CN102174590A - 一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于玉米深加工领域，特别涉及一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法。本发明的技术方案包括：1)玉米汽爆预处理；2)汽爆玉米与干玉米粒混合进行连续固态发酵-产物气提分离耦合；3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离；4)分离的湿玉米粒直接汽爆，汽爆玉米发酵渣用于生产DDGS。汽爆玉米达到粉碎、糊化预处理的作用，干玉米粒的加入可增加发酵基质的孔隙度，改善连续固态发酵-产物气提分离过程中的气体循环，且干玉米粒吸水软化过程中，可溶性浸出物溶出增加了发酵醪渣生产DDGS的营养成分，吸水软化干玉米粒直接用于后续汽爆处理，简化了操作，节省了水耗、能耗。
Description
【技术领域】
本发明属于玉米深加工领域，特别涉及一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法。
【背景技术】
小麦、玉米和水稻是全球三大主要粮食作物。据联合国粮农组织统计，2006年小麦、玉米、水稻三大作物总产量达19.36亿吨，占全球主要粮食作物总产量的87.15％。自2001年以来，玉米的总产量已超过水稻和小麦成为全球第一大作物。近几年，全球玉米产量均在7亿吨左右。美国和中国的玉米产量分别占全球玉米总产量的42.05％和19.22％。我国是全球第二大玉米生产国和消费国，玉米也是我国仅次于水稻的第二大粮食作物，2009年我国玉米产量约为1.63亿吨。
玉米不仅具有高产的特性，而且兼有食用、饲用和工业用等多种用途。玉米是大宗谷物中最适合作为工业原料的品种，其加工空间大，产业链长，能够创造出玉米原料几倍的高附加值。近年来由于人民生活水平的提高，玉米不再是人们生活的主粮，成为工业粮食原料是玉米产业的主要出路。随着畜禽业的发展，国内对玉米的需求量大幅度增加，目前农村地区每年大约有4000万吨玉米直接饲喂给禽畜，造成玉米营养价值的实际利用率很低，因此直接饲用产生大量浪费。如果能够提高玉米深加工的程度，可大幅度提高玉米附加值和饲料的质量，使玉米产业以及畜禽业都从中受益。“十五”期间，我国开始推广生物燃料乙醇试点项目，主要以玉米、小麦等陈化粮为原料。玉米酒精发酵工艺通常需要经过粉碎、糊化、液化、糖化之后变成可被微生物利用的糖类再以酵母发酵酒精，存在大量污水问题。因此，必须对玉米酒精发酵工艺进行改造。
固态发酵是一种在没有或者几乎没有游离水的条件的发酵过程。人类很早就把固态发酵的技术应用于食品的生产，而且几乎所有的古代发酵产品都是使用固态发酵技术生产的。与液态发酵相比，固态发酵的优势在于能耗低，污染少，并且环境友好，但传统固态发酵生产过程的不可连续性和难以实现对过程传质、传热的有效控制，形成了固态发酵大规模产业化生产应用的制约因素。近年来，随着发酵过程在生态产业中的凸显核心位置，特别是生物质转化生物燃料的生产过程，如甜高粱、木薯固态发酵生产乙醇、丁醇等生物燃料的生产过程，都表现出对连续、节能、节水可实现对过程有效控制的固态发酵新技术的迫切需求。
对固态发酵的应用研究其核心是现代工艺科学技术在以生物反应器为主的生产过程中的集成应用和研究。要解决的核心问题是固态发酵的连续生产和对工艺过程传质、传热的有效控制，实现低成本、低能耗、高效率、高回报的环境友好型生产工艺新技术体系的形成。
以气提的方式解决发酵底物和生成物对发酵过程的抑制——提高发酵生产速率，早在上世纪80年代，国内外就有了较系统的基础研究。目前国内对气提发酵、分离的研究还局限在实验室和相关文献发表的层面上，但以气提发酵分离的方式解决发酵底物和生成物对发酵过程的抑制问题是提高发酵生产速率的有效途径已是学术和产业界的共识。只是气提发酵分离因载气在操作状态下的气相不凝结性，使得液态发酵和蒸馏分离工艺不能适应气提发酵分离的工艺过程操作，因此形成了气提发酵大规模产业化应用的技术和经济性的客观制约因素。
为了克服现有固态发酵方法及设备无法实现连续进、出料，并且产物分离能耗高等问题，本发明人提出了一种连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离方法(连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法及设备，20081034423.7)，并成功应用于木质纤维素原料，如秸秆、甜高粱等连续固态发酵乙醇和丁醇等产品的生产中。但是，影响连续固态发酵乙醇的一个重要问题就是固体基质的场分布的不均一性，不同固体基质，如高淀粉物料、木质纤维素原料、同时含淀粉和纤维素的原料等，在连续固态发酵反应器的热泵气体循环气提时气体分布场不同，造成气提难易程度显著差异。对于玉米等高淀粉含量的原料，在经过糊化处理后，物料开始发粘，气体难以实现气提，造成连续发酵难以实现。因此，对于以玉米为原料进行连续固态发酵乙醇或丁醇时必须采用新的方法来实现。
【发明内容】
【本发明的目的】
本发明的目的是针对现有玉米等高淀粉物料难以实现连续固态发酵的问题，提供一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法。
【本发明的构思】
汽爆技术由于其独特的特点，使得玉米等原料可以在汽爆过程中完成粉碎、糊化作用(玉米汽爆分离及其胚乳多组分联产利用技术，200910089381.4)。糊化后的玉米可以直接液化、糖化后用于微生物发酵。但是，也正因为经过汽爆处理，使得玉米原料软化、粘度提高，造成气体难以在物料中进行循环，从而难以实现产物气提分离-连续固态发酵。必须采用一定的办法增加物料之间的孔隙度，强化发酵基质之间的气体循环，同时又不能影响到发酵过程的进行。而通常玉米原料含水量很低的情况下，吸水速度较慢，而且吸水软化后的物料可以仍然保持完整籽粒状，很容易与发酵基质(汽爆淀粉原料)进行分离。因此，在发酵周期内，不仅可以达到增加发酵基质孔隙度的目的，而且浸泡软化后的籽粒更加有利于后续汽爆处理，作为下一批次发酵的基质。
【本发明的技术内容】
本发明提供的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，包括以下步骤：
(1)玉米汽爆预处理：将浸泡玉米(含水量35％以上)装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵：汽爆玉米与干燥玉米粒按照一定比例混合后，用作固态发酵基质，在发酵塔内进行连续固态发酵-产物气提；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，然后向发酵剩余物中汽爆玉米发酵渣加水，经过10-40目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS；
(4)分离的湿玉米粒直接汽爆，汽爆条件为1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
本发明所述的一种淀粉类原料连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒按照干重5∶1～1∶1混合。
本发明所述的一种淀粉类原料连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒混合发酵产物包括乙醇、丁醇等。
本发明所述的一种淀粉类原料连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒混合发酵乙醇的条件为：汽爆玉米和干玉米粒混合后，通过螺旋输送器进料，同时接种糖化酶，65U/g底物，接种安琪高活性酿酒干酵母，接种量0.5％(v/v)，并添加营养盐0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间60h。
本发明所述的一种淀粉类原料连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒混合发酵丁醇的条件为：汽爆玉米和干玉米粒混合后，通过螺旋输送器进料，调节pH至6.5，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在37℃，接入10％(v/v)的Clostridium acetobutylicum ATCC 824种子培养基，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间72h。
本发明所述的一种淀粉类原料连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(3)所述的发酵剩余物按照1∶1～1∶5加水，然后经过10-40目筛网分离玉米粒和汽爆玉米发酵渣。
【本发明的优点】
本发明具有以下优点：
1)汽爆玉米中加入干玉米粒，可以起到载体作用，增加发酵基质的孔隙度，从而改善连续固态发酵-产物气提分离过程中的气体循环，提高产物浓度；
2)干玉米粒在发酵周期内可以达到吸水软化作用，更加有利于后续汽爆处理，作为下一批次发酵的基质，从而简化了操作，节省了水耗、能耗；
3)干玉米粒在吸水软化过程中，可溶性浸出物溶出，从而使发酵醪渣生产的DDGS营养成分更加丰富。
【附图说明】
附图1是本发明采用的连续固态发酵-产物气提设备示意图。
其中：1)进料器，2)一级螺旋输送器，3)二级螺旋输送器，4)三级螺旋输送器，5)布料器，6)主发酵塔，7)出料器，8)出料螺旋输送器，9)种子罐，10)营养盐罐，11)排污口，12)罗茨风机，13)热泵蒸发器，14)热泵冷凝器，15)加湿器，16)电磁阀，17)活性炭吸附器，18)排气口，19)止回阀，20)酒精分离口，21)流量计，22)压缩机，23)节流阀，24)PC控制系统
【具体实施方式】
实施例1
(1)玉米汽爆预处理：将浸泡玉米(含水量35％以上)装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵乙醇：汽爆玉米与干燥玉米粒按照干重2∶1混合，通过螺旋输送器进料，同时接种糖化酶(65U/g底物)，接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.5％(v/v))，并添加营养盐(0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4)，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间60h，最终共收集到乙醇溶液15200ml，其体积分数为38％，淀粉利用率为95％；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，汽爆玉米发酵渣中按照与发酵起始汽爆玉米原料干重1∶1的比例加水，然后经过10目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS，DDGS的蛋白质含量为24.8％；
(4)分离的湿玉米粒在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
实施例2
(1)玉米汽爆预处理：将浸泡玉米(含水量35％以上)装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵丁醇：汽爆玉米与干燥玉米粒按照干重1∶1混合，通过螺旋输送器进料，同时接入10％(v/v)的Clostridium acetobutylicumATCC 824种子培养基，调节pH至6.5，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在37℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间72h，得到的总溶剂量为19.5g/L，其中丁醇产量为13.65g/L，乙醇产量为3.9g/L，丙酮产量为1.95g/L；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，汽爆玉米发酵渣中按照与发酵起始汽爆玉米原料干重1∶3的比例加水，然后经过30目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS，DDGS的蛋白质含量为25.2％；
(4)分离的湿玉米粒在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
实施例3
(1)玉米汽爆预处理：将浸泡玉米(含水量35％以上)装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵丁醇：汽爆玉米与干燥玉米粒按照干重3∶1混合，通过螺旋输送器进料，同时接入10％(v/v)的Clostridium acetobutylicumATCC 824种子培养基，调节pH至6.5，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在37℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间72h，得到的总溶剂量为17.8g/L，其中丁醇产量为17.8g/L，乙醇产量为3.56g/L，丙酮产量为1.78g/L；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，汽爆玉米发酵渣中按照与发酵起始汽爆玉米原料干重1∶5的比例加水，然后经过40目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS，DDGS的蛋白质含量为23.5％；
(4)分离的湿玉米粒在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
实施例4
(1)玉米汽爆预处理：将浸泡玉米(含水量35％以上)装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵乙醇：汽爆玉米与干燥玉米粒按照干重5∶1混合，通过螺旋输送器进料，同时接种糖化酶(65U/g底物)，接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.5％(v/v))，并添加营养盐(0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4)，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间60h，最终共收集到乙醇溶液14820ml，其体积分数为36％，淀粉利用率为94.2％；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，汽爆玉米发酵渣中按照与发酵起始汽爆玉米原料干重1∶3的比例加水，然后经过20目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS，DDGS的蛋白质含量为25.6％；
(4)分离的湿玉米粒在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
Claims (7)
1.一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，包括以下步骤：
(1)玉米汽爆预处理：将含水量35％以上的浸泡玉米装入汽爆设备中，在1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到汽爆原料；
(2)汽爆玉米与干玉米粒混合发酵：汽爆玉米与干燥玉米粒混合后，用作固态发酵基质，在发酵塔内进行连续固态发酵-产物气提；
(3)发酵剩余物中汽爆玉米与玉米粒的分离：发酵结束后，发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料，然后向发酵剩余物中汽爆玉米发酵渣加水，经过10-40目筛网分离发酵剩余物中汽爆玉米和玉米粒，收集透过滤网的汽爆玉米；
(4)分离的湿玉米粒直接汽爆，汽爆条件为1.25MPa饱和蒸汽压力下维持5min，瞬间释压，收集得到的汽爆玉米用于下一批发酵。
2.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)中汽爆玉米与干玉米粒按照干重5∶1～1∶1混合。
3.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)中汽爆玉米与干玉米粒混合发酵产物包括乙醇、丁醇等。
4.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒混合发酵乙醇的条件为：汽爆玉米和干玉米粒混合后，通过螺旋输送器进料，同时接种糖化酶，65U/g底物，接种安琪高活性酿酒干酵母，接种量0.5％(v/v)，并添加营养盐0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间60h。
5.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(2)所述的汽爆玉米与干玉米粒混合发酵丁醇的条件为：汽爆玉米和干玉米粒混合后，通过螺旋输送器进料，调节pH至6.5，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束后开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在37℃，接入10％(v/v)的Clostridium acetobutylicum ATCC 824种子培养基，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，发酵时间72h。
6.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(3)中发酵剩余物按照与发酵起始汽爆玉米原料干重1∶1～1∶5的比例加水，然后经过10-40目筛网分离玉米粒和汽爆玉米发酵渣。
7.根据权利要求1所述的一种玉米连续固态发酵-产物气提耦合分离的方法，其特征在于，步骤(3)中收集透过滤网的汽爆玉米，然后经蒸发浓缩、混合干燥、造粒包装等工艺，生产高蛋白精饲料DDGS。
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