專利名稱：：使用生淀粉和分級(jí)分離來生產(chǎn)乙醇的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在植物材料的發(fā)酵過程中生產(chǎn)高水平醇的方法，以及生產(chǎn)的高醇發(fā)酵醪。本方法可以包括植物材料的分級(jí)分離。本發(fā)明還涉及從植物材料的發(fā)酵來生產(chǎn)高蛋白干酒糟(Distiller′sDriedGrain)的方法，以及涉及生產(chǎn)得到的高蛋白干酒糟。本方法可以包括通過環(huán)形干燥(ringdrying)、急驟干燥(flashdrying)、或流化床干燥來干燥聯(lián)產(chǎn)品。本發(fā)明進(jìn)一步涉及在乙醇生產(chǎn)中減少來自干燥蒸餾產(chǎn)品的煙氣排放。
背景技術(shù)：
：已有許多傳統(tǒng)的利用植物材料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇的方法。但是，這些方法具有許多缺陷。還需要另外的更有效的將植物材料轉(zhuǎn)化成乙醇以及生產(chǎn)改良的發(fā)酵產(chǎn)品的方法。發(fā)明概述本發(fā)明涉及在植物材料的發(fā)酵過程中生產(chǎn)高水平醇的方法，以及涉及生產(chǎn)的高醇發(fā)酵醪。本方法可以包括植物材料的分級(jí)分離。本發(fā)明還涉及從植物材料的發(fā)酵來生產(chǎn)高蛋白干酒糟的方法，以及涉及生產(chǎn)得到的高蛋白干酒糟。本方法可以包括通過環(huán)形干燥、急驟干燥、或流化床干燥來干燥聯(lián)產(chǎn)品。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及從植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)生產(chǎn)乙醇的方法。該方法包括分級(jí)分離植物材料；研磨植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)以產(chǎn)生包括淀粉的碾碎的植物材料(如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)；不經(jīng)蒸煮而糖化淀粉；發(fā)酵此孵育的淀粉；和從發(fā)酵物中回收乙醇。本發(fā)明方法可以包括在發(fā)酵期間改變溫度。本發(fā)明方法可以包括使用一定顆粒大小的植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)，其中所述顆粒大小使得超過50％的材料在大小上合適通過具有0.5mm網(wǎng)孔的篩子。本發(fā)明方法可生產(chǎn)包括至少18％體積乙醇的組合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及從植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)生產(chǎn)高蛋白干酒糟的方法。該方法包括分級(jí)分離植物材料；研磨植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)以生產(chǎn)包括淀粉的碾碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)；不經(jīng)蒸煮而從淀粉產(chǎn)生糖；發(fā)酵該不經(jīng)蒸煮的糖以生產(chǎn)包括乙醇的組合物；以及從發(fā)酵物中回收干酒糟。干酒糟可以包括至少約30％的蛋白質(zhì)。干酒糟可以包括增加的玉米醇溶蛋白水平。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及從玉米生產(chǎn)乙醇的方法。該方法包括從玉米生產(chǎn)淀粉以及從淀粉生產(chǎn)乙醇；產(chǎn)生比常規(guī)技術(shù)含有明顯更低水平的揮發(fā)性有機(jī)化合物的更干燥的煙氣排放。附圖的簡(jiǎn)要說明圖1圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的發(fā)酵系統(tǒng)。圖2A至2C圖解說明了本發(fā)明方法提高了利用干磨(drymilling)分級(jí)分離處理產(chǎn)生的玉米級(jí)分進(jìn)行發(fā)酵的效率。圖3A至3C圖解說明了本發(fā)明方法提高了利用干磨分級(jí)分離處理產(chǎn)生的玉米級(jí)分進(jìn)行發(fā)酵的效率。發(fā)明詳述如此處所使用的，短語“不經(jīng)蒸煮”指不進(jìn)行使淀粉糊化和糊精化的熱處理而利用α-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇的方法。通常，對(duì)于本發(fā)明的方法，″不經(jīng)蒸煮″指維持溫度在淀粉糊化溫度以下，從而由天然不溶性生淀粉直接發(fā)生糖化作用生成可溶性葡萄糖而繞過常規(guī)的淀粉糊化條件。根據(jù)淀粉來源和聚合物類型，淀粉糊化溫度一般在57℃至93℃范圍內(nèi)。在本發(fā)明的方法中，利用常規(guī)液化技術(shù)進(jìn)行淀粉糊精化對(duì)于谷物中碳水化合物的有效發(fā)酵并不是必需的。如此處使用的，短語″植物材料″指任何植物的全部或一部分(例如，谷物谷粒)，典型的是包含淀粉的材料。合適的植物材料包括谷物如玉蜀黍(玉米，例如，完整的磨碎的玉米)、高粱(西非高梁(milo))、大麥、小麥、黑麥、稻和黍；以及含淀粉的塊根作物、塊莖或根如甘薯和木薯。植物材料可以是上述材料的混合物以及上述材料的聯(lián)產(chǎn)品，例如，玉米纖維、玉米穗軸、秸稈或其他包含纖維素和半纖維素的材料如木材或植物殘余物。合適的植物材料包括玉米，或標(biāo)準(zhǔn)玉米或蠟質(zhì)種玉米。如此處使用的，短語″分級(jí)分離的植物材料″指僅包括整個(gè)植物的一部分或者一個(gè)級(jí)分的植物材料，典型的是包含淀粉的材料。分級(jí)分離的植物材料可以包括分級(jí)分離的谷物例如分級(jí)分離的玉米(maize)(分級(jí)分離的玉米(fractionatedcorn))，分級(jí)分離的高粱(分級(jí)分離的西非高梁(milo))，分級(jí)分離的大麥，分級(jí)分離的小麥，分級(jí)分離的黑麥，分級(jí)分離的稻，以及分級(jí)分離的粟；以及分級(jí)分離的含淀粉的塊根作物，塊莖或根如分級(jí)分離的甘薯和分級(jí)分離的木薯。合適的分級(jí)分離的植物材料包括分級(jí)分離的玉米，或分級(jí)分離的標(biāo)準(zhǔn)玉米或分級(jí)分離的蠟質(zhì)種玉米。如此處使用的，術(shù)語″糖化作用″和″糖化″指將淀粉轉(zhuǎn)化為較小的多糖并最終轉(zhuǎn)化為單糖，如葡萄糖的過程。傳統(tǒng)的糖化通過糊化后的淀粉的液化來生產(chǎn)可溶的糊精化底物，該底物被葡糖淀粉酶水解為葡萄糖。本發(fā)明方法中，糖化作用指用酶，例如葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶(AFAU)，將生淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。按照本發(fā)明方法，生淀粉不經(jīng)過常規(guī)的液化和糊化來產(chǎn)生常規(guī)的糊精化底物。如此處使用的，酸性真菌淀粉酶活性單位(AFAU)是指用來度量酸性真菌淀粉酶活性的標(biāo)準(zhǔn)Novozymes單位。該Novozymes單位在NovozymestechnicalbulletinSOPNo.EB-SM-0259.02/01中進(jìn)行了描述。上述單位可通過碘滴定檢測(cè)淀粉降解的產(chǎn)物而測(cè)定。1單位定義為在標(biāo)準(zhǔn)條件下每小時(shí)降解5.260mg淀粉干物質(zhì)的酶量。如此處使用，葡糖淀粉酶活性單位(GAU)是指用來度量葡糖淀粉酶活性的標(biāo)準(zhǔn)Novozymes單位。此Novozymes單位和用于檢測(cè)葡糖淀粉酶活性的測(cè)定法在公眾可得的Novozymestechnicalbulletin中進(jìn)行了描述。如此處使用的，淀粉葡萄糖苷酶活性單位(AGU)是指用來度量淀粉葡萄糖苷酶活性的標(biāo)準(zhǔn)Novozymes單位。該Novozymes單位在NovozymestechnicalbulletinSOPNo.EB-SM-0131.02/01中進(jìn)行了描述。上述單位可通過檢測(cè)麥芽糖向葡萄糖的轉(zhuǎn)化而測(cè)定?？衫闷咸敲摎涿阜磻?yīng)測(cè)定葡萄糖。1單位定義為在給定條件下每分鐘催化1mmol麥芽糖轉(zhuǎn)化的酶量。如此處使用的，修飾任何量的術(shù)語″大約″指在生產(chǎn)糖和乙醇的實(shí)際條件中，例如在實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)工廠或生產(chǎn)設(shè)備中所出現(xiàn)的量的改變。例如，混合物中所用組分的量當(dāng)被″大約″進(jìn)行修飾時(shí)包括在乙醇生產(chǎn)工廠或?qū)嶒?yàn)室中測(cè)量時(shí)典型使用的偏差和注意程度。例如，產(chǎn)物中組分的量當(dāng)被″大約″進(jìn)行修飾時(shí)包括乙醇生產(chǎn)工廠或?qū)嶒?yàn)室中批次間的偏差以及分析方法內(nèi)在的偏差。不管是否以″大約″進(jìn)行修飾，所述量包括那些量的等同值。此處所述的以及經(jīng)″大約″修飾的任何量也可以作為不經(jīng)″大約″修飾的量而用于本發(fā)明中。淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇本發(fā)明涉及在植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)發(fā)酵期間產(chǎn)生高水平醇的方法，以及涉及生產(chǎn)的高醇發(fā)酵醪。本發(fā)明還涉及從植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)的發(fā)酵中生產(chǎn)高蛋白干酒糟的方法，以及涉及生產(chǎn)的高蛋白干酒糟和更干凈更干燥的煙氣排放。本發(fā)明方法將來自植物材料(例如，經(jīng)分級(jí)分離的植物材料)的淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可包括制備用于糖化作用的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)、不經(jīng)蒸煮的情況下將制備的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)轉(zhuǎn)化為糖，以及發(fā)酵該糖。可經(jīng)任意的多種方法，例如經(jīng)研磨，以使淀粉可以用于糖化作用和發(fā)酵，而制備用于糖化作用的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可研磨植物性(Vegetable)材料以使磨后的材料的相當(dāng)大部分，例如大部分在大小上通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，研磨后的植物性(vegetable)材料的大約70％或更多可通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，粉碎的植物材料(reducedplantmaterial)(例如，分級(jí)分離的植物材料)可以與液體按照大約20至大約50wt％或大約25至大約45wt％粉碎的干植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的比率混合。本發(fā)明方法可以包括將粉碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)轉(zhuǎn)化為可使用微生物如酵母進(jìn)行發(fā)酵的糖?？捎妹钢苿缣腔附M合物糖化此粉碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)來進(jìn)行該轉(zhuǎn)化。糖化酶組合物可包括各種適于將粉碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的已知酶中的任一種，如淀粉酶(例如，α-淀粉酶和/或葡糖淀粉酶)。在一個(gè)實(shí)施方案中，糖化作用在pH約6.0或更低，例如，約4.5至約5.0進(jìn)行，例如，約4.5至約4.8中進(jìn)行。本發(fā)明方法包括將來自粉碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的糖發(fā)酵為乙醇。發(fā)酵可由微生物，如酵母進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)酵在pH約6或更低，例如，約4.5至約5進(jìn)行，例如，約4.5至約4.8中進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括改變pH。例如，發(fā)酵可以包括在前一半加料期間在pH約3至約4.5時(shí)充填發(fā)酵罐以及在發(fā)酵罐加料周期的后一半期間在pH約4.5至約6(例如，大約4.5至大約4.8)時(shí)加料。在一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)酵在約25至約40℃或約30至約35℃溫度下進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)酵期間溫度從約40℃降至約30℃或約25℃，或者在發(fā)酵的前一半期間從約35℃降至約30℃，而在發(fā)酵的后一半溫度保持在此較低的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)酵進(jìn)行約25(例如，24)至約150小時(shí)，例如，進(jìn)行約48(例如，47)至約96小時(shí)。本發(fā)明方法可以包括同時(shí)將粉碎的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)轉(zhuǎn)化為糖以及用微生物如酵母發(fā)酵這些糖。發(fā)酵過程的產(chǎn)物在本文中稱作″發(fā)酵醪″(beer)。乙醇可通過各種已知方法，例如通過蒸餾從發(fā)酵混合物、從發(fā)酵醪中回收。殘留的釜餾物(stillage)包括液體和固體物質(zhì)。該液體和固體可通過例如離心來進(jìn)行分離。植物材料的制備本方法將來自植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的淀粉轉(zhuǎn)化成乙醇。植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)可經(jīng)各種方法粉碎，例如經(jīng)研磨粉碎從而使淀粉可用于糖化和發(fā)酵。粉碎植物材料的其他方法也是可獲得的。例如，植物性材料如玉米?？捎靡阎脕硌心ブ参镄圆牧?、和/或其它的材料來達(dá)到降低顆粒尺寸的目的的球磨機(jī)、軋制機(jī)、錘磨機(jī)或其它磨機(jī)來進(jìn)行研磨?？梢酝ㄟ^乳化技術(shù)、旋轉(zhuǎn)脈沖(rotarypulsation)及其他減小顆粒大小的方法的利用，增加植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的表面積同時(shí)提高液化后介質(zhì)的流動(dòng)效率。制備的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)可稱為“生淀粉(rawstarch)”或者包括“生淀粉”。精細(xì)研磨暴露出植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)或植物性材料更多的表面積，并且可以促進(jìn)糖化作用和發(fā)酵。在一個(gè)實(shí)施方案中，研磨植物性材料從而使得磨后的材料的相當(dāng)大部分，例如大部分在大小上合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，磨碎的植物性材料的大約35％或更多在大小上可以通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，磨碎的植物性材料的大約35％至約70％在大小上可以通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，磨碎的植物性材料的大約50％或更多在大小上可以通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，磨碎的植物性材料的大約90％在大小上可以通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，所有磨碎的植物性材料在大小上均可以通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個(gè)實(shí)施方案中，磨碎的植物性材料具有大約0.25mm的平均顆粒尺寸。植物材料粉碎植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的制備可以應(yīng)用大量的植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)粉碎技術(shù)中的任意一種。例如，制備植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的本方法可以應(yīng)用乳化技術(shù)、旋轉(zhuǎn)脈沖(rotarypulsation)、超聲、磁致伸縮、鐵磁性材料，等。粉碎植物材料的這些方法可以用于底物的預(yù)處理。雖然不用來限制本發(fā)明，但是相信這些方法可以增加植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的表面積同時(shí)增加液化后介質(zhì)的流動(dòng)效率(也就是，降低粘度)。這些方法可以包括電的到機(jī)械的、機(jī)械的到電的、脈沖和聲音基礎(chǔ)的不同速度的振動(dòng)。這可以提供寬頻率范圍內(nèi)的不同頻率，這些頻率對(duì)于預(yù)處理植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)和/或減少顆粒尺寸可能是有效的。雖然不用來限制本發(fā)明，但是據(jù)信這些聲波方法中的某些方法可以在植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)顆粒的周圍產(chǎn)生低壓并引起顆粒的空化或顆粒結(jié)構(gòu)的破壞。這種空化的或破壞的顆?？梢栽黾又参锊牧?例如，分級(jí)分離的植物材料)可用于酶的利用率，例如，通過增加表面積的方式來實(shí)現(xiàn)。這種預(yù)處理被認(rèn)為可以減少本發(fā)明乙醇生產(chǎn)方法中酶比率的數(shù)量。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括振蕩植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)并使含有植物材料的液體空化。這可以導(dǎo)致破壞植物材料和/或降低植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的尺寸。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括利用乳化技術(shù)、利用旋轉(zhuǎn)脈沖(rotarypulsation)、利用磁致伸縮、或利用鐵磁性材料處理植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這可以導(dǎo)致破壞植物材料和/或降低植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的尺寸。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括聲波處理植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這可以導(dǎo)致破壞植物材料和/或降低植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)的尺寸。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可以包括利用聲波來粉碎植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這種聲波可以是超聲波。本發(fā)明方法可以包括聲波處理植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。該方法可以包括在可以有效減少(或者協(xié)助減少)顆粒尺寸至上面所述的尺寸的頻率(例如，以kHz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及維持時(shí)間下聲波處理植物材料。例如，該方法可以包括在20,000Hz和低于大約3000W下并在適當(dāng)?shù)臏囟认侣暡ㄌ幚碇参锊牧?例如，分級(jí)分離的植物材料)足夠的時(shí)間。這種聲波處理可以利用市場(chǎng)上已有的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，例如可獲自ETREMA(Ames，IA)的大功率超聲波儀。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可以包括使用旋轉(zhuǎn)脈沖來粉碎植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這種方法可以包括在可以有效減少(或者協(xié)助減少)顆粒尺寸至上面所述的尺寸的頻率(例如，以Hz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及持續(xù)時(shí)間下來旋轉(zhuǎn)脈沖植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這種旋轉(zhuǎn)脈沖可以利用已知的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，例如美國專利No.6,648,500中所介紹的設(shè)備，其所公開的內(nèi)容作為參考被引入這里。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可以包括使用脈沖波(pulsewave)技術(shù)來粉碎植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這種方法可包括在可以有效減少(或者協(xié)助減少)顆粒尺寸至上面所述的尺寸的頻率(例如，以Hz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及持續(xù)時(shí)間下來旋轉(zhuǎn)脈沖植物材料(例如，分級(jí)分離的植物材料)。這種脈沖可以利用已知的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，例如美國專利No.6,726,133中所介紹的設(shè)備，其所公開的內(nèi)容作為參考被引入這里。分級(jí)分離在一個(gè)實(shí)施方案中，植物性材料可分級(jí)分離為一個(gè)或多個(gè)組分。例如，植物性材料如禾谷類谷?；蛴衩卓煞旨?jí)分離為諸如纖維(例如，玉米纖維)、胚芽(ferm)(例如，玉米胚芽)以及淀粉和蛋白質(zhì)的混合物(例如，玉米淀粉和玉米蛋白質(zhì)的混合物)等組分。這些組分的一種或混合物可按照本發(fā)明的方法發(fā)酵。玉米或其它植物材料的分級(jí)分離可通過任意不同的方法或裝置完成。例如，由Satake生產(chǎn)的系統(tǒng)可用于分級(jí)分離植物材料如玉米。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以分級(jí)分離植物性材料中的胚芽和纖維組分并且將其從植物性材料的剩余部分中分離出來。在一個(gè)實(shí)施例中，植物性材料的剩余部分(例如，玉米胚乳)可以進(jìn)一步研磨并且減小顆粒大小尺寸，然后同較大塊的分級(jí)分離的胚芽和纖維組分進(jìn)行合并用來進(jìn)行發(fā)酵。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以研磨植物性材料以獲取增值產(chǎn)品(諸如neutraceuticals，leutein，類胡蘿卜素，xanthrophils，果膠，纖維素，木質(zhì)素，甘露糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖，半乳糖醛酸，GABA，玉米油，清蛋白，球蛋白，谷醇溶蛋白，谷蛋白(gluetelins)，玉米醇溶蛋白等)。分級(jí)分離可以通過多種方法和裝置的任一種來完成，例如在U.S.專利申請(qǐng)發(fā)明者S·M·劉易斯申請(qǐng)人:布羅因聯(lián)合公司