処理液はピストン21によって圧縮される。その結果、”ヘッドスペース32の圧力”>”イン側連結部26の圧力”となる。その結果、吸込弁23が閉じるようになる。一方、”ヘッドスペース32の圧力”が”アウト側連結部31の圧力+第2スプリング29の弾性力”を超えるとき、吐出弁27が開くようになる。その結果、圧縮された処理液が吐出弁27から後段の剪断処理部4に圧送されるようになる。
Figure 4 is an explanatory diagram showing the discharge process of the
なお、吸込弁23は閉じた状態であるため、圧縮された未処理液又は処理済み液がリザーブタンク1に圧送されることはない。このように、吸込弁23は、”ヘッドスペース32の圧力”<”イン側連結部26の圧力”のとき開状態となり、吐出弁27は、”ヘッドスペース32の圧力”>”アウト側連結部31の圧力”のとき開状態となるチェック弁としてそれぞれ機能している。
Since the
図5は、本発明に係る剪断処理部4を示す要部断面説明図である。この剪断処理部4は、ポンプ2によって圧送される処理液の流れを、狭路41c又は(第1面41bと第2面42aとの間に形成される)面隙間47を通過させることによって、処理液の流れと流路面との間に生じる剪断作用(剪断力)を処理液中に含まれる藻類藻体に対し連続して印加し、アスタキサンチンやEPA等の有用物質を産出又は含有する細胞の外被を処理液中で破壊し、その有用物質を処理液中に漏出させるための装置である。5 is a cross-sectional view of the main part of the
構成としては、ポンプ2から圧送される処理液を移送するためのバルブシート部41と、バルブシート部41から流出する処理液の流れを停止/妨げるバルブ部42と、バルブシート部41及びバルブ部42を収容するハウジング部43と、吐出配管5が接続され加圧された処理液等を取り込む入口部44と、戻り配管6が接続され処理済み液が流出する出口部45と、バルブ部42を加圧するアクチュエータ部46とを具備して構成される。以下、各構成について説明する。It is configured with a
バルブシート部41は、ストレート状の第1流路41aと、フランジ状の第1面41bとから成る。バルブシート部41は、ハウジング部43の段差43cに係合した状態で入口部44によってハウジング部43に固定されている。第1流路41aの先端部は内径が縮径した先細の狭路41c(又はオリフィス)を形成している。また、第1面41bには、1又は複数の第1周溝41dが周方向に沿って同心円状に形成されている。The
バルブ部42は、円盤状(ディスクヘッド型)の第2面42aと側面42bを有する拡径先端部と、棒状のロッド部42cとから成る。ロッド部42cには第2流路43aの液密状態を保持するOリング42eが設けられている。The
第2面42aには、第1面41bに形成された第1周溝41dに嵌合可能な1又は複数の第2周溝42dが周方向に沿って同心円状に形成されている。The
また、棒状のロッド部42cは、アクチュエータ部46に接続され、軸方向(長手方向)に関し変位・加圧可能に構成されている。従って、第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47のクリアランスについては、可変に構成されている。また、第2面42aはアクチュエータ部46によって面隙間47が閉じる方向に加圧される(押し付けられる)ように構成されている。なお、アクチュエータ部36としては、電気シリンダ、空気圧シリンダ又はスプリング等を使用することが可能である。
The
バルブ部42の側面42bと第2流路43aの内周面43bとの間は、上記剪断処理を受けた処理液が流れることが出来る隙間を形成している。以下、剪断処理部4における処理液中の藻類藻体に対する剪断作用について説明する。Between the
図6は、本発明に係る剪断処理部の狭路41c及び面隙間47の処理液の通過による処理液中の藻類藻体に対する剪断作用を示す説明図である。
図6(a)に示されるように、入口部44から流入したポンプ2によって圧送された処理液は、第1流路41aを通って、狭路41cに流入する。しかし、バルブ部42はアクチュエータ部46によって第1面41b側に加圧されているため、バルブ部42は閉じた状態である。従って、処理液はバルブ部42によって流れを止められる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the shearing action on algae bodies in the treatment liquid caused by the passage of the treatment liquid through the
6A, the treatment liquid that has flowed in through the
次に図6(b)に示されるように、ポンプ2から圧送されてくる処理液によって第1流路41a内の圧力は増加する。第1流路41a内の処理液の圧力が、アクチュエータ部46による押圧に等しくなるとき、処理液がバルブ部42を図上右側に押し退けながら、第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47を流れる。その結果、処理液は狭路41cを通過する際、強い剪断力を受け、これにより藻体外被が破壊される。6(b), the pressure in the
次に図6(c)に示されるように、第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47を流れる処理液は、第1周溝41d及び第2周溝42dを横切る際に流れの方向をジグザグ状に変化させられる。処理液は、流れの方向をジグザグ状に変化させられることにより、より強力な剪断作用を受けることになる。また、流れの方向が変化する部分においては圧縮と膨張による圧力変動も生じる。従って、処理液は第1面41bと第2面42aとの面隙間47を通過する際、剪断力と圧力変動による負荷を同時に受けることになる。6(c), the processing liquid flowing through the
第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47を通過した処理液は、内周面43bに衝突して流れの方向を90°変えて流れて出口部45から流出する。The treatment liquid that passes through the
このように、入口部44から流入したポンプ2によって圧送された処理液は、始めバルブ部42によって流れを制止させられているが、第1流路41aの処理液の圧力がアクチュエータ部46による押圧に等しくなるとき、バルブ部42を図上右側に押し退けて、自身が流れる第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47を形成するようになる。処理液は狭路41cを通過する際、強い剪断作用を受けることになる。In this way, the processing liquid that flows in from the
更に、処理液は第1面41bと第2面42aとの間に形成される面隙間47を通過する際に、第1周溝41d及び第2周溝42dによって流れの方向をジグザグ状に変化させられる。流れの方向が変わる場合、処理液の圧力変動も生じる。これにより処理液は強い剪断作用と圧力変動による負荷を同時に受けることになる。Furthermore, when the processing liquid passes through the
従って、処理液について剪断処理部4を通過させることにより、微粒子状の乾燥藻体の外被を機械的に破壊する従来方法に比べ、連続的に効率良く藻体外被の破壊を行うことができるようになる。Therefore, by passing the treatment liquid through the
以下に、本発明に係る湿式剪断処理システム100を使用したイカダモ(Desmodesmus SP.)についての剪断処理の一例を説明する。イカダモはデスモデスムス属を代表とする緑藻で、複数の細胞が接合した群体を形成している。外被が非常に強固であるため、イカダモの外被を効率よく破壊する方法を開発すれば、その方法により他の微細藻類の外被は容易に破壊できると言われている。An example of shear processing of Desmodesmus sp. using the wet shear processing system 100 according to the present invention is described below. Desmodesmus sp. is a type of green algae that is representative of the genus Desmodesmus, and forms colonies with multiple cells joined together. Because its outer covering is very strong, it is said that if a method for efficiently destroying the outer covering of Desmodesmus sp. could be developed, the method would also be able to easily destroy the outer coverings of other microalgae.
図7は、本発明に係る剪断処理前のイカダモ懸濁液を示す顕微鏡写真である。倍率は200倍、界線は0.5mm×0.5mmである。2~4個の細胞が接合している状態が観察される。 Figure 7 is a micrograph showing a suspension of Fraxinus edulis before the shearing treatment according to the present invention. The magnification is 200x, and the boundary line is 0.5 mm x 0.5 mm. Two to four cells are observed to be joined together.
破砕処理は、下記濃度のイカダモ懸濁液(処理液)を、下記剪断処理条件の下で剪断処理部4に所定の剪断処理時間だけ通過させることにより行った。剪断処理時間については、剪断処理部4内の滞留時間の積算値で表した。積算値については、1回通過当たりの滞留時間に通過回数を乗じることにより算出した。なお、1回通過当たりの滞留時間については、剪断処理部4の内部体積を、イカダモ懸濁液の体積流量によって除することにより算出した。The crushing process was carried out by passing a cassia suspension (processing liquid) of the following concentration through the
イカダモの藻体外被の破壊についての評価は、処理済みのイカダモ懸濁液を遠心分離(2000×g・5分)して調製した
遠心上清中のクロロフィル量を蛍光強度値で表示した。
Destruction of the algal coat of the Fagaceae was evaluated by centrifuging the treated Fagaceae suspension (2000×g for 5 minutes) and expressing the amount of chlorophyll in the supernatant as a fluorescence intensity value.
(イカダモ懸濁液)
・濃度:乾燥重量でおおよそ0.4g/ml
(剪断処理条件)
・イカダモ懸濁液の体積流量(ポンプ2の吐出流量):270[ml/min]
・イカダモ懸濁液に対する印加圧(バルブ部42に対する押圧):90MPa、80MPa,70MPa、60MPa
(イカダモの藻体外被の破壊についての評価):
・遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)
(Fragaria edulis suspension)
Concentration: Approximately 0.4 g/ml dry weight
(Shearing conditions)
Volumetric flow rate of the kadamomo suspension (discharge flow rate of pump 2): 270 [ml / min]
Pressure applied to the raspberry suspension (pressure applied to the valve portion 42): 90 MPa, 80 MPa, 70 MPa, 60 MPa
(Evaluation of the destruction of the algal envelope of Ikazumo):
- Amount of chlorophyll in the centrifugal supernatant (fluorescence intensity value)
図8及び図9は、イカダモ懸濁液に対する印加圧が90MPaの圧力条件下で所定時間それぞれ剪断処理したときの様子を示す顕微鏡写真である。倍率は200倍、界線は0.5mm×0.5mmである。0.3秒の剪断処理で接合していた細胞はバラバラになり、また、一部は内容物が漏出して破れた袋状の外被になっていることが分かる。剪断処理時間が長くなると外被の形態を維持した細胞が大きく減少し、0.9秒ではほとんど消失した。0.5秒以降の写真を拡大して注意深く観察すると、割れた殻状の外被が徐々に増加し、それらも剪断時間の増加で破壊されて小片になっていく様子が観察される。 Figures 8 and 9 are micrographs showing the state of a rock stalk suspension when it is subjected to shear processing for a specified period of time under conditions of an applied pressure of 90 MPa. The magnification is 200x, and the boundary is 0.5 mm x 0.5 mm. It can be seen that the cells that were joined together after 0.3 seconds of shear processing have broken apart, and some have leaked their contents, forming a ruptured bag-like outer coat. As the shear processing time is increased, the number of cells that maintain the coat shape is greatly reduced, and at 0.9 seconds they have almost disappeared. If the photographs from 0.5 seconds onwards are enlarged and carefully observed, it can be seen that the number of cracked shell-like outer coats gradually increases, and these are also destroyed and broken into small pieces as the shear processing time increases.
図10は、剪断力印加時間と遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)との関係を示すグラフである。縦軸は、細胞外に漏出したクロロフィル量(蛍光強度値)を表し、横軸は剪断力印加時間を表している。中実四角印■は、イカダモ懸濁液に対する印加圧が60MPaのときの剪断力印加時間と遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)を示している。中実丸印●は、イカダモ懸濁液に対する印加圧に対する印加圧が90MPaのときの剪断力印加時間と遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)を示している。中実三角印▲は、イカダモ懸濁液に対する印加圧が80MPaのときの剪断力印加時間と遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)を示している。中空丸印○は、イカダモ懸濁液に対する印加圧が70MPaのときの剪断力印加時間と遠心上清中のクロロフィル量(蛍光強度値)を示している。 Figure 10 is a graph showing the relationship between the shear force application time and the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) in the centrifugal supernatant. The vertical axis represents the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) leaked out of the cells, and the horizontal axis represents the shear force application time. The solid square ■ indicates the shear force application time and the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) in the centrifugal supernatant when the applied pressure to the cascade suspension is 60 MPa. The solid circle ● indicates the shear force application time and the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) in the centrifugal supernatant when the applied pressure to the cascade suspension is 90 MPa. The solid triangle ▲ indicates the shear force application time and the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) in the centrifugal supernatant when the applied pressure to the cascade suspension is 80 MPa. The hollow circle ○ indicates the shear force application time and the amount of chlorophyll (fluorescence intensity value) in the centrifugal supernatant when the applied pressure to the cascade suspension is 70 MPa.
図10から、細胞が壊れていないイカダモ懸濁液(剪断処理時間ゼロ)の場合、遠心処理により藻体が全て沈殿するので、遠心上清中にはクロロフィルは存在せず、蛍光強度はほとんどゼロとなる。本発明に係る剪断処理によって、いずれの圧力条件下でも剪断力印加時間の増加と共に、蛍光強度が増加した。即ち、剪断処理時間の増加に伴い、藻体外被の破壊が進行し、クロロフィルをはじめとする細胞内容物が処理液中に漏出して遠心上清中のクロロフィル蛍光強度が増加した。その増加傾向は、全ての処理圧力でほぼ同様の傾向を示し1秒程度で最高値に達した。なお、60MPaでは蛍光強度の最高値が70MPa以上に比べ約半分に留まった。この事は、60MPaでは、外被が完全に破壊されない藻体が残っており、クロロフィルを細胞内に含んだまま遠心沈降したものと考えられた。即ち、本発明に係る湿式剪断処理システム100においては70MPa以上の印加圧で処理するのが良いことが示された。ただし、必要な印加圧は使用装置やバルブ部42の形状等で異なることは当然予想される。
From FIG. 10, in the case of the kadanumo suspension in which the cells are not broken (zero shear processing time), all the algae bodies are precipitated by centrifugation, so there is no chlorophyll in the centrifugation supernatant, and the fluorescence intensity is almost zero. With the shear processing according to the present invention, the fluorescence intensity increased with increasing shear force application time under all pressure conditions. That is, with increasing shear processing time, the destruction of the algae body coat progressed, and the cell contents including chlorophyll leaked into the processing liquid, increasing the chlorophyll fluorescence intensity in the centrifugation supernatant. The increasing tendency was almost the same for all processing pressures, reaching a maximum value in about 1 second. At 60 MPa, the maximum fluorescence intensity was about half that at 70 MPa or more. This was thought to be because at 60 MPa, the algae bodies remained with their coats not completely destroyed, and chlorophyll was centrifuged while still contained within the cells. That is, it was shown that it is better to process with an applied pressure of 70 MPa or more in the wet shear processing system 100 according to the present invention. However, it is naturally expected that the required applied pressure will differ depending on the device used, the shape of the
次に、本発明に係る湿式剪断処理システム100を使用したシスト化したヘマトコッカスの剪断処理の一例を説明する。緑藻類であるヘマトコッカスは、通常は緑色球状をしているが、紫外線などのストレスを受けると藻体内部に赤色のアスタキサンチンを蓄積してシスト化する。このアスタキサンチンは、強い抗酸化活性を有する機能性物質として、またその鮮やかな赤色から天然色素として付加価値が高く、健康食品やスキンケア製品原料用に商業規模で生産されている。培養されたヘマトコッカスシストは通風乾燥や噴霧乾燥、ドラムドライングなどの方法により乾燥され、乾燥藻体を機械的に粉砕後、内部のアスタキサンチンを超臨界二酸化炭素や有機溶媒で抽出しているのが従来法である。しかしながら、前述のように、加熱を伴う従来法では乾燥時に高温の酸素と接するためにアスタキサンチンの酸化劣化に繋がりやすい問題がある(アスタキサンチンは天然の抗酸化物質であり、酸素と非常に結びつきやすい)。また、乾燥した微細な藻体外被を機械的に破壊するのは難しく、特に、ヘマトコッカスシストの膜(外套)はゼラチンのような物性を示し、弾性と靱性を有していることに加えて脆性に乏しいため、更に粉砕を難しいものにしている。そのため、抽出障壁となる外被の効率的な破砕方法の開発が急務かつ重要な課題となっている。Next, an example of shear processing of encysted Haematococcus using the wet shear processing system 100 according to the present invention will be described. Haematococcus, a green algae, is usually green and spherical, but when it is subjected to stress such as ultraviolet rays, it accumulates red astaxanthin inside the algae and encysts. This astaxanthin has high added value as a functional substance with strong antioxidant activity and as a natural pigment due to its bright red color, and is produced on a commercial scale for use as a raw material for health foods and skin care products. The cultured Haematococcus cysts are dried by methods such as ventilation drying, spray drying, and drum drying, and the dried algae are mechanically crushed, after which the internal astaxanthin is extracted with supercritical carbon dioxide or an organic solvent, in the conventional method. However, as mentioned above, the conventional method involving heating has a problem that astaxanthin is easily oxidized and deteriorated because it comes into contact with high-temperature oxygen during drying (astaxanthin is a natural antioxidant and is very easily combined with oxygen). In addition, it is difficult to mechanically destroy the dried, fine algal coat, and in particular, the membrane (mantle) of Haematococcus cysts exhibits gelatin-like physical properties, being elastic and tough, but not brittle, making it even more difficult to crush. Therefore, the development of an efficient method for crushing the mantle, which acts as a barrier to extraction, is an urgent and important issue.
本発明に係る剪断処理(破砕処理)は、イカダモ懸濁液と同様に、下記濃度のヘマトコッカスシスト懸濁液(処理液)を、下記剪断処理条件の下で剪断処理部4に所定の剪断処理時間だけ通過させることにより行った。剪断処理時間については、剪断処理部4内の滞留時間の積算値で表されている。積算値については、1回通過当たりの滞留時間に通過回数を乗じることにより算出した。なお、1回通過当たりの滞留時間については、剪断処理部4の内部体積を、ヘマトコッカスシスト懸濁液の体積流量によって除することにより算出した。The shearing process (crushing process) according to the present invention was carried out by passing a Haematococcus cyst suspension (processing solution) of the following concentration through the
(ヘマトコッカスシスト懸濁液)
・濃度:乾燥重量でおおよそ0.4g/ml
(剪断処理条件)
・ヘマトコッカスシスト懸濁液の体積流量(ポンプ2の吐出流量):270[ml/min]
・ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧(バルブ部42に対する押圧):95MPa、70MPa、50MPa
(ヘマトコッカスシストの藻体外被の破壊についての評価):
・吸光度法:波長470nmの吸光度
(Haematococcus cyst suspension)
Concentration: Approximately 0.4 g/ml dry weight
(Shearing conditions)
Volumetric flow rate of Haematococcus cyst suspension (discharge flow rate of pump 2): 270 [ml/min]
Pressure applied to the Haematococcus cyst suspension (pressure applied to the valve portion 42): 95 MPa, 70 MPa, 50 MPa
(Evaluation of the destruction of the algal envelope of Haematococcus cysts):
Absorbance method: absorbance at a wavelength of 470 nm
図11は、本発明に係る剪断処理前のヘマトコッカスシスト懸濁液を示す顕微鏡写真である。図12は、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が95MPaの圧力条件下で剪断処理したときの様子を示す顕微鏡写真である。図13は、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が70MPaの圧力条件下で剪断処理したときの様子を示す顕微鏡写真である。図14は、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が50MPaの圧力条件下で剪断処理したときの様子を示す顕微鏡写真である。なお、イカダモ懸濁液の場合と同様に、倍率は200倍、界線の寸法は0.5mm×0.5mmである。 Figure 11 is a micrograph showing a Haematococcus cyst suspension before shearing according to the present invention. Figure 12 is a micrograph showing the state of the Haematococcus cyst suspension when sheared under an applied pressure of 95 MPa. Figure 13 is a micrograph showing the state of the Haematococcus cyst suspension when sheared under an applied pressure of 70 MPa. Figure 14 is a micrograph showing the state of the Haematococcus cyst suspension when sheared under an applied pressure of 50 MPa. As with the case of the rock stalk suspension, the magnification is 200x and the boundary line dimensions are 0.5mm x 0.5mm.
図12に示されるように、わずか0.1秒の剪断破壊処理で赤色のシスト細胞は消失したことが分かる。本発明に係る剪断処理(剪断破壊処理)は、剪断力、即ち、ズリの力によって細胞を破壊する、そのため外被が割れたような形態になっているのが観察される。また、流体(水)を圧力媒体として剪断力を伝えているので、力が隅々まで均等に伝わり破壊にムラがない特徴を有する。As shown in Figure 12, it can be seen that the red cyst cells disappeared after just 0.1 seconds of shear disruption treatment. The shear treatment (shear disruption treatment) of the present invention destroys cells by shear force, i.e., the force of shearing, and as a result, the cells are observed to have a morphology that looks like their outer coat is cracked. In addition, because the shear force is transmitted using a fluid (water) as a pressure medium, the force is transmitted evenly to every corner, resulting in a characteristic that there is no unevenness in the destruction.
図13に示されるように、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が70MPaの圧力条件下で0.3秒程度の剪断処理でほとんどのシストが破砕されたことが分かる。また、図14に示されるように、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が50MPaの場合でも0.4秒程度の剪断処理でほとんどのシストが破砕されたことが分かる。これは、シスト化したヘマトコッカスの外被はイカダモ外被よりも弾性が強いものの靱性は弱いためである。上記図10に示されるように、イカダモの外被を破壊するには70MPa以上の印加圧力が必要で、且つ長時間の剪断処理時間が必要であったのに対し、ヘマトコッカスの外被は50MPaの印加圧力でも短時間の剪断処理で効率よく破壊することができる。As shown in Figure 13, most of the cysts were disrupted by shearing for about 0.3 seconds when the pressure applied to the Haematococcus cyst suspension was 70 MPa. Also, as shown in Figure 14, most of the cysts were disrupted by shearing for about 0.4 seconds when the pressure applied to the Haematococcus cyst suspension was 50 MPa. This is because the encysted Haematococcus coat is more elastic than the rock scallop coat but less tough. As shown in Figure 10 above, an applied pressure of 70 MPa or more was required to destroy the rock scallop coat, and a long shearing time was required, whereas the Haematococcus coat can be efficiently destroyed by shearing for a short period of time even with an applied pressure of 50 MPa.
図15は、本発明に係る剪断処理後30分以上静置したヘマトコッカスシスト懸濁液の様子を示す写真である。図15(a)は、ヘマトコッカスシスト懸濁液に対する印加圧が95MPaの圧力条件下で所定の時間だけ剪断処理したときのヘマトコッカスシスト懸濁液を示している。図15(b)は、同50MPaの圧力条件下で所定の時間だけ剪断処理したときのヘマトコッカスシスト懸濁液を示している。 Figure 15 is a photograph showing the state of a Haematococcus cyst suspension that has been left to stand for 30 minutes or more after shearing according to the present invention. Figure 15(a) shows the Haematococcus cyst suspension when sheared for a predetermined time under a pressure condition where a pressure of 95 MPa is applied to the Haematococcus cyst suspension. Figure 15(b) shows the Haematococcus cyst suspension when sheared for a predetermined time under the same pressure condition of 50 MPa.
未処理のヘマトコッカスシスト懸濁液では、静置中にシストが沈殿し、上澄み液には全く着色が見られない(液面の赤い線は沈殿の反射によるもの)。一方で、剪断処理を行った液では、95MPa、50MPa両者において0.1秒という短時間の剪断処理で液が着色し、シスト内部に存在していたアスタキサンチンが上澄み中に漏出したことが分かる。この漏出挙動を定量的に表すために、剪断処理液を遠心分離(2000×g・5分)して固形分を沈殿させ、その遠心上清の470nmにおける吸光度を測定した結果を図16に示すことにする。In untreated Haematococcus cyst suspensions, the cysts precipitated during standing, and the supernatant showed no coloration (the red line on the liquid surface is due to reflection of the precipitate). On the other hand, in the sheared solution, the liquid became colored after a short shearing treatment of 0.1 seconds at both 95 MPa and 50 MPa, indicating that the astaxanthin present inside the cysts leaked into the supernatant. To quantitatively express this leakage behavior, the sheared solution was centrifuged (2000 x g for 5 minutes) to precipitate the solids, and the absorbance of the centrifugal supernatant at 470 nm was measured, and the results are shown in Figure 16.
図16は、波長470nmにおける吸光度(A470)と剪断力印加時間との相関を示す説明図である。波長470nmはアスタキサンチンの吸収極大波長であり、この波長における溶液の吸収強度はおおよそ溶解しているアスタキサンチン量を表している(に比例している)と考えて差し支えない。測定の結果、0.3~0.4秒程度の短時間の剪断処理でシスト内のアスタキサンチンが液中に溶出(漏出)したことが示された。即ち、シストがほぼ完全に破壊されたことが示された。この結果は、図12から図14に示される顕微鏡写真の観察結果とよく一致している。この結果から、本発明に係る剪断処理法では、イカダモのような強固な外被を有する藻類に比べて、ヘマトコッカスの外被(シスト)は、短時間、低圧力条件で十分に破壊できる事が示された。 Figure 16 is an explanatory diagram showing the correlation between absorbance (A470) at a wavelength of 470 nm and the application time of shear force. The wavelength of 470 nm is the maximum absorption wavelength of astaxanthin, and it is safe to assume that the absorption intensity of the solution at this wavelength roughly represents (is proportional to) the amount of dissolved astaxanthin. The measurement results showed that astaxanthin in the cysts was dissolved (leaked) into the liquid by a short shear treatment of about 0.3 to 0.4 seconds. In other words, it was shown that the cysts were almost completely destroyed. This result is in good agreement with the observation results of the microscopic photographs shown in Figures 12 to 14. From this result, it was shown that the shear treatment method of the present invention can sufficiently destroy the outer coat (cyst) of Haematococcus in a short time under low pressure conditions, compared to algae with a strong outer coat such as Ikadama.
溶液中に漏出したアスタキサンチンは全く酸素と接触しておらず加熱も受けていないことから高品質のアスタキサンチンとして溶解していると考えられる。この後のアスタキサンチンの分離精製法としてはいくつかの選択肢が考えられ、溶媒分配などが有効と考えられる。この時、減圧濃縮等を取り入れると効率は更に向上する。凍結乾燥や減圧乾燥後の溶媒抽出も有効と考えられ、多彩な工程の構築が可能と考えられる。特に本発明に係る剪断処理及び湿式剪断処理システム100は、培養後の藻体の破砕を液体(懸濁液)の状態で行うことから、培養→連続遠心分離(懸濁液調製)→連続剪断破壊→連続遠心分離といった具合に行程を連続化できるメリットがある。 The astaxanthin that leaked into the solution has not come into contact with oxygen or been heated at all, so it is believed to have dissolved as high-quality astaxanthin. There are several options for subsequent separation and purification methods for astaxanthin, and solvent distribution is thought to be effective. In this case, the use of vacuum concentration or the like can further improve efficiency. Freeze-drying or solvent extraction after vacuum drying is also thought to be effective, making it possible to create a variety of processes. In particular, the shearing treatment and wet shearing treatment system 100 of the present invention has the advantage that the process can be continuous, such as cultivation → continuous centrifugation (suspension preparation) → continuous shear destruction → continuous centrifugation, since the algae cells after cultivation are crushed in a liquid (suspension) state.
以上の通り、本発明の第1実施形態に係る湿式剪断処理システム100によれば、処理液の流れと処理液が接する流路面(狭路41c、第1面41b、第2面42a)との間に生じる剪断力によって、処理液中の微細藻類の強固な外被(細胞壁、細胞膜、シスト膜などの藻体外被)を破壊し、これにより微細藻類の細胞内有用物質を短時間で効率良く且つその品質を劣化させることなく、細胞内から処理液中に漏出させることが可能となる。As described above, according to the wet shear processing system 100 of the first embodiment of the present invention, the shear force generated between the flow of the processing liquid and the flow path surface (
また、処理液が接触する流路面(狭路41c、第1面41b、第2面42a)に、処理液の流れ方向を変える周状溝を形成することにより、処理液の流れと狭路41c又は面隙間47との間に生じる剪断力(剪断作用)をより大きくすると共に、処理液の流れ方向が変わることにより生じる圧力変動による負荷を微細藻類藻体に別途作用させることが可能となる。In addition, by forming a circumferential groove that changes the flow direction of the treatment liquid on the flow path surfaces (
また、面隙間47を閉じる方向に加圧しながら処理液を狭路41c及び面隙間47を通過させることにより、処理液の流れと狭路41c又は面隙間47との間に生じる剪断力(剪断作用)を大きくすることが可能となる。
In addition, by passing the treatment liquid through the
また、処理液を圧送するポンプ2として吐出圧を高くすることが容易な往復式ポンプを採用することにより、処理液の流れと狭路41c又は面隙間47との間に生じる剪断力(剪断作用)を大きくすることが可能となる。
In addition, by adopting a reciprocating pump, which can easily increase the discharge pressure, as the
また、処理液を狭路41c及び面隙間47を通過させ、微細藻類に対する剪断力の作用時間を長く確保することにより、処理液中に含まれる微細藻類の外被(細胞壁、細胞膜、シスト膜などの藻体外被)を効率良く破壊することが可能となる。
In addition, by passing the treatment liquid through the
その結果、処理済み液から藻体内容物(細胞内有用物質)の分離精製が容易となる。更に剪断処理した懸濁液を、漏出した内容物と粉砕された外被を分離することなく乾燥等を行い食品素材とした場合、剪断破壊せずに乾燥した場合よりも有用成分が生体内で効率よく吸収され利用できる。同様に、剪断処理した懸濁液を、漏出した内容物と粉砕された外被を分離することなく
堆肥等へ肥料化する場合、発酵効率を向上させることが可能となる。
As a result, it becomes easier to separate and purify the algal contents (intracellular useful substances) from the treated liquid. Furthermore, if the sheared suspension is dried or otherwise processed into a food material without separating the leaked contents from the crushed outer coat, the useful components can be absorbed and utilized more efficiently in the body than if it was dried without shear destruction. Similarly, if the sheared suspension is converted into compost or other fertilizer without separating the leaked contents from the crushed outer coat, it becomes possible to improve fermentation efficiency.
また、処理済み液から水分の移動障壁となっている微細藻類藻体の外被を分離・除去することにより、抽出した藻体内容物(有用物質)についての乾燥時間(乾燥速度)が短縮化(高速化)して、これにより藻体内容物(有用物質)についての乾燥エネルギーを低減化することが可能となる。 In addition, by separating and removing the outer covering of the microalgae cells, which acts as a barrier to moisture movement, from the treated liquid, the drying time (drying rate) of the extracted algae cell contents (useful substances) is shortened (speeded up), thereby making it possible to reduce the energy required to dry the algae cell contents (useful substances).
なお、図1から図16を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る上記湿式剪断処理システム100について説明してきたが、本発明の実施形態は上記のみに限定されることはない。すなわち、本発明の技術的範囲内において種々の修正・変更を加えることができる。例えば、処理液が接触する狭路41cの内面に周溝を円状に又は螺旋状に形成しても良い。また、第1周溝41d及び第2周溝42dの形状については、同心円状の他、楕円等の閉曲線もしくは閉多角形、又は偏心した左記形状、或いは放射状であっても良い。
Although the wet shear processing system 100 according to the first embodiment of the present invention has been described with reference to Figures 1 to 16, the embodiment of the present invention is not limited to the above. In other words, various modifications and changes can be made within the technical scope of the present invention. For example, a circumferential groove may be formed in a circular or spiral shape on the inner surface of the
また、第1流路41aについては、狭路41cを設けずにストレート管のみで構成しても良い。また、ヘマトコッカスシスト懸濁液(処理液)の剪断処理部4を通過させる回数については1回だけの場合もあり得る。In addition, the
以上、本発明の剪断処理による微細藻類の外被破壊法は、他の方法に比べ格段に優れた破壊方法である。剪断力を微細藻類外被に与える方法はいくつか考えられるが、上記実施形態で示したように、ポンプ2によって圧送される処理液に狭路41c及び閉じる方向に加圧された面隙間47を通過させることにより剪断力を微細藻類外被に与える破壊法は、非常に優れた破壊効果を示す。As described above, the method of destroying the outer coat of microalgae by shear processing according to the present invention is a far superior method of destruction compared to other methods. There are several possible methods of applying shear force to the outer coat of microalgae, but as shown in the above embodiment, the method of applying shear force to the outer coat of microalgae by passing the treatment liquid pumped by
本発明の剪断処理による微細藻類の外被破壊法により、外被が強固で乾燥後の粉砕が非常に困難であると言われているイカダモにおいても容易に破砕することができたことは特筆に値する。それに加えて、本外被破壊法は、従来法のような加熱乾燥工程を経ずに外被を破壊する事から藻体内の内容物に熱履歴を与えることがなく、劣化の少ない内容物(細胞内有用物質)を得ることができる。処理液中に漏出した目的成分(細胞内有用物質)は、溶媒分配などにより分離・生成することが可能である。It is noteworthy that the method of destroying the outer coat of microalgae using shearing treatment of the present invention made it possible to easily crush even Ikazumo, which has a strong outer coat and is said to be very difficult to crush after drying. In addition, since this outer coat destruction method destroys the outer coat without going through a heating and drying process as in conventional methods, the contents inside the algae are not subjected to a thermal history, and contents (intracellular useful substances) can be obtained with little deterioration. The target components (intracellular useful substances) that leak into the treatment solution can be separated and purified by solvent distribution, etc.
また、処理液は遠心分離や膜濾過などで処理することで、破壊されて処理液中に懸濁浮遊する外被固形分と、溶解している細胞内有用物質を容易に分離することが可能である。細胞内有用物質を含んだ溶液を噴霧乾燥や凍結乾燥による乾燥を行う場合でも、水分の移動障壁となっている外被が破壊されて含まれていないため効率の高い乾燥を行うことが可能となる。 In addition, by treating the treatment liquid with centrifugation or membrane filtration, it is possible to easily separate the solid capsules that have been destroyed and are suspended in the treatment liquid from the dissolved intracellular useful substances. Even when a solution containing intracellular useful substances is dried by spray drying or freeze drying, it is possible to perform drying with high efficiency because the capsules, which act as a barrier to the movement of water, are not destroyed and are not included.
外被を破砕した微細藻類は、例えばその全量を乾燥して、これを食品素材や飼料として展開することも考えられる。この場合は、消化障壁である外被が破壊されているため消化吸収が向上し、栄養価や消化性、飼料効率が上昇することが期待できる。堆肥化などの肥料化に際しても速度や効率の向上が期待できる。 Microalgae with their outer coats crushed could, for example, be dried in their entirety and used as a food ingredient or feed. In this case, the outer coat, which acts as a digestive barrier, is destroyed, improving digestibility and absorption, and it is expected that nutritional value, digestibility, and feed efficiency will increase. It is also expected that the speed and efficiency of composting and other fertilizer production will improve.
(第2実施形態)
図17は、本発明の第2実施形態に係る湿式剪断処理システム200を示す説明図である。
この湿式剪断処理システム200は、上記第1実施形態に係る湿式剪断処理システム100に対し、剪断処理されたヘマトコッカスシスト懸濁液の処理液を凍結させる低温槽10と、凍結した処理液を減圧下で乾燥させる凍結乾燥機11と、処理液を剪断処理部4から低温槽10に導入する第1導入配管12と、第1導入配管12の流れをオン/オフする第1遮断弁12aと、処理液をリザーブタンク1から低温槽10に導入する第2導入配管13と、第2導入配管13の流れをオン/オフする第2遮断弁13aと、第1導入配管12及び第2導入配管13に連通した第3導入配管14と、を具備して構成されている。
Second Embodiment
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a wet shear processing system 200 according to a second embodiment of the present invention.
Compared to the wet shear processing system 100 according to the first embodiment described above, this wet shear processing system 200 is configured to include a low-
つまり、この湿式剪断処理システム200は、剪断処理されたヘマトコッカスシスト懸濁液からのアスタキサンチンの抽出率を高めるために、剪断処理されたヘマトコッカスシスト懸濁液を低温槽10と凍結乾燥機11によって凍結乾燥させている。以下にこの凍結乾燥について説明する。In other words, in order to increase the extraction rate of astaxanthin from the sheared Haematococcus cyst suspension, the wet shear processing system 200 freeze-dries the sheared Haematococcus cyst suspension using a low-
佐賀市内で採取し単離したHaematococcus lacustris dSgD-K1株をAF6培地を用いて、温度25℃、光量子束密度80μmol/m2/s、光照射時間 明:暗 = 12h : 12hで培養後、光量子束密度を300μmol/m2/sに上げた光を24時間連続的に照射して光ストレスによるシスト化を行った(この時、温度は15℃に下げて増殖を抑制した)。
得られたシストは脱イオン水への懸濁と遠心分離を繰り返して培地成分を洗い流し、再度脱イオン水に懸濁し、これを同一濃度となるように均等割して以下の図18に示される5つのパターン(1~5)の抽出試験に供試した。
Haematococcus lacustris dSgD-K1 strain, collected and isolated in Saga City, was cultured in AF6 medium at a temperature of 25°C, with a photon flux density of 80 μmol/ m2 /s and a light exposure time of 12h:12h light:dark.Then, the strain was exposed to light with a photon flux density of 300 μmol/ m2 /s continuously for 24 hours to induce encystment through light stress (the temperature was lowered to 15°C to suppress growth).
The obtained cysts were repeatedly suspended in deionized water and centrifuged to wash out the medium components, then suspended again in deionized water. These were then equally divided to give the same concentration and subjected to extraction tests of the five patterns (1 to 5) shown in Figure 18 below.
図18は、本発明に係る湿式剪断処理システム200による湿式剪断破壊法に基づいたアスタキサンチンの抽出と、その他の破壊法に基づいたアスタキサンチンの抽出とを示す説明図である。
図18に示される様に、抽出の前処理方法は大別して、上段の「粉砕後に乾燥してから抽出するパターン」(方法1~方法2)と、下段の「乾燥後に粉砕して抽出するパターン」(方法3~方法5)に分けられる。上述のように本試験では、これら5つの試験全てを同一濃度に調製したヘマトコッカスシスト懸濁液を用いて比較を行った。以下順に説明する。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the extraction of astaxanthin based on the wet shear disruption method using the wet shear processing system 200 according to the present invention and the extraction of astaxanthin based on other disruption methods.
As shown in Figure 18, the pretreatment methods for extraction can be roughly divided into the upper "pattern of crushing, drying, and then extraction" (
<方法1:湿式剪断破壊>
この方法1は、本発明の上記湿式剪断処理システム200を用いた湿式剪断破壊法である。なお、ホットプレート乾燥(120℃)は、凍結乾燥の効果を確認するための比較検討用であり、本発明の構成に含まれない。また、剪断処理時の印加圧は90MPaである。
<Method 1: Wet shear fracture>
This
図19は、本発明に係る湿式剪断破壊法によるヘマトコッカスシストの剪断処理前後の破壊挙動を示す説明図である。図19(a)は破壊前のヘマトコッカスシストの懸濁液(以下「シスト懸濁液」という。)を示し、同(b)は剪断処理後のシスト懸濁液を示し、同(c)は同(b)のシスト懸濁液の拡大図である。なお、シスト懸濁液は、顕微鏡観察が容易となるように200倍に希釈されている。 Figure 19 is an explanatory diagram showing the disruption behavior of Haematococcus cysts before and after shear treatment using the wet shear disruption method of the present invention. Figure 19(a) shows a suspension of Haematococcus cysts before disruption (hereinafter referred to as "cyst suspension"), (b) shows the cyst suspension after shear treatment, and (c) is an enlarged view of the cyst suspension in (b). The cyst suspension was diluted 200 times to facilitate microscopic observation.
図19(a)に示されるように、ヘマトコッカスシストは外被に覆われたままで、外被からアスタキサンチンの溶解・溶出は何ら確認されない。As shown in Figure 19 (a), the Haematococcus cysts remain covered by the exoskeleton, and no dissolution or elution of astaxanthin from the exoskeleton is observed.
図19(b)は、シスト懸濁液を、上記剪断処理システム200の剪断処理部4を複数回通過させた後に観察した写真である。図中に示した「剪断処理時間0.92秒」は、シスト懸濁液が剪断処理部4内に滞留した累積時間のことで、すなわち剪断力を受けた合計時間を示している。図19(b)を見て分かるように、ほとんどのシスト細胞が0.92秒という非常に短時間の剪断力によって破壊されたことがわかる。
Figure 19(b) is a photograph of the cyst suspension after it had been passed multiple times through the
図19(c)は、シスト細胞の破壊の様子がわかるようにさらに拡大した写真である。図19(c)を見て分かるように、シスト内容物が細胞外に漏出して空になっていることが分かる。 Figure 19(c) is a further enlarged photograph showing the destruction of the cyst cells. As can be seen from Figure 19(c), the contents of the cyst have leaked out of the cells and become empty.
この湿式剪断破壊法においては、得られた剪断処理液を図18に示した「凍結乾燥」と「ホットプレート乾燥」の2種類の乾燥法で乾燥し、得られた乾燥物からのアスタキサンチン抽出量を測定した。なお、ホットプレート乾燥は、凍結乾燥の効果を確認するための比較検討用である。In this wet shear disruption method, the obtained sheared solution was dried using two types of drying methods, "freeze drying" and "hot plate drying," shown in Figure 18, and the amount of astaxanthin extracted from the obtained dried product was measured. Note that the hot plate drying was used for comparison purposes to confirm the effect of freeze drying.
凍結乾燥は、ナスフラスコに入れた剪断処理液を -40℃の低温槽中で回転しながら凍結させ、凍結した剪断処理液を凍結乾燥機にて 約4Paの減圧下で2日以上乾燥することで行った。Freeze-drying was performed by freezing the sheared liquid placed in a recovery flask while rotating it in a low-temperature bath at -40°C, and then drying the frozen sheared liquid in a freeze-dryer under a reduced pressure of approximately 4 Pa for more than two days.
ホットプレート乾燥は、120℃にセットしたホットプレート(型番:アズワン ND-2A)上に剪断処理液をピペットマンで滴下し、水分が蒸発したところでスクレイパーによって掻き取り、乾燥物を得た。この時、剪断処理液を滴下してから掻き取るまでの所要時間(乾燥時間)はおおよそ1分間であった。これらの乾燥物中のアスタキサンチンを後述のHPLC法により定量分析した。この定量分析結果については図22を参照しながら後述する。 For hot plate drying, the shearing solution was dropped with a pipette onto a hot plate (model number: AS ONE ND-2A) set to 120°C, and once the water had evaporated, it was scraped off with a scraper to obtain a dried product. At this time, the time required from dropping the shearing solution to scraping it off (drying time) was approximately 1 minute. The astaxanthin in these dried products was quantitatively analyzed using the HPLC method described below. The results of this quantitative analysis will be described later with reference to Figure 22.
<方法2:超音波破砕>
超音波破砕法は微生物を含め広く細胞破砕方法として用いられている従来の手法である。ここでは、プローブ式超音波破砕装置(Sonifier(登録商標) SFX 250)を用い、プラスチック容器に入れた50mLのシスト懸濁液について20kHz・250Wの条件で破砕を行った。なお、試料液(シスト懸濁液)を氷冷しながら処理を行ったが、急激な温度上昇を抑えることができず、数分おきに処理を中断して氷冷し、温度が50℃を越えないように注意した。
<Method 2: Ultrasonic Disintegration>
Ultrasonic disruption is a conventional method widely used as a cell disruption method including microorganisms. Here, a probe-type ultrasonic disruption device (Sonifier (registered trademark) SFX 250) was used to disrupt 50 mL of cyst suspension in a plastic container under the conditions of 20 kHz and 250 W. The sample liquid (cyst suspension) was treated while being cooled on ice, but a sudden increase in temperature could not be suppressed, so the treatment was interrupted every few minutes and cooled on ice, with care taken not to allow the temperature to exceed 50°C.
図20は、超音波処理によるヘマトコッカスシストの破壊挙動を示す説明図である。図20(a)は超音波処理前のヘマトコッカスシストを示し、同(b)は超音波処理後のヘマトコッカスシストを示している。 Figure 20 is an explanatory diagram showing the destruction behavior of Haematococcus cysts by ultrasonic treatment. Figure 20(a) shows Haematococcus cysts before ultrasonic treatment, and (b) shows Haematococcus cysts after ultrasonic treatment.
図20(b)に示されるように、超音波処理では、50mLのシスト懸濁液に対して15分間の処理を行っても多くの細胞が破壊されずに残っていることがわかる。この超音波処理液も上記剪断処理液と同様に120℃のホットプレート上で乾燥し、アスタキサンチン抽出用試料とした。この乾燥物中のアスタキサンチンを後述のHPLC法により定量分析した。この定量分析結果については図22を参照しながら後述する。As shown in Figure 20 (b), when ultrasonic treatment was performed on 50 mL of the cyst suspension for 15 minutes, many cells remained unbroken. This ultrasonic treatment liquid was also dried on a hot plate at 120°C, like the shear treatment liquid, to prepare a sample for astaxanthin extraction. The astaxanthin in this dried material was quantitatively analyzed by the HPLC method described below. The results of this quantitative analysis will be described later with reference to Figure 22.
方法3~方法5(図18の下段)は、乾燥を先に行い、その後に乾燥した藻体の破壊を行う従来の方法である。即ち、上述の方法1~方法2(図18の上段)が先に破砕を行ったのに対して逆の順番で処理を行ったものである。以下、参考に方法3から順に説明する。
<方法3:ホットプレート乾燥>
方法3のホットプレート乾燥では、まず、「ヘマトコッカスシスト懸濁液をホットプレートで加熱乾燥」し、「乾燥物をガラスホモジナイザーで破砕」してアスタキサンチンの抽出を行った。
<Method 3: Hot plate drying>
In the hot
商業規模でのアスタキサンチン製造(以下「現行法」という。)では、ドラムドライヤーなどで加熱乾燥後、ディスクミルあるいは擂潰機のような粉砕器で機械的に粉砕後溶媒抽出が行われている。したがって、ここで行った方法3が現行法に最も近い方法であり、かつ、抽出溶媒中で外被を破砕しているので、現行法以上に抽出効率が高い手法である。In commercial-scale astaxanthin production (hereinafter referred to as the "current method"), the astaxanthin is heated and dried using a drum dryer or similar device, then mechanically crushed in a grinder such as a disk mill or crusher, followed by solvent extraction. Therefore,
具体的には、上記方法1および2と同じように120℃に設定したホットプレート(型番:アズワン ND-2A)上にピペットマンで未処理のシスト懸濁液を滴下し、乾燥後スクレイパーで掻き取った(滴下から掻き取るまでおおよそ1分である。)。続いて得られた乾燥シスト10mgをダウンス型ガラスホモジナイザーに秤取し、少量のアセトンを加えてシスト外被を破砕した。この操作で得られた液をメスフラスコで定容後アスタキサンチン量測定試料とした。なお、ホットプレート乾燥のみ(ガラスホモジナイズを行わない)の試料についても抽出を行い、ガラスホモジナイズの効果を検証した。この定量分析結果については図22を参照しながら後述する。Specifically, the untreated cyst suspension was dropped with a pipette onto a hot plate (model number: AS ONE ND-2A) set to 120°C in the same manner as in
<方法4:凍結乾燥>
方法4の凍結乾燥法は、種々の乾燥法の中で乾燥原料へのダメージが最も小さな乾燥法である。特に今回の目的物質であるアスタキサンチンのような酸化を受けやすい物質に対しては最も好ましい乾燥法である。そのため、方法1においても剪断処理液の乾燥にこの凍結乾燥法を使用した。
Method 4: Freeze-drying
Among various drying methods, freeze-
ここではシスト懸濁液を方法1と同じようにナスフラスコに入れ、-40℃の低温槽中で回転しながら凍結後、凍結乾燥機にて 約4Paの減圧下で2日以上乾燥した。得られた乾燥シストを方法3と同様にダウンス型ガラスホモジナイザーに秤取し、少量のアセトンを加えてシスト外被を破砕後定容してアスタキサンチン量測定試料とした。ここでも、凍結乾燥のみ(ガラスホモジナイズを行わない)の試料についても抽出を行い、ガラスホモジナイズの効果を検証した。この定量分析結果については図22を参照しながら後述する。
Here, the cyst suspension was placed in an eggplant flask in the same manner as in
<方法5:温風乾燥>
方法5の温風乾燥法は、乾燥対象物が高温の熱風にさらされるため、アスタキサンチンのような抗酸化物質が高温の酸素によって酸化劣化するリスクが大きい方法である。しかしながら、最も簡便で安価な乾燥法であることから比較する方法の一つに取り上げた。
<Method 5: Hot air drying>
ここでは、90mmシャーレにシスト懸濁液約25mLを入れ、95℃の温風乾燥機(型番:EYELA WFO-400W)内で4時間乾燥した。乾燥したシストはスクレイパーで掻き取って方法3と同様にダウンス型ガラスホモジナイザーに秤取し、少量のアセトンを加えてシスト外被を破砕後定容してアスタキサンチン量測定試料とした。ここでも温風乾燥のみ(ガラスホモジナイズを行わない)の試料についても抽出を行い、ガラスホモジナイズの効果を検証した。この定量分析結果については図22を参照しながら後述する。以下に、アスタキサンチン定量分析法について説明する。Here, approximately 25 mL of the cyst suspension was placed in a 90 mm petri dish and dried for 4 hours in a hot air dryer (model number: EYELA WFO-400W) at 95°C. The dried cysts were scraped off with a scraper and weighed into a Dounce-type glass homogenizer as in
<アスタキサンチン定量分析法>
アスタキサンチン工業会のアスタキサンチン定量試験法に準じて定量分析を行った。具体的には下記の通りである。
<Astaxanthin quantitative analysis method>
Quantitative analysis was carried out according to the Astaxanthin Quantitative Test Method set by the Astaxanthin Industry Association. Specifically, the method is as follows.
抽出試験試料(乾燥試料)10mgを精秤し、50mL容メスフラスコへ移してアセトンを約20mL加えた。ただし、ガラスホモジナイズ(ダウンス型)を行った、方法3に係る試料3、方法4に係る試料4、方法5に係る試料5については、ガラスホモジナイザー内の破砕試料を少量のアセトンで洗い出し、約20mLとした。10 mg of the extraction test sample (dried sample) was weighed out and transferred to a 50 mL volumetric flask, and approximately 20 mL of acetone was added. However, for
試料1~試料5についてさらにアセトンを20mLほど加え45kHzで5分間超音波処理した後、アセトンで50mLに定容した。この試料溶液3mLを15mL容遠沈管に分注し、0.05Mトリス塩酸緩衝液(pH7.0)を2mL加えた。37℃の恒温槽で2分間加温して平衡化させた後、3.4units/mLのコレステロールエステラーゼ溶液600μLを加えて、10分おきに泡が立たないように静かに転倒混和しながら、37℃の恒温槽で45分間静置で反応させた。反応終了後、硫酸ナトリウム十水和物約1gと石油エーテル4mLを加えた。石油エーテルはドラフト内で加えた。転倒混和を30回行った後、ボルテックスミキサーで30秒撹拌し、1200×gで3分間遠心した。上層約5mLをパスツールピペットで300mL容ナスフラスコに取り、残った下層に石油エーテルを4mL加え、同様に混合、遠心、上層の分取をもう一度行った。32℃のロータリーエバポレーターで石油エーテルを留去し、ヘキサンアセトン混液(82:18V/V)3mLを加えて溶解して、これをHPLC分析試料液とした。HPLCの分析条件は下記表1の通りである。
[表1 HPLC分析条件]
For
[Table 1 HPLC analysis conditions]
図21は、本発明に係る湿式剪断破壊法によって得られたクロマトグラムの一例を示す説明図である。酵素処理により、エステルのピークが消え、trans体あるいは9-cisおよび13-cis体のピークが見える。 Figure 21 is an explanatory diagram showing an example of a chromatogram obtained by the wet shear disruption method according to the present invention. After enzyme treatment, the ester peak disappears, and the trans isomer or the 9-cis and 13-cis isomer peaks become visible.
抽出液中のアスタキサンチン量は、下記式1のアスタキサンチン工業会の推奨式に従って求めた。計算にあたっては富士フィルム和光純薬製アスタキサンチン(010-27461)を標準物質として検量線を作成して算出した。
(式1):P(total) = P(trans) + 1.2P(9-cis) + 1.6P(13-cis)
ここで、
P(trans):全トランス体アスタキサンチンピーク面積
1.2P(9-cis):9シス体アスタキサンチンピーク面積
1.6P(13-cis):13シス体アスタキサンチンピーク面積
The amount of astaxanthin in the extract was calculated according to the formula recommended by the Astaxanthin Industry Association, shown below in
(Formula 1): P(total) = P(trans) + 1.2P(9-cis) + 1.6P(13-cis)
here,
P (trans): all-trans astaxanthin peak area 1.2P (9-cis): 9-cis astaxanthin peak area 1.6P (13-cis): 13-cis astaxanthin peak area
図22は、上記方法1~方法5によって得られたヘマトコッカス乾燥シストから得られた各アスタキサンチン抽出量を示す説明図である。数値は、乾燥シスト1gあたりのアスタキサンチン抽出量(mg)である。結論として本発明に係る上記湿式剪断処理システム200による「湿式剪断破壊法」(方法1)が最も優れた抽出効率を示し、本発明に係る湿式剪断破壊法の優位性が確認された。以下、具体的に説明する。
Figure 22 is an explanatory diagram showing the amount of astaxanthin extracted from dried Haematococcus cysts obtained by the
本発明に係る湿式剪断破壊法(方法1)では湿式剪断破壊の後、処理液の乾燥方法として凍結乾燥とホットプレート乾燥の2種類の乾燥法を適用して抽出効率の比較を行った。まず、図22左端に示される「剪断破砕液を凍結乾燥」した場合が他のすべての方法にくらべて最大のアスタキサンチン抽出量を示した。In the wet shear disruption method (Method 1) according to the present invention, two drying methods, freeze-drying and hot plate drying, were applied to dry the treated liquid after wet shear disruption, and the extraction efficiency was compared. First, the case of "freeze-drying the shear disruption liquid" shown on the left side of Figure 22 showed the largest amount of astaxanthin extraction compared to all other methods.
他方、その右隣の「剪断破砕→ホットプレート乾燥」は剪断破砕液をホットプレートで乾燥(120℃)した場合を示している。この場合、アスタキサンチン抽出量は15.5から4.77[mg/g-乾燥シスト]に低下した。これは乾燥時にアスタキサンチンが高温の空気に触れた事による低下を示している。この事からも、アスタキサンチンのような抗酸化性が高い物質は高温の酸素と接触する処理を避けることが望ましいことが分かる。 On the other hand, the result to the right of it, "shear crushing → hot plate drying," shows the case where the shear crushing liquid was dried on a hot plate (120°C). In this case, the amount of astaxanthin extracted decreased from 15.5 to 4.77 [mg/g-dried cysts]. This indicates that the decrease is due to the astaxanthin coming into contact with high-temperature air during drying. This also shows that it is desirable to avoid processing that exposes highly antioxidant substances such as astaxanthin to high-temperature oxygen.
方法2の「超音波処理→凍結乾燥」の抽出量は6.15[mg/g-乾燥シスト]に留まった。超音波破砕法ではシストの十分な破砕が得られず、そのために温度上昇を全く伴わない凍結乾燥法を行っても低いアスタキサンチン抽出量しか得られないことを示している。
The extraction yield for
続く方法3から方法5は現行法と同様に、乾燥→破砕→抽出という手順を踏んだ方法の比較である。「ホットプレート乾燥」を行った方法3はドラムドライヤーなどを用いて行われている商業規模の乾燥法に最も近い乾燥法である。ホットプレートで乾燥したシストをガラスホモジナイザー内で抽出溶媒と共に破砕した。この破砕法は乾燥した状態でディスクミルなどにより破砕してから抽出する方法よりも高い抽出効率が得られる。また、ここでは、乾燥のみの効果を比較するために、プレート乾燥のみを行った乾燥シストからのアスタキサンチン抽出量も測定した。
The following
その結果、図22の方法3に示されるように、乾燥のみでは2.12[mg/g-乾燥シスト]と最も低いアスタキサンチン抽出量であった。これは乾燥したシスト膜が藻体内への抽出溶媒の侵入の障壁となり内部のアスタキサンチンの溶解・溶出が不十分であったためと考えられた。この乾燥シストをガラスホモジナイザーで破砕しながら抽出を行うと抽出量は9.66[mg/g-乾燥シスト]まで向上した。しかしながら本発明に係る方法1の湿式剪断破壊法の15.5[mg/g-乾燥シスト]には及ばなかった。As a result, as shown in
方法4の凍結乾燥法では、ホットプレート乾燥と同様に、破砕していない乾燥のみのシストからの抽出量は乾燥したシスト外被が抽出障壁となり2.81[mg/g-乾燥シスト]に留まった。ガラスホモジナイズによる外被破砕により7.18[mg/g-乾燥シスト]まで向上したが本発明に係る方法1の湿式剪断破壊法に比べ半量に留まった。In freeze-
方法5では温風乾燥後の乾燥シストからの抽出量が5.64[mg/g-乾燥シスト]に留まり、ガラスホモジナイズしても8.9[mg/g-乾燥シスト]に留まった。温風乾燥法は乾燥方法としては最も容易な方法であるが、乾固したシストが乾燥容器の器壁に強固に張り付き、これを剥がす作業に大きなエネルギーと手間を要した。このことからシストの乾燥法としては不向きな手法であると考えられる。
In
なお、アスタキサンチン抽出量について留意しなければならないのは、図22で示した乾燥シスト1gあたりのアスタキサンチン抽出量は一般に言われている30~40mgよりも低い値となっている。これは試験試料としたヘマトコッカスシストが、実際には細胞の多くがパルメロイド細胞(未成熟シスト)であった事によるものである。モノクロではわかりにくいが図19(a)の破壊前や図20(a)の処理前の写真で見られるように半分以上の細胞が未成熟シストであった。従って、アスタキサンチン抽出量の絶対値が低かったのは原料の状態が理由であり、本発明に係る湿式剪断破壊法が劣るためではない。 It should be noted that the amount of astaxanthin extracted is lower than the commonly-cited 30-40 mg per gram of dried cysts shown in Figure 22. This is because many of the Haematococcus cysts used as test samples were actually palmeloid cells (immature cysts). Although it is difficult to see in black and white, more than half of the cells were immature cysts, as can be seen in the photographs before destruction in Figure 19(a) and before processing in Figure 20(a). Therefore, the reason the absolute value of the amount of astaxanthin extracted was low was due to the state of the raw material, and not because the wet shear destruction method of the present invention was inferior.
また、図23はシスト懸濁液を湿式剪断破壊して凍結乾燥させた試料と、シスト懸濁液を単にホットプレート乾燥させた試料を示す説明図である。モノクロで分かりづらいが、両者は色の鮮やかさが大きく異なる。湿式剪断破壊して凍結乾燥した試料の方が赤色を呈しているのに対し、ホットプレート乾燥した試料は茶色を呈している。 Figure 23 is an explanatory diagram showing a sample in which a cyst suspension was subjected to wet shear disruption and freeze-dried, and a sample in which the cyst suspension was simply dried on a hot plate. Although it is difficult to tell because it is in black and white, the two samples differ greatly in terms of color vividness. The sample subjected to wet shear disruption and freeze-drying is red, while the sample dried on a hot plate is brown.
以上の通り、本発明の湿式剪断処理システム200を用いた湿式剪断破壊法によればヘマトコッカスシストの外被を効率良く破壊することができると共に、シスト内部から漏出したアスタキサンチンを含む処理液を凍結乾燥させることにより、アスタキサンチンの酸化劣化を最小限に抑えながら乾燥シストからアスタキサンチンを効率良く抽出することができるようになる。As described above, the wet shear disruption method using the wet shear processing system 200 of the present invention can efficiently destroy the outer coat of Haematococcus cysts, and by freeze-drying the processing liquid containing astaxanthin that has leaked from inside the cysts, it becomes possible to efficiently extract astaxanthin from the dried cysts while minimizing the oxidative degradation of astaxanthin.
(第3実施形態)
ボトリオコッカス属、特に、Botryococcus brauniiは、アルジナンと呼ばれる難分解性高分子マトリックスの中に房状の群体を形成し、細胞とマトリックスの間に燃料として利用しやすい炭化水素系オイルを大量に蓄積する。その含有量は多いものでは乾燥藻体重量の60%におよび、液体燃料生産法として非常に有望である。
Third Embodiment
The genus Botryococcus, especially Botryococcus braunii, forms cluster-like colonies in a persistent polymer matrix called alginane, and accumulates large amounts of hydrocarbon oils that can be easily used as fuel between the cells and the matrix. The amount of oil can reach 60% of the dry algae weight in some cases, making it a very promising method for liquid fuel production.
藻体内で産生された炭化水素系オイルの抽出について、現行法では種々の有機溶媒を用いて抽出を行っているが、前処理として本発明に係る上記湿式剪断破壊法を適用すれば、その強力な剪断力でマトリックスを破壊し、また、藻体細胞表面に強力に付着しているオイルを引き剥がすことでオイル成分の分離・回収が著しく容易になる。特に、剪断処理液を静置または遠心処理することで、遊離したオイルが層分離することが可能となり、これにより、その後の精製工程を容易にすることが可能となる。Current methods for extracting hydrocarbon oils produced within algae are carried out using various organic solvents, but by applying the wet shear disruption method of the present invention as a pretreatment, the strong shear force destroys the matrix and peels off the oil that is strongly attached to the surface of the algae cells, making it significantly easier to separate and recover the oil components. In particular, by leaving the sheared solution to stand or centrifuging it, it becomes possible to separate the released oil into layers, which makes it easier to carry out the subsequent purification process.
1 リザーブタンク
2 ポンプ
21 ピストン
22 第1スプリング
23 吸込弁
24 第1弁座
25 第1スリーブ
26 イン側連結部
27 吐出弁
28 第2弁座
29 第2スリング
30 第2スリーブ
31 アウト側連結部
32 ヘッドスペース
33 シリンダ
34 コンロッド
35 クランクシャフト
3 吸込配管
4 剪断処理部
41 バルブシート部
41a 第1流路
41b 第1面
41c 狭路
41d 第1周溝
42 バルブ部
42a 第2面
42b 側面
42c ロッド部
42d 第2周溝
43 ハウジング部
44 入口部
45 出口部
46 アクチュエータ部
47 面隙間
5 吐出配管
6 戻り配管
10 低温槽
11 凍結乾燥機
12 第1導入配管
12a 第1遮断弁
13 第2導入配管
13a 第2遮断弁
14 第3導入配管
100 湿式剪断処理システム(剪断処理による微細藻類の外被破壊システム)
200 湿式剪断処理システム(剪断処理による微細藻類の外被破壊システム)
1
200 Wet shear processing system (system for destroying the outer covering of microalgae by shear processing)
Claims (11)
前記処理液の流れの方向を変化させながら前記面隙間(47)を通過させ、
前記処理液の流れと前記狭路(41c)、前記第1面(41b)又は第2面(42a)との間に生じる剪断力により前記細胞の外被を前記処理液中で破壊する
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊法。 A treatment liquid containing cells having an envelope that produces or contains useful substances and that acts as a barrier during drying, extraction, digestion in a living body, and composting is pumped by a pump (2) and passes through a narrow passage (41c) with a narrowed flow path, whereby the treatment liquid collides with a second surface (42a) having a second groove (42d) formed on the movable surface, and then passes through a surface gap (47) formed by a first surface (41b) having a first groove (41d) that can fit into the second groove (42d) formed on an opposing, immovable surface, and the movable second surface (42a); and the treatment liquid passes through the surface gap (47) while changing the flow direction of the treatment liquid;
A method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment, characterized in that the outer coat of the cells is destroyed in the treatment liquid by shear force generated between the flow of the treatment liquid and the narrow passage (41c), the first surface (41b) or the second surface (42a).
前記処理液が前記面隙間(47)を通過する際、前記面隙間(47)の閉じる方向に前記第2面(42a)を所定の圧力条件で加圧する
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊法。 The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 1,
a step of pressing the second surface (42a) under a predetermined pressure condition in a direction in which the surface gap (47) closes when the treatment liquid passes through the surface gap (47).
前記処理液を往復式の前記ポンプ(2)によって圧送する
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊法。 The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 1 or 2,
The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment, characterized in that the treatment liquid is pumped by the reciprocating pump (2).
前記面隙間(47)を通過させた前記処理液を凍結乾燥させる
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊法。 The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to any one of claims 1 to 3,
and freeze-drying the treatment liquid that has passed through the surface gap (47).
凍結させた前記処理液を大気圧より減圧した環境下に置いて乾燥させる
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊法。 The method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 4,
A method for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment, characterized in that the frozen treatment liquid is placed in an environment reduced in pressure below atmospheric pressure and dried.
処理液を圧送するポンプ(2)と、
前記細胞の外被を破砕する剪断処理部(4)とを備えた剪断処理による微細藻類の外被破壊システムであって、
前記剪断処理部(4)は、圧送した処理液を移送する第1流路(41a)と、
該第1流路(41a)に交差し移動不能な第1面(41b)と、
該第1面(41b)に対向して配置され移動可能な第2面(42a)と、
該第2面(42a)を収容する第2流路(43a)とを備え、
前記第1流路(41a)には流路が絞られた狭路(41c)が移動可能な前記第2面(42a)に対向する形態で形成され、且つ
前記第1面(41b)の表面には第1の溝(41d)が形成され、且つ
前記第2面(42a)の表面には前記第1の溝(41d)に嵌合可能な第2の溝(42d)が形成されると共に、
前記処理液は、前記狭路(41c)並びに、前記第1面(41b)と前記第2面(42a)との間に形成される面隙間(47)を通過し、
前記処理液の流れと前記狭路(41c)、前記第1面(41b)又は第2面(42a)との間に生じる剪断力を受け、これにより前記細胞の外被が破壊され前記有用物質を前記処理液中に漏出させる
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 A tank (1) for storing a treatment liquid containing cells having an envelope that produces or contains useful substances and that acts as a barrier during drying, extraction, digestion in vivo, and composting;
A pump (2) for pumping the treatment liquid;
A system for destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment, comprising a shearing treatment section (4) for crushing the outer coat of the cells,
The shear treatment section (4) includes a first flow path (41a) for transporting the pressure-fed treatment liquid;
a first surface (41b) that intersects the first flow path (41a) and is immovable;
a second surface (42a) disposed opposite the first surface (41b) and movable;
a second flow path (43a) that accommodates the second surface (42a);
A narrow passage (41c) in which the flow path is narrowed is formed in the first flow path (41a) in a form facing the movable second surface (42a), and a first groove (41d) is formed in the surface of the first surface (41b), and a second groove (42d) capable of being fitted into the first groove (41d) is formed in the surface of the second surface (42a),
The treatment liquid passes through the narrow passage (41c) and a surface gap (47) formed between the first surface (41b) and the second surface (42a) ,
The cells are subjected to a shear force generated between the flow of the processing liquid and the narrow passage (41c), the first surface (41b) or the second surface (42a), which causes the cell coat to break down and the useful substance to leak into the processing liquid.
A system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment.
前記第2面(42a)を前記第1面(41b)に押し付ける方向に所定の圧力条件で加圧するアクチュエータ部(46)を備える
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 The system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 6,
A system for destroying the outer coat of microalgae by shearing treatment, comprising: an actuator unit (46) that applies pressure under predetermined pressure conditions in a direction pressing the second surface (42a) against the first surface (41b).
前記剪断処理部(4)と前記タンク(1)を連結する戻り配管(6)を備える
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 The system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 6 or 7,
A system for destroying the outer shell of microalgae by shear treatment, comprising a return pipe (6) connecting the shear treatment section (4) and the tank (1).
前記ポンプ(2)は、シリンダ(33)と、シリンダ(33)内を往復するピストン(21)と、前記シリンダ(33)と前記ピストン(21)によって形成されるヘッドスペース(32)と、前記ヘッドスペース(32)に処理液を充填するための吸込弁(23)と、前記ヘッドスペース(32)から処理液を送り出すための吐出弁(27)とを備えた往復式ポンプである
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 The system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to any one of claims 6 to 8,
the pump (2) is a reciprocating pump comprising a cylinder (33), a piston (21) reciprocating within the cylinder (33), a headspace (32) formed by the cylinder (33) and the piston (21), a suction valve (23) for filling the headspace (32) with a treatment liquid, and a discharge valve (27) for discharging the treatment liquid from the headspace (32).
前記面隙間(47)を通過させた前記処理液を凍結させる低温槽(10)と、
凍結させた前記処理液を乾燥させる凍結乾燥機(11)とを備える
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 The system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to any one of claims 6 to 9,
a low-temperature bath (10) for freezing the treatment liquid that has passed through the surface gap (47);
A system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment, comprising: a freeze dryer (11) for drying the frozen treatment liquid.
前記凍結乾燥機(11)は凍結させた前記処理液を大気圧より減圧した環境下で乾燥させる
ことを特徴とする剪断処理による微細藻類の外被破壊システム。 The system for destroying the outer coat of microalgae by shear treatment according to claim 10,
The freeze-drying machine (11) dries the frozen treatment liquid in an environment reduced in pressure below atmospheric pressure.
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