适用于控制工业过程中微生物的抗菌剂协同共混物的制作方法
【专利说明】适用于控制工业过程中微生物的抗菌剂协同共混物 发明领域
[0001] 本发明涉及抗菌剂的协同结合以及在不希望存在微生物的工业过程、材料或产品 中使用它们来控制微生物的方法。 发明背景
[0002] 已知在工业水体系中存在微生物可能会是工业过程中的一个显著问题，会导致产 品产率，产品质量和过程效率的降低。
[0003] 微生物的物理存在可能会导致问题，如在热交换表面上生物膜内微生物的生长， 其造成热交换效率的降低。微生物消耗各种材料的能力可能会造成产率的降低，例如，当微 生物消耗纤维素时会造成造纸工业中产率的损失。此外，通过污染微生物生产代谢产物可 能会造成问题，如它们产生的酸性产品会导致产品质量问题或导致腐蚀问题。
[0004] 然而，在一些工业中微生物被用来生产多项发酵产品，如工业级乙醇、蒸馏酒、啤 酒、葡萄酒、医药及保健品（提供健康益处的食品，如强化食品和膳食补充剂）、烘焙业和工 业化学品。在这些情况下，希望抑制不想要的微生物的生长并促进想要的微生物的生长。这 里，不想要的微生物是那些与想要的能够生产目标最终产品的微生物竞争基质或其产生的 代谢产物干扰想要的微生物生长的微生物。
[0005] 酵母是发酵过程中通常使用的微生物。一种常用的酵母类型是酿酒酵母 (Saccharomycescerevisiae)，主要用于烘烤和发酵的品种。非酿酒酵母，也被称为非常规 酵母，也被用于制备多种商业产品。
[0006] 其它微生物也可被用于制备发酵产品。例如，纤维素乙醇的生产，从纤维素生物质 生产乙醇，使用了真菌和细菌。这些纤维素菌的实例包括里氏木霉（Trichodermareesei) 和绿色木霉（Trichodermaviride)。纤维素乙醇生产中使用的细菌的一个实例是梭菌 Ijungdahlii(ClostridiumIjungdahlii)〇
[0007] 大多数的酿酒厂和燃料乙醇厂所用的酵母是从专业酵母生产商购买的。所述酵母 是通过增殖过程生产的。增殖涉及大量生长小型实验室培养的酵母。在增殖过程中，提供 给酵母所需要的或最佳有氧呼吸生长所想要的氧、氮、糖、蛋白质、脂类和离子。
[0008] -旦在酒厂，酵母可以进行调节。调节不同于增殖，它不涉及由小型实验室培养品 的大量生长。在调节过程中，提供条件以重新水合所述酵母，将它们从休眠状态下唤醒并允 许最大程度的厌氧生长和繁衍。增殖和调节的目的都是为发酵罐提供大量的酵母，并具有 高存活率、高出芽、和低的被其它微生物感染度。
[0009] 在增殖和/或调节之后，所述酵母进入发酵过程。将酵母与可发酵的糖在水溶液 中合并。所述酵母消耗糖，将其转换成脂肪醇，如乙醇。
[0010] 所述发酵过程起始于制备可发酵的碳水化合物。在乙醇的生产中，玉米是一种可 能的可发酵碳水合物源。其它的碳水化合物源，包括谷物颗粒和含纤维素-淀粉的材料，如 小麦或蜀黍，也可以被取代。也可以使用纤维素生物质如稻草和玉米杆。因使用易得的非 食用生物质而形成有价值的燃料，纤维素乙醇的生产最近受到关注。
[0011] 所述增殖、调节和发酵过程可以用分批或连续的方法实施。分批方法被用于小规 模生产。每一批完成后才开始新的一批。连续发酵方法被用于大规模生产，其提供连续供 应而不用每次都重新开始。
[0012] 在所述增殖、调节或发酵过程中，醪或发酵混合物可能被其它微生物污染，如腐败 菌。这些微生物与想要的酵母类型竞争可发酵的糖，并延缓所想要的生化反应，导致较低的 产品产率。它们还可以产生不想要的化学副产物，其会导致整个发酵批次的腐坏。
[0013] 乙醇的生产商试图提高从一蒲式尔谷粒（约5600镑（25.4公斤））中所生产的乙 醇的量。细菌污染降低酵母的效率，使得难以达到或超过所想要的每蒲式尔2. 8-2. 9加仑 乙醇（0.42-0. 44升每千克）的水平。降低细菌的浓度将鼓励酵母增殖和/或调节并提高 酵母效率，使得可能达到并超过这些所需水平。
[0014] 在这三个过程中的任何一个过程中，酵母都可以被不想要的酵母、细菌或其它不 想要的微生物污染。这可以发生在用于增殖、调节或发酵中许多容器中的任何一个容器中。 这包括但不限于增殖罐、调节罐、起始罐、发酵罐以及这些单元之间的管道和热交换器。
[0015] 细菌污染会以主要三种方式降低所述发酵产物的产率。第一，可用来给酵母产生 醇的糖被所述细菌消耗，偏离醇的生产，从而降低产率。第二，细菌代谢的终产物，如乳酸和 乙酸，抑制酵母生长和酵母发酵/呼吸，导致低效率的酵母生产。最后，所述细菌与酵母竞 争非糖类的养分。
[0016] 在所述发酵体系或容器已被细菌污染后，那些细菌会比所需的酵母更快地生长。 细菌与酵母竞争可发酵的糖并延迟所想要的生化反应，导致较低的生产产率。细菌还产生 不想要的化学副产物，其可以造成整个发酵批次的腐坏。这些细菌的去除使得所想要的酵 母兴旺，导致较高的生产效率。
[0017] 小至1%的乙醇产率上的降低对于燃料乙醇工业都是非常显著的。在更大的工厂 中，这样的效率降低将每年减少收入1-3百万美元。
[0018] -些减少增殖、调节和发酵过程中细菌的方法利用了酵母比其它微生物具有更高 的温度和pH耐受性。其是通过加热或降低所述酵母溶液的pH而实现的。然而，这些方法 在延迟细菌生长上并不是完全有效。此外，虽然存活下来，但所需酵母受到压抑，不再那么 有活力或健康，也表现的不那么好。
[0019] 乙醇工业的主导趋势是将发酵起始时所述醪（进料）的pH值降低到4. 5以下。降 低醪的pH值会减少某些菌类的数量。然而，其对于降低有问题的细菌不太有效，如产生乳 酸的细菌或产生乙酸的细菌。其还因压抑用于乙醇生产的酵母而显著降低乙醇的产率。
[0020] 另一个方法涉及用磷酸洗涤所述酵母。该方法不能有效地杀死细菌。其还会压抑 用于乙醇生产的酵母，从而降低它们的效率。
[0021] 还有另一个方法是利用加热或苛刻的化学品对批次间的过程设备进行消毒。其对 杀死生产过程中酵母混合物中的细菌无效。
[0022] 另一个方法涉及将一种氧化抗菌剂氯的二氧化物一般应用于进料或发酵所用的 循环水中。氯的二氧化物通常原位产生。非常常见地使用高浓度以克服通常使用氧化抗菌 剂所见到的高有机含量的负效果。所述二氧化氯可在所述过程的多个位置施加，但避免发 酵罐中的高浓度，因高浓度还可能会抑制酵母。需处理的所述体系的大容量及当前二氧化 氯产生体系的有限能力常常限制了用这种方法所能处理的发酵体系或要求安装多个产生 器。
[0023] 在另一个方法中，抗生素被加入到酵母增殖、调节或发酵批次中以中和细菌。发酵 工业通常将抗生素施加到调节、增殖和发酵过程中。抗生素的计量率在0. l_3mg/L的范围 内，且通常不超过6mg/L。然而，在调节、增殖和发酵中使用抗生素存在一些问题。抗生素昂 贵，会大大增加大规模生产的成本。而且，抗生素不对所有细菌的菌株都有效，如耐抗生素 细菌菌株。过度使用抗生物会导致产生耐抗生素细菌菌株的额外变体。
[0024] 目前，几乎所有的美国生物精炼厂都使用抗微生物试剂，它们许多都是用抗生物 如费吉霉素（virginiamycin)。玉米生物精炼的一个重要产物是用于动物饲料的干酒糟。酒 糟是所述发酵过程的谷物残渣。抗生素残留和耐抗生素菌株的形成是一个全球性的问题。 这些问题可能会导致未来对抗生素使用的监管行动。预计FDA将很快形成减少或消除在动 物饲料中使用抗生素的规定。加拿大对酒糟中的抗生素具有相似的关切，且它们的大多数 产品都用于出口。欧洲已经禁止在生产的酒糟被用作动物饲料的乙醇工厂中使用抗生素。 在巴西生产用于出口的酵母提取物的工厂中，无抗生素操作是强制性。酒糟销售占乙醇工 厂收入的20%。副产物中的抗生素浓度范围可以为1-3% (重量），从而否定了这一重要的 收入来源。
[0025] 此外，当使用抗生素时还要考虑其它问题。应该经常平衡并改变抗生素混合物以 避免单一使用并导致耐抗生素菌株。有时不能将有效量的抗生素添加到所述发酵混合物 中。例如，使用超过2mg/L的费吉霉素会引致发酵，但需要超过25mg/L来抑制融合魏斯氏 菌（Weisella confusa)的生长，一种新出现的有问题细菌菌株。过量用药或过度使用抗生 素会压抑酵母并影响效率或导致监管不达标。
[0026] 使用发酵生产饮料的工业历来都将啤酒花酸用于增殖和发酵，来控制不想要的与 所述酵母竞争养分的微生物。随着最近燃料乙醇的扩张，啤酒花酸已经较少地被用来解决 不想要的革兰氏阳性微生物。酵母和不想要的微生物之间的竞争导致燃料乙醇的产率损 失，因为不想要的微生物，主要是乳酸菌和醋酸菌，会降低发酵效率。在饮料中，竞争的微生 物不仅会降低效率，还会改变最终产品的视觉和味觉。
[0027] 有机酸具有很多应用，包括被用作酸化剂、缓冲剂、抗氧化剂、螯合剂、增效剂、膳 食补充剂、矫味剂、防腐剂和抗微生物剂。有机酸的作用模式是非解离的酸通过被动扩散穿 透细菌细胞壁并以两种方式破坏细胞的正常生理：所述酸解离并因此降低正常为接近中性 的内部PH，损坏所述细菌的功能。处于解离形式且不能离开所述细胞的所述酸的阴离子部 分在内部累积，破坏代谢功能并增加渗透压。使用有机酸的一个缺点是当单独使用它们时 所需较高的浓度和量。
[0028] 因为即使小的乙醇产率的降低对所述燃料乙醇工业也是高度重要的，乙醇生产商 一直在寻找提高效率的方法。所述微生物的控制对许多其它工业也是非常重要的，且主要 的策略就是用抗微生物剂进行处理。抗微生物剂被用来消除、降低或控制水体系中微生物 的数量。然而，大多数抗微生物剂的使用会增加操作和产品成本，因此在寻找更有效的方法 来实现对微生物的控制。此外，许多抗微生物剂都有缺陷，或者是它们抗微生物作用的范围 或者是它们施用方式的操作限制如缺乏温度稳定性或容易因环境或化学因素而失活。而 且，在使用二氧化氯或其它原位产生的抗微生物剂的设备方面，