在发酵过程中防止细菌感染的方法

在发酵过程中防止细菌感染的方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过使用过甲酸发酵含糖材料的改进方法和一种通过使用过甲酸在发酵过程中防止细菌感染的改进方法。所述发酵方法主要是将例如甘蔗的含糖材料发酵成乙醇。本发明进一步涉及乙醇的制造和乙醇的获得。
【专利说明】在发酵过程中防止细菌感染的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过使用过甲酸发酵含糖材料的改进方法和通过使用过甲酸在发酵过程中防止细菌感染的改进方法。本发明进一步涉及乙醇的制造和乙醇的获得。此外，本发明涉及在含糖材料发酵过程中防止细菌感染的过甲酸用途。
【背景技术】
[0002]乙醇能够由或是以可发酵糖的形式存在的或是能够转化为可发酵糖的几乎任何材料来生产。有许多可供发酵的天然糖源，例如甜菜和甘蔗，然而任何种类的碳水化合物例如淀粉和纤维素也可以转化为可发酵糖，然后该可发酵糖发酵成乙醇。即使在今天，遍及世界的大部分地区，乙醇是通过发酵过程来生产的。
[0003]如果碳水化合物例如淀粉或纤维素被用于发酵，那么在发酵之前需要糖化步骤或者产糖步骤(将复杂的碳水化合物，例如淀粉或纤维素，分解为其单糖成分的过程)，使得该碳水化合物转化为可发酵糖。对于本领域技术人员来说，该糖化步骤是众所周知的并且不构成本发明的一部分。在糖化步骤完成之后，添加酵母以得到可发酵糖，然后开始发酵。另外，如今很多制酒者将糖化酶与酵母一起添加到发酵罐中。这种同步糖化发酵允许更高浓度的淀粉发酵。
[0004]当然，如果糖源来自例如甘蔗，甜菜，水果或者糖蜜的农作物，糖化不是必要的，并且随着酵母和水的添加发酵能够马上开始。
[0005]通过以下过程可以从甘蔗中获得含糖材料，例如甘蔗一旦采收了，通常使用半挂式卡车运送到工厂。经质量控制后，清洗甘蔗。然后将甘蔗剁碎并用旋转刀切碎。首先通过从茎中压榨出汁来生产糖。澄清原汁，除去杂质和固体，然后原汁变稠。在这之后，跟随一系列的结晶步骤以生产要除去的糖晶体。余下的糖浆是糖蜜。来自甘蔗的蔗糖的发酵可以使用从压榨甘蔗茎杆直接得到的汁液来进行，或者从糖蜜来进行。
[0006]作为用于发酵使用的起始材料的典型的含糖材料是由甘蔗汁和/或糖蜜和水制成，以获得18-23°的白利糖度的糖浓度并且它通常被称为是必不可少的条件。
[0007]在发酵过程中，向单糖溶液中添加酵母。酵母是利用溶液中的糖作为能量来源的小的微生物，并且这样做，排出乙醇和作为副产品的二氧化碳。二氧化碳穿过液体向上冒泡，作为气体逸出，乙醇留在溶液中。不幸的是，不论是否仍存在可发酵糖，当溶液中乙醇的浓度达到约18% (体积)时，酵母停滞。
[0008]发酵在一个或几个发酵容器中进行。在此发酵过程中，通过添加酵母将糖类转变为乙醇。发酵时间从4小时到12小时或更长时间变化，导致乙醇含量为总体积的7-10%(° GL)，其被称作发酵酒。酵母通常通过离心机从该发酵酒中作为酵母膏被回收。利用不同的沸点，将发酵酒中的乙醇从主要的剩余固体成分中分离。 [0009]为了生产大量的乙醇，常见的做法是使用分批工艺，其中极大的发酵容器能够容纳多达600m3至4000m3。
[0010]发酵之后，使用蒸馏过程将乙醇从发酵溶液中移除，并且以进一步浓缩该发酵溶液。能够这样分离和浓缩的蒸馏塔是本领域众所周知的。
[0011]发酵步骤是在乙醇生产中最重要的步骤之一。而且，传统发酵系统的主要顾虑之一是在大型批次中并且伴随着长时间的发酵周期，维持可接受的低水平的细菌的难度。不幸的是，用于发酵的最佳氛围也极其有益于细菌的生长。如果一个批次被感染，不仅必须丢弃酵母和糖溶液，而且必须将整个发酵容器清空、清洗和灭菌。发生这种事情既费时又费钱。
[0012]此外，许多这些细菌与酵母竞争糖，从而降低了生产的乙醇的数量，因此降低了发酵的产量。细菌可以比酵母生长快近十倍，因此这些区域的污染是不可避免的。基于糖的消耗，这些细菌产生乳酸和其它不需要的副产品。
[0013]进一步地，如果在批次之间或使用之间，发酵容器没有正确地消毒或灭菌，细菌和其它不需要的微生物可以依附在发酵罐的内壁，它们在那里生长、发展繁荣并且形成生物膜。这些不需要的微生物可能会消耗宝贵的碳水化合物或糖的量，因此降低了乙醇的产量，或者它们会污染乙醇的副产品例如动物饲料。发酵过程的经济性和效率常常使得人们无法忍受任何这样的生产损失。
[0014]目前用来杀死这些有害微生物的方法，除了其他之外，其中经常涉及在生产乙醇之前或期间向发酵中引入外源性试剂，例如抗生素、季铵化合物和二氧化氯。
[0015]通常，向发酵容器中添加合成的化学抗生素以试图降低产生细菌的乳酸的生长。抗生素很昂贵并且能 够极大地增加大规模生产的成本。
[0016]在乙醇生产领域中，对于实现安全的、低成本的、无害环境的防止细菌感染的有效手段还有许多不足之处，该手段不是降低或限制，而是提供有效乙醇生产微生物的活性。本【技术领域】需要一种化合物和一种方法，该化合物和方法提高来自发酵的燃料乙醇的产量。或者换句话说，本【技术领域】需要一种化合物和一种方法来减少燃料乙醇发酵中的有害微生物的种群，以便提高乙醇的产量。已经建议了几种具有或多或少成功的添加剂。因此，在W02007/149450中公开了一种在发酵过程中防止细菌生长的方法，根据该方法添加了稳定的二氧化氯。然而，二氧化氯的处理需要小于4.5的低的pH。在US1727223中描述了一个用于改进含糖材料的发酵过程的方法，根据该方法向所述材料中添加无机过氧化物或有机过氧化物。此外，在W02004/072292中公开了在燃料乙醇生产中使用啤酒花酸。

【发明内容】

[0017]鉴于上述情况，本发明的一个目的在于提高发酵过程尤其是含糖材料发酵成乙醇
的产量。
[0018]本发明的另一个目的在于最小化甚至消除硫酸和抗生素的使用。
[0019]本发明的另一个好处是在饲料产业中可以很容易地利用过量的酵母，因为它不包含抗生素和生物杀灭剂的残留物。
[0020]根据本发明，通过向即将或正在发酵的材料中添加过甲酸，以令人惊讶地简单和经济的方式，实现了在发酵过程中更好的消毒。
[0021]发明详细说明
[0022]如上所述，为了减少含糖材料在发酵过程中有害微生物和/或细菌的种群，添加包括过甲酸的消毒剂。[0023]过甲酸是一种可与水和乙醇混溶的无色液体。过甲酸溶液是不稳定的，正因为这样，所以在使用的地方，它们通常作为平衡溶液生产。在催化剂的存在下通过甲酸和过氧化氢的反应生产水溶液，催化剂是例如选自硫酸，磷酸，盐酸和硝酸中的一种无机酸。催化剂也可以是包含至少一个酯基和/或不同于羧酸基和醇基的基团的化合物，优选羧酸酯，从而形成包括过甲酸的平衡水溶液。
[0024]过甲酸可以由甲酸和过氧化氢制备。甲酸和过氧化氢的摩尔比可以从1:1至10:1，优选1:3至3:1。一种过甲酸和起始材料的混合物，该混合物是平衡溶液，并且按照本发明可以作为消毒剂使用，该混合物包含约5-30% (重量)的甲酸、约10-40% (重量)的过氧化氢和约3-25% (重量)、优选为5-20% (重量)的过甲酸。为了制备过甲酸，通常使用例如浓度为85% (重量)的工业级的甲酸。采用的过氧化氢优选的浓度为20-50% (重量)，更优选为35-50% (重量)。更高的浓度造成爆炸的危险。如果使用无机酸作为催化剂，酸催化剂的量，例如平衡溶液中硫酸的量，约为1-15% (重量)。平衡溶液中也有水。
[0025]在本发明的过程中，将过甲酸添加到一种或多种可发酵的含糖材料中，例如添加到糖蜜和发酵汁中、添加到接种菌(酵母)中、或者添加到发酵系统中，过甲酸的含量能有效地减少细菌种群，从而防止系统中不需要的副产品如乙酸或乳酸的形成。就是说，在发酵系统中的细菌大幅增长前添加过甲酸，例如在引入以开始发酵过程的任何或所有的必要成分之前添加。可以通过测量系统中乙酸和乳酸的浓度或者通过其他合适的手段来确定添加过甲酸的需要。
[0026]可以在发酵过程之前和/或期间添加包括过甲酸的消毒剂。在将含糖材料或者接种菌(酵母)引入到发酵系统之前，可以将过甲酸添加到含糖材料或者接种菌(酵母膏)中。例如可以以上面提及的平衡溶液的形式添加。在一个实施例中，将过甲酸与待发酵的含糖材料的流动流一起添加到发酵容器中，待发酵的含糖材料的流动流包括糖蜜和/或含糖的汁液。在另一实施例中，将过甲酸添加到酵母中。在又一实施例中，将过甲酸与待发酵的含糖材料的流动流例如糖蜜和/或含糖的汁液一起添加到发酵系统和酵母中。发酵过程既可以是分批的也可以是连续的。所用术语“发酵系统”是指分批或连续的流动液化列车和发酵罐、容器、反应器、热交换器，管道(例如活塞流动反应器)或者其组合，在此发酵系统中发生糖的发酵。在本专利申请中，术语“发酵容器”用于发酵过程中的任何类型的支持器，例如罐、任何类型的反应器、水箱、料斗、大桶等。作为另一种选择或者除此之外，过甲酸可以作为一个单独的流添加到发酵系统中，与可发酵糖和接种菌分开。在分批过程中，过甲酸可以选择地在可发酵糖和/或接种菌添加到发酵容器之前、期间和/或之后添加。当接种菌是酵母时，过甲酸也可以添加到酵母繁殖罐中。然而，基本上，过甲酸应该在发酵系统中的细菌大幅增长之前添加。进一步地，过甲酸可以在添加待发酵的含糖材料的同时或之后添加到发酵容器中。此外，如上所述，过甲酸可以与接种菌，例如酵母，一起添加到发酵容器中。过甲酸以有效量添加，所谓“有效量”是指对发酵过程没有不利影响能够降低细菌种群的量。这样的条件允许接种菌快速有效地将可发酵糖转化为乙醇。以有效地大幅减少细菌种群但对酵母或发酵过程中的主要变量影响很小的量添加过甲酸。这个量通常是当所有的反应物已经添加到系统中时发酵容器中的每升含糖材料中约I到2000mg的过甲酸。可以理解的是，所需的过甲酸的量取决于引入到系统中总的细菌负载。确定要添加的过甲酸的量的其他的考虑因素包括接种菌(酵母)的添加时间和PH，以及在某种程度上还有系统中过甲酸添加的位置。优选地，添加的过甲酸的量将使得发酵容器中每升含糖材料中2-400mg的过甲酸，更优选地5-100mg的过甲酸。这个量是很大的，足以将由于细菌污染造成的过程中断最小化，并且将对于其他杀菌剂、抗生素的需求最小化。优选地，发酵系统中的含糖材料的PH为3-8，优选的是4-8，最优选的是5.5-8。
[0027]通过控制根据本发明的发酵厂，实现了细菌感染的有害影响的频率的降低率(甚至潜在的消除)。因此，在本发明的过程中，控制发酵提高了长远的生产力和盈利能力。
[0028]在本发明的过程中，发酵发生在分批或连续的发酵系统中。来自发酵系统的产品混合物主要包括乙醇、水和接种菌例如酵母。从发酵系统排出之后，可以进行用于乙醇的分离和纯化或其它加工的传统的工艺步骤。可以蒸馏发酵产品以将乙醇从大量存在的水和固体中分离。可以回收固体。可以进一步处理蒸馏出的乙醇，例如通过与分子筛接触以除去残留的水。在饮料生产中，可能需要陈酿、勾兑或其它处理。精制的燃料乙醇可以经变性剂处理。一起产生的二氧化碳和固体也可以被回收。
[0029]在减少有害细菌的种群的过程中，可以连续地、间断地或使用冲击剂量将过甲酸的水溶液添加到过程中间物中。可以通过封闭的配料系统将溶液添加到工艺介质中。这意味着根据已经可用的工艺装置(封闭的配料系统)的使用可以做到控制微生物。
[0030]一般地，发酵系统中待处理的含糖材料的温度低于100°C，一方面低于50°C，另一个方面低于40°C。
[0031]用于减少细菌种群和其它有害的微生物的过程通过使用对于配料泵和阀门的时间控制可以实现自动化。也是在这种情况下，提高效率。改进的效果意味着可以降低活性成分的整体浓度，这 产生了许多优势。不仅通过更低的剂量实现了降低成本，而且同样的剂量产生了更好的效果。
[0032]在下面的实施例中，通过先混合IlOg的85?〖％的甲酸、24g水和26g浓硫酸来制备过甲酸。然后把得到的溶液与192g的50wt%的过氧化氢混合，以生成过甲酸平衡溶液的过甲酸。过甲酸的浓度经计算为99% (重量)。
[0033]在此，按照每单位体积的菌落形成单位(CFU) ( 即，CFU/ml)测量样品中总活菌细菌和活菌酵母。通过使用显微方法测量酵母的生存能力和它们的繁殖能力，此处使用特定的染料(赤藓红)来可视化酵母细胞的数量和形态(活着的、死亡的、出芽的)。
[0034]实施例1
[0035]酵母膏样品(通过离心机从酒中回收)用湖水以30% +70%的比例分别稀释。将稀释的酵母膏样品(之后称作酵母膏溶液)暴露于在平衡溶液中的不同浓度的过甲酸中，过甲酸的浓度如下:49.5ppm、74.3ppm和99ppm。在一个对照样品中，酵母膏溶液中没有添加过甲酸。通过一种方法(方法I)测定过甲酸对细菌的作用，通过两种方法(方法I和2)测定过甲酸对酵母细胞的作用。
[0036]方法I
[0037]将暴露的样品和对照样品在+30°C下保持30分钟，之后计算存活的微生物的数量。使用的方法是连续稀释法和培养法，连续稀释法和培养法是在暴露之后通过样品的稀释和培养来测量过甲酸对酵母膏溶液的作用，以计算微生物生长的量。该方法通过足以能够清楚的分离在佩特里?(Petri?)膜(来自3M)上的单个微生物菌落的因素，使得每个样品发生稀释；因此允许单独地计算菌落。将稀释的样品应用并接种于佩特里TM(PetriTM)膜上，该佩特里?(Petri?)膜在+35°C下培养48小时(细菌)或在+30°C下培养48小时(酵母)。结果在表1中提供。
[0038]方法2
[0039]将暴露的过甲酸样品和对照样品在+30°C下保持5小时，之后测量酵母细胞的特定参数。这些参数包括存活的酵母细胞的数量，死亡的酵母细胞的数量和出芽的酵母细胞的数量(即繁殖的酵母细胞)。使用的方法是通常被巴西甘蔗行业工厂所采用的标准方法。在这个方法中，纽鲍尔室中充满了大约10 μ I的混合有赤藓红染料的暴露的样品。在盖玻片上添加一滴浸油，并通过使用显微镜的油浸物镜(100Χ)来评估上述的酵母细胞参数。呈现粉红色的细胞作为死亡的细胞计数，未着色的细胞作为存活的细胞计数。根据酵母细胞的形状确定生芽的细胞。
[0040]计算酵母细胞的总量并与方法I得到的结果相比较。结果在表1中提供(酵母细胞的纽鲍尔计数)。
[0041]细胞存活率表明活细胞占总细胞(活的+死的)的百分比。细胞繁殖％表明出芽细胞占总的活细胞的百分比。酵母细胞存活率％和繁殖力％在表2中示出。
[0042]表1.暴露于过甲酸之后的细菌和酵母的数量
[0043]
【权利要求】
1.一种用于发酵含糖材料的工艺，其特征在于，在所述工艺中使用过甲酸以防止细菌感染。
2.一种在发酵系统中防止细菌感染的方法，所述方法包括含糖材料和诸如酵母的接种菌，其中，向所述含糖材料和/或接种菌中添加一种或多种消毒剂，其特征在于，至少一种消毒剂包括过甲酸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述消毒剂包括水溶液形式的过甲酸。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述过甲酸是平衡溶液的形式。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述溶液包含3重量％~25重量％的过甲酸，优选5重量％~20重量％的过甲酸。
6.根据权利要求2-5任一所述的方法，其特征在于，发酵过程用于生产乙醇。
7.根据权利要求2-6任一所述的方法,其特征在于，发酵系统包括一个或几个发酵容器。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在发酵之前和/或发酵期间添加包括过甲酸的所述消毒剂。
9.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，在将所述含糖材料引入到发酵系统之前，向所述含糖材料中添加包括过甲酸的所述消毒剂。
10.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，在将所述含糖材料引入到发酵容器期间，向所述含糖材料中添加包括过甲酸的所述消毒剂。
11.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，包括过甲酸的所述消毒剂添加到作为分离式流体流的发酵容器中。
12.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，包括过甲酸的所述消毒剂与待发酵的含糖材料的流体流一起添加到发酵容器中，所述待发酵的含糖材料包括糖蜜和/或含糖的汁。
13.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，包括过甲酸的所述消毒剂添加到酵母繁殖罐中。
14.根据权利要求2至8任一所述的方法，其特征在于，包括过甲酸的所述消毒剂与诸如酵母的接种菌一起添加到所述发酵容器中。
15.根据权利要求2-14任一所述的方法，其特征在于，包括过甲酸的所述消毒剂以连续的方式或分批供给到所述含糖材料中。
16.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在发酵容器中过甲酸以每升含糖材料l-2000mg的过甲酸的量添加到所述含糖材料中。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在发酵容器中过甲酸以每升含糖材料的过甲酸的量2-400mg优选为5-100mg添加到所述含糖材料中。
18.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在发酵系统中，所述含糖材料的pH为3-8’优选4-8且最优选5.5-8。`
19.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过甲酸作为唯一添加的消毒剂使用。
20.一种用于制造乙醇的工艺，所述工艺包括从含糖材料开始的发酵过程，其中所述含糖材料发酵成乙醇，其特征在于，在发酵过程期间，通过一种或多种消毒剂防止细菌感染，所述一种或多种消毒剂中的至少一种包含过甲酸。
21.乙醇，其特征在于，所述乙醇通过如权利要求20所述的工艺产生。
22.过甲酸在含糖材料发酵过程中防止细菌感染的应用。
【文档编号】C12P7/06GK103842512SQ201180068473
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2011年2月24日 优先权日:2011年2月24日
【发明者】马塞洛·莫雷拉-达-科斯塔, 万德雷·森拉 申请人:凯美拉公司