專利名稱：改進(jìn)的谷粒碾磨方法
改進(jìn)的谷粒碾磨方法本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的谷粒碾磨方法，并且尤其是碾磨谷粒的改進(jìn)方法，并且尤其用于碾磨玉米以生產(chǎn)こ醇及其他增值產(chǎn)品的方法。近年來對(duì)こ醇作為燃料添加劑的需求增加，已經(jīng)導(dǎo)致こ醇生產(chǎn)的大幅度增長。目前主要是通過濕磨或干磨方法由玉米生產(chǎn)こ醇。濕磨設(shè)備屬于資本密集型，并且使用大量的エ藝用水，但是通過將玉米分級(jí)成其胚芽，纖維、蛋白質(zhì)和淀粉組分能夠隨こ醇生產(chǎn)出許多增值的副產(chǎn)品，包括高果糖玉米糖漿、玉米面筋粉、玉米面筋飼料、胚芽粉和 玉米油，但還包括改性淀粉、麥芽糊精及其他物質(zhì)。濕磨こ醇法在常規(guī)上涉及五個(gè)基本的加工步驟浸泡、胚芽回收、纖維回收、蛋白質(zhì)回收和淀粉洗滌與后續(xù)發(fā)酵。在第一歩，將玉米浸泡在弱亞硫酸的溶液中以水合及軟化核，用于后續(xù)分離/分級(jí)，并從胚芽中浸出可溶物(水溶性氨基酸及蛋白質(zhì))。浸泡后通過密度和粒度的差異除去胚芽和纖維部分。通過水力旋流器系統(tǒng)除去密度比經(jīng)過浸泡步驟之后剩下的核的固體組分低的胚芽，然后進(jìn)行緊壓并干燥。當(dāng)希望時(shí)，可以從胚芽中壓榨和/或溶劑提取玉米油并且然后作為進(jìn)一歩的副產(chǎn)品進(jìn)行精制。通過篩分除去含有核皮的纖維部分，然后使之與來自浸泡步驟的蒸發(fā)濃縮浸泡水接觸。然后干燥此混合物以產(chǎn)生玉米面筋飼料副產(chǎn)品。然后通過離心機(jī)和水力旋流器系統(tǒng)將剩下的固體分離成ー個(gè)淀粉部分和ー個(gè)蛋白質(zhì)部分。使用面筋增稠離心機(jī)濃縮面筋蛋白質(zhì)部分，通過真空帶式過濾并以回轉(zhuǎn)蒸汽列管干燥器或閃蒸干燥器干燥來進(jìn)ー步脫水。最終干產(chǎn)品玉米面筋粉具有ー個(gè)高蛋白含量，低纖維含量，主要用于非反芻動(dòng)物和寵物的飼料。對(duì)由水力旋流器回收的淀粉進(jìn)行蒸煮、液化和糖化以產(chǎn)生葡萄糖，然后使葡萄糖經(jīng)歷發(fā)酵成為所希望的初級(jí)こ醇產(chǎn)品。蒸餾こ醇，使之離開水和殘余的水溶性固體?？梢詫⒒厥盏臍堄喙腆w添加到玉米面筋飼料中，同時(shí)可以將發(fā)酵中產(chǎn)生的ニ氧化碳銷往飲料行業(yè)。相比之下，干磨加工法比濕磨こ醇法的資本密集程度低得多，原因在于不是將玉米核分級(jí)成其基本部分，而是作為整體進(jìn)行處理，并不要求大量的エ藝用水。然而，與濕磨こ醇法相比，干磨こ醇法也有一定的缺點(diǎn)。對(duì)于生產(chǎn)こ醇來說，加工包括核的非淀粉部分在內(nèi)的整個(gè)核的效率低。而且，干磨こ醇方法主要得到ー種可銷售的但價(jià)值相對(duì)較低的副產(chǎn)品，其形式為含可溶物的玉米干酒糟及溶解物(distillers’ driedgrains with solubles) (DDGS)。干磨こ醇方法中的非發(fā)酵部分的確含有相當(dāng)高的含油量，但回收很困難。簡言之，在典型的干磨こ醇方法中，磨碎整個(gè)的玉米，用水漿化并添加酶進(jìn)行蒸煮以產(chǎn)生液化“醪”。向醪中添加酵母和酶，醪同時(shí)經(jīng)歷糖化和發(fā)酵，在液體部分中產(chǎn)生所需的初級(jí)こ醇產(chǎn)品，同時(shí)用酵母回收剩下沒有發(fā)酵的固體作為玉米干酒糟。來自發(fā)酵的ニ氧化碳從蒸汽液體分離器中的肉湯中釋出，并從液體部分中回收こ醇用作燃料添加劑。典型方法的一種變化形式是首先用冷水、熱水和/或蒸汽對(duì)玉米進(jìn)行一段時(shí)間的處理，將玉米的水分含量從15%提高到22%，以便軟化麩/皮和胚芽，并允許它們與核的淀粉質(zhì)胚乳組織分離。通過研磨/脫胚步驟輸送玉米以將核破碎成皮、胚芽和胚乳部分。干燥后，抽吸步驟使皮與胚乳分離，同時(shí)使用重力分選臺(tái)使胚芽部分與胚乳分離。然后磨碎胚乳，并按與典型干磨方法中相同的方式進(jìn)行加工。雖然浸泡、脫胚、抽吸及密度分離步驟和設(shè)備需要額外的資金，但與上述的典型方法相比，干磨方法的這種變化形式仍被認(rèn)為是有利的，原因在于可以獲得玉米油形式的附加的副產(chǎn)品價(jià)值(得自胚芽)，以及從皮和油渣餅中獲得動(dòng)物飼料價(jià)值?？傊敲磁c上述的干磨法相比，濕磨乙醇法可提供附加的副產(chǎn)品可能性，但卻要求大量的資本投入和工藝水資源，并且在操作上所涉及的復(fù)雜性要大得多。另外，作為濕磨的主要副產(chǎn)品之一的高果糖玉米糖漿已經(jīng)被一些人認(rèn)為是促成肥胖的重要原因。干磨法較為簡單，需要的資金和水較少，但在副產(chǎn)品方面產(chǎn)生的價(jià)值較少，并且就從玉米核的各組成部分中充分獲取價(jià)值來說通常是低效的。
由谷粒(如玉米)生產(chǎn)燃料添加劑品質(zhì)的乙醇的改進(jìn)碾磨方法將具有例如濕磨和干磨法兩者所希望的屬性，即能夠分餾，并且能夠從玉米核的所有部分中獲取價(jià)值，這是濕磨所具有的特征，同時(shí)保留干磨加工的簡單性和低資本及水資源要求?？傮w來說，本發(fā)明提供了在干磨乙醇方法中加工谷粒及谷粒產(chǎn)品的改進(jìn)方法以由此獲得更大的價(jià)值。因此，雖然下文的說明書是就優(yōu)選的實(shí)施方案(特別是加工玉米)描述這種改進(jìn)的方法，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，這些方法可有利地應(yīng)用于其他谷粒，如小麥、谷子、大麥、高粱、小黑麥、稻米、覓屬植物、蕎麥、黑麥、燕麥和藜麥。本發(fā)明通過對(duì)典型的干磨方法進(jìn)行簡單的改變而提供所需要的改進(jìn)，由此通過在有機(jī)酸的存在下蒸煮醪而對(duì)醪進(jìn)行熱化學(xué)處理。這種有機(jī)酸有效地水解碾磨的玉米中的淀粉和半纖維素組分這兩者，以由胚乳及核的其他部分提供可發(fā)酵糖，然而還不會(huì)產(chǎn)生抑制發(fā)酵水平的其他已知的半纖維素物質(zhì)的酸水解產(chǎn)品，如羥甲基糠醛(HMF)和糠醛。此外，有機(jī)酸(“有機(jī)酸”將被理解為既包括單獨(dú)的酸，也包括有機(jī)酸的混合物)能夠溶解淀粉和更難分解(recalcitrant)的半纖維素，然而只是使它們部分水解，因此大部分淀粉和半纖維素被水解成低聚物，并且化學(xué)不穩(wěn)定及還原性糖的量保持足夠的低，同樣不會(huì)對(duì)發(fā)酵成乙醇產(chǎn)生明顯的干擾。
圖I以一個(gè)示例性實(shí)施方案描述本發(fā)明改進(jìn)的谷粒碾磨方法。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，對(duì)如下的典型干磨方法進(jìn)行改進(jìn)，以將諸如醋酸或甲酸(或它們的組合)的有機(jī)酸加入到“醪化”步驟當(dāng)中將整個(gè)的玉米磨碎，用水漿化，用酶處理并蒸煮以形成液化醪，然后用另外的酶處理，發(fā)酵并進(jìn)一步加工以產(chǎn)生燃料級(jí)添加劑品質(zhì)的乙醇及其他產(chǎn)品。一個(gè)酸回收步驟是任選的，但優(yōu)選作為進(jìn)一步的有限改進(jìn)插入該步驟，以在添加酵母和另外的酶進(jìn)行醪發(fā)酵之前從醪中回收有機(jī)酸。通過引入有機(jī)酸，優(yōu)選以有機(jī)酸水溶液的形式與水一起引入有機(jī)酸，使玉米的淀粉和半纖維素組分溶解并部分水解，如上文所述。通過由存在于核中(尤其是皮中)的半纖維素形成可發(fā)酵的C5糖，可以提高核的總乙醇收率。此外，因?yàn)橛袡C(jī)酸并非強(qiáng)酸，所以可以避免HMF(羥甲基糠醛)和糠醛的水平達(dá)到傾向于不利地干擾或抑制(5和C6糖后續(xù)發(fā)酵成乙醇，已知上述兩種物質(zhì)為酸水解半纖維素物質(zhì)的副產(chǎn)品，而且也都是通過發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇中的已知酶活性抑制劑。而且，可保持低量的化學(xué)不穩(wěn)定的游離糖或還原糖，以避開對(duì)酵母的化學(xué)抑制劑和避免糖的損失。有機(jī)酸也提供另外的可能性，以從存在于玉米核中的蛋白質(zhì)和油中獲得價(jià)值。關(guān)于從玉米中回收油，從整個(gè)的玉米中提取油迄今還是昂貴和低效的，因?yàn)橛椭饕嬖谟谂哐恐?，因此在作為整體的磨碎的玉米當(dāng)中存在的濃度低。下面已經(jīng)顯示，使用中等濃度的有機(jī)酸水溶液(例如甲酸的50%水溶液)蒸煮(在90攝氏度和環(huán)境壓力下)已經(jīng)添加了淀粉酶的總固體為30%至40%的玉米漿，以使85%的玉米固體溶解到水相里，通過離心或過濾很容易使所述水相與殘留的固體分離。這些殘留的固體具有的高濃度油足以使現(xiàn)在從整個(gè)核的加工中回收玉米油變得經(jīng)濟(jì)合算。此夕卜，在按常規(guī)方式通過壓榨或萃取回收油之后，發(fā)現(xiàn)殘留的固體具有高蛋白質(zhì)含量，因?yàn)橛衩椎鞍撞槐晃覀儼l(fā)明中的有機(jī)酸所溶解。這種高蛋白固體用作動(dòng)物飼料是所希望的，但與只是非常適合反芻動(dòng)物的玉米干酒糟相反，由我們的方法所提供的殘留固體在優(yōu)選的實(shí)施方案中適合用在供諸如家禽和生豬之類的非反芻動(dòng)物的飼料中。通過參考圖I更全面地說明和理解本發(fā)明，其中在優(yōu)選的實(shí)施方案中示出了改進(jìn)的干磨こ醇方法10。實(shí)施方案10僅g在為示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易意識(shí)到，在不偏離由下文之后的權(quán)利要求更具體限定的本發(fā)明的適當(dāng)范圍的情況下，可以對(duì)實(shí)施方案10進(jìn)行多種修改和變動(dòng)，并且也可以使本發(fā)明的使用與各種現(xiàn)有或已知的干磨法相適應(yīng)。

現(xiàn)在再看

圖1，如圖所示，在碾磨步驟14中碾磨或磨碎整個(gè)的玉米12。可以通過任何已知的方法進(jìn)行碾磨，例如通過使用Fitz碾磨機(jī)、Beall脫胚機(jī)或Satake脫胚機(jī)。碾磨步驟14產(chǎn)生磨碎的玉米流16，該玉米流為包括胚芽、胚乳、皮和細(xì)粒在內(nèi)的非均質(zhì)混合物。細(xì)粒主要是淀粉，并且皮主要是纖維性物質(zhì)。用水18使磨碎的玉米流16楽;化,并在醪化步驟20中蒸煮成醪,此步驟在有機(jī)酸22 (或者是新供給的有機(jī)酸，或者主要是從任選的酸回收步驟28中產(chǎn)生的有機(jī)酸，其中根據(jù)需要供給新的補(bǔ)充酸)的存在下進(jìn)行，并且添加酶24以有助于玉米的可發(fā)酵組分的液化。通常使磨碎的玉米流16與一定體積的水18合并，該一定體積的水18的重量為要醪化的玉米重量的兩到三倍，水18通常在典型的干磨方法中以發(fā)酵逆流、蒸發(fā)冷凝水或玉米浸泡液的形式供給。有機(jī)酸22優(yōu)選為醋酸或甲酸，優(yōu)選與ー些水18 —起作為中等濃度至較高濃度的酸水溶液供給。優(yōu)選的濃度范圍是50重量百分比至70重量百分比，而更優(yōu)選酸溶液較接近50%的酸。優(yōu)選將玉米、水和酸混合物在70與90攝氏度之間的溫度下(更優(yōu)選在88至90攝氏度的溫度下)保持大約30分鐘，此后添加a-淀粉酶(以料流24表示)，并將溫度升高到105至110攝氏度持續(xù)5至15分鐘，以有助于主要是胚乳和皮中的淀粉和半纖維素物質(zhì)的液化。添加酶與加熱相結(jié)合使淀粉分解成麥芽低聚糖，如在典型的干磨法中那樣。然而有機(jī)酸另外水解(熱化學(xué)處理)以前只當(dāng)作價(jià)值較低的玉米干酒糟副產(chǎn)品的皮中的半纖維素，并提供C5糖，這增加到出自醪化步驟20的醪流26的可發(fā)酵含量中。然后醪26前往任選的酸回收步驟28，其中如所希望的回收有機(jī)酸并優(yōu)選再循環(huán)以提供至少一部分酸流22。酸回收步驟28可采取多種形式，這取決于例如所用的有機(jī)酸及其在醪流26中的濃度。在這方面，已知甲酸與水形成濃度大致在50重量百分比的共沸物，而醋酸不會(huì)，因此可根據(jù)使用的情況按希望采用共沸蒸餾或常規(guī)蒸餾。無論如何，如果認(rèn)為酸回收重要的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠針對(duì)步驟28很好地選擇經(jīng)濟(jì)合算的酸回收技術(shù)。使酸回收步驟28之后的醪30的溫度降低到60與75度之間，并在步驟31中添加葡糖淀粉酶(顯示為料流32)，以進(jìn)一步由玉米核的淀粉質(zhì)胚乳產(chǎn)生葡萄糖，同時(shí)將溫度保持在60與75度之間達(dá)I到48小時(shí)的一段時(shí)間。然后在發(fā)酵步驟36中添加葡糖淀粉酶及發(fā)酵微生物來對(duì)所得到的發(fā)酵培養(yǎng)基34進(jìn)行發(fā)酵，該微生物可以是例如酵母(如釀酒酵母)、細(xì)菌或真菌，這種發(fā)酵通常在30至40攝氏度的溫度下發(fā)生?？梢圆捎弥圃焐探ㄗh的典型的葡糖淀粉酶添加量，例如每克淀粉大致為0. 22個(gè)單位。也可以添加其他酶，包括半纖維素酶、蛋白酶、纖維素酶、和阿魏酸酯酶。發(fā)酵導(dǎo)致產(chǎn)生二氧化碳產(chǎn)物流38、乙醇和各種不可發(fā)酵的固體及殘留物，包括酵母、面筋蛋白、胚芽和纖維。在允許二氧化碳作為料流38從發(fā)酵液中釋出之后，使乙醇和剩下的固體進(jìn)(附注標(biāo)號(hào)40)到蒸餾步驟42，由此回收來自發(fā)酵的粗乙醇流44，以在用作燃料添加劑之前進(jìn)行進(jìn)一步的清潔和純化(未顯示)。來自發(fā)酵步驟36剩下的水和固體例如在離心步驟46中經(jīng)受液/固分離，得到含有含油胚芽及其他固體的固體部分48和稀糟部分50，優(yōu)選在步驟52中通過蒸發(fā)對(duì)后者進(jìn)行濃縮，用于將其摻入到高蛋白飼料產(chǎn)品54當(dāng)中。固體部分48中相當(dāng)多的油含量作為粗 玉米油副產(chǎn)品流56被提取出來，以借助于油回收步驟58進(jìn)一步精制(未顯示)。油回收步驟58可采用提取固體部分48中的油價(jià)值的任何常規(guī)技術(shù)，包括例如化學(xué)萃取、壓榨萃取、液壓萃取、二氧化碳輔助萃取和超臨界流體萃取。壓榨萃取是優(yōu)選的。在采用超臨界流體萃取的情況下，優(yōu)選的超臨界流體是二氧化碳，可以有或沒有諸如丙烷和/或乙醇的共溶劑。超臨界流體萃取的合適方法例如在授予Christianson等人的美國專利4，495，207中給出，該專利通過引用結(jié)合在此。然后如上所述將剩下的高蛋白固體60與來自蒸發(fā)步驟52的濃料流62合并以生產(chǎn)高蛋白飼料產(chǎn)品54。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的谷粒碾磨方法，包括通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，包括 將一種全谷粒磨碎； 將該磨碎的全谷粒與水形成一種衆(zhòng)料； 向該漿料中添加一種或多種酶和一種或多種有機(jī)酸，同時(shí)加熱以液化該磨碎的全谷粒的可發(fā)酵組分并產(chǎn)生一種醪； 向該醪中添加一種酶以形成用于生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵培養(yǎng)基；并且 在酵母和一種或多種添加酶的存在下對(duì)該發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中以醋酸、甲酸或醋酸與甲酸組合的水溶液的形式添加該一種或多種有機(jī)酸。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該有機(jī)酸水溶液為50重量百分比或更多的酸。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中該酸水溶液為在水中50至70重量百分比的酸。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括酸回收及再循環(huán)步驟，用于在形成該發(fā)酵培養(yǎng)基前從該醪中回收酸并進(jìn)行再循環(huán)。
6.一種碾磨全谷粒以便通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的改進(jìn)的干磨方法，包括 磨碎一種全谷粒； 將該磨碎的全谷粒在重量為磨碎的全谷粒的兩到三倍的水中形成一種漿料； 向該漿料中添加醋酸或甲酸或這兩者的50重量百分比以及更多的水溶液，同時(shí)保持該漿料的溫度在70攝氏度到90攝氏度； 添加α -淀粉酶并將該漿料的溫度升高到105至110攝氏度持續(xù)5至15分鐘； 降低所得醪的溫度或者使所得醪的溫度冷卻到攝氏60度與75度之間； 向該醪中添加葡糖淀粉酶，同時(shí)保持溫度在60與75攝氏度之間持續(xù)I至48小時(shí)； 添加葡糖淀粉酶、半纖維素酶、蛋白酶、纖維素酶和阿魏酸酯酶中的一種或多種及酵母對(duì)所得到的發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵以生產(chǎn)乙醇；并且回收所述乙醇。
全文摘要
本發(fā)明描述了由全谷粒生產(chǎn)乙醇及其他副產(chǎn)品的改進(jìn)干磨方法，由此通過在有機(jī)酸的存在下蒸煮醪而對(duì)醪進(jìn)行熱化學(xué)處理。有機(jī)酸有效地水解碾磨的玉米中的淀粉和半纖維素組分，以由胚乳及核的其他部分得到可發(fā)酵糖，然而不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生抑制發(fā)酵水平的其他已知的半纖維素物質(zhì)的酸水解產(chǎn)品，如羥甲基糠醛(HMF)和糠醛。此外，有機(jī)酸能夠溶解淀粉和更難分解的半纖維素，然而只是使它們部分水解，因此大部分淀粉和半纖維素被水解成低聚物，并且化學(xué)不穩(wěn)定及還原性糖的量保持足夠的低以便也不會(huì)對(duì)發(fā)酵成乙醇產(chǎn)生明顯的干擾。
文檔編號(hào)C12P7/10GK102770548SQ201180007787
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者T·P·賓德 申請(qǐng)人:阿徹丹尼爾斯米德蘭德公司