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利用生淀粉生產乙醇的方法.pdf

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利用 淀粉 生產 乙醇 方法
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摘要
申請專利號:

CN201110079246.9

申請日:

2004.03.10

公開號:

CN102210376B

公開日:

2014.12.31

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A23K 1/00申請日:20040310|||公開
IPC分類號: A23K1/00 主分類號: A23K1/00
申請人: 波伊特研究股份有限公司
發明人: S·M·劉易斯
地址: 美國南達科他
優先權: 2003.03.10 US 60/453,442
專利代理機構: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038 代理人: 羅菊華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110079246.9

授權公告號:

102210376B||||||

法律狀態公告日:

2014.12.31|||2011.11.30|||2011.10.12

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及在植物材料發酵期間產生高水平乙醇的方法以及涉及生產的高乙醇發酵醪。本發明還涉及從植物材料的發酵中生產高蛋白干酒糟的方法以及涉及生產的高蛋白干酒糟。本發明進一步涉及減少干燥乙醇生產中蒸餾產物而產生的煙囪排放。

權利要求書

權利要求書
1.  包含約30-約40wt%蛋白質的干酒糟。

2.  權利要求1的干酒糟,其包含至少約34wt%蛋白質。

3.  權利要求1或2的干酒糟,其包含約13-約17wt%脂肪。

4.  權利要求3的干酒糟,其包含約15wt%或更多脂肪。

5.  權利要求1-4中任一項的干酒糟,其包含約23-約37wt%纖維。

6.  權利要求5的干酒糟,其包含約31wt%或更多纖維。

7.  權利要求1-6中任一項的干酒糟,其包含約1-約23wt%淀粉。

8.  權利要求7的干酒糟,其包含約12wt%或更多淀粉。

9.  包含約30-約45wt%蛋白質、約13-約17wt%脂肪、約23-約37wt%纖維和約1-約23wt%淀粉的干酒糟。

10.  包含約25-約45wt%蛋白質的干酒糟。

11.  包含比常規方法生產的多約1-約2wt%蛋白質的干酒糟。

12.  包含比常規方法生產的多約1-約6wt%脂肪的干酒糟。

13.  權利要求1或10的干酒糟,其包含約11-約19wt%脂肪。

14.  權利要求1或10的干酒糟,其包含約11-約17wt%脂肪。

15.  權利要求1-14中任一項的干酒糟,其中所述蛋白包含玉米醇溶蛋白。

16.  權利要求1-15中任一項的干酒糟,其包含維生素B、維生素C、維生素E、葉酸和/或維生素A。

17.  包含權利要求1-16中任一項的干酒糟的動物飼料。

18.  權利要求1-16中任一項的干酒糟作為動物飼料的用途。

說明書

說明書利用生淀粉生產乙醇的方法
本申請是申請日為2005年10月25日、申請號為200480011192.0、發明名稱“利用生淀粉生產乙醇的方法”的發明專利申請的分案申請。
發明領域
本發明涉及在植物材料發酵期間生產高水平乙醇的方法以及涉及生產的高乙醇發酵醪(beer)。本發明還涉及從植物材料的發酵中生產高蛋白干酒糟(Distillers Dried Grain)的方法;以及涉及生產的高蛋白干酒糟。本發明進一步涉及減少乙醇生產中由干燥蒸餾產物產生的煙囪排放(stack emissions)。
發明背景
已有用于將植物材料轉化為乙醇的許多常規方法。然而這些方法遭受多種低效的制約。仍然需要有將植物材料轉化為乙醇以及用于生產改良的發酵產品的另外的更有效的方法。
發明概述
本發明涉及在植物材料發酵期間產生高水平乙醇的方法以及涉及生產的高乙醇發酵醪。本發明還涉及從植物材料的發酵中生產高蛋白干酒糟的方法,以及涉及生產的高蛋白干酒糟。
在一個實施方案中,本發明涉及從植物材料生產乙醇的方法。該方法包括研磨植物材料以產生包括淀粉的磨碎的植物材料;不經蒸煮而糖化該淀粉;發酵該孵育的淀粉;以及從發酵物中回收乙醇。本發明方法可以包括在發酵期間改變溫度。本發明方法可以包括使用一定顆粒大小的植物材料,從而使得超過50%的材料大小合適通過具有0.5mm網孔的篩子。本發明方法可生產包括至少18%體積乙醇的組合物。
在一個實施方案中,本發明涉及從植物材料生產高蛋白干酒糟的方法。該方法包括研磨植物材料以生產包括淀粉的磨碎的植物材料;不經蒸煮而從淀粉產生糖類;發酵該未經蒸煮的糖類以生產包括乙醇的組合物;以及從發酵物中回收干酒糟。干酒糟可以包括至少約30%的蛋白質。干酒糟可以包括增高水平的玉米醇溶蛋白。
在一個實施方案中,本發明涉及從玉米中生產乙醇的方法。該方法包括從玉米中生產淀粉以及從淀粉中生產乙醇;產生比常規技術含有明顯更低水平的揮發性有機物的更干燥的煙囪排放。

附圖簡述
圖1A-E圖解說明了本發明方法的產率與常規方法的比較。
圖2A-2C圖解說明了在本發明方法中葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶的劑量效應。
圖3A-3D圖解說明了在本發明方法中粉碎度(grind size)和酶劑量對發酵效率的作用。
圖4A-4C圖解說明了在本發明方法中粉碎粒度(grind particle size)、葡糖淀粉酶類型和酸性真菌淀粉酶劑量對發酵效率的作用。
圖5A-5J圖解說明了在本發明方法中初始干固形物和溫度對發酵性能的作用。
圖6A和6B圖解說明了利用同時糖化和發酵(SSF)的分批或連續作業模式由本發明方法產生高水平乙醇。
圖7圖解說明了在SSF分批作業期間本發明方法維持低水平的甘油。
圖8圖解說明了在SSF分批作業期間本發明方法維持低水平的雜醇油。
圖9A和9B圖解說明了在SSF分批或連續發酵模式作業期間本發明方法維持低水平的葡萄糖。
圖10A和10B圖解說明了在SSF分批或連續發酵模式作業期間本發明方法維持低水平的麥芽糖。
圖11A和11B圖解說明了在SSF分批或連續發酵模式作業期間本發明方法維持低水平的麥芽三糖(DP3)。圖12A和12B圖解說明了在SSF分批或連續發酵模式作業期間本發明方法維持低水平的糊精(DP4+)。
圖13圖解說明了基于結塊趨勢本發明方法正面影響DDGS的質量。
圖14A和14B圖解說明了在乙醇生產的離心步驟期間與近似分離(proximate separation)相關的本發明方法的物料平衡(mass balance)。
圖15A-D圖解說明了本發明方法提供了有利的非傳統原料發酵。
圖16A-C圖解說明了本發明的方法能以連續作業模式穩定運行而沒有因產酸細菌污染物造成的顯著損耗。
圖17圖解說明了本發明方法能在連續模式作業中實現低殘留的淀粉水平。
發明詳述
定義
如此處使用的,短語“不經蒸煮”指利用α-淀粉酶將淀粉轉化為乙醇而不用使淀粉糊化和糊精化的熱處理的方法。通常,對于本發明的方法,″不經蒸煮″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向可溶性葡萄糖直接發生糖化作用而繞過通常的淀粉糊化條件。根據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。在本發明的方法中,谷物中碳水化合物的有效發酵不需要利用常規液化技術進行淀粉糊精化。
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),一般為包含淀粉的材料。合適的植物材料包括谷類如玉蜀黍(玉米,例如全部磨碎的玉米)、高粱(西非高梁(milo))、大麥、小麥、黑麥、稻和黍;以及富含淀粉的塊根作物、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副產物,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,或標準玉米或蠟質種玉米。
如此處使用的,術語″糖化作用″和″糖化″指將淀粉轉化為較小的多糖且最終轉化為單糖,如葡萄糖的過程。傳統的糖化通過液化糊化淀粉來生產可溶的糊精化底物,該底物被葡萄糖淀粉酶水解為葡萄糖。本發明方法中,糖化作用指用酶,例如葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶(AFAU)將生淀粉轉化為葡萄糖。按照本發明方法,生淀粉不經過常規的液化和糊化而產生常規的糊精化底物。
如此處使用的,酸性真菌淀粉酶(AFAU)活性單位指測定酸性真菌淀粉酶活性的標準Novozymes單位。該Novozymes單位在Novozymes technical bulletin SOP No.:EB-SM-0259.02/01中描述。上述單位可通過碘滴定檢測淀粉降解的產物而測定。1單位定義為在標準條件下每小時降解5.260mg淀粉干物質的酶量。
如此處使用的,葡糖淀粉酶(GAU)活性單位指用于測定葡糖淀粉酶活性的標準Novozymes單位。用于測定葡糖淀粉酶活性的Novozymes單位和測定法在公眾可得的Novozymes technical bulletin中描述。
如此處使用的,淀粉葡萄糖苷酶(AGU)活性單位指用于測定淀粉葡萄糖苷酶活性的標準Novozymes單位。該Novozymes單位在Novozymes technical bullet in SOP No.:EB-SM-0131.02/01中描述。上述單位可通過檢測麥芽糖向葡萄糖的轉化而測定。可利用葡糖脫氫酶反應測定葡萄糖。1單位定義為在給定條件下每分鐘催化1mmol麥芽糖轉化的酶量。
如此處使用的,修飾任何量的術語″大約″指在生產糖和乙醇的實際條件中,例如在實驗室、試驗工場或生產設備中所遇到的量的改變。例如,混合物中所用組分的量經″大約″進行修飾時包括一般在乙醇生產工廠或實驗室中測量時的偏差和注意程度。例如,產物中組分的量以″大約″進行修飾時包括乙醇生產工廠或實驗室中批次間的偏差以及分析法內在的偏差。不管是否以″大約″修飾,所述量包括那些量的等同物。此處所述的經″大約″修飾的任何量也可以作為未經″大約″修飾的量而用于本發明中。
將淀粉轉化為乙醇
本發明涉及在植物材料發酵期間產生高水平乙醇的方法以及涉及生產的高乙醇發酵醪。本發明還涉及從植物材料的發酵中生產高蛋白干酒糟的方法,以及涉及生產的高蛋白干酒糟和更干凈更干燥的煙囪排放。
本發明方法將植物材料的淀粉轉化為乙醇。在一個實施方案中,本發明方法可包括制備用于糖化作用的植物材料、將制備的植物材料不經蒸煮而轉化為糖以及發酵該糖。
可經任意的多種方法,例如經研磨而制備用于糖化作用的植物材料,以便使淀粉可以用于糖化作用和發酵。在一個實施方案中,可研磨植物材料以使磨碎材料的相當大部分,例如大部分適于通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。例如,在一個實施方案中,磨碎的植物材料有大約70%或以上可通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,粉碎的植物材料可以與液體以大約20至大約50wt%或大約25至大約45wt%粉碎干植物材料的比率混合。
該方法可以包括將粉碎的植物材料轉化為糖,該糖可經微生物如酵母發酵。可用酶制劑,如糖化酶組合物(saccharifying enzyme composition)糖化粉碎的植物材料來進行該轉化。糖化酶組合物可包括各種適于將粉碎的植物材料轉化為可發酵糖的已知酶,如淀粉酶(例如,α-淀粉酶和/或葡糖淀粉酶)。在一個實施方案中,糖化作用在pH約6.0或更低,例如,約4.5至約5.0進行。
本發明方法包括將來自粉碎的植物材料的糖發酵為乙醇。發酵可由微生物,如酵母進行。在一個實施方案中,發酵在pH約6或更低,例如,約4.5至約5進行。在一個實施方案中,本發明方法包括改變pH。例如,發酵可以包括在前一半加料期間在pH約3至約4.5充填(filling)發酵罐以及在發酵罐加料周期的后一半期間在pH約4.5至約6加料。在一個實施方案中,發酵在約25至約40℃或約30至約35℃溫度下進行。在一個實施方案中,發酵期間溫度從約40℃降至約30℃或約25℃,或者在發酵的前一半期間從約35℃降至約30℃,而在發酵的后一半溫度保持在此較低的溫度。在一個實施方案中,發酵進行約25(例如,24)至約150小時,例如,進行約48(例如,47)至約96小時。
本發明方法可以包括同時將粉碎的植物材料轉化為糖以及用微生物如酵母發酵這些糖。
發酵過程的產物此處稱作″發酵醪″(beer)。乙醇可通過各種已知方法,例如通過蒸餾從發酵混合物、從發酵醪中回收。殘留的釜餾物(stillage)包括液體和固體材料。該液體和固體可通過例如離心等分離。
制備植物材料
本發明方法將植物材料的淀粉轉化為乙醇。植物材料可經各種方法粉碎,例如經研磨粉碎從而獲得可用于糖化和發酵的淀粉。也可以獲得用于粉碎植物材料的其他方法。例如,植物材料如玉米粒可用球磨機、軋制機、錘磨機或已知為了降低顆粒大小的目的而用于研磨植物材料和/或其他材料的其他粉碎機研磨。乳化技術、旋轉脈動(rotary pulsation)及其他減小顆粒大小的方法的利用均可用于增加植物材料的表面積同時提高使該液化后介質流動的效率。制備的植物材料可以稱為“生淀粉”或者包括″生淀粉″。
精細研磨暴露出植物材料或植物性材料更多的表面積,而促進糖化作用和發酵。在一個實施方案中,可研磨植物材料從而使磨碎材料的相當部分,例如大部分大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,磨碎的植物材料的大約35%或以上大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,磨碎的植物材料的大約35%至約70%大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,磨碎的植物材料的大約50%或以上可大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,磨碎的植物材料的大約90%大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。在一個實施方案中,所有磨碎的植物材料均大小合適通過具有0.1-0.5mm篩孔的篩子。
分級分離
在一個實施方案中,植物材料可分級分離為一個或多個組分。例如,植物材料如禾谷類谷粒或玉米可分級分離為諸如纖維(例如,玉米纖維)、胚芽(例如,玉米胚芽)以及淀粉和蛋白質的混合物(例如,玉米淀粉和玉米蛋白質的混合物)等組分。這些組分的一種或混合物可按照本發明的方法發酵。玉米或其它植物材料的分級分離可通過各種方法或裝置完成。例如,由Satake生產的系統可用于分級分離植物材料如玉米。
糖化和發酵
糖化
本發明方法包括將粉碎的植物材料轉化為糖,該糖可經微生物如酵母發酵。可通過用任何已知的多種糖化酶組合物之任一種糖化該粉碎的植物材料而進行轉化。在一個實施方案中,糖化酶組合物包括淀粉酶,如α淀粉酶(例如酸性真菌淀粉酶)。該酶制劑還可以包括葡糖淀粉酶。該酶制劑不必,且在一個實施方案中,不包括蛋白酶。然而,按照本發明的乙醇生產方法可通過再利用可能包含蛋白酶的工藝用水(回糟)而節約用水。在一個實施方案中,本發明方法使用酸性真菌淀粉酶水解生淀粉。
糖化作用可不經蒸煮而進行。例如,可通過將研磨的谷物和工藝用水與糖化酶組合物源(例如,工業酶)、酵母和發酵組分混合,不經蒸煮而進行糖化。
在一個實施方案中,糖化過程包括將粉碎的植物材料和液體混合(其可形成漿液或懸浮液),以及向液體中添加糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)。在一個實施方案中,該方法包括將粉碎的植物材料和液體混合,隨后添加糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)。或者,添加酶組合物可在混合之前或混合時進行。
在一個實施方案中,粉碎的植物材料可以以約20至約50wt%、約25至約45(例如,44)wt%、約30至約40(例如,39)wt%,或以約35wt%粉碎的干植物材料的比率與液體混合。如此處使用的,液體中粉碎植物材料的wt%指干燥物質粉碎的植物材料或干固形物的百分比。在一個實施方案中,相比用蒸煮的常規糖化作用,本發明的方法可將生淀粉或天然淀粉(例如,在干的粉碎的植物材料中)以更高的干固形物水平以更快的速率轉化為乙醇。雖然不限制本發明,但認為本發明方法可以以更高的干固形物水平進行,因為不同于常規方法,本發明方法不包括增加粘度的糊化作用。
合適的液體包括水以及水和工藝用水(process waters)的混合物,所述工藝用水為例如釜餾物(回糟)、氣體洗滌水(scrubber water)、蒸發器冷凝液或餾出液、來自蒸餾的側線汽提塔(side stripper)水或其他乙醇工廠的工藝用水。在一個實施方案中,液體包括水。在一個實施方案中,液體包括與約1至約70%體積釜餾物、約15至約60%體積釜餾物、約30至約50%體積釜餾物,或約40%體積釜餾物混合的水。
在應用糊化作用和液化作用的常規方法中,釜餾物提供酵母有效發酵的養分,尤其是酵母所需的自由氨基氮(FAN)。本發明可在提供降低水平的釜餾物以及甚至不添加釜餾物的情況下實現有效發酵。在一個實施方案中,本發明方法使用植物材料制備物,該制備物在高比重條件下(例如,在高水平粉碎的植物材料存在時)提供足夠數量以及質量的氮用于有效發酵。因此,在一個實施方案中,不需要釜餾物或僅低水平的釜餾物就足夠了。
然而,如果需要的話,本發明方法提供使用高水平釜餾物的機動性。本發明方法不使用常規的液化作用。常規的液化作用增加發酵混合物以及所得釜餾物的粘度。本發明方法產生較低粘度的釜餾物。因此,在一個實施方案中,本發明方法可采用提高的釜餾物水平而不引起發酵混合物和所得釜餾物的粘度的不利增加。
此外,雖然不限制本發明,但認為由于在高溫糊化作用和液化作用期間發生不期望的″美拉德反應(Maillard Reactions)″,常規的糖化以及發酵過程需要加入FAN。美拉德反應在蒸煮期間消耗FAN。因此,常規方法需要添加釜餾物以在發酵中提高FAN的水平。本發明方法被認為可以避免溫度誘導的美拉德反應并且在粉碎的植物材料中提供增高水平的FAN,這些FAN在發酵中能被酵母有效利用。
糖化可使用各種已知酶源(例如,微生物)或組合物之任一種進行,以從粉碎的植物材料中產生可發酵糖。在一個實施方案中,糖化酶組合物包括淀粉酶,如α淀粉酶(例如,酸性真菌淀粉酶)或葡糖淀粉酶。
在一個實施方案中,糖化作用在pH約6.0或更低、pH約3.0至約6.0、約3.5至約6.0、約4.0至約5.0、約4.0至約4.5,或約4.5至約5.0時進行。可通過添加例如,氨、硫酸、磷酸、工藝用水(例如,釜餾物(回糟)、蒸發器冷凝液(餾出液)、側線汽提塔下殘液(bottom)等等)等等而調節糖化作用混合物的初始pH。某些糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)的活性可在低于上述范圍的pH時得到提高。
在一個實施方案中,糖化作用在約25至約40℃或約30至約35℃溫度下進行。
在一個實施方案中,糖化過程使用所選量的糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)進行以維持發酵液中糊精的低濃度。例如,本發明方法可使用為達到如下目的而選擇的糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)量,所述目的為維持麥芽三糖(DP3)水平等于或低于約0.2wt%或者等于或低于約0.1wt%。例如,本發明方法使用所選大量的糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)以維持具有4或以上聚合度的糊精(DP4+)等于或低于約1wt%或者等于或低于約0.5wt%的水平。為維持低水平的麥芽三糖和/或DP4+,合適的酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶水平包括酸性真菌淀粉酶約0.3至約3AFAU/g干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)以及葡糖淀粉酶約1至約2.5(例如,2.4)AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中,反應混合物包括酸性真菌淀粉酶約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)以及葡糖淀粉酶約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。
在一個實施方案中,糖化過程使用所選量的糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)進行以維持發酵液中麥芽糖的低濃度。例如,本發明方法可以使用所選量的糖化酶組合物(例如,酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶的至少一種)以維持麥芽糖等于或低于約0.3wt%的水平。為維持低水平的麥芽糖,合適的酸性真菌淀粉酶和葡糖淀粉酶水平包括酸性真菌淀粉酶約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)以及葡糖淀粉酶約1至約2.5(例如,2.4)AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中,反應混合物包括約1至約2AFAU酸性真菌淀粉酶/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)以及約1至約1.5AGU葡糖淀粉酶/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。
酸性真菌淀粉酶
在某些實施方案中,本發明方法使用α-淀粉酶。該α-淀粉酶可以是由真菌產生的。該α-淀粉酶的特征可以為其具有在酸性條件下水解碳水化合物的能力。由真菌產生且在酸性條件下能水解碳水化合物的淀粉酶此處稱為酸性真菌淀粉酶,且亦稱酸穩定的真菌α-淀粉酶。酸性真菌淀粉酶可催化已部分水解的淀粉以及大的寡糖水解為諸如葡萄糖等糖。可用于本發明方法的酸性真菌淀粉酶可以以其能夠幫助生淀粉或天然淀粉水解從而增強葡糖淀粉酶提供的糖化作用的能力為特征。在一個實施方案中,該酸性真菌淀粉酶比常規的(例如,細菌的)α-淀粉酶產生更多的麥芽糖。
合適的酸性真菌淀粉酶可從各種真菌物種中分離,包括曲霉屬(Aspergillus)、根霉屬(Rhizopus)、毛霉屬(Mucor)、念珠菌屬(Candida)、革蓋菌屬(Coriolus)、疫病霉屬(Endothia)、Enthomophtora、耙菌屬(Irpex)、青霉屬(Penicillium)、小核菌屬(Sclerotium)和球擬酵母屬(Torulopsis)。在一個實施方案中,酸性真菌淀粉酶是熱穩定的且分離自曲霉屬(Aspergillus)物種,如黑曲霉(A.niger)、A.saitoi或米曲霉(A.oryzae),分離自毛霉屬(Mucor)物種,如微小毛霉(M.pusillus)或米赫毛霉(M.miehei),或分離自疫病霉屬(Endothia),如寄生疫病霉(E.parasitica)。在一個實施方案中,酸性真菌淀粉酶分離自黑曲霉(Aspergillus niger)。酸性真菌淀粉酶活性可以作為葡糖淀粉酶制劑中的一種活性而提供,或其可以作為單獨的酶而添加。合適的酸性真菌淀粉酶可從Novozymes獲得,例如與葡糖淀粉酶一起。
本發明方法中使用的酸性真菌淀粉酶量可根據淀粉酶制劑的酶活性而改變。合適的量包括約0.1至約10酸性真菌淀粉酶單位(AFAU)/克干固形的粉碎植物材料(例如,干固形的玉米(DSC))。在一個實施方案中反應混合物可包括約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中反應混合物可包括約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。
葡糖淀粉酶
在某些實施方案中,本發明方法可使用葡糖淀粉酶。葡糖淀粉酶亦稱淀粉葡萄糖苷酶且分類名稱為1,4-α-D-葡聚糖葡糖水解酶(E.C.3.2.1.3)。葡糖淀粉酶指從淀粉的非還原端除去連續的葡萄糖單元的酶。例如,某些葡糖淀粉酶可水解淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉的直鏈和支鏈糖苷鍵。各種合適的葡糖淀粉酶是已知的且是市場上可買到的。例如,如Novozymes和Genencor等供應商提供葡糖淀粉酶。葡糖淀粉酶可以是真菌來源的。
本發明方法中使用的葡糖淀粉酶量可根據淀粉酶制劑的酶活性而改變。合適的量包括約0.1至約6.0葡糖淀粉酶單位(AGU)/克干固形的粉碎的植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中反應混合物可包括約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中反應混合物可包括約1至約2.5(例如,2.4)AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中反應混合物可包括約1至約2AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中,反應混合物可包括約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。在一個實施方案中,反應混合物可包括約1.2至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)。
發酵
本發明方法包括將來自粉碎植物材料的糖發酵為乙醇。發酵可由微生物,如酵母進行。該發酵混合物不必,且在一個實施方案中,不包括蛋白酶。然而,工藝用水可能包含蛋白酶。該蛋白酶的量可低于常規方法中所用的量。根據本發明,發酵對未經蒸煮的淀粉組合物進行。在一個實施方案中,該發酵方法產生可飲用的醇。可飲用的醇具有僅僅可接受的無毒水平的其他醇,如雜醇油。發酵可包括將包含來自粉碎植物材料的糖的混合物與酵母在適于酵母生長和乙醇生產的條件下接觸。在一個實施方案中,發酵使用糖化混合物。
各種酵母都可作為酵母起子(starter)用于本發明方法中。合適的酵母包括各種市場上可買到的酵母,如商業化的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株。合適的菌株包括″Fali”(Fleischmann′s)、Thermosac(Alltech)、Ethanol Red(LeSafre)、BioFerm AFT(North American Bioproducts),等等。在一個實施方案中,選擇在高溫和高乙醇水平存在時提供快速生長和發酵速度的酵母。在一個實施方案中,發現Fali酵母提供據測量大于17%體積的最終乙醇含量的良好性能。
選擇所用酵母起子的量以在合適的時間,例如小于75小時內有效生產商業上有意義的乙醇量。
可通過各種用于添加酵母至發酵過程的已知方法將酵母加入發酵物。例如,酵母起子可以作為一批干原料,或經過調理(conditioning)/增殖而加入。在一個實施方案中,酵母起子作為單一接種物加入。在一個實施方案中,酵母以每100,000加侖發酵醪5至100磅活的干酵母(ADY)的速率在充填發酵罐期間加入發酵物。在一個實施方案中,酵母可通過在預發酵罐或繁殖罐中以每10,000加侖發酵罐體積孵育約5至50磅的ADY進行適應或調理。在繁殖階段,孵育可為8至16小時,其中也經通氣以刺激酵母生長。用于接種主發酵罐的預發酵罐可以是主發酵罐的1至10%容積,例如,相對于主發酵罐的2.5至5%的容積。
在一個實施方案中,發酵在pH約6或更低、pH約3至約6、約3.5至約6、約4至約5、約4至約4.5或約4.5至約5時進行。發酵混合物的初始pH可通過添加例如,氨、硫酸、磷酸、工藝用水(例如,釜餾物(回糟)、蒸發器冷凝液(餾出液)、側線汽提塔下殘液等等)等等而調節。
盡管不限制本發明,但認為已知的酒精酵母在pH 3至6的范圍生長良好,但相比大多數污染性細菌菌株其更耐受低至3.0的較低pH。污染性乳酸和醋酸細菌在pH 5.0及更高時生長最好。因此,認為在pH 3.0至3.5的范圍內,由于酵母比污染細菌生長得更好,乙醇發酵占主導地位。
在一個實施方案中,本發明方法可包括改變pH。進行pH的改變被認為可在發酵早期降低污染的可能性和/或在發酵后期階段增強酵母的生長和發酵。例如,發酵可以包括在前一半加料期間于pH約3至約4.5充填發酵罐。發酵可以包括在發酵罐加料周期的后一半期間提高漿液的pH至pH約4.5至約6。發酵可以包括通過添加如上所述所需pH的新鮮底物漿液而維持pH。在一個實施方案中,發酵期間(加料后)不調節pH。相反,在該實施方案中,pH由加料期間組分的pH確定。
在一個實施方案中,在玉米工藝用水中pH降低至約五(5)或以下。在一個實施方案中,pH在發酵加料起始時為大約pH 4(例如,4.1)且朝著發酵加料結束,pH提高至約pH 5(例如,5.2)。在一個實施方案中,該方法包括在發酵罐的加料初期建立酵母培養物后停止糖化醪漿液的pH控制,隨后在發酵罐的加料末期允許玉米工藝用水中pH上浮。
在一個實施方案中,發酵進行約25(例如,24)至約150小時、約25(例如,24)至約96小時、約40至約96小時、約45(例如,44)至約96小時、約48(例如,47)至約96小時。例如,發酵可進行約30、約40、約50、約60或約70小時。例如,發酵可進行約35、約45、約55、約65或約75小時。
在一個實施方案中,發酵在約25至約40℃或約30至約35℃溫度下進行。在一個實施方案中,發酵期間溫度從約40℃降至約30℃或約25℃,或在發酵的前一半期間從約35℃降至約30℃,而在發酵的后一半溫度保持在該較低的溫度。在一個實施方案中,溫度可隨乙醇產生而降低。例如,在一個實施方案中,發酵期間溫度可高達約99°F隨后降為約79°F。此溫度下降可與發酵罐中提高的乙醇滴度(%)相協調。
在一個實施方案中,本發明方法包括固形物分段(solids staging)。固形物分段包括在發酵罐加料周期的初始階段以不成比例的更高固形物水平加料以提高初始發酵速度。加入發酵罐的糖化醪(mash)的固形物濃度可隨后隨著乙醇滴度提高和/或發酵罐加料周期接近完成而降低。在一個實施方案中,固形物濃度在前一半發酵加料期間可為約40%(例如,41%)。在發酵罐裝滿50%后可降低至約25%且持繼直至發酵罐加料周期結束。在以上實例中,上述策略導致整個發酵罐具有33%的固形物。
固形物分段被認為可通過利用更多的初始加料固形物而促進酶水解速率以及促使發酵的快速啟動。此外認為在加料的后一半減少固形物可降低對酵母的滲透壓相關的脅迫效應。通過將發酵罐總體的充填固形物維持在指定的發酵能力范圍內,固形物分段可以提高臨近發酵結束,酵母發酵高比重糖化醪的能力。
同時糖化和發酵
本發明方法可以包括同時將粉碎的植物材料轉化為糖以及用如酵母等微生物發酵那些糖。同時糖化和發酵可利用上述用于糖化和發酵的試劑和條件進行。
在一個實施方案中,糖化和發酵在約25至約40℃或約30至約35℃溫度下進行。在一個實施方案中,糖化和發酵期間溫度從約40℃降至約25℃,或在糖化的前一半期間從約35℃降至約30℃,而在糖化的后一半溫度保持在該較低的溫度。
盡管不限制本發明,但認為在糖化和發酵早期當乙醇濃度低時較高的溫度可提高淀粉向可發酵糖的轉化,這可幫助提高乙醇產量。在較高的乙醇濃度時,乙醇可負面影響酵母。因此,認為糖化和發酵后期較低的溫度有利于降低對酵母的脅迫,這可幫助提高乙醇產量。
仍不限制本發明,認為糖化和發酵早期較高的溫度可在至少一部分發酵期間降低粘度,這可幫助溫度控制。還認為糖化和發酵后期較低的溫度有利于在酵母終止發酵后減少葡萄糖的生成。發酵晚期葡萄糖的生成對干酒糟聯產品(co-product)的顏色不利。
在一個實施方案中,糖化和發酵在pH約6或更低、pH約3至約6、約3.5至約6、約4至約5、約4至約4.5或約4.5至約5時進行。糖化和發酵混合物的初始pH可通過添加例如,氨、硫酸、磷酸、工藝用水(例如,釜餾物(回糟)、蒸發器冷凝液(餾出液)、側線汽提塔下殘液等等)等等而調節。
在一個實施方案中,糖化和發酵進行約25(例如,24)至約150小時、約25(例如,24)至約72小時、約45至約55小時、約50(例如,48)至約96小時、約50至約75小時或約60至約70小時。例如,糖化和發酵可進行約30、約40、約50、約60或約70小時。例如,糖化和發酵可進行約35、約45、約55、約60或約75小時。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇的酶和酵母的量進行以維持發酵液中高濃度的酵母和高水平的酵母出芽。例如,本發明方法可以使用為維持酵母等于或高于約300細胞/毫升或等于大約300至約600細胞/毫升而選擇的酶和酵母的量。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇量的酶和酵母進行,以在不添加外源氮;不添加蛋白酶和/或不添加回糟時有效發酵。如果需要,可以添加回糟,以消耗工藝用水和減少由本發明方法產生的廢水量。另外,本發明方法在糖化和發酵期間維持低粘度。
例如,同時糖化和發酵可使用約0.1至約10AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約0.5至約6AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇量的酶和酵母進行以維持發酵液中低濃度的葡萄糖。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持葡萄糖等于或低于約2wt%、等于或低于約1wt%、等于或低于約0.5wt%,或等于或低于約0.1wt%的水平。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持糖化和發酵期間葡萄糖等于或低于約2wt%的水平。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持在糖化和發酵時間的0-10小時(或0至該時間的約15%)葡萄糖在等于或低于約2wt%的水平。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持在糖化和發酵時間的12-54小時(或該時間的約15%至約80%)葡萄糖在等于或低于約1wt%、等于或低于約0.5wt%或者等于或低于約0.1wt%的水平。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持在糖化和發酵時間的54-66小時(或該時間的約80%至約100%)葡萄糖在等于或低于約1wt%的水平。合適的酶水平包括約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇量的酶和酵母進行以維持發酵液中低濃度的麥芽糖(DP2)。例如,本發明方法可使用選擇量的酶和酵母以維持麥芽糖等于或低于約0.5wt%或者等于或低于約0.2wt%的水平。合適的酶水平包括約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇量的酶和酵母進行以維持發酵液中低濃度的糊精。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持麥芽三糖(DP3)等于或低于約0.5wt%、等于或低于約0.2wt%、或者等于或低于約0.1wt%的水平。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持具有4或以上聚合度的糊精(DP4+)等于或低于約1wt%或者等于或低于約0.5wt%的水平。合適的酶水平包括約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。
在一個實施方案中,同時糖化和發酵可使用選擇量的酶和酵母進行以維持發酵液中低濃度的雜醇油。例如,本發明方法可以使用選擇量的酶和酵母以維持雜醇油等于或低于約0.4至約0.5wt%的水平。合適的酶水平包括約0.3至約3AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約3AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。例如,同時糖化和發酵可使用約1至約2AFAU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的酸性真菌淀粉酶和約1至約1.5AGU/克干固形的粉碎植物材料(例如,DSC)的葡糖淀粉酶。
用于糖化和/或發酵的其它組分
糖化和/或發酵混合物可包括其它組分以提高該方法的效率。例如,混合物可包括額外的養分(例如,酵母微量營養)、抗生素、鹽、額外的酶,等等。養分可來源于加至該液體的釜餾物或回糟。合適的鹽包括鋅或鎂鹽,如硫酸鋅、硫酸鎂,等等。合適的額外的酶包括那些加至常規方法的酶,如蛋白酶、肌醇六磷酸酶、纖維素酶、半纖維素酶、外切-和內切-葡聚糖酶、木聚糖酶,等等。
從發酵醪中回收乙醇
此處發酵過程的產物稱作″發酵醪(beer)″。例如,發酵玉米產生″玉米發酵醪″。乙醇可通過各種已知的方法從發酵混合物、從發酵醪中回收。例如,乙醇可通過蒸餾回收。
殘留的釜餾物包括液體和固體材料。該液體和固體可通過,例如離心分離。回收的液體——酒糟水(thin stillage)——可用作形成糖化和發酵混合物的液體的至少一部分,用于隨后的發酵批次或運轉。
回收的固形物——干酒糟——包括未發酵的谷物固形物和消耗的酵母固形物。酒糟水(thin stillage)可濃縮為糖漿(syrup),其可加至干酒糟而該混合物隨后可以干燥以形成干酒糟加可溶物(distillers dried grain plus solubles)。干酒糟和/或干酒糟加可溶物可作為動物飼料出售。
燃盡(burn-out)殘留淀粉用于隨后的發酵
在一個實施方案中,本發明方法包括發酵醪或釜餾物的熱處理,例如在發酵池(beer well)和蒸餾之間。在稱為燃盡(burn-out)的過程中,此熱處理可將淀粉轉化為糊精和糖用于隨后的發酵。所述處理步驟還可以減少蒸餾塔板和蒸發器熱交換表面的淤塞(fouling)。在一個實施方案中,可對整個釜餾物進行分段熱處理。殘留淀粉的酶處理后,在一個實施方案中,所得的糊精和糖可作為再循環的回糟在主發酵過程中發酵或者在分開的發酵系列(fermentation train)中加工以產生乙醇。
從發酵物分級分離固形物
大塊的胚芽和纖維可在發酵罐中發酵殘留的淀粉。發酵后,這些級分可在蒸餾前或之后除去。可在蒸餾前用表面撇渣器實施去除。在一個實施方案中,可對發酵醪進行過篩。過篩后的材料隨后可通過例如離心和旋轉蒸汽鍋干燥(rotary steam drum drying)而從乙醇/水的混合物中分離,這可從該餅(cake)中除去殘留的乙醇。在更大的纖維和胚芽塊在大批發酵醪蒸餾前除去的實施方案中,可使用針對此纖維/胚芽流的分開的汽提塔。或者,可通過在蒸餾后將全部釜餾物過篩而除去纖維和胚芽。
在一個實施方案中,將所有的組分混合且一起干燥。纖維和胚芽可通過風選(aspiration)和/或篩分(size classification)而從最終產品中除去。可從DDGS中風選纖維。通過干燥后風選而去除纖維分別使殘留的DDGS中油和蛋白質的量提高了0.2至1.9%和0.4至1.4%。殘留DDGS中NDF的量降低0.1至2.8%。
在一個實施方案中,分級分離可使用更大的纖維和胚芽塊以提高源于胚乳的DDGS的那部分的顆粒大小和提高糖漿承載能力。環形干燥器粉碎機(ring dryer disintegrator)可造成一定的粒度減小以及均質化作用。
連續發酵
本發明方法可通過分批或連續法運轉。連續法包括使糖化和/或發酵混合物移動通過(泵過)一系列的容器(例如,槽)以使該過程持繼足夠的時間。例如,連續法可使用多階段式發酵系統,48-96小時停留時間。例如,粉碎的植物材料可裝進用于糖化和發酵的第一容器的頂端。部分孵育和發酵的混合物可以隨后從第一容器的底部移出而送進第二容器的頂端,等等。
雖然不限制本發明,但認為本發明方法比常規方法更適于以連續工藝運轉。認為本發明方法可以降低以連續方式運行時污染生物體的生長機會。目前,大多數干燥粉碎乙醇生產工廠使用分批發酵技術。部分原因為難于防止因這些常規方法中的污染引起的損耗。對于利用傳統液化技術的有效的連續發酵,一般認為發酵前分開的糖化階段對預-糖化用于發酵的發酵醪是必需的。這種預-糖化確保了有足夠可發酵的葡萄糖用于連續發酵過程。
本發明方法實現了高濃度乙醇的有效生產而在發酵前無液化作用和糖化作用階段。由于常規知識教導在以連續方式進行發酵的過程中必須具有足夠水平可用的可發酵糖,因此這是令人驚奇的。相反地,本發明方法可提供低濃度的葡萄糖和有效的發酵。在本發明方法中,葡萄糖看來是被正發酵的酵母細胞快速消耗了。這種低葡萄糖水平被認為減少了對酵母的脅迫,如由滲透壓抑制和細菌污染壓力引起的脅迫。根據本發明,在約45至約96小時中可達到大于18%體積的乙醇水平。
高乙醇發酵醪
本發明還涉及高乙醇發酵醪。在一個實施方案中,本發明的方法產生包含大于18%體積乙醇的發酵醪。本發明方法可在約40至約96小時或約45至約96小時內產生此高乙醇發酵醪。在一個實施方案中,發酵醪包含18%體積至約23%體積的乙醇。例如,本發明方法可在約45至96小時內在發酵罐中產生18至23%體積的乙醇含量。
作為另一實例,本發明方法可在約45至96小時內在發酵罐中產生18至23%體積的乙醇含量。在某些實施方案中,大多數乙醇(終濃度的80%或以上)在起始的45小時內產生。隨后,另外的2至5%體積乙醇在最終的12-48小時內產生。在發酵時間達到96小時時可達到達到23%體積的乙醇濃度。在發酵48至72小時后收獲以提高發酵罐的生產力,這可能是經濟上有利的。
本發明發酵醪可包含此高水平的乙醇,即使在其包含高水平殘留淀粉時也如此。例如,當包含0至30%殘留淀粉時本發明發酵醪可包含18至23%體積的乙醇。該發酵醪可包含低達0%至高達20%的殘留淀粉。
使用常規手段,高水平殘留的淀粉顯示低效的發酵,這僅產生低水平的乙醇。可是,雖然不限制本發明,但認為本發明方法產生較少的美拉德型反應產物以及更有效的酵母發酵(例如,降低的次級代謝產物水平)。這被認為是由于與常規糖化作用和液化作用相比本發明方法具有低葡萄糖水平和低溫所引起的。因此,即使有較高水平的殘留淀粉,本發明方法仍可產生更多的乙醇。
在一個實施方案中,本發明發酵醪比常規發酵醪包含較少的殘留副產物(byproduct),盡管殘留的淀粉可能比較多。例如,殘留的葡萄糖、麥芽糖和高級糊精(DP3+)可達到0.8wt%,低于在類似的發酵條件下產生的常規發酵醪中的量。作為另一個實例,殘留的甘油可以達到0.45wt%或更低。乳酸和雜醇油也顯著減少。例如,本發明發酵醪可以包含小于或等于約0.2wt%的葡萄糖、約0.4wt%、約0.1wt%的DP3、檢測不到的DP4+、0.45wt%的甘油、約0.01wt%的乳酸和/或約0.4wt%的雜醇油。
干酒糟
高蛋白干酒糟
本發明還涉及干酒糟產物。干酒糟還可以包含提高水平的一種或多種蛋白質、脂肪、纖維(例如,中性去垢纖維(neatral detergent fiber,NDF))和淀粉。例如,干酒糟可包含34wt%或更高的蛋白質或約30至約45wt%的蛋白質或比通過常規方法生產的多約1至約2wt%的蛋白質。例如,干酒糟可包含15wt%或更高的脂肪、約13至約17wt%的脂肪或比通過常規方法生產的多約1至約6wt%的脂肪。例如,干酒糟可包含31wt%或更高的纖維、約23至約37wt%的纖維或比通過常規方法生產的多約3至約13wt%的纖維。例如,干酒糟可包含12wt%或更高的淀粉、約1至約23wt%的淀粉或比通過常規方法生產的多約1至約18wt%的淀粉。
在一個實施方案中,相比常規的干酒糟產物,本發明干酒糟包含水平提高的維生素B、維生素C、維生素E、葉酸和/或維生素A。本發明干酒糟相比常規的干酒糟產物具有更鮮艷的金色。
具有改良的物理性質的干酒糟
本發明還涉及具有一種或多種改良的物理性質的干酒糟,如減少結塊(caking)或壓實(compaction)或增強流動性。本發明方法可產生這種改良的干酒糟。
雖然不限制本發明,但認為本發明方法可產生包含更高分子量形式的碳水化合物的發酵固形物。該發酵固形物據認為可表現出較高的玻璃化轉變溫度(即,較高的Tg值)。例如,殘留的淀粉具有高的Tg值。因此,通過控制DDG和DDGS中淀粉含量,本發明方法可制備具有靶Tg值的DDG或DDGS。
此外,根據本發明,向發酵固形物(例如,干酒糟)中添加堿性糖漿混合物(例如,糖漿加上添加的石灰或其他堿性材料)可使干酒糟加可溶物(DDGS)減少結塊或壓實或增強流動性。
雖然不限制本發明,但認為發酵中產生的有機酸如乳酸、醋酸和琥珀酸比其相應的鈣鹽具有更低的Tg值。維持較高分子量形式的殘留碳水化合物或添加石灰以形成有機酸的鈣鹽,為形成較高Tg值聯產品的兩種策略,該聯產品將具有較低可能性發生玻璃化轉變,后者導致稱為結塊的有害現象。
雖然不限制本發明,但認為本發明的方法不必破壞發酵的植物材料中的蛋白質。玉米含有谷醇溶蛋白,如玉米醇溶蛋白。例如,高粱包含稱為高梁醇溶蛋白的一類玉米醇溶蛋白樣蛋白質,其氨基酸組成類似于玉米醇溶蛋白。液化、蒸餾和高溫干燥期間發生的熱降解導致包含相當大量的降解蛋白質的DDG和DDGS。本發明的方法被認為可改良糧谷(cereal grain)的谷醇溶蛋白級分的水平。
據認為,延長暴露于通過本發明方法實現的高醇濃度可調節植物材料中的蛋白質。這可溶解一些蛋白質。例如,據認為在蒸餾中乙醇濃度可以達到可溶解發酵醪中谷醇溶蛋白(例如,玉米醇溶蛋白)的水平。在從發酵醪中去除或″脫去(strip)″乙醇后,谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)可回收濃縮于DDG和DDGS中。所得高蛋白含量的DDG和DDGS對于DDG和DDGS的各種終用途是有益的,例如在另外的加工或配合(compounding)中。
在一個實施方案中,本發明的有效發酵方法從DDG或DDGS中除去了非玉米醇溶蛋白的組分如淀粉。分級分離植物材料,例如玉米,也可以提高DDG或DDGS中蛋白質,如玉米醇溶蛋白的水平。例如,發酵前除去糠麩和胚芽(germ)級分可在底物中濃縮玉米醇溶蛋白。玉米中的玉米醇溶蛋白被隔離在胚乳中。玉米醇溶蛋白富集的胚乳的發酵引起發酵殘留物中玉米醇溶蛋白的濃縮。
在一個實施方案中,本發明的方法可提供具有不同預定Tg值的DDG和DDGS。本發明的方法可發酵包含高、中或低水平玉米醇溶蛋白的級分,由此改變所得DDG或DDGS的玻璃化轉變溫度。所得聯產品的Tg可以與谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)的含量成正比。本發明的方法期望用于高蛋白玉米的發酵。這也允許具有較高谷醇溶蛋白(玉米醇溶蛋白)含量的DDG和DDGS的生產。
發酵末殘留的淀粉優選分離在酒糟水級分中,該級分隨后蒸發以產生糖漿。通過本發明方法產生的濕餅級分,其可單獨干燥以產生DDG,并可比常規DDG具有更高的谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)。本發明方法允許改變糖漿和濕餅的混合比。這產生具有不同比率的谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)和殘留淀粉的DDG/DDGS。當濕餅中殘留淀粉減少,濕餅中蛋白質就增加。此指示一種反向關系。類似的效應發生在糖漿級分中。
淀粉被認為可分離入液體級分中。DDGS中的淀粉量可通過在干燥前或干燥期間不同的時間以每磅濕餅固形物0磅糖漿固形物干重至1.2磅糖漿固形物的比率混合糖漿而改變,從而產生最終的DDGS產品。殘留淀粉不成比例的分離入回糟或酒糟水級分時可提供對這些級分進行上述燒盡和二次發酵。由于酒糟水蒸發產生糖漿,離心的質物料平衡也使得能根據所需特性及根據DDGS生產對Tg的依賴性而產生具有不同Tg值的DDGS。
排放
本發明具有排放優勢。排放優勢引起乙醇制造過程中所產生的副產物減少。在來自谷粒胚芽級分的糖化醪中油和脂的提取顯著減少。一般在蒸煮和液化期間形成的美拉德反應的副產物減少。且還有發酵副產物的減少。這些現象引起聯產品回收期間排放物的減少。揮發性有機物(VOC)、一氧化碳(CO)、氧化氮化合物(NOx)、氧化硫(SO2)及其他排放物的濃度和排放速率顯著降低,參見表1。需要指出的是其它制造商試圖通過生產濕餅代替干燥成DDG或DDGS而減少排放。
本發明還涉及揮發性有機化合物(VOC)如由干燥發酵產物而產生的揮發性有機物(VOC)。本發明方法包括生產相比常規方法產生較低VOC水平的乙醇、干酒糟和其它有用的發酵產品。例如,本發明方法中干燥蒸餾產物(例如,用過的谷物)產生水平降低的VOC。
例如,利用玉米的常規發酵方法按每噸加工的玉米計從干燥蒸餾產物中產生約2.1磅VOC。實際的煙囪排放量可因污染控制設備而更低。本發明方法產生至少30%VOC產量的減少,至每噸加工的玉米約1.47磅或更低。該排放物的減少是出乎意料的卻是非常有意義的,而且使得排放物減少控制技術如熱氧化劑得以更有效的利用。
由發酵過程產生的VOC包括乙醇、乙酸、甲醛、甲醇、乙醛、丙烯醛、糠醛、乳酸、蟻酸和甘油。
本發明還涉及如由干燥發酵過程的產物而產生的一氧化碳(CO)。本發明方法包括生產相比常規方法產生較低CO水平的乙醇、干酒糟和其它有用的發酵產品。例如,本發明方法中干燥蒸餾產物(例如,用過的谷粒)產生水平降低的CO。
例如,利用玉米的常規發酵方法按每噸加工的玉米計從干燥蒸餾產物中產生約1.4磅CO。實際的煙囪排放量可因污染控制設備而更低。本發明方法產生30%CO產量的減少,達到每噸加工的玉米約0.98磅或更低。該排放物的減少是出乎意料的而且非常有意義,且使得排放物減少控制技術,如熱氧化劑得到更有效的利用。
表1:排放物的減少

本發明可根據下列實施例而更好地理解。這些實施例意圖代表本發明具體的實施方案,而并不試圖限制本發明的范圍。
實施例
實施例1-從玉米生產改良的干酒糟
使用本發明的方法從玉米生產干酒糟。該方法產生高蛋白、高脂肪和高纖維的干酒糟。與常規的糖化和液化方法的比較顯示了本發明方法的優良性能。
材料和方法
生淀粉發酵
通過向400ml包含70克麥芽糖糊精的釜餾物中添加葡糖淀粉酶(0.088ml Novozyme′s Spirizyme plus葡糖-淀粉酶400AGU/g)和蛋白酶(0.018ml Genencor International′s GC106蛋白酶1000SAPU/g)而制備酵母接種物。由先前常規淀粉發酵或生淀粉發酵通過餾出乙醇以及將所得整個釜餾物離心分離以產生回糟而制備所用的釜餾物(回糟)。另外添加1.07克尿素、0.13克硫酸鋅以及0.00067ml1∶1000稀釋的抗生素(Alltech Lactocide.[量?]毫克)。將約300-400百萬細胞/毫升酵母(釀酒酵母)活細胞(0.48g Fleischmann′s Fali酵母)加入混合物且在90°F孵育溫度下不經攪拌或搖動進行8小時增殖。在溫和條件下周期性地旋動燒瓶以進行內容物的混合。將所得的酵母培養物(10.8ml)直接加至每個發酵罐用于接種。
玉米從谷物種子(seed corn)的商業供應商處獲得且在發酵前利用錘磨機研磨通過0.5mm的篩子。比較了幾種常規2號黃色馬齒種玉米品種,且在一些試驗中還測試了其等基因蠟質種玉米對等物。測試不同的玉米品種以證實本發明方法利用各種玉米雜種均可以產生改良的DDG。
在約225毫升水中混合大約129至134克適當的玉米。面粉(磨碎的玉米)的實際克數和水體積針對每個發酵罐以面粉的含水量為基礎進行調節以使所有的發酵在大約每100克水33.4克干玉米固體(33.4%DSC)下進行。所有生淀粉發酵罐用硫酸調節至pH 5.0。
發酵在82°F進行。將抗生素(Alltech Lactocide.3毫克)加入每個發酵批次。生淀粉發酵使用市場上可買到的葡糖淀粉酶制劑(Novozyme s′Spirizyme plus 0.317毫升GAU/毫升),其中該制劑還含有酸性真菌淀粉酶活性。
發酵進行72小時,以大約24(例如,25)小時為間隔采樣。所有樣品經HPLC分析。發酵結束時發酵醪樣品置于金屬鍋中,將pH降至<3.5以滅活殘留的酶活性并且干燥。
常規發酵
按如上所述用于生淀粉發酵的方式進行酵母接種物的制備以及將玉米研磨成玉米面粉。
對于使用常規方法的發酵,pH調節是不必要的;水和玉米面粉的天然pH為5.8至6.0。常規發酵以糖化或蒸煮階段起始,以液化混合物中的淀粉。蒸煮階段在85℃進行60分鐘。加入0.044毫升Novozymes Liquozyme SC α-淀粉酶(0.044毫升Novozymes Liquozyme SC 120AFAU(KNU)/ml)以液化玉米糖化醪。
常規發酵也在82°F進行且包含抗生素(3毫克Alltech Lactocide抗生素)。利用常規方法將蛋白酶(0.0047毫升GC 106蛋白酶(1000SAPU/g/ml)以及0.64毫升50%的尿素溶液(50%工業級尿素)加至發酵罐。加入市場上可買到的葡糖淀粉酶(0.095毫升Genencor International′s GC 480葡糖淀粉酶400AGU/ml)用于發酵。在其它方面,發酵按如上所述用于生淀粉發酵的方式進行。
結果和討論
發酵結果列于表1中且總結在表2中。
表1A:比較方法對DDGS的組分分析(proximate analysis)的影響

表1B:比較方法對DDGS的組分分析的影響

表2:比較方法對DDGS的組分分析的影響(總結)

該生淀粉方法的有趣特征為其產生具有相等或更高水平的幾種組分的干酒糟加可溶物(DDGS),即使按殘留的淀粉測定,該生淀粉方法的發酵效率似乎是降低的。根據物料平衡,可以預期伴隨較低的效率,DDGS的其他組分將是較低的。該生淀粉方法似乎引起對谷物組分更小的破壞。
該生淀粉方法的另一有趣特征是利用蠟質種玉米雜種實現的性能改良。蠟質種玉米幾乎全部由支鏈淀粉組成,而正常的#2黃色玉米為大約25至28%的直鏈淀粉且其余為支鏈淀粉。由于相比常規的玉米,蠟質種玉米有高的最大粘度以及更快速率的粘度發展,故其通常不用于常規方法中。高的初始粘度使得玉米漿在最初的主要高溫液化期間更難泵送。然而蠟質種玉米品種可以容易地用于本發明方法。由于未使用蒸煮階段,該高的最大粘度并不構成處理問題。
實施例2-本發明方法提供改善的產量潛力
與常規方法比較了本發明方法的產量潛力。本發明方法利用溫度分段表現出改善的產量。本發明方法表現出提高的潛在最大乙醇生產產量。與常規的糖化和液化方法的比較顯示了本發明方法的優良性能。
材料和方法
除了粒度、α淀粉酶劑量、葡糖-淀粉酶劑量或酸性真菌淀粉酶劑量的有意區別外,以實施例1類似的方式準備發酵。實驗條件在表3中描述。所有測試的玉米從Broin Enterprises(BEI)、Scotland、South Dakota、USA獲得。玉米在BEI研磨,以生淀粉標準來代表粗粒度。細磨的玉米利用實驗室的錘磨機經0.5mm篩子產生。
所用的常規方法利用所示水平的Liquozyme SC和GC 480。所用的生淀粉方法使用所示水平的Spirizyme Plus和SP 288酸性真菌淀粉酶(每克1700AFAU)。針對常規方法相應地調節尿素溶液、硫酸鋅和抗生素的劑量。由先前常規發酵或生淀粉發酵通過餾出乙醇以及將所得整個釜餾物離心分離以產生回糟,而制備所用的釜餾物(回糟)。發酵溫度根據以下設定點分段:0-18小時90°F、18-42小時86°F以及42-72小時82°F。在65小時采樣以代表發酵結束。
結果和討論
這些實驗的目的在于說明兩方法對酶供給速率改變的敏感度以及比較乙醇%和殘留淀粉的差異。結果列于表3和圖1A、1B、1C、1D和1E。粉碎度和酶劑量對兩方法的影響是明顯的。需要指出的是SP 288酸性真菌淀粉酶可以有效地使用生淀粉。酸性真菌淀粉酶看來提高了利用淀粉的能力,這使得SP 288存在時粉碎度對產量具有較小的影響。本發明方法在相等或更高的殘留淀粉水平上達到了顯著更好的乙醇產量。圖1B說明了常規方法中粉碎度對乙醇產量的類似影響,并證實了GA劑量水平對于獲取粗谷粒中的淀粉的重要性。
圖1A和1B中針對常規方法和生淀粉方法顯示的至零殘留淀粉的結果外推揭示了生淀粉方法的一個實施方案。隨著殘留淀粉水平基于提高的轉化效率而降低,該方法可比常規方法達到更高的乙醇%。例如,無殘留淀粉存在時,本實施例中的本發明方法將產生21.3%體積的乙醇,而常規方法僅產生20.6%體積的乙醇,該提高是顯著的。本發明方法相比現有方法的工藝潛力在圖1C和1D中顯示。這些圖概括了兩種方法在不同的粉碎度和酶劑量組合下運行的結果。圖1C舉例說明了新方法比常規方法產生更多乙醇的潛力,即使當殘留淀粉水平更高時也如此。常規知識提示生淀粉方法由于更高水平的殘留淀粉而將是更低效率的,然而事實不是這樣的。本發明方法優于常規方法。需要指出的是還可通過檢驗發酵滴固形物(drop solids)而評價發酵效率。這在圖1D中以兩方法相比較的組合數據顯示。由于上述實施例中所有發酵以同樣的初始設定的固形物起始,故較低的滴固形物提示淀粉到乙醇的更有效的轉化。本發明方法的潛力還可以通過達到相等或降低水平的滴固形物而說明,盡管觀察到較高的殘留淀粉。
圖1E顯示本發明方法期間溫度的分段。發酵溫度根據以下設定點分段:0-18小時大約90°F(從約95°F至約90°F)、18-42小時大約86°F(從90°F至86°F)以及42-72小時約82°F(從86°F至84°F)。溫度的分段通過降低對酵母的脅迫而有助于提高乙醇的生產過程。當乙醇產生時降低溫度,以減少乙醇產生導致的對酵母的脅迫。
表3:常規方法與生淀粉方法的產量潛力對比



  工藝  AA  GA  常規  Liquozyme SC  GC480  生淀粉  SP288  Spirizyme Plus
實施例3-使用增加的酸性真菌淀粉酶水平和增加的葡糖淀粉酶水平,本發明方法顯示出改善的結果
用增加的酸性真菌淀粉酶水平和增加的葡糖淀粉酶水平評估本發明的方法的一個具體實施方式的結果。增加的酸性真菌淀粉酶水平改善了本發明的結果。增加的葡糖淀粉酶水平改善了本發明的結果。
材料和方法
以類似于實施例2的方式在生淀粉發酵中使用更粗的研磨測試葡糖淀粉酶(Novozymes Spirizyme Plus)和酸性真菌淀粉酶(Novozymes SP 288)。
結果和討論
本測試的目的為檢驗葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶劑量范圍對從生淀粉水解發酵生產乙醇及其他產品的影響。具體地,酸性真菌淀粉酶高于0.3AFAU每克干玉米固形物的劑量和超過0.3AGU每克干玉米固形物的劑量導致更高的乙醇和相應地更高的殘余葡萄糖。一貫較高的葡萄糖顯示這些發酵有生產甚至更高的乙醇產量的潛能。
這些結果提示葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶協同作用以接近生淀粉和將淀粉轉換為可發酵糖。參見圖2A、2B和2C。
實施例4-研磨或減小谷物顆粒大小對發酵效率的影響
通過改變研磨的植物材料的顆粒大小評估本發明的方法的具體實施方式的結果。較小的顆粒大小改善了本發明方法的結果。
材料和方法
施行一系列的實驗室規模的錘磨機粉碎,以生產從大粒度到相對細粒度的面粉。以與實施例2類似的方式建立生淀粉發酵。通過實驗室錘磨機研磨用作底物的玉米面粉,以通過0.5mm、2.0mm和2.4mm孔的篩子。該測試條件列于表4。


結果和討論
結果列于表4和圖3A、3B、3C、3D。該數據說明較小的研磨粒度提供了較高的乙醇產量和較低的殘余淀粉。在較低的葡糖淀粉酶劑量下,粉碎度是更大的影響因素。當研磨物的顆粒大小增加時,需要更高的酶劑量來實現相同的相對結果。
實施例5-粉碎度、葡糖淀粉酶類型和酸性真菌淀粉酶劑量對發酵效率的影響
通過改變研磨的植物材料的顆粒大小、改變葡糖淀粉酶類型和酸性真菌淀粉酶的劑量評估本發明的方法的具體實施方式的結果。
材料和方法
從Wentworth S.D.的Dakota Ethanol LLC獲得全部玉米和玉米面粉。如在先的實施例中所述方法使用實驗室規模的錘磨機研磨全部玉米,以通過2.0mm篩。按照表5以與在先的實施例類似的方式建立發酵。


結果和討論
最后的發酵結果示于圖4A、4B和4C。常規的葡糖淀粉酶例如來自Genencor International的Distillase含有極低水平的酸性真菌淀粉酶活性。Spirizyme Plus包含每ml酶大約2.5倍的AFAU活性,并顯示出水解生淀粉的改良性能。SP 288酸性真菌淀粉酶含有相對低水平的葡糖淀粉酶。
可以獲得對粉碎度、葡糖淀粉酶劑量水平和酸性真菌淀粉酶劑量水平對發酵性能的重要性的理解。當“更加精細的”研磨與含有提高的酸性真菌淀粉酶水平的葡糖淀粉酶結合時獲得了改善的結果。當較粗糙地研磨時,高劑量水平的包含酸性真菌淀粉酶的葡糖淀粉酶產生了改善的發酵性能。隨著研磨物粒度減小,包括酸性真菌淀粉酶的葡糖淀粉酶提供了益處。
實施例6-發酵罐干固形物加載量和溫度對發酵罐動力學和乙醇性能的影響
采用本發明的具體實施方式由玉米生產乙醇。該方法產生了高乙醇玉米發酵醪,高蛋白、高脂肪和高纖維干酒糟。與傳統的糖化和液化法的對比表明了本發明方法性能的優越性。
材料和方法
除初始的發酵固形物及溫度按結果呈現時描述的改變外,按照與在先的實施例類似的方式建立實施例6。
結果
本發明生淀粉發酵方法的一個有趣的特征是通過增加發酵的固體物含量或起始溫度能夠提高發酵速率。固形物載量、溫度、粉碎度、葡糖淀粉酶劑量、酸性真菌淀粉酶劑量和酵母劑量能夠相結合而增加生淀粉發酵的性能。圖5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H、5I和5J說明了不同的固形物如載量下溫度的影響。
本實施例報道的殘余淀粉值提示可采用溫度改善中間發酵比重下生淀粉發酵的效率,其中中間發酵比重定義為可生產15%到18%乙醇的發酵固形物水平。該發酵溫度可用于加速生淀粉發酵,使它們在不足48小時內結束,然而仍然達到15%到18%的乙醇水平,并具有可接受的殘余淀粉水平。該增加的發酵設定值有助于加速天然生淀粉向葡萄糖的酶學轉化,該轉化似乎是生淀粉方法的限速步驟。應用較高溫度設定值的發酵性能是本發明方法針對中間乙醇范圍的一個方面,當從在先實施例的視角考慮時尤其如此,在先的實施例確立了生淀粉發酵能夠在殘留干酒糟及干酒糟加可溶物中耐受較高水平的殘余淀粉,并且按照組分分析仍然產生優等質量的DDG或DDGS。另外,生淀粉發酵的干物質能夠增加大約20%以提高發酵速率,同時在發酵罐中產生更高乙醇含量和具有優等質量的更多DDGS,即便殘余淀粉水平高也如此。通過平衡上述的觀點,可以以顯著降低的困難進行產量相對于吞吐量(throughput)的經濟優化。通過生淀粉方法顯著地提高了運行高比重、高吞吐量的工藝并生產適銷的DDGS的便利性。
實施例7-通過本發明方法的乙醇生產的有益方面
實施了各種發酵,并評估和匯編了結果以顯示本發明方法增加了乙醇產量和干酒糟的產量。
乙醇生產量
本發明方法產生了含有乙醇的玉米發酵醪,該發酵醪具有大于18%體積的乙醇。在48到96小時的孵育和發酵中生產了至少18%體積的乙醇和直至23%體積的乙醇。發酵醪含有這些高水平的乙醇,即便當它也包含較高水平的殘余淀粉時也如此。在24小時的孵育和發酵后,玉米發酵醪含有9-16.5%或12-15%體積的乙醇。48小時的孵育和發酵后,玉米發酵醪含有13-20%體積的乙醇。乙醇生產是線性的,達到14-16%體積的水平。整理的由不同的運行產生的乙醇產量結果至少在圖6A和6B中說明。
本發明發酵醪含有比在相等的其它發酵條件下實施的常規發酵少大約0.4到0.5%重量的甘油(圖7)。本發明發酵醪含有較少的來自胚芽級分的萃取油,導致在殘余動物飼料產品的干燥期間降低的淤塞和水蒸氣中較低的VOC散發(表1)。該發酵醪含有較少的來自胚芽級分的萃取油,導致在殘余動物飼料產品的干燥期間降低的淤塞和水蒸氣中較低的CO散發。該發酵醪含有較少的雜醇油(圖8),如果這些醇化合物無意地在蒸餾側線汽提塔下殘液流中再循環,將抑制酵母細胞生長和發酵。
雜醇油也是一種飲用醇制造過程中的不希望有的組分,因此本發明方法提供了一種改進的飲用醇生產方法。該發酵醪相對于常規方法也含有較少的乳酸和乙酸。該發酵醪也含有較高的酵母細胞數,這有助于改進飼料產品。
另外,本發明方法在這些眾多的運行中,保持了酵母在300細胞/mL或以上。在孵育和發酵的0-20小時在至少40%酵母中觀察到酵母出芽和/或在孵育和發酵60小時后在至少15-20%酵母中觀察到酵母出芽。這些酵母細胞數和出芽比在常規方法中觀察到的更高。
實施例8-本發明方法維持低水平的葡萄糖、麥芽糖(DP2)、麥芽三糖(DP3)和糊精(DP4+)
將本發明的具體實施方式生產的葡萄糖、麥芽糖(DP2)、麥芽三糖(DP3)和糊精(DP4+)的水平與常規方法相比。本發明方法分別顯示出減小水平的葡萄糖、麥芽糖(DP2)、麥芽三糖(DP3)和糊精(DP4+)。與常規方法的葡萄糖水平的對比表明了本發明方法的優越性能。
材料和方法
實驗1
從Wentworth,S.D.的Dakota Ethanol LLC中獲得全部玉米和玉米面粉。將用于連續乙醇發酵實施例的全部玉米如在先的實施例所述使用實驗室規模的錘磨機研磨通過0.5mm篩。將用于SSF實施例的全部玉米使用工業規模的Bliss錘磨機研磨通過#4篩,如在面粉的過篩試驗中所測量的,這使得大約50%的研磨面粉通過0.5mm的篩子。
以與實施例1類似的方式建立分批發酵。在由冷漿槽及隨后的五個(5)發酵罐組成的實驗室臺上系統(bench top system)中評估連續的乙醇發酵,該系統以連續的模式運行,并以發酵池收集成熟醪而結束。各發酵階段的體積大約為兩(2)公升。當以1.5到2.0ml每分鐘的糖化醪流速運行時,平均發酵時間為大約九十六(96)小時。平均發酵罐充填固形物為大約30-35%干玉米固形物,這取決于此底物的淀粉含量。每3到4天制備用于發酵加料的糖化醪漿,并維持在6到12攝氏度之間,以阻止給料槽內的細菌生長。
糖化醪制備程序沒有在發酵之前對糖化醪滅菌,并且該發酵系列的運行沒有添加抗生素防止細菌性污染物。糖化醪在低溫保存,以減少底物準備所需的工作量。向該冷漿槽加入15到20ml的50%尿素液體,最終具有大約9000公升的糖化醪體積。
在此連續系列中每個發酵罐從前面的發酵罐進料,而第一個發酵罐直接從冷漿槽進料。在五個(5)階段的發酵中發酵溫度控制在恒定的82°F。將葡糖淀粉酶加入第一個發酵罐,提供大約2.0到2.4AGU每克干燥玉米物質的劑量。以大約0.65克每公升漿添加率加入從Fleischmann′s Yeast獲得的Fali酵母,并且每次制備新鮮糖化醪時按批加入冷漿中。
實驗2
使用如上所述的實驗1的步驟建立連續發酵。在此連續的多階段發酵方法的過程中于不同時間和階段進行乳酸和乙酸測量。接近發酵結束,如所示的有意地將初始漿的pH增加,以在微生物學方面攻擊系統。在一些情況下,漿的pH間歇地被降低以阻止污染(例如參見圖16A、16B和16C)。
實驗3
從實施例1、2和8中描述的連續發酵系統實例中獲得實驗3中的數據。使用可購買得到的淀粉測定法(淀粉測定法)測量殘余淀粉。該測定法可以檢測淀粉含量為從0-100%范圍的樣本,從而使其可應用于原谷物的淀粉測定以及殘余淀粉分析。該方法是一種基于酶學轉化的測定法,運用α淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶將淀粉轉換為葡萄糖,然后經由HPLC測量獲得的葡萄糖并計算淀粉含量。
結果和討論
圖9A和9B說明本發明方法在同時糖化和發酵(SSF)及連續的生淀粉發酵期中維持低水平的葡萄糖。盡管不限制本發明,但相信此低水平的葡萄糖減少了諸如reversion、縮合、或美拉德棕黃反應(Maillard Browning Reactions)等潛在反應,這些反應反過來能夠降低乙醇產量。在本實施例中整理的數據顯示本發明方法在整個運行中維持等于或低于3%重量的葡萄糖和在大約90%的運行中維持等于或低于1%重量的葡萄糖。特別是從孵育和發酵的12到54小時,本發明方法維持葡萄糖在等于或低于1%重量的水平。
圖10-12說明在SSF和連續的生淀粉發酵期間本發明方法維持低水平的糊精。圖10A和10B說明在同時糖化和發酵期間本方法維持麥芽糖(DP2)在等于或低于大約0.2%重量的水平,而在連續的生淀粉發酵期間維持麥芽糖水平低于大約0.34%重量。圖11A中的數據顯示在同時糖化和發酵期間本方法以等于或低于0.2%重量和等于或低于0.1%重量的水平維持低水平的麥芽三糖(DP 3)。圖11B中的數據顯示本方法在連續的生淀粉發酵期間維持等于或低于0.25%重量的低水平的麥芽三糖(DP3)。
圖12A中的數據顯示在同時糖化和發酵期間本發明方法以等于或低于1%重量和等于或低于0.5%重量的水平維持低水平的糊精(DP4+)。圖12B中的數據顯示本發明方法在連續的生淀粉系統期間維持等于或低于0.3%重量的低水平的糊精(DP4+)。
實驗2的結果表明本發明方法中達到大約5.8的初始漿pH水平(圖16A)導致可接受的乙醇產量并維持酸性發酵污染物在可容許的范圍內(例如,發酵不受抑制)。乳酸的百分比保持低于0.45(在大多數情況下小于0.35)(圖16B)。乙酸的百分比保持低于0.18(在大多數情況下小于0.06)(圖16C)。本發明方法的此具體實施方式導致一貫的低乳酸和乙酸水平和穩定的pH水平。這導致更多的乙醇產量,這至少部分可能是由于較少的酵母脅迫所引起的。
實驗3的結果顯示由本發明方法的連續實施方式產生的殘余淀粉的水平比通過常規方法產生的水平低(圖17)。采用本發明方法的此實施方式產生的殘余淀粉的水平保持低于通過常規方法產生的殘余淀粉的水平(圖17)。采用本發明方法的此具體實施方式產生的淀粉百分比保持在大約20(例如21)或更少(圖17),而采用常規方法產生的淀粉百分比高達27(圖17)。
討論
盡管不限制本發明,但認為隨著葡萄糖在發酵期間形成,它被酵母迅速地代謝,導致低水平的葡萄糖。在發酵末觀察到的葡萄糖的微小增加提示了酵母活力的下降。再次,不限制本發明,這可能通過酵母活力和發酵的降低導致葡萄糖生產速率超過新陳代謝利用速率來解釋(葡萄糖發酵不再跟得上生產)。
根據本發明的一個具體實施方式,可以采用溫度分段來使殘余葡萄糖產量減到最少。也就是說發酵的溫度可以隨著發酵的進程而降低。據認為,通常每增加10℃(18°F),酶促反應速度近似加倍。在本發明方法的一個具體實施方式中,例如,經過一段時間,如30小時后,可以由降低發酵混合物的溫度而減慢酶促反應。據認為,冷卻也能維持酵母的活力,因此發酵可以繼續利用已經形成的葡萄糖。多階段連續發酵工藝存在常規的商業變化形式。一個這樣的常規方法包括在發酵前運行糖化作用以便為更迅速的酵母發酵提供可發酵葡萄糖。本發明方法不要求發酵之前進行糖化作用階段,但仍產生改善的結果。另一個常規的連續工藝包括向第一個發酵罐以及可能地第二個發酵罐中通氣,以促進酵母生長。本發明方法提供了改善的結果而并不要求向發酵罐通氣。一些常規連續系統使用酵母再循環方法。本發明發明方法不要求酵母再循環而能提供改善的結果。本發明的具體實施方式優越于這些常規連續發酵系統。本發明可以使用生淀粉的同時糖化和發酵,并能夠以高比重運行。在一個具體實施方式中,本發明的方法能夠快速度生產乙醇,盡管似乎缺乏足夠的發酵底物。
本發明方法的一個連續乙醇生產的具體實施方式在整個發酵周期維持了低酸度水平。這些實驗顯示使用連續發酵的本發明方法的具體實施方式產生了低的、易處理水平的乳酸和乙酸。低水平的乳酸和乙酸可能有利于維持發酵中穩定的pH,并且還可能減少酵母應激反應和增加乙醇的產量。
本發明方法的連續乙醇生產的具體實施方式在整個發酵周期維持了較低的淀粉水平。將該殘余淀粉水平與常規方法對比提示了本發明方法的有利性能。本發明生淀粉工藝的物料平衡提示,相對于常規方法,在本發明方法中殘余淀粉實際上可以更高,但仍然實現更高的乙醇產量以及改善的近似物料平衡(proximate mass balance)。
實施例9-本發明方法生產較少結塊和壓實的DDGS
將根據本發明的一個具體實施方式的DDGS與由常規方法生產的相比。本發明方法生產出與常規方法生產的DDGS相比顯示出較少結塊的有創造性的DDGS。該較少結塊的DDGS優于常規DDGS。
材料和方法
DDGS作為常規高溫液化方法和本發明方法的乙醇生產的聯產品被收集。用大約400ml的DDGS填充500ml圓柱狀體進行結塊/坍陷試驗(caking/collapse assay)。注意當填充該圓柱狀體時避免DDGS的物理擠壓(pack)。在填充后,將一個4.4cm直徑的重78克的圓盤狀物置于DDGS的頂端,然后在該圓盤狀物的頂端放置1.5kg的鉛粒(在一個適當大小的塑料袋中)。用塑料袋覆蓋各圓柱狀體并用膠帶密封該裝置以防止水分損失而完成試驗的準備工作。施加于DDGS的重量用于擴大該效應,并模擬DDGS在鐵路等運輸期間所暴露的條件。在50℃的溫度下,在儲存開始時和儲存期間的不同時間記錄DDGS的水平。將測量的坍陷的(結塊的)DDGS的高度與DDGS的初始高度相對比。將測量的高度與初始高度的比較作為此產品坍陷或結塊傾向的估計。
結果
當與常規方法的DDGS相比時,隨著時間,本發明的DDGS顯示出較少的結塊坍陷(圖13)。經過25個小時擠壓時間,本發明的DDGS的坍陷僅為初始體積的4-5%,而常規方法的DDGS為10-14%體積的坍陷。
討論
在控制條件下進行的DDGS的壓實模擬了在例如有軌機動車和卡車等運輸工具的集裝箱中觀察到的DDGS的結塊。應用本發明的方法生產的DDGS顯示出比常規方法生產的DDGS具有較少的結塊相關的坍陷,顯示了本發明方法的優越性能。
盡管不限制本發明,但認為觀察到的壓實與玻璃化轉變理論所提示的是一致的。例如,玻璃化轉變溫度隨著聚合物(如在DDGS中發現的聚合物)的分子量而升高。本發明DDG包括較高水平的這樣的聚合物并應顯示出更高的玻璃化轉變溫度。據認為,產品濕度、儲存溫度和化學組成能夠影響DDGS從無定形的玻璃相到無定形橡膠相的轉變,橡膠相的DDGS比玻璃相的DDGS更易壓實。
實施例10-本發明方法可以采用高蛋白玉米生產高蛋白DDGS和高水平的乙醇。
在一種具體實施方式中,本發明可以包括使高蛋白玉米發酵生產高蛋白DDGS和高水平的乙醇。這對加工高蛋白玉米提供了有利的靈活性。
材料和方法
應用與實施例1類似的方式建立發酵以從不同的玉米雜種發酵生產乙醇,收集作為聯產品的DDGS。運用相同條件建立所有發酵。采用實驗室規模的錘磨機以不同的粉碎度測試了不同的玉米雜種。該錘磨機篩孔尺寸在0.5mm到4.0mm之間變動,產生從精細(0.5mm篩孔)到粗粒的(4.0mm篩孔)的面粉顆粒大小。
結果
圖15A說明了DDGS的蛋白水平取決于粉碎度。該圖說明粉碎度和蛋白質之間負相關:隨著顆粒大小的增加,每種測試的玉米雜種的DDGS的蛋白含量降低(圖15A)。圖15B說明了DDGS的淀粉水平取決于粉碎度,該圖說明粉碎度和淀粉含量之間正相關:隨著顆粒大小的增加,每種測試的玉米雜種的DDGS的淀粉含量也增加(圖15B)。圖15C說明乙醇產量取決于粉碎度,該圖說明隨著顆粒大小的降低,乙醇產量增加(圖15C)。
討論
由玉米的研磨產生的降低的粒度使得能夠產生更高的乙醇產量和更高的蛋白DDGS。在玉米的初始蛋白含量和產生的DDGS的蛋白含量之間也觀察到了強相關性。在常規方法中,較高蛋白質的玉米是不合乎需要的,因為它降低了可發酵的淀粉含量。該常規方法更加受到由于液化作用造成的粘度的限制,從而限制了處理者通過增加發酵中固形物的水平而維持可發酵物的能力。本發明方法較少受到粘度的限制,因此能夠增加可發酵固體以維持潛在的乙醇生產滴度,并同時生產更高蛋白的DDGS。更高蛋白DDGS可以用于各種各樣的目的。
應當注意到現代工業作出了顯著的努力以鼓勵“高度可發酵玉米”雜種的應用。“高度可發酵玉米”雜種可具有更高的淀粉濃度,而不具有高蛋白濃度。本實施例表明可采用更高蛋白質的標準#2黃色玉米的雜種品種獲得高水平的乙醇產量。盡管標準#2黃色玉米具有較低的淀粉含量,但可以增加發酵罐干固形物以維持發酵罐內的乙醇%水平,同時生產更高蛋白DDGS。
實施例11-本發明生淀粉工藝能產生具有創造性特點的聯產品
在一個實施方案中,本發明提高了對糧谷中谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)級分的獲取。DDG和DDGS的高蛋白質含量在配合中是有用的。
結果和討論
這產生了具有不同比率的谷醇溶蛋白(如玉米醇溶蛋白)和殘留淀粉的DDG/DDGS。圖14A和14B顯示濕餅、糖漿的淀粉和蛋白質水平的關系。當濕餅中殘留淀粉減少,濕餅中蛋白質就增加。這指示一種反向關系。類似的效應發生在糖漿級分中。
需要注意的是,如在說明書和后附的權利要求中所使用的,除非另有明確規定,單數形式“一”、“一個”和“這個”包含復數對象。因此,例如,涉及包含″一種化合物“的組合物包括兩種或更多種化合物的混合物。還需要注意的是除非另有明確規定,術語“或者”通常使用其包括“和/或”的意思。
說明書中所有的出版物和專利申請顯示了本發明所屬領域中普通技術人員的水平。
本發明參照各種具體的和優選的實施方案和技術進行了描述。然而,應理解的是在仍屬于本發明的精神和范圍內可作許多改變和改進。
1.一種從植物材料生產乙醇的方法,包括:將植物材料粉碎以產生包含淀粉的材料;
粉碎的植物材料具有使至少約50%的顆粒大小合適通過具有0.1-0.5mm網孔的篩子的粒徑;
用酶組合物不經蒸煮而糖化該淀粉;
發酵該經孵育的淀粉以產生包含至少15體積%乙醇的組合物;
發酵包括降低發酵混合物的溫度;以及從發酵物回收乙醇和聯產品。
2.項目1的方法,其中植物材料包括玉米,其含有高的支鏈淀粉。
3.項目1的方法,其中植物材料包括玉米、高粱、黍、小麥、大麥、黑麥或其混合物。
4.項目3的方法,其中玉米包括蠟質種玉米。
5.項目3的方法,其中玉米包括高蛋白質玉米。
6.項目3的方法,其中玉米包括#2黃色馬齒種玉米。
7.項目1的方法,包括用錘磨機、軋制機或錘磨機和軋制機使植物材料粉碎。
8.項目7的方法,包括使植物材料粉碎以產生具有至少35%的粉碎的植物材料大小合適通過0.1-0.5mm篩孔的大小的植物材料。
9.項目1的方法,包括用粒度減小乳化技術使植物材料粉碎。
10.項目1的方法,包括同時糖化和發酵。
11.項目1的方法,包括在糖化、發酵或同時糖化和發酵期間降低溫度。
12.項目1的方法,包括在25-40℃的溫度下糖化、發酵或同時糖化和發酵。
13.項目1的方法,包括在27-35℃的溫度下糖化、發酵或同時糖化和發酵。
14.項目1的方法,包括糖化、發酵或同時糖化和發酵期間將溫度從約40℃降至約25℃。
15.項目1的方法,包括在約3.0至約6.0的pH下糖化、發酵或同時糖化和發酵。
16.項目1的方法,包括在約4.1至約5.3的pH下糖化、發酵或同時糖化和發酵。
17.項目1的方法,包括發酵充填起始時pH約4至約4.5。
18.項目1的方法,包括當乙醇產量達到最大水平時pH約5至約5.5。
19.項目1的方法,包括糖化、發酵或同時糖化和發酵期間將pH從約4提高至約5.3。
20.項目1的方法,包括糖化、發酵或同時糖化和發酵期間將固形物含量從約40%降低到約15%。
21.項目1的方法,其中酶組合物包括α淀粉酶、葡糖淀粉酶、蛋白酶或其混合物。
22.項目1的方法,其中糖化、發酵或同時糖化和發酵包括添加蛋白酶。
23.項目1的方法,其中糖化、發酵或同時糖化和發酵包括添加回糟。
24.項目1的方法,其中糖化、發酵或同時糖化和發酵包括添加氮。
25.項目1的方法,包括以維持發酵物中葡萄糖濃度小于3wt%的速率糖化和發酵。
26.項目1的方法,包括使用約0.1至約10酸性真菌淀粉酶單位(AFAU)每克干固形粉碎的植物材料以及約0.1至約6葡糖淀粉酶單位(AGU)每克干固形粉碎的植物材料糖化、發酵或同時糖化和發酵。
27.項目1的方法,包括以水中約25至約45wt%粉碎的植物材料起始糖化、發酵或同時糖化和發酵。
28.項目1的方法,包括以最多20%殘留的淀粉起始糖化、發酵或同時糖化和發酵。
29.項目1的方法,包括在約48至96小時內產生大于18體積%的乙醇。
30.項目1的方法,包括產生18體積%至約23體積%的乙醇。
31.項目1的方法,進一步包括從發酵物中回收固形物。
32.項目31的方法,回收在回收乙醇之前、期間以及之后進行。
33.項目31的方法,包括回收干酒糟。
34.項目31的方法,其中干酒糟包含約30-38wt%的蛋白質、約11-19wt%的脂肪、約25-37wt%的纖維。
35.項目31的方法,其中干酒糟包含至少約30%的蛋白質。
36.項目1的方法,包括以分批法或連續法執行該方法。
37.一種干燥乙醇生產中蒸餾產物的方法,包括:
從玉米生產淀粉以及從淀粉生產乙醇;
每噸玉米產生1.47磅或更少揮發性有機物的減少的煙囪排放。
38.項目37的方法,每噸加工的玉米進一步產生0.98磅或更少一氧化碳的減少的煙囪排放。
39.一種從植物材料生產乙醇的方法,包括:
使植物材料粉碎以產生包含淀粉的材料;
用包含酸性真菌淀粉酶的酶組合物不經蒸煮而糖化該淀粉;
發酵該經孵育的淀粉以產生包含至少約18體積%乙醇的組合物;
從發酵物回收乙醇。
40.包含至少約30wt%蛋白質的干酒糟。
41.包含約30-38wt%蛋白質、約11-19wt%脂肪、約25-37wt%纖維的干酒糟。
42.包含至少約18%乙醇的玉米發酵醪。   內容來自專利網www.wwszu.club轉載請標明出處

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