专利名称：：使用生淀粉和分级分离来生产乙醇的方法和系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及在植物材料的发酵过程中生产高水平醇的方法，以及生产的高醇发酵醪。本方法可以包括植物材料的分级分离。本发明还涉及从植物材料的发酵来生产高蛋白干酒糟(Distiller′sDriedGrain)的方法，以及涉及生产得到的高蛋白干酒糟。本方法可以包括通过环形干燥(ringdrying)、急骤干燥(flashdrying)、或流化床干燥来干燥联产品。本发明进一步涉及在乙醇生产中减少来自干燥蒸馏产品的烟气排放。
背景技术：
：已有许多传统的利用植物材料转化生产乙醇的方法。但是，这些方法具有许多缺陷。还需要另外的更有效的将植物材料转化成乙醇以及生产改良的发酵产品的方法。发明概述本发明涉及在植物材料的发酵过程中生产高水平醇的方法，以及涉及生产的高醇发酵醪。本方法可以包括植物材料的分级分离。本发明还涉及从植物材料的发酵来生产高蛋白干酒糟的方法，以及涉及生产得到的高蛋白干酒糟。本方法可以包括通过环形干燥、急骤干燥、或流化床干燥来干燥联产品。在一个实施方案中，本发明涉及从植物材料(例如，经分级分离的植物材料)生产乙醇的方法。该方法包括分级分离植物材料；研磨植物材料(例如，经分级分离的植物材料)以产生包括淀粉的碾碎的植物材料(如，经分级分离的植物材料)；不经蒸煮而糖化淀粉；发酵此孵育的淀粉；和从发酵物中回收乙醇。本发明方法可以包括在发酵期间改变温度。本发明方法可以包括使用一定颗粒大小的植物材料(例如，经分级分离的植物材料)，其中所述颗粒大小使得超过50％的材料在大小上合适通过具有0.5mm网孔的筛子。本发明方法可生产包括至少18％体积乙醇的组合物。在一个实施方案中，本发明涉及从植物材料(例如，经分级分离的植物材料)生产高蛋白干酒糟的方法。该方法包括分级分离植物材料；研磨植物材料(例如，分级分离的植物材料)以生产包括淀粉的碾碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)；不经蒸煮而从淀粉产生糖；发酵该不经蒸煮的糖以生产包括乙醇的组合物；以及从发酵物中回收干酒糟。干酒糟可以包括至少约30％的蛋白质。干酒糟可以包括增加的玉米醇溶蛋白水平。在一个实施方案中，本发明涉及从玉米生产乙醇的方法。该方法包括从玉米生产淀粉以及从淀粉生产乙醇；产生比常规技术含有明显更低水平的挥发性有机化合物的更干燥的烟气排放。附图的简要说明图1图解说明了根据本发明的一个实施方案的发酵系统。图2A至2C图解说明了本发明方法提高了利用干磨(drymilling)分级分离处理产生的玉米级分进行发酵的效率。图3A至3C图解说明了本发明方法提高了利用干磨分级分离处理产生的玉米级分进行发酵的效率。发明详述如此处所使用的，短语“不经蒸煮”指不进行使淀粉糊化和糊精化的热处理而利用α-淀粉酶将淀粉转化为乙醇的方法。通常，对于本发明的方法，″不经蒸煮″指维持温度在淀粉糊化温度以下，从而由天然不溶性生淀粉直接发生糖化作用生成可溶性葡萄糖而绕过常规的淀粉糊化条件。根据淀粉来源和聚合物类型，淀粉糊化温度一般在57℃至93℃范围内。在本发明的方法中，利用常规液化技术进行淀粉糊精化对于谷物中碳水化合物的有效发酵并不是必需的。如此处使用的，短语″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。合适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))、大麦、小麦、黑麦、稻和黍；以及含淀粉的块根作物、块茎或根如甘薯和木薯。植物材料可以是上述材料的混合物以及上述材料的联产品，例如，玉米纤维、玉米穗轴、秸秆或其他包含纤维素和半纤维素的材料如木材或植物残余物。合适的植物材料包括玉米，或标准玉米或蜡质种玉米。如此处使用的，短语″分级分离的植物材料″指仅包括整个植物的一部分或者一个级分的植物材料，典型的是包含淀粉的材料。分级分离的植物材料可以包括分级分离的谷物例如分级分离的玉米(maize)(分级分离的玉米(fractionatedcorn))，分级分离的高粱(分级分离的西非高梁(milo))，分级分离的大麦，分级分离的小麦，分级分离的黑麦，分级分离的稻，以及分级分离的粟；以及分级分离的含淀粉的块根作物，块茎或根如分级分离的甘薯和分级分离的木薯。合适的分级分离的植物材料包括分级分离的玉米，或分级分离的标准玉米或分级分离的蜡质种玉米。如此处使用的，术语″糖化作用″和″糖化″指将淀粉转化为较小的多糖并最终转化为单糖，如葡萄糖的过程。传统的糖化通过糊化后的淀粉的液化来生产可溶的糊精化底物，该底物被葡糖淀粉酶水解为葡萄糖。本发明方法中，糖化作用指用酶，例如葡糖淀粉酶和酸性真菌淀粉酶(AFAU)，将生淀粉转化为葡萄糖。按照本发明方法，生淀粉不经过常规的液化和糊化来产生常规的糊精化底物。如此处使用的，酸性真菌淀粉酶活性单位(AFAU)是指用来度量酸性真菌淀粉酶活性的标准Novozymes单位。该Novozymes单位在NovozymestechnicalbulletinSOPNo.EB-SM-0259.02/01中进行了描述。上述单位可通过碘滴定检测淀粉降解的产物而测定。1单位定义为在标准条件下每小时降解5.260mg淀粉干物质的酶量。如此处使用，葡糖淀粉酶活性单位(GAU)是指用来度量葡糖淀粉酶活性的标准Novozymes单位。此Novozymes单位和用于检测葡糖淀粉酶活性的测定法在公众可得的Novozymestechnicalbulletin中进行了描述。如此处使用的，淀粉葡萄糖苷酶活性单位(AGU)是指用来度量淀粉葡萄糖苷酶活性的标准Novozymes单位。该Novozymes单位在NovozymestechnicalbulletinSOPNo.EB-SM-0131.02/01中进行了描述。上述单位可通过检测麦芽糖向葡萄糖的转化而测定。可利用葡糖脱氢酶反应测定葡萄糖。1单位定义为在给定条件下每分钟催化1mmol麦芽糖转化的酶量。如此处使用的，修饰任何量的术语″大约″指在生产糖和乙醇的实际条件中，例如在实验室、试验工厂或生产设备中所出现的量的改变。例如，混合物中所用组分的量当被″大约″进行修饰时包括在乙醇生产工厂或实验室中测量时典型使用的偏差和注意程度。例如，产物中组分的量当被″大约″进行修饰时包括乙醇生产工厂或实验室中批次间的偏差以及分析方法内在的偏差。不管是否以″大约″进行修饰，所述量包括那些量的等同值。此处所述的以及经″大约″修饰的任何量也可以作为不经″大约″修饰的量而用于本发明中。淀粉转化为乙醇本发明涉及在植物材料(例如，经分级分离的植物材料)发酵期间产生高水平醇的方法，以及涉及生产的高醇发酵醪。本发明还涉及从植物材料(例如，经分级分离的植物材料)的发酵中生产高蛋白干酒糟的方法，以及涉及生产的高蛋白干酒糟和更干净更干燥的烟气排放。本发明方法将来自植物材料(例如，经分级分离的植物材料)的淀粉转化为乙醇。在一个实施方案中，本发明方法可包括制备用于糖化作用的植物材料(例如，分级分离的植物材料)、不经蒸煮的情况下将制备的植物材料(例如，分级分离的植物材料)转化为糖，以及发酵该糖。可经任意的多种方法，例如经研磨，以使淀粉可以用于糖化作用和发酵，而制备用于糖化作用的植物材料(例如，分级分离的植物材料)。在一个实施方案中，可研磨植物性(Vegetable)材料以使磨后的材料的相当大部分，例如大部分在大小上通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。例如，在一个实施方案中，研磨后的植物性(vegetable)材料的大约70％或更多可通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，粉碎的植物材料(reducedplantmaterial)(例如，分级分离的植物材料)可以与液体按照大约20至大约50wt％或大约25至大约45wt％粉碎的干植物材料(例如，分级分离的植物材料)的比率混合。本发明方法可以包括将粉碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)转化为可使用微生物如酵母进行发酵的糖。可用酶制剂，如糖化酶组合物糖化此粉碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)来进行该转化。糖化酶组合物可包括各种适于将粉碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)转化为可发酵糖的已知酶中的任一种，如淀粉酶(例如，α-淀粉酶和/或葡糖淀粉酶)。在一个实施方案中，糖化作用在pH约6.0或更低，例如，约4.5至约5.0进行，例如，约4.5至约4.8中进行。本发明方法包括将来自粉碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)的糖发酵为乙醇。发酵可由微生物，如酵母进行。在一个实施方案中，发酵在pH约6或更低，例如，约4.5至约5进行，例如，约4.5至约4.8中进行。在一个实施方案中，本发明方法包括改变pH。例如，发酵可以包括在前一半加料期间在pH约3至约4.5时充填发酵罐以及在发酵罐加料周期的后一半期间在pH约4.5至约6(例如，大约4.5至大约4.8)时加料。在一个实施方案中，发酵在约25至约40℃或约30至约35℃温度下进行。在一个实施方案中，发酵期间温度从约40℃降至约30℃或约25℃，或者在发酵的前一半期间从约35℃降至约30℃，而在发酵的后一半温度保持在此较低的温度。在一个实施方案中，发酵进行约25(例如，24)至约150小时，例如，进行约48(例如，47)至约96小时。本发明方法可以包括同时将粉碎的植物材料(例如，分级分离的植物材料)转化为糖以及用微生物如酵母发酵这些糖。发酵过程的产物在本文中称作″发酵醪″(beer)。乙醇可通过各种已知方法，例如通过蒸馏从发酵混合物、从发酵醪中回收。残留的釜馏物(stillage)包括液体和固体物质。该液体和固体可通过例如离心来进行分离。植物材料的制备本方法将来自植物材料(例如，分级分离的植物材料)的淀粉转化成乙醇。植物材料(例如，分级分离的植物材料)可经各种方法粉碎，例如经研磨粉碎从而使淀粉可用于糖化和发酵。粉碎植物材料的其他方法也是可获得的。例如，植物性材料如玉米粒可用已知用来研磨植物性材料、和/或其它的材料来达到降低颗粒尺寸的目的的球磨机、轧制机、锤磨机或其它磨机来进行研磨。可以通过乳化技术、旋转脉冲(rotarypulsation)及其他减小颗粒大小的方法的利用，增加植物材料(例如，分级分离的植物材料)的表面积同时提高液化后介质的流动效率。制备的植物材料(例如，分级分离的植物材料)可称为“生淀粉(rawstarch)”或者包括“生淀粉”。精细研磨暴露出植物材料(例如，分级分离的植物材料)或植物性材料更多的表面积，并且可以促进糖化作用和发酵。在一个实施方案中，研磨植物性材料从而使得磨后的材料的相当大部分，例如大部分在大小上合适通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，磨碎的植物性材料的大约35％或更多在大小上可以通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，磨碎的植物性材料的大约35％至约70％在大小上可以通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，磨碎的植物性材料的大约50％或更多在大小上可以通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，磨碎的植物性材料的大约90％在大小上可以通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，所有磨碎的植物性材料在大小上均可以通过具有0.1-0.5mm筛孔的筛子。在一个实施方案中，磨碎的植物性材料具有大约0.25mm的平均颗粒尺寸。植物材料粉碎植物材料(例如，分级分离的植物材料)的制备可以应用大量的植物材料(例如，分级分离的植物材料)粉碎技术中的任意一种。例如，制备植物材料(例如，分级分离的植物材料)的本方法可以应用乳化技术、旋转脉冲(rotarypulsation)、超声、磁致伸缩、铁磁性材料，等。粉碎植物材料的这些方法可以用于底物的预处理。虽然不用来限制本发明，但是相信这些方法可以增加植物材料(例如，分级分离的植物材料)的表面积同时增加液化后介质的流动效率(也就是，降低粘度)。这些方法可以包括电的到机械的、机械的到电的、脉冲和声音基础的不同速度的振动。这可以提供宽频率范围内的不同频率，这些频率对于预处理植物材料(例如，分级分离的植物材料)和/或减少颗粒尺寸可能是有效的。虽然不用来限制本发明，但是据信这些声波方法中的某些方法可以在植物材料(例如，分级分离的植物材料)颗粒的周围产生低压并引起颗粒的空化或颗粒结构的破坏。这种空化的或破坏的颗粒可以增加植物材料(例如，分级分离的植物材料)可用于酶的利用率，例如，通过增加表面积的方式来实现。这种预处理被认为可以减少本发明乙醇生产方法中酶比率的数量。在一个实施方案中，本发明方法包括振荡植物材料(例如，分级分离的植物材料)并使含有植物材料的液体空化。这可以导致破坏植物材料和/或降低植物材料(例如，分级分离的植物材料)的尺寸。在某些实施方案中，本发明方法包括利用乳化技术、利用旋转脉冲(rotarypulsation)、利用磁致伸缩、或利用铁磁性材料处理植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这可以导致破坏植物材料和/或降低植物材料(例如，分级分离的植物材料)的尺寸。在一个实施方案中，本发明方法包括声波处理植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这可以导致破坏植物材料和/或降低植物材料(例如，分级分离的植物材料)的尺寸。在一个实施方案中，本发明方法可以包括利用声波来粉碎植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这种声波可以是超声波。本发明方法可以包括声波处理植物材料(例如，分级分离的植物材料)。该方法可以包括在可以有效减少(或者协助减少)颗粒尺寸至上面所述的尺寸的频率(例如，以kHz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及维持时间下声波处理植物材料。例如，该方法可以包括在20,000Hz和低于大约3000W下并在适当的温度下声波处理植物材料(例如，分级分离的植物材料)足够的时间。这种声波处理可以利用市场上已有的设备实现，例如可获自ETREMA(Ames，IA)的大功率超声波仪。在一个实施方案中，本发明方法可以包括使用旋转脉冲来粉碎植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这种方法可以包括在可以有效减少(或者协助减少)颗粒尺寸至上面所述的尺寸的频率(例如，以Hz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及持续时间下来旋转脉冲植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这种旋转脉冲可以利用已知的设备来实现，例如美国专利No.6,648,500中所介绍的设备，其所公开的内容作为参考被引入这里。在一个实施方案中，本发明方法可以包括使用脉冲波(pulsewave)技术来粉碎植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这种方法可包括在可以有效减少(或者协助减少)颗粒尺寸至上面所述的尺寸的频率(例如，以Hz度量的)、功率(例如，以瓦特度量的)及持续时间下来旋转脉冲植物材料(例如，分级分离的植物材料)。这种脉冲可以利用已知的设备来实现，例如美国专利No.6,726,133中所介绍的设备，其所公开的内容作为参考被引入这里。分级分离在一个实施方案中，植物性材料可分级分离为一个或多个组分。例如，植物性材料如禾谷类谷粒或玉米可分级分离为诸如纤维(例如，玉米纤维)、胚芽(ferm)(例如，玉米胚芽)以及淀粉和蛋白质的混合物(例如，玉米淀粉和玉米蛋白质的混合物)等组分。这些组分的一种或混合物可按照本发明的方法发酵。玉米或其它植物材料的分级分离可通过任意不同的方法或装置完成。例如，由Satake生产的系统可用于分级分离植物材料如玉米。在一个实施方案中，可以分级分离植物性材料中的胚芽和纤维组分并且将其从植物性材料的剩余部分中分离出来。在一个实施例中，植物性材料的剩余部分(例如，玉米胚乳)可以进一步研磨并且减小颗粒大小尺寸，然后同较大块的分级分离的胚芽和纤维组分进行合并用来进行发酵。在一个实施方案中，可以研磨植物性材料以获取增值产品(诸如neutraceuticals，leutein，类胡萝卜素，xanthrophils，果胶，纤维素，木质素，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)。分级分离可以通过多种方法和装置的任一种来完成，例如在U.S.专利申请发明者S·M·刘易斯申请人:布罗因联合公司