在繁殖、调理和发酵期间用酒花酸提取物和有机酸处理微生物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明技术主要涉及发酵过程中的微生物防治。具体而言，本发明技术涉及减少 或控制非期望的微生物的浓度的方法。
【背景技术】
[0002] 微生物，如酵母，真菌和细菌，用于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。
[0003] 酵母通常用于发酵过程。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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 在繁殖和/或调理之后，酵母进入发酵过程。酵母在水溶液中与可发酵糖相结合。 酵母消耗糖，将其转化成脂肪醇，如乙醇。
[0008] 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。也可以代替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。
[0009] 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。酒花酸和有机酸混合物可以分批或连续法使用。
[0010] 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。
[0011] 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 微生物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。降低微生物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。
[0012] 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。
[0013] 细菌或微生物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 的糖被细菌或其他非期望的微生物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 菌或其他非期望的微生物与酵母竞争除糖以外的营养素。
[0014] 在发酵系统或容器变得被细菌或其他非期望的微生物污染之后，这些细菌或其他 微生物的生长可以远远快于所期望的酵母。该细菌或其他微生物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。去除这些细菌或其他非期望的微生物允许所期望的酵母茁壮成长，这产 生更高的生产效率。
[0015] 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。
[0016] 在繁殖、调理和发酵期间减少细菌或其他非期望的微生物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，所期望的酵母微 生物在存活期间被压制，不被认为是有活力或健康的。因此，酵母也不能发挥作用。
[0017] 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。由于用于乙醇生产的酵母被压制，也显然降低乙醇产率。
[0018] 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及其他微生物。也 会压制用于乙醇生产的酵母，从而降低其功效。
[0019] 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和其他微生物是无效的。
[0020] 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。发 酵工业典型地将抗生素用于调理、繁殖和发酵过程。抗生素剂量率在0. 1至3.Omg/L之间 的范围内，一般不超过6mg/L。然而，在调理、繁殖和发酵中使用抗生素仍然存在问题。抗生 素价格昂贵，并且会大幅增加大规模生产的成本。此外，抗生素并不是对所有的细菌菌株都 有效，如细菌的抗生素耐药性菌株。过度使用抗生素会导致产生细菌的抗生素耐药性菌株 的额外的变体。
[0021] 抗生素残留及产生抗生素耐药性菌株是全球性的问题。这些考虑可能会导致将来 出台反对使用抗生素的监管行动。一个方面的考虑是用于动物饲料的酒糟。酒糟是发酵过 程的粮渣。欧洲国家不允许乙醇厂的副产物作为动物饲料销售，若在设备中使用抗生素。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。在饮料生产中，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] 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。有机酸的 作用模式是不溶解的酸通过被动扩散渗透穿过细菌细胞壁，及以两种方式破坏细胞的正常 生理：酸溶解，因此降低内部pH，其在正常情况下接近中性，损害细菌的功能。酸的阴离子 部分无法以其溶解形式离开细胞，在其中累积，破坏代谢功能及提高渗透压。
[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。
【附图说明】
[0026] 图1为显示在添加抗微生物剂之后及发酵结束（64小时）的时刻的细菌浓度的 图。
[0027] 图2为显示处理的平均乙醇产率的图，表示为每克干玉米的乙醇克数。
[0028] 图3为显示在工厂试验条件下在不同的发酵中乙酸的对照图。
[0029] 图4为显示在工厂试验条件下在不同的发酵中乳酸的对照图。
[0030]图5为显示在工厂试验条件下在不同的发酵中甘油的对照图。
【具体实施方式】
[0031] 对于在调理、繁殖和发酵中有机酸和酒花酸的组合，可以确定的是，不仅酒花酸与 有机酸相容，而且在同时采用这两种技术时是协同的。这些产品的组合提供强有力的非抗 生素的抗微生物处理。本发明可以在含水系统中用于降低非期望的微生物浓度、促进所期 望的微生物繁殖及提高所期望的微生物功效。
[0032] 作为在此使用的ppm是作为单位体积的重量测量的，或者lppm等于每升lmg(活 性物质）。剂量定义为在所处理的系统中组分的浓度。
[0033] 作为在此使用的术语"有机酸"还涉及其盐。例如，在使用术语柠檬酸时，其包括 柠檬酸的盐的形式。任何涉及的有机酸均包括其盐。
[0034] 术语"酒花酸"和"酒花酸提取物"可以交换使用。
[0035] 在