在工业过程中用于防治微生物的包含二氧化氯和有机酸的抗微生物剂协同混合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抗微生物剂的协同组合及其在工业过程、材料或产品中在微生物的存 在被认为非期望时用于防治该微生物的方法。
【背景技术】
[0002] 已知在工业水系统中存在微生物可以是工业过程中的一个重大的问题，导致降低 产率、产品品质和过程效率的问题。微生物的物理存在会导致问题，如其在热交换表面上在 生物膜中生长，其在此导致传热效率的降低。微生物消耗多种多样的材料的能力会导致产 率的降低，例如消耗纤维素的微生物在造纸业中导致产率损失。此外，由污染微生物产生代 谢产物会导致问题，例如其产生酸性产物会导致产品品质问题，或者促成腐蚀问题。
[0003] 然而，在某些工业中，使用微生物生产许多种发酵产品，如工业级乙醇、白酒、啤 酒、葡萄酒、药物和保健食品（提供健康益处的食品，如强化食品和膳食补充剂）、烘焙工业 和工业化学品。在这些例子中期望的是抑制非期望的微生物的生长及促进期望的微生物的 生长。在此，非期望的微生物竞争培养基或者产生代谢产物，其干扰期望的产生所期望的最 终产品的微生物的生长。
[0004] 酵母是发酵过程中常用的微生物。一种常用的酵母是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)、主要用于烘焙和发酵的物种。非酵母菌属酵母也称作非传统酵母，也用于生 产许多种商业产品。
[0005] 其他微生物也可用于生产发酵产品。例如，纤维素乙醇生产，由纤维素生物质 生产乙醇，是使用真菌和细菌。这些分解纤维素真菌的例子包括里氏木霉（Trichoderma reesei)和绿色木霉（Trichodermaviride)。用于纤维素乙醇生产的细菌的一个例子是永 达尔梭菌（ClostridiumIjungdahlii) 〇
[0006] 大多数用于酿酒厂和燃料乙醇厂的酵母购自特殊酵母的生产商。该酵母是通过繁 殖过程生产的。繁殖涉及由小实验室酵母培养生长大量的酵母。在繁殖期间，向酵母供应 通过有氧呼吸最佳生长所需或所期望的氧、氮、糖、蛋白质、脂质和离子。
[0007] 以前在酿酒厂，可以对酵母进行调理（conditioning)。调理与繁殖的区别在于其 不涉及由小实验室培养大量生长。在调理期间，提供条件以使酵母再水合，将其由冬眠唤 醒，并允许最大的厌氧生长和增殖。繁殖和调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发酵罐供应大体积的酵母。
[0008] 在繁殖和/或调理之后，酵母进入发酵过程。酵母在水溶液中与诸如糖的可发酵 碳水化合物相结合。酵母消耗糖，将其转化成脂肪醇，如乙醇。
[0009] 发酵过程以可发酵碳水化合物的制备开始。在乙醇生产中，玉米是可发酵碳水化 合物的一种可能的来源。也可以使用其他碳水化合物来源，包括谷粒和含有纤维素-淀粉 的材料，如小麦或西非高粱。也可以使用纤维素生物质，如麦杆和玉米秸杆。近年来，纤维 素乙醇生产受到关注，因为其使用容易获得的非食物生物质以形成有价值的燃料。
[0010] 繁殖、调理和发酵过程可以采用分批或连续方法实施。分批过程用于小规模生产。 每个批次完成后，开始一个新的批次。连续发酵法用于大规模生产，因为其实现连续供应， 无需每次重启。
[0011] 在繁殖、调理或发酵过程中，醪液或发酵混合物可能变得被其他微生物如腐败菌 污染。这些微生物与期望种的酵母竞争可发酵糖，及延缓所期望的生物化学反应，由此降低 产率。它们还会产生非期望的化学副产物，其会导致整个发酵批次酸败。
[0012] 乙醇生产者尝试增加由一蒲式耳谷粒（约56镑（25. 4千克））产生乙醇的量。被 细菌污染会降低酵母的功效，从而难以达到或超过每蒲式耳2. 8至2. 9加仑乙醇（0. 42至 0.44升每千克）的所期望的水平。降低细菌的浓度会促进酵母繁殖和/或调理及提高酵母 功效，从而能够达到和超过这些所期望的水平。
[0013] 在这三个过程任一期间，酵母会变得被非期望的酵母、细菌或其他非期望的微生 物污染。这会在用于繁殖、调理或发酵的许多容器之一中发生。其包括但不限于繁殖罐、调 理罐、发酵剂罐、发酵罐以及在这些单元之间的管线和热交换器。
[0014] 细菌污染以三种主要的方式降低发酵产率。首先，可用于酵母生产酒精的糖被细 菌消耗及偏离酒精生产，降低产率。其次，细菌代谢的最终产物如乳酸和乙酸抑制酵母生长 及酵母发酵/呼吸，这导致较低效率的酵母生产。最后，细菌与酵母竞争除糖以外的营养 素。
[0015] 在发酵系统或容器变得被细菌污染之后，这些细菌的生长可以远远快于所期望的 酵母。该细菌与酵母竞争可发酵糖，及延缓所期望的生物化学反应，由此降低产率。细菌还 产生非期望的化学副产物，其会导致整个发酵批次酸败。去除这些细菌允许所期望的酵母 茁壮成长，这产生更高的生产效率。
[0016] 乙醇产率仅降低百分之一也是对燃料乙醇工业特别重要的。在较大的设备中，这 样的效率下降会导致每年1百万至3百万美元的收入减少。
[0017] 在繁殖、调理和发酵期间减少细菌的一些方法的优点在于酵母相对于其他微生物 具有更高的温度和PH耐受性。这是通过施加热量或降低酵母溶液的pH实现的。然而，这 些方法对于延缓细菌生长不是完全有效的。此外，所期望的酵母在存活期间被压制，不被认 为是有活力或健康的，也不能发挥作用。
[0018] 在乙醇工业中主要趋势是在发酵开始时降低醪液（原料）的pH至小于4. 5。降低 醪液的pH会减少一些种的细菌的种群数量。然而减少成问题的细菌的功效明显更低，如乳 酸生成菌或乙酸生成菌。由于用于乙醇生产的酵母被压制，也显然降低乙醇产率。
[0019] 另一个方法涉及用磷酸洗涤酵母。该方法不能有效地杀灭细菌。也会压制用于乙 醇生产的酵母，从而降低其功效。
[0020] 另一个方法是在批次之间通过加热或使用苛性化学品以对工艺设备进行杀菌。这 在生产期间对于杀灭酵母混合物中的细菌是无效的。
[0021] 在另一个方法中，将抗生素添加至酵母繁殖、调理或发酵批次，以使细菌失效。目 前，几乎所有的美国生物精炼厂使用抗菌剂，其中许多使用抗生素如维吉尼霉素。玉米生物 精炼的一种重要产品是用作动物饲料的干酒糟，不含抗生素的饲料谷物的市场在增长。预 计FDA很快会出台减少或消除在动物饲料中使用抗生素的规定。加拿大类似地关注酒糟中 的抗生素，其大多数生产用于出口。欧洲已经禁止在生产酒糟用于动物饲料的乙醇厂使用 抗生素。在巴西，在生产用于出口的酵母提取物的工厂以不含抗生素的方式操作是强制性 的。酒糟销售占乙醇厂收益的高达20%。副产物中的抗生素浓度可以在由1至3重量％的 范围内，因此丧失了这一重要的收入来源。
[0022] 此外，在使用抗生素时还要考虑其他问题。抗生素的混合物应当频繁地加以平衡 和改变，以避免单独使用，这会导致抗生素耐药性菌株。有时不能将有效量的抗生素添加至 发酵混合物。例如，使用超过2mg/L的维吉尼霉素会抑制发酵，但是要求超过25mg/L以抑 制融合魏斯氏菌（Weisellaconfusa)的生长，其是新出现的成问题的细菌菌株。过度剂量 或过度使用抗生素会压制酵母，及损害功效，或导致不符合规定。
[0023] 将发酵用于饮料的工业在历史上将酒花酸用于繁殖和发酵以防治与酵母竞争营 养素的非期望的微生物。随着近年来燃料乙醇的扩展，以较低的程度使用酒花酸，以针对非 期望的革兰氏阳性微生物。在酵母与非期望的微生物之间的竞争导致燃料乙醇的产率损 失，这是因为非期望的微生物主要是乳杆菌（Lactobacillus)及醋杆菌（Acetobacter)降 低发酵的功效。在饮料中，竞争微生物不仅降低功效，而且可以改变最终产品的美观和味 道。
[0024] 在发酵过程中使用抗生素以防治非期望的细菌的另一种替代方案是使用二氧化 氯。二氧化氯是一种氧化性抗微生物剂，通常于原位产生，可以施用在发酵过程中的若干个 按计量给料位点。大体积的待处理的系统以及目前生产二氧化氯的系统的有限的生产能力 往往限制了可用该方法处理或者要求配置多个发生器的发酵系统。
[0025] 因为乙醇产率的小幅下降也是对燃料乙醇工业特征重要的，所以乙醇生产者总是 寻找提高功效的途径。使用抗微生物剂以消除、减少或控制含水系统中微生物的数量。然 而，使用抗微生物剂总是会增加运行和产品的成本，因此寻找实现微生物防治的更有效的 途径。此外，一些抗微生物剂可能在其抗微生物作用范围方面具有缺陷或者在其施用方式 方面具有操作限制，如缺乏温度稳定性或者易于由于环境或化学因素而灭活。此外，在使用 二氧化氯或其他原位产生的抗微生物剂的设备的实例中，对能够产生的抗微生物剂的体积 的限制可以是巨大的。
[0026] 因此，可以使用抗微生物剂的组合，特别优选为抗微生物剂的协同组合。抗微生物 剂的协同组合可提供的抗微生物效应大于单种抗微生物剂之和，因此与仅是抗微生物功效 方面的添加剂的组合相比，可以提供提高的性能价格比。此外，其中之一是原位产生的抗微 生物剂的抗微生物剂协同组合可以减小抗微生物剂所要求的体积，因此增大可处理的系统 的最大尺寸。
[0027] 使用抗生素的一种潜在的替代方法是使用抗微生物的有机酸，其用作食品防腐 剂，因此打消了其存在于酒糟中的考虑。有机酸具有许多应用，包括用作酸化剂、缓冲剂、抗 氧剂、螯合剂、增效剂、膳食补充剂、调味剂、防腐剂和抗微生物剂。有机酸由于其对细菌的 作用而用作防腐剂。该方法的一个潜在的缺点是它们单独使用时比较高的水平和所需的体 积。
[0028] 抗微生物剂的协同组合可提供的抗微生物效应大于单种抗微生物剂之和，因此与 仅是抗微生物功效方面的添加剂的组合相比，可以提供提高的性能价格比。
【附图说明】
[0029] 图1所示为在添加抗微生物剂之后随时间的细菌数。