專利名稱：：用于乙醇生產(chǎn)的纖維素原料的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及通過微波能處理纖維素原料，從而提高經(jīng)處理原料的降解和酶解以用于乙醇生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
：植物廢料(生物質(zhì)，biomass)由五種主要成分組成纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白和灰分。纖維素通常是基于葡萄糖的線性、無支鏈均聚物(即多糖)，具有較高分子量。半纖維素一般是D-葡萄糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖和D-木糖的支鏈和/或無支鏈聚合物，每個(gè)聚合鏈上具有約100-200個(gè)糖殘基。木質(zhì)素是無定形的交聯(lián)酚類聚合物，其僅存在于維管植物中，并占多數(shù)木材的20-30%。生物質(zhì)的加工在諸如燃料和乙醇生產(chǎn)、廢物處理、制漿和造紙、食品生產(chǎn)和能源生產(chǎn)等多個(gè)行業(yè)中都至關(guān)重要。例如，已知纖維素原料出于多個(gè)目的(包括獲得其它化學(xué)物質(zhì)、食品和燃料等的原料)而將纖維素原料水解成單糖。另外，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可直接作為食物或化學(xué)試劑使用的糖是規(guī)劃長(zhǎng)期航天任務(wù)的重要方面。在多種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中，僅一半的作物是可食用的。在不可食用部分中，約50-68%是能夠被還原成可發(fā)酵糖的多糖。剩余部分為基本不可利用的木質(zhì)素。通過水解對(duì)多糖進(jìn)行還原是本領(lǐng)域所熟知的。通常使用兩個(gè)基本方法(1)化學(xué)處理，例如利用酸性催化劑進(jìn)行還原；和(2)利用酶或微生物進(jìn)行生物降解。這些方法通常包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)處理，以提高水解反應(yīng)率和產(chǎn)率。預(yù)處理一般通過打亂進(jìn)料的物理和分子結(jié)構(gòu)和/或把木質(zhì)纖維素原料片段化成其木質(zhì)素、半纖維素和纖維素成分來增加可還原多糖的利用度和表面積。在美國(guó)(US)，由谷類生產(chǎn)的乙醇通常被用作汽車燃料添加劑。乙醇生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物通常被用作動(dòng)物詞料。然而，隨著全世界對(duì)汽車燃料中所用乙醇的需求快速增加，乙醇的副產(chǎn)物不再被用作動(dòng)物飼料。采用技術(shù)手段使這些副產(chǎn)物的價(jià)值最大化同時(shí)使其生產(chǎn)成本最小化，對(duì)于乙醇工業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。在美國(guó)，乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代晚期，除了在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)短暫下降之外，乙醇的生產(chǎn)穩(wěn)定增長(zhǎng)。自2001年以來，增長(zhǎng)速率快速增加，在2003年的生產(chǎn)量達(dá)到28.1億加侖。有多個(gè)因素影響著目前不斷增長(zhǎng)的乙醇需求量。這些因素包括高昂的石油價(jià)格以及需求環(huán)境友好型燃料含氧化合物(oxygenate)以替代甲基叔丁基醚(MTBE)。US5196069涉及在存在有機(jī)酸、超大氣壓的條件下將纖維素廢物轉(zhuǎn)化成糖的設(shè)備和方法。該發(fā)明尤其適合在外層空間進(jìn)行的處理。然而，該發(fā)明并不特別適合諸如由纖維素原料生產(chǎn)乙醇的工業(yè)應(yīng)用。隨著由纖維素原料生產(chǎn)乙醇的需求的增加，需要提高產(chǎn)量并增強(qiáng)所涉及的酶促過程。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)用微波能進(jìn)行預(yù)處理可以提高乙醇生產(chǎn)的產(chǎn)量，并且該方法的實(shí)施無需超大氣壓力。
發(fā)明內(nèi)容第一方面，本發(fā)明提供了在醇發(fā)酵中增強(qiáng)糖釋放的方法，該方法包括向纖維素原料中加入酶，用微波能處理所述纖維素原料和酶的混合物，從而增強(qiáng)纖維素原料的酶解。第二方面，本發(fā)明提供了將纖維素原料轉(zhuǎn)化成乙醇的方法，該方法包括向纖維素原料中加入能夠促進(jìn)糖釋放的酶，從而形成所述纖維素原料和酶的混合物；用微波能處理所述混合物，從而增強(qiáng)所述酶對(duì)纖維素原料的酶解以釋放糖；禾口對(duì)所述經(jīng)處理的混合物進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，以形成乙醇。第三方面，本發(fā)明提供了促進(jìn)纖維素原料釋放糖以用于發(fā)酵的方法，該方法包括向纖維素原料中加入能夠從纖維素原料中釋放糖的酶，從而形成反應(yīng)混合物；用微波能將所述反應(yīng)混合物處理足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而增強(qiáng)可發(fā)酵糖從纖維素原料的釋放；和利用酵母對(duì)所述經(jīng)處理的反應(yīng)原料進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，以形成乙醇。優(yōu)選地，所述纖維素原料選自任何合適的纖維素生物質(zhì)原料，包括農(nóng)業(yè)廢物(例如玉米秸稈(cornstover)、谷類稿稈(cerealstraws)禾口蔗渣(sugarcanebagasse))、來自工業(yè)處理的植物廢物(例如鋸屑或紙漿)、專門為燃料生產(chǎn)而栽培的能源作物(例如柳枝稷(switchgmss))、其成分和其混合物。更優(yōu)選地，所述纖維素原料為玉米秸稈。所述酶優(yōu)選選自淀粉酶、a-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纖維素酶、半纖維素酶和其混合物或其組合。優(yōu)選地，所述酶為淀粉酶、(x-淀粉酶或葡糖淀粉酶。加入的所述酶可以在每公噸(1000kg)纖維素原料約100g-10000g的范圍，通常為每公噸約500g-5000g。優(yōu)選地，所加入的酶為每1000kg纖維素原料約1000g-2000g?？梢岳斫?，酶的量和種類由待處理或加工的纖維素原料決定。優(yōu)選地，所述微波能的頻率為2.45GHz的數(shù)量級(jí)或者在900MHz的頻率范圍內(nèi)?？梢岳斫?，所述頻率可以根據(jù)世界不同國(guó)家或區(qū)域所使用的核定微波頻率而變化。所使用的實(shí)際頻率不會(huì)對(duì)本發(fā)明產(chǎn)生具體的實(shí)質(zhì)性影響。優(yōu)選利用微波能進(jìn)行所述處理從而有效控制所述酶混合物的溫度。通常，所述溫度為約50。C至小于約IO(TC。優(yōu)選地，所述溫度為約60°C-90°C，或更優(yōu)選約65。C-78。C。對(duì)于多種淀粉酶，所述溫度優(yōu)選為約7(TC。許多酶都具有優(yōu)選的活性溫度范圍，可以針對(duì)特定的酶或酶混合物選擇溫度。由于一些合適的酶可能不耐熱或?qū)囟让舾?，期望不使用使酶失活的過高溫度?？梢岳斫?，期望溫度或可控溫度的確定在本領(lǐng)域操作人員的技能范圍之內(nèi)?？梢砸赃B續(xù)或分批的方式進(jìn)行微波能處理。優(yōu)選地，利用微波能纖維素原料進(jìn)行處理達(dá)到約10分鐘每千克纖維素原料。本發(fā)明通過微波能或輻射的使用來增強(qiáng)所述酶對(duì)其底物的作用。用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明的微波頻率在2.45Ghz的數(shù)量級(jí)內(nèi)。該頻率是可在澳大利亞使用的頻率，而其它頻率(例如915MHz)也可以用于本發(fā)明。所需微波能的量依賴于纖維素原料和酶混合物內(nèi)存在的水分。由于不同的纖維素原料可能具有不同的介電常數(shù)，所使用的微波能的量還依賴于所處理的原料的類型。具有高介電常數(shù)的原料優(yōu)先吸收微波能，并且由此在介電常數(shù)低的化合物之前被加熱或作用。然而，也可以使用其它加熱機(jī)制使酶溶液或底物達(dá)到酶的活化溫度，然后在該溫度點(diǎn)應(yīng)用微波處理。在優(yōu)選的形式中，應(yīng)用微波能以有效控制反應(yīng)混合物的溫度。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選以連續(xù)的方式將微波能應(yīng)用于所述混合物。處理時(shí)間可以根據(jù)酶、底物和待處理原料的量而變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，約10分鐘的微波處理尤其適合處理添加了水和酶的米糠。--般通過微生物發(fā)酵進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)。優(yōu)選利用酵母進(jìn)行微生物發(fā)酵?？梢葬槍?duì)目前的乙醇生產(chǎn)方法(例如濕磨法和干磨法)對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。在本說明書中，除非上下文需要，否則術(shù)語"包括"(comprise及其變體如comprising或comprises)可理解為包括所陳述的要素、整體或歩驟，或要素、整體或步驟的組，但不排除任何其它的要素、整體或歩驟，或要素、整體或歩驟的組。本文所包含的對(duì)文獻(xiàn)、操作、原料(材料、物質(zhì))、設(shè)備、物品等的任何討論都僅是出于提供本發(fā)明上下文的目的。不應(yīng)由于其出現(xiàn)于本發(fā)明各權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前，而認(rèn)為任何或所有這些事項(xiàng)構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分，或是本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的常識(shí)。為了更清楚地理解本發(fā)明，將參考以下附圖和實(shí)施例對(duì)優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行描述。圖1表示由谷物生產(chǎn)乙醇的濕磨法的示意圖。圖2表示由谷物生產(chǎn)乙醇的干磨法的示意圖。具體實(shí)施例方式乙醇已經(jīng)成為重要的可再生能源。在2006年，美國(guó)所消耗的40%以上的汽油是乙醇含量為至少10%的混合物。幾乎所有的乙醇都是通過生物質(zhì)(尤其是谷物)的發(fā)酵和蒸餾而產(chǎn)生的。在美國(guó)，玉米是目前應(yīng)用最廣泛的原料?？稍偕芰康纳a(chǎn)中有三個(gè)重要因素a)使所使用的能量最小化以使獲得的凈能量最大化，b)使生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)面影響最小化，和C)使副產(chǎn)物的價(jià)值最大化。燃料乙醇的生產(chǎn)燃料乙醇的工業(yè)生產(chǎn)方法有兩種，濕磨法和干磨法。在美國(guó)，絕大多數(shù)乙醇加工廠使用干磨法。在濕磨中，首先檢查和凈化玉米進(jìn)料。然后，將其在水中浸泡30-40小時(shí)，從而啟動(dòng)對(duì)淀粉和蛋白質(zhì)連接的降解。下一步驟是粗磨，以從剩余的籽粒中分離胚芽。對(duì)由纖維、淀粉和蛋白組成的剩余漿料進(jìn)行細(xì)磨和篩選，以將纖維從淀粉和蛋白中分離。在水力旋流器中從剩余漿料中分離淀粉。然后將淀粉用于發(fā)酵過程。通常在使用前將其它副產(chǎn)物進(jìn)行干燥。濕磨是成本高且復(fù)雜的過程，主要用于少數(shù)極大型的工業(yè)加工廠。在干磨中，將整個(gè)玉米籽粒磨成"粗粉(meal)"并進(jìn)行加工，而無需對(duì)谷物的各種成分進(jìn)行分離。將所述粗粉與水一起漿化以形成"醪液(mash)"。向所述醪液中加入熱穩(wěn)定性酶(通常為(x-淀粉酶)，以將淀粉轉(zhuǎn)化成葡萄糖。在其后的"液化"歩驟中，由噴射式蒸煮鍋(injectcooker)注入蒸汽，從而在高于IO(TC的溫度下蒸煮醪液。這樣可以降低細(xì)菌水平，并降解籽粒胚乳內(nèi)的淀粉顆粒。將漿料冷卻至約80°C，并加入更多(x-淀粉酶，以使淀粉聚合物進(jìn)一步片段化。最后，在稱為"糖化"的過程中，將漿料冷卻至約30。C，加入不同的酶(通常為葡糖淀粉酶)，該酶將啟動(dòng)由淀粉至糖(葡萄糖)的轉(zhuǎn)化，并且這種轉(zhuǎn)化貫穿于微生物發(fā)酵過程中。這兩種方法使用了相似的發(fā)酵方法。將淀粉或漿料置于發(fā)酵罐中，加入酵母，以將單糖轉(zhuǎn)化成乙醇。發(fā)酵后，液體漿料中的乙醇含量為約10wt%-12wt%。將該漿料蒸餾，產(chǎn)生乙醇含量約95wt。/o的產(chǎn)物。通常利用分子篩除去殘留的水。蒸餾后的殘留產(chǎn)物稱為酒糟(stillage)，由液體(主要為水和一些乙醇)和玉米固體組成。利用離心機(jī)從所述固體(稱為濕餅)分離大部分所述液體(稱為稀酒糟)。將一些稀酒糟回收到該過程的起點(diǎn)。利用蒸發(fā)器處理剩余物，以產(chǎn)生被稱為糖漿的稠化副產(chǎn)物。在多數(shù)情況下，將所述糖漿重新混合到濕餅中。因此，在干燥后將產(chǎn)物稱為"釀酒后的干谷物及可溶物(或稱為干釀酒谷物及可溶物，distillers'driedgrainw他solubles)"或DDGS。盡管可能存在一些將DDGS作為動(dòng)物飼料的局部需求，但大多數(shù)DDGS必須被干燥至水分含量為12%或更少，否則濕餅的儲(chǔ)存期僅有2天或3天。DDGS的產(chǎn)量很大，通常年產(chǎn)5千萬加侖的干磨乙醇加工廠每年產(chǎn)生166,000噸干燥DDGS。DDGS的價(jià)值對(duì)加工廠的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。目前的乙醇生產(chǎn)方法乙醇副產(chǎn)物的性質(zhì)和價(jià)值受到生產(chǎn)過程中用于完成淀粉提取的技術(shù)的影響。當(dāng)前主要有兩種常見的乙醇生產(chǎn)方法。它們一般被稱為"濕磨法"和"干磨法"，下文中將分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)述。濕磨及其副產(chǎn)物濕磨法將玉米分離成玉米的四種主要成分纖維、蛋白、油和純化的玉米淀粉。該方法將浸泡水、纖維、胚芽粗粉和面筋(gluten)分離，所有這些都可用在動(dòng)物飼料產(chǎn)品中。下文所示的流程圖對(duì)濕磨法進(jìn)行了詳細(xì)說明(參見圖1)。雖然與干磨相比，濕磨具有更高的資金和能量花費(fèi)，但其產(chǎn)生的更寬泛的產(chǎn)物可彌補(bǔ)這些花費(fèi)。通常較大較完備的企業(yè)使用濕磨。濕磨副產(chǎn)物本文列出的四種副產(chǎn)物占所加工玉米的約25%-30%。玉米面筋飼料(cornglutenfeed)是中間的蛋白產(chǎn)物，其富含高度可消化的纖維。它可以包含或不含濃縮的玉米提取物。該產(chǎn)物以濕或干的形式出售。所述干形式合并了糠(bran)和濃縮提取物(有時(shí)為胚芽粗粉)。干燥的玉米面筋飼料隨后被制成粒以方便處理。玉米面筋飼料的分析結(jié)果通常為21%蛋白、2.5%脂肪和8%纖維。不進(jìn)行干燥，以類似的方式合并濕玉米面筋飼料(45%干物質(zhì))。這是易于在6-10天內(nèi)腐爛的產(chǎn)物，并且必須喂食，或在厭氧環(huán)境中儲(chǔ)存。在兩種形式(干形式和濕形式)中，該副產(chǎn)物廣泛用作奶牛和肉牛、家禽、豬和寵物的完全詞料。玉米面筋粗粉是高蛋白的濃縮物，通常含有60%蛋白、2.5%脂肪和1%纖維。它是蛋氨酸的重要來源。玉米面筋粗粉還具有一定量的葉黃素，其為家禽飼料的生產(chǎn)提供了有效的黃色染料成分。玉米面筋粗粉還是優(yōu)異的牛飼料，提供高水平的過瘤胃蛋白。濃縮的玉米發(fā)酵提取物，或玉米槳(cornsteepliquor)是高能量的液體飼料成分。在50%固體基礎(chǔ)上對(duì)蛋白數(shù)值進(jìn)行分析的結(jié)果為25%。有時(shí)將該產(chǎn)物與玉米面筋飼料合并。它還可以作為顆粒粘合劑出售，并且是維生素B和礦物質(zhì)的來源。玉米胚芽粗粉呈金黃色，并且主要為面筋(玉米籽粒的高蛋白部分)。玉米胚芽粗粉的分析結(jié)果通常為21%蛋白、2%脂肪和9.5%纖維。它還具有平衡的氨基酸，從而使其在家禽和豬日糧中頗有價(jià)值。它還用作液體飼料養(yǎng)分的載體。酶解自20世紀(jì)50年代以來，酶在玉米淀粉加工中的作用越來越重要?，F(xiàn)在，酶在相對(duì)溫和的溫度和壓力下進(jìn)行反應(yīng)，而在以前，相同的反應(yīng)需要使用酸并在高溫和高壓下才能進(jìn)行。酶對(duì)淀粉分子的降解是一個(gè)具有兩個(gè)步驟的過程。起初，a-淀粉酶將構(gòu)成淀粉的大直鏈淀粉和支鏈淀粉分子裂解成可溶的糊精片段。所產(chǎn)生的淀粉漿具有類似于肉湯的稠度。葡糖淀粉酶對(duì)肉湯樣糊精進(jìn)行糖化，將聚合物水解成其單個(gè)的葡萄糖單元。從糊精的末端(包括支鏈淀粉的分支點(diǎn))切下連續(xù)的單元。可以將所產(chǎn)生的葡萄糖加工成為成品糖漿、干葡萄糖或可以將其發(fā)酵以產(chǎn)生燃料用或飲料用乙醇。干磨及其副產(chǎn)物干磨是指在大多數(shù)農(nóng)場(chǎng)乙醇生產(chǎn)設(shè)備中使用的干磨乙醇生產(chǎn)法(DryGrindEthanolProcess)(參見圖2)。該方法利用最少量的研磨來獲得乙醇生產(chǎn)中消耗的淀粉。該方法的兩種主要副產(chǎn)物為"釀酒可溶物(distillers'solubles)"和"釀酒谷物(distillers'grains)"。在乙醇生產(chǎn)中，玉米籽粒中由蛋白、脂肪、礦物質(zhì)和維生素組成的30%的部分沒有得到利用。干磨將這些組分濃縮成常用于動(dòng)物飼料的釀酒谷物。與濕磨相同，利用(X-淀粉酶和葡糖淀粉酶將淀粉降解成用于發(fā)酵的單糖。玉米通常具有低水平的可溶氮，因此，酵母生長(zhǎng)速度低且需要較長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間或需加入尿素。加入少量的蛋白酶也有助于使酵母獲得氮，并減少發(fā)酵時(shí)間，使對(duì)尿素的需求最小化。在發(fā)酵過程中，天然的酶也是具有活性的。酵母產(chǎn)生植酸酶，這是將發(fā)現(xiàn)于植物原料中的植酸轉(zhuǎn)化成可被酵母利用的磷形式的酶。植酸酶可有效地將磷轉(zhuǎn)化成可被動(dòng)物利用的形式，因此越來越多地被用作含有干釀酒谷物及可溶物(drieddistillersgrainwkhsolubles,DDGS)的家禽和豬飼料的添加劑。然而，植酸酶對(duì)大于IO(TC的溫度敏感。目前的干燥技術(shù)會(huì)使釀酒谷物中殘存的天然植酸酶變性和失活。如圖2所示，乙醇蒸餾產(chǎn)生完整酒糟(wholestillage)，即懸浮谷物固體和水的混合物。其它人員己經(jīng)將完整酒糟描述為具有經(jīng)攪拌的濃雞湯面條的大致稠度。由于其具有高的養(yǎng)分水平，完整酒糟往往迅速腐敗，因此需要立即進(jìn)行加工以使損失最小化。將完整酒糟進(jìn)行離心可以快速地從釀酒谷物中分離出大量的水。該過程產(chǎn)生的固體通常稱為"濕餅"。通過所述離心排出的液體被稱為"稀酒糟"。該排出物包括從濕的釀酒谷物中除去的所有水以及釀酒谷物的水溶性部分。稀酒糟中存在的釀酒谷物在溶液中極其穩(wěn)定。這種性質(zhì)使得有可能從該混合物中除去很大比例的水分，而不會(huì)在蒸發(fā)器中產(chǎn)生過量的物質(zhì)累積。通過在逐漸降低的壓力下進(jìn)行操作，多效蒸發(fā)器可以再利用之前階段產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)物從而獲得額外的加熱作用。使用三效蒸發(fā)器可以利用1磅蒸汽(相當(dāng)于約1,000BTU)除去數(shù)磅的水。利用現(xiàn)有干燥技術(shù)干燥濕餅的最后階段是最困難的，并且是最耗能的步驟，需要1,220-1,350BTU來除去1磅水。開發(fā)出能夠保留和/或增強(qiáng)DDG和DDGS營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的更有效的干燥技術(shù)對(duì)于擴(kuò)大乙醇副產(chǎn)品的市場(chǎng)至關(guān)重要。由于干磨法的初始投資較少并且能耗較低，所以較小的新創(chuàng)企業(yè)通常優(yōu)選干磨法。微生物發(fā)酵利用諸如酵母的微生物以乙醇生產(chǎn)領(lǐng)域已知的常規(guī)方式對(duì)經(jīng)處理的纖維素原料進(jìn)行發(fā)酵。工業(yè)微波爐工業(yè)微波爐已經(jīng)被廣泛使用了至少50年。其主要應(yīng)用包括烹飪和加工人用食品，以及干燥諸如木質(zhì)產(chǎn)品的多種材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員了解如何為本發(fā)明選擇、構(gòu)建或調(diào)整合適的微波爐。一種工業(yè)用爐是約1平方米的無縫焊接鋼盒，但其尺寸可以改變。該爐的前面具有進(jìn)口，并且經(jīng)設(shè)計(jì)該爐可以阻止微波能的泄漏。批次處理時(shí)，將材料置于爐內(nèi)，并用微波能處理適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。在所述爐的頂部是一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)的偶極天線，其向爐腔內(nèi)發(fā)射微波功率。天線的旋轉(zhuǎn)保證了微波能在爐內(nèi)的均勻分布。所述天線通過矩形導(dǎo)波管與產(chǎn)生微波能的發(fā)射元件(transimitterunit)相連?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)容量由一個(gè)或兩個(gè)發(fā)射器向所述爐提供微波能。所述發(fā)射器利用水冷磁控管產(chǎn)生微波能。通常每臺(tái)發(fā)射器產(chǎn)生達(dá)75千瓦的能量且轉(zhuǎn)化率約為85%。向磁控管供應(yīng)的高壓電力從480伏三相供電電壓(通過功率控制電路)逐步上升至10千伏，其利用高壓整流橋轉(zhuǎn)化為DC電流。在本申請(qǐng)中使用915MHz的頻率，這可以深入穿透材料并產(chǎn)生高功率。磁控管的輸出通過被稱為"循環(huán)器"三端器件相連接。它將頻射(RF)能發(fā)送至爐供料波導(dǎo)管(ovenfeedwaveguide)內(nèi)和/或水冷假負(fù)載內(nèi)。循環(huán)器通過自動(dòng)向假負(fù)載遞送反射的(逆)RF能量來保護(hù)系統(tǒng)。這種保護(hù)可能由于爐內(nèi)的荷載不足、爐內(nèi)電弧、導(dǎo)波管受損或爐受損、或其它故障情形而發(fā)生。發(fā)射器箱還可以安裝過程控制計(jì)算機(jī)和相關(guān)的電控。該計(jì)算機(jī)與位于爐上的觸摸屏LCD用戶界面(touchscreenLCDuserinterface)相連。所述計(jì)算機(jī)使發(fā)射器和相連爐的操作、監(jiān)測(cè)和安全特性自動(dòng)化。該計(jì)算機(jī)可以以脈沖或連續(xù)的方式將微波功率輸出準(zhǔn)確控制在1千瓦的分辨率內(nèi)。另一種尤其適合本發(fā)明的工業(yè)爐系統(tǒng)包括以水平進(jìn)料線(feedline)排列的數(shù)個(gè)如上所述的獨(dú)立蒸煮爐(或腔)。在該排列中，根據(jù)設(shè)計(jì)容量，通常每條線使用2、3、4、5或更多個(gè)爐。各個(gè)爐均為約1平方米的無縫焊接鋼盒，但其尺寸可以改變。各個(gè)爐均有進(jìn)口和出口，并且經(jīng)設(shè)計(jì)該爐可以阻止微波能的泄漏。連續(xù)處理時(shí)，利用傳送帶等使材料移動(dòng)通過位于各爐兩側(cè)的口。可以通過封閉的風(fēng)室(plenum)連接爐箱，并且所述傳送帶移動(dòng)通過該風(fēng)室。第一個(gè)和最后一個(gè)爐均有插銷式頻射扼流圈(pin-typeradiofrequencychoke)，這可以抑制微波能的泄漏，從而使傳送帶的末端處于開放狀態(tài)，用于裝載或卸載產(chǎn)物?？梢蕴峁┮粋€(gè)或數(shù)個(gè)屏蔽通風(fēng)口(screenedventopening)以排放廢氣。這些通風(fēng)口與高容量鼓風(fēng)機(jī)以及導(dǎo)管系統(tǒng)相連。在連續(xù)處理中，使待處理的材料通過一個(gè)或多個(gè)爐，在通過時(shí)間內(nèi)完成適當(dāng)?shù)奈⒉ㄌ幚怼Ｎ⒉ㄌ幚碓趥鹘y(tǒng)加熱中，熱源由外向內(nèi)地對(duì)分子發(fā)生作用，從而依次加熱連續(xù)的分子層。該過程使材料中的各個(gè)分子都被加熱至某種程度，并常常引起材料的外層過度干燥。為了防止過度干燥對(duì)養(yǎng)分的損害，人們嘗試通過使用回轉(zhuǎn)爐和環(huán)形干燥器將待干燥的粒狀材料的所有表面都曝露在熱氣流中。這可以使傳遞至顆粒的熱量和從顆粒傳遞出的水的質(zhì)量最大化。微波利用以光速運(yùn)動(dòng)的交流電磁波來傳送能量。與多數(shù)分子不同，極性分子上不平衡的電荷使其與電磁場(chǎng)相互作用。當(dāng)微波穿過物質(zhì)(或材料)時(shí)，極性分子根據(jù)電場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)其正電荷和負(fù)電荷進(jìn)行排列。以915,000次/秒開關(guān)電場(chǎng)可以促使極性分子(例如水、糖和脂質(zhì))振蕩。由于振動(dòng)分子和周圍物質(zhì)之間的摩擦，而使分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱效應(yīng)。由于微波傳播的速度，加熱效應(yīng)在均質(zhì)物質(zhì)的整個(gè)體積內(nèi)是均勻的。在所有類型的加熱中，電介質(zhì)(微波)加熱是唯一一種可以使產(chǎn)物內(nèi)部溫度高于其表面溫度的加熱方式。表面的最高溫度永遠(yuǎn)不會(huì)超過使表面水蒸發(fā)所需要的溫度。工業(yè)微波的構(gòu)建通常用鋼或不銹鋼構(gòu)建工業(yè)用微波爐。所述爐的金屬構(gòu)造可以捕獲微波并將其反射回正在處理的產(chǎn)品上。變速傳送帶以及計(jì)算機(jī)控制的使用使微波系統(tǒng)能夠極好地控制干燥過程。與其它類型的加熱器或干燥器相比，通過調(diào)整傳送帶速度，可以更嚴(yán)格地控制終產(chǎn)物中的水分含量。微波能夠有效加熱的物質(zhì)的厚度極限為約3英寸。除了這個(gè)限制外，微波爐的構(gòu)造是極其靈活的。物質(zhì)的寬度范圍可以在四英尺寬度(利用一個(gè)天線)至15英尺寬度(利用位于傳送帶各部分的多個(gè)天線)的范圍。利用裝配在爐腔頂部的旋轉(zhuǎn)天線有助于產(chǎn)生均勻的熱效應(yīng)。利用矩形鋁管將微波從發(fā)射器傳送到干燥器內(nèi)的天線。通常將這些連接件稱為"導(dǎo)波管"，并且可以利用標(biāo)準(zhǔn)的彎管接頭和其它配件將其栓固在一起。微波發(fā)射器產(chǎn)生給定頻率的微波能和發(fā)射到天線的最大功率輸出。發(fā)射器的部件包括磁控管、電磁鐵、電源、循環(huán)器、負(fù)載水和控制件?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測(cè)并控制該系統(tǒng)的性能，并促進(jìn)程序化/自動(dòng)化以及變量(如功率輸出和處理速度)在過程中的調(diào)整。它還根據(jù)安全操作參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作，并在檢測(cè)到不安全狀況的不利情況下關(guān)閉系統(tǒng)。微波設(shè)備可以包括位于傳送系統(tǒng)進(jìn)口和出口的"阻波(choking)"機(jī)制。該特征將微波泄漏降低至可檢測(cè)的水平以下。微波門和封口是最容易損壞的部件。陳舊或故障的門密封件是導(dǎo)致微波泄漏的最常見原因。機(jī)械損傷、污垢沉積、或持續(xù)使用引起的單一磨損都可以引起門密封件的效果降低。關(guān)于微波干燥器安裝和維護(hù)的安全提示包括格外注意保證與微波門或門密封件接觸的部分不發(fā)生任何損傷。在接近任何可到達(dá)的開口部或在試圖進(jìn)行任何維修前，保證微波與電源不相連。保證僅由接受過此類專門作業(yè)培訓(xùn)的人員進(jìn)行使用外加電壓的調(diào)整、微波功率產(chǎn)生元件的更換、爐元件的拆除以及導(dǎo)波管的改裝。不要為門連鎖裝置設(shè)置支路。在其輸出沒有與適當(dāng)荷載相連的情況下，不要對(duì)微波功率產(chǎn)生元件進(jìn)行測(cè)試。決不能讓所產(chǎn)生的能量自由地輻射到所占據(jù)的區(qū)域內(nèi)。方法微波技術(shù)微波處理包括通過影響物質(zhì)中的極性分子而將交流電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成熱能。與傳統(tǒng)加熱相比，微波處理具有實(shí)質(zhì)性優(yōu)點(diǎn)，包括速度、溫度均一性以及所加熱物質(zhì)對(duì)能量的高水平吸收。酶適合本發(fā)明使用的酶包括淀粉酶、a-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纖維素酶、半纖維素酶及其混合物或其組可溶性和不溶性非淀粉多糖(Non-StarchPolysaccharides,NSP)分析利用流線試驗(yàn)(stream-linedassay)測(cè)定米糠中可溶性和不溶性NSP的水平。將樣本(lOOmg)進(jìn)行碾磨以通過0.5mm的篩子。然后利用乙醇:水混合物(85:15;2ml)在8(TC萃取樣本5分鐘，共萃取兩次，以除去可溶性糖。水解在IO(TC，利用3mllMH2SO4水解殘留物2小時(shí)。將部分水解產(chǎn)物(0.4ml)轉(zhuǎn)移到30ml培養(yǎng)管中，并加入0.10mlof28。/。NH3。加入50111肌醇(4mg/ml)和50)iil阿洛糖(4mg/ml)作為內(nèi)標(biāo)?；旌衔镌诘?dú)庀?0。C干燥。還原按照以下闡述使用硼氫化鈉來還原單糖。向糖水解物和內(nèi)標(biāo)的混合物中加入水(0.2ml)、絕對(duì)乙醇(0.2ml)和3M氨水(l滴)。充分混合后，加入新鮮制備的0.3mlNaBH4(通過在每毫升3MNH4OH中溶解50mg鈉制得)。然后蓋上試管，并在40。C水浴中溫育1小時(shí)。乙?；虮贿€原的混合物中加入5-7滴冰醋酸以分解過量的NaBH4。然后加入0.5mll-甲基咪唑和5ml乙酸酐，混合，并在室溫下放置10分鐘。加入絕對(duì)乙醇(0.8ml)，混合并在室溫下放置IO分鐘，以使糖發(fā)生乙?；?。然后將樣本置于冰浴中，并向每個(gè)試管中加入5mlH20以分解任何過量的乙酸酐。加入5ml7.5MKOH，蓋上試管蓋，并顛倒混合六次。再次加入5ml7.5MKOH，加蓋并再次混合。此時(shí)，可以看到澄清的乙酸乙酯上層，然后利用Pasteur吸管將該上層轉(zhuǎn)移到4ml小瓶中，并在N2下蒸干。然后將蒸發(fā)產(chǎn)物重新溶解在0.4ml乙酸乙酯中，利用Varian3400CX氣相色譜設(shè)備對(duì)糖進(jìn)行定量。將一式兩份的樣品水解，并對(duì)產(chǎn)生的產(chǎn)物進(jìn)行兩次測(cè)定。假定聚合的阿拉伯木聚糖的水平由木糖骨架和阿拉伯糖側(cè)鏈構(gòu)成?？紤]到水的縮合，利用0.S8的聚合因子由成分糖的水平計(jì)算阿拉伯木聚糖的水平。假定其它多糖(葡聚糖、半乳聚糖和甘露聚糖)為線性聚合物，利用0.9的聚合因子計(jì)算其水平。游離糖的分析利用二乙醚(5ml)萃取樣本(100mg)兩次以除去脂肪和色素，并以3000g離心15分鐘。除去上清。然后用80%乙醇萃取殘留物并離心(3000g，15分鐘)。取出上清，在N2下干燥，并在lMH2SO4中于100。C水解2小時(shí)。還原和乙?；扇苄院筒蝗苄訬SP測(cè)定中的闡述。試驗(yàn)試驗(yàn)l目的評(píng)價(jià)改變酶補(bǔ)給量和微波處理時(shí)間對(duì)糖釋放的影響。方法12份米糠樣本(5kg)和酶(BiofeedPlus,NovoNordisk，由//wm/co/a/似o/e似的深層發(fā)酵產(chǎn)生的糖酶制劑)。所述酶將阿拉伯木聚糖和(3-葡聚糖水解成寡糖以及一些單糖、二糖和三糖。以兩個(gè)不同水平(推薦劑量率為500g/噸和1000g/噸)加入到8個(gè)所述樣本中的BiofeedPlus還含有其它糖酶活性，包括纖維二糖酶、半纖維素酶和纖維素酶。在微波處理前向每個(gè)樣本加入5L水。然后將所有樣本置于65"C并在該溫度下保持5分鐘(具有prefDc-MV的所有樣本)或10分鐘(具有prefix-MMV的所有樣本)，之后將溫度升至85'C，并再次保持5分鐘以使酶失活。所使用的微波頻率為2.45GHz。結(jié)果如表l所示。在該試驗(yàn)中使用的米糠含有25%基本不可溶的NSP。大約50%的NSP為纖維素，其余的為阿拉伯木聚糖。表l:酶添加和微波處理對(duì)米糠中糖類組分的作用<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>結(jié)果微波處理主要釋放阿拉伯糖(ara)、木糖(xyl)和葡萄糖，以及痕量的核糖(rib)、半乳糖(gal)和甘露糖(man)。所述有益效果似乎主要來自微波處理本身而非酶，這表明在微波處理過程中酶可能失活。本試驗(yàn)的有趣結(jié)果是，與進(jìn)行較短時(shí)間(5分鐘)微波處理的樣本相比，較長(zhǎng)時(shí)間(IO分鐘)的微波處理使糖釋放量顯著提高(32.26%以上)。還可以得到以下結(jié)論糖的釋放量與酶濃度無關(guān)。在該試驗(yàn)中，樣本量由早期試驗(yàn)的200g樣本增至5kg樣本，而對(duì)糖釋放的提高效果相似。試驗(yàn)2目的測(cè)定所處理進(jìn)料的量和浸泡時(shí)間是否改變從米糠釋放的糖的量。方法4份米糠樣本(20kg)和以1000g/kg的水平加入的酶(BiofeedPlus,NovoNordisk)。將所有樣本置于65。C并在該溫度下保持10分鐘，之后將溫度升至85°C，并再保持5分鐘以使酶失活。微波處理前，使2個(gè)樣本(具有SKprefix的樣本)在水中浸泡24小時(shí)。樣本以10kg分批處理，并在微波處理前向糠中加入10L水。所使用的微波頻率為2.45GHz。游離糖的釋放結(jié)果如表2所示。表2:在大規(guī)模處理中，酶添加和微波處理對(duì)米糠中碳水化合物組成的作用<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>結(jié)果盡管批處理量增加一倍，但該處理比試驗(yàn)l更有效。米糠在室溫浸泡24小時(shí)可引起游離糖釋放量的少量增加。試驗(yàn)3目的考慮到之前試驗(yàn)所得到的結(jié)果較好，決定詳細(xì)分析酶和微波處理的組合對(duì)家禽用米糠營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的改進(jìn)作用。方法對(duì)兩份米糠(各250kg，其中一份含有酶(BiofeedPlus,NovoNordisk)，添加量為1000g/噸)進(jìn)行微波處理。米糠樣本以10kg分批處理，并在微波處理前加入10L水。所使用的微波頻率為2.45GHz。將所有樣本置于65t:并在該溫度下保持20分鐘。所述米糠含有13.7%蛋白和總量為26.6%NSP，所述NSP由21.1%阿拉伯木聚糖、0.4%甘露糖、1.3%半乳糖和12.8%纖維素以及痕量核糖組成。超過97%的NSP是不溶的。游離糖分析在一式三份的子樣本上進(jìn)行。結(jié)果示于下表3。表3:酶添加和微波處理對(duì)用于進(jìn)料試驗(yàn)的米糠中的糖類組成的作用<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>結(jié)果通過微波處理從兩個(gè)樣本(有酶的樣本和無酶的樣本)中釋放的游離糖的量非常相似，這與之前的結(jié)果一致。試驗(yàn)4目的測(cè)定酶的加入和/或微波處理能否增強(qiáng)游離糖從菜籽粕(canolameal)樣本的釋放。方法4份菜籽粕樣本(每個(gè)2kg)，其中兩個(gè)樣本以800g/噸的劑量率添加了商業(yè)酶("Energex"，NovoNordiskP-葡聚糖酶)。微波處理前向各樣本中加入2L水。將所有樣本置于68'C并在該溫度下保持5分鐘，之后將溫度升至85"C并再次保持5分鐘。所使用的微波頻率為2.45GHz。對(duì)于各個(gè)處理的分析，使用的樣本均一式兩份。結(jié)果示于下表4、5和6。在試驗(yàn)4(表4-6)中，采用了4份樣品。每份樣本一式兩份進(jìn)行檢測(cè)。四份分別是(l)對(duì)照，(2)對(duì)照+酶，(3)對(duì)照+微波處理，以及(4)對(duì)照+酶+微波處理。在第2份樣本和第4份樣本中使用了相同的酶。El對(duì)照+酶E2對(duì)照+酶(注意El和E2—式兩份)MV1微波(無酶)MV2微波(無酶)(注意MV1和MV2—式兩份)。<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>結(jié)果表4表明，與對(duì)照樣本相比，酶處理能夠釋放更多的葡萄糖。利用微波處理獲得的葡萄糖的水平略有增加。通過對(duì)菜籽粕/酶混合物進(jìn)行微波處理獲得了最高的葡萄糖水平。所獲得的半乳糖的結(jié)果與葡萄糖相似但水平相對(duì)較低。表5結(jié)果表明在沒有酶的情況下，微波處理可具有一定的效用。表6的結(jié)果表明微波處理和菜籽粕/酶混合物的微波處理產(chǎn)生最高水平的葡萄糖釋放。利用微波能和酶處理可從纖維素原料中釋放更多的糖，由此使經(jīng)處理的原料產(chǎn)生更多的乙醇。如果可以得到更多的游離糖，那么由于可以有更多用于發(fā)酵的起始糖因而可能產(chǎn)生更多的乙醇。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，如具體實(shí)施方案所示，可以進(jìn)行多種變式和/或改進(jìn)而不脫離本發(fā)明廣泛闡述的精神或范圍。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在所有方面中本文的實(shí)施方案僅作為示例，而沒有限制性。權(quán)利要求1.將纖維素原料轉(zhuǎn)化為乙醇的方法，其包括向纖維素原料中加入能夠促進(jìn)糖釋放的酶，從而形成纖維素原料和酶的混合物；用微波能處理所述混合物，從而增強(qiáng)所述酶對(duì)所述纖維素原料的酶解以釋放糖；和對(duì)所述經(jīng)過處理的混合物進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，從而形成乙醇。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述纖維素原料是選自農(nóng)業(yè)廢物、來自工業(yè)處理的植物廢物、能源作物、其組分、或其混合物的纖維素生物質(zhì)原料。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述農(nóng)業(yè)廢物為玉米秸稈、谷類稿稈或蔗渣，所述來自工業(yè)處理的植物廢物為鋸屑或紙漿，所述能源作物為柳枝稷。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述纖維素原料為玉米秸稈。5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酶選自由以下組成的組淀粉酶、a-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纖維素酶、半纖維素酶、和其混合物或組合。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述酶為a-淀粉酶。7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酶的添加范圍為500g/噸-5000g/噸。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述酶的添加量為1000g/噸-2000g/噸。9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微波能的頻率為2.45GHz或者在900MHz的頻率范圍內(nèi)。10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中利用微波能進(jìn)行處理由此有效控制所述混合物的溫度。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述溫度為65"C-78"C。12.如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述溫度為約7(TC。13.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中利用微波能以連續(xù)或分批的方式進(jìn)行所述處理。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中微波能進(jìn)行的處理約達(dá)10分鐘每千克纖維素原料。15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過微生物發(fā)酵進(jìn)行所述發(fā)酵反應(yīng)。16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述微生物發(fā)酵使用了酵母。17.如權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其在濕磨乙醇生產(chǎn)中實(shí)施所述方法。18.如權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)所述的方法，其在干磨乙醇生產(chǎn)中實(shí)施所述方法。全文摘要本發(fā)明涉及將纖維素原料轉(zhuǎn)化成乙醇的方法，該方法包括向纖維素原料中加入能夠促進(jìn)糖釋放的酶，從而形成纖維素原料和酶的混合物；用微波能處理所述混合物，從而增強(qiáng)所述酶對(duì)纖維素原料的酶解以釋放糖；和對(duì)所述經(jīng)處理的混合物進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，以形成乙醇。文檔編號(hào)C12P7/10GK101641445SQ200780044485公開日2010年2月3日申請(qǐng)日期2007年11月30日優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日發(fā)明者杰弗里·布魯斯·威金申請(qǐng)人:塞倫克有限公司