Інгібування бактерій без антибіотиків

З початку року етанолова індустрія стикається з постійно мінливим ринковим середовищем із вищими витратами на виробництво та посиленням конкуренції. У періоди недорогих кукурудзи та високих доходів багато операцій не враховують ефективність роботи заводу та зосереджують увагу на потужності виробництва. Зараз, коли динаміка ринку змінилася і зростання етанолової промисловості сповільнилося, і для досягнення довгострокового успіху виробники перенесли свою увагу на збільшення виходу та ефективності етанолу.

Збільшення концентрації етанолу у ферментері може здійснюватися за допомогою ряду стратегій: придбання високоякісної кукурудзи, що має високий вміст крохмалю та низької вологості, випробування нових ферментів з кращою конверсією крохмалю в етанол або випробування нового штаму дріжджів що є більш надійним, ніж те, що зараз доступне на ринку. Але використання будь-якої або всіх цих стратегій не обов'язково максимізує врожайність.

Оператори також повинні вирішити питання контролю рівня інфекції та її метаболітів органічних кислот за допомогою відповідних протимікробних препаратів та підтримання здорових та життєздатних дріжджів під час бродіння за допомогою правильного харчування. BetaTec Hop Products вирішила обидва ці питання двома технологіями, які, використовуючи разом, забезпечують пригнічення бактерій, покращують здоров’я дріжджів, підвищують вихід етанолу та покращують кінетику бродіння.

Консервуючі властивості хмелевих кислот, які використовуються у пивоварній промисловості більше тисячоліття, є законною природним альтернативою. Торгова марка BetaTec, IsoStab, водний розчин ізомеризованих альфа-кислот, успішно застосовується на сухих млинах та заводах з виробництва мокрого етанолу з 2004 р. Додаючи мінімальну інгібуючу концентрацію IsoStab у бак для розмноження дріжджів та/або в посудину для бродіння, можна пригнічують ріст молочнокислих бактерій під час виробництва етанолу і повністю уникають потреби в антибіотиках.

Спосіб дії хмелевих кислот заснований на тому, що недисоційована форма хмелевої кислоти токсична для бактерій. Зниження рН сусла збільшує концентрацію недисоційованої форми хмелевої кислоти, яка проникна для клітинної мембрани. Остання форма розчиняється у фосфоліпіді мембрани і пасивно дифундує в клітину. Через більш високий рН всередині клітини кислота потім дисоціює, а звільнений протон підкислює цитоплазму, і в результаті розсіює градієнт рН через цитоплазматичну мембрану. Це призводить до гальмування поглинання поживних речовин і, врешті-решт, бактерії помирають від голоду.

Посилення харчування дріжджів
Важливість харчування дріжджів не враховується промисловістю паливного етанолу. Її значущість для псування бактерій, дріжджових бруньок, ферментованої стелі етанолу та швидкості бродіння недостатньо вивчена. Залежно від використовуваної сировини та росту клітин дріжджів під час розмноження, на ферментацію може негативно впливати дефіцит поживних речовин, що спричиняє дріжджовий стрес і, як наслідок, нижчий вихід етанолу. Забруднення бактеріями також може виснажувати доступність поживних речовин і, отже, підривати ефективність дріжджів, виводячи основні поживні речовини подалі від дріжджів. На практиці просто додавання азоту до розмножувачів та ферментерів є достатнім для сприяння успішному бродінню. Однак труднощі з бродінням виникають внаслідок поступового зниження життєздатності дріжджів, яке викликане сукупним впливом кількох факторів:

• Втрата проникності в цитоплазматичній мембрані дріжджів через недостатній синтез стеринів.

• Адсорбція токсичних жирних кислот.
• Збільшення концентрації етанолу.
• Коливання температури.

VitaHop Silver, нещодавно розроблений активатор бродіння, є власною рецептурою сухих клітин Saccharomyces cerevisiae, амінокислот, вітамінів та інших інгредієнтів, призначених для забезпечення дріжджів належним балансом поживних речовин для оптимального росту та розмноження. Крім того, VitaHop Silver підвищує життєздатність дріжджів, особливо пізно у процесі бродіння, що призводить до підвищення виходу етанолу.

Синергія у поєднанні
Лабораторне дослідження виявило, що при одночасному додаванні обох продуктів, IsoStab та VitaHop Silver до системи ферментації, досягаються чудові результати у пригніченні бактерій, виході етанолу, кінетиці та біомасі дріжджів та життєздатності порівняно з тим, коли їх застосовують окремо або проти антибіотиків. Це передбачало додатковий ефект між хмелевим кислотним продуктом та запатентованою поживною речовиною для дріжджів.

Ці цікаві висновки спонукали до розслідування цієї спільної діяльності на комерційному рівні. Основними показниками ефективності, що розглядались у цьому випадку, були молочна та оцтова кислоти, кількість клітин дріжджів, життєздатність дріжджів, вихід етанолу та кінетика (швидкість виробництва етанолу).

Для випробування комбінації IsoStab та VitaHop Silver використовували завод на етанолі на Середньому Заході. Рослина відчувала незначно підвищений рівень молочної кислоти, і існував інтерес порівняти їх поточну програму антибіотиків з іншими варіантами, щоб мінімізувати інфекцію та максимізувати виробництво етанолу. Завод 50 MMgy використовував програму BetaTec і додав до розмножувача як IsoStab, так і VitaHop Silver. Під час одномісячного випробування завод продовжував працювати в стабільному стані.

Аналіз ферментації даних рослин за цією програмою показав позитивні результати. Дані ВЕРХ показали зниження концентрації молочної кислоти на 44% та відносне збільшення виходу етанолу на 1,7%, незважаючи на падіння твердих речовин під час випробування. Виправляючи його на тверде навантаження, відносне збільшення виходу етанолу підскочило до 2,7 відсотка (статистично значущо, оскільки дані оброблялися на рівні 95 відсотків довіри, щоб переконатися, що різниця в даних є реальною). Швидкість вироблення етанолу (кінетика) дотримувалася подібної тенденції, і комбінація змогла збільшити швидкість виробництва на 5 відсотків на висоті бродіння.

Огляд даних дріжджів показує, що у комбінації IsoStab та VitaHop Silver було на 18 відсотків більше кількості дріжджових клітин порівняно з антибіотиками. Більш суттєвим є той факт, що життєздатність розмножувача була збільшена на 5,5 відсотка, що призвело до здоровіших дріжджів у ферментері. Хоча можна передбачити, що надлишок біомаси дріжджів призведе до зниження виходу етанолу, це призвело до прискореного безперебійного бродіння з вищою концентрацією етанолу. Комбіноване лікування поживними речовинами та хмелевими кислотами призводить до отримання сильніших дріжджів, які відводять глюкозу, призначену для клітинної маси, до виробництва етанолу.

Величина збільшення виходу етанолу за допомогою програм IsoStab та VitaHop Silver є критично важливою для сутності заводу. У цьому конкретному випадку середньодобове виробництво етанолу становило близько 150 000 галонів 200 доказів. Збільшення врожаю на 2,7 відсотка відповідає 4050 галонам додаткового щоденного виробництва етанолу. Якщо припустити ціну 2 долари за галон етанолу, це додасть прибутку у розмірі 8100 доларів на день або 243 000 доларів на місяць до нижчого рівня заводу. Керівники заводу були настільки задоволені результатами, що продовжили програму BetaTec.

Проведено понад 20 випробувань рослин із комбінованою технологією IsoStab та VitaHop з наступними результатами:
• Збільшення виходу етанолу в межах від 1,50 до 3,2 відсотка (збільшення, яке було статистично значущим порівняно з контролем).
• Більш послідовне бродіння.
• Кількість дріжджових клітин збільшується, коливаючись в межах 15-30 відсотків.
• Покращення життєздатності дріжджів - від 2 до 5 відсотків.
• Швидша кінетика бродіння - від 2 до 5 відсотків.

Ці покращення спостерігались щодо будь-якого типу антибіотика, який використовували ці рослини, і підтверджували взаємодоповнювальний характер цих технологій. Комбіновані технології підвищать операційну гнучкість заводу, дозволяючи виробнику максимізувати кількість виробленого етанолу. Крім того, він є ідеальною альтернативою антибіотикам і дозволить галузі продавати сертифікований без антибіотиків DDGS на місцеві та міжнародні ринки, де антибіотики або заборонені, або не рекомендуються.

Автор: Самі Фаур
Технічний менеджер, Північна Америка, BetaTec Hop Products
[email protected]
(816) 509-0200

Претензії та заяви, викладені в цій статті, належать виключно автору (авторам) і не обов'язково відображають думки журналу "Ethanol Producer Magazine" або його рекламодавців. Усі питання, що стосуються цієї статті, мають бути спрямовані на автора (авторів).