漂白微生物细胞的系统和方法与流程

漂白微生物细胞的系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年7月7日提交的美国临时专利申请号63/048,691的优先权权益，所述申请通过引用整体并入本文。
技术领域
2.本技术的实施方案总体上涉及微生物技术，具体涉及用于物理漂白微生物细胞的系统和方法。


背景技术：

3.某些类型的藻类被用作食物来源。然而，市售的藻粉具有深绿色的颜色和强烈的气味和味道。需要对藻粉进行改进。
附图说明
4.通过结合以下附图对一些示例性实施方式进行的详细描述，将更容易理解本公开：
5.图1描绘了根据一个实施方式的处理系统和生长系统的示意图。
6.图2a和图2b描绘了根据一个实施方式的使悬浮液同心地围绕光源流动的示例性系统。
7.图3描绘了根据一个实施方式的处理系统的示意图。
8.图4描绘了根据一个实施方式的培养和处理生物质的示例性方法，其中，生物质在处理期间处于悬浮液中。
9.图5描绘了根据一个实施方式的培养和处理生物质的示例性方法，其中，生物质在处理期间是干燥的。
具体实施方式
10.现在将描述本公开的各种非限制性实施方式，以提供对本文公开的系统和方法的结构、功能和用途的原理的全面理解。这些非限制性实施方式中的一个以上示例在附图中示出。本领域的普通技术人员将理解，本文具体描述的和附图中显示的系统和方法是非限制性的实施方式。结合一个非限制性实施方式显示或描述的特征可以与其他非限制性实施方式的特征组合。此类修改和变化旨在包括在本公开的范围内。
11.在整个说明书中，对“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”、“一些示例性实施方式”、“一个示例性实施方式”或“一个实施方式”的引用表示结合任意实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中的适当位置出现的短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”、“一些示例性实施方式”、“一个示例性实施方式”或“在一个实施方式中”不必都是指相同的实施方式。此外，可以在一个以上实施方式中以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。
12.本文描述的是活跃地漂白微生物生物质(例如藻类或其他类型的生物质)的示例性实施方式。在一个实施方式中，微生物生物质是微藻生物质，漂白的微藻可以富含蛋白质。在一些实施方式中，系统和方法可用于生产藻类，所述藻类用于食品生产、动物饲料生产和其他食品或饲料添加剂的用途。
13.在一个示例性实施方式中，非化学的系统和方法可以提供漂白的材料或生物质，所述漂白的材料或生物质具有减弱的颜色、味道或气味。因为漂白方法可以是环保的、基于光的或其他非化学的，所以在至少一个实施方式中没有使用可能有害的漂白化学品。例如，可以不直接加入化学漂白剂来引起漂白；而是，由于基于外部或环境的活性漂白过程，生物质内可自然地发生化学反应。应当理解，各种非化学的或物理的系统和方法可以与适合不同应用的化学技术相结合。
14.本文讨论的实施例仅是示例，提供所述实施例以帮助解释本文描述的装置、设备、系统和方法。除非明确指定为强制性的，否则附图中所示的或以下讨论的任何特征或组件均不应被视为对于任何装置、设备、系统或方法的任何具体实施而言是强制性的。为了清楚和便于阅读，可能仅结合特定附图来描述某些组件、模块或方法。未具体描述的组件的任何组合或子组合不应被理解为表示任何组合或子组合是不可能的。此外，对于描述的任何方法，无论该方法是否结合流程图进行描述，都应理解，除非上下文另有规定或要求，否则在实施方法时所执行的步骤的任何显式或隐式排序都不暗示这些步骤必须按照给出的顺序执行，而是可以以不同的顺序执行或并行执行。
15.本文描述的示例性实施方式可以最大程度地降低或消除刺激性漂白化学品的使用，同时从微生物生物质中释放出高价值的生物基产品。示例性实施方式可以在创建能够经济地生产漂白微生物生物质的系统中发挥有益作用，所述漂白微生物生物质用于食品生产、动物饲料生产、食品或饲料添加剂的用途或用于任何其他合适的目的。此外，本文所述的实施方式可以产生漂白的微生物生物质，而无需加热、添加可能需要碱性悬浮液的吸收剂或抑制二氧化碳的产生。
16.示例性实施方式可以包括藻类生长系统或机械化收获系统，机械化收获系统可以从附着材料原位去除浓缩的藻类并且可以最大程度地降低收获后所需的脱水量。
17.参考图1，其公开了处理系统10的示例性实施方式。微生物生物质可以混合在液体中形成悬浮液。液体的合适示例包括但不限于：水、微生物生长培养基或微生物生长肉汤。微生物生物质在液体中的浓度可以变化。在一些实施方式中，浓度可以是大于每升液体0.01至100克干生物质/，或大于0g/l至10g/l，或大于5g/l至9g/l。在一个实施方式中，压力可以是环境压力。引导悬浮液通过一根以上的管12，所述一根以上的管12暴露于一种以上的人造光14中。当悬浮液通过管12时，来自光14的能量漂白微生物生物质。例如，来自光14的能量可以降解存在于微生物生物质中的叶绿素。在各种实施方式中，来自光14的能量损害、杀灭或裂解微生物细胞。裂解微生物细胞可以为经处理的生物质提供益处，例如，全细胞藻类很难或不能被人或动物消化，裂解藻类生物质的细胞可以使经处理的生物质更容易被人或动物消化。在一个实施方式中，生物质的细胞是未裂解的，经处理的生物质可被加工以破裂、破碎或瓦解经处理的生物质中的细胞。
18.如图所示，考虑了系列设计，这可以是一种简单且具有成本效益的设计，因为此类系统可以最大程度地降低空间浪费的量并且可以最大程度地提高小的区域中漂白生物质
的量。管12串联布置，连接器16与每个管12流体(fluidically)连接。然而，其他实施方式可包括任何配置，所述配置包括朝向微生物生物质的光。在一个实施方式中，管12可以围绕光14。例如，如图2a和2b所示，光14可以与管12同心，其中的悬浮液围绕光14。同心管系统的示例包括来自glasco uv的il-tf-5000-1。此类配置可以有利于最大程度地增加与微生物生物质接触的光的量。然后，可以从悬浮液中分离经处理的生物质。应当理解，可以使用各种技术(例如通过过滤器或离心机)分离经处理的生物质。然后，可以对分离的经处理的生物质进行干燥。然后，可以包装干燥的经处理的生物质。
19.管12的尺寸或直径以及流量可以变化。例如，管的直径可以为0.1至100cm，或者管径可以更大。管12的尺寸可以基于暴露的表面积与工作体积的比率来确定。管12可以是透明的或半透明的，其可以由例如玻璃制成。管12和任何相关的组件可以是可移动的或可移除的，以用于清洁、更换、调整等。应当理解，这种移动可以是手动的，或者可以是自动的(如果需要)。此外，悬浮液通过管12的流量可以变化。在一些实施方式中，流量可以为0.1l/min至10,000l/min。应当理解，管12的流量和配置可以基于微生物生物质暴露于光的所需时间来确定。
20.在一个实施方式中，处理系统10可以包括用于取样的管线18。可以对样品进行分析以确定处理的进展，如下文进一步讨论的。
21.在一些实施方式中，悬浮液在其移动经过光时可经受湍流。例如，可以通过增加通过管的流体速度来产生湍流。在一个实施方式中，湍流可具有大于4,000的雷诺数。在各种实施方式中，可以通过增加细胞悬液流量、减小管直径、增加流速、增加细胞悬液密度、降低细胞悬液运动粘度或它们的组合来产生湍流。
22.光的波长可以变化。在一个实施方式中，光可以是全光谱光。在一些实施方式中，光的波长可以在紫外光的范围内(例如，排除非紫外光范围的波长)，例如在uv-c光的范围内，或在uv-b的范围内。在一个实施方式中，光可以是非电离光。例如，在一个实施方式中，光是非电离的uv-a光。波长可以为例如1nm至450nm、390nm至420nm、390nm至410nm、400nm至420nm，或400nm至410nm。使用非电离光避免了对微生物生物质的电离刺激，可以使最终产品被标记为有机食品。使用黑光波长(例如uv-a光)，悬浮生物质的液体不需要是碱性的。与白光波长相比，当使用黑光波长时不需要抑制或消除二氧化碳。在一个实施方式中，co2可以存在于悬浮液中。该方法可以在不加热或不向悬浮液中添加吸附剂的情况下进行。此外，与白光相比，使用紫外光所需的能量更少。
23.除了波长之外的光的参数可以变化。在各种实施方式中，瓦数可以为100w至1,000,000w、100w至500,000w、100w至100,000w、100w至50,000w、100w至10,000w或100w至1,000w。例如，瓦数可以是1000w。光子通量也可以变化。在各种实施方式中，光子通量可以为100μmol/(m2·
s)至100,000μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至50,000μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至10,000μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至5,000μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至1500μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至1000μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至750μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至500μmol/(m2·
s)、100μmol/(m2·
s)至200μmol/(m2·
s)、4,000μmol/(m2·
s)至100,000μmol/(m2·
s)，或10,000μmol/(m2·
s)至100,000μmol/(m2·
s)。光子通量也可以大于100,000μmol/(m2·
s)。
24.悬浮液暴露于光的时间长度可以变化。例如，悬浮液可以暴露在光下几分钟到几
天。在一些实施方式中，暴露时间可以小于1小时、1分钟至1小时、1分钟至8小时、1分钟至1天、1分钟至10天、约1分钟、约10分钟、约1小时、1小时到3小时、1小时到1天、约1天、1天到10天，或者约10天。此外，悬浮液可以在光照和黑暗环境之间交替。
25.在各种实施方式中，处理程序还可以包括对微生物生物质施加热量。在各种实施方式中，热源可以是光、外部热源或它们的组合。在示例性实施方式中，悬浮液的温度可以为40℃至60℃。在一个实施方式中，悬浮液可以在最初处于室温，在施加光的期间，温度可以升高到40℃至60℃，在施加光的剩余期间保持在该温度下。在各种实施方式中，热可以与光同时或分开施加。
26.各种实施方式可以包括培养和收获微生物生物质，例如，在发酵罐、开放式跑道池(open raceway ponds)、光生物反应器或基于生物膜的系统(例如旋转藻类生物膜(rab)光生物反应器)中。示例性的培养和收获系统在国际专利申请公开号wo2014/153211中有所描述，其公开内容整体并入本文。再次参考图1，示例性实施方式包括其中培养生物质的发酵系统20。发酵系统20可包括原料储存器22和发酵罐24。原料储存器22可以包括入口26和出口28。可以通过原料储存器22的入口26提供微生物生长培养基，该微生物生长培养基包括例如碳源、氮源、磷源和微量营养素。原料储存器22的出口28可以流体连接到发酵罐24的入口30。发酵罐24的尺寸可以基于应用而显著变化。例如，发酵罐24的尺寸可以为例如5l至100l、例如约50l，或者可以在数百万加仑的范围内。发酵罐24中液体的密度可以变化，其可以是例如50g/l。发酵罐24的出口32可以流体连接到处理系统10。
27.如图1所示，处理系统10可以包括泵34或任何其他合适的致动器或流体控制器。泵34可以引导悬浮液通过管12。类似地，在一个示例性实施方式中，发酵系统20可以包括泵36，泵36将原料从原料储存器22引导至发酵罐24。泵34、36中的一个以上可以是电动泵、轮、桨轮，或者可以具有任何其他合适的配置以产生任何期望的流动模式。应当理解，泵34、36可以加热、冷却或以其他方式调节与悬浮液或原料相关的条件。还应当理解，泵34、36和任何其他合适的组件可以与计算机、控制器或微控制器相关联，所述计算机、控制器或微控制器可以被编程以提供任何合适的自动化功能。
28.参考图3，在一个实施方式中，处理系统10可以包括储液器38，储液器38被配置为包含一定体积的悬浮液。管12可以流体连接到储液器38，使得悬浮液可以通过管12从储液器38再循环。在一个实施方式中，储液器38可以是不透明的，使得悬浮液在储液器38中时处于黑暗环境中。涉及悬浮液再循环的示例性配置可被认为是分批过程，而诸如图1中的示例性配置可被认为是连续过程。在一个实施方式中，处理系统10可被配置为使悬浮液暴露于光14的时间比其被包含在储液器38中的时间更长。
29.应当理解，可以使用任何合适的微生物生物质，例如藻类(包括蓝藻细菌)、细菌或真菌菌株(例如可用于食品生产、动物饲料生产，或食品或饲料添加剂生产的菌株)。此类菌株可以包括小球藻属种(chlorella sp.)(例如，蛋白核小球藻(chlorella pyrenoidosa))、衣藻属种(chlamydomonas sp.)、葡萄藻属种(botryococcus sp.)(例如，布朗葡萄藻(botryococcus braunii))、褐指藻属种(phaeodactylum sp.)、海链藻属种(thalassiosira sp.)、微拟球藻属种(nannochloropsis sp.)或等鞭金藻属种(isochrysis sp.)。在一个实施方式中，向发酵罐24分批进料5-孢子形成培养基。在处理程序之前，微生物生物质可以是活的或者例如冷冻的。可以针对任何合适的物种优化任何合
适的参数，例如光强度、光波长、暴露时间等。应当理解，列出的属和种是以示例的方式描述的，还预期其他属和种以及组合。此外，生物质可以是非微生物的。例如，生物质可包括植物材料、蛋白质、肉或其他食物成分。生物质可包括材料的组合(例如，微生物和非微生物)。
30.与处理程序之前的微生物生物质相比，处理后的生物质具有减弱的颜色、味道和气味。例如，微生物生物质的初始颜色可以是绿色，漂白后的颜色可以是浅棕色或白色。漂白后的颜色可以和小麦面粉的颜色类似。颜色的变化可以使用例如色度计测量。可以测量颜色坐标的变化以确定由漂白程序引起的颜色变化的程度。在一个示例性实施方式中，可以使用l*a*b*坐标。对于红/绿坐标(a*)，“a
‑”
或a*的负值表示绿色，“a+”或a*的正值表示红色。在各种实施方式中，处理后颜色的a*坐标可以为-2至-0.5。在各种实施方式中，处理后颜色的a*坐标可为-0.2至0.2、或-0.1至0.2、或-0.1至0.1，或可以为约-0.1、约零或零。对颜色和颜色变化进行量化的示例性方法可以参见：pedreschi等，“development of a computer vision system to measure the color of potato chips”，food research international，2006年，第39卷，第10期，第1092-1098页，https://doi.org/10.1016/j.foodres.2006.03.009；yam等，“a simple digital imaging method for measuring and analyzing color of food surfaces”，journal of food engineering，2004年，第61卷，第1期，第137-142页，https://doi.org/10.1016/s0260
ꢀ‑
8774(03)00195-x；以及，nakamura等，“analysis of the color change in fish during the grilling process”，food science and technology research，2011年，第17卷，第6期，第471-478页。每一篇均通过引用整体并入本文。
31.初始的气味可能很强烈或有鱼腥味，处理后的气味可能较不明显。在一个实施方式中，可以使用嗅觉计和气味测定分析来确定气味。一些引起“鱼腥”气味的化合物可以包括土臭素(反式-1,10-二甲基-反式-9-萘烷醇)和mib(2-甲基异冰片)。对颜色和颜色变化进行量化的示例性方法可以参见：shinoda等，“using spme-gc/rempi-tofms to measure the volatile odor-active compounds in freshly cooked rice”，acs omega，2020年，第5卷，第32期，第20638-20642页；najib等，“fish quality study using odor-profile case-based reasoning(cbr)classification technique”，arpn journal of engineering and applied sciences，2016年，第11卷，第10期，第1-6页；wise等，“quantification of odor quality”，chemical senses，2000年，第25卷，第4期，第429-443页；以及qin等，“changes in aroma profile of shiitake mushroom(lentinus edodes)during different stages of hot air drying”，foods，2020年，第9卷，第4期，444。每一篇均通过引用整体并入本文。经处理的生物质的蛋白质含量可以大于50％，例如为50％至80％、60％至80％或60％至70％，或约64％。经处理的生物质的碳水化合物含量可以是5％至30％，或约23％。经处理的生物质的脂质含量可以是5％至25％，或约10％。经处理的生物质还可以包括矿物质、盐和金属。此外，处理可导致生物质的灭菌或消毒。例如，光处理可以杀灭生物质中的微生物，当经处理的生物质被食用时，这些微生物是有害的或不需要的。
32.现在参考图4，图4显示了根据一个实施方式的在悬浮液中培养藻类和处理藻类的示例性方法100。准备102藻类种子用于高密度发酵104。发酵程序104完成后，将绿藻从发酵液中浓缩或分离106。然后悬浮108绿藻细胞。如上所述，悬浮液的示例包括但不限于水、微
生物生长培养基或微生物生长肉汤。然后可以使藻类悬浮液经受处理程序110(例如，使用处理系统10)，藻类细胞在处理程序110中被漂白。可以对漂白的藻类细胞进行浓缩112。裂解步骤或程序114可以包括在处理系统不引起细胞裂解的实施方式中，或者作为附加步骤以确保所有或基本上所有细胞被裂解。然后可以将漂白的藻类干燥并任选地进行表征116(例如，用于质量保证或控制，或用于指定藻类用于某些用途或应用)。然后可以对漂白的藻类进行包装和储存或运输118。
33.虽然以上描述是针对处理悬浮液中的微生物生物质的，但该技术不限于此。在一些实施方式中，微生物生物质在处理期间可以是干粉形式。可以在处理程序中混合或搅动干生物质，以帮助确保生物质得到均匀或一致的处理。在一个实施方式中，可以使用气动技术混合干生物质，也可以使用该技术将干生物质输送通过处理系统。与悬浮液中的生物质相比，干生物质的处理体积减少，因此可以减少干生物质的处理时间。
34.参考图5，图5显示了根据一个实施方式的以干燥形式培养藻类和处理藻类的示例性方法200。如上所述，可以准备202藻类种子用于高密度发酵204。发酵程序204完成后，将绿藻从发酵液中浓缩或分离206。在一个实施方式中，可以使绿藻在漂白处理之前经受裂解程序208。然后可以将绿藻干燥210成粉末形式。然后可以使干燥的绿藻经受处理程序212(例如，使用处理系统10)，藻类细胞在处理程序212中被漂白。在一个实施方式中，可以使用空气气动地移动干燥粉末以通过处理程序。然后可以对漂白的藻类进行包装和储存或运输214。尽管方法100、200是被描述为关于培养和处理藻类的，但其他类型的生物质也可以用在本文所述的方法中。
35.尽管上述实施方式是针对微生物生物质的，但该技术不限于此。在一些实施方式中，本文所述的漂白方法和系统可用于处理植物生物质。
36.可以通过参考实施例进一步理解本公开，实施例的概述和详细描述如下。这些实施例是以阐明的方式提供的，并不表示限制。实施例1
37.进行测试以确定是否可以用光漂白微藻。起始材料是小球藻atcc 53170，培养基是atcc 5孢子形成培养基。微藻接受10天的光照(样品1)和1天的光照(样品2)，以及无光照(对照样品)。将测试样品放置在外径为1.75厘米的玻璃管中。样品1暴露在白光下10天，光子通量为100至200μmol/(m2·
s)，样品1变白。样品2暴露在光下1天，光子通量为740μmol/(m2·
s)，样品2变白。样品1和2在轨道摇床上以120rpm的速率连续摇动。对照样品在黑暗条件下保存在封闭的培养箱中，保持绿色。实施例2
38.使用各种波长进行测试，包括：紫外光、蓝光、白光(例如，全光谱光)、绿光和红光。起始材料是小球藻atcc 53170，培养基是atcc 5孢子形成培养基。将测试样品放置在外径为1.75厘米的玻璃管中。测试样品暴露在各种光下2小时，光子通量为10,000μmol/(m2·
s)。测试样品在轨道摇床上以120rpm的速率连续摇动。
39.结果：以下类型的光从最强的漂白效果(视觉分析)到最弱的漂白效果排序：紫外光》蓝色》白色》绿色》红色。特别地，在相同的漂白设置下，使用紫外光可以将总漂白时间缩短至0.5小时。结果表明，漂白所用的光的频率越高，漂白效果越好。实施例3
40.进行了实验室规模的漂白试验。起始材料是蛋白核小球藻atcc 53170，培养基是atcc 5孢子形成培养基。将藻类种子接种到装有100ml改良atcc 5孢子形成培养基的250ml锥形瓶中。接种率设置为5％。改良atcc 5孢子形成培养基的关键参数是：20g/l葡萄糖和8:1c/n比用于培养物1，30g/l葡萄糖和10:1c/n比用于培养物2。在收获前，将藻类置于黑暗中在28℃下培养10天。将培养瓶放在振荡速率为120rpm的轨道摇床上。收获时的细胞密度约为8至10
×
108个细胞/ml。
41.通过以5000rpm离心10分钟收获藻类细胞。在细胞漂白程序之前，将收获的藻类糊状物重新悬浮在1g/l的葡萄糖溶液中。细胞悬浮后，细胞密度约为2.7至3.3
×
108个细胞/ml。
42.将含有重悬浮的藻类细胞的溶液置于强白光下漂白1小时。光强度保持在5,000μmol/(m2·
s)。将整个漂白系统置于振荡速率为120rpm的轨道摇床上。在整个漂白程序中，将藻细胞溶液的温度升高并保持在50℃。所得细胞包含64％的蛋白质、23％的碳水化合物、10％的脂质和3％的灰分。
43.在本文公开的各种实施方式中，多个组件可以被单个组件替代、单个组件可以被多个组件替代以执行给定的一个以上功能。除非此类替换不起作用，否则此类替换在实施方式的预期范围内。
44.附图中的一些可以包括流程图。尽管此类图可以包括特定的逻辑流程，但是可以理解，逻辑流程仅提供一般功能的示例性实施。此外，除非另有说明，否则逻辑流程不一定必须按照呈现的顺序执行。此外，逻辑流程可由硬件元件、由计算机执行的软件元件、嵌入硬件中的固件元件或它们的任意组合来实施。
45.已经出于说明和描述的目的呈现了前述实施方式和实施例的描述。这并非旨在穷举或限制于所描述的形式。鉴于上述教导，许多修改是可行的。已经讨论了那些修改中的一些，本领域的技术人员将理解其他的修改。选择和描述这些实施方式是为了最好地阐明适用于预期的特定用途的各种实施方式的原理。当然，范围不限于本文阐述的示例，而是可以由本领域的普通技术人员在任何数量的应用和等同设备中使用。更确切地说，本发明的范围在此旨在由所附权利要求限定。