在工業(yè)過程中用于防治微生物的包含二氧化氯和有機酸的抗微生物劑協(xié)同混合物的制作方法
【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)品中在微生物的存 在被認為非期望時用于防治該微生物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知在工業(yè)水系統(tǒng)中存在微生物可以是工業(yè)過程中的一個重大的問題，導(dǎo)致降低 產(chǎn)率、產(chǎn)品品質(zhì)和過程效率的問題。微生物的物理存在會導(dǎo)致問題，如其在熱交換表面上在 生物膜中生長，其在此導(dǎo)致傳熱效率的降低。微生物消耗多種多樣的材料的能力會導(dǎo)致產(chǎn) 率的降低，例如消耗纖維素的微生物在造紙業(yè)中導(dǎo)致產(chǎn)率損失。此外，由污染微生物產(chǎn)生代 謝產(chǎn)物會導(dǎo)致問題，例如其產(chǎn)生酸性產(chǎn)物會導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)問題，或者促成腐蝕問題。
[0003] 然而，在某些工業(yè)中，使用微生物生產(chǎn)許多種發(fā)酵產(chǎn)品，如工業(yè)級乙醇、白酒、啤 酒、葡萄酒、藥物和保健食品（提供健康益處的食品，如強化食品和膳食補充劑）、烘焙工業(yè) 和工業(yè)化學(xué)品。在這些例子中期望的是抑制非期望的微生物的生長及促進期望的微生物的 生長。在此，非期望的微生物競爭培養(yǎng)基或者產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，其干擾期望的產(chǎn)生所期望的最 終產(chǎn)品的微生物的生長。
[0004] 酵母是發(fā)酵過程中常用的微生物。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。
[0005] 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)的細菌的一個例子是永 達爾梭菌（ClostridiumIjungdahlii) 〇
[0006] 大多數(shù)用于釀酒廠和燃料乙醇廠的酵母購自特殊酵母的生產(chǎn)商。該酵母是通過繁 殖過程生產(chǎn)的。繁殖涉及由小實驗室酵母培養(yǎng)生長大量的酵母。在繁殖期間，向酵母供應(yīng) 通過有氧呼吸最佳生長所需或所期望的氧、氮、糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和離子。
[0007] 以前在釀酒廠，可以對酵母進行調(diào)理（conditioning)。調(diào)理與繁殖的區(qū)別在于其 不涉及由小實驗室培養(yǎng)大量生長。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。
[0008] 在繁殖和/或調(diào)理之后，酵母進入發(fā)酵過程。酵母在水溶液中與諸如糖的可發(fā)酵 碳水化合物相結(jié)合。酵母消耗糖，將其轉(zhuǎn)化成脂肪醇，如乙醇。
[0009] 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，玉米是可發(fā)酵碳水化 合物的一種可能的來源。也可以使用其他碳水化合物來源，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，因為其使用容易獲得的非食物生物質(zhì)以形成有價值的燃料。
[0010] 繁殖、調(diào)理和發(fā)酵過程可以采用分批或連續(xù)方法實施。分批過程用于小規(guī)模生產(chǎn)。 每個批次完成后，開始一個新的批次。連續(xù)發(fā)酵法用于大規(guī)模生產(chǎn)，因為其實現(xiàn)連續(xù)供應(yīng)， 無需每次重啟。
[0011] 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爭可發(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。它們還會產(chǎn)生非期望的化學(xué)副產(chǎn)物，其會導(dǎo)致整個發(fā)酵批次酸敗。
[0012] 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 細菌污染會降低酵母的功效，從而難以達到或超過每蒲式耳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。降低細菌的濃度會促進酵母繁殖和/或調(diào)理及提高酵母 功效，從而能夠達到和超過這些所期望的水平。
[0013] 在這三個過程任一期間，酵母會變得被非期望的酵母、細菌或其他非期望的微生 物污染。這會在用于繁殖、調(diào)理或發(fā)酵的許多容器之一中發(fā)生。其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。
[0014] 細菌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 菌消耗及偏離酒精生產(chǎn)，降低產(chǎn)率。其次，細菌代謝的最終產(chǎn)物如乳酸和乙酸抑制酵母生長 及酵母發(fā)酵/呼吸，這導(dǎo)致較低效率的酵母生產(chǎn)。最后，細菌與酵母競爭除糖以外的營養(yǎng) 素。
[0015] 在發(fā)酵系統(tǒng)或容器變得被細菌污染之后，這些細菌的生長可以遠遠快于所期望的 酵母。該細菌與酵母競爭可發(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。細菌還 產(chǎn)生非期望的化學(xué)副產(chǎn)物，其會導(dǎo)致整個發(fā)酵批次酸敗。去除這些細菌允許所期望的酵母 茁壯成長，這產(chǎn)生更高的生產(chǎn)效率。
[0016] 乙醇產(chǎn)率僅降低百分之一也是對燃料乙醇工業(yè)特別重要的。在較大的設(shè)備中，這 樣的效率下降會導(dǎo)致每年1百萬至3百萬美元的收入減少。
[0017] 在繁殖、調(diào)理和發(fā)酵期間減少細菌的一些方法的優(yōu)點在于酵母相對于其他微生物 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實現(xiàn)的。然而，這 些方法對于延緩細菌生長不是完全有效的。此外，所期望的酵母在存活期間被壓制，不被認 為是有活力或健康的，也不能發(fā)揮作用。
[0018] 在乙醇工業(yè)中主要趨勢是在發(fā)酵開始時降低醪液（原料）的pH至小于4. 5。降低 醪液的pH會減少一些種的細菌的種群數(shù)量。然而減少成問題的細菌的功效明顯更低，如乳 酸生成菌或乙酸生成菌。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。
[0019] 另一個方法涉及用磷酸洗滌酵母。該方法不能有效地殺滅細菌。也會壓制用于乙 醇生產(chǎn)的酵母，從而降低其功效。
[0020] 另一個方法是在批次之間通過加熱或使用苛性化學(xué)品以對工藝設(shè)備進行殺菌。這 在生產(chǎn)期間對于殺滅酵母混合物中的細菌是無效的。
[0021] 在另一個方法中，將抗生素添加至酵母繁殖、調(diào)理或發(fā)酵批次，以使細菌失效。目 前，幾乎所有的美國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)品是用作動物飼料的干酒糟，不含抗生素的飼料谷物的市場在增長。預(yù) 計FDA很快會出臺減少或消除在動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制性 的。酒糟銷售占乙醇廠收益的高達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，以避免單獨使用，這會導(dǎo)致抗生素耐藥性菌株。有時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的維吉尼霉素會抑制發(fā)酵，但是要求超過25mg/L以抑 制融合魏斯氏菌（Weisellaconfusa)的生長，其是新出現(xiàn)的成問題的細菌菌株。過度劑量 或過度使用抗生素會壓制酵母，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)酵以防治與酵母競爭營 養(yǎng)素的非期望的微生物。隨著近年來燃料乙醇的擴展，以較低的程度使用酒花酸，以針對非 期望的革蘭氏陽性微生物。在酵母與非期望的微生物之間的競爭導(dǎo)致燃料乙醇的產(chǎn)率損 失，這是因為非期望的微生物主要是乳桿菌（Lactobacillus)及醋桿菌（Acetobacter)降 低發(fā)酵的功效。在飲料中，競爭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] 在發(fā)酵過程中使用抗生素以防治非期望的細菌的另一種替代方案是使用二氧化 氯。二氧化氯是一種氧化性抗微生物劑，通常于原位產(chǎn)生，可以施用在發(fā)酵過程中的若干個 按計量給料位點。大體積的待處理的系統(tǒng)以及目前生產(chǎn)二氧化氯的系統(tǒng)的有限的生產(chǎn)能力 往往限制了可用該方法處理或者要求配置多個發(fā)生器的發(fā)酵系統(tǒng)。
[0025] 因為乙醇產(chǎn)率的小幅下降也是對燃料乙醇工業(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增加運行和產(chǎn)品的成本，因此尋找實現(xiàn)微生物防治的更有效的 途徑。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。此外，在使用 二氧化氯或其他原位產(chǎn)生的抗微生物劑的設(shè)備的實例中，對能夠產(chǎn)生的抗微生物劑的體積 的限制可以是巨大的。
[0026] 因此，可以使用抗微生物劑的組合，特別優(yōu)選為抗微生物劑的協(xié)同組合?？刮⑸?劑的協(xié)同組合可提供的抗微生物效應(yīng)大于單種抗微生物劑之和，因此與僅是抗微生物功效 方面的添加劑的組合相比，可以提供提高的性能價格比。此外，其中之一是原位產(chǎn)生的抗微 生物劑的抗微生物劑協(xié)同組合可以減小抗微生物劑所要求的體積，因此增大可處理的系統(tǒng) 的最大尺寸。
[0027] 使用抗生素的一種潛在的替代方法是使用抗微生物的有機酸，其用作食品防腐 劑，因此打消了其存在于酒糟中的考慮。有機酸具有許多應(yīng)用，包括用作酸化劑、緩沖劑、抗 氧劑、螯合劑、增效劑、膳食補充劑、調(diào)味劑、防腐劑和抗微生物劑。有機酸由于其對細菌的 作用而用作防腐劑。該方法的一個潛在的缺點是它們單獨使用時比較高的水平和所需的體 積。
[0028] 抗微生物劑的協(xié)同組合可提供的抗微生物效應(yīng)大于單種抗微生物劑之和，因此與 僅是抗微生物功效方面的添加劑的組合相比，可以提供提高的性能價格比。
【附圖說明】
[0029] 圖1所示為在添加抗微生物劑之后隨時間的細菌數(shù)。