CN101144095A - 加工淀粉材料生产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加工淀粉材料的方法和系统，其能够有益地产生乙醇，糖浆，或淀粉作为主要产品，伴随产生食品级的辅助产品如，但不限于油，蛋白质，纤维，和谷蛋白粗粉。本发明可以向高剪切力加工机中在高于室温的淀粉材料施加力，以便对一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化。可以将液化酶导入高剪切力加工机中以便液化经加工的产品。可以降低加工过的淀粉材料的湿气含量，这优选发生在高剪切力加工机中。在糖浆纯化或乙醇发酵步骤之前可以分离一些辅助产品如油，蛋白质，纤维和谷蛋白粗粉。

Description

加工淀粉材料生产乙醇的方法
对相关申请的交叉参考
本发明是2004-06-30提交的美国专利申请系列号10/880,970的部分延续，其要求2002-06-30提交的美国临时申请系列号60/483,724的权益和优先权。
发明领域
本发明涉及通过向淀粉材料应用剪切力来加工淀粉材料以产生淀粉，乙醇，糖浆，油，蛋白质，纤维及其混合物的方法和系统。更加具体地，本发明利用高剪切力加工机来研磨、混合和胶凝化淀粉材料中的一些淀粉。
发明背景
通常将玉米或其它淀粉材料转化成营养产品或具有经济价值的产品，像乙醇。2006年2月，美国有95个乙醇工厂，总的年产能为44亿加仑乙醇。其中，11个工厂(乙醇工厂的12％)各自的年度工厂产能为62-274×106加仑，总量17.81亿加仑，其是美国总产能的40％。55个乙醇工厂(乙醇工厂的58％)，各自年度工厂产能产能为25-57×106加仑，总量为23.15亿加仑，其是美国产能的大约53％。剩余的301×106加仑，其大约是美国总产能的7％，由29个工厂(乙醇工厂的31％)提供，各具有小于25×106加仑的年度产能。
湿磨和干磨是当前在产业上使用的两种类型的乙醇加工方法。具有较大产能的工厂一般使用湿磨法。所有年度产能为57×106加仑或更少的工厂都使用干磨法(来源：Renewable Fuels Association，Washington，DC；Nebraska Energy Office，Lincoln，NE)。
如图8中所示的乙醇生产的湿磨法，由一个主要的乙醇生产加工过程和五个其它的辅助产品生产的分支流程组成。主要流程生产主产品乙醇，一开始将玉米浸泡在水和二氧化硫中801。将玉米放在大的浸泡罐中2-3天以促进玉米分离成其组成部分(即，胚芽，纤维，淀粉，谷蛋白)。然后以下列顺序对它进行加工：研磨和筛选802；去胚芽碾磨803；液体旋流804以便从含有淀粉、谷蛋白和纤维的浆中分离出胚芽；洗涤浆805；碾磨浆806；通过筛选从浆中分离纤维807；通过离心从淀粉中分离谷蛋白808；用洗涤滤器洗涤淀粉809以产生淀粉8 10；混合淀粉、水和酶以便在浆罐中形成淀粉混合物811；在蒸汽加压锅中煮淀粉混合物以便将淀粉液化和水解成大约5-15的葡萄糖等同物(DE)812；将煮过的混合物放置在浆罐中进行淀粉的进一步水解以形成糖浆813；向糖浆中加入酶进行糖化作用814；向糖浆中加入酵母进行发酵815；蒸馏发酵过的混合物以产生乙醇816；利用分子筛将水从乙醇中分离817；和乙醇的变性818。
湿磨的第一个分支流程用浸泡液产生玉米油粗粉，并在浸泡801后以下列顺序加工：轻浸水的超滤/离心860，通过蒸发861减少轻浸水的湿气以生产浸泡液，混合加入浸泡液862，通过干燥864减少浸泡液的湿气以生产带有浸泡液的玉米油粗粉。
在湿磨的第二个分支流程中生产粗制玉米油并在液体旋流步骤804后以下列顺序加工：：胚芽的洗涤和脱水850，干燥胚芽851，和胚芽的压榨(expeller)和抽提852以便从粗制玉米油中分离玉米油粗粉。
湿磨的第三个分支流程产生纤维。这个分枝过程在主要流程的筛选807并且继续进行纤维的干燥830。
谷蛋白粗粉在第四个分支流程中生产并且在离心808分离步骤之后以下列顺序进行：离心和脱水840，和谷蛋白粗粉的干燥841。
湿磨的第五分支流程生产蒸馏谷物(grain)。此第五分支流程在蒸馏步骤816之后并且以下列顺序进行：从糖浆中离心820分离固体，将液体从离心物中蒸发出来821，以及使用干燥器822减少来自剩余固体中的湿气以生产蒸馏谷物。
湿磨法产生乙醇和其它有价值的辅助产物如玉米油和淀粉。不过，如图8中所示，必须在浸泡步骤801中加入二氧化硫，并在湿磨程序的后续步骤中作为空气污染物排放出来。由于浸泡步骤801，谷蛋白粗粉中的蛋白质是不可食用的并且只能用于动物饲料。另外，玉米粒的浸泡要用几天时间并且需要大量能量和水。湿磨法复杂并且在机器方面需要非常多的资金投入。
挥发性有机化合物(VOC)，一氧化碳，氧化氮(NOx)，微粒物质(PM)，二氧化硫(SO2)，和/或有害空气污染物(HAPs)一般在湿磨方法的蒸发、干燥和/或蒸馏步骤中排放出来。在利用湿磨法生产乙醇的过程中排放出来的空气污染是严重的问题。例如，2004年EPA宣布了一项司法部与粮食工业巨头Archer Daniels Midland公司(ADM)的解决协议，该公司在其乙醇制造工厂中专门采用湿磨法。按照协议，要求ADM在全国的工厂中进行浸泡环境改造以减少排放。估计需要213×106美元的资金进行改造，以便实现解决协议所要求的排放减少量。
玉米加工的干磨法在主要流程中产生乙醇并在次级流程中产生蒸馏谷物。在干磨过程中，碾磨并加工玉米而不分离谷物的剩余各种组分(即胚，纤维，淀粉和谷蛋白)。产生乙醇的干磨法显示在图9中并且一开始利用锤磨机碾磨玉米901，将碾磨过的玉米和水放在浆罐中902，随后将混合物与酶一起加压蒸煮903。主要流程的其余步骤按下列顺序进行操作：烹煮的玉米在液化罐中进行液化904，与酶一起捣碎烹煮905，发酵906以生产啤酒，蒸馏907以生产酒糟(whole stillage)和乙醇，通过分子筛将水从乙醇中分离908，和乙醇的变性909。
在蒸馏步骤907之后按下列顺序实施第二分支流程：将酒糟离心分离920成湿的蒸馏谷物和稀酒糟，在干燥器中减少湿蒸馏谷物的湿气含量922，并在蒸发器中减少稀酒糟的湿气含量921以产生可溶性蒸馏物。由该第二分支流程生产的蒸馏谷物可以是具有10％湿气含量(重量比)的“干”型，或者可以是具有10％湿气含量(重量比)的“湿”型。可溶性蒸馏物的湿气含量可以在干燥器中进一步减少922。
大多数干磨法乙醇工厂只产生一种辅助产品，蒸馏谷物。尽管干磨法是一种较简单的方法并且比湿磨法需要更少的起始投资，但是对于干磨法来说有几个缺点。蒸馏谷物由油、蛋白质和残余的糖构成，用作牲畜饲料。它的经济价值不高。蒸馏谷物容易在干燥922步骤中“ 燃烧”并产生大量难闻气味的VOC和PM。此外，蒸馏谷物是容易腐烂的材料，它在储藏过程中也发出难闻气味。
与湿磨法一样，干磨法排放空气污染物如VOCs，一氧化碳，NOx，和PM。这些排放物在诸如捣碎烹煮905，二氧化碳涤气器910，和干燥器922步骤的几个步骤中产生。EPA对于干磨法具有严格排放限制。例如，2002年EPA要求几个干磨乙醇工厂达到对于NOx，PM，一氧化碳，和有害空气污染物的排放限制。要求每家工厂安装价值大约2百万美元/工厂的空气污染控制设备并且还要支付民事罚金。
可以采取几种方法来提高加工作食品或非食品用途的淀粉材料的生产，如简化加工方法以减少投资，减少空气污染物排放，生产食品级的产品，提高产品收率，以及生产具有高经济价值的产品。
本发明的一个实施方案可以生产几种高价值的产品，如，但不限于乙醇，玉米糖浆，淀粉，玉米醇溶蛋白(zein)，和具有高水平类胡萝卜素的油。乙醇是具有食品和工业用途的主要化学品。重配汽油用少量乙醇代替部分汽油。乙醇具有110的混合辛烷数(ON)，而高级汽油具有ON值95。乙醇还是可再生的能源并且比汽油更贵。
玉米糖浆和加工过的淀粉广泛用于食品工业中。高果糖玉米糖浆比包含蔗糖和葡萄糖的其它玉米糖浆更甜并且是从玉米中生产的最受欢迎的甜味剂。能够在广泛温度范围下于水中膨胀的加工过的淀粉可以提高食品生产的效率以及食品产品的稳定性。
玉米醇溶蛋白，来自玉米的蛋白质级分是一种醇溶谷蛋白，可溶于水性乙醇中，并且可以用于薄膜和纤维应用中。玉米醇溶蛋白可以用水性乙醇提取并且干燥成粒状粉末；不过玉米醇溶蛋白的分离是昂贵的。玉米醇溶蛋白有进行广泛应用的潜力；不过，这种潜力尚未成为现实，因为玉米醇溶蛋白生产太过昂贵而不能与尼龙和聚酯竞争。
植物油和类胡萝卜素可以用于多种工业和食品应用。近年来的研究证实源自玉米油的多聚不饱和脂肪酸作为膳食组分的价值。类胡萝卜素可以用作添加剂和着色剂并且用于基于油的食品和动物饲料。此外，类胡萝卜素如叶黄素，玉米黄质，和β-胡萝卜素已经显示具有健康益处。例如，食用叶黄素和玉米黄质可以预防眼睛的黄斑退变。本发明的一个实施方案可以提供具有高水平类胡萝卜素的油，其中类胡萝卜素叶黄素和玉米黄质的比例可以为大约2∶1到大约1∶1。
本发明提供在高剪切力加工机中加工淀粉材料以生产一种或多种产品的方法，克服了传统湿磨和干磨法的缺点。
发明概述
本发明涉及一种加工淀粉材料以生产一种或多种产品的方法，所述产品包括淀粉，乙醇，糖浆，淀粉，油，蛋白质，纤维，和谷蛋白粗粉。淀粉优选可以在水中于低于室温下膨胀。
根据本发明的淀粉材料可以是玉米，高粱，粟，稻，燕麦，小麦，大麦，荞麦，黑麦，甘薯，马铃薯，木薯，淀粉，或其混合物。
本发明的一个实施方案是一种加工淀粉材料的方法，包括以下步骤：将淀粉材料和水导入高剪切力加工机中；和向加工机中在高于室温下的所述材料施加力以便对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化来产生加工过的产品。可以将液体或蒸汽形式的水导入加工机中以便达到大约20％到大约80％w/w的液体含量，下文中w/w是淀粉材料和水的总重量比的缩写(即水的质量是混合物总质量的20到80％)。可以在高剪切加工机周围提供加热装置来提供从大约80℃到大约150℃的高于室温的温度。高剪切力加工机可以具有一个或多个旋转轴，该轴带有一个或多个用于施加力的翼，并且优选具有两个带翼的轴。
另外的步骤包括降低加工过的产品的湿气以生产减弱湿气的产品，这可以优选在高剪切力加工机中进行。降低湿气的产品可以是粉末、薄片、块，或其混合物，并且可以具有大约70％w/w或更少或10％w/w或更少的湿气含量，根据淀粉材料的类型而异。具有10％w/w或更少湿气的降低湿气的产品可以接触乙醇和水以便使乙醇脱水。
在低于室温，室温或高于室温下降低湿气的产品和水可以形成高粘度的糊状物，其比蒸馏水的粘度高。
另一步可以包括向高剪切力加工机中导入液化酶，如α-淀粉酶，以液化加工过的产品。
另一步包括将液体提取剂和降低湿气的产品接触以形成第一混合物，它可以包含含有油和醇溶蛋白质的可通过醇提取的产品，以及包含纤维、谷蛋白和淀粉的残余产品。
利用液体提取剂能够将可通过醇提取的产品与残余产品分离。液体提取剂的温度范围可以是大约50℃到大约78℃并且可以包含乙醇，优选大约85％到大约100％w/w；异丙醇；水；或其混合物。
另一个步骤加工油和醇溶蛋白质如玉米醇溶蛋白，可以将液体提取剂从可通过醇提取的产品中去除，并且可以将一些油与可通过醇提取的产品分离以生成进一步的产品。进一步的产品可溶于大约85％到大约100％w/w乙醇并且包含醇溶蛋白质和油。醇溶蛋白质是热塑性的并且可以玉米醇溶蛋白，高梁醇溶蛋白，或其混合物，根据所用的淀粉材料类型而异。所述油包含一种或多种类胡萝卜素，包括叶黄素，玉米黄质，番茄红素或其混合物。所述油优选包含最小量为250ppm的类胡萝卜素。
加工残余产品的另一步骤可以包括将残余产品中的液体提取剂的量减少到优选为按每吨残余产品计大约0.4到大约2.0kg。
可以将残余产品和水混合以形成第二混合物，其中残余产品与水的比例为大约1比大约2.0到大约1比大约4.0。可以将第二混合物加热至大约85℃到第二混合物的沸腾温度上的高于室温的温度。
生产糖浆的另外的步骤包括将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆并且将杂质从糖浆中去除。还可以干燥纤维，谷蛋白及其混合物。
生产乙醇的另外的步骤可以包括加入糖化酶以便将淀粉糖化成糖浆并针对糖化酶来调节第二混合物的pH和温度。糖化酶可以包括葡糖糖化酶，支链淀粉酶，或其混合物。一个实施方案可以将纤维和谷蛋白与糖浆分离并干燥纤维和谷蛋白。
在另一个实施方案中，第二混合物可以进行另外步骤的处理，包括将第二混合物的pH调节到6.8以上，将第二混合物加热至大约80℃到第二混合物的沸腾温度，将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆，以及干燥纤维，谷蛋白或其混合物。
其它步骤可以包括在微生物存在的情况下发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品，以及蒸馏所述经发酵的产品以产生经蒸馏的产品，其包含乙醇和水。蒸馏步骤还可以产生蒸馏残渣，可以再循环回到第二混合物中。经发酵的产品可以包含啤酒和二氧化碳，而经蒸馏的产品可以包含至少95％w/w乙醇和大约5％水。另一步骤可以包括将水从经蒸馏的产品中除去以产生无水乙醇，以及向无水乙醇中添加变性剂。
本发明的另一个实施方案提供一种加工淀粉材料以产生乙醇的方法，其包括以下步骤：将水，淀粉材料和液化酶导入高剪切力加工机；向加工机内处于高于室温的温度下的所述材料施加力来对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合、胶凝化，并且液化，由此产生经加工过的产品；降低经加工过的产品的湿气以产生湿气降低的产品；将液体提取剂和降低湿气的产品混合以形成第一混合物，其包含含有油和醇溶蛋白质的可通过醇提取的产品，以及包含纤维、谷蛋白和淀粉的残余产品；利用液体提取剂从残余产品中分离可通过醇提取的产品；降低残余产品中液体提取剂的量；形成包含残余产品和水的第二混合物并且加热第二混合物至高于室温的温度；在高于室温下糖化第二混合物中的一些淀粉；将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆；在微生物存在的情况下发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品，其包含啤酒和二氧化碳，以及蒸馏所述经发酵的产品以产生经蒸馏的产品，其包含乙醇和水；从经蒸馏过的产品中去除水以产生无水乙醇；以及向无水乙醇中添加变性剂。
本发明的另一个实施方案包括淀粉材料加工系统，其包含能够容纳淀粉材料和水的高剪切力加工机，对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化作用；具有提取剂的第一提取器，其能够分离含有蛋白质和油的可通过醇提取的产品，以及包含谷蛋白和淀粉的残余产品；脱溶剂装置以减少提取残留物中的残余提取剂；浆罐，以在高于室温的温度下混合水，第二种酶，以及提取的残留物，来形成包含纤维，谷蛋白，和糖浆的第二混合物；和用来从糖浆中分离纤维和谷蛋白的分离器装置。
该系统可以进一步包括干燥器以便干燥纤维，谷蛋白或其混合物。
该系统还可以进一步包括蒸发器装置以便从可以通过醇提取的产品中去除提取剂，和第二分离器装置以便分离可以通过醇提取的产品中的蛋白质和油。
该系统可以进一步包括发酵装置用于以微生物发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品；蒸馏装置用于蒸馏包含乙醇和水的经发酵的产品；第二个分离器装置以便从乙醇中分离水以产生无水乙醇；和混合装置用于向无水乙醇中添加变性剂。
在又一个实施方案中，提供一种加工淀粉材料的方法，其包括以下步骤：将淀粉材料、液化酶和水导入高剪切力加工机；向加工机内在高于室温的温度的所述材料施加力来对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合、胶凝化，并且液化，由此产生经加工过的产品；降低经加工过的产品的湿气以产生湿气降低的产品；形成包含湿气降低的产品和水的第二混合物。
另一步骤可以包括从第三混合物中分离出纤维、谷蛋白和油，留下待进行加工的糖浆。可以从谷蛋白和纤维中分离出油，和/或可以将油、纤维和谷蛋白各自彼此分离。随后可以干燥纤维、谷蛋白及其混合物。
另一个实施方案可以包括在高于室温下糖化第二混合物中的一些淀粉，留下待进行加工的糖浆；在微生物存在的情况下发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品，以及蒸馏所述经发酵的产品以产生经蒸馏的产品。经蒸馏的产品可以包含至少95％乙醇和水。可以从经蒸馏的产品中除去水以产生无水乙醇，并且可以向其中添加变性剂。蒸馏步骤还可以产生蒸馏残渣，其可以再循环到第二混合物中。
通过取消几个步骤和在这些步骤中必须的加工设备，本发明可以有益地提供优于常规湿磨和干磨法的改进。由于取消了这些湿磨和干磨步骤，有益地，本发明还可以需要较少的投资和较少的操作成本。另外，本发明的排放物比湿磨和干磨法更少。
本发明还可以有益地生产乙醇，糖浆，和淀粉作为主要产品，以及食品级的辅助产品，如，但不限于油，蛋白质，纤维，和谷蛋白粗粉。
附图描述
图1是根据本发明的例示性实施方案的淀粉材料加工方法的流程示意图，以生产玉米油，玉米醇溶蛋白，纤维，谷蛋白粗粉，和乙醇。在几幅图中，颗粒物称作PM而挥发性有机化合物称作VOC。
图2中的流程图示意类似于图1的方法，但是在主要加工流程中生产玉米糖浆而非乙醇。
图3是根据本发明的例示性实施方案的加工方法的流程示意图，使用玉米生产玉米油，谷蛋白粗粉，纤维，和乙醇。
图4是根据本发明的例示性实施方案的加工方法的流程示意图，使用玉米生产纤维，油，谷蛋白粗粉，和玉米糖浆。
图5A是可以安装在根据本发明的例示性实施方案的高剪切力加工机轴上的单一扁平翼的透视图。
图5B是图5A中所示扁平翼的侧视图。
图6A是图5A的翼的前视图，于零度旋转显示(称作1号位置)。
图6B是图5A的翼的前视图，于45度逆时针方向旋转显示(称作2号位置)。
图6C是图5A的翼的前视图，于90度旋转显示(称作3号位置)。
图6D是图5A的翼的前视图，于45度顺时针方向旋转显示(称作4号位置)。
图7是用在根据本发明的高剪切力加工机中的成对轴上的进料器螺旋和扁平翼的透视图。
图8是常规湿磨法的流程图，从玉米中生产乙醇，玉米油，纤维谷蛋白粗粉，和蒸馏谷物。
图9是常规干磨法的流程图，从玉米中生产乙醇和蒸馏谷物。
发明详述
本发明特别可用于玉米加工，但并不限于此，因为其它种类的淀粉材料如高粱，粟，稻，燕麦，小麦，大麦，荞麦，黑麦，甘薯，马铃薯，木薯，纯淀粉，大豆及其混合物可以通过本发明进行加工。淀粉材料可以是完整的谷粒或部分加工或加工好的淀粉材料底物。.
下面本发明针对玉米粒的加工进行描述，只用于例证的目的，并不用于限制。
在图1和2中的流程图中显示本发明的例示性实施方案。在此实施方案中，可以清洁包含淀粉材料的玉米粒以便在加工前除去石头。将玉米粒和水导入高剪切力加工机11，41。水可以是液体水或蒸汽的形式，可以处于高于室温。例如，可以分别将玉米粒和蒸汽导入高剪切力加工机的桶中。将水导入桶中，其量足以达到淀粉材料和水的大约20％到大约80％w/w的湿气含量，优选达到大约25％到大约50％w/W的湿气含量。添加到淀粉材料中的水的量根据淀粉材料的性质而定。本发明还预期其它液体如乙醇、甘油或其它增塑剂可以导入桶中以便在加工产品中获得各种功能特性。
当导入到高剪切力加工机的桶中时，水可以是液体或蒸汽的形式。水可以处于高于室温，如利用蒸汽加热玉米和水混合物至高于室温。
或者，可以在高剪切力加工机周围提供加热装置以便在对玉米和水混合物施加剪切力过程中在加工机桶中将混合物加热到高于室温。加热装置可以是常规蒸汽套。例如但不限于，带有整体蒸汽套的五英寸加工机可以提供大约60到大约150 psi的压力以便在加工机的桶中加热淀粉材料和水；不过，本发明设想带有蒸汽套的其它尺寸的加工机可以利用其它压力的大小以便在桶中加热所述材料。加热装置还可以是常规电加热元件或其它适于在加工机桶中加热所述材料的装置。如果使用电加热，套中的温度可以高280℃。
在加工机桶中的淀粉材料和水的高于室温的温度可以为从大约80℃到大约150℃，优选大约120℃到大约140℃。
高剪切力加工机11，41是这样一种设计，其能够在加工机中对玉米施加剪切力以便研磨、混合和胶凝化玉米和水混合物中的一些淀粉，以生产经加工的产品。例如，合适的高剪切力加工机可以包含套以高压蒸汽的成对螺旋连续加工机，并且可以从Readco ManufacturingCompany，York，Pennsylvania商购。不过，本发明并不限于这种设备并且可以利用其它类型的连续或成批高剪切力加工机，如单一或成对螺旋挤压机，揉面团机或其它能够产生高剪切力用于根据本发明进行操作的其它装备来实施。
高剪切力加工机可以具有一个或多个旋转轴，该轴带有一个或多个置于其上的翼来施加剪切力，并且优选具有带两个翼的轴。将每个轴放置在桶中，其与翼组配的形状紧密配合。
在优选的实施方案中，利用高剪切力加工机的成对轴上的系列翼来施加力或高度剪切。翼在操作过程中旋转并且可以是扁平或螺旋状的类型。扁平翼施加高剪切率，强混合作用，并且可以将材料传送到桶底指向排放端。螺旋翼可以常规正或反向类型的螺旋翼并且可以用于将材料传送到排放端。
扁平翼显示在5A，5B，和6A-6D中并且具有第一扁平表面22和第二扁平表面24，它们彼此平行。第一个弯曲表面26和第二个弯曲表面28是凹面，它们彼此相对。扁平表面22，24每个只与弯曲表面26，28相交。开口30垂直于扁平表面22，24并且穿过扁平翼的中心提供用于安装在轴40上。
参照6A-6D，扁平翼可以相对于彼此以各种旋转角度安置在轴40上。1号位置显示在图6A中并且相对于垂直线25为零度。2号位置显示在图6B中并且与垂直线25为逆时针45度。3号位置显示在图6C中并且与垂直线25为90度。4号位置显示在图6D中并且与垂直线25为顺时针45度。
成对轴40a，40b的例证性实施方案显示在图7中，所述轴每个都具有进料器螺旋部分47和翼部分48，其可以提供在高剪切力加工机的桶中。进料器螺旋46a，46b将玉米粒进料到加工机的桶中。进料器螺旋46a，46b可以通过本领域已知的常规方法进行控制，如微控制器。通过翼的构造，玉米粒和水混合物穿过桶移动并且接受由其中翼施用的剪切力。
图7中的翼构造是例证性的实施方案，并未意味着限制五英寸的成对螺旋高剪切力加工机，其具有来自Readco Manufacturing Company，York，PA.的高压蒸汽套。图7中所示的特定的翼构造在下面表1中指出，其中位置1是邻近进料器螺旋46a，46b的翼：
表1
    纵向位置轴40A     旋转位置     纵向位置轴40B     旋转位置
    12345678910111213141516     2221444322214443     12345678910111213141516     4443222144432221
在五英寸加工机操作过程中，五英寸加工机的轴40a和40b能够以大约50到大约250转每分钟(RPM)进行旋转。进料速率可以为大约1,000到大约2,000g每分钟。per minute.The pressure in the of the五英寸加工机的蒸汽套中的压力可以为在大约60到大约150psi之间以便在加工机的桶中将淀粉材料和水加热到大约80℃到大约150℃。本发明并不限于这些操作参数，因为其它加工机设置也可以用来获得根据本发明的加工产品。
本发明设想翼构造可以使用扁平和螺旋翼和翼的不同纵向和旋转位置，这取决于待加工的材料类型，加工机的类型，和预期的加工时间。例如，大于上述五英寸加工机的高剪切力加工机可以具有下面2中所示的下列翼构造，使用扁平(F)和正向螺旋(H)翼：
表2
    纵向位置轴A     翼类型     旋转位置     纵向位置轴B     位置类型     旋转位置
    123456789101112131415161718192021222324252627     HHFFHHFFHHFFHHFFHHFFHHFFHHF     432214332144321143221433214     123456/89101112131415161718192021222324252627     HHFFHHFFHHFFHHFFHHFFHHFFHHF     214432114322143321443211432
反向翼可以用作每个轴上的第二十八翼以便辅助加工过的产品落下通过排放端。高剪切力加工机的操作设置可以根据经验来确定以便在加工产品中实现预期结果。
高剪切力加工机中的翼构造在加工机的桶中于高于室温下对玉米和水混合物施加力以实现研磨、混合和胶凝化一些淀粉以产生加工材料。本发明在一件设备中实现完成加工步骤以提供彻底研磨和混合，而允许淀粉胶凝化和在半固体状态下的水解。研磨通过翼的压碎和碾磨将玉米碾成微小的谷粒。混合作用在加工机的桶中将组分混合。胶凝化发生在高于室温下，此时不溶性淀粉颗粒中的一些氢键被打破。淀粉颗粒随后被打开进行水合作用并且能够形成可溶于水的淀粉颗粒。高剪切力加工减小了淀粉的分子量，降低了淀粉材料和水的粘度，并且在加工产品中形成了蛋白质和油的复合物。
此外，可以将液化酶导入高剪切力加工机的桶中以实现淀粉材料和水的液化。液化酶优选可从Genencor of Palo Alto，California商购的α淀粉酶(商标Spezyme Fred)；还可以使用其它可商购的液化酶及其各自剂量来在加工机的桶中实现淀粉材料和水的液化。液化酶将加工产品中悬浮的水溶性淀粉颗粒转变成较短的链和粘度较小的糊精，并且可以在加工过程中减少能量消耗。加工机中的高剪切力作用通过将淀粉分子持续暴露于液化酶提高酶水解的效率。本发明在加工机中提供半固体状态的淀粉材料。α淀粉酶在半固体材料中比在液体中更稳定，并且它在脱离加工机后可以保留部分初始活性。淀粉材料和水的加工温度可以高达150℃以完成淀粉的胶凝化，这也有利于α淀粉酶水解。在高剪切力加工过程中，蛋白质和油形成复合物，其防止油在淀粉和酶之间形成屏障，这提高了酶完全水解淀粉的效率。α淀粉酶水解淀粉可以持续到浆罐14，44中，因为一些残余α淀粉酶可以保留在加工产品中。
随后可以减少加工产品中的湿气，优选发生在高剪切力加工机中，但是还可以通过其它常规方法如在烘箱中干燥以达到所需湿气含量来实现。高剪切力加工机的加热装置可以提供高于室温的温度，足以减少在加工机桶中的加工产品中的湿气含量。加工产品可以成为减少湿气的产品而离开加工机的排放端。减少湿气的产品可以是粉末、薄片、块状的形式，或其混合物。
当与水混合时，减少湿气的产品可以形成高粘度的糊剂。本发明对于在低于室温或室温下用水形成高粘度的糊剂特别有用；不过，也可以使用高于室温的水。添加到减少湿气的产品的水量取决于淀粉材料的类型和所需的结果。减少湿气的产品与水的比例可以优选为大约1∶0.5到1∶15。高粘度的糊剂可以具有比蒸馏水更高的粘度，所述蒸馏水在室温下具有l厘泊(cps)的粘度。例如但不限于，将10克减少湿气的各种淀粉材料的产品各自与水以表3中所示的比例混合，所述各种淀粉材料具有小于60筛目的颗粒大小。利用常规Brllall手动搅拌器混合减少湿气的产品和水以形成高粘度的糊剂。利用可商购的DXIIBrookfield于12rpm利用31轴来测定糊剂的粘度，对于样品提供下列粘度：
表3
Figure A20071012783900261
本发明并不限于以上例示性的实施例，因为可以使用减少湿气的产品与水的其它比例和水温来提供根据本发明的高粘度糊剂。
减少湿气的产品可以具有足够低以便进一步加工的湿气含量，可以小于大约70％w/w或更少，优选小于大约10％w/w或更少，更加优选在大约10％到3％w/w之间。可以由所需的产品来确定湿气含量。例如，当利用95％乙醇进行抽提时，如果减少湿气的产品要进一步加工生产油和玉米醇溶蛋白，那么湿气含量优选小于大约20％w/w或更少。为了实现提取油和玉米醇溶蛋白的最大效率，减少湿气的产品可以小于大约10％w/w或更小并与95％乙醇相接触以便在提取步骤12，42中同时将95％乙醇脱水到大约98-100％乙醇。
随后可以将减少湿气的产品与液体提取剂相接触以形成第一混合物，该混合物包含可以通过醇提的产品和残余产品。可以通过醇提的产品可以包含油和醇溶性蛋白质如，但不限于，源自玉米的玉米醇溶蛋白，源自高粱的高梁醇溶蛋白，或其混合物。
能够利用第一个提取器12，42中或其它常规提取装置的液体提取剂将可通过醇提的产品与残余产品分离，所述提取装置例如但不限于重力溶剂提取器。可以将乙醇，异丙醇，水，或其混合物用作液体提取剂；不过，本发明预期可以使用其它能够分离残余产品和可通过醇提的产品的液体提取剂。优选地，液体提取剂是乙醇，浓度为85-100％w/w乙醇平衡水，优选浓度为95-98％w/w乙醇水溶液。液体提取剂的温度为大约50℃到大约78℃，优选65℃-75℃。在加工机中的高剪切力条件下，可以包含玉米醇溶蛋白和玉米油的醇溶性蛋白质形成复合物，该复合物可在高于50℃的温度下溶于85-100％w/w乙醇水溶液中。复合物的这种特性能够定量地并且同时提取玉米油和蛋白质。通过实施例1中描述的常规方法中的一种可以实现提取。
随后可以通过常规方法如冷却或在蒸发装置21，24中蒸发来除去液体提取剂。蒸发可以使用旋转蒸发器或其它常规设备来实现。还可以使用膜技术，或本领域常用的其它设备来除去提取剂。另外，蒸发的提取剂可以再回收到提取器12，42中以便进一步提取。
当除去提取剂时，可醇提的产品中的可醇提蛋白变成固体。这使得醇溶性蛋白质可以与一些油中分离。可以利用倾析，沥滤(straining)，过滤，离心，重力提取器22，25，或其它常规装置来从一些油中分离醇溶性蛋白质，留下另一种产品。提取器22，25优选使用己烷作为溶剂来从一些油中分离蛋白质，因为油可溶于已烷而醇溶性蛋白质不行。可以将提取的油和溶剂转移到蒸发器23，26中，在那里可以回收溶剂以便再循环回提取器22，25中，并且留下油作为该过程的辅助产品。
在除去一些残余的油之后，进一步的产品现在包含可醇提的蛋白质和一些油，其可以描述为蛋白质-油复合物。提高的醇溶性使得该物质可以与油同时提取，并且有别于未加工过的玉米醇溶蛋白蛋白质，后者只可溶于60-80％的乙醇。蛋白质-油复合物具有热塑性的特性并且可溶于大约85％到大约100％w/w的乙醇。热塑性被定义如下，即一种材料当加热时能够变软而当在有限时间内冷却时可以变硬。所述蛋白质-油复合物是食品级的，这意味着可以为人所用，并且是可以生物降解的，而这意味着能够被生物因子所分解。
分离的油可以包含一种或多种类胡萝卜素。类胡萝卜素能够以许多不同形式存在并且它们的含量在很大程度上不同，这取决于淀粉材料的类型。淀粉材料像玉米和高粱可以产生一种油，它能够包含一种或多种类胡萝卜素如，但不限于叶黄素，玉米黄质，番茄红素，或其混合物。所述油可以包含最少250ppm的类胡萝卜素。例如但不限于，根据图1中所示的本发明的一个实施方案加工的材料的类胡萝卜素含量在下表4中列出。
表4
Figure A20071012783900291
如Puspitasari-nienaber等(2002)所述通过HPLC分析类胡萝卜素
利用Puspitasari-nienaber，N．L．Ferruzzi，M．G．，和Schwartz，S．J．所述的方法通过HPLC测定类胡萝卜素含量，题为“Simultaneousdetection of tocopherols，carotenoids and chlorophylls in vegetable oils bydirect iniection C30 RP-HPLC with coulometric electrochemical arraydetection”，于Journal of the American Oil Chemistry Society(2002)的第79卷，第633-640页发表。本发明预期类胡萝卜素可以利用常规方法从油中分离。
本发明的含有类胡萝卜素的蛋白质．油复合物和油辅助产品可以提供优于传统辅助产品如蒸馏谷物的价值，由此减少加工成本。
残余产品可以进一步由提取器12，42转移到脱溶剂装置13，43中。脱溶剂装置13，43可以对残余产品应用热和真空来除支一些残余液体提取剂。残余物中液体提取剂的量取决于残余产品是将要加工生产乙醇或是糖浆，并且可以为每吨残余产品从大约0.4到大约2.0kg。如果残余产品将要用于乙醇生产，则残余溶剂可以为每吨残余产品包含多于大约2 kg液体提取剂。不过，如果残余产品用于糖浆生产，则残余的乙醇应当大约小于0.8此每吨。回收的液体提取剂可以进行冷凝和回收用于再循环并进一步用于提取器12，42中。
随后可以用残余产品和水在浆罐14，44中形成第二混合物。第二混合物可以具有大约1-2.0到大约1到大约4.0的残余物与水的比例，优选具有大约1到大约2.3的残余物与水的比例。第二混合物可以是包含大约35％w/v的糖的低粘度浆液。随后可以将该浆液加热至大约85℃到大约第二混合物的沸腾温度的高于室温的温度。加热所述浆液可以加速淀粉分散过程并且残余α淀粉酶可以在第二混合物中继续水解淀粉至所需的DE值。所述浆液可以进一步进行加工，这取决于主要产品为糖浆或是乙醇。
对于糖浆生产，可以延长对第二混合浆液的加热来产生所需的DE值。例如但不限于，糖浆的DE可以为大约5到42，用来生产葡萄糖。可以从第二混合物中分离出糖浆，留下纤维和谷蛋白，如图2中的例示性实施方案所示。利用常规纯化46方法可以纯化糖浆并干燥成具有各种DE值的麦芽糖糊精，例如但不限于DE10，DE24，或DE42麦芽糖糊精。可以利用其它常规操作步骤，如但不限于向麦芽糖糊精中加水，加热，调节pH，加酶来生产糖浆产品，像葡萄糖、麦芽糖、右旋葡萄糖、麦芽糖糊精，和高果糖玉米糖浆。例如，可以向具有DE值5到42之间的麦芽糖糊精中加入水，并且可以将水和麦芽糖糊精混合物的pH调节到大约4.5到大约5，并且可以加入葡糖淀粉酶以便将麦芽糖糊精转变成葡萄糖。另外例如，可以向麦芽糖糊精中加入水，可以将水和麦芽糖糊精混合物的pH调节到大约4.5，可以将水和麦芽糖糊精的温度加热到60℃，并且可以加入麦芽糖酶以便将麦芽糖糊精转变成麦芽糖。
或者可以将第二混合物进行糖醇来在浆罐14中生产乙醇。为了将淀粉糖化成糖浆，可以将糖化酶，如，但不限于葡萄糖淀粉酶，支链淀粉酶，或其混合物加到第二混合物中。可任选地添加支链淀粉酶，因为这取决于用于发酵过程中的酵母菌株的类型。可以针对具体的酶来调节第二混合物的pH和温度。在大约3.5到大约5.0的pH和大约50℃到大约65℃的温度下，可以向第二混合物中加入糖化酶。例如但不限于，当第二混合物具有大约3.5到大约5的pH和大约55℃到大约65℃的温度时，可以将按每千克第二混合物中的淀粉的量计0.5-5.0ml葡萄糖淀粉酶用作糖化酶，所述葡萄糖淀粉酶可从Novozymes ofBagsvaerd，丹麦商购。本发明还预期利用常规酸水解方法进行糖化。
可以进一步加工第二混合物以促进纤维和谷蛋白与糖浆分离。可以将第二混合物的pH调节到6.8以上以便使任何残留蛋白质变性，并且温度可以为大约80℃到大约第二混合物的沸腾温度。如果糖浆用于生产乙醇，优选用氨水调节pH。这些任选步骤可以提高纤维和谷蛋白粗粉与糖浆分离的效率。
对于糖浆或乙醇生产来说，可以在分离器装置15，45中将糖浆与纤维和谷蛋白粗分离，并分别利用纤维干燥器31，34和谷蛋白粗粉干燥器32，35进行干燥。第二混合物的低粘度允许利用过滤来除去相对较大的纤维颗粒。利用固体/液体重力过滤分离装置筛选或其它足以从第二混合物中分离纤维颗粒的常规方法来实现过滤。纤维和谷蛋白粗粉可以是滤饼形式。随后可以将纤维和谷蛋白粗粉通过固体/液体重力过滤分离装置的过滤介质，在这里可以将较细的谷蛋白粗粉颗粒从谷蛋白粗粉中除去。谷蛋白粗粉可以残留在滤器介质的筛选部分上，包含大约75％湿气。
在转移到干燥器31，34之前，可以将纤维经过脱水压榨机以除去残余的水。纤维干燥器31，34和谷蛋白粗粉干燥器32，35可以是传统的干燥机，其足以在纤维和谷蛋白粗粉达到所需的湿气含量。
可以在微生物存在下将糖浆置于发酵装置16中，所述微生物如，但不限于酵母可以发酵糖以生产经发酵的产品。例如但不限于，对于包含20％w/w糖的每升糖浆来说，发酵微生物可以是10ml的酿酒酵母(saccharomyces cerevisiae)，可从Red Star of Milwaukee，Wisconsin商购，生长在YMP肉汤(酵母提取物，麦芽提取物，和蛋白胨)中。发酵微生物的量取决于所用的微生物或靶向的经发酵产品。发酵可以在没有玉米固体和油的情况下进行，因为在发酵前油，玉米醇溶蛋白，纤维，和谷蛋白粗粉可以从糖浆中分离。没有谷物固体，发酵没有“卡塞”的问题(发酵不能继续，尽管糖还存在)，而这种“卡塞”的问题一般见于干磨方法中。此外，当分离固体和油时，发酵罐的物料通过量可以比常规干碾法小至少30％。在发酵步骤减少的物料通过量可以减少该步骤的资金成本和操作成本。不过，本发明还预期一种或多种油，玉米醇溶蛋白，纤维，和谷蛋白粗粉可以保留在糖浆中。
发酵方法产生可以包含啤酒和二氧化碳的发酵产物。啤酒可以是乙醇“啤酒”。二氧化碳可以是发酵步骤16产出量的大约33％。二氧化碳可以利用常规CO2涤气器16a除去或捕获为产出物。可以将捕获的二氧化碳去除任何残余乙醇，压缩，并出售给其它工厂，如碳酸饮料生产商，干冰生产商，食品生产商，和造纸厂。发酵产品可以是最终产品，加工来用于抗生素或其它常规应用，或能够进行蒸馏17以产生蒸馏产品。
蒸馏产品可以包含乙醇和水，优选大约95％w/w乙醇和大约5％水。利用常规蒸馏装置和方法如利用蒸馏柱以蒸馏乙醇可以进行蒸馏17。蒸馏柱不太可能被干磨法的固体所夹带，因为本发明可以在蒸馏步骤17之前分离出谷物油和固体。本发明还可以提供减少的物料通过量，因为蒸馏可以在没有谷物油和固体的情况下进行。当与常规干磨法相比时，在蒸馏步骤17中减少的物料通过量可以提供更低的操作成本和资金投入。
蒸馏步骤还可以在蒸馏柱底部产生蒸馏残渣并且可以再循环回到浆罐14中。本发明可以不必在湿磨和干磨的蒸馏步骤816，902中分离液体。由于玉米和其它淀粉材料其中可以有盐，蒸馏残渣可以包含盐和水溶性物质如，但不限于蛋白质，固体和酵母细胞碎片。在若干次再循环蒸馏残渣到浆罐14中之后，蒸馏残渣中的盐浓度可以提高。当盐浓度提高到发酵步骤16中的酵母不能忍受的时候，可以对蒸馏残渣进行脱盐用于再循环。脱盐过程可以是常规的脱盐过程，其足以减少蒸馏残渣中的盐浓度，如但不限于利用蒸发器17a回收蒸馏残渣中的水，以及利用常规脱盐装置17b来结晶残余的盐。随后可以滤出盐，并且可以将剩余的液体再循环回浆罐14或高剪切力加工机中。
利用第二个分离装置如分子筛18可以将水从蒸馏产品中去除来产生无水乙醇。利用常规方法如通过将乙醇流过常规分子筛18可以将乙醇精馏成无水乙醇。在此阶段的乙醇可以称作无水乙醇，因为它是基本上纯的，不含水的，大约200检验(proof)。
变性19可以是乙醇生产的最后步骤，并且使乙醇对于人类消费有毒。在常规混合装置中向乙醇中加入小量的汽油，如但不限于大约2到大约5％w/w以便使它不适于人类消费。
通过所述方法制备的乙醇可以每蒲式耳玉米产生大约2.85加仑乙醇，它比湿磨方法2.45加仑的产量和干磨方法2.80加仑的产量都要多。
本发明的其它实施方案显示在图3和4中，用于加工淀粉材料，而无需分离油-蛋白质复合物的步骤。这些实施方案的起始步骤与上述相同并且包含导入淀粉材料，液化酶，和水到高剪切力加工机51，71中；在加工机内于高于室温下向所述材料施加剪切力以便研磨、混合、胶凝化淀粉材料的一些淀粉，和液化，由此产生经加工的产品；减少经加工产品的湿气以产生减少湿气的产品，其包含油，蛋白质，纤维，谷蛋白，和淀粉；和在浆罐52，72中形成包含减少湿气的产品和水的第二混合物。
图3中所示的用于乙醇加工的示例性实施方案可以包含在浆罐52于高于室温下向第二混合物中添加糖化酶以便将淀粉转变成可发酵的糖。任选地，将pH调节到6.8以下以及将第二混合物在80℃以上加热2分钟可以促进纤维和谷蛋白与第二混合物分离。随后可以将第二混合物用于分离装置53来从第二混合物中分离纤维，谷蛋白，油，留下糖浆进行乙醇加工。
随后利用常规方法如利用提取装置61中的溶剂可以将油与谷蛋白和纤维分离。随后在常规蒸发装置62中可以将溶剂从油中去除以提供玉米油产品。在纤维和谷蛋白粗粉中的剩余溶剂可以利用常规去溶剂装置63来去除，如，但不限于离心机或蒸发器，并且可以进行干燥。
随后将糖浆应用于发酵装置54以便在微生物存在的情况下发酵糖浆，所述微生物如酵母可以发酵糖以产生经发酵的产品，以及在蒸馏装置55中蒸馏所述经发酵的产品以产生经蒸馏的产品。发酵步骤产生啤酒和二氧化碳。二氧化碳可以利用常规二氧化碳涤气器54a来减少或捕获为辅助产品。蒸馏步骤还可以产生蒸馏残渣，其可以再循环回浆罐52中的第二混合物中。
蒸馏产品可以包含乙醇和水，优选包含至少95％乙醇和大约5％水。利用分子筛56可以将水从蒸馏产品中去除以产生如上所述的无水乙醇。可以向乙醇中加入变性剂以变性47乙醇。
图4中所示的糖浆产品的示例性实施方案可以包括将第二混合物置于浆罐72中并添加酶进行淀粉的水解，所述酶如，但不限于葡萄糖淀粉酶，支链淀粉酶，和麦芽糖酶。可以将第二混合物加热至大约85°到大约第二混合物的沸腾温度的高于室温的温度，并且可以向其中加入酶。加热浆可以加速淀粉散布过程并且滤去任何存留的谷物固体。可以延长加热以产生所需的葡萄糖当量(DE)值。加热允许残余的α淀粉酶在第二混合物作进一步加工之前将淀粉进一步水解到所需的DE值。根据所用酶的规格来确定浆罐中混合物的加热和pH调节。
随后可以将第二混合物应用于分离装置73以便将纤维与谷蛋白和油分离。纤维随后可以在干燥器65中干燥以产生纤维产品。
可以利用常规溶剂提取装置66进一步分离谷蛋白和油，留下糖浆。随后可以在常规蒸发装置67中利用蒸发从油中除去溶剂以产生油产品。常规蒸发68设备和方法可以用于从谷蛋白粗粉中除去任何溶剂。可以在干燥器69中进一步加工谷蛋白粗粉以产生最终谷蛋白粗粉产品。
利用常规技术可以纯化74糖浆以除去任何杂质和生产糖浆产品如葡萄糖，麦芽糖糊精，右旋葡萄糖，和高果糖玉米糖浆。
提供下列实施例以便更充分地说明本发明，但不应视为对其范围的限制。
实施例1：
使用两英寸的双螺旋浆高剪切力加工机(Readco ManufacturingCompany，York，PA)进行可行性研究。还由Readco ManufacturingCompany提供五英寸的双螺旋浆加工机。根据流程图加工玉米粒和玉米谷蛋白粗粉(图1)。对于完整玉米粒来说，制备两种对照。一组对照样品在不加入α淀粉酶的情况下进行加工，而另一组对照样品在没有高于室温的温度但有高度剪切力的情况下进行加工。
在提取实验中，将1,000g样品置于柱中(直径5cm，长度65cm)，所述柱外套有65℃-75℃的热水。两小时后，样品的温度得以平衡，将1,300ml 95％乙醇泵到柱的顶部并开始洗脱。收集大约1,000ml的洗脱物，并将其余溶剂残留在玉米残渣中。将提取物冷却到室温。冷却后，一些玉米-油复合物沉淀下来，将溶液和沉淀物在真空旋转蒸发器中蒸发。用已烷进一步提取蛋白质级分中的油。在蒸发溶剂后测定玉米油和玉米醇溶蛋白质的收率。
提取α淀粉酶处理的样品，有8％的收率，包括大约4％玉米油和4％玉米醇溶蛋白质。该操作改变了蛋白质的溶解性。在高于65℃ 的温度下，同时提取玉米油和玉米醇溶蛋白质。热溶剂中的蛋白质浓度为大约4％。这种经加工的材料的溶解性比自然状态下的玉米醇溶蛋白至少高10倍。
没有加入α淀粉酶的对照样品具有大约4％的收率，包括2.5％的蛋白质和1.5％的玉米油。另一组对照样品，没有在加工机中应用高于室温的温度，进一步将收率降低到大约2％，包括大约1％的玉米油和1％的玉米醇溶蛋白质。
当获自湿磨法的玉米谷蛋白粗粉被用作原材料时，不使用α淀粉酶，因为没有残余的淀粉。处理的样品的收率为大约25％，包括2.5％玉米油。由于玉米谷蛋白粗粉并不包含足够的油来与玉米醇溶蛋白形成复合物，所以提取的收率小。
事实上，在去除玉米醇溶蛋白后，残余的玉米谷蛋白粗粉具有更加平衡的蛋白质/赖氨酸比例，其对于动物有益。在没有应用高于室温的温度的对照样品中，收率仅为5％。
提取的蛋白质的性质是热塑性的。它的熔点为大约50℃。
实施例2：
将来自Genencor的25ml α淀粉酶(Spezyme Fred)和1,500ml水与5kg玉米混合并将混合物以70g/分钟的速率投料到两英寸的连续加工机中；蒸汽套中的蒸汽压为90psi；RPM为100。加工操作提供了粉末形式的减少湿气的产品，其具有大约6％的湿气含量。
将1000g减少湿气的产品放置在外套有68℃ 热水的提取柱上(直径5cm，长65cm)。从提取柱的顶部投料1,300ml的乙醇(65℃ )。以20ml每分钟的速率收集1000ml的洗脱液。通过将压缩气体过柱来将柱中残余物质去溶剂化(乙醇未回收)。利用真空旋转蒸发器来蒸发洗脱液。获得87g的残留物质。随后用250 ml己烷将残留物质中的油提取两次。在将已烷从提取物中蒸发后获得大约44 g玉米油。
在烧杯中将去溶化的残留物质与2200ml水混合以形成浆并加热到95℃ 30分钟。在冷却到65℃后，将浆的pH调节到4.75并向浆液中加入1ml来自Novozymes的葡糖糖化酶。在将浆液维持在65℃五小时后，将浆液进一步调节到pH 6.8并加热到95℃两分钟。随后将浆液倒在筛网(200目)上以除去纤维。用100ml水将筛网上的纤维洗涤三次。合并洗涤水与穿过筛网的液体。利用真空滤器进一步过滤液体以除去谷蛋白。用100ml水洗涤滤饼。收集大约2400ml的过滤物。过滤物的糖浓度为大约24brix。
将过滤物置于发酵罐中并向它加入10ml的酵母培养物。24小时后，啤酒包含大约11.5％w/w的乙醇。将啤酒置于蒸馏装置中以除去乙醇。获得大约380 ml的乙醇水溶液。将残留的蒸馏物(2100ml)再循环以便与脱溶剂化的残留物质形成浆液。
本发明的实施方案可以改善淀粉材料的加工，所述淀粉材料加工来用于食品和非食品用途。这些实施方案可以优选具有一种或多种下列超越现有技术的优点：
本发明超越湿磨方法和设备的优点
本发明利用高剪切力加工机11，41，51，71，81作为起始生产程序来研磨、混合、胶凝化和液化玉米。相反地，湿磨方法利用浸泡和碾磨作为研磨玉米的起始生产程序。
本发明需要较少的设备和较少的步骤来达到乙醇生产的发酵步骤。例如，图1中所示的实施方案具有五个步骤，图4具有三个步骤，而图5只具有两个步骤来达到发酵步骤。尽管湿磨乙醇加工需要下列步骤和设备：浸泡801，碾磨筛选802，去胚研磨803，液体旋流分离804，洗涤805，碾磨806，筛选807，离心808，淀粉洗涤滤器809，浆罐，811，蒸汽加压锅812，浆罐813，和糖化814。
图1-4中所示的本发明的实施方案还去除了湿磨法的产生蒸馏谷物的第五个辅助产品分支，其需要离心820，蒸发器821，和干燥822设备。通过去除离心和干燥器设备作为生产蒸馏谷物的最后生产程序，本发明消除了在湿磨法下生产蒸馏谷物所引发的空气污染物和臭味的问题。
由于根据本发明的操作排除了多个湿磨步骤和设备，本发明有益地比湿磨法需要更少的投资。据估计本发明的资金设备成本比一家50×106加仑湿磨乙醇厂所需的要少一半。
另外，即使图1和3中所示的本发明的实施方案的发酵16，54和蒸馏17，55步骤也不同于湿磨法中的发酵815和蒸馏816步骤。发酵16，54和蒸馏17，55的物料通过量并不包含谷物固体，因为蒸馏谷物并非物料通过量的部分。而湿磨的发酵815和蒸馏816步骤携带谷物固体(来自玉米浸泡液的添加)用于生产蒸馏谷物，其随后在蒸馏816之后与乙醇分离。
当与湿磨法相比时，本发明可以减少水输入多达95％，减少废水排出多达90％，并且减少用电量多达47％。
本发明每蒲式耳玉米可以产生2.85加仑乙醇，其大于湿磨法每蒲式耳玉米2.45加仑乙醇的乙醇产量。
本发明还消除了湿磨法起始生产过程的浸泡801步骤，以及在浸泡中使用SO2。因而，SO2作为空气污染物排放的问题以及臭味问题被本发明完全消除。
乙醇的湿磨方法可以产生五种辅助产品：玉米油，玉米油粗粉，浸泡液，谷蛋白粗粉，纤维，和蒸馏谷物。本发明可以消除作为辅助产品的蒸馏谷物和玉米浸泡液，以及加工蒸馏谷物所需的设备。本发明可以有利地消除在蒸馏谷物加工过程中产生的空气污染，以及蒸馏谷物加工所需的资金投入。
本发明超越干磨方法和设备的优点
现有技术图10中所示的干磨方法图示了用于乙醇生产的干磨方法，并且对于起始生产步骤需要使用锤磨机，浆罐，和蒸汽加压锅。然而本发明仅仅使用高剪切力加工机11，41，51，71，81作为起始生产步骤。根据本发明所用的高剪切力加工机在一个设备中可以实现淀粉材料的研磨、混合、胶凝化和液化。
本发明消除了锤磨机，浆罐，和蒸汽加压锅所需的投资，而这在干磨工厂中消耗了超过总投资的三分之一。
此外，对于本发明来说在发酵前生产各种辅助产品所需的设备成本不超过干磨蒸馏谷物加工设备。例如，蒸发器21，提取器22，蒸发器23，纤维干燥器31，和谷蛋白粗粉干燥器32显示于图1中并提供油，玉米醇溶蛋白，纤维，和谷蛋白粗粉作为辅助产品。在本发明中生产各种辅助产品所需的设备成本不超过在干磨法中用来生产蒸馏谷物的离心机920，蒸发器921，和干燥器922的成本。
加工步骤可以不同于干磨法。例如，图1中所示的实施方案一开始在加工机11中施加剪切力来研磨、混合、胶凝化和液化淀粉材料和水；提取；去溶剂化作用；和在发酵前的糖化作用。干磨方法在发酵前需要下列步骤：通过锤磨机研磨，在浆罐中浸泡，蒸汽烹煮进行胶凝化，在液化罐中进行液化，和捣碎烹煮。
图1-4中所示的本发明的实施方案并不产生像在干磨方法加工蒸馏谷物中所产生的臭味。
本发明还可以节约投资，因为本发明在发酵步骤中物料通过量减少30％。完整的谷粒进入发酵罐，相反地，本发明在发酵罐中可以没有谷物固体。在干磨方法中的发酵混合物包含蒸馏谷物固体，它占投料入发酵罐中的液体体积的大约30％。本发明在发酵和蒸馏步骤之前分离玉米醇溶蛋白，油，纤维和谷蛋白粗粉以减少其中的物料通过量。另外，本发明的蒸馏步骤可以只有干磨蒸馏设备物料通过量的一半。当与干磨发酵和蒸馏步骤相比时，在本发明发酵和蒸馏阶段减少的物料通过量提供了更低的操作成本和资金投入。
此外，本发明可以通过将蒸馏残渣再循环回第二混合物而进一步减少成本。在干磨法中，必须在蒸馏步骤907中分离液体，其可能需要通过离心进行分离并进行干燥。这种蒸馏后设备的资金成本可以占干磨乙醇工厂总设备成本的大约39％。本发明可以消除对这种设备的需要。
大多数干磨乙醇工厂生产蒸馏谷物作为它们的主要辅助产品，其在发酵后进行加工并作为生产的最后步骤。蒸馏谷物的经济价值低并且主要用于动物饲料生产。相反地，本发明可以生产乙醇以及食品或药品级的辅助产品，如，但不限于，油，类胡萝卜素，蛋白质，纤维，谷蛋白粗粉，及其混合物。另外，本发明的辅助产品在发酵过程之前进行生产。
而且，如上面所讨论的，蒸馏物的生产排放大量的空气污染和臭味。由于本发明能够消除作为辅助产品的蒸馏谷物，因此可以消除由用于加工蒸馏谷物的设备所产生的大量空气污染。本发明还能消除在蒸馏谷物的生产和保存期间所释放的臭味。
在本发明中生产的产品的优点
本发明可以生产淀粉，乙醇，或糖浆作为主要产品并且可以生产几种食品级的辅助产品像油，蛋白质，纤维，和谷蛋白粗粉。
例如，当根据图1中所示的本发明的实施方案对玉米进行加工时，辅助产品可以包括具有类胡萝卜素的玉米油，玉米醇溶蛋白，纤维，谷蛋白粗粉，和二氧化碳。这些辅助产品可以在发酵步骤16之前产生并且包含下列玉米输入百分比：
                                        玉米输入百分比：
玉米醇溶蛋白(食品和药品级)                 3.80％
具有高水平类胡萝卜素的玉米油               4.35％
具有良好营养价值的玉米谷蛋白粗粉(食品级)    3.50％
无残留淀粉的食品或工业级的玉米纤维          12.30％
四种辅助产品总计                             23.95％
这些辅助产品的价值是利用干或湿磨法生产的蒸馏谷物一般价格的几倍。2006年5月，玉米油估价为大约$600每吨；玉米谷蛋白粗粉估价为大约$265每吨；玉米纤维估价为大约$58每吨；而玉米醇溶蛋白应当甚至比玉米油要价更高。这四种辅助产品的总收入远远超过蒸馏谷物的价格，而蒸馏谷物估计仅为$88每吨。
环境影响
如上所述，对于湿磨和干磨各个加工步骤中排放物二氧化硫，VOCs，一氧化碳，NOx，PM，HAPs和/或臭味有所关注。本发明完全消除了二氧化硫的排放，因为不需要浸泡步骤。本发明还可以消除蒸馏谷物作为辅助产品，而这也可以消除大量的空气污染和在蒸馏谷物加工过程中的臭味。
本发明可以减少VOCs和PM的排放，因为本发明可以捕获油和蛋白质作为辅助产品，而不是像在干磨法中那样燃烧它们并将排放物作为空气污染释放。
另外，在本发明中可以消除干磨和湿磨方法中产生排放物的一些设备。例如，本发明不需要离心机820，920和干燥器821，922。尽管在本发明的一些阶段可以生成一些VOCs，总的VOC和PM排放可以比干磨和湿磨方法更少。
此外，本发明还可以减少自然资源和能源的消耗。例如，本发明可以比湿磨方法少使用大约95％的水；并且当与湿磨方法相比时减少了多达47％的用电量。本发明可以有利地使用高剪切力加工机进行几个加工淀粉材料的步骤，这可以有利地减少从研磨到淀粉液化的加工时间至两分钟。减少加工时间还可以减少在常规干磨和湿磨方法起始步骤中一般所需的自然资源的量。
应当理解的是已经相对于某些具体实施方案对本发明进行了描述，目的是说明而非限制。本发明预期可以进行改进、改变等，而不会背离下列权利要求所体现的本发明的内涵和外延。

Claims (63)

1.一种加工淀粉材料的方法，其包括下列步骤：
(a)将淀粉材料和水导入高剪切力加工机；和
(b)向加工机中在高于室温的温度下的所述材料施加力以便对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化，由此产生经加工过的产品。
2.根据权利要求1的方法，其中所述淀粉材料是玉米，高梁，粟，稻，燕麦，小麦，大麦，荞麦，黑麦，甘薯，马铃薯，木薯，淀粉，或其混合物。
3.根据权利要求1的方法，其中将所述水导入高剪切力加工机中以便达到淀粉材料和水的大约20％到大约80％w/w的液体含量。
4.根据权利要求1的方法，其中所述高于室温的温度为从大约80℃到大约150℃。
5.根据权利要求1的方法，其中在高剪切力加工机周围提供加热装置用来提供高于室温的温度。
6.根据权利要求1的方法，其中加工机包括具有一个或多个旋转轴的高剪切力加工机，所述轴带有一个或多个用于施加力的翼。
7.根据权利要求6的方法，其中的高剪切力加工机具有两个带有用于施加力的翼的轴。
8.根据权利要求1的方法，其中步骤(a)进一步包括将液化酶导入高剪切力加工机中以液化经加工过的产品。
9.根据权利要求8的方法，其中所述液化酶是α-淀粉酶。
10.根据权利要求1的方法，进一步包括降低经加工产品的湿气以产生降低湿气的产品。
11.根据权利要求10的方法，其中降低湿气的产品是粉末、薄片、块，或其混合物。
12.根据权利要求10的方法，其中降低湿气的产品和水在低于室温，室温或高于室温的温度下形成高粘度的糊状物，其比蒸馏水的粘度高。
13.根据权利要求10的方法，其中所述降低湿气发生在高剪切力加工机中。
14.根据权利要求10的方法，进一步包括一种具有大约70％w/w或更少湿气含量的降低湿气的产品。
15.根据权利要求10的方法，进一步包括一种具有大约10％w/w或更少湿气含量的降低湿气的产品。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括将降低湿气的产品与乙醇和水接触以便将水从乙醇中除去的步骤。
17.根据权利要求10的方法，进一步包括将液体提取剂和降低湿气的产品接触以形成第一混合物的步骤，所述第一混合物包含：
a)含有油和醇溶蛋白质的可通过醇提取的产品；和
b)包含纤维、谷蛋白和淀粉的残余产品。
18.根据权利要求17的方法，进一步包括利用液体提取剂将可以通过醇提取的产品与残余产品分离的步骤。
19.根据权利要求17的方法，其中液体提取剂是乙醇，异丙醇，水或其混合物。
20.根据权利要求17的方法，其中所述液体提取剂包含大约85％到大约100％w/w的乙醇。
21.根据权利要求17的方法，其中液体提取剂的温度为大约50℃到大约78℃。
22.根据权利要求18的方法，进一步包括将液体提取剂从可以通过醇提取的产品中除去的步骤。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括将一些油与醇溶蛋白质分离，留下包含醇溶蛋白质和油的另一种产品的步骤。
24.根据权利要求23的方法，其中所述另一种产品可溶于大约85％到大约100％w/w的乙醇。
25.根据权利要求23的方法，其中所述醇溶蛋白质是玉米醇溶蛋白，高梁醇溶蛋白或其混合物。
26.根据权利要求23的方法，其中所述醇溶蛋白质是热塑性的。
27.根据权利要求23的方法，其中所述油包含一种或多种类胡萝卜素。
28.根据权利要求27的方法，其中所述类胡萝卜素为叶黄素，玉米黄质，番茄红素或其混合物。
29.根据权利要求27的方法，其中所述油包含最少250ppm的类胡萝卜素。
30.根据权利要求18的方法，进一步包括降低残余产品中液体提取剂的量的步骤。
31.根据权利要求30的方法，其中残余产品中液体提取剂的量为每吨残余产品大约0.4到大约2.0kg。
32.根据权利要求30的方法，进一步包括形成包含残余产品和水的第二混合物，和加热第二混合物至大约85℃到第二混合物的沸腾温度的高于室温的温度的步骤。
33.根据权利要求27的方法，其中第二混合物具有残余产品与水的比例为大约1比大约2.0到大约1比大约4.0。
34.根据权利要求32的方法，进一步包括将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆的步骤。
35.根据权利要求34的方法，进一步包括将杂质从糖浆中去除的步骤。
36.根据权利要求34的方法，进一步包括干燥纤维，谷蛋白，或其混合物的步骤。
37.根据权利要求32的方法，进一步包括向第二混合物添加糖化酶以便将淀粉糖化为糖浆，和针对糖化酶调节第二混合物的pH和温度的步骤。
38.根据权利要求37的方法，其中糖化酶是葡糖糖化酶，支链淀粉酶或其混合物。
39.根据权利要求37的方法，进一步包括将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆的步骤。
40.根据权利要求39的方法，进一步包括干燥纤维，谷蛋白或其混合物的步骤。
41.根据权利要求37的方法，进一步包括调节第二混合物的pH至6.8以上，加热第二混合物至大约80℃到大约第二混合物的沸腾温度，将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆，和干燥纤维、谷蛋白或其混合物的步骤。
42.根据权利要求37的方法，进一步包括在微生物存在时发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品，以及蒸馏所述经发酵的产品以产生经蒸馏的包含乙醇和水的产品的步骤。
43.根据权利要求42的方法，其中所述经发酵的产品包含啤酒和二氧化碳。
44.根据权利要求42的方法，其中所述经蒸馏的产品包含至少95％w/w的乙醇和大约5％的水。
45.根据权利要求42的方法，进一步包括将水从经蒸馏的产品中除去以产生无水乙醇的步骤。
46.根据权利要求45的方法，进一步包括向无水乙醇中添加变性剂的步骤。
47.根据权利要求42的方法，其中所述蒸馏步骤还产生蒸馏残渣，并且将所述蒸馏残渣再循环回到第二混合物中。
48.根据权利要求46的方法制成的乙醇。
49.一种加工淀粉材料以产生乙醇的方法，其包括以下步骤：
a)将水，淀粉材料和液化酶导入高剪切力加工机；
b)向加工机中在高于室温的温度下的所述材料施加力以对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化，液化，由此产生加工过的产品；
c)降低经加工产品的湿气以产生降低湿气的产品；
d)将液体提取剂和降低湿气的产品接触以形成第一混合物，其包含：
i)含有油和醇溶蛋白质的可通过醇提取的产品；和
ii)包含纤维、谷蛋白和淀粉的残余产品；
e)利用液体提取剂将可以通过醇提取的产品与残余产品分离；
f)降低残余产品中液体提取剂的量；
g)形成包含残余产品和水的第二混合物，和加热第二混合物至高于室温的温度；
h)在高于室温的温度下糖化第二混合物中的一些淀粉；
i)将纤维和谷蛋白与第二混合物分离，留下待进行加工的糖浆；
j)在微生物存在时发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生包含啤酒和二氧化碳的经发酵的产品，以及蒸馏所述经发酵的产品以产生包含乙醇和水的经蒸馏的产品；
k)将水从经蒸馏的产品中去除以产生无水乙醇；和
l)向无水乙醇中添加变性剂。
50.一种淀粉材料加工系统，其包括
a)容纳淀粉材料和水的高剪切力加工机，用于对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化作用；
b)具有提取剂的第一提取器，其能够分离含有蛋白质和油的可通过醇提取的产品，以及包含谷蛋白和淀粉的残余产品；
c)减少提取的残留物中的残余提取剂的去溶剂装置；
d)浆罐，以在高于室温的温度下混合水和提取的残留物，来形成包含纤维，谷蛋白，和糖浆的第二混合物；和
e)用来将纤维和谷蛋白与糖浆分离的分离器装置。
51.根据权利要求50的加工系统，进一步包括干燥器以便干燥纤维，谷蛋白或其混合物。
52.根据权利要求50的加工系统，进一步包括蒸发器装置以便从可以通过醇提取的产品中去除提取剂，和第二个分离器装置以便分离可以通过醇提取的产品中的蛋白质和油。
53.根据权利要求50的加工系统，进一步包括：
a)发酵装置用于以微生物发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖产生经发酵的产品；
b)蒸馏装置用于蒸馏包含乙醇和水的经发酵的产品；
c)第二个分离器装置用于将水与乙醇分离以产生无水乙醇；和
d)混合装置用于向无水乙醇中添加变性剂。
54.一种加工淀粉材料的方法，其包括以下步骤：
a)将淀粉材料，液化酶和水导入高剪切力加工机；
b)向加工机中在高于室温的温度下的所述材料施加力以便对淀粉材料的一些淀粉进行研磨、混合和胶凝化，以及液化，由此产生加工过的产品；
c)降低经加工产品的湿气以产生降低湿气的产品，其包含油，蛋白质，纤维，谷蛋白，和淀粉；和
d)形成包含降低湿气的产品和水的第二混合物。
55.根据权利要求54的方法，进一步包括将纤维，谷蛋白和油与第二混合物分离留下待进行加工的糖浆的步骤。
56.根据权利要求55的方法，进一步包括将油与谷蛋白和纤维分离，以及干燥谷蛋白和纤维的步骤。
57.根据权利要求55的方法，进一步包括将纤维，油，和谷蛋白与第二混合物分离留下待进行加工的糖浆的步骤。
58.根据权利要求55的方法，进一步包括干燥纤维，谷蛋白，或其混合物的步骤。
59.根据权利要求55的方法，进一步包括以下步骤：
a)在高于室温的温度下糖化第二混合物中的一些淀粉，留下待进行加工的糖浆；
b)在微生物存在时发酵糖浆，所述微生物可以发酵糖以产生经发酵的产品，和
c)蒸馏经发酵的产品以产生包含乙醇和水的经蒸馏的产品。
60.根据权利要求59的方法，其中所述经蒸馏的产品包含至少95％的乙醇和大约5％的水。
61.根据权利要求60的方法，进一步包括将水从经蒸馏的产品中去除以产生无水乙醇的步骤。
62.根据权利要求61的方法，进一步包括向无水乙醇中添加变性剂的步骤。
63.根据权利要求59的方法，其中所述蒸馏步骤还产生蒸馏残渣，并且将残渣再循环回到第二混合物中。
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