CN101896610A - 通过经逆流糖蜜除去糖而改善的乙醇发酵收率 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方案涉及用于通过增加的碳水化合物进料和逆流的转向而增加乙醇发酵中的生产速率的方法，所述逆流来自发酵中作为工艺用水的再循环。还提供了得自转向的逆流的新颖的产物。

Description

通过经逆流糖蜜除去糖而改善的乙醇发酵收率

相关申请的交叉引用

本中请要求于2007年12月13日提交的、未决的美国临时专利申请序列号第61/007,488号的优先权。美国临时专利申请序列号第61/007,488号通过引用并入本申请，如同完全在本文中重写。

发明背景

以下包含了可用于理解本教导的信息。这不是承认本文提供的任何信息对于目前描述的或要求保护的主题是现有技术或材料，也不是承认明确地或隐含地提及的任何公布或文件是现有技术。

1.发明领域

本教导涉及但不限于乙醇发酵的领域。例如，实施方案涉及用于通过增加的碳水化合物进料和逆流(backset)的转向(diversion)而增加乙醇发酵中的生产速率的方法，所述逆流来自发酵中作为工艺用水的再循环。其他实施方案涉及从转向的逆流产生新的产物。该产物可适用于多种应用，所述应用包括但不限于制备一种或多种家畜饲料添加剂。

2.技术背景

工业乙醇发酵通常通过将合适的碳水化合物源与其他营养素在水中混合而开始。虽然玉米在美国是用于乙醇生产的最常见的碳水化合物源，但可使用的其他源包括燕麦、小麦、大麦、稻米、甘蔗、糖用甜菜、高粱(蜀黍)、木薯和软木与硬木。那种混合物用诸如啤酒酵母工业菌株的发酵微生物接种。用于生产乙醇的典型方法包括干磨工艺(图1)和湿磨工艺(图2)。

对用于微生物/水/碳水化合物的混合物中的水的管理是乙醇厂经营管理的重要但经常被忽略的方面。适当的管理可以对增加工厂盈利能力和有效的日常设备运转有帮助。

用于工业乙醇生产的水可来自多种源。这些源可包括但不限于冷凝水、过滤的选矿用水、淡水、处理过的水和逆流或除去固体后从逆流回收的酒糟水(thin stillage)液体部分。逆流，还被称为乙醇釜脚，是除去乙醇后离开蒸馏塔的发酵流。逆流包括但不限于，蛋白、碳水化合物和酵母。

取决于乙醇厂的详情，将高达75％的逆流(backset stream)蒸发并加入其他的乙醇联产物以产生作为干燥球团的玉米面筋饲料(CGF)或产生带可溶性的干酒糟(Distiller′s Dry Grains with Solubles)(DDGS)。将余下的逆流再循环而提供用于发酵的工艺用水。该再循环对工厂的总体水平衡通常是重要的，因为其降低了必须加入工艺中的淡水量。淡水是昂贵的，并且其在进入工艺之前必须大量处理。

逆流循环的使用在乙醇生产中是限制因素。在分批、给料分批(fed-batch)和连续级联的乙醇生产工艺中，乙醇生产速率在发酵开始时或发酵开始附近是最高的。然后该速率随着发酵的进行而显著下降。在开始时的高速率与多种因素成比例。这些因素包括葡萄糖浓度或其他营养素的可用度，所述其他营养素例如氮、磷酸盐、维生素类和二价阳离子；活酵母数；和副产物浓度。

虽然在发酵后期较高浓度的乙醇是可能的，但至少部分由于可在逆流中积聚的高残糖，通过加入碳水化合物的迅速进料(aggressive feeding)未被使用。在逆流中的高残糖还显著影响干燥操作(用于生产DDGS)并对糖与存在于蛋白中的游离的氨基酸基团的美拉德反应(褐变)的增加起作用。

在饲料副产物中的高糖还对干磨乙醇厂中降低的每蒲式耳玉米的乙醇收率或对湿磨乙醇厂中从得自玉米的液化淀粉的降低的收率起作用。通常，在逆流中的糖浓度必须低于1gm/100ml。在较高水平，蒸发的逆流将对高于CGF或DDGS饲料中单糖的可接受水平起作用。饲料中的高残糖可支持饲料上的微生物生长。这降低了物料的质量并可能在储存或运输期间产生足够的热而造成自然火。

除了由可能引入高残糖水平所造成的限制，乙醇生产运营还受到需要将用于生产CGF或DDGS中的逆流完全(或接近完全)干燥的阻碍。干燥能力和干燥器效率对乙醇厂的扩张是重要的障碍，并且经常与VOC(挥发性有机化合物)排放物一起被提及为非环境依从性的原因。减少或消除被干燥的纤维和流的体积可允许工厂扩张并确保工厂运营符合EPA VOC限制。因为在逆流中增加的糖含量可增加将逆流干燥以制成DDGS的成本，因此经常优化乙醇发酵以在逆流中获得低残糖。

发明概述

我们已发现，可通过在发酵混合物的糖含量小于1g/100ml该混合物之前不需要进行发酵而显著增加设备的乙醇生产速率。含有高残糖(大于1g/100ml)的逆流不并入存在的副产物中或作为工艺用水的部分而再循环；代替地，其可被浓缩为我们称作“蒸馏器糖蜜”(“distillers′molasses”)的粘稠液体。这允许发酵在比通常更迅速的碳水化合物进料的情况下进行，并允许发酵周期更短。

蒸馏器糖蜜具有许多潜在的用途，所述用途可利用逆流中的高水平残糖。例如，它可用作动物饲料中的蔗糖蜜或其他糖蜜的替代物。

附图简述

图1.图1描述了用于生产乙醇的典型干磨玉米磨粉工艺(Rausch，K.D.& Belyea，R.L.，″Co-products from Bioprocessing of Corn(来自玉米的生物过程的联产物)″2005 ASAE International Meeting(2005ASAE国际会议)，论文编号057041(在下文中“Rausch”))。

图2.图2描述了用于生产乙醇的典型的玉米湿磨工艺(Rausch)。

图3.图3描述了用于乙醇生产的干磨玉米工艺和湿磨玉米工艺的对比。

发明详述

本教导参照多个示例性实施方案描述了本发明的若干不同特征和方面。然而应当理解，本发明包含许多可选择的实施方案，所述可选择的实施方案可通过以本领域普通技术人员发现有用的任何组合来结合本文所述的任何不同的特征和方面而实现。

如本文所述的加工方法和产物可提供相较于现有技术的许多优势。当然，本发明的范围由权利要求所界定，并且实施方案是否在该范围内不应当受该方法是否提供一种或多种这些优势而限制。

我们已发现，从乙醇生产逆流中产生蒸馏器糖蜜产物允许较高的碳水化合物进料速率，这导致增加的乙醇的生产速率和含有所得高水平残糖的期望产物的生产速率。在逆流中较高的可接受的残糖可以促进迅速进料、发酵期间增加的泵送速率和发酵的较早终止，这使酵母乙醇生产率最大化。这是从现有技术的偏离，所述现有技术集中在通过在发酵容器中获得乙醇的最高可能浓度而获得每蒲式耳原材料的高乙醇收率，不考虑获得它们所需的延长的发酵时间。

通过在蒸发前去除酵母和其他悬浮固体而使形成蒸馏器糖蜜的逆流的浓缩更有效率。可使用用于该去除的许多不同方法，所述方法包括但不限于离心法(例如，通过沉降式离心机)、过滤、絮凝和筛选。这些悬浮固体的去除减轻了蒸发器的操作并减少了设备通过悬浮固体和盐的沉积的结垢。通过从逆流中的过滤回收的酵母可用作动物的高蛋白食物来源。

任选地，蒸馏器糖蜜的营养价值可通过处理并添加从乙醇生产工艺获得的可溶性纤维而增加。例如，得自玉米湿磨的玉米纤维流或来自玉米干磨工艺的外壳部分可经过热化学处理和/或酶处理以溶解纤维。溶解的纤维将包含戊糖，包括但不限于D-木糖和L-阿拉伯糖及其低聚糖。

溶解的纤维部分可在部分蒸发以形成蒸馏器糖蜜之前与高糖逆流混合。这可改善蒸馏器糖蜜的质量，因为糖和低聚物因其改善所得饲料的益生菌性质(probiotic property)而著称并被使用。

酒糟水浓缩为蒸馏器糖蜜不要求用于产生糖浆或DDGS的蒸发水平。因此，使用该工艺降低了处理乙醇副产物所需的能量。虽然不需要具体的能量使用的降低(除非要求)，但可获得超过产生常规发酵副产物高达30％的节能。此外，干燥的减少可减少挥发性有机化合物(VOC)的排放，这使乙醇生产工艺更环境友好。

蒸馏器糖蜜的性质将在基于多种条件的某些参数内变化，所述条件包括引起发酵的原料的类型和发酵成分的同一性。通常，高达70％至80％之间的逆流将被蒸发，产生是约60％至80％按重量计的固体的混合物。该蒸馏器糖蜜的固体含量可如上表1中所示。

可将蒸馏器糖蜜加入现有的反刍动物和非反刍动物的饲料中以提供增加的能量、蛋白和适口性。示例性的剂量为2％和5％之间。通常将蒸馏器糖蜜在饲喂(feeding)时加入饲料，而不是在饲喂前混合并储存。由于蒸馏器糖蜜的蛋白含量，作为饲料，其在许多方面优于蔗糖蜜。蒸馏器糖蜜的高稳定性将使微生物难以在糖蜜中生长，这增加了在饲喂前蒸馏器糖蜜可储存的时间。

实施例1

实施例1报导了标准的分批给料乙醇生产工艺，其不使用本文所述的高残糖发酵方法并且不产生蒸馏器糖蜜。在典型的现有技术的连续湿磨乙醇发酵中，以约45％至50％固体的约25％至30％体积是已经用α淀粉酶处理以降低粘度的胶质化浆料中的淀粉。是约5％固体的逆流被加入玉米浆中，该玉米浆从7％至11％固体之间被稀释至3％至6％固体。约25％至35％(按体积计)的通过发酵产生的逆流用作稀释剂，余下的被干燥并加入DDG中以形成DDGS。

加入酵母以获得1千万-5千万个活酵母细胞/ml的初始剂量，并将该混合物发酵约40小时，产生小于1g/100ml的糖。糖(还被称作残糖)是溶液中的葡萄糖、双葡萄糖分子(即DP2)、三葡萄糖分子(DP3)和其他多种葡萄糖与余下的5％或更少的淀粉的混合物。约10％(按体积计)所得混合物是乙醇，并且约1％至1.5％的溶液(按重量计)是酵母。

液体混合物通过离心法与酵母细胞团块分离，然后使用蒸发器将液体浓缩以获得对于糖蜜型产物来说是典型的多于70％的固体含量。

实施例2

实施例2描述根据本发明的一个实施方案的高残糖乙醇生产工艺。使用分批给料乙醇湿磨，每批次的约19％-23％是以胶质化浆料形式的淀粉。没有逆流被引向玉米浆。

然后将含有乙醇的发酵的混合物送至发酵醪蒸馏器(beer still)以除去乙醇。然后将通常被称为釜脚的残余的混合物送至沉降式离心机以除去而产生酵母泥和稀释的糖溶液。将酵母泥在表面转鼓式干燥器上干燥，且将该蒸馏器糖(distillers sugar)蒸发为蒸馏器糖蜜。

实施例3

实施例3描述了将实施例2中描述的实施方案应用于改进的玉米干磨乙醇工艺，该工艺并入了纤维和胚芽的去除步骤。在一个工艺方案中，将玉米全粒清洁并磨碎并在水中调成浆料并加热以使淀粉在60℃-80℃范围的温度、pH为5.5或更高下胶质化。接着可通过加入热稳定的细菌α淀粉酶进行淀粉液化，并将浆料进一步加热至105℃。随后采用另外加入的α来冷却以确保淀粉被液化。

将液化的淀粉的pH调节至约4.5并将浆料冷却至60℃。一旦冷却至60℃，加入真菌葡糖淀粉酶以使淀粉糖化为主要包含葡萄糖/麦芽糖/高级糖组成的糖化液(saccharification liquor)。然后将该浆料离心分离以除去较小密度的胚层和/或将该浆料过滤或滗析以除去纤维。

除菌的、不含纤维的糖化液用于生产燃料乙醇。在可选择的工艺中，将玉米全粒在30℃-50℃范围的温度下回火，并将回火的玉米磨碎，并将胚芽和纤维与主要由淀粉组成的回收的富集胚乳的部分分离开来。然后在用于乙醇生产设备之前使淀粉部分胶质化、液化并糖化。

本文参考或提及的专利、专利申请、出版物、科学论文、书籍和其他文件与材料指示了到每一出版物成文的日期为止本发明所属领域技术人员的技术水平，并且全都通过引用并入，如同在本文全部重写。在本说明书中包含文献并非出于任何目的承认文献代表现有发明或是现有技术。

本文使用的术语和表达方式已经被用作描述的术语且不是限制的术语，并且在这样的术语和表达方式或其任意部分的使用中不意图排除现在知道或后来发展的任意等价物，无论这样的等价物是否是在本文中提出或显示或描述，或者无论这样的等价物是否被视为可预测的，但应当认识到，各种改变是在所要求保护的本发明的范围内，无论那些权利要求出于任何原因经过或不经过改变或修改而授权。因此，应当理解，虽然已经通过优选实施方案和任选的特征而具体地公开了本发明，但本领域技术人员可采用包含在所公开的它文或本文所体现的本发明的更正或变化，并且这样的更正和变化被视为在本文中所公开的和所要求保护的本发明的范围内。

本文描述的具体方法和组合物表示优选实施方案并且是示例性的且不意图作为对本发明范围的限制。其他对象、方面和实施方案将会由本领域技术人员在考虑本说明书时而想到，并且被包含在由权利要求的范围所界定的本发明的精神内。给出实施例时，描述将被解释为包括但不仅限于那些实施例。

本领域技术人员容易明白，可对本文公开的本发明进行不同的替换和改变而不偏离本发明的范围和精神且不偏离本发明的描述，包括本文示例性地提出的那些，明显地，各种改变和等价物可用于实施本发明的概念而不偏离其范围。本领域普通技术人员将认识到，可进行形式和细节的改变而不偏离本发明的精神和范围。所描述的实施方案应当在各个方面都被理解为示例性的且不是限制性的。因此，例如，另外的实施方案在本发明的范围内和在以下权利要求内。

Claims (9)

1.一种制造动物饲料添加剂的方法，所述方法基本上由以下步骤组成：

(a)将碳水化合物源发酵以产生包含醇、水、酵母、纤维和糖的发酵混合物，其中所述糖以至少1g/100ml发酵混合物的量存在；

(b)分离所述发酵混合物以产生包含乙醇和水的产物混合物以及包含水、酵母、纤维、蛋白和糖的酒糟；

(c)将所述酒糟从酵母和包含水与纤维部分的湿谷物组分中分离为包含水、糖的酒糟水；

(e)将水和糖的所述混合物浓缩以生产动物饲料。

2.一种通过权利要求1所述的方法生产的动物饲料添加剂。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述糖包括单糖、二糖、三糖和较高可溶性糖。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述糖以大于1g/100ml且小于9g/100ml的量存在于所述发酵混合物中。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述糖以大于5g/100ml且小于8g/100ml的量存在于所述发酵混合物中。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述酵母通过沉降式离心机来除去。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述糖以大于1g/100ml且小于4g/100ml的量存在于所述发酵混合物中。

8.如权利要求5所述的方法，其中所述糖以大于2g/100ml且小于3g/100ml的量存在于所述发酵混合物中。

9.一种增加乙醇生产速率的方法，所述方法基本上由将碳水化合物源发酵以产生包含醇、水、酵母、纤维和糖的发酵混合物组成，其中所述糖以至少1g/100ml发酵混合物的量存在。

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