CN101712967A - 用于在繁殖、调理和发酵期间处理微生物的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在水成液流中降低所不希望的微生物浓度、促进所希望的微生物繁殖/调理以及提高所希望的微生物的效率的方法，该方法包括：(a)将一些发酵性碳水化合物或纤维素引入水成液流中；(b)将一些所希望的微生物引入所述液流中；(c)产生ClO2气体；(d)使ClO2气体溶解以形成ClO2溶液；以及(e)将ClO2水溶液引入所述水成液流中。另一种方法包括：(a)将发酵性碳水化合物或纤维素引入水成液流中；(b)将一些所希望的微生物引入该水成液流中；以及(c)将具有以ClO2计至少大约90％效率的ClO2引入水成液流中。用于降低细菌浓度、促进真菌繁殖/调理并且提高发酵效率的装置包括流体连接到计量箱、流体连接到真菌容器的ClO2发生器。

Description

用于在繁殖、调理和发酵期间处理微生物的装置和方法
与相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求于2006年2月22日提交的题目为“用于在繁殖、调理和发酵期间处理酵母的设备和方法(Apparatus And Method For Treatment Of YeastDuring Propagation，Conditioning And Fermentation)”的美国临时专利申请60/775,615的优先权。将′615临时申请全文引入此处作为参考文献。
发明领域
本发明的技术领域主要包括厌氧和好氧微生物的繁殖、调理和/或发酵。具体地，它是在发酵期间降低不希望的微生物的浓度而同时促进所希望的微生物繁殖和/或调理并且提高所希望的微生物的效率的方法。
发明背景
微生物例如酵母、真菌和细菌用于生产许多发酵产品，例如工业级酒精、精馏乙醇、啤酒、果酒、药物以及营养品(提供保健的食品，例如强化食品和饮食增补剂)。酵母通常还用于焙烤食品工业。
酵母是在发酵工艺中最常用的微生物。酵母是微小的(常常是单细胞的)真菌。它们通常通过芽殖或裂殖来繁殖。一种常见的酵母是酿酒酵母，该类型主要用于焙烤和发酵。非酵母属的酵母，又称为非常规酵母，也用于制造许多商业产品。非常规酵母的一些例子包括产乳糖酶酵母(Kuyberomyces lactis)、解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、多形汉森酵母(Hansenula polymorpha)和巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)。
然而，其它微生物也可以用于制造发酵产品。例如，纤维素乙醇生产(从纤维素的生物资源生产乙醇)利用真菌和细菌。这些分解纤维素的真菌的例子包括里氏木霉菌(Trichoderma reesei)和绿色木霉菌(Trichoderma viride)。用于纤维素乙醇生产的细菌的一个例子是产气荚膜梭菌(ClostridiumIjungdahlii)。
用于酿酒厂和燃料乙醇工厂的大部分酵母是从专门的酵母制造商处购买的。通过繁殖工艺制造酵母。繁殖包括从小规模的实验室培养的酵母生长大量的酵母。在繁殖期间，酵母通过有氧呼吸被提供有最佳生长所必需的或所希望的氧、氮、糖、蛋白质、类脂物和离子。
一旦在酿酒厂，酵母可以进行调理。繁殖和调理两者的目的是向发酵槽输送高生存能力、高芽殖并且受其它微生物感染的水平低的大量酵母。然而，调理与繁殖不同，它不包括从小规模的实验室培养生长出大量酵母。在调理期间，提供条件使酵母再水化，使它们从休眠中醒来并且允许最大量的厌氧生长和繁殖。
繁殖或调理之后，酵母进入发酵工艺。酵母在水溶液中与可发酵糖混合。酵母消耗糖，将它们转化为脂族醇，例如乙醇。
在这三个工艺期间，酵母可能被细菌或其它所不希望的微生物污染。这可能在用于繁殖、调理或发酵的许多容器中的一种容器中发生。这包括繁殖槽、调理槽、酵母槽(starter tank)、发酵槽、在这些单元之间的管道和换热器。
细菌或微生物的污染以三种主要方式降低发酵产品的产量。首先，能够由酵母有效用于生产乙醇的糖被细菌或其它所不希望的微生物消耗，并且偏离乙醇生产。除了降低产量外，细菌代谢的最终产物，例如乳酸和乙酸抑制了酵母繁殖和酵母发酵/呼吸作用，这导致酵母生产效率低。最后，细菌或其它所不希望的微生物与酵母竞争除糖之外的养分。
在发酵物流或容器已经被细菌或其它不希望的微生物污染之后，那些细菌或其它微生物能够比所希望的酵母更快地生长。细菌或其它微生物与酵母竞争可发酵的糖，并且阻滞所希望的生化反应，导致较低的产品产量。细菌还产生不需要的化学副产品，这可能导致损坏全部发酵批料。除去这些细菌或其它不希望的微生物使酵母茁壮成长，这导致更高的效率。
对于燃料乙醇工业，在酒精产量方面仅下降一个百分点是非常显著的。在较大的工厂中，所述的效率的下降将每年减少收入1百万到3百万美元。
在繁殖、调理以及发酵期间，减少细菌或其它不希望的微生物的一些早先的方法利用酵母超过微生物的较高的温度和pH值耐受性。这通过对酵母溶液加热或降低pH值来实现。然而，在阻滞细菌繁殖方面这些步骤并非完全有效。此外，所希望的酵母微生物(当存活时)被胁迫而非健壮或健康的。因而，酵母不能很好地发挥作用。
乙醇工业中的主要趋势是在开始发酵时将麦芽浆的pH值降低到小于4.5。降低麦芽浆的pH值减少了一些细菌种类的数目。然而，在减少有问题的细菌例如产生乳酸的细菌方面的效率是非常低的，并且对于野生的酵母和霉菌通常无效。由于胁迫酵母，它还显著地降低了酒精的产量。
另一个现有的方法包括向酵母繁殖、调理或发酵批料中添加抗生素以使细菌失效。这个方法有许多问题。抗生素昂贵并且可能极大地增加大规模生产的成本。改善和改进现有技术的效率的改进技术对该工业具有可观的价值。此外，抗生素不是对所有的菌株有效，例如耐抗生素菌株。滥用抗生素可能导致产生另外的耐抗生素菌株。
抗生素残留物以及耐抗生素菌株的确立是全球性的问题。这些担心可能导致产生反对使用抗生素的未来规章制度。所述担心的一个领域是用于动物饲养的干燥的酒糟。如果在乙醇工厂中使用了抗生素，欧洲国家不允许工厂的副产品作为动物饲料出售。干燥的酒糟销售额最高占乙醇工厂收入的20％。副产品中抗生素浓度可能在1～3wt％范围内变化，从而使这个重要的财源作废。
另外，在使用抗生素时有其它问题需要考虑。计算恰当的抗生素剂量可能是令人气馁的工作。甚至在已经确定剂量之后，为了避免会导致耐抗生素菌株的单独运用，应当不断地或至少经常地衡量和改变抗生素混合物。有时不能将有效量的抗生素添加到发酵混合物中。例如，应用超过2mg/L的维及尼霉素将抑制发酵，但是抑制融合乳杆菌(Weisella confusa)(新出现的有问题的细菌株)的生长需要超过25mg/L。
另一个方法包括用磷酸洗涤酵母。此方法不能有效地杀死细菌和其它微生物。它还可能胁迫酵母，从而降低它们的效率。
还有另一个方法是在批料之间采用加热或刺激性化学品和杀菌处理设备。然而，此方法仅在设备未使用时有效。它在生产期间无法杀死在酵母内的细菌和其它微生物。
二氧化氯(ClO2)具有许多的工业和市政用途。在适当地生产和处理时，ClO2是有效并且强大的抗微生物剂、杀菌剂和氧化剂。
在食品及饮料工业、废水处理、工业水处理、医疗废物的净化和消毒、织物漂白、用于炼油工业的臭气防治、电子工业中的线路板清洗以及油气工业的应用中，ClO2已经被用作杀菌剂。在低的浓度和宽的pH值范围内它是有效的抗微生物剂。ClO2是所希望的，因为它与有机体在水中反应时被还原为亚氯酸盐离子，然后还原为迄今为止研究显示对于人体健康不造成显著有害风险的氯化物。
以前，啤酒工人向他们的发酵配料中添加2～6wt％的亚氯酸钠水溶液(或者称为稳定的二氧化氯)以杀死细菌和其它微生物。当亚氯酸钠在酸性环境反应时它能够形成ClO2。采用此方法添加的ClO2实质上不是纯的，难以精确确定添加量或者控制数量。如果没有精确地保持该量，ClO2可能杀死所希望的酵母或者抑制制备可发酵糖的葡糖淀粉酶。如果发生这些不希望的后果，添加ClO2不会导致更有效的生产。在中性或碱性pH值水平下此方法也是无效的。
在繁殖、调理和/或发酵工艺期间生产用于处理酵母的ClO2气体是所希望的，因为在气相时ClO2的纯度有更大的保证。然而，ClO2在气相下是不稳定的，容易分解为氯气(Cl2)、氧气(O2)和热量。ClO2的高反应活性通常要求在同一地点生产和使用。
因此，所希望的是，提供比目前所用的那些方法更便宜且更有效的用于在繁殖、调理和/或发酵期间降低不希望的微生物的方法。还希望的是，该方法促进所希望的微生物的繁殖和/或调理并提高它们在发酵中的效率。还希望的是，在酵母和/或微生物的繁殖、调理和/或发酵期间避免使用抗生素。还希望的是，在酵母和/或微生物的繁殖、调理和/或发酵期间避免抑制葡糖淀粉酶。
发明概述
用于在水成液流中降低不希望的微生物浓度、促进酵母繁殖以及提高发酵效率的方法，该方法包括：(a)将一些可发酵的碳水化合物引入水成液流中；(b)将一些酵母引入所述水成液流中；(c)产生ClO2气体；(d)使ClO2气体溶解以形成ClO2溶液；以及(e)将ClO2水溶液引入所述水成液流中。可以依序或以不同的顺序执行这些步骤。
在上述方法中，计划被还原的“不希望的”微生物是与所希望的微生物例如酵母和木霉素(在本文涉及的发酵工艺中促进发酵)竞争养分的那些微生物。在这方面，本发明方法中所采用的ClO2水溶液看来似乎不会不利地影响所希望的发酵促进微生物的生长和生存能力，但是看来似乎能够消除或至少抑制妨碍发酵工艺的所不希望的微生物的生长。此外，由于在背景部分所阐述的理由，消除或抑制不希望的微生物看来似乎对所希望的微生物的生长和生存能力有良好的影响。
通过使氯气与水反应然后添加亚氯酸钠，可以产生ClO2气体。或者，可以通过使次氯酸钠与酸反应然后添加亚氯酸钠产生ClO2气体。还可以通过使亚氯酸钠和盐酸反应产生ClO2气体。还可以采用电化学电池和氯酸钠或亚氯酸钠产生ClO2气体。基于设备的产生还可以采用氯酸钠和过氧化氢也可以用于产生ClO2气体。
在一个具体实施方式中，ClO2溶液具有小于约15mg/L的浓度。在另一个具体实施方式中，ClO2溶液具有在约10mg/L和约75mg/L之间的浓度。在一个具体实施方式中，ClO2溶液具有以流体中的ClO2计至少约90％的效率。如在本申请中所用的″具有以ClO2计至少约90％的效率″意指至少约90％的ClO2溶液或ClO2气体为ClO2的形式。
在水成液流中降低不希望的微生物浓度、促进酵母繁殖以及提高酵母效率的另一种方法包括：(a)将发酵性碳水化合物引入水成液流中；(b)将一些酵母引入该水成液流中；以及(c)将具有以ClO2计至少大约90％效率的ClO2引入该水成液流中。可以依序或以不同的顺序执行这些步骤。
通过基于设备或非基于设备的方法可以产生具有以液流中的ClO2计至少约90％的效率的ClO2。非基于设备产生ClO2的方法的例子包括含有亚氯酸盐前驱体包和酸性活化剂包两者的干混合的二氧化氯包。基于设备的方法包括采用具有氯酸钠或亚氯酸钠的电化学电池和氯酸钠/过氧化氢方法。
在一个具体实施方式中，ClO2溶液为具有小于约15mg/L浓度的水溶液形式。在另一个具体实施方式中，ClO2溶液为浓度为约10mg/L和约75mg/L之间的水溶液形式。在另一个具体实施方式中，ClO2为气体形式。
用于减少不希望的微生物、促进真菌繁殖以及提高真菌效率的装置包括ClO2发生器、计量箱(batch tank)以及用于容纳真菌水溶液的容器。ClO2发生器包括用于引入至少一种含氯进料化学品的进口和用于从发生器中排出ClO2气流的出口。计量箱流体连接到ClO2发生器出口，并且接受来自于ClO2发生器出口的ClO2气流。计量箱包括用于引入第二水流的进口以及用于从计量箱中排出ClO2水溶液的出口。所述容器流体连接到计量箱。在操作过程中，将ClO2溶液从计量箱引入容器促进了容器中的真菌繁殖。
计量箱优选具有用于引入第二水流的进口以及用于从计量箱中排出ClO2水溶液的出口。在一个优选的实施方式中，计量箱能够排出具有小于约5,000mg/L的浓度的ClO2水溶液。在一个实施方式中，调配排出的ClO2溶液以具有在约10和约50mg/L之间的浓度。在另一个具体实施方式中，调配排出的ClO2溶液以具有小于约15mg/L的浓度。在另一个具体实施方式中，调配排出的ClO2溶液以具有小于约50mg/L的浓度。
真菌容器可以是调理槽，可加热、能够进行液化或者真菌繁殖的容器。真菌容器还可以是发酵槽，其具有连接到处理设备的用于真菌的进口、用于水的进口、用于发酵化学品的进口和用于发酵产品的出口。
用于在水成液流中降低不希望的微生物浓度、促进希望的微生物繁殖并提高希望的微生物效率的方法，该方法包括：(a)将一些纤维素引入水成液流中；(b)向该水成液流中引入一些所希望的微生物；(c)产生ClO2气体；(d)使ClO2气体溶解以形成ClO2溶液；以及(e)将ClO2水溶液引入所述水成液流中。可以依序或以不同的顺序执行这些步骤。在一个具体实施方式中，ClO2溶液具有以流体中的ClO2计至少约90％的效率。
在水成液流中降低不希望的微生物浓度、促进希望的微生物繁殖以及提高希望的微生物效率的另一种方法包括：(a)将一些纤维素引入水成液流中；(b)将一些所希望的微生物引入该水成液流中；以及(c)将具有以ClO2计至少大约90％的效率的ClO2引入该水成液流中。可以依序或以不同的顺序执行这些步骤。
在用于发酵工艺的水成液流中降低细菌浓度而未使用抗生素的另一种方法包括：(a)将一些所希望的微生物引入所述流体中；(b)将具有以ClO2计至少大约90％效率的ClO2引入所述流体中。
附图说明
图1是用于生产发酵产品的工艺流程图。标明了可以添加ClO2以抑制微生物生长并促进酵母繁殖的位置的例子。
图2是在发酵期间用各种浓度ClO2处理的发酵配料的时间(小时)与生产的乙醇(克)的关系图。
图3是在发酵工艺之前用各种浓度的ClO2处理麦芽浆的时间(小时)与生产的乙醇(克)的关系图。
图4是在用0、10以及50ppm的ClO2处理过的玉米醪中生存能力(初始数值的酵母细胞的存活％)随时间(小时)的柱状图。
图5是显示在不同的时间(小时)用不同的抗微生物剂(ppm)处理过的发酵醪中存在的细菌量(CFU/g)的柱状图。
图6是用不同浓度亚氯酸根离子处理的5％麦芽糖溶液中通过葡糖淀粉酶作用产生的葡萄糖的量(mg/L)与时间(分钟)的关系图。
图7是依照一个实施方式具有集成ClO2系统的发酵工艺设备的示意图。
优选具体实施方式详述
本发明公开涉及用于在发酵中降低细菌和其它不希望的微生物的浓度同时促进希望的微生物的繁殖和/或调理并且提高所希望的微生物的效率的方法，以及用于执行此方法的装置。
图1说明了用于生产发酵产品的工艺。通过酵母发酵生产燃料乙醇用作例子。然而，这仅仅是一个说明而不应被理解为限制。其它发酵产品可以包括精馏酒精、啤酒、果酒、药物、药物中间体、烘焙产品、营养品(提供保健的食品，例如强化食品和营养增补剂)、营养品中间体和酶。本发明方法还可以用于处理在焙烤食品工业中使用的酵母。其它发酵微生物也可以被代替，例如典型地用于纤维素乙醇生产的真菌和细菌，里氏木霉菌(Trichoderma reesei)、绿色木霉菌(Trichoderma viride)和产气荚膜梭菌(Clostridium Ijungdahlii)。
发酵工艺从发酵性碳水化合物的制备开始。在乙醇生产中，玉米102是一种可能的发酵性碳水化合物。包括谷粒和纤维素-淀粉支撑材料(bearingmaterials)的其它碳水化合物例如小麦或者高梁也可以代替。还可以使用纤维素生物资源例如稻草和玉米杆。纤维素乙醇的生产近来受到关注，因为它易于利用可得到的非食品生物资源形成宝贵的燃料。
在基于玉米的乙醇生产中，将玉米碾磨104成被称为玉米粉106的细粉。然后将玉米粉与水和酶108例如α-淀粉酶混合，然后通过蒸煮器以便使淀粉110液化。得到被称为玉米醪112的产品。
辅助酶例如葡糖淀粉酶108也可添加到麦芽浆112中，将液化的淀粉转化成可发酵的糖。葡糖淀粉酶从短链淀粉或糊精中分裂出单分子葡萄糖。然后葡萄糖分子可以在发酵期间转化为乙醇。
酵母、能够发酵的小微生物也可添加到玉米醪114中。酵母是通过芽殖或裂殖繁殖的真菌。一种常见的酵母是酿酒酵母，该类型主要用于烘焙和发酵。非酿酒酵母又名非常规酵母，是显示出不同于常规酵母的天然产生的酵母。非常规酵母用于制造许多商品，例如氨基酸、化学品、酶、食物成分、蛋白质、有机酸、营养品、药物、化妆品、多元醇、甜味剂和维生素。一些非常规酵母的例子包括产乳糖酶酵母(Kuyberomyces lactis)、解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)、多形汉森酵母(Hansenula polymorpha)和巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)。本发明方法和装置适用于酿酒和非常规酵母的中间体以及产品。
用于燃料乙醇工厂和其它发酵工艺的大部分酵母从专门的酵母制造商处购买。通过繁殖工艺制造酵母，并且通常形成三种形态之一：酵母浆料、压缩酵母或活性干酵母。繁殖包括从小规模的实验室培养的酵母生长大量的酵母。在繁殖期间，酵母被提供有通过有氧呼吸最佳生长所必需的或所希望的氧、氮、糖、蛋白质、类脂物和离子。
一旦在酿酒厂，可以调理酵母。繁殖和调理的目的是向发酵槽输送高活力、高芽殖并且受其它微生物感染的水平低的大量酵母。然而，调理与繁殖不同，它不包括从小规模的实验室培养生长大量酵母。在调理期间，提供条件使酵母再水化，使它们从休眠中醒来并且允许最大量的厌氧生长和繁殖。
繁殖或调理之后，酵母进入发酵工艺。当麦芽浆装入发酵槽时，通常经过分离线将葡糖淀粉酶和酵母添加到发酵槽中。此工艺被称为同时糖化和发酵或SSF。酵母通过在玉米醪中将糖例如葡萄糖分子转化为二氧化碳116和乙醇来产生能量。
现在称为“啤酒”118的发酵麦芽浆进行蒸馏120。此工艺从被称为酒糟124的固体物中除去190纯度乙醇(proof ethanol)。然后将这些固体物离心分离126以得到湿的酒糟128和稀酒糟130。湿酒糟可以被干燥132，并且是被称为干酒糟(DDGS)134的价值很高的家畜饲料成分。可以将稀酒糟蒸发136以留下糖浆138。蒸馏后，所述乙醇通过脱水系统140除去剩余的水。在该点，其产品是200纯度(proof ethanol)142。然后通过添加少量变性剂144，例如汽油，使该酒精不适于饮用以使它不适宜人类消费。
可以采用间歇以及连续方法执行繁殖、调理和发酵工艺。间歇法用于小规模生产。在新的一批开始之前完成每一批。连续发酵方法用于大规模生产，因为它产生连续供应而不必每次重新起动。本发明方法和装置对于两种方法都是有效的。
在繁殖、调理或发酵工艺期间，麦芽浆或发酵混合物可能被其它微生物例如腐败菌、野生酵母或嗜杀酵母污染。这些微生物与酵母竞争可发酵糖并阻止所希望的生化反应，导致较低的产品产量。它们还可以产生可能导致全部发酵配料变质的不需要的化学副产品。在饮料工业中主要担心野生酵母，因为它们可能导致最终产品的味道和气味问题。嗜杀酵母产生对于所希望的酒精生产酵母致命的毒素。
酒精生产者努力提高由一蒲式耳谷粒(大约56磅(25.4公斤)重)生产的乙醇量。微生物污染降低了酵母的效率，难以达到或超过希望的每蒲式耳2.8～2.9加仑(每公斤.42～.44公升)的水平。降低微生物的浓度将促进酵母繁殖和/或调理并提高酵母效率，使其可能达到和超过所述希望的水平。
酵母能够承受ClO2环境并且确实茁壮成长。然而，细菌、野生酵母、嗜杀酵母和霉菌受制于ClO2的特性，使所生产的希望的酵母得以茁壮成长并获得较高的产量。
ClO2溶液在消毒、漂白和化学氧化方面有许多应用。可以在繁殖、调理和/或发酵工艺的各个点添加ClO2以杀死不需要的微生物，并促进希望的微生物的生长和生存。ClO2可以作为水溶液或气体添加。可以在繁殖、调理和/或发酵期间添加ClO2。可以向蒸煮容器、发酵槽、繁殖槽、调理槽、酵母槽中或者在液化期间添加ClO2溶液。还可以向段间热交换系统或热交换器中添加ClO2溶液。在一个具体实施方式中，ClO2具有以流体中的ClO2计至少约90％的效率。添加已知纯度的ClO2能够控制添加的ClO2量。
如上所述，可以将ClO2直接添加到发酵混合物中。例如在SSF阶段期间，将ClO2与酵母和葡糖淀粉酶一起添加，这能够实现。图2是在发酵期间用各种浓度ClO2处理发酵配料的时间(小时)与所生产的乙醇(克)的图。此图显示出向发酵混合物中添加的ClO2与所生产的乙醇量之间的关系。表明在发酵期间添加ClO2，乙醇产量提高。少于约15mg/L，优选少于约10mg/L，最优选少于约7.5mg/L的二氧化氯剂量直接应用于发酵混合物显示了比不含ClO2的对照物更大的乙醇产量。
还可以在发酵工艺之前例如SSF阶段之前将ClO2添加到麦芽浆中。图3是在发酵工艺之前用各种浓度ClO2处理的麦芽浆的时间(小时)与所生产的乙醇(克)的关系图。此图显示出在发酵工艺之前向玉米醪中添加ClO2和所生产的乙醇的量之间的关系。表明在发酵之前添加ClO2，乙醇产量提高。在发酵之前将介于约10mg/L和约75mg/L之间，优选在约10mg/L和约50mg/L之间，最优选在约20mg/L和约50mg/L之间的二氧化氯剂量应用于麦芽浆，显示了比不含ClO2的对照物更大的乙醇产量。
还可以在繁殖和/或调理期间添加二氧化氯。例如可以在SSF之前替代酸洗步骤向酵母浆中添加ClO2。图4是在0、10以及500ppm ClO2处理过的玉米醪中生存能力(初始数值的酵母细胞的存活％)随时间(小时)的柱状图。此图显示出在繁殖/调理阶段期间用ClO2处理过的酵母比未处理的酵母显示出高达大于80％的生存能力。酵母能够忍受ClO2环境并且在高浓度ClO2下保持存活。竞争菌(competing bacteria)、野生酵母、霉菌等将受制于ClO2，仅剩下用于发酵的高活力的酵母而不必采用另外的常规酸洗。在繁殖期间小于约50mg/L的二氧化氯剂量可以直接应用于酵母。
图5是显示在不同时间(小时)用不同浓度的抗微生物剂(ppm)(ClO2或抗生素)处理过的发酵麦芽浆中存在的细菌量(CFU/g)的柱状图。此图显示出ClO2作为抗微生物剂的有效性。72小时后用ClO2处理过的玉米醪比未处理的麦芽浆显示出更大的微生物降低。72小时后，用大于10ppm的ClO2处理过的玉米醪还显示出比用抗生素处理过的玉米醪更大的微生物降低。
ClO2达到或超过抗生素作为抗微生物剂的效率的能力是本方法的优点。在发酵工艺中采用抗生素作为微生物剂伴生许多问题。抗生素昂贵并且不是对所有的细菌菌株有效。另一方面的担心是用于动物饲养的干酒糟。如果在乙醇工厂中使用了抗生素，欧洲国家不允许工厂的副产品作为动物饲料出售。干酒糟销售最高占乙醇工厂收入的20％。副产品中抗生素的浓度可能从1～3wt％变化，从而使这个重要的财源作废。
另外，在使用抗生素时有其它问题需要考虑。计算恰当的抗生素剂量可能是令人气馁的工作。甚至在已经确定剂量之后，为了避免会导致耐抗生素菌株的单独运用，应当不断地或至少经常地衡量和改变抗生素混合物。采用ClO2作为抗微生物剂为制造商提供了对于抗生素的有价值的选择。
采用ClO2相对于抗生素来说的另一个优点是处理还原副产物。ClO2还原形成亚氯酸根离子然后进一步还原形成氯离子和/或盐。从ClO2还原为氯离子很快地发生，并且与已经存在的本底残余物相比是不确定的。不同于由许多抗生素产生的那些副产物，氯离子是无危险的副产物。迄今为止研究显示氯离子不会对人体健康产生显著的不利风险。
因为ClO2气体能够爆炸性地分解，它典型地在现场生产。所属领域技术人员知道有许多生产已知纯度ClO2气体的方法。可以使用这些方法中的一种或更多种。采用电化学电池以及亚氯酸钠或氯酸钠溶液能够产生ClO2气体。基于设备的氯酸钠/过氧化氢方法同样存在。或者，可以采用非基于设备的二元、多种前驱体的干燥或液体前驱体技术。非基于设备产生ClO2的方法的例子包括含有亚氯酸盐前驱体包和酸性活化剂包的干混合的二氧化氯包。这样的工艺包括但不局限于：亚氯酸钠的酸化；亚氯酸盐被氯氧化；亚氯酸盐被过硫酸盐氧化；对亚氯酸盐使用乙酸酐；采用次氯酸钠和亚氯酸钠；采用干氯/亚氯酸盐；在存在草酸下通过酸化还原氯酸盐；氯酸盐被二氧化硫还原；以及ERCO
Figure G2009102083722D00112
和
Figure G2009102083722D00113
工艺，在存在NaCl和H2SO4下从NaClO3产生ClO2(R-2和R-3工艺)，在存在HCl下从NaClO3产生ClO2(R-5工艺)，在存在H2SO4和CH3OH下从NaClO3产生ClO2(R-8和R-10工艺)，以及在存在H2O2和H2SO4下从NaClO3产生ClO2(R-11工艺)。
这里，三种方法将说明一些可能性。第一种方法中，氯与水反应以形成次氯酸和盐酸。然后这些酸与亚氯酸钠反应形成二氧化氯、水和氯化钠。第二种方法中，次氯酸钠与盐酸或其它酸化合以形成次氯酸。然后向此反应混合物中添加亚氯酸钠以产生二氧化氯。第三种方法使亚氯酸钠和足够的盐酸混合。在一个实施方式中，所产生的ClO2气体在空气中为0.0005～5.0wt％。
使ClO2气体溶于溶剂中以便产生ClO2溶液。ClO2易溶于水。在一个实施方式中，水和ClO2气体按照产生具有小于约15mg/L的浓度直接应用于发酵混合物的溶液的量混合，优选小于约10mg/L，最优选小于约7.5mg/L。在另一个实施方式中，水和ClO2气体按照产生具有在约10mg/L和约75mg/L之间的浓度在发酵之前应用于玉米醪的溶液的量化合，优选在约10mg/L和约50mg/L之间，最优选在约20mg/L和约50mg/L之间。在又一个实施方式中，水和ClO2按照产生具有少于约50mg/L的浓度在繁殖期间应用于酵母的溶液的量混合。在一个实施方式的溶液中，ClO2溶液具有以流体中的ClO2计至少约90％的效率。
纯或基本上纯的ClO2是所希望的，因为它使用户能够精确地保持添加到酵母中的ClO2的量(下文中单个术语“纯的”将用于表示纯或基本上纯)。如果添加过少的ClO2，剂量不足以有效地杀死所不希望的微生物。如果添加过多的ClO2，它可能杀死所希望的酵母。如果这些情况中的任一种发生，添加ClO2不会导致更有效率的乙醇生产。添加纯的ClO2使用户能够仔细地监控和调理向酵母中添加的ClO2的量。这使用户能够添加足够的ClO2确保微生物的效力而不会杀死酵母。
因为另一个原因纯的ClO2同样是所希望的。在乙醇生产中将短链淀粉(或糊精)转化为可发酵的葡萄糖分子，葡萄糖淀粉酶是重要的。ClO2未显示出与葡萄糖淀粉酶的明显反应。然而，ClO2可能还原形成亚氯酸根离子。图6是用不同浓度亚氯酸根离子(mg/L)处理的5％麦芽糖溶液中通过葡糖淀粉酶作用产生的葡萄糖的量(麦芽糖转换的％)与时间(分钟)的关系图。图5显示了亚氯酸根离子在大约14mg/L及以上可能抑制葡糖淀粉酶。抑制葡糖淀粉酶会降低乙醇产量。通过约50mg/L到60mg/L的ClO2剂量率能够产生14mg/L的氯离子浓度。添加纯的ClO2使用户能够添加低于可能发生抑制葡糖淀粉酶的水平的剂量率。
在生产乙醇期间在一些点引入ClO2溶液。可以在繁殖、调理和/或发酵期间添加ClO2溶液。还可以直接向玉米醪中添加ClO2溶液。可以向蒸煮容器、发酵槽、繁殖槽、调理槽、酵母槽中或者在液化期间添加ClO2溶液。还可以将ClO2溶液添加到在这些单元或换热器之间的管子中。
ClO2还可以用于生产纤维素乙醇。与用于生产基于碳水化合物的乙醇的糖和淀粉相反，纤维素乙醇是由纤维素产生的一种乙醇。纤维素存在于非常规生物资源例如柳枝稷、玉米秸以及林木中。这种乙醇生产是特别有吸引力的，因为纤维素来源是可大量获得的。由非常天然的原料制得的纤维素乙醇将较高浓度的污染物和竞争微生物(competing microorganism)引入发酵工艺。ClO2在纤维素乙醇生产中作为抗微生物剂可能是特别有益的。
由纤维素生产乙醇有两种主要的工艺。一种工艺是利用真菌例如里氏木霉菌(Trichoderma reesei)和绿色木霉菌(Trichoderma viride)的水解工艺。另一种是采用细菌例如产气荚膜梭菌(Clostridium Ijungdahlii的)气化工艺。在任一工艺中可以利用ClO2。
在水解工艺中，在发酵工艺之前纤维素链分解为五个碳和六个碳的糖。这可以通过化学或酶中任一种实现。
在化学水解方法中，可以在高的温度和压力用稀酸或者在较低的温度和大气压下用浓酸处理纤维素。在化学水解工艺中，纤维素与酸和水反应形成单独的糖分子。然后中和这些糖分子并采用酵母发酵以生产酒精。在如上所述本方法的酵母发酵部分期间可以使用ClO2。
采用两种方法可以进行酶水解。第一种被称为直接微生物转化(DMC)。此方法采用单一微生物将纤维素生物质转化为乙醇。由相同的微生物生产乙醇和所需的酶。在利用该专门的有机体繁殖/调理或发酵期间可以使用ClO2。
第二种方法被称为酶水解法。在此方法中，利用纤维素酶分解纤维素链。这些酶典型地存在于反刍动物如母牛和绵羊的胃中以分解它们吃下的纤维素。在此工艺中经发酵由分解纤维素的真菌如里氏木霉菌(Trichoderma reesei)和绿色木霉菌(Trichoderma viride)制造纤维素。
酶方法典型地按四个或五个阶段进行。预处理纤维素使原料如木材或稻草更易于水解。接着用纤维素酶将纤维素分子分解成可发酵的糖。水解后从剩余的材料中将糖分离并添加到酵母中。用酵母使水解产物糖发酵成乙醇。最后，通过蒸馏回收乙醇。或者，通过采用完成两个工艺的专门的细菌或真菌可以同时进行水解和发酵。当同时进行两个步骤时，该工艺被称为连续水解和发酵(SHF)。
ClO2与各种木霉素菌系相容，并且可以在酶水解方法的各个点引入微生物效力。ClO2可以用于由木霉素和其它真菌菌株制造的纤维素酶的生产、制造以及发酵。可以在纤维素同时糖化和发酵阶段(SSF)添加ClO2。可以在连续水解和发酵(SHF)阶段引入ClO2。还可以在产生纤维素酶的分解纤维素的真菌发酵之前、在此期间或之后的点引入它。或者如以上的讨论可以在酵母发酵阶段期间添加ClO2。
气化工艺不会将纤维素链分解成糖分子。首先，纤维素中的碳在局部燃烧反应中转化为一氧化碳、二氧化碳和氢。然后，将一氧化碳、二氧化碳和氢输入专门的发酵器，该发酵器采用能够消耗一氧化碳、二氧化碳和氢产生乙醇和水的微生物如产气荚膜梭菌(Clostridium Ijungdahlii)。最后，在蒸馏步骤中将乙醇与水分离。在包括能够消耗一氧化碳、二氧化碳和氢产生酒精和水的微生物如产气荚膜梭菌(Clostridium Ijungdahlii的)发酵步骤中可以将ClO2用作抗微生物剂。
图7说明用于执行发酵工艺的带有集成ClO2系统的装置。
该装置具有ClO2发生器202。ClO2发生器具有用于电流204的输入端。还有用于至少一种含氯化学品206的进口。有三种不同类型的化学品给料系统：真空系统、压力系统和联合系统。许多种给料系统可以用来输送流体状态的化学品。例如可以通过真空或联合给料系统添加氯气。ClO2发生器还应该具有用于从发生器中排出ClO2气流208的出口。在一个实施方式中，排出发生器的ClO2气流在空气中介于0.0005wt％和5.0wt％之间。
对于小规模生产发酵产品，安装在滑动底板上的设备是理想的。安装在滑动底板上使设备能够在场外制造、运至预定位置并且易于安装。这确保便于运输、更快装配以及试车。可以按移动安装的方式制造ClO2发生器、计量箱、酵母容器和连接设备。
接收ClO2气流的计量箱210流体连接到ClO2发生器出口208。在计量箱中使ClO2气体溶于水中形成ClO2溶液。计量箱有用于引入水流212的进口。水流和ClO2气流结合形成ClO2溶液。计量箱中ClO2溶液的浓度可以在宽范围内变化。可以获得高达约5,000mg/L的浓度，并且用另外的设备可以获得高达约8,000mg/L的浓度。然后ClO2溶液以规定的剂量率经出口214从计量箱排出以产生希望浓度的溶液。在一个实施方式中，直接应用于发酵混合物的调配的ClO2溶液具有小于约15mg/L的浓度，优选小于约10mg/L，最优选小于约7.5mg/L。在另一个实施方式中，在发酵之前应用于玉米醪的调配的ClO2溶液具有在约10mg/L和约75mg/L之间的浓度，优选在约10mg/L和约50mg/L之间，最优选在约20mg/L和约50mg/L之间。在又一个实施方式中，用于繁殖的调配的ClO2溶液具有小于约50mg/L的浓度。在一个实施方式中，排出的ClO2溶液具有以流体中的ClO2计至少约90％的效率。
容纳酵母水溶液218的酵母容器216经ClO2溶液出口214流体连接到计量箱。酵母容器可以是蒸煮容器、发酵槽、调理槽、酵母槽、繁殖槽、液化容器和/或在这些单元之间的管子或换热器。将ClO2溶液引入酵母容器能够促进已有的酵母繁殖同时降低所不希望的微生物的浓度。
尽管已经显示和描述了本发明的具体的要素、具体实施方式和应用，当然应理解本发明不局限于此，因为所属领域技术人员在未脱离本公开的范围的情况下，尤其根据上述教导能够作出各种改进。

Claims (38)

1.在应用于发酵工艺的水成液流中降低不希望的微生物的浓度、促进酵母繁殖/调理以及提高酵母效率的方法，该方法包括步骤：
(a)将一些发酵性碳水化合物引入所述液流中；
(b)将一些酵母引入所述液流中；
(c)产生ClO2气体；
(d)使所述ClO2气体溶解以形成ClO2溶液；
(e)将ClO2水溶液引入所述液流中。
2.如权利要求1所述的方法，其中，依序进行所述步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过使氯气与水反应然后添加亚氯酸钠产生所述ClO2气体。
4.如权利要求1所述的方法，其中，通过使次氯酸钠与酸反应然后添加亚氯酸钠产生所述ClO2气体。
5.如权利要求1所述的方法，其中，通过使亚氯酸钠和盐酸反应产生所述ClO2气体。
6.如权利要求1所述的方法，其中，采用电化学电池和亚氯酸钠产生所述ClO2气体。
7.如权利要求1所述的方法，其中，采用电化学电池和氯酸钠产生所述ClO2气体。
8.如权利要求1所述的方法，其中，采用基于设备的氯酸钠和过氧化氢方法产生所述ClO2气体。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述ClO2溶液的浓度小于约15mg/L。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述ClO2溶液的浓度在约10mg/L和约75mg/L之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述ClO2溶液具有以液流中的ClO2计至少约90％的效率。
12.在应用于发酵工艺的水成液流中降低不希望的微生物的浓度、促进酵母繁殖/调理以及提高酵母效率的方法，该方法包括步骤：
(a)将一些发酵性碳水化合物引入所述液流中；
(b)将一些酵母引入所述液流中；以及
(c)将具有以液流中的ClO2计至少90％效率的ClO2引入所述液流中。
13.如权利要求12所述的方法，其中，依序进行所述步骤。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述ClO2是浓度小于约15mg/L的水溶液。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述ClO2是浓度在约10mg/L和约75mg/L之间的水溶液。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述ClO2是气体。
17.如权利要求12所述的方法，其中，通过使氯酸钠和过氧化氢反应生成所述ClO2气体。
18.如权利要求12所述的方法，其中，通过含有亚氯酸盐前驱体包和酸活化剂包的干混合的二氧化氯包生产所述ClO2。
19.如权利要求12所述的方法，其中，采用电化学电池和亚氯酸钠产生所述ClO2气体。
20.如权利要求12所述的方法，其中，采用电化学电池和氯酸钠产生所述ClO2气体。
21.如权利要求12所述的方法，其中，采用基于设备的氯酸钠和过氧化氢方法产生所述ClO2气体。
22.用于降低不希望的微生物的浓度、促进真菌繁殖/调理以及提高真菌效率的应用于发酵工艺的装置，该装置包括：
(a)ClO2发生器，其包括用于引入至少一种含氯进料化学品的进口和用于排出所述发生器中的ClO2气流的出口；
(b)与所述ClO2发生器出口流体连接的计量箱，所述计量箱接收来自于所述ClO2发生器出口的所述ClO2气流，所述计量箱包括用于引入第二水流的进口和用于排出所述计量箱的ClO2水溶液的出口；
(c)用于容纳真菌水溶液的容器，所述容器与所述计量箱流体连接；
其中，将所述ClO2溶液从所述计量箱引入到所述容器中促进了存在于所述容器中的真菌的繁殖。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述真菌容器是可加热的。
24.如权利要求22所述的装置，其中，所述真菌容器是发酵槽，其具有连接到处理设备的真菌进口、水进口、发酵化学品进口以及发酵产品的出口。
25.如权利要求22所述的装置，其中，所述真菌容器能够进行液化。
26.如权利要求22所述的装置，其中，所述真菌容器是酵母繁殖槽。
27.如权利要求22所述的装置，其中，所述真菌容器是酵母调理槽。
28.如权利要求22所述的装置，其中，从所述计量箱排出的所述ClO2水溶液被调配为小于约15mg/L的浓度。
29.如权利要求22所述的装置，其中，从所述计量箱排出的所述ClO2水溶液被调配为约10mg/L～约75mg/L的浓度。
30.如权利要求22所述的装置，其中，所述ClO2发生器是安装在滑动底板上的。
31.如权利要求22所述的装置，其中，所述计量箱是安装在滑动底板上的。
32.如权利要求22所述的装置，其中，用于容纳所述真菌水溶液的所述容器是安装在滑动底板上的。
33.在应用于发酵工艺的水成液流中降低不希望的微生物的浓度、促进所希望的微生物繁殖/调理以及提高所希望的微生物的效率的方法，该方法包括步骤：
(a)将一些纤维素引入所述液流中；
(b)将一些所希望的微生物引入所述液流中；
(c)产生ClO2气体；
(d)使所述ClO2气体溶解以形成ClO2溶液；
(e)将ClO2水溶液引入所述液流中。
34.如权利要求33所述的方法，其中，依序进行所述步骤。
35.如权利要求33所述的方法，其中，所述ClO2溶液具有以液流中的ClO2计至少约90％的效率。
36.在应用于发酵工艺的水成液流中降低不希望的微生物的浓度、促进所希望的微生物繁殖/调理以及提高所希望的微生物的效率的方法，该方法包括步骤：
(a)将一些纤维素引入所述液流中；
(b)将一些所希望的微生物引入所述液流中；以及
(c)将具有以ClO2计至少90％效率的ClO2引入所述液流中。
37.如权利要求36所述的方法，其中，依序进行所述步骤。
38.在应用于发酵工艺的水成液流中降低细菌浓度而不使用抗生素的方法，该方法包括步骤：
(a)将一些所希望的微生物引入所述液流中；以及
(b)将具有以ClO2计至少90％的ClO2引入所述液流中。
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