抗生素備選物用于生物乙醇生產(chǎn)的方法
【專利說(shuō)明】抗生素備選物用于生物乙醇生產(chǎn)的方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年03月16日、國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2011/028587、發(fā)明創(chuàng) 造名稱為"抗生素備選物用于生物乙醇生產(chǎn)的方法"的PCT申請(qǐng)進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的中國(guó) 申請(qǐng)?zhí)枮?01180024874. 5的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 依據(jù)35U.S.C. § 119 (e)，本申請(qǐng)要求美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/315, 607 (2010年3 月19日提交）的優(yōu)先權(quán)；美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N〇.61/352,521 (2010年6月8日提交）的優(yōu) 先權(quán)；以及美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/365, 658 (2010年7月19日提交）的優(yōu)先權(quán)，在此將其 全部?jī)?nèi)容引用作為參考。
[0004] 本發(fā)明涉及在發(fā)酵過(guò)程中利用抗生素備選物控制細(xì)菌生長(zhǎng)的方法。更具體 來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及使用抗生素備選物進(jìn)行細(xì)菌控制來(lái)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，抗生素備 選物（alternatives)包括至少一種非氧化型殺生物劑和/或至少一種穩(wěn)定的氧化劑 (stabilizedoxidizer)〇
[0005] 考慮到工業(yè)乙醇作為燃料或燃料替代物（例如與汽油混合）的效果，以及由于其 能夠通過(guò)多種可再生資源和廢物材料獲得，在全世界范圍內(nèi)對(duì)于工業(yè)乙醇的需求逐年遞 增。
[0006] 可以通過(guò)使用大量含淀粉原料的發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)乙醇?；诘矸鄣囊掖忌a(chǎn)通常包 括如下步驟：制備大量含有或可以被降解為可發(fā)酵的糖的淀粉類原料、添加水以制備醪液 (mash)、使纖維素或其它復(fù)雜（complex)碳水化合物糖化形成可發(fā)酵的糖、以及添加發(fā)酵 糖形成乙醇和二氧化碳的酵母。通過(guò)使經(jīng)發(fā)酵的醪液（fermentedmash)進(jìn)行蒸餾來(lái)回收 乙醇。乙醇生產(chǎn)中蒸餾的副產(chǎn)品為含有蛋白質(zhì)、纖維以及油的非淀粉類固體，該固體可以 被加工以生產(chǎn)"具有可溶物質(zhì)的干酒糟（distillersdriedgrainswithsolubles)"或 "DDGS"。DDGS是營(yíng)養(yǎng)物富集的，并且可以作為動(dòng)物飼料、飼料添加物或植物肥料商業(yè)售出。
[0007] 乙醇生產(chǎn)工業(yè)中的問(wèn)題在于乙醇發(fā)酵過(guò)程設(shè)備和/或醪液容易被減少產(chǎn)量的細(xì) 菌污染。"乳酸細(xì)菌"是引起這方面問(wèn)題的一類細(xì)菌。乳酸細(xì)菌包括例如：乳桿菌屬細(xì)菌、 片球菌屬（Pediococcus)細(xì)菌、明串珠菌屬（Leuconostoc)細(xì)菌和魏斯氏菌屬（Weissella) 細(xì)菌。乙酸細(xì)菌例如醋桿菌屬細(xì)菌也會(huì)通過(guò)生產(chǎn)乙酸或其它會(huì)污染過(guò)程并減少乙醇產(chǎn)量的 有機(jī)酸來(lái)引起問(wèn)題。酵母將糖轉(zhuǎn)化為乙醇，但細(xì)菌也會(huì)將這些相同的糖轉(zhuǎn)化使其產(chǎn)生乳酸 或乙酸，而不產(chǎn)生乙醇，從而導(dǎo)致乙醇產(chǎn)量的減少。為了控制此類細(xì)菌的爆發(fā)，已經(jīng)在生物 乙醇發(fā)酵過(guò)程中使用抗生素。用于這類處理的抗生素可以包括例如：維吉霉素、青霉素、紅 霉素和泰樂(lè)菌素。這些抗生素還已經(jīng)用于獸醫(yī)和人類醫(yī)學(xué)。人們已經(jīng)意識(shí)到并且逐漸關(guān)注 由于抗生素的使用或它們的過(guò)量使用，會(huì)存在細(xì)菌發(fā)展為抗生素藥物抗性細(xì)菌。改變抗生 素或增加抗生素的劑量可能無(wú)法提供長(zhǎng)期的解決方案，并且會(huì)與抗生素抗性問(wèn)題混合。另 外，已經(jīng)發(fā)生了關(guān)于抗生素對(duì)于目標(biāo)細(xì)菌和發(fā)酵產(chǎn)物的非特異性的問(wèn)題。此外，人們還關(guān)注 了由于在用于動(dòng)物飼料的DDGS中存在殘留抗生素導(dǎo)致的問(wèn)題?？赡軙?huì)實(shí)施對(duì)于在乙醇發(fā) 酵應(yīng)用中使用抗生素更為嚴(yán)格的立法和規(guī)則控制。需要用于乙醇發(fā)酵過(guò)程的抗生素的備選 物。
[0008] 已經(jīng)提出使用二氧化氯（即ClO2)作為氧化殺生物劑。但是，二氧化氯是較強(qiáng)的氧 化劑，其抗微生物作用是非選擇性的。二氧化氯攻擊不希望的細(xì)菌和對(duì)于發(fā)酵過(guò)程重要的 酵母。酵母的損失會(huì)轉(zhuǎn)化為乙醇產(chǎn)量的損失和/或"緩慢的"發(fā)酵和/或"卡住的（stuck)" 發(fā)酵。二氧化氯還會(huì)產(chǎn)生氯離子，其可能會(huì)腐蝕設(shè)備并導(dǎo)致鐵沉積或剝蝕過(guò)程設(shè)備，以及向 該方法系統(tǒng)中釋放鐵和鉻，這需要昂貴的維修。
[0009] 本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需要可以用其本身對(duì)于環(huán)境的負(fù)面影響最小的物質(zhì)來(lái)代替 抗生素控制細(xì)菌的乙醇發(fā)酵方案。
[0010]發(fā)明簡(jiǎn)沐
[0011] 本發(fā)明的特征在于提供一種方法，該方法在乙醇發(fā)酵中使用抗生素備選物控制細(xì) 菌。
[0012] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種方法，該方法在用于乙醇發(fā)酵的過(guò)程中使用抗生 素備選物控制細(xì)菌，諸如在醪液發(fā)酵、發(fā)酵池（beerwell)或其組合中控制細(xì)菌。
[0013] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種方法，該方法在乙醇發(fā)酵中使用具有較低或不具 有負(fù)面環(huán)境影響的非抗生素處理來(lái)增加乙醇產(chǎn)量。
[0014] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種方法，該方法在乙醇發(fā)酵中使用基本不存在于過(guò) 程終產(chǎn)物中的非氧化型殺生物劑控制細(xì)菌。
[0015] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種方法，該方法在乙醇發(fā)酵中使用基本不存在于過(guò) 程終產(chǎn)物中的以及不會(huì)損害方法設(shè)備的穩(wěn)定的氧化劑控制細(xì)菌。
[0016] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種方法，該方法通過(guò)向被循環(huán)至發(fā)酵罐的至少一種 生產(chǎn)用水的后發(fā)酵來(lái)源中添加殺生物劑從而在乙醇發(fā)酵中引入非抗生素殺生物劑來(lái)控制 細(xì)囷。
[0017] 本發(fā)明另外的特征在于提供一種來(lái)自利用如下方法的生物乙醇生產(chǎn)的不含抗生 素的干酒糟產(chǎn)品，該方法在乙醇發(fā)酵中使用非抗生素殺生物劑控制細(xì)菌，其中非抗生素殺 生物劑基本上不存在于干酒糟產(chǎn)品中。
[0018] 通過(guò)下述說(shuō)明書(shū)來(lái)描述本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)部分，根據(jù)說(shuō)明書(shū)部分特征和優(yōu) 點(diǎn)是清楚的，或者通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明可以學(xué)習(xí)到。尤其借助在下述說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中指出 的元素和組合可以認(rèn)識(shí)和獲得本發(fā)明的目的以及其它優(yōu)點(diǎn)。
[0019] 為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明目的的這些和其它優(yōu)點(diǎn)，如本文所收錄和廣泛描述的，本發(fā) 明部分地涉及通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法。該方法包括：在容器中存在至少一種非氧化型殺 生物劑和酵母的情況下，發(fā)酵可經(jīng)發(fā)酵的醪液以生產(chǎn)乙醇和固體成分，其中在醪液中所述 非氧化型殺生物劑控制細(xì)菌的生長(zhǎng)而不會(huì)減少酵母種群。然后，該方法涉及蒸餾經(jīng)發(fā)酵的 醪液以從固體成分中分離至少部分乙醇。通過(guò)本發(fā)酵方法可以增加乙醇產(chǎn)率而不需要使用 抗生素。另外，本發(fā)酵方法的乙醇和酒糟產(chǎn)品可以不含或基本不含所使用的抗生素備選物。 經(jīng)發(fā)酵的醪液的酸含量減少，顯示實(shí)現(xiàn)了提高的細(xì)菌控制。
[0020] 本發(fā)明還涉及利用發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，該方法包括：在容器中存在至少一種穩(wěn) 定的氧化劑和酵母的情況下，發(fā)酵可經(jīng)發(fā)酵的醪液以生產(chǎn)乙醇和固體成分，其中在培養(yǎng)中 所述穩(wěn)定的氧化劑控制細(xì)菌的生長(zhǎng)，以及蒸餾經(jīng)發(fā)酵的醪液以從固體成分中分離至少部分 乙醇。
[0021] 本發(fā)明還提供利用發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，該方法包括：在如下條件下在容器中提 供可經(jīng)發(fā)酵的醪液、非抗生素殺生物劑和酵母作為混合物，在該所述條件下發(fā)酵醪液產(chǎn)生 乙醇，以及在醪液中殺生物劑控制細(xì)菌的生長(zhǎng)而不會(huì)減少酵母種群，以及蒸餾經(jīng)發(fā)酵的醪 液以從經(jīng)發(fā)酵的醪液的固體成分中分離至少部分乙醇，其中非抗生素殺生物劑是非氧化型 殺生物劑、穩(wěn)定的氧化劑或其組合。
[0022] 本發(fā)明還提供一種利用發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，該方法包括：在容器中存在酵母的 情況下，發(fā)酵可經(jīng)發(fā)酵的醪液以生產(chǎn)乙醇和固體成分，在存在至少一種非氧化型殺生物劑 的發(fā)酵池（一個(gè)或多個(gè)）中儲(chǔ)存至少部分經(jīng)發(fā)酵的醪液，其中在發(fā)酵池中非氧化型殺生物 劑控制細(xì)菌的生長(zhǎng)，以及從發(fā)酵池向蒸餾單元進(jìn)料儲(chǔ)存的醪液，在蒸餾單元中蒸餾經(jīng)發(fā)酵 的醪液以從固體成分中分離至少部分乙醇。可以向發(fā)酵容器中的可經(jīng)發(fā)酵的醪液和發(fā)酵池 中的經(jīng)發(fā)酵的醪液兩者中添加非氧化型殺生物劑。
[0023] 本發(fā)明還提供一種利用發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，該方法包括：在發(fā)酵罐容器中存在 酵母和循環(huán)的生產(chǎn)用水的情況下，發(fā)酵可經(jīng)發(fā)酵的醪液以生產(chǎn)包括乙醇和固體成分的經(jīng)發(fā) 酵的醪液，任選利用含水溶液洗滌來(lái)自發(fā)酵罐容器的氣體釋放（gaseousemission)，并向 發(fā)酵罐容器中循環(huán)至少部分洗滌器出口溶液，任選在發(fā)酵池中儲(chǔ)存至少部分經(jīng)發(fā)酵的醪 液，向蒸餾單元中進(jìn)料經(jīng)發(fā)酵的醪液，在蒸餾單元中蒸餾經(jīng)發(fā)酵的醪液以從釜餾物中分離 至少部分乙醇，將釜餾物分成含液體部分（稀釜餾物（thinstillage))和含固體部分，任 選向發(fā)酵罐容器中循環(huán)至少部分的稀釜餾物，回收含固體部分至少部分作為濕酒糟產(chǎn)品和 /或干燥至少部分含固體部分以生產(chǎn)干酒糟產(chǎn)品和蒸發(fā)的蒸氣，任選冷凝蒸發(fā)的蒸氣并且 向發(fā)酵罐容器中循環(huán)至少部分經(jīng)冷凝的蒸氣，其中，在向發(fā)酵罐容器中（再）循環(huán)水源之 前，非氧化型殺生物劑和/或穩(wěn)定的氧化劑被添加至（或其存在于）包括洗滌器出口溶液、 稀釜餾物、來(lái)自酒糟干燥的經(jīng)冷凝的蒸氣、或它們的任意組合中的經(jīng)循環(huán)水中的至少一種 來(lái)源中。
[0024] 本發(fā)明還提供一種利用發(fā)酵生產(chǎn)乙醇生產(chǎn)的干酒糟副產(chǎn)品的方法，該方法包括： 在發(fā)酵罐容器中存在酵母的情況下，發(fā)酵可經(jīng)發(fā)酵的醪液以生產(chǎn)包括乙醇和固體成分的經(jīng) 發(fā)酵的醪液，任選利用含水溶液洗滌來(lái)自發(fā)酵罐容器的氣體釋放，并向發(fā)酵罐容器中循環(huán) 至少部分洗滌器出口溶液，任選在發(fā)酵池中儲(chǔ)存至少部分經(jīng)發(fā)酵的醪液，向蒸餾單元中進(jìn) 料經(jīng)發(fā)酵的醪液，在蒸餾單元中蒸餾經(jīng)發(fā)酵的醪液以從釜餾物中分離至少部分乙醇，將釜 餾物分成含液體部分作為稀釜餾物和含固體部分，任選向發(fā)酵罐容器中循環(huán)至少部分稀釜 餾物，干燥至少部分含固體部分回收含固體部分以生產(chǎn)干酒糟產(chǎn)品和蒸發(fā)的蒸氣，以及任 選冷凝蒸發(fā)的蒸氣并且向發(fā)酵罐容器中循環(huán)至少部分經(jīng)冷凝的蒸氣，其中用于在發(fā)酵容器 中控制細(xì)菌的非氧化型殺生物劑和/或穩(wěn)定的氧化劑被添加至發(fā)酵罐容器、發(fā)酵池和示出 的循環(huán)的水源、或它們的任意組合中的至少一種中。發(fā)酵方法的酒糟副產(chǎn)品可以不含或基 本上不含所使用的抗生素備選物。當(dāng)使用本發(fā)明方法生產(chǎn)時(shí)，酒糟副產(chǎn)品可以不含或基本 上不含抗生素而不會(huì)引起細(xì)菌問(wèn)題或其它污染。
[0025] 應(yīng)當(dāng)理解上述一般性描述和下述詳細(xì)的描述均為示例性的，并且僅處于解釋的目 的且僅意在進(jìn)一步解釋權(quán)利要求所描述的本發(fā)明。
[0026] 在本文中使用的"抗生素"涉及控制細(xì)菌、霉菌或類似的微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，其中 該物質(zhì)可以是由細(xì)菌或霉菌提供的天然物質(zhì)、或者是化學(xué)/生物化學(xué)合成的物質(zhì)（其是天 然物質(zhì)的類似物）、或者天然物質(zhì)的化學(xué)改性形式。該物質(zhì)可以是例如化合物。
[0027] "可發(fā)酵的糖"是指可以被酵母或其它微生物使用轉(zhuǎn)化為乙醇或其它終產(chǎn)物的簡(jiǎn) 單的糖，諸如單糖和二糖（例如，葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麥芽糖）。
[0028] "纖維素類物質(zhì)"是指含有纖維素的物質(zhì)。纖維素通常在植物的例如莖、葉、莢、殼、 穗軸或樹(shù)木的葉、枝和木材中被發(fā)現(xiàn)。纖維素類物質(zhì)可以是但不限于草本物質(zhì)、農(nóng)業(yè)廢料、 林業(yè)廢料、市政固體廢料、廢紙、紙漿和造紙廠廢料。應(yīng)當(dāng)理解在本文中纖維素可以為木質(zhì) 纖維素的形式，在混合的基質(zhì)中含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的植物細(xì)胞壁物質(zhì)。
[0029] "殺生物劑"是指能夠以選擇性的方式控制細(xì)菌的化學(xué)物質(zhì)。
[0030] "非氧化型殺生物劑"是指在發(fā)酵醪液中在至少一個(gè)劑量下對(duì)于細(xì)菌具有選擇性 (即，攻擊至少一種細(xì)菌但不攻擊酵母）的殺生物劑。
[0031] "控制"至少一種細(xì)菌的生長(zhǎng)保持細(xì)菌種群在期望的水平，減少種群至期望的水平 (甚至至不可檢測(cè)的極限值），和/或至少部分抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。另外，還應(yīng)當(dāng)理解"控制" 至少一種細(xì)菌的生長(zhǎng)可以包括生物靜力學(xué)地減少和/或保持至少一種細(xì)菌的低水平，從而 減輕在發(fā)酵醪液中糖與細(xì)菌的反應(yīng)，即可以降低和/或消除細(xì)菌生長(zhǎng)速率或細(xì)菌對(duì)于發(fā)酵 糖的攻擊速率。
[0032] "干酒糟（distillersdriedgrains) "（DDG)通常是指通過(guò)發(fā)酵的乙醇生產(chǎn)的副 產(chǎn)品，其可以包括經(jīng)干燥的剩余酒糟（grain)固體，其可以是動(dòng)物飼料級(jí)的。
[0033] "具有可溶物質(zhì)的干酒糟" (DDGS)是指通過(guò)發(fā)酵的乙醇生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其可以包括 具有可溶成分（諸如過(guò)程衆(zhòng)液（processsyrup)或其它可溶物質(zhì)）的經(jīng)干燥的剩余酒糟固 體，以及其可以是動(dòng)物飼料級(jí)的。
[0034] "濕酒糟（WetDistillersGrains) "(WDG)是指通過(guò)發(fā)酵的乙醇生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其 可以包括干燥之前的剩余的酒糟固體，其可以含有至少部分過(guò)程漿液，且其可以是動(dòng)物飼 料級(jí)的。
[0035] 下述附圖在此并入構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，其說(shuō)明本發(fā)明的一些實(shí)施方式并且與說(shuō) 明書(shū)一起意在解釋本發(fā)明的要旨。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有引入非抗生素殺生物劑控制細(xì)菌的乙醇生 產(chǎn)方法的流程圖。
[0037] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式在生產(chǎn)工廠中具有引入非抗生素殺生物劑控制 細(xì)菌的乙醇生產(chǎn)方法的另一流程圖。
[0038] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式在生產(chǎn)工廠中具有引入非抗生素殺生物劑控制 細(xì)菌的乙醇生產(chǎn)方法的另一流程圖。
[0039] 圖4示出了隨著時(shí)間（小時(shí)）發(fā)酵進(jìn)行過(guò)程中基于二氧化碳產(chǎn)生的質(zhì)量損失（g)， 其中在實(shí)施例1中描述了玉米發(fā)酵中，對(duì)發(fā)酵實(shí)施非氧化型殺生物劑處理和未處理作為對(duì) 照。
[0040] 圖5示出了實(shí)施例1描述的玉米發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中實(shí)施了非氧化型殺生物劑處理和未處 理對(duì)照中乳酸的終濃度（g/l〇〇mL)。
[0041] 圖6示出了在實(shí)施例1描述