Zeitschrift für mikrobielle und biochemische Technologie

Abstrakt

Bromierte organische Biozide kontrollieren Milchsäurebakterien in Bioethanol-Fermentationsmatrizes

Christopher L. Wiatr1*, Julie Bazzell2, Rita deCassia Bortolo Porto3

Durch Fermentierung pflanzlicher Biomasse werden täglich über eine Million Barrel Bioethanol hergestellt. Da die Bioethanolherstellung nicht aseptisch erfolgt, ist die Zugabe antimikrobieller Mittel äußerst wichtig, um die Ethanolfraktion vor Milchsäurebakterien (LAB) zu schützen, die in der sauren Umgebung des Prozesses wachsen, das System verunreinigen und Ethanol in unverkäufliche organische Säuren umwandeln können. Normalerweise werden Antibiotika eingesetzt. Leider sind Antibiotika chemisch stabil und werden im Laufe des Prozesses mitgeführt und verunreinigen die Feststoffe, die sogenannten getrockneten Destillierkörner mit löslichen Bestandteilen (DDGS), die nach der Destillation gesammelt und als Tierfutter für Rinder, Schweine und Geflügel verkauft werden. In dieser Forschung wurde die Wirksamkeit alternativer antimikrobieller Methoden untersucht. Die schnell abtötenden bromierten Biozide 2,2-Dibrom-3-Nitrilo-Propionamid (DBNPA) und 2-Brom-2-Nitrilo-Propan-1,3-Diol (BNPD) wurden als antimikrobielle Mittel zur Kontrolle der lebensfähigen säureproduzierenden Bakterien Lactobacillus plantarum und Acetobacter cerevisiae untersucht , die häufig die Bioethanolfermentation infizieren. In einer Pilotanlagestudie, in der Mais mithilfe von Hefe zu Ethanol fermentiert wurde, erwies sich DBNPA bei einer schrittweisen Dosis-Wirkungs-Beziehung von 25 mg/l bis 200 mg/l als wirksam gegen diese Bakterien, wobei die optimale Dosis 200 mg/l erreichte. BNPD war jedoch bei 25 mg/l nicht wirksam, jedoch bei 100 mg/l und 200 mg/l. Die organischen Bromizide wurden dann in Feldversuchen in einer industriellen Anlage zur Herstellung von Mais zu Ethanol weiterentwickelt. DBNPA tötete bei einer Dosierung von 100 mg/l 3 log ₁₀ LAB und fast 3 log ₁₀ heterotrophe Bakterien insgesamt ab, während BNPD bei derselben Dosierung eine Abtötungsrate von fast 2 log ₁₀ für LAB und heterotrophe Bakterien insgesamt aufwies. In einer Zuckerrohrfabrik waren die organischen Bromizide bei 100 mg/l in Zuckerrohrsirup wirksam, wobei DBNPA BNPD übertraf; niedrigere Dosierungen beider Biozide waren jedoch nicht wirksam. Während der Versuche führten Antibiotika, die in typischen Anwendungsdosierungen eingesetzt wurden, zu vergleichsweise unbefriedigenden Ergebnissen und verringerten die LAB oder die Gesamtbakterienpopulation nur um ein log ₁₀ ( gegenüber. Kontrollen). Bei biochemischen Tests an Maismaischen, die mit LAB infiziert waren, die 62 Stunden lang gewachsen waren, reduzierten DBNPA-Dosen von ≥ 100 mg/l den endgültigen Milchsäurespiegel um das 14-fache und eliminierten den Effekt der bakteriellen Infektion auf den Ethanolertrag vollständig. DBNPA hatte keine negativen Auswirkungen auf die Ethanolproduktionsrate und erhöhte den Ethanolertrag um 2 %. Eine Erhöhung des Bioethanolertrags um nur 0,5 % entspricht einer zusätzlichen Produktion von ungefähr 4 Millionen US-Dollar bei einer 50-MGY-Anlage. Da außerdem zuvor analytisch festgestellt wurde, dass DBNPA in Nebenprodukten der Fermentation abgebaut wird und nicht in DDGS gelangt, kann dieses mikrobizide organische Bromizid auch eine erfolgreiche Alternative zu Antibiotika zur Kontrolle bakterieller Infektionen bei der Kraftstoff-Ethanol-Produktion darstellen und so dazu beitragen, Antibiotika aus der Nahrungskette zu entfernen und der Entwicklung von Antibiotikaresistenzen vorzubeugen.