[发明专利]用于在繁殖、调理和发酵期间处理微生物的装置和方法

说明书

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。