CN104244729A - 玉米粉组合物及生产方法 - Google Patents

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Abstract

提供自谷物到乙醇发酵过程衍生的组合物以及制造组合物的方法。组合物可为通过下述生成的玉米粉产品，即通过将玉米粒分级以便分离胚乳，在低于150～180°F的温度下将胚乳中的淀粉转化成糖，将糖发酵，并分离出所得到的固体。固体可经受蛋白质提取过程，然后经受溶剂交换以便将水从固体中去除，并用更易挥发的化学品诸如乙醇取代水。然后在低于150-180°F的温度下干燥固体。所得到的玉米粉产品可包括量在从约31至约45％的蛋白质，多达约3％的脂肪，多达约3％的灰分，量在从约32至约50％的中性洗涤剂纤维，以及多达约15％的淀粉，所有都基于干重。

Description

玉米粉组合物及生产方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年2月22日提交的、题为“玉米粉组合物及生产方法(CORN MEAL COMPOSITIONS AND METHODS OF PRODUCTION)”的美国临时专利申请第61/601,655号的优先权权益，该申请以其全文通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及通过制备乙醇所生成的独特的玉米粉组合物。
背景技术
本公开涉及一种独特的玉米粉组合物，其作为生产乙醇的低能量过程的副产物来制备。乙醇通常从基于谷物的原料(例如玉米、高粱/蜀黍、大麦、小麦、大豆等)，或从糖(例如，甘蔗、甜菜等)来生产。除了从原料的碳水化合物材料来制备酒精之外，生成对于制造商而言是额外收入来源的一些副产物。这些副产物包括用于工业和食品行业的二氧化碳气体以及富含蛋白质的饲料产品。
在常规的乙醇工厂中，玉米、甘蔗、其它谷物、甜菜或其它植物被用作原料以及从包含在玉米、或其它植物原料中的淀粉来生产乙醇。在玉米设施的情况下，对玉米粒进行清洗和研磨以便制备用于处理的包含淀粉的材料。玉米粒也可被分级，以便将包含淀粉的材料(例如胚乳)从其它物质(例如纤维和胚芽)分离。原料的初始处理因原料的类型而有所不同。然而，通常而言，利用机械和化学手段的组合来提取包含于植物材料中的淀粉和糖。
将包含淀粉的材料用水浆化并溶解以便促进糖化，其中淀粉转化成糖(例如葡萄糖)并发酵，在发酵过程中糖通过乙醇原(ethanologen)(例如，酵母)被转化成乙醇。发酵产物是啤酒，其包括液体组分和固体组分，液体组分包含乙醇、水和可溶性组分，而固体组分包含未发酵的颗粒物(除其它之外)。
在常规的工厂中，所述发酵产物被送到蒸馏系统，在所述蒸馏系统中所述发酵产物经过蒸馏并脱水成乙醇。残留物(例如，酒糟)可被干燥成干酒糟(DDG)并出售，例如作为动物饲料产品。
然而，由于需要大量的能量来蒸发大量的水，因此发酵产物的蒸馏以及DDG产品的干燥是昂贵的。此外，由于用于干燥的大量能量来自于化石燃料源，污染也是DDG产品制备过程中的问题。这是由于对于水而言的高沸点、高热容量以及高汽化热量所造成的。当DDG被干燥时，过量的水基本上被蒸发掉。这需要真空和/或大量的热量来有效地完成。此外，固体要求通过蒸馏，增加加热到乙醇汽化温度所需的材料体积。
为了减少用于干燥固体和水的混合物所需的热能，水可由沸点、热容量、汽化热量性能低于水的流体来代替。说明性地，可以使用诸如乙醇的流体，其相比于水具有较低的沸点、热容量和汽化热。由于其物理性能，与干燥固体和水的混合物相比，干燥固体和乙醇的混合物所需要的热能的量更低。然而，完全置换固体和水的混合物中的水不是实现减少使用能量所必需的。在固体和水的混合物中的水可用一定量的乙醇来补充以便降低混合物的整体汽化热量，从而减少用于干燥混合物所需的能量的量同时降低沸点。
鉴于这些原则，已经设计并测试了使用减少的能量来生产乙醇的方法。这种系统的实例在于2009年12月23日提交的、标题为“Systems forProduction of Ethanol and Co-Products with Apparatus for Solvent Washing ofFermentation Product”的序列号为12/646,746的美国专利申请中公开，该申请以其全文通过引用并入本文。
除了降低用于生产乙醇的能量的需求之外，通过所述过程生成的副产物具有在传统的乙醇生产副产物中所见不到的独特性质。此外，通过过程条件可进一步改变这些副产物的性能以便生产有利的产品。
由于在乙醇工业中需要生成使得能够商品化的副产物以及在市场上持续需要可靠和一致的动物饲料，因此提供一种新颖的玉米粉组合物。所公开的玉米粉及制造方法导致粉状产品，与传统的乙醇工厂副产物饲料相比，所述粉状产品在其整个生产过程中经受低得多的温度。
发明内容
所公开的实施例涉及组合物以及生成基于谷物的发酵衍生产品(诸如玉米粉产品)的方法。该基于谷物的产品可以低能量的乙醇生产设施作为基于谷物材料诸如玉米材料发酵的副产物来制造。因为与传统的酒糟相比，所述产品不经受高温，营养组态和蛋白质的结构是独特的。
可通过将玉米粒分级来分离胚乳(富含淀粉的部分)来生成玉米粉产品。将胚乳进行研磨并经受使用酶将淀粉“冷煮(cold cook)”转化成糖。冷煮在从约150至180°F的温度范围或更低的温度下进行。利用酵母对所得到的浆料进行发酵来生成乙醇(或其它所需的发酵产物，诸如丁醇等)。
所得到的发酵产物包括固体和液体的浆料，其可以是分离的。液体可传递通过以便蒸馏，而固体可经受蛋白质提取过程，其可改变玉米粉产品的下游性能、提高处理效率、和/或所提取的蛋白质可作为有价值的副产物出售。
所得到的湿固体然后经受溶剂交换以便将水从固体中去除，并用更易挥发的化学品诸如乙醇来代替它。固体接着被干燥。因为挥发性的化学品现在处于固体中，该干燥步骤可在低得多的温度下进行，约150-180°F或更低。在一些情况下淀粉可从粉状产物或固体去除。
所得到的粉状产物从不经历高于150-180°F的温度，因此期望与更高的温度过程相比具有最小程度的蛋白质或淀粉损坏。颜色也可得以改善。在一些实施例中，所得到的产物(例如所得到的玉米粉产品)可包括：蛋白质，蛋白质的量在从约31至约45％的范围内；最高约3％的脂肪；最高约3％的灰分；中性洗涤剂纤维，量在从约32至约50％的范围内；以及最高约15％的淀粉，所有都基于干重。
在一些实施例中，组合物包括自谷物到乙醇发酵过程的啤酒产物的湿固体部分所衍生的产物，其中所述产物包括热损害最小化的蛋白质，蛋白质的量在基于干重的产物的从约31％至约45％的范围内，并且其中热损害最小化的蛋白质是未暴露于超过约180°F温度的蛋白质。在一些实施例中，产物为玉米粉产品，以及谷物是玉米。在一些实施例中，所述蛋白质未暴露于超过约150°F的温度。在一些实施例中，产物还包括脂肪，其量在基于干重的最高约3％的范围内。在一些实施例中，产物包括脂肪，其量在基于干重的从约0.8至约3％或从约0.9至为3％的范围内。在一些实施例中，产物还包括基于干重最高约3％的脂肪。在一些实施例中，产物还包括脂肪，其量在基于干重的从约0.9至约2.7％、从约1.2至为2.5％的范围内。在一些实施例中，产物还包括中性洗涤剂纤维，其量在基于干重的从约32至约50％或从约32至为48％的范围内。在一些实施例中，产物还包括淀粉，其量在基于干重的最高约15％，或在基于干重的从约10至约15％的范围内。在一些实施例中，产物还包括处于上述量下的脂肪、灰分、中性洗涤剂纤维和淀粉的一种或多种。在一些实施例中，谷物为大豆。
在一些实施例中，所述过程包括用溶剂来交换在从谷物到乙醇发酵啤酒所衍生的湿固体产物中的至少一部分水，所述溶剂与水相比具有较低的汽化热量、较低的热容量或较低的沸点的至少一个；并且，在约180°F或更低的温度下干燥该湿固体以便生成诸如玉米粉产品的产物。在一些实施例中，所述过程还包括分级玉米颗粒以便基本上分离胚乳，在约180°F或更低的温度下将胚乳中的淀粉的至少一部分转化成糖，发酵糖以便生成啤酒，以及从啤酒获得湿固体产物。在一些实施例中，所述过程还包括在溶剂交换之前从湿固体提取蛋白质。在一些实施例中，所述过程包括将一部分或全部淀粉从固体去除。在一些实施例中，在约150°F或更低的温度下进行干燥。在一些实施例中，溶剂是乙醇。在一些实施例中，所述溶剂是乙醇和水的溶液。在一些实施例中，所述溶剂交换在湿固体中产生的乙醇浓度等于或高于水-乙醇的共沸点的乙醇浓度。
应该指出的是本公开的上述各种特征可单独地或组合地实施。下面在本公开的详细描述中并结合以下的附图将对本公开的这些和其它特征进行更详细地描述。
附图说明
现在将参照附图通过实例的方式来描述根据本公开的一些非限制性实施例，其中：
图1是根据一些实施例的包括乙醇生产设施的生物质精炼设备的透视图。
图2A和图2B是根据一些实施例的示出用于在冷煮乙醇生产设施中生成乙醇的步骤的示例性过程流程图。
图3是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的步骤的示例性过程流程图。
图4是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的特定步骤的示例性示意性的流程图框图。
图5是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的步骤的第二示例性示意性的流程图框图。
图6是从概念上示出取决于乙醇在固体中的浓度用于干燥湿固体所需能量的图表。
图7A至图7E是根据一些实施例的横截面示意图，详细示出在低能量生成乙醇和副产物中所使用的溶剂交换的过滤带实施例。
图8是示出根据一些实施例的在低能量生成乙醇和副产物中所使用的溶剂交换的过滤带实施例的等距示意图。
图9是示出根据一些实施例的在低能量生成乙醇和副产物中所使用的溶剂交换的过滤带实施例的侧剖横截面示意图。
表1提供示例性玉米粉产品的基于干重的组分范围。
表2提供去除淀粉的示例性玉米粉产品的基于干重的组分范围。
表3提供示例性玉米粉产品的基于干重的组分范围，其中改变上游蛋白质去除过程。
具体实施方式
除非另有定义，否则，本文所用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域内的普通技术人员所通常理解的相同含义。在对于本文的术语而言存在多个定义的情况下，以该部分中的那些为准，除非另有说明。
词语“示例性”用于意味着用作实例、例子或示例性。描述成“示例性”的任何实施例或设计并不一定要被解释成优于或胜过其它实施例或设计，也并不意味着排除由本领域的那些普通技术人员所公知的等同示例性结构和技术。相反，使用词语示例性意旨以具体方式呈现概念，并且所公开的主题并不限于这些实例。
术语“或”意旨意味着包括性的“或”而非排他性的“或”。至于在详细描述或权利要求中使用的术语“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包含(contains)”以及其它类似词语，为了避免产生疑问，这种术语意旨以类似于作为开放过渡词的术语“包括(comprising)”的方式是包括性的而并不排除任何附加或其它元素。
当本文中使用短语“例如”、“诸如”、“包含”等的情况下，短语“且并不限于”应理解为遵循，除非另有明确规定。
当使用短语“衍生自”等的情况下，“直接或间接”应理解为遵循。词语“一(a,an)”、“该(the)”和“所述(said)”当在权利要求书中使用时意味着“一个或多个”，除非另有明确说明。
术语“基本上”(或者备选地“有效地”)意味着允许从描述性的词语有所不会负面影响预期目的的偏差和/或从描述性的词语有所将固有技术限制考虑在内的偏差。描述性术语隐含地理解成由基本上的词语修饰，即使该术语没有明确地由基本上的词语修饰。
术语“约”意味着考虑到由于不负面影响预期目的的实验误差或偏差而造成的变化。所有测量值或数值隐含地理解成通过词语“约”来修饰，即使测量值或数值没有明确地由词语“约”修饰。
“热损害最小化的蛋白质”是蛋白没有暴露于超过约180℉的温度下。
现在将参照如在附图中所示的几个实施例来详细地描述根据本公开的组合物和方法。在下述描述中，对许多具体细节进行了阐述以便提供对本公开实施例的彻底理解。然而对于本领域技术人员而言显而易见的是这些实施例可在没有一些或所有这些特定细节的情况下实施。在其它情况下，没有详细地描述众所周知的工艺步骤和/或结构以避免不必要地混淆本发明。参照附图以及如下的论述可更好地理解实施例的特征和优点。
本发明涉及通过从玉米原料低能量生产乙醇来制造独特的玉米粉产品及其组合物。该玉米粉用作动物饲料、工业用途、极化粘合剂、填充剂产品和化肥，仅举几例。与传统的干酒糟(DDG)和具有可溶物的DDG(DDGS)相比，由于一致的低处理温度，以这种方式通过乙醇生产所生成的玉米粉是独特的。不受到理论的束缚，据信这可以防止在玉米粉产品中淀粉的任何实质性的糊化以及蛋白质的损害，所述玉米粉产品与已知的DDG、DDGS和研磨的玉米面粉相比提供独特的营养组态。
应当指出的是以下公开包括一系列的子部分。这些子部分并不意旨以任何方式限制本公开的范围，而仅仅是为了清楚起见和便于阅读。因此，在一个部分中的公开可同等适用于其它部分的过程或描述(如果适用的话)。此外，还应当指出的是，虽然具体考虑将玉米粒用作起始原料，但是在具体实施例中可由其它材料取代。例如，在某些情况下，可以使用大豆或谷物的混合物来在低能量条件下生成乙醇和副产物。这可导致认为其它新颖的组合物在本公开范围内。
I.冷煮生产乙醇
为了便于公开，图1是示例性生物质精炼设备100的透视图，其包括配置成从玉米生产乙醇的乙醇生产设施。示例性的生物质精炼设备100包括区域102，其中玉米(或其它合适的物料，包括但不限于生物质，糖和其它淀粉产品)被输送并制备以便供应给乙醇生产设施。乙醇生产设施包括设备104，其用于将玉米制备和处理(例如，研磨)成适于在发酵系统106中发酵成发酵产物的玉米粉。乙醇生产设施包括蒸馏系统108，在所述蒸馏系统108中发酵产物被蒸馏并脱水成乙醇。在一些实施例中，生物质精炼设备还可包括副产物处理系统(示出为包括离心机、干燥器以及蒸发器)。
在一些实施例中，生物质精炼设备可被称为“分级”乙醇生产设施，在该设备中玉米粒在研磨之前分级成其三个组成部分。这些包括主要是纤维材料的外壳(玉米糠麸)、充满淀粉的胚乳和富含蛋白质的胚芽部分。分级的益处在于低淀粉组分可被虹吸到不同的工艺流内，从而确保只有高淀粉胚乳经受液化、发酵和蒸馏。这可确保操作更有效、需要更少的酵母和酶，以及所生产的每加仑乙醇消耗的能量更低。最后，玉米糠麸和胚芽部分可作为适于饲料行业的附加副产物出售，或可被进一步加工以便生成更高价值的副产物。
虽然下面的大部分论述将围绕分级式生物质精炼设备进行，但是可认为也在本公开的范围之内的是，全粒设备(whole kernal plants)也可用于生成玉米粉，如将在下面进一步详细描述的那样。此外，如前面所指出的那样，任何所公开的乙醇生产设施包括可包括适于处理取代玉米粒或者除了玉米粒之外附加的其它原料的变型。
图2A和图2B是根据一些实施例的示出用于在冷煮乙醇生产设施中生成乙醇的步骤的示例性过程流程图。在乙醇生产过程中，玉米202(或其它合适的饲料材料)可被制备以便在制备系统204中进一步处理。如图2B中所示，制备系统204可包括分级系统206，以便将玉米粒分级成其三个组分，如上所述。分级可采用研磨、大小分离和密度分离以便有效地进行。糠麸和胚芽组分210被去除以便进一步处理或作为原材料出售。在一些情况下，可在分级之前或之后执行筛选过程，其去除异物，诸如石头、泥土、沙粒、玉米穗轴碎片以及其它不可发酵的材料(例如，被去除的组分)。
在分级之后，胚乳的粒径可通过研磨208减小以便于进一步处理。将研磨后的玉米用水、酶和制剂218浆化以便于将淀粉转化成糖(例如葡萄糖)，诸如在第一处理系统216内。在“常规”玉米到乙醇设施中，面粉浆料在蒸汽加压锅内被加热以便使淀粉转化成糖。通过使用酶的方法，无需任何外部加热，实现“冷煮”过程。冷煮的益处在于所需的能量减少，整体成本降低，以及对胚乳粉的淀粉和蛋白质的热损害程度最小。当然，可利用涉及高热加工的常规过程来生成玉米粉；不过，这会由于热损害而改变在冷煮玉米粉中所发现的蛋白质组态。
糖(例如，经处理的组分)在发酵系统222中通过乙醇原(例如酵母或其它制剂224)转化成乙醇。发酵的产物(发酵产物)的产物是啤酒，其包含液体组分和固体组分，所述液体组分包括乙醇、水和可溶性组分，所述固体组分包括未发酵的颗粒物(除其它之外)。所述发酵产物可在第二处理系统228中用制剂230进行处理。在该阶段，低能量设施不同于标准的冷煮设备。
在图示的标准设施中，将经处理的发酵产物输送到蒸馏系统232。在蒸馏系统232中，(经处理的)发酵产物进行蒸馏并脱水成乙醇234。在某些实施例中，被去除的组分236(例如，酒糟)可在第三处理系统(在该系统中被去除的组分可用制剂处理)中干燥成干酒糟(DDG)并作为动物饲料产品出售，被去除的组分236包括水、可溶性组分、油和未发酵的固体(例如，啤酒中的基本上去除所有乙醇的固体组分)。其它副产物，例如糖浆(和包含在糖浆中的油)，也可从酒糟回收。
相反地，“低能量”乙醇生产设施可避免蒸馏发酵产物，并在固体上进行溶剂交换以便减少干燥能量。在下文中对该过程进行更详细地描述。
II.低能量生产乙醇和副产物
图3是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的步骤的示例性过程流程图。这种制备过程的初始阶段类似于传统的工厂。输送进来的玉米302在分级系统306中进行分级(在一个分级装置)。玉米糠麸(纤维)和胚芽310组分被去除，以及胚乳被输送到所述研磨系统308以便尺寸减小到粉末。
粉末/经研磨的胚乳在处理系统316中用水和酶318浆化以便产生糖。将酵母和其它试剂324添加到发酵系统323以便将糖转化成乙醇和二氧化碳。二氧化碳通常被捕集并出于工业和饮料用途被出售。
然而在发酵之后，该低能量的过程显著地偏离于标准的乙醇生产实践。水具有很高的沸点、热容量和汽化热量。由于这些特性，需要大量的能量来将水加热到足以使水汽化的温度然后进行汽化。所公开的低能量设施设计成使用溶剂将水从湿固体洗涤或提取，所述溶剂具有低的汽化热量、热容量、以及沸点，或这三个特性的某种组合。一旦一些水已经从湿固体提取出来，使用少量的能量对现在包括一定量溶剂的湿固体进行干燥。由于在乙醇厂中乙醇的可用性，因此乙醇是在本发明的洗涤或水提取过程中可用的特别相关的溶剂。乙醇已知具有0.58Btu/Ib-F的热容量，其大约为水热容量的一半。乙醇的沸点为约173度华氏，而相对的水的沸点为约212华氏度。最后，乙醇的汽化热量为约362Btu/Ib，而相对的水的汽化热量为约980Btu/Ib。
为了有效地实现该洗涤/溶剂交换，而不是将所述发酵产物输送到蒸馏系统，首先利用螺旋压榨机、离心机、或膜(统称为脱液系统328)脱液。其将啤酒的水和乙醇部分离出来，水和乙醇部分被输送到蒸馏系统330，并且留下固体组分。乙醇在湿固体中的浓度由发酵过程确定，但通常在11％和20％之间，尽管低于该范围和高于该范围的浓度量与本申请中所公开的实施例相容。从发酵啤酒中分离出来的湿固体的通常乙醇浓度的该范围相比于湿固体中的水浓度相对较低。从发酵啤酒分离的湿固体具有相对较高的水含量和相对较低的乙醇含量。
然后将固体提供给一个或多个溶剂交换循环338，其中固体经受稀释阶段334紧接着是脱液阶段336。应该指出的是固体实际稀释不是必需的。固体可具有洗涤通过其的液体体积，在固体中的液体浓度在整个洗涤过程中不变。来自该溶剂交换的固体342被提供给干燥器334以生成玉米粉346。溶剂交换用具有更低汽化热量的溶剂(通常是乙醇)取代了固体中的残留水。因此，与标准工厂中使用的干燥器相比，干燥器可在低得多的温度下操作。在一些实施例中，干燥器344在等于或低于约150℉的温度下操作。
返回到溶剂交换循环338，从任一脱液阶段336去除的液体340可再循环至之前的任何稀释阶段334，或可被输送到蒸馏系统330以便回收乙醇332。通过仅仅将发酵液体混合物引导到蒸馏系统，蒸馏系统更不容易受到污染，污染主要是由当直接蒸馏发酵啤酒时所存在的固体导致。由于不容易受到污染，蒸馏系统的复杂防污染设备可能是不必要的，从而降低了蒸馏系统的复杂性和成本。因为由蒸馏系统处理的发酵液体混合物基本上不含固体组分，施加到蒸馏系统的热能将只需要加热溶解于或以其它方式存在于发酵液体混合物中的那些很小的固体。这与必须加热发酵啤酒的固体和液体组分两者的蒸馏系统相比减少了蒸馏系统的热能需求。
在一些具体的实施例中，执行稀释和脱液的仅仅一个循环。在替代性的实施例中，可期望进行多次稀释和脱液步骤以便以尽可能经济的用乙醇(或其它溶剂)取代固体中的尽可能多的水。在这些多个溶剂交换循环中，来自后一阶段的液体可作为逆流方法中的适于前一循环的稀释液体再循环以便更有效地用溶剂取代水。
此外，在一些实施例中，希望在溶剂交换之前去除一些蛋白质部分。在这些实施例中，在第一稀释过程中，可采用特定的溶剂类型和浓度来溶解所需的蛋白质。这些蛋白质然后可通过改变浓度或温度来从溶剂回收。在玉米中可去除的这样一种蛋白质是玉米蛋白。虽然玉米蛋白是一种蛋白质，但是许多动物不易将其消化，而所生成的玉米粉可得益于将玉米蛋白去除。此外，玉米蛋白具有许多工业和人类消费的最终用途，这也使其客观地成为有价值的副产物。
玉米蛋白在特定温度和浓度的乙醇和水的溶液中是可溶的，如本领域内众所周知的那样。通过控制溶剂乙醇的浓度、温度、添加剂和滞留时间，特定的蛋白质部分和浓度可在全溶剂交换之前去除。因此，最终生成的玉米粉可具有由上游蛋白质提取物特制的蛋白质组态和组合物组成。
图4是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的特定步骤的示例性示意性的流程图框图。该系统示出了处于悬浮液404中的发酵产物402，其经受第一脱液分离406。液体混合物408可被供应给蒸馏系统以便回收乙醇。剩下的湿固体410包括低浓度的乙醇。在另一分离418之前，乙醇洗涤液412可添加到固体洗涤阶段414中且基本上混合/洗涤416。该分离的液体428可被提供给蒸馏系统430。所得到的湿固体420可被输送到蒸发器422，或可经受一系列附加的洗涤阶段。来自进行干燥固体的乙醇蒸汽424被收集并再循环至洗涤，或供应给蒸馏系统。从该过程生成玉米粉426。另外也同样生成标准酒精度为190(190proof)的乙醇432和馏出物434。
图5是根据一些实施例的示出用于在低能量冷煮乙醇生产设施中生成乙醇和副产物的步骤的第二示例性示意性的流程图框图。在该系统中发生类似的过程。在研磨机502处玉米被研磨(或分级以及将胚乳研磨)，并在处理系统504中用酶来处理以便生成糖。浆液在发酵系统506中发酵，以及啤酒产物在分离器508中被分离成固体和液体。液体进入蒸馏系统510以及干燥系统512以便生成纯乙醇。
将固体提供给第一洗涤阶段514，在该洗涤阶段514来自下一阶段的洗涤液体作为洗涤液体循环返回。可提供另外的乙醇以便根据需要分离出蛋白质，像玉米蛋白。将稀释的固体分离出来，并且液体被输送到蒸馏系统510。固体然后行进到第二洗涤阶段516。以逆流方式接收来自前一阶段的适于第二洗涤阶段516的洗涤液体。在该阶段末分离出的液体被提供返回到第一初始的洗涤/蛋白质提取步骤。
然后固体可在一个或多个洗涤阶段518处经过任何次数的附加洗涤。每一阶段从紧接其后的阶段接收洗涤液体。然后固体输入到倒数第二阶段(阶段N-1)520。该阶段从最终阶段(阶段N)520接收洗涤流体。任何阶段也可具有添加到洗涤阶段的附加乙醇。最后阶段520被供以高浓度的乙醇洗涤液以便确保基本上所有的水从固体中去除。然后将固体提供给蒸发器/干燥器以便生成玉米粉。如果使用大量的乙醇洗涤阶段，所得到的湿固体的组合物具有的乙醇浓度将接近于在初始乙醇洗涤中被供应到最终乙醇洗涤阶段(阶段N)的乙醇浓度。任何数目的乙醇洗涤循环可作为阶段n被插入。乙醇和水的任何浓度可用作阶段n中的乙醇洗涤液。
在采用大量乙醇洗涤阶段的一个方案中，将需要在最终的洗涤阶段添加最小量的新乙醇洗涤液，以便产生具有所需乙醇浓度的所得到的湿固体。通过使用少量的乙醇洗涤液，只有来自初始乙醇洗涤循环(阶段1)的脱液阶段的少量流体将需要蒸馏，从而降低由蒸馏阶段所用的能量。来自脱液阶段的流体的蒸馏是在常规的乙醇方案中不存在的能量要求，并且希望该能量需求最小化。
图6是从概念上示出取决于乙醇在固体中的浓度用于干燥湿固体所需能量的图表。通过增加湿固体中的乙醇浓度(如在水平轴线604上所示)，用于干燥固体所需能量的量(如在垂直轴线602上所示)降低(示为绘图线608)。通常而言，通过发酵所生成的固体具有约10-20％的乙醇浓度(如606处所示)。
水与乙醇的共沸点表示在图表上(在610处)。为了在湿固体中获得等于或高于水和乙醇共沸点的乙醇浓度，在洗涤循环中必须使用在等于或高于水和乙醇共沸点的比值下的乙醇浓度。因为生产或获得无水乙醇(标准酒精度为200，或100％)或基本上无水的乙醇是昂贵的，因此希望在乙醇洗涤循环中最小化其用量。
为了在湿固体中获得等于或高于水与乙醇共沸点的乙醇浓度，可将少量基本无水乙醇用作含有液体刚好低于共沸点浓度的湿固体的稀释剂。在乙醇工厂中，适于刚好低于共沸浓度的乙醇的一种来源是在来自蒸馏系统的使用乙醇的输出处，湿固体将包含水和乙醇的浓度不高于刚好低于共沸点的值的液体组分。在该点处可使用少量的基本无水乙醇执行最终的洗涤循环。从该最终的洗涤循环所得到的湿固体则包含水和乙醇的浓度等于或高于共沸点的液态组分。
III.利用过滤带进行溶剂交换
图7A至图7E示出过滤带在沿着所述带不同位置处的横截面视图。虽然可采用任何常规的过滤带技术，但是如图7A中所示的过滤带702可具有实质上穿孔或多孔的结构，这样放置于过滤带702上的材料的液体组分可抽吸通过带，剩下放置于过滤带702上的材料的固体组分。在图7B中，示出发酵啤酒和固体704装载到过滤带702上。过滤带下方的真空通过过滤带从发酵啤酒和固体吸取母液706(液体组分)，剩下湿固体708，如图7C中所示。图7D示出了如利用过滤带所执行的乙醇洗涤循环，包括下述步骤，用乙醇洗涤液712稀释湿固体708以便形成混合物的步骤，并使用真空来脱水的步骤，以便生成所得到的湿固体，其具有的乙醇浓度高于初始湿固体的乙醇浓度。
示出通过过滤带上方的喷嘴710将乙醇洗涤液712施加到湿固体上。虽然示出了喷嘴710，但是也可以采用其它手段将乙醇洗涤液712施加到湿固体708上。抽吸通过带702的混合物的液体组分714被收集且可在另一乙醇洗涤循环中用作乙醇洗涤液710。
图7E示出使用过滤带执行的汽化阶段，在该阶段中加热的气体716被施加到过滤带上方的材料。过滤带下方的真空将所述加热气体716抽吸通过过滤带上方的材料。可收集乙醇蒸汽718且进一步处理以便回收存在于乙醇蒸汽718中的任何乙醇或其它所需组分，乙醇蒸汽718包括由加热气体当其抽吸通过过滤带上方的材料时所收集的液体。
图8示出执行逆流洗涤的过滤带的等距示意图。发酵啤酒和固体704装载于过滤带702上，如首先在图7B中所示。在作为玉米粉812从过滤带702的相对端输出之前，发酵啤酒和固体704行进通过初始的脱水阶段802、一系列的乙醇洗涤循环808以及汽化阶段810。玉米粉可不完全干燥且可能含有便于材料处理所需的一定水平的水分。在初始的脱水阶段802中，首先在图7B和7C中示出，发酵啤酒和固体704的母液706通过过滤带下方的真空抽吸通过过滤带702。母液706可被蒸馏以便分离乙醇母液706中的乙醇。从母液706蒸馏出的乙醇可用作乙醇洗涤循环的乙醇洗涤液712。在将发酵啤酒和固体704的母液706被去除之后，含有一些残留液体的剩余固体组分被称为湿固体708。
在初始脱水阶段802之后，湿固体708被输送到一系列的乙醇洗涤循环808。在一个实施例中，每个单独的洗涤循环804使用来自下一阶段的液体组分714作为乙醇洗涤液712。初始乙醇洗涤液806在下游的乙醇洗涤循环804处刚好在汽化阶段之前施加到湿固体708。该初始乙醇洗涤液806施加到湿固体708以便形成混合物。该混合物的液体组分714通过过滤带下方的真空抽吸通过过滤带702并随后被收集。在一些实施例中，所述液体组分714用作上游乙醇洗涤阶段804的乙醇洗涤液712。将来自下游乙醇洗涤阶段804的液体组分714用作上游乙醇洗涤阶段804的乙醇洗涤液712被称为逆流洗涤，因为过滤带上的湿固体的流动方向与用作乙醇洗涤液的液体流动方向相反。
图9是适于生产乙醇过程的过滤带实施方案的示意性侧视图。在该视图中，发酵的啤酒和固体704示出被放置于过滤带702上。发酵的啤酒和固体沿着过滤带流动，经受初始的脱水阶段802、一系列的乙醇洗涤循环808、以及汽化阶段810。在过滤带702的端部处，收集玉米粉812。在一些实施例中，初始的乙醇洗涤液806可包括基本上无水的乙醇(约100％的乙醇)。此外，在一些实施例中，可将浓度约95％、或标准酒精度为190(由蒸馏系统输出的乙醇近似浓度)的乙醇用作初始洗涤阶段之前的乙醇洗涤液904。图9示出逆流洗涤过程，这样下游洗涤循环804的液体组分714用作适于上游洗涤循环804的乙醇洗涤液712。来自汽化阶段810的液体组分814可被蒸馏以便分离包含于液体814中的乙醇或用作前一阶段的洗涤液。初始脱水阶段802的母液706可用作初始乙醇洗涤液806或用作初始乙醇洗涤806上游的任何乙醇洗涤液712。
在乙醇洗涤阶段之后，所得到的湿固体包含液体组分，其具有的乙醇浓度高于发酵啤酒的乙醇浓度。将所得到的湿固体暴露在汽化阶段以使得湿固体中的液体汽化，剩下干燥或基本上干燥的固体。在一些实施例中，为了将从湿固体产生干燥固体所需的能量最小化，湿固体中的乙醇浓度将等于或高于对于水与乙醇而言的共沸比，其大约为96％的乙醇。在共沸水平下，湿固体中的乙醇会以基本上与湿固体中残留液体相同的浓度汽化，剩下干燥的固体，同时使用最少量的能量来进行汽化或干燥。通过低于共沸水平的水和乙醇之比，与当水和乙醇之比等于或高于共沸水平时相比，湿固体干燥的效率较低。如果在所得到的固体中期望少量的水，或在所得到的固体中期望低浓度的乙醇，则最终湿固体中的乙醇浓度会低于对于水和乙醇而言的共沸比。在汽化阶段所回收的蒸汽可被冷凝并如图5中所述添加到乙醇洗涤液流中。为了从汽化阶段进行蒸汽的冷凝，可使用热交换器来从任何可用源回收废热并将直接加热汽化阶段。
在标准的乙醇工厂中，在常规过程中采用干燥机以便对来自于蒸馏酒糟的湿饼进行干燥。这将DDG暴露在温度高到足以汽化DDG中液体的温度下。为了减少DDG在高温下的暴露，通常大量的空气被注入到干燥机内。将DDG暴露于高温下时会降解并改变颜色。通过使用在本申请中所述的低能量干燥过程来限制玉米粉所处的温度，减少玉米粉在干燥过程中降解的风险。因为与在常规过程中用于干燥DDG所需的温度相比，湿固体可在低得多的温度下干燥，因此不需要使用大量的空气来协助干燥过程。
在常规过程中，从干燥机排出的蒸汽含有非常低浓度的液体，因此使用大量的空气。因为在低能量干燥玉米粉的过程中使用更少量的空气，所得到的蒸汽中的液体浓度是较高的。在适于低能量干燥的过程中，来自干燥机的水蒸汽可被冷凝并再次利用。由于在工厂中可以再次使用乙醇-水蒸汽，消除用于将蒸汽释放到环境内的需要，从而潜在地减少工厂的排放量。因为在干燥过程中使用的水进行再循环，初始注入到发酵过程中的所有水被送回蒸馏系统，在蒸馏系统内其可被捕集并再次使用。这显著降低了工厂执行本低能量过程的整体用水需求。
IV.玉米粉组合物
如上所公开的那样，玉米粉利用低温过程生成。玉米粉产品未被煮到将淀粉转化成糖且不通过蒸馏系统。在一些实施例中，适于玉米粉的最终干燥步骤不超过180°F，且在一些实施例中不超过150°F。在玉米粉产品上执行的彻底的测试发现只要发酵固体不遇到高于150°F的温度，它们的组合物就没有不利的变化(在蛋白质组态、颜色和化学性能方面)。随着温度升高，组合物开始发生变化。温度越高发生的变化越大。
表1中示出基于干重的原玉米粉的组成分布。在这样试样中，粗蛋白质水平的范围为31.9-39.0％，脂肪范围为0.8-3％，灰分范围为0.9-2.5％，洗涤剂纤维的范围为32-48％，以及总淀粉范围为10-15％。
所述组合物可随着输送进入的玉米以及处理特性而变化。该组合物通过洗涤或更长的发酵时间可被改变以便将淀粉去除到少于1％的淀粉，其产生如表2中所示的组合物。在这些“脱淀粉”的试样中，粗蛋白质的范围为31.6-44.8％，脂肪的范围为0.9-3％，灰分的范围为1.2-2.7％，洗涤剂纤维的范围为32.2-49.7％，以及总淀粉少于1％。
水分被加至干燥的玉米粉产品并且可变化。通常而言，水的添加量可根据流动能力特性、最终用途以及定货规格的需要从1％变化至12％。
如前面所指出的那样，玉米粉产品可通过控制上游去除的蛋白质的量和在初始洗涤步骤下去除的细粒材料的量来改变。通过控制蛋白质提取可生成的一种示例性产品的独特理想范围可在表3中看出。在这些蛋白质提取的试样中，粗蛋白质的范围为33.4-44.0％，脂肪的范围为0.0-3％，灰分的范围为0-2.7％，洗涤剂纤维的范围为32-50％，以及总淀粉的范围为0-15％。
如本申请(包括附图和实施例)中所公开和所述的实施例意旨是示例性的和解释性的。所公开实施例(例如所采用(或将要采用)的设备和方法以及组合物以及所使用(或将要使用)的组合物)的变型和变化是可能的；所有的这种变型和变化意旨处于本发明的范围之内。

Claims (21)

1.一种组合物，其包括自谷物到乙醇发酵过程的啤酒产物的湿固体部分所衍生的产物，其中所述产物包括热损害最小化的蛋白质，所述蛋白质的量在基于干重的产物的从约31％至约45％的范围内，其中所述热损害最小化的蛋白质是未暴露于超过约180°F温度的蛋白质。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物是玉米粉组合物。
3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述热损害最小化的蛋白质是玉米蛋白。
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述产物还包括基于干重的最高约3％的脂肪。
5.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述热损害最小化的蛋白质是未暴露于超过约150°F的温度的蛋白质。
6.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述蛋白质是热损害最小化的大豆蛋白。
7.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述蛋白质包括自玉米胚乳衍生的蛋白质。
8.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述产物还包括量在基于干重的从约32％至约50％范围的中性洗涤剂纤维。
9.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述产物还包括量在基于干重的从约0.8％至约3％范围的脂肪。
10.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述产物还包括量在基于干重的最高约15％的淀粉。
11.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述产物还包括量在基于干重的从约10％至约15％范围的淀粉。
12.一种方法，其包括：
a.用溶剂来交换在从谷物到乙醇发酵啤酒所衍生的湿固体产物中的至少一部分水，所述溶剂具有比水低的汽化热、比水低的热容量或比水低的沸点中的至少一个；以及
b.在约180°F或更低的温度下干燥该湿固体以便生成产物，所述产物包括量在基于干重的产物的从约31％至约45％的范围内的热损害最小化的蛋白质，其中所述热损害最小化的蛋白质是未暴露于超过约180°F温度的蛋白质。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述谷物是玉米，以及所述过程还包括生产玉米粉产品。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
a.分级玉米颗粒以便基本上分离出胚乳；
b.在约180°F或更低的温度下将所述胚乳中的淀粉的至少一部分转化成糖；
c.发酵所述糖以便生成啤酒；以及
d.从所述啤酒获得湿固体部分。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在溶剂交换之前从所述湿固体提取蛋白质。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将淀粉从湿固体去除。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在约150°F或更低的温度下将所述淀粉转化成糖并对所述固体进行干燥。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述溶剂是乙醇。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述溶剂是乙醇水溶液。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述溶剂是约95％的乙醇水溶液。
21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，选择所述溶剂以在湿固体产物中产生等于或高于水和乙醇的共沸点的乙醇浓度。
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