抗生素备选物用于生物乙醇生产的方法
【专利说明】抗生素备选物用于生物乙醇生产的方法
[0001] 本申请是申请日为2011年03月16日、国际申请号为PCT/US2011/028587、发明创 造名称为"抗生素备选物用于生物乙醇生产的方法"的PCT申请进入中国国家阶段的中国 申请号为201180024874. 5的发明专利申请的分案申请。
[0002] 发明背景
[0003] 依据35U.S.C. § 119 (e)，本申请要求美国临时专利申请No. 61/315, 607 (2010年3 月19日提交）的优先权；美国临时专利申请N〇.61/352,521 (2010年6月8日提交）的优 先权；以及美国临时专利申请No. 61/365, 658 (2010年7月19日提交）的优先权，在此将其 全部内容引用作为参考。
[0004] 本发明涉及在发酵过程中利用抗生素备选物控制细菌生长的方法。更具体 来说，本发明涉及使用抗生素备选物进行细菌控制来发酵生产乙醇的方法，抗生素备 选物（alternatives)包括至少一种非氧化型杀生物剂和/或至少一种稳定的氧化剂 (stabilizedoxidizer)〇
[0005] 考虑到工业乙醇作为燃料或燃料替代物（例如与汽油混合）的效果，以及由于其 能够通过多种可再生资源和废物材料获得，在全世界范围内对于工业乙醇的需求逐年递 增。
[0006] 可以通过使用大量含淀粉原料的发酵来生产乙醇。基于淀粉的乙醇生产通常包 括如下步骤：制备大量含有或可以被降解为可发酵的糖的淀粉类原料、添加水以制备醪液 (mash)、使纤维素或其它复杂（complex)碳水化合物糖化形成可发酵的糖、以及添加发酵 糖形成乙醇和二氧化碳的酵母。通过使经发酵的醪液（fermentedmash)进行蒸馏来回收 乙醇。乙醇生产中蒸馏的副产品为含有蛋白质、纤维以及油的非淀粉类固体，该固体可以 被加工以生产"具有可溶物质的干酒糟（distillersdriedgrainswithsolubles)"或 "DDGS"。DDGS是营养物富集的，并且可以作为动物饲料、饲料添加物或植物肥料商业售出。
[0007] 乙醇生产工业中的问题在于乙醇发酵过程设备和/或醪液容易被减少产量的细 菌污染。"乳酸细菌"是引起这方面问题的一类细菌。乳酸细菌包括例如：乳杆菌属细菌、 片球菌属（Pediococcus)细菌、明串珠菌属（Leuconostoc)细菌和魏斯氏菌属（Weissella) 细菌。乙酸细菌例如醋杆菌属细菌也会通过生产乙酸或其它会污染过程并减少乙醇产量的 有机酸来引起问题。酵母将糖转化为乙醇，但细菌也会将这些相同的糖转化使其产生乳酸 或乙酸，而不产生乙醇，从而导致乙醇产量的减少。为了控制此类细菌的爆发，已经在生物 乙醇发酵过程中使用抗生素。用于这类处理的抗生素可以包括例如：维吉霉素、青霉素、红 霉素和泰乐菌素。这些抗生素还已经用于兽医和人类医学。人们已经意识到并且逐渐关注 由于抗生素的使用或它们的过量使用，会存在细菌发展为抗生素药物抗性细菌。改变抗生 素或增加抗生素的剂量可能无法提供长期的解决方案，并且会与抗生素抗性问题混合。另 外，已经发生了关于抗生素对于目标细菌和发酵产物的非特异性的问题。此外，人们还关注 了由于在用于动物饲料的DDGS中存在残留抗生素导致的问题。可能会实施对于在乙醇发 酵应用中使用抗生素更为严格的立法和规则控制。需要用于乙醇发酵过程的抗生素的备选 物。
[0008] 已经提出使用二氧化氯（即ClO2)作为氧化杀生物剂。但是，二氧化氯是较强的氧 化剂，其抗微生物作用是非选择性的。二氧化氯攻击不希望的细菌和对于发酵过程重要的 酵母。酵母的损失会转化为乙醇产量的损失和/或"缓慢的"发酵和/或"卡住的（stuck)" 发酵。二氧化氯还会产生氯离子，其可能会腐蚀设备并导致铁沉积或剥蚀过程设备，以及向 该方法系统中释放铁和铬，这需要昂贵的维修。
[0009] 本发明人已经认识到需要可以用其本身对于环境的负面影响最小的物质来代替 抗生素控制细菌的乙醇发酵方案。
[0010]发明简沐
[0011] 本发明的特征在于提供一种方法，该方法在乙醇发酵中使用抗生素备选物控制细 菌。
[0012] 本发明另外的特征在于提供一种方法，该方法在用于乙醇发酵的过程中使用抗生 素备选物控制细菌，诸如在醪液发酵、发酵池（beerwell)或其组合中控制细菌。
[0013] 本发明另外的特征在于提供一种方法，该方法在乙醇发酵中使用具有较低或不具 有负面环境影响的非抗生素处理来增加乙醇产量。
[0014] 本发明另外的特征在于提供一种方法，该方法在乙醇发酵中使用基本不存在于过 程终产物中的非氧化型杀生物剂控制细菌。
[0015] 本发明另外的特征在于提供一种方法，该方法在乙醇发酵中使用基本不存在于过 程终产物中的以及不会损害方法设备的稳定的氧化剂控制细菌。
[0016] 本发明另外的特征在于提供一种方法，该方法通过向被循环至发酵罐的至少一种 生产用水的后发酵来源中添加杀生物剂从而在乙醇发酵中引入非抗生素杀生物剂来控制 细囷。
[0017] 本发明另外的特征在于提供一种来自利用如下方法的生物乙醇生产的不含抗生 素的干酒糟产品，该方法在乙醇发酵中使用非抗生素杀生物剂控制细菌，其中非抗生素杀 生物剂基本上不存在于干酒糟产品中。
[0018] 通过下述说明书来描述本发明另外的特征和优点部分，根据说明书部分特征和优 点是清楚的，或者通过实践本发明可以学习到。尤其借助在下述说明书和权利要求中指出 的元素和组合可以认识和获得本发明的目的以及其它优点。
[0019] 为了实现根据本发明目的的这些和其它优点，如本文所收录和广泛描述的，本发 明部分地涉及通过发酵生产乙醇的方法。该方法包括：在容器中存在至少一种非氧化型杀 生物剂和酵母的情况下，发酵可经发酵的醪液以生产乙醇和固体成分，其中在醪液中所述 非氧化型杀生物剂控制细菌的生长而不会减少酵母种群。然后，该方法涉及蒸馏经发酵的 醪液以从固体成分中分离至少部分乙醇。通过本发酵方法可以增加乙醇产率而不需要使用 抗生素。另外，本发酵方法的乙醇和酒糟产品可以不含或基本不含所使用的抗生素备选物。 经发酵的醪液的酸含量减少，显示实现了提高的细菌控制。
[0020] 本发明还涉及利用发酵生产乙醇的方法，该方法包括：在容器中存在至少一种稳 定的氧化剂和酵母的情况下，发酵可经发酵的醪液以生产乙醇和固体成分，其中在培养中 所述稳定的氧化剂控制细菌的生长，以及蒸馏经发酵的醪液以从固体成分中分离至少部分 乙醇。
[0021] 本发明还提供利用发酵生产乙醇的方法，该方法包括：在如下条件下在容器中提 供可经发酵的醪液、非抗生素杀生物剂和酵母作为混合物，在该所述条件下发酵醪液产生 乙醇，以及在醪液中杀生物剂控制细菌的生长而不会减少酵母种群，以及蒸馏经发酵的醪 液以从经发酵的醪液的固体成分中分离至少部分乙醇，其中非抗生素杀生物剂是非氧化型 杀生物剂、稳定的氧化剂或其组合。
[0022] 本发明还提供一种利用发酵生产乙醇的方法，该方法包括：在容器中存在酵母的 情况下，发酵可经发酵的醪液以生产乙醇和固体成分，在存在至少一种非氧化型杀生物剂 的发酵池（一个或多个）中储存至少部分经发酵的醪液，其中在发酵池中非氧化型杀生物 剂控制细菌的生长，以及从发酵池向蒸馏单元进料储存的醪液，在蒸馏单元中蒸馏经发酵 的醪液以从固体成分中分离至少部分乙醇。可以向发酵容器中的可经发酵的醪液和发酵池 中的经发酵的醪液两者中添加非氧化型杀生物剂。
[0023] 本发明还提供一种利用发酵生产乙醇的方法，该方法包括：在发酵罐容器中存在 酵母和循环的生产用水的情况下，发酵可经发酵的醪液以生产包括乙醇和固体成分的经发 酵的醪液，任选利用含水溶液洗涤来自发酵罐容器的气体释放（gaseousemission)，并向 发酵罐容器中循环至少部分洗涤器出口溶液，任选在发酵池中储存至少部分经发酵的醪 液，向蒸馏单元中进料经发酵的醪液，在蒸馏单元中蒸馏经发酵的醪液以从釜馏物中分离 至少部分乙醇，将釜馏物分成含液体部分（稀釜馏物（thinstillage))和含固体部分，任 选向发酵罐容器中循环至少部分的稀釜馏物，回收含固体部分至少部分作为湿酒糟产品和 /或干燥至少部分含固体部分以生产干酒糟产品和蒸发的蒸气，任选冷凝蒸发的蒸气并且 向发酵罐容器中循环至少部分经冷凝的蒸气，其中，在向发酵罐容器中（再）循环水源之 前，非氧化型杀生物剂和/或稳定的氧化剂被添加至（或其存在于）包括洗涤器出口溶液、 稀釜馏物、来自酒糟干燥的经冷凝的蒸气、或它们的任意组合中的经循环水中的至少一种 来源中。
[0024] 本发明还提供一种利用发酵生产乙醇生产的干酒糟副产品的方法，该方法包括： 在发酵罐容器中存在酵母的情况下，发酵可经发酵的醪液以生产包括乙醇和固体成分的经 发酵的醪液，任选利用含水溶液洗涤来自发酵罐容器的气体释放，并向发酵罐容器中循环 至少部分洗涤器出口溶液，任选在发酵池中储存至少部分经发酵的醪液，向蒸馏单元中进 料经发酵的醪液，在蒸馏单元中蒸馏经发酵的醪液以从釜馏物中分离至少部分乙醇，将釜 馏物分成含液体部分作为稀釜馏物和含固体部分，任选向发酵罐容器中循环至少部分稀釜 馏物，干燥至少部分含固体部分回收含固体部分以生产干酒糟产品和蒸发的蒸气，以及任 选冷凝蒸发的蒸气并且向发酵罐容器中循环至少部分经冷凝的蒸气，其中用于在发酵容器 中控制细菌的非氧化型杀生物剂和/或稳定的氧化剂被添加至发酵罐容器、发酵池和示出 的循环的水源、或它们的任意组合中的至少一种中。发酵方法的酒糟副产品可以不含或基 本上不含所使用的抗生素备选物。当使用本发明方法生产时，酒糟副产品可以不含或基本 上不含抗生素而不会引起细菌问题或其它污染。
[0025] 应当理解上述一般性描述和下述详细的描述均为示例性的，并且仅处于解释的目 的且仅意在进一步解释权利要求所描述的本发明。
[0026] 在本文中使用的"抗生素"涉及控制细菌、霉菌或类似的微生物生长的物质，其中 该物质可以是由细菌或霉菌提供的天然物质、或者是化学/生物化学合成的物质（其是天 然物质的类似物）、或者天然物质的化学改性形式。该物质可以是例如化合物。
[0027] "可发酵的糖"是指可以被酵母或其它微生物使用转化为乙醇或其它终产物的简 单的糖，诸如单糖和二糖（例如，葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖）。
[0028] "纤维素类物质"是指含有纤维素的物质。纤维素通常在植物的例如茎、叶、荚、壳、 穗轴或树木的叶、枝和木材中被发现。纤维素类物质可以是但不限于草本物质、农业废料、 林业废料、市政固体废料、废纸、纸浆和造纸厂废料。应当理解在本文中纤维素可以为木质 纤维素的形式，在混合的基质中含有木质素、纤维素和半纤维素的植物细胞壁物质。
[0029] "杀生物剂"是指能够以选择性的方式控制细菌的化学物质。
[0030] "非氧化型杀生物剂"是指在发酵醪液中在至少一个剂量下对于细菌具有选择性 (即，攻击至少一种细菌但不攻击酵母）的杀生物剂。
[0031] "控制"至少一种细菌的生长保持细菌种群在期望的水平，减少种群至期望的水平 (甚至至不可检测的极限值），和/或至少部分抑制细菌的生长。另外，还应当理解"控制" 至少一种细菌的生长可以包括生物静力学地减少和/或保持至少一种细菌的低水平，从而 减轻在发酵醪液中糖与细菌的反应，即可以降低和/或消除细菌生长速率或细菌对于发酵 糖的攻击速率。
[0032] "干酒糟（distillersdriedgrains) "（DDG)通常是指通过发酵的乙醇生产的副 产品，其可以包括经干燥的剩余酒糟（grain)固体，其可以是动物饲料级的。
[0033] "具有可溶物质的干酒糟" (DDGS)是指通过发酵的乙醇生产的副产品，其可以包括 具有可溶成分（诸如过程衆液（processsyrup)或其它可溶物质）的经干燥的剩余酒糟固 体，以及其可以是动物饲料级的。
[0034] "湿酒糟（WetDistillersGrains) "(WDG)是指通过发酵的乙醇生产的副产品，其 可以包括干燥之前的剩余的酒糟固体，其可以含有至少部分过程浆液，且其可以是动物饲 料级的。
[0035] 下述附图在此并入构成本申请的一部分，其说明本发明的一些实施方式并且与说 明书一起意在解释本发明的要旨。
【附图说明】
[0036] 图1示出了根据本发明实施方式具有引入非抗生素杀生物剂控制细菌的乙醇生 产方法的流程图。
[0037] 图2示出了根据本发明实施方式在生产工厂中具有引入非抗生素杀生物剂控制 细菌的乙醇生产方法的另一流程图。
[0038] 图3示出了根据本发明实施方式在生产工厂中具有引入非抗生素杀生物剂控制 细菌的乙醇生产方法的另一流程图。
[0039] 图4示出了随着时间（小时）发酵进行过程中基于二氧化碳产生的质量损失（g)， 其中在实施例1中描述了玉米发酵中，对发酵实施非氧化型杀生物剂处理和未处理作为对 照。
[0040] 图5示出了实施例1描述的玉米发酵实验中实施了非氧化型杀生物剂处理和未处 理对照中乳酸的终浓度（g/l〇〇mL)。
[0041] 图6示出了在实施例1描述