在工業(yè)過程中用于防治微生物的有機(jī)酸的協(xié)同組合的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及抗微生物劑的協(xié)同組合及其在工業(yè)過程、材料或產(chǎn)品中用于防治微生 物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微生物，如酵母、真菌和細(xì)菌，用于生產(chǎn)許多種發(fā)酵產(chǎn)品，如工業(yè)級(jí)乙醇、白酒、啤 酒、葡萄酒、藥物和保健食品（提供健康益處的食品、如強(qiáng)化食品和膳食補(bǔ)充劑）、烘焙工業(yè) 和工業(yè)化學(xué)品。
[0003] 酵母通常用于發(fā)酵過程。一種常用的酵母是釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)、主要用于烘焙和發(fā)酵的物種。非酵母菌屬酵母也稱作非傳統(tǒng)酵母，也用于生 產(chǎn)許多種商業(yè)產(chǎn)品。
[0004] 其他微生物也可用于生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。例如，纖維素乙醇生產(chǎn)，由纖維素生物質(zhì) 生產(chǎn)乙醇，是使用真菌和細(xì)菌。這些分解纖維素真菌的例子包括里氏木霉（Trichoderma reesei)和綠色木霉（Trichodermaviride)。用于纖維素乙醇生產(chǎn)的細(xì)菌的一個(gè)例子是永 達(dá)爾梭菌（ClostridiumIjungdahlii) 〇
[0005] 大多數(shù)用于釀酒廠和燃料乙醇廠的酵母購(gòu)自特殊酵母的生產(chǎn)商。該酵母是通過繁 殖過程生產(chǎn)的。繁殖涉及由小實(shí)驗(yàn)室酵母培養(yǎng)生長(zhǎng)大量的酵母。在繁殖期間，向酵母供應(yīng) 通過有氧呼吸最佳生長(zhǎng)所需或所期望的氧、氮、糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和離子。
[0006] 以前在釀酒廠，可以對(duì)酵母進(jìn)行調(diào)理（conditioning)。調(diào)理與繁殖的區(qū)別在于其 不涉及由小實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)大量生長(zhǎng)。在調(diào)理期間，提供條件以使酵母再水合，將其由冬眠喚 醒，并允許最大的厭氧生長(zhǎng)和增殖。繁殖和調(diào)理的目的均是以高的存活率、高的出芽率及低 水平的被其他微生物的侵染向發(fā)酵罐供應(yīng)大體積的酵母。
[0007] 在繁殖和/或調(diào)理之后，酵母進(jìn)入發(fā)酵過程。酵母在水溶液中與可發(fā)酵糖相結(jié)合。 酵母消耗糖，將其轉(zhuǎn)化成脂肪醇，如乙醇。
[0008] 發(fā)酵過程以可發(fā)酵碳水化合物的制備開始。在乙醇生產(chǎn)中，玉米是一種可能的可 發(fā)酵碳水化合物。也可以代替其他碳水化合物，包括谷粒和含有纖維素-淀粉的材料，如小 麥或西非高粱。也可以使用纖維素生物質(zhì)，如麥桿和玉米秸桿。近年來，纖維素乙醇生產(chǎn)受 到關(guān)注，因?yàn)槠涫褂萌菀撰@得的非食物生物質(zhì)以形成有價(jià)值的燃料。
[0009] 繁殖、調(diào)理和發(fā)酵過程可以采用分批或連續(xù)方法實(shí)施。分批過程用于小規(guī)模生產(chǎn)。 每個(gè)批次完成后，開始一個(gè)新的批次。連續(xù)發(fā)酵法用于大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)連續(xù)供應(yīng)， 無需每次重啟。
[0010] 在繁殖、調(diào)理或發(fā)酵過程中，醪液或發(fā)酵混合物可能變得被其他微生物如腐敗菌 污染。這些微生物與期望種的酵母競(jìng)爭(zhēng)可發(fā)酵糖及其他可發(fā)酵碳水化合物，及延緩所期望 的生物化學(xué)反應(yīng)，由此降低產(chǎn)率。它們還會(huì)產(chǎn)生非期望的化學(xué)副產(chǎn)物，其會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵批 次酸敗。
[0011] 乙醇生產(chǎn)者嘗試增加由一蒲式耳谷粒（約56鎊（25. 4千克））產(chǎn)生乙醇的量。被 微生物污染會(huì)降低酵母的功效，從而難以達(dá)到或超過每蒲式耳2. 8至2. 9加侖乙醇（0. 42 至0.44升每千克）的所期望的水平。降低微生物的濃度會(huì)促進(jìn)酵母繁殖和/或調(diào)理及提 高酵母功效，從而能夠達(dá)到和超過這些所期望的水平。
[0012] 在這三個(gè)過程任一期間，酵母會(huì)變得被非期望的酵母，細(xì)菌或其他非期望的微生 物污染。這會(huì)在用于繁殖、調(diào)理或發(fā)酵的許多容器之一中發(fā)生。This包括但不限于繁殖罐、 調(diào)理罐、發(fā)酵劑罐、發(fā)酵罐以及在這些單元之間的管線和熱交換器。
[0013] 細(xì)菌或微生物污染以三種主要的方式降低發(fā)酵產(chǎn)率。首先，可用于酵母生產(chǎn)酒精 的糖被細(xì)菌或其他非期望的微生物消耗及偏離酒精生產(chǎn)，降低產(chǎn)率。其次，細(xì)菌代謝的最終 產(chǎn)物如乳酸和乙酸抑制酵母生長(zhǎng)及酵母發(fā)酵/呼吸，這導(dǎo)致較低效率的酵母生產(chǎn)。最后，細(xì) 菌或其他非期望的微生物與酵母競(jìng)爭(zhēng)除糖以外的營(yíng)養(yǎng)素。
[0014] 在發(fā)酵系統(tǒng)或容器變得被細(xì)菌或其他非期望的微生物污染之后，這些細(xì)菌或其他 微生物的生長(zhǎng)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于所期望的酵母。該細(xì)菌或其他微生物與酵母競(jìng)爭(zhēng)可發(fā)酵糖，及 延緩所期望的生物化學(xué)反應(yīng)，由此降低產(chǎn)率。細(xì)菌還產(chǎn)生非期望的化學(xué)副產(chǎn)物，其會(huì)導(dǎo)致整 個(gè)發(fā)酵批次酸敗。去除這些細(xì)菌或其他非期望的微生物允許所期望的酵母茁壯成長(zhǎng)，這產(chǎn) 生更高的生產(chǎn)效率。
[0015] 乙醇產(chǎn)率僅降低百分之一也是對(duì)燃料乙醇工業(yè)特別重要的。在較大的設(shè)備中，這 樣的效率下降會(huì)導(dǎo)致每年1百萬(wàn)至3百萬(wàn)美元的收入減少。
[0016] 在繁殖、調(diào)理和發(fā)酵期間減少細(xì)菌或其他非期望的微生物的一些方法的優(yōu)點(diǎn)在于 酵母相對(duì)于其他微生物具有更高的溫度和PH耐受性。這是通過施加熱量或降低酵母溶液 的PH實(shí)現(xiàn)的。然而，這些方法對(duì)于延緩細(xì)菌生長(zhǎng)不是完全有效的。此外，所期望的酵母微 生物在存活期間被壓制，不被認(rèn)為是有活力或健康的。因此，酵母也不能發(fā)揮作用。
[0017] 在乙醇工業(yè)中主要趨勢(shì)是在發(fā)酵開始時(shí)降低醪液（原料）的pH至小于4. 5。降低 醪液的pH會(huì)減少一些種的細(xì)菌的種群數(shù)量。然而減少成問題的細(xì)菌的功效明顯更低，如乳 酸生成菌。由于用于乙醇生產(chǎn)的酵母被壓制，也顯然降低乙醇產(chǎn)率。
[0018] 另一個(gè)方法涉及用磷酸洗滌酵母。該方法不能有效地殺滅細(xì)菌及其他微生物。也 會(huì)壓制用于乙醇生產(chǎn)的酵母，從而降低其功效。
[0019] 另一個(gè)方法是在批次之間通過加熱或使用苛性化學(xué)品以對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行殺菌。這 在生產(chǎn)期間對(duì)于殺滅酵母混合物中的細(xì)菌和其他微生物是無效的。
[0020] 在另一個(gè)方法中，將抗生素添加至酵母繁殖、調(diào)理或發(fā)酵批次，以使細(xì)菌失效。發(fā) 酵工業(yè)典型地將抗生素用于調(diào)理、繁殖和發(fā)酵過程?？股貏┝柯试?. 1至3. Omg/L之間 的范圍內(nèi)，一般不超過6mg/L。然而，在調(diào)理、繁殖和發(fā)酵中使用抗生素仍然存在問題?？股?素價(jià)格昂貴，并且會(huì)大幅增加大規(guī)模生產(chǎn)的成本。此外，抗生素并不是對(duì)所有的細(xì)菌菌株都 有效，如細(xì)菌的抗生素耐藥性菌株。過度使用抗生素會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生細(xì)菌的抗生素耐藥性菌株 的額外的變體。
[0021] 抗生素殘留及產(chǎn)生抗生素耐藥性菌株是全球性的問題。這些考慮可能會(huì)導(dǎo)致將來 出臺(tái)反對(duì)使用抗生素的監(jiān)管行動(dòng)。一個(gè)方面的考慮是用于動(dòng)物飼料的酒糟。酒糟是發(fā)酵過 程的糧渣。歐洲國(guó)家不允許乙醇廠的副產(chǎn)物作為動(dòng)物飼料銷售，若在設(shè)備中使用抗生素。酒 糟銷售占乙醇廠收益的高達(dá)20%。副產(chǎn)物中的抗生素濃度可以在由1至3重量％的范圍 內(nèi)，因此喪失了這一重要的收入來源。
[0022] 此外，在使用抗生素時(shí)還要考慮其他問題?？股氐幕旌衔飸?yīng)當(dāng)頻繁地加以平衡 和改變，以避免單獨(dú)使用，這會(huì)導(dǎo)致抗生素耐藥性菌株。有時(shí)不能將有效量的抗生素添加至 發(fā)酵混合物。例如，使用超過2mg/L的維吉尼霉素會(huì)抑制發(fā)酵，但是要求超過25mg/L以抑 制融合魏斯氏菌（Weisella confusa)的生長(zhǎng)，其是新出現(xiàn)的成問題的細(xì)菌菌株。過度劑量 或過度使用抗生素會(huì)壓制酵母，及損害功效，或?qū)е虏环弦?guī)定。
[0023] 將發(fā)酵用于飲料的工業(yè)在歷史上將酒花酸用于繁殖和發(fā)酵以防治與酵母競(jìng)爭(zhēng)營(yíng) 養(yǎng)素的非期望的微生物。隨著近年來燃料乙醇的擴(kuò)展，以較低的程度使用酒花酸，以針對(duì)非 期望的革蘭氏陽(yáng)性微生物。在酵母與非期望的微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致燃料乙醇的產(chǎn)率損 失，這是因?yàn)榉瞧谕奈⑸镏饕侨闂U菌（Lactobacillus)及醋桿菌（Acetobacter)降 低發(fā)酵的功效。在飲料中，競(jìng)爭(zhēng)微生物不僅降低功效，而且可以改變最終產(chǎn)品的美觀和味 道。
[0024] 有機(jī)酸具有許多應(yīng)用，包括用作酸化劑、緩沖劑、抗氧劑、螯合劑、增效劑、膳食補(bǔ) 充劑、調(diào)味劑、防腐劑和抗微生物劑。有機(jī)酸由于其對(duì)細(xì)菌的作用而用作防腐劑。有機(jī)酸的 作用模式是不溶解的酸通過被動(dòng)擴(kuò)散滲透穿過細(xì)菌細(xì)胞壁，及以兩種方式破壞細(xì)胞的正常 生理：酸溶解，因此降低內(nèi)部pH，其在正常情況下接近中性，損害細(xì)菌的功能。酸的陰離子 部分無法以其溶解形式離開細(xì)胞，在其中累積，破壞代謝功能及提高滲透壓。
[0025] 因?yàn)橐掖籍a(chǎn)率的小幅下降也是對(duì)燃料乙醇工業(yè)特征重要的，所以乙醇生產(chǎn)者總是 尋找提高功效的途徑。使用抗微生物劑以消除、減少或控制含水系統(tǒng)中微生物的數(shù)量。然 而，使用抗微生物劑總是會(huì)增加運(yùn)行和產(chǎn)品的成本。此外，一些抗微生物劑可能在其抗微生 物作用范圍方面具有缺陷或者在其施用方式方面具有操作限制，如缺乏溫度穩(wěn)定性或者易 于由于環(huán)境或化學(xué)因素而滅活。
[0026] 已知在工業(yè)水系統(tǒng)中存在微生物是工業(yè)過程中的一個(gè)重大的問題，導(dǎo)致降低產(chǎn)率 和產(chǎn)品品質(zhì)的問題。其中一個(gè)特別的例子是從玉米至乙醇的生物精煉，其中通過玉米秸桿 將乳酸菌引入該過程。在發(fā)酵期間，這些細(xì)菌與產(chǎn)生乙醇的酵母競(jìng)爭(zhēng)培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)素，這降 低了乙醇產(chǎn)率。目前，幾乎所有的美國(guó)生物精煉廠使用抗菌劑，其中許多使用抗生素如維吉 尼霉素。玉米生物精煉的一種重要產(chǎn)品是用作動(dòng)物飼料的干酒糟，不含抗生素的飼料谷物 的市場(chǎng)在增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)FDA很快會(huì)出臺(tái)減少或消除在動(dòng)物飼料中使用抗生素的規(guī)定。加拿大 類似地關(guān)注酒糟中的抗生素其大多數(shù)生產(chǎn)用于出口。歐洲已經(jīng)禁止在生產(chǎn)酒糟用于動(dòng)物飼 料的乙醇廠使用抗生素。在巴西，在生產(chǎn)用于出口的酵母提取物的工廠以不含抗生素的方 式操作是強(qiáng)制性的。
[0027] 防治微生物對(duì)于許多工業(yè)而言是非常重要的，主要的策略是用抗微生物劑進(jìn)行處 理。使用抗微生物劑以消除、減少或控制含水系統(tǒng)中微生物的數(shù)量。然而，使用大多數(shù)抗微 生物劑會(huì)增加運(yùn)行和產(chǎn)品的成本，