CN104968792A - 用于生产发酵产物的工艺和系统 - Google Patents

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B.富奇斯
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Abstract

本发明涉及用于生产发酵产物诸如醇的工艺和系统。本发明也提供用于分离进料流组分以改善生物质加工和生产能力的方法。

Description

用于生产发酵产物的工艺和系统
本申请要求2012年10月11日提交的美国临时申请61/712,385，2013年3月14日提交的美国专利申请13/828,353，2013年3月15日提交的美国专利申请13/836,115，和2013年9月12日提交的美国专利申请14/024,722的权益，它们每个全文以引用方式并入本文。
与本申请相关联的序列表经由EFS-Web以电子形式提交，并且由此全文以引用方式并入本说明书。
技术领域
本发明涉及用于生产发酵产物诸如醇的工艺和系统。本发明也提供用于分离进料流组分以改善生物质加工生产能力的方法。
背景技术
醇具有多种工业和科学用途，诸如燃料、试剂和溶剂。例如，丁醇是具有多种用途的重要工业化学品，包括用作燃料添加剂，在塑料工业中用作化学原料，以及在食品和风味剂工业中用作食品级的提取剂。因此，高度需求醇诸如丁醇以及高效环保的生产方法，包括例如使用生物质作为原料用于这些方法。
通过发酵生产醇是一种此类环保生产方法。一些生产高收率醇的微生物也具有低的毒性阀值，使得当生产醇时需要从发酵罐中移除醇。一种方法，原位产物移除(ISPR)，当生产醇时可用于从发酵罐中移除醇，从而使微生物以高收率生产醇。在本领域中已经描述的ISPR的一个例子是液-液提取(参见例如美国专利申请公布2009/0305370)。为了技术和经济上的可行性，液-液提取需要在提取剂和发酵液之间接触以用于高效传质；提取剂与发酵液相分离；高效地回收并再循环利用提取剂；以及经过长期运作而最小化提取剂的降解和/或污染。
当进入发酵罐的含水流包含来自原料的不溶解的固体时，不溶解的固体可能妨碍液-液提取，并且提取方法可能在技术和经济上不可行，例如导致资金和运作成本增加。提取发酵期间存在的不溶解的固体可降低传质系数，阻止相分离，导致来自不溶解的固体的油在提取剂中积聚而造成提取效率随时间降低，增加提取剂损失，因为它与固体一起最后作为干酒糟及可溶物(Dried Distillers Grains with Solubles，DDGS)被移除，减缓提取剂液滴与发酵液的分离，和/或导致较低的发酵罐体积效率。因此，固体移除提供用于发酵工艺中生产和回收醇的有效手段。
除了固体移除之外，从原料中移除油也可对醇生产以及商业利益提供有益效果。例如，一些油诸如玉米油和大豆油可用作生物柴油的原料，并因此给醇生产者提供另外的收益流。此外，移除油可使得生产工厂能量节约，这是由于更有效的发酵、由于移除油导致的较少油污、提高的发酵罐体积效率和减少的能量需求，例如，用于干酒糟所需的能量。
一直需要开发用于生产醇诸如乙醇和丁醇的更有效的工艺和系统。本发明满足了这种需要并提供了用于生产醇的工艺和系统，包括用于在发酵之前分离进料流组分并控制不溶解的固体量和/或发酵过程中的油的工艺和系统。
发明内容
本发明涉及用于在发酵产物生产中分离进料流组分并控制发酵罐进料流中不溶解的固体量和/或油的工艺和系统。分离的组分提供用于提高生物质加工生产能力的机制，包括改善醇发酵共产物特征。通过将进料流分离成某些组分，包括(1)包含可发酵碳源的含水流，(2)包含油的进料流，和(3)包含不溶解的固体的进料流，这些组分可以受控方式再合并，或者从系统中移除用于其它用途。这提供一种开发迎合不同市场需求的共产物组合物的机制，诸如需要较高蛋白质和/或较高脂肪饲料的动物饲料市场。
本发明也涉及用于在发酵产物生产中从发酵罐进料流中移除油的工艺和系统。在一些实施例中，可从发酵罐进料流中移除不溶解的固体和油。
本发明涉及生产发酵产物诸如产物醇的方法，所述方法包括：提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；从原料浆液中分离不溶解的固体和油的一部分，由此形成包含可发酵碳源的含水溶液、包含固体的湿饼和油流；以及将所述第一含水溶液添加至包含微生物的发酵液，由此产生发酵产物。在一些实施例中，该方法还可包括回收油流的步骤。在一些实施例中，该方法还可包括洗涤湿饼的步骤，其中产生包含碳水化合物的第二含水溶液。在一些实施例中，该方法还可包括将第二含水溶液添加至发酵液的步骤。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至原料浆液。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至液化和/或原料制备。在一些实施例中，含水溶液可包含按重量计不超过约5％的不溶解的固体。
在一些实施例中，油可为玉米油且可包含甘油三酯、脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯和磷脂中的一种或多种。在一些实施例中，该方法还可包括将湿饼的一部分和油的一部分合并以产生包含甘油三酯、游离脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯和磷脂的湿饼的步骤。
在一些实施例中，该方法还可包括将含水溶液与湿饼的一部分合并以产生含水溶液和湿饼的混合物并将该混合物添加至发酵液的步骤。在一些实施例中，分离原料浆液可为单步法。在一些实施例中，不溶解的固体和油可通过以下装置从原料浆液中分离：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，不溶解的固体和油可通过两个或更多个分离工具从原料浆液中分离，例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，不溶解的固体和油可使用两个或三个分离工具从原料浆液中分离。
在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机。在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机和盘叠式离心机。在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机和滗析器型离心机。在一些实施例中，两个分离工具可为离心和过滤。在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机和错流过滤。在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机和鼓式过滤器。在一些实施例中，两个分离工具可为三相离心机和旋转筛。
在一些实施例中，三个分离工具可为三相离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为一个三相离心机和两个盘叠式离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为一个三相离心机和两个滗析器型离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为离心和过滤的组合。在一些实施例中，三个分离工具可为三相离心机、旋转筛和盘叠式离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为三相离心机、旋转筛和盘叠式离心机。在一些实施例中，三个分离工具可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。
在一些实施例中，可调节分离工具或装置的一个或多个控制参数以改善原料浆液的分离。在一些实施例中，一个或多个控制参数可为差速度、碗速度、流量、叶轮位置、堰位置、螺距、停留时间、排放体积、或它们的组合。在一些实施例中，实时测量可用于监测原料浆液的分离。在一些实施例中，分离可通过下列来监测：傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、粒子分析仪、或它们的组合。
在一些实施例中，发酵产物可为产物醇。在一些实施例中，产物醇可为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇和/或杂醇。在一些实施例中，微生物可包含丁醇生物合成途径。在一些实施例中，丁醇生物合成途径可以是1-丁醇生物合成途径、2-丁醇生物合成途径、或异丁醇生物合成途径。
本发明也涉及一种方法，该方法包括提供包含可发酵碳源和不溶解的固体的原料浆液；从原料浆液中分离不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的含水溶液和包含固体的湿饼；使湿饼与液体接触以形成湿饼混合物；以及从湿饼混合物中分离不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的第二含水溶液和包含固体的第二湿饼。在一些实施例中，液体可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或它们的组合。在一些实施例中，可重复接触步骤和分离步骤。在一些实施例中，可重复接触步骤和分离步骤两次。在一些实施例中，可重复接触步骤和分离步骤三次。在一些实施例中，可重复接触步骤和分离步骤四次或更多次。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至原料浆液。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至液化和/或原料制备。
本发明涉及一种方法，该方法包括：提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；从原料浆液中分离油和不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的含水溶液、油流和包含固体的湿饼；以及使湿饼与液体接触以形成湿饼混合物；以及从湿饼混合物中分离不溶解的固体和油的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的第二含水溶液、第二油流和包含固体的第二湿饼。在一些实施例中，分离原料浆液可为单步法。在一些实施例中，不溶解的固体和油可通过以下装置从原料浆液中分离：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，可调节分离装置的一个或多个控制参数以改善原料浆液的分离。在一些实施例中，一个或多个控制参数可为差速度、碗速度、流量、叶轮位置、堰位置、螺距、停留时间、排放体积、或它们的组合。在一些实施例中，可使用实时测量来监测原料浆液的分离。在一些实施例中，分离可通过下列来监测：傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、粒子分析仪、或它们的组合。
本发明涉及一种方法，该方法包括提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；分离原料浆液，由此形成(i)包含可发酵碳源的第一含水溶液，(ii)包含固体的第一湿饼，和(iii)包含油、固体和含有可发酵碳源的含水流的流；以及将第一含水溶液添加至包含微生物的发酵液，由此产生发酵产物。在一些实施例中，该方法还可包括分离包含油、固体和含有可发酵碳源的含水流的流，由此形成(i)包含可发酵碳源的第二含水溶液，(ii)包含固体的第二湿饼，和(iii)油流。在一些实施例中，可将第一含水溶液添加至发酵液。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至发酵液。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至原料浆液。在一些实施例中，可将第二含水溶液添加至液化和/或原料制备。在一些实施例中，可在添加至发酵液之前将第一和第二含水溶液合并。在一些实施例中，第二含水溶液还可包含油。在一些实施例中，可处理第二含水溶液或其部分的油以产生提取剂。在一些实施例中，油可为经化学处理或酶处理的。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，分离可通过以下装置进行：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、膜过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
本发明涉及一种方法，该方法包括提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；分离原料浆液，由此形成(i)包含可发酵碳源和固体的第一含水溶液，(ii)包含固体的第一湿饼，和(iii)第一油流；以及将油添加至第一含水溶液，由此形成包含固体的油层和包含可发酵碳源的第二含水溶液。在一些实施例中，可分离包含固体的油层，从而形成(i)第二油流，(ii)包含固体的第二湿饼，和(iii)包含可发酵碳源的第三含水溶液。在一些实施例中，可将第二含水溶液和第三含水溶液添加至包含微生物的发酵液中，由此产生发酵产物。在一些实施例中，第二含水溶液和第三含水溶液还可包含油。在一些实施例中，可将第二含水溶液和第三含水溶液合并并可处理合并的第二含水溶液和第三含水溶液或它们的部分的油以产生提取剂。在一些实施例中，油可为经化学处理或酶处理的。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，分离可通过以下装置进行：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、膜过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
本发明也涉及一种系统，该系统包括：被配置成液化原料以产生原料浆液的一个或多个液化单元，所述液化单元包括：用于接收原料的入口；和用于排放原料浆液的出口，其中原料浆液包含可发酵碳源、油和不溶解的固体；和被配置成从原料浆液中移除油和不溶解的固体以产生包含可发酵碳源的含水溶液、油流和包含不溶解固体部分的湿饼的一个或多个分离单元，所述一个或多个分离单元包括：用于接收原料浆液的入口；用于排放含水溶液的第一出口；用于排放湿饼的第二出口；和用于排放油的第三出口。在一些实施例中，该系统还可包括被配置成从湿饼中回收可发酵碳源的一个或多个洗涤系统，所述一个或多个洗涤系统包括：一个或多个混合单元；和一个或多个分离单元。在一些实施例中，一个或多个分离单元可为滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，该系统还可包括被配置成发酵含水溶液以产生一种或多种发酵产物的一个或多个发酵罐，所述发酵罐包括：用于接收含水溶液和/或湿饼的入口；和用于排放包含一种或多种发酵产物的发酵液的出口。在一些实施例中，系统还可包括在线测量装置。在一些实施例中，在线测量装置可为粒度分析仪、傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、pH计、溶解氧探头、或它们的组合。
附图说明
并入本文并成为说明书的一部分的附图示出了本发明，并且与说明书一起进一步用来解释本发明的原理并使得本领域的技术人员能够利用本发明。
图1示意性地示出了本发明的示例性工艺和系统，其中不溶解的固体在液化后且在发酵前通过分离移除。
图2示意性地示出了本发明的示例性另选工艺和系统，其中原料被研磨。
图3示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中不溶解的固体和油通过分离移除。
图4A和4B示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中湿饼经受一个或多个洗涤循环。
图5A和5B示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中不溶解的固体和油通过分离移除，并且湿饼经受一个或多个洗涤循环。
图6示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中将含水溶液和湿饼合并并导入发酵。
图7示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中在发酵之前将含水溶液糖化。
图8示意性地示出了本发明的另一个示例性另选工艺和系统，其中在分离之前将原料浆液糖化。
图9A至9F示意性地示出了本发明的示例性另选工艺和系统，其中利用另外的分离单元移除不溶解的固体和油。
图10示意性地示出了利用线上、线内、在线和/或实时测量监测发酵过程的示例性发酵工艺。
图11示意性地示出了包括下游加工的本发明的示例性发酵工艺。
图12示出了不溶解的玉米醪固体的存在对总体积传质系数kLa的效应，该传质系数用于将i-BuOH从液化玉米淀粉的含水溶液传递到油醇液滴的分散体中，该油醇液滴当使用具有2.03mm内径的喷嘴分散油醇时流经鼓泡塔反应器。
图13示出了不溶解的玉米醪固体的存在对总体积传质系数kLa的效应，该传质系数用于将i-BuOH从液化玉米淀粉的含水溶液传递到油醇液滴的分散体中，该油醇液滴当使用具有0.76mm内径的喷嘴分散油醇时流经鼓泡塔反应器。
图14示出了发酵样品管中作为(重力)沉降时间的函数的液液界面的位置。相分离数据示出运行时间：5.3、29.3、53.3和70.3小时的运行时间。样品数据来自提取发酵，其中从醪进料中移除了固体，并且油醇是溶剂。
图15示出了作为(重力)沉降时间的函数的最终发酵液的液液界面的位置。数据来自提取发酵，其中从醪进料中移除了固体，并且油醇是溶剂。
图16示出了作为批次1和批次2时间的函数的浆液含水相中的葡萄糖浓度。
图17示出了作为批次3和批次4时间的函数的浆液含水相中的葡萄糖浓度。
图18示出了酶载量和在液化期间某些时间施用+/-高温阶段对淀粉转化的效应。
图19A至19E示出了三相离心机条件对原料浆液分离的效应。
具体实施方式
除非另有定义，否则本文所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的一样。如发生矛盾，以本申请(包括其定义)为准。此外，除非上下文另有所需，单数术语将包括复数，并且复数术语将包括单数。为所有目的，所有的出版物、专利、以及本文提及的其它参考资料均全文以引用方式并入本文。
为了进一步限定本发明，本文提供了以下术语和定义。
如本文所用，术语“包含(comprises/comprising)”、“包括(includes/including)”、“具有(has/having)”或“含有(contains/containing)”或它们的任何其它变型将被理解为是指包括指定的整数或整数组但不排除任何其它整数或整数组。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，而可以包括其它未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备固有的元素。此外，除非另外相反指明，否则“或”是指包含性的或，而不是指排它性的或。例如，下列中任一者均满足条件A或B：A是真的(或存在的)且B是假的(或不存在的)、A是假的(或不存在的)且B是真的(或存在的)、以及A和B都是真的(或存在的)。
而且，涉及元素或组分实例(即出现)的数目在本发明元素或组分前的不定冠词“一个”或“一种”旨在为非限制性的。因此，应将“一个”或“一种”理解为包括一个或至少一个，并且元素或组分的词语单数形式也包括复数指代，除非有数字明显表示单数。
如本文所用，术语“发明”或“本发明”为非限制性术语，并且不旨在意指本发明的任何单个实施例，而是涵盖如申请所述的所有可能的实施例。
如本文所用，修饰本发明的成分或反应物的量使用的术语“约”是指可以通过例如以下方式而发生的用数字表示的量的变化：在真实世界中用于产生浓缩物或溶液的一般测量和液体处理操作；通过这些操作中非故意的误差；用于制备组合物或执行方法的成分的制造、来源或纯度中的差异等。术语“约”还包括由于产生自特定起始混合物的组合物的不同平衡条件而不同的量。无论是否通过术语“约”来修饰，权利要求包括量的等同量。在一个实施例中，术语“约”指在报告数值的10％范围内，或者在报告数值的5％范围内。
如本文所用，“生物质”指包含可水解多糖的天然产物，该可水解多糖提供可发酵糖，包括来源于天然来源诸如玉米、甘蔗、小麦、纤维素或木质纤维素材料以及包含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、寡糖、二糖和/或单糖、以及它们的混合物的材料的任何糖和淀粉。生物质还可包含另外的组分，诸如蛋白质和/或脂质。生物质可来源于单一来源，或者生物质可包括来源于多于一种来源的混合物。例如，生物质可包括玉米芯和玉米秸秆的混合物，或草和叶的混合物。生物质包括但不限于生物能作物、农业残余物、市政固体垃圾、工业固体垃圾、来自造纸业的淤渣、庭园垃圾、以及木材和林业垃圾(例如森林间伐物)。生物质的例子包括但不限于：玉米粒、玉米芯、作物残余物诸如玉米壳、玉米秸秆、草、小麦、裸麦、小麦秸秆、斯佩尔特小麦、黑小麦、大麦、大麦秸秆、燕麦、干草、稻、稻秆、柳枝稷、马铃薯、甘薯、木薯、菊芋(Jerusalem artichoke)、甘蔗渣、高粱、甘蔗、糖用甜菜、饲料甜菜、大豆、棕榈、椰子、油菜籽、红花、向日葵、粟、桉树、芒草、废纸、从谷物研磨中获得的组分、树、枝、根、叶、木屑、锯末、灌木和灌丛、蔬菜、水果、花、动物粪肥、以及它们的混合物。可通过本领域已知的任何方法，为了发酵目的加工生物质以从生物质中形成醪、果汁、浆、或水解产物，该加工诸如研磨、处理(例如酶处理、化学处理)和/或液化。经处理的生物质可包含可发酵糖和/或水。可通过本领域技术人员已知的任何方法来加工纤维素和/或木质纤维素生物质以获得包含可发酵糖的水解产物。例如，在美国专利申请公布2007/0031918A1中公开了低氨预处理，其全文以引用方式并入本文。纤维素和/或木质纤维素生物质的酶促糖化通常利用酶混合物来水解纤维素和半纤维素以产生包含糖的水解产物，所述糖包括葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。适用于纤维素和/或木质纤维素生物质的糖化酶参见Lynd等人(Microbiol.Mol.Biol.Rev.66：506-577，2002)。
如本文所用，“可发酵碳源”或“可发酵碳底物”是指能由微生物代谢的碳源。合适的可发酵碳源包括但不限于单糖，诸如葡萄糖或果糖；二糖，诸如乳糖或蔗糖；寡糖；多糖，诸如淀粉或纤维素；一碳底物；以及它们的混合物。
如本文所用，“可发酵的糖”是指能够由微生物代谢以产生发酵产物诸如醇的一种或多种糖。
如本文所用，“原料”是指发酵过程中的进料。进料可包含可发酵碳源且可包含不溶解的固体和/或油。如果适用，进料在通过进一步加工(诸如通过液化、糖化、或其它工艺)已经从淀粉中释放可发酵碳源或从复糖水解中获取可发酵碳源之前或之后可包含可发酵碳源。原料包括或可来源于生物质。合适的原料包括但不限于裸麦、小麦、玉米、玉米醪、甘蔗、甘蔗醪、大麦、纤维素材料、木质纤维素材料、或它们的混合物。当涉及“原料油”时，应当理解该术语包括从给定原料产生的油。
如本文所用，“发酵液”是指水、可发酵碳源(例如糖、淀粉)、溶解的固体、任选地产生发酵产物的微生物、任选地发酵产物(例如产物醇)、任选地不溶解的固体和发酵罐内保持的其它物质组分的混合物，其中发酵产物通过微生物代谢可发酵碳源以形成发酵产物、水和二氧化碳(CO2)来制备。有时，如本文所用，术语“发酵培养基”和“发酵混合物”可与“发酵液”同义使用。
如本文所用，“发酵罐”或“发酵容器”是指其中进行发酵反应，由此可发酵碳源制备发酵产物(例如产物醇诸如乙醇或丁醇)的容器、单元、或罐。发酵罐也可指其中发生微生物生长的容器、单元、或罐。在一些情况下，微生物生长和发酵均可在发酵罐中发生。本文中术语“发酵罐”可与“发酵容器”同义使用。
如本文所用，“糖化容器”指其中进行糖化(即，将寡糖水解成单糖)的容器、单元、或罐。在发酵和糖化同时发生的情况下，糖化容器和发酵罐可为同一容器。
如本文所用，“糖化酶”指一种或多种能够水解多糖和/或寡糖例如糖原或淀粉的α-1，4-糖苷键的酶。糖化酶也可包括能够水解纤维素或木质纤维素材料的酶。
如本文所用，“液化容器”指在其中进行液化的容器、单元、或罐。液化是其中淀粉被水解的过程，例如通过酶促方法获得寡糖。在其中原料是玉米的实施例中，寡糖在液化期间从玉米淀粉内容物中水解出来。
如本文所用，“糖”是指寡糖、二糖、单糖和/或它们的混合物。术语“糖类”也可包括碳水化合物，诸如淀粉、右旋糖酐、糖原、纤维素、戊聚糖、以及糖。
如本文所用，“不溶解的固体”指原料的不可发酵部分，其不溶解在液相或含水相中，例如胚芽、纤维和谷蛋白。原料的不可发酵的部分包括保持为固体且可从发酵液吸收液体的原料的部分。如本文所用，术语“不溶解的固体”有时可与“固体”或“悬浮固体”同义使用。
如本文所用，“提取剂”指用于提取发酵产物的溶剂。有时，如本文所用，术语“提取剂”可与“溶剂”同义使用。
如本文所用，“原位产物移除(ISPR)”指从诸如发酵的生物过程中，当产物产生时选择性移除产物以控制生物过程中的产物浓度。
如本文所用，“产物醇”指在发酵过程中可由微生物产生的任何醇，微生物利用生物质作为可发酵碳源的来源。产物醇包括但不限于C1-C8烷基醇。在一些实施例中，产物醇是C2-C8烷基醇。在其它实施例中，产物醇是C2-C5烷基醇。应当理解，C1-C8烷基醇包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、以及它们的异构体。同样地，C2-C8烷基醇包括但不限于乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、以及它们的异构体。术语“醇”本文可也用于指产物醇。
如本文所用，“丁醇”是指丁醇异构体：单独或其混合物形式的1-丁醇(1-BuOH)、2-丁醇(2-BuOH)、叔丁醇(tert-BuOH)和/或异丁醇(iBuOH、i-BuOH、或I-BUOH)。
如本文所用，“丙醇”指丙醇异构体：单独或其混合物形式的异丙醇或1-丙醇。
如本文所用，“戊醇”指戊醇异构体：单独或其混合物形式的1-戊醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、2，2-二甲基-1-丙醇、3-戊醇、2-戊醇、3-甲基-2-丁醇、或2-甲基-2-丁醇。
如本文所用，术语“有效滴度”是指发酵产生的特定发酵产物(例如产物醇)的总量。在其中发酵产物是产物醇的一些实施例中，有效滴度可指每升发酵培养基醇酯化产生的醇酯的醇当量。
如本文所用，“与水不混溶的”或“不溶性的”是指化学组分诸如提取剂或溶剂不能够以形成单一液相的形式与含水溶液诸如发酵液混合。
如本文所用，“含水相”是指通过使发酵液与提取剂(例如与水不混溶的有机提取剂)接触而获得的至少一种两相混合物中的含水相。在本文所述包括发酵提取的方法的一个实施例中，术语“发酵液”可指在两相发酵提取中的含水相。
如本文所用，术语“含水相滴度”是指含水相中发酵产物(例如产物醇)的浓度。
如本文所用，“有机相”是指通过使发酵液与提取剂(例如与水不混溶的有机提取剂)接触而获得的至少一种两相混合物中的非含水相。
如本文所用，关于工艺流的“部分”是指保留流组合物的任何流部分，包括整个流以及流的任何一种或多种组分、包括流的所有组分。
如本文所用，“副产物”或“共产物”是指在另一种产物产生期间产生的产物。在一些情况下，术语“共产物”可与术语“副产物”同义使用。共产物包括例如从原料浆液、湿饼和DDGS中回收的油。共产物也可包括油、湿饼和DDGS的改性，它们用于改善值的目的和/或用于制造其它产物，诸如来自油的生物柴油。
如本文所用，“酒糟共产物”是指来自产物醇生产过程的副产物，其可在发酵之前或期间被分离。酒糟共产物包括在从发酵醪和分离自醪的固体中移除产物醇后剩余的不可发酵的产物。如本文所用，酒糟共产物可用于多种动物饲料和非动物饲料应用。酒糟共产物的例子包括但不限于来自油水解的脂肪酸、来自稀釜馏物蒸发的脂质、浆、酒糟、酒糟及可溶物、在发酵前来自醪的固体、在发酵后来自全釜馏物的固体、生物柴油和酰基甘油酯。
如本文所用，“用于动物饲料的酒糟共产物”是指适用于或适用作动物饲料的酒糟共产物。用于动物饲料的酒糟共产物的例子包括但不限于来自油水解的脂肪酸、来自稀釜馏物蒸发的脂质、浆、酒糟、酒糟及可溶物、在发酵前来自醪的固体和在发酵后来自全釜馏物的固体。
如本文所用，“酒糟”或“DG”是指从发酵醪中移除产物醇后剩余的不可发酵产物。干燥的酒糟已知为“干酒糟”或“DDG”。未干燥的酒糟已知为“湿酒糟”或“WDG”。
如本文所用，“酒糟及可溶物”或“DGS”是指从发酵醪中移除产物醇后剩余的不可发酵产物，其已经与可溶物共混。干燥的酒糟及可溶物已知为“干酒糟及可溶物”或“DDGS”。未干燥的酒糟及可溶物已知为“湿酒糟及可溶物”或“WDGS”。
如本文所用，“干酒糟及可溶物”(DDGS)指来自原料或生物质发酵的共产物或副产物(例如，产生产物醇的发酵谷物或谷物混合物)。在一些实施例中，DDGS还可以指由制备产物醇的过程产生的动物饲料。
如本文所用，“脂质”是指任何脂肪和脂肪样物质的异质组，包括脂肪酸、中性脂肪、蜡和类固醇，它们是水不溶性的且溶于非极性溶剂。脂质的例子包括甘油单酯、甘油二酯、甘油三酯和磷脂。
如本文所用，“来自蒸发的脂质”涉及工艺流时是指在产物醇生产过程中，在发酵后通过蒸发并离心稀釜馏物产生的脂质副产物。
如本文所用，“浆”或“浓缩酒糟可溶物”(CDS)涉及工艺流时是指在产物醇生产过程中，在发酵后通过蒸发稀釜馏物产生的副产物。
如本文所用，“工艺流”是指通过发酵产物生产过程形成的任何副产物或共产物。工艺流的例子包括但不限于COFA、来自蒸发的脂质、浆、DG、DDG、WDG、DGS、DDGS和WDGS。工艺流的另一个例子是在发酵产物生产过程中，在发酵前从醪中移除(例如通过离心)固体(例如在发酵前从玉米醪中移除固体)。当这些固体尚未干燥时可被称为“湿饼”，并且当它们已经干燥时可称为“干饼”。工艺流的另一个例子是在发酵产物生产过程中，在发酵后从全釜馏物中移除固体(例如通过离心)。当这些固体尚未干燥时可被称为“WS湿饼”，并且当它们已经干燥时可称为“WS干饼”。工艺流也可指发酵工艺的任何流，例如原料浆液、含水溶液和流、提取剂、产物流等。如本文所用，术语“工艺流”有时可与“流”同义使用。
本发明提供利用发酵生产发酵产物诸如产物醇的工艺和方法。可使用本文所述的工艺和方法生产的其它发酵产物包括丙二醇、丁二醇、丙酮；酸，诸如乳酸、乙酸、丁酸和丙酸；气体，诸如氢甲烷和二氧化碳；氨基酸；维生素，诸如生物素、维生素B2(核黄素)、维生素B12(例如钴胺素)、抗坏血酸(例如维生素C)、维生素E(例如a-生育酚)和维生素K(例如甲萘醌)；抗生素诸如红霉素、青霉素、链霉素和四环素；以及其它产物诸如柠檬酸、转化酶、山梨醇、果胶酶和木糖醇。
作为本文提供的工艺和方法的一个例子，可液化原料以形成包含可发酵碳源(例如可溶性糖)和不溶解的固体的原料浆液。在一些情况下，术语“原料浆液”和“醪”可互换使用。在一些实施例中，原料浆液包含可溶性糖、不溶解的固体和油。如果将原料浆液直接进料于发酵罐，不溶解的固体和/或油可妨碍发酵产物诸如产物醇的有效移除和回收。例如，如果利用液-液提取从发酵液中提取产物醇，不溶解的固体的存在可通过妨碍提取剂和发酵液间的接触引起系统失效，包括但不限于降低产物醇到提取剂的传质速率；在发酵罐中产生乳液，并从而妨碍提取剂和发酵液的相分离；减缓提取剂与发酵液的分离；降低提取剂的回收和再利用效率，因为提取剂和产物醇的至少一部分被“捕集”在固体中；由于油污染缩短提取剂的循环寿命；以及因为固体占据发酵罐的体积而降低发酵罐体积效率。这些效应可能导致较高的资金和运作成本。此外，被“捕集”在用于产生干酒糟及可溶物(DDGS)的不溶解的固体中的提取剂可降低作为动物饲料销售的DDGS的价值和资质。因此，为了避免和/或最小化这些问题，在将原料浆液添加至发酵罐之前从原料浆液中移除不溶解的固体的至少一部分。相对于对包含其中尚未移除不溶解的固体的含水溶液的发酵液进行的提取，当对包含其中已经移除了不溶解的固体的含水溶液的发酵液进行提取时，提取活性和产物醇生产效率可提高。
本发明的工艺和系统将根据附图进行描述。在一些实施例中，例如如图1所示，该系统包括被配置成液化原料以产生原料浆液的液化10。
例如，可将原料12引入液化10的入口。原料12可为包含可发酵碳源诸如淀粉的任何合适的生物质材料，包括但不限于大麦、燕麦、裸麦、高粱、小麦、黑小麦、斯佩尔特小麦、粟、甘蔗、玉米、或它们的组合。也可将水引入液化10。
液化原料12的方法涉及水解原料12，从而产生水溶性糖。工业上利用的任何已知的液化方法均可被使用，包括但不限于酸法、酶法、或酸-酶法。可单独或组合使用此类方法。在一些实施例中、可利用酶法，并且可将适当的酶14，例如α-淀粉酶，引入液化10的入口。可用于本发明的工艺和系统的α-淀粉酶的例子描述于美国专利7,541,026；美国专利申请公布2009/0209026；美国专利申请公布2009/0238923；美国专利申请公布2009/0252828；美国专利申请公布2009/0314286；美国专利申请公布2010/02278970；美国专利申请公布2010/0048446；和美国专利申请公布2010/0021587中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，用于液化和/或糖化的酶可由微生物(例如微生物32)产生。产生此类酶的微生物的例子描述于美国专利7,498,159；美国专利申请公布2012/0003701；美国专利申请公布2012/0129229；PCT国际公布WO 2010/096562；以及PCT国际公布WO 2011/153516中，它们每个全文以引用方式并入本文。
液化原料12的方法产生原料浆液16，其包含可发酵碳源和不溶解的固体。在一些实施例中，原料浆液16可包含可发酵碳源、油和不溶解的固体。不溶解的固体是原料12的不可发酵部分。在一些实施例中，原料12可为玉米，诸如干燥磨碎的、未分级的玉米粒，并且不溶解的固体可包含胚芽、纤维和谷蛋白。在一些实施例中，原料12是玉米或玉米粒，并且原料浆液16是玉米醪浆液。原料浆液16可从液化10的出口排放，并且导入分离20。
在一些实施例中，可将营养物质诸如氨基酸、氮、矿物质、痕量元素和/或维生素添加至原料浆液16或发酵30。例如以下物质中的一种或多种：生物素、泛酸、叶酸、烟酸、氨基苯甲酸、吡哆素、核黄素、硫胺素、维生素A、维生素C、维生素D、维生素E、维生素K、肌醇基、钾(例如磷酸钾)、硼酸、钙(例如氯化钙)、铬、铜(例如硫酸铜)、碘(例如碘化钾)、铁(例如氯化铁)、锂、镁(例如硫酸镁、氯化镁)、锰(例如硫酸锰)、钼、磷、钾、氯化钠、钒、锌(例如硫酸锌)、酵母提取物、大豆蛋白胨等可被添加至原料浆液16或发酵30。氨基酸的例子包括必需氨基酸诸如组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸以及其它氨基酸诸如丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸。
经过入口的分离20可被配置成从原料浆液16中移除不溶解的固体。分离20也可被配置成移除油、或移除油和不溶解的固体。分离20可为能够分离固体和液体的任何装置。例如，分离20可为工业中利用的任何常规离心机，包括例如滗析器型碗式离心机、三相离心机、盘叠式离心机、过滤离心机、或滗析器型离心机。在一些实施例中，分离可通过下列来完成：过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或可用于分离固体和液体的任何方法或分离装置。
导入分离20的原料浆液16可分离形成液相或含水溶液22(也称为稀醪)和固相、固体流、或湿饼24。含水溶液22可包含例如寡糖形式的糖和水。在一些实施例中，含水溶液22可包含按重量计至少约10％的寡糖，按重量计至少约20％的寡糖，或按重量计至少约30％的寡糖。在一些实施例中，含水溶液22可从靠近分离20的顶部定位的出口排放。在一些实施例中，含水溶液22可具有小于约20厘泊(cP)的粘度。在一些实施例中，含水溶液22可包含小于约20g/L的单体葡萄糖，小于约10g/L的单体葡萄糖，或小于约5g/L的单体葡萄糖。适用于测定单体葡萄糖的量的方法是本领域熟知的，诸如高效液相色谱(HPLC)。
湿饼24可从分离20排放。在一些实施例中，湿饼24可从靠近分离20的底部定位的出口排放。湿饼24可包含不溶解的固体。在一些实施例中，湿饼24也可包含糖和水的一部分。一旦已经从分离20中排放了含水溶液22，则可使用分离20用另外的水洗涤湿饼24。在一些实施例中，可使用另外的分离装置用另外的水洗涤湿饼24。洗涤湿饼24将回收存在于湿饼中的糖或糖源(例如寡糖)，并且可将回收的糖和水再循环至液化10中。在洗涤后，可通过任何合适的已知方法加工湿饼24以形成DDGS。由湿饼24形成DDGS具有多种有益效果。例如，因为不溶解的固体未被添加至发酵罐，不溶解的固体不经受发酵罐的条件，并因此不溶解的固体不与发酵罐中存在的微生物接触，并且发酵产物诸如产物醇或其它组分诸如提取剂不被捕集在不溶解的固体中。这些效果为后续的DDGS(例如作为动物饲料)加工和使用提供有益效果，因为DDGS将不含发酵液的微生物或其它组分(例如产物醇、提取剂)。
在一些实施例中，可从原料浆液中分离不溶解的固体以形成两种产物流，例如与原料浆液相比包含更低浓度固体的寡糖含水溶液和与原料浆液相比包含更高浓度固体的湿饼。此外，可产生包含油的第三流。同样地，可通过不同的分离技术或它们的组合产生多个产物流。例如，原料浆液16可使用三相离心机分离。三相离心机允许三相分离，从而产生两种液相(例如含水流和油流)和固体流(例如固体或湿饼)(参见例如FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)。两种液相可经由用于防止交叉污染的两个排放系统分离并例如从碗中滗出，并且固体流可经由独立的排放系统被移除。
在使用玉米作为原料12的一些实施例中，可利用三相离心机从原料浆液16(例如液化玉米醪)中同时移除固体和玉米油。固体是在液化期间，在淀粉被水解成可溶性寡糖后剩余的不溶解的固体，并且玉米油是在碾磨和/或液化期间从胚芽中释放的游离油。在一些实施例中，三相离心机可具有一个进料流和三个出口流。进料流可由液化期间产生的液化玉米醪组成。醪可由以下物质组成：液化淀粉(例如寡糖)的含水溶液；包含来自玉米的不溶性非淀粉组分的不溶解的固体；以及包含甘油酯和游离脂肪酸的玉米油。三相离心机的三个出口流可为湿饼(例如湿饼24)，其包含来自原料浆液的不溶解的固体；包含来自原料浆液的液化淀粉的重浓缩物流；和包含来自原料浆液的玉米油的轻浓缩物流。在一些实施例中，轻浓缩物流(例如油26)可导入储罐或适用于油储存的任何容器中。在一些实施例中，油可作为共产物售卖、转化成另一种共产物、或用于加工如将玉米油转化成玉米油脂肪酸的情况。在一些实施例中，重浓缩物流(例如含水溶液22)可用于发酵。在一些实施例中，湿饼可用工艺循环水诸如如本文所述的蒸发器冷凝物和/或逆流洗涤，以回收饼液相中的可溶性淀粉。
在一些实施例中，湿饼24是由原料浆液16形成的组合物，并且可包含存在于原料浆液中的按重量计至少约50％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约55％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约60％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约65％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约70％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约75％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约80％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约85％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约90％的不溶解固体，存在于原料浆液中的按重量计至少约95％的不溶解固体，或存在于原料浆液中的按重量计约99％的不溶解固体。
在一些实施例中，由原料浆液16形成的含水溶液22可包含存在于原料浆液中按重量计不超过约50％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约45％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约40％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约35％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约30％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约25％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约20％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约15％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约10％的不溶解固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约5％的不溶解固体，或存在于原料浆液中按重量计不超过约1％的不溶解固体。
被配置成发酵含水溶液22以产生发酵产物诸如产物醇的发酵30具有用于接收含水溶液22的入口。发酵30可包括发酵液。在一些实施例中，可将细菌、蓝细菌、丝状真菌、或酵母的微生物32导入发酵30，以包括在发酵液中。在一些实施例中，微生物32可为细菌如大肠杆菌(Escherichiacoli)。在一些实施例中，微生物32可为酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)。在一些实施例中，微生物32消耗含水溶液22中的糖并产生产物醇如乙醇或丁醇。在一些实施例中，微生物32可为重组微生物。
在一些实施例中，微生物32可经工程化以包含生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径可以是丁醇生物合成途径。在一些实施例中，丁醇生物合成途径可以是1-丁醇生物合成途径、2-丁醇生物合成途径、或异丁醇生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸转化成发酵产物。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸以及氨基酸转化成发酵产物。在一些实施例中，生物合成途径包含至少一种异源多核苷酸，其编码的多肽催化底物至产物的转化的生物合成途径。在一些实施例中，每个底物至产物的转化的生物合成途径由异源多核苷酸编码的多肽催化。通过包含生物合成途径的微生物生产产物醇的例子公开在例如美国专利7,851,188、以及美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0155870；2009/0305363；和2009/0305370中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，微生物32也可被固定，诸如通过吸附、共价结合、交联、截留和包封进行固定。用于包封细胞的方法是本领域已知的，诸如在美国专利申请公布2011/0306116中所述的方法，其全文以引用方式并入本文。
在本文所述的工艺和系统的一些实施例中，可利用原位产物移除(ISPR)从发酵液中移除发酵产物诸如产物醇。在一些实施例中，在发酵产物通过微生物生产时，ISPR可导入发酵30，或者在发酵30外部利用例如液-液提取进行。用于从发酵液中使用提取发酵生产并回收产物醇的方法描述于美国专利申请公布2009/0305370；美国专利申请公布2010/0221802；美国专利申请公布2011/0097773；美国专利申请公布2011/0312044；美国专利申请公布2011/0312043；和美国专利申请公布2012/0156738中所描述的那些；它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，发酵30可具有用于接收提取剂34的入口。在一些实施例中，提取剂34可在发酵30外部被添加至发酵液。在一些实施例中，提取剂34可被添加至外部提取器或外部提取回路。将提取剂34添加至发酵30或发酵30外部的另选工具用虚线表示。在一些实施例中，提取剂34可为不混溶的有机溶剂。在一些实施例中，提取剂34可为与水不混溶的有机溶剂。在一些实施例中，提取剂34可为有机提取剂，选自饱和的、单不饱和的、多不饱和的化合物、以及它们的混合物。在一些实施例中，提取剂34可选自C12-C22脂肪醇、C12-C22脂肪酸、C12-C22脂肪酸酯、C12-C22脂肪醛、C12-C22脂肪酰胺、以及它们的混合物。在一些实施例中，提取剂34也可选自C4-C22脂肪醇、C4-C28脂肪酸、C4-C28脂肪酸酯、C4-C22脂肪醛、以及它们的混合物。在一些实施例中，提取剂34可包括第一提取剂，其选自C12-C22脂肪醇、C12-C22脂肪酸、C12-C22脂肪酸酯、C12-C22脂肪醛、C12-C22脂肪酰胺、以及它们的混合物；和第二提取剂，其选自C7-C11脂肪醇、C7-C11脂肪酸、C7-C11脂肪酸酯、C7-C11脂肪醛、以及它们的混合物。在一些实施例中，提取剂34可为羧酸。在一些实施例中，提取剂34可为玉米油脂肪酸(COFA)或大豆油脂肪酸(SOFA)。在一些实施例中，提取剂34可为有机提取剂诸如油醇、山嵛醇、鲸蜡醇、月桂醇、肉豆蔻醇、硬脂醇、油酸、月桂酸、亚油酸、亚麻酸、肉豆蔻酸、硬脂酸、辛酸、癸酸、十一酸、肉豆蔻酸甲酯、油酸甲酯、1-壬醇、1-癸醇、2-十一醇、1-壬醛、1-十一醇、十一醛、月桂醛、2-甲基十一醛、油酰胺、亚油酰胺、棕榈酰胺、硬脂酰胺、2-乙基-1-己醇、2-己基-1-癸醇、2-辛基-1-十二烷醇、以及它们的混合物。对于本文所述及如图所示的工艺和系统，可将提取剂添加至发酵罐或外部提取器。
在一些实施例中，可基于某些特性选择提取剂。例如，提取剂可具有高Kd。Kd是指发酵产物(例如产物醇)在提取剂相(例如有机相)和含水相之间的分配系数。在一些实施例中，提取剂可具有高选择率。例如，选择率是指提取剂提取的产物醇对水的相对量。
在一些实施例中，提取剂可为生物相容性的。在一些实施例中，生物相容性是指微生物在提取剂的存在下利用可发酵碳源的能力的量度。在一些实施例中，提取剂可为生物相容的和非生物相容的提取剂的混合物。在一些实施例中，非生物相容的提取剂是指妨碍微生物利用可发酵碳源能力的提取剂。例如，在非生物相容的提取剂的存在下，微生物不以比不存在提取剂时高约50％的速率利用可发酵碳源。在一些实施例中，在非生物相容的提取剂的存在下，微生物不以比不存在提取剂时高约25％的速率利用可发酵碳源。生物相容的提取剂和非生物相容的提取剂的混合物例子包括但不限于油醇和壬醇、油醇和1-十一醇、油醇和2-十一醇、油醇和1-壬醛、油醇和癸醇、以及油醇和十二烷醇。生物相容的提取剂和非生物相容的提取剂的另外例子描述于美国专利申请公布2011/0097773中；其全文以引用方式并入本文。
提取剂34与发酵液接触，从而形成流36，其包含两相混合物(即，含水相和有机相)。在发酵产物是产物醇的情况下，存在于发酵液中的产物醇转移到提取剂34中，从而形成富含提取剂的产物醇(例如有机相)。在一些实施例中，流36可通过发酵30中的出口排放。可使用常规技术从流36中的提取剂分离产物醇。可将进料流加到发酵30中。发酵30可为本领域已知的任何合适的发酵罐。
在其中未将提取剂34添加至发酵液的一些实施例中，流36包含发酵液和产物醇。流36或其一部分包含产物醇和发酵液，其可从发酵30中排放并经进一步加工以回收产物醇。在一些实施例中，可将加工发酵液再循环至发酵30。
在一些实施例中，同步糖化和发酵(SSF)可在发酵30中发生。工业上利用的任何已知的糖化方法均可使用，包括但不限于酸法、酶法、或酸-酶法。在一些实施例中，可引入酶38诸如葡糖淀粉酶以水解原料浆液16或含水溶液22中的糖(例如寡糖)以形成单糖。可用于本发明的工艺和系统的葡糖淀粉酶的例子描述于美国专利7,413,887；美国专利7,723,079；美国专利申请公布2009/0275080；美国专利申请公布2010/0267114；美国专利申请公布2011/0014681；美国专利申请公布2011/0020899中，它们每个全文以引用方式并入本文。在一些实施例中，葡糖淀粉酶可为由重组微生物表达，该微生物也产生发酵产物(例如产物醇)。
在一些实施例中，可将酶诸如葡糖淀粉酶添加至液化容器。将酶诸如葡糖淀粉酶添加至液化容器可降低原料浆液或液化醪的粘度，并且可改善分离效率。在一些实施例中，可使用能够降低原料浆液浓度的任何酶(例如Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)。原料粘度可通过本领域已知的任何方法进行测量，包括在实例22中描述的方法。
在一些实施例中，流35可通过发酵30中的出口排放。排放的流35可包含微生物32诸如酵母。微生物32可从流35中分离，例如通过离心分离(未示出)。然后，微生物32可再循环至发酵30，这随时间推移可提高产物醇的生产率，从而导致产物醇的生产效率提高。
当流35的一部分排出发酵30时，流35可包含存在于原料浆液中按重量计不超过约50％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约45％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约40％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约35％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约30％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约25％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约20％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约15％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约10％的不溶解的固体，存在于原料浆液中按重量计不超过约5％的不溶解的固体，或存在于原料浆液中按重量计不超过约1％的不溶解的固体。
在一些实施例中，例如如图2所示，本发明的工艺和系统可包括研磨40，其被被配置成干磨原料12。原料12可通过入口进入研磨40，并且研磨40可研磨或磨碎原料12。在一些实施例中，原料12可为未分级的。在一些实施例中，原料12可为未分级的玉米粒。研磨40可为任何合适的已知研磨机，例如锤磨机。干磨过的原料44通过出口从研磨40中排放并进入液化10。图2的其余部分类似于图1，并因此将不再进行详述。在其它实施例中，原料可为分级的和/或湿磨的，这已知在工业中作为未分级的和/或干磨的替代。
湿磨法是多步方法，其将生物质分离成多个组分(诸如胚芽、果皮纤维、淀粉和谷蛋白)以分别从每个共产物获取价值。利用玉米作为原料，该方法产生多个共产物：淀粉、谷蛋白饲料、谷蛋白粗粉和玉米油流。这些流可经再合并及加工以产生饲料工业的定制产品。作为湿磨法的一个例子，原料(例如玉米)可被导入浸泡它的浸渍罐中，例如，在过氧化钠溶液中浸渍约30-50小时，温度为约120-130°F(约50-55℃)。可收集释放到水中的营养物质，并且蒸发以产生浓缩的发酵提取物(或浸渍液)。可从浸泡的原料中移除胚芽，并且进一步加工以回收油和胚芽粗粉。在移除胚芽后，原料的剩余部分可经处理以移除麸皮并产生淀粉和谷蛋白浆液。浆液可经进一步加工以分离淀粉和谷蛋白，谷蛋白可干燥形成谷蛋白粗粉。淀粉流可经由发酵进一步加工以产生发酵产物(例如产物醇)，或者可被食品、造纸、或纺织工业利用。例如，淀粉流可用于生产甜味剂。谷蛋白粗粉和谷蛋白进料流均包含蛋白质、脂肪和纤维，它们可用于饲料，供给奶牛和肉牛、家禽、猪、牲畜、马、水产养殖和家养宠物。谷蛋白饲料也可用作添加的微量营养素的载体。谷蛋白粗粉也包含甲硫氨酸和叶黄素，它们可用作例如家禽饲料(例如叶黄素为蛋黄提供黄色的色素)的色素成分。浓缩的发酵提取物含有蛋白质、生长因子、B维生素和矿物质，它们可用作高能量液体饲料成分。浓缩的提取物也可用作粒料粘合剂。该工艺提供纯化的淀粉流；然而，它是昂贵的且包括将生物质分离成它的非淀粉组分，这对醇的发酵生产是不必要的。
分级移除纤维和胚芽，其包含存在于碾磨过的完整玉米中的大部分脂质(例如油)，从而产生具有较高淀粉(胚乳)含量的分级玉米。在一些实施例中，至少约25％，至少约30％，至少约35％，至少约40％，至少约45％，至少约50％，至少约55％，至少约60％，至少约65％，至少约70％，至少约75％，至少约80％，至少约85％，至少约90％，至少约95％，或更高含量的油可通过分级从胚芽中移除。在一些实施例中，分级可降低原料的不溶解的固体含量至至少约0.5％，至少约1％，至少约2％，至少约3％，至少约4％，或至少约5％的原料。
干燥分级不从纤维中分离胚芽，因此它比湿磨法更便宜。分级的有益效果可包括例如改善的产物收率、发酵罐中增加的体积(即，空间)、较小的柱直径、较低的酶载量和提高的糖化效率、改善的油移除、减少由于移除油导致的设备堵塞、较少的清洁停工、DDGS中提高的蛋白质含量、减少的DDGS干燥时间和减少的能量消耗。然而，分级不移除全部纤维或胚芽，并且不移除全部固体。此外，在分级过程中存在一些淀粉损失。
干磨也可用于原料加工。原料可经研磨，例如，使用锤磨机产生粗粉，其可随后与水混合形成浆液。浆液可通过添加酶诸如淀粉酶将淀粉水解成糖而发生液化，从而形成醪。醪可经加热(“烹煮”)以使酶失活，并且随后冷却用于添加至发酵。可将冷却的醪、微生物和酶诸如葡糖淀粉酶添加至发酵用于生产发酵产物(例如产物醇)。在发酵后，发酵液可导入蒸馏用于回收发酵产物。如果尚未移除不溶解的固体，蒸馏塔的塔底流是包含未发酵固体(例如酒糟固体)的全釜馏物、溶解物质和水，可收集它们用于进一步加工。例如，可将全釜馏物分离成固体(例如湿饼)和稀釜馏物。分离可通过多种工具完成，包括但不限于离心、过滤、筛分、水力旋流器、或任何其它工具或用于从固体中分离液体的分离装置。稀釜馏物可导入蒸发，从而形成浓缩酒糟可溶物(CDS)或浆。稀釜馏物可包含可溶性营养物质、小颗粒固体(或细小颗粒)和微生物。固体(例如湿饼)可与浆合并并随后经干燥以形成DDGS。浆包含蛋白质、脂肪和纤维以及维生素和矿物质诸如磷和钾；并且可被添加至动物饲料以提供其营养价值和嗜食性。DDGS含有蛋白质、脂肪和纤维；并且提供过瘤胃蛋白质来源。DDGS可用于动物饲料，供给奶牛和肉牛、家禽、猪、牲畜、马、水产养殖和家养宠物。
在一些实施例中，例如如图3所示，本发明的工艺和系统可包括从分离20的出口排放油26。图3类似于图1，不同的是油流26排出分离20，并因此将不再进行详述。
导入分离20的原料浆液16可分离成包含可发酵糖的第一液相或含水溶液22、包含油26的第二液相和包含不溶解的固体的固相或湿饼24。可使用任何合适的分离装置以排放含水溶液22(或含水流)、湿饼24(或固体流)和油26(或油流)，例如三相离心机。在一些实施例中，原料12是玉米，并且油26是玉米油(例如游离玉米油)。如本文所用，术语游离玉米油是指游离于玉米胚芽的玉米油。在一些实施例中，油26可导入储罐或适用于油储存的任何容器中。在一些实施例中，当原料是玉米时，来自原料12诸如玉米油的油的一部分保留在湿饼24中。
在一些实施例中，当经由分离20移除油26时，发酵30中的发酵液包含减量的油。在一些实施例中，在移除油之后，原料浆液可包含约1重量％，约2重量％，约3重量％，或约4重量％的油。
在一些实施例中，可修改图2的工艺和系统以包括如本文所述从分离20中排放油流，分离20与图3的工艺和系统相连接。
如图4A所示，如果不单独排放油，则它可与湿饼24一起移除。当经由分离20分离湿饼24时，在一些实施例中，当原料是玉米时，来自原料12的油的一部分诸如玉米油保留在湿饼24中。湿饼24可导入混合60并与水或其它溶剂合并(即，再浆液化)，从而形成湿饼混合物65。在一些实施例中，水可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或发酵加工设施中可用的任何水源、或它们的任何组合。湿饼混合物65可导入分离70，从而产生包含回收自湿饼24的可发酵糖的洗涤浓缩物75和湿饼74。洗涤浓缩物75可再循环至液化10中。图4A的其余部分类似于图1，并因此将不再进行详述。
在一些实施例中，分离70可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。
在一些实施例中，湿饼可经受一个或多个洗涤循环或洗涤系统。例如，湿饼74可通过将湿饼74导入第二洗涤系统进行进一步加工。在一些实施例中，湿饼74可导入第二混合60′，从而形成湿饼混合物65′。湿饼混合物65′可导入第二分离70′，从而产生洗涤浓缩物75′和湿饼74′。洗涤浓缩物75′可再循环至液化10和/或洗涤浓缩物75′可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可再循环至液化10。如本文所述，湿饼74′可与湿饼74合并用于进一步加工。在一些实施例中，分离70′可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，湿饼可经受一个、两个、三个、四个、五个、或更多个洗涤循环或洗涤系统。
湿饼74可与可溶物合并并随后通过任何合适的已知方法干燥以形成DDGS。由湿饼74形成DDGS具有多个有益效果。例如，因为未将不溶解的固体添加至发酵罐，不溶解的固体不经受发酵罐的条件，并因此不溶解的固体不与发酵罐中存在的微生物接触，并且发酵产物诸如产物醇或其它组分诸如提取剂不被捕集在不溶解的固体中。这些效果为后续的DDGS(例如作为动物饲料)加工和使用提供有益效果，因为DDGS将不含发酵液的微生物或其它组分(例如产物醇、提取剂)。
如图4A所示，油不与湿饼分开排放，而是将油包括作为湿饼的部分，并且最终存在于DDGS中。如果利用玉米作为原料，玉米油包含甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯、脂肪酸和磷脂，它们提供动物的代谢能来源。湿饼中存在的油和最终的DDGS可提供期望的动物饲料，例如高脂肪含量动物饲料。
在一些实施例中，油可与DDGS分离并且转化成ISPR提取剂，后续用于相同或不同的发酵工艺。用于从生物质中获取提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043、美国专利申请公布2011/0312044、美国专利申请公布2012/0156738和PCT国际公布WO 2011/159998中；它们每个全文以引用方式并入本文。可使用任何合适的已知方法将油与DDGS分离，包括例如溶剂提取方法。在本发明的一个实施例中，可将DDGS添加至提取容器并用溶剂诸如己烷洗涤以移除油。可利用的其它溶剂包括例如异丁醇、异己烷、乙醇、丁醇、异十二烷、十六烷、异十六烷、庚烷、三异丁烯、二异丁烯、四异丁烯、异辛烷、石油馏分诸如石油醚、或它们的混合物。在油提取后，可处理DDGS以移除任何残余的溶剂。例如，可使用任何本领域已知的方法加热DDGS以蒸发任何残余的溶剂。在移除溶剂后，DDGS可经受干燥方法以移除任何残余的水。经加工的DDGS可用作动物诸如奶牛和肉牛、家禽、猪、牲畜、马、水产养殖和家养宠物的饲料补充剂。
在从DDGS中提取后，可收集所得油和溶剂混合物用于从溶剂中分离油。在一个实施例中，可通过蒸发加工油/溶剂混合物，由此蒸发并可收集、再循环利用溶剂。可将回收的油转化成ISPR提取剂，后续用于相同或不同的发酵工艺。
在一些实施例中，油也可利用溶剂提取方法分离自原料或原料浆液。例如，可将原料或原料浆液添加至提取容器并用溶剂洗涤以移除油。可利用的溶剂包括例如异丁醇、异己烷、乙醇、丁醇、异十二烷、十六烷、异十六烷、庚烷、三异丁烯、二异丁烯、四异丁烯、异辛烷、石油馏分诸如石油醚、或它们的混合物。在油提取后，可分离原料或原料浆液，从而产生湿饼和含水溶液。通过从原料或原料浆液中移除油，可改善固体和含水溶液的分离。例如，可减少含水溶液中的固体量。
在如图4A所示的工艺的一个实施例中，洗涤浓缩物75或其一部分(如虚线所示)可再循环至其它流或与其它流合并，如图4B所示。例如，洗涤浓缩物75可与其它流合并，作为一种减少醪中总悬浮固体(TSS)量的手段。如图4B所示，洗涤浓缩物75或其一部分可与浆液混合器15中的原料12合并，从而产生原料流17，其包含可发酵碳源和包括TSS的不溶解的固体。原料流17可导入被配置成液化原料流的液化10，从而产生原料浆液16，它可如本文所述进行进一步加工。在另一个实施例中，洗涤浓缩物75或其一部分可与原料浆液16合并。通过用洗涤浓缩物75稀释原料浆液16，可进一步减少原料浆液16中的TSS量。在一些实施例中，原料浆液16中的TSS量与醪(例如原料流17)中的TSS量(重量％)相比可减少约1重量％，约2重量％，约3重量％，约4重量％，约5重量％，约6重量％，约7重量％，约8重量％，约9重量％，约10重量％，或更多。
如本文所述，湿饼可经受一个或多个洗涤循环或洗涤系统。例如，湿饼74可通过将湿饼74导入第二洗涤系统进行进一步加工。在一些实施例中，湿饼74可导入第二混合60′，从而形成湿饼混合物65′。湿饼混合物65′可导入第二分离70′，从而产生洗涤浓缩物75′和湿饼74′。洗涤浓缩物75′或其一部分可再循环至浆液混合器15和/或洗涤浓缩物75′或其一部分可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可再循环至浆液混合器15。在一些实施例中，洗涤浓缩物75′或其一部分可与原料浆液16合并，和/或洗涤浓缩物75′或其一部分可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可继而与原料浆液16合并。
移除原料的油组分有利于生产，因为存在于发酵罐中的油可水解成脂肪酸和甘油。甘油可在水中积聚并减少可用于整个发酵系统再循环的水量。因此，移除原料的油组分通过提高可通过系统再循环的水量提高生产效率。此外，移除油可使得生产工厂能量节约，这是由于更有效的发酵、由于移除油导致的较少油污、提高的发酵罐体积效率和减少的能量需求，例如，用于干酒糟所需的能量。
如图5A所示，油可在本文所述的工艺期间的不同时间点被移除。原料浆液16可例如使用三相离心机被分成第一液相或含水溶液22(或含水流)、包含油26的第二液相(或油流)和固相或湿饼24(或固体流)。湿饼24可被进一步加工以回收可发酵糖和油。湿饼24可导入混合60并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65。在一些实施例中，水可为逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、收集自蒸发的水、或发酵加工设施中可用的任何其它水源、或它们的任何组合。湿饼混合物65可导入分离70(例如三相离心机)，从而产生包含可发酵糖的洗涤浓缩物75、油76和湿饼74。在一些实施例中，分离可为单步法。洗涤浓缩物75可再循环至液化10中。可将油76和油26合并并进一步加工以制造各种消费品。在一些实施例中，油(例如油26、油76)可进行进一步加工以产生提取剂。例如，油可经化学处理或酶处理以产生提取剂。在其中油是玉米油的一些实施例中，玉米油可经化学处理或酶处理以产生脂肪酸(例如玉米油脂肪酸)，其可用作提取剂。在其中油经酶处理的一些实施例中，酶反应可在转化后经受处理(例如加热)以灭活酶。在一些实施例中，油可经酶处理，利用酶如酯酶、脂肪酶、磷脂酶、溶血磷脂酶、或它们的组合。在一些实施例中，油可用氢氧化铵、无水氨、乙酸铵、过氧化氢、甲苯、冰醋酸、或它们的组合进行化学处理。用于从生物质中获得提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043和美国专利申请公布2011/0312044中，它们每个全文以引用方式并入本文。在其中油是玉米油的一些实施例中，原料浆液可包含至少约1重量％，至少约2重量％，至少约3重量％，至少约4重量％的玉米油，或至少约5重量％的玉米油。图5A的其余部分类似于图1，并因此将不再进行详述。
如本文所述，湿饼可经受一个或多个洗涤循环或洗涤系统。在一些实施例中，湿饼74可导入第二混合60′，从而形成湿饼混合物65′。湿饼混合物65′可导入第二分离70′，从而产生洗涤浓缩物75′、油76′和湿饼74′。洗涤浓缩物75′可再循环至液化10和/或洗涤浓缩物75′可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可再循环至液化10。如本文所述，可将湿饼74′与湿饼74合并用于进一步加工。可将油76、油76′和油26合并并进一步加工以制造各种消费品。在一些实施例中，油(例如油26、油76、油76′)可如本文所述进行进一步加工以产生提取剂。用于从生物质中获得提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043和美国专利申请公布2011/0312044中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在如图5A所示的工艺的一个实施例中，洗涤浓缩物75或其一部分(如虚线所示)可再循环至其它流或与其它流合并，如图5B所示。例如，洗涤浓缩物75可与其它流合并，作为一种减少醪中总悬浮固体(TSS)量的手段。如图5B所示，洗涤浓缩物75或其一部分可与浆液混合器15中的原料12合并，从而产生原料流17，其包含可发酵碳源和包括TSS的不溶解的固体。原料流17可导入被配置成液化原料流的液化10，从而产生原料浆液16，它可如本文所述进行进一步加工。在另一个实施例中，可将洗涤浓缩物75或其一部分与原料浆液16合并。通过用洗涤浓缩物75稀释原料浆液16，可进一步减少原料浆液16中的TSS量。在一些实施例中，原料浆液16中的TSS量与醪(例如原料流17)中的TSS量(重量％)相比可减少约1重量％，约2重量％，约3重量％，约4重量％，约5重量％，约6重量％，约7重量％，约8重量％，约9重量％，约10重量％，或更多。
如本文所述，湿饼可经受一个或多个洗涤循环或洗涤系统。例如，湿饼74可通过将湿饼74导入第二洗涤系统进行进一步加工。在一些实施例中，湿饼74可导入第二混合60′，从而形成湿饼混合物65′。湿饼混合物65′可导入第二分离70′，从而产生洗涤浓缩物75′和湿饼74′。洗涤浓缩物75′或其一部分可再循环至浆液混合器15和/或洗涤浓缩物75′或其一部分可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可再循环至浆液混合器15。在一些实施例中，洗涤浓缩物75′或其一部分可与原料浆液16合并，和/或洗涤浓缩物75′或其一部分可与洗涤浓缩物75合并，并且合并的洗涤浓缩物可继而与原料浆液16合并。
如图6所示，可将含水溶液22和湿饼24合并、冷却、并导入发酵30。原料浆液16可例如使用三相离心机被分成第一液相或含水溶液22、包含油26的第二液相和固相或湿饼24。在一些实施例中，可将油26(或油流)导入储罐或适用于油储存的任何容器中。可将含水溶液22(或含水流)和湿饼24(固体流)导入混合80并再次浆液化，从而形成含水溶液/湿饼混合物82。可将混合物82导入冷却器90中，从而产生冷却混合物92，其可被导入发酵30中。在一些实施例中，当经由分离20从原料12中移除油26时，混合物82和92包含减量的玉米油。图6的其余部分类似于图1，并因此将不再进行详述。
在一些实施例中，例如如图7和8所示，糖化可发生在分离的糖化系统50中，其在分离20和发酵30(图7)之间或液化10和分离20(图8)之间定位。图7和8类似于图1，不同的是包括分离的糖化50，并且发酵30不接收酶38。在一些实施例中，也可将酶38添加至发酵30。
工业上利用的任何已知的糖化方法均可使用，包括但不限于酸法、酶法、或酸-酶法。糖化50可被导入任何合适的糖化容器中。在一些实施例中，可引入酶38诸如葡糖淀粉酶以水解原料浆液16或含水溶液22中的糖(例如寡糖)以形成单糖。例如在图7中，存在于从分离20中排放并通过入口被导入糖化50中的含水溶液22中的寡糖水解成单糖。包含单糖的含水溶液52通过出口从糖化50中排放并导入发酵30中。另选地，如图8所示，存在于从液化10中排放并通过入口导入糖化50中的原料流16中的寡糖水解成单糖。包含单糖的原料浆液54通过出口从糖化50中排放并导入分离20中。在如图7和8所示的工艺的一些实施例中，原料浆液16和原料浆液54可经由分离20分离以形成第一液相或含水溶液22、含油的第二液相和固相或湿饼24。含水溶液22、湿饼24和油流可为如本文所述进行进一步加工。
在一些实施例中，可修改图1-6的系统和工艺以包括如本文所述独立的糖化系统，所述糖化系统与图7和8的系统和工艺相连接。
在一些实施例中，例如如图9A-9F所示，本发明的系统和工艺可包括两个或更多个分离装置和/或洗涤系统的系列。图9A-9F类似于图1，不同的是添加了分离系统和/或洗涤系统，并因此将不再进行详述。
参见图9A，可将由分离20排放的含水溶液22导入分离20′。分离20′可与分离20相同或不同，并且可以相同方式或不同方式运作。分离20′可移除不溶解的固体和油，它们不与含水溶液22分离以产生(i)类似于含水溶液22的含水溶液22′，但是它与含水溶液22相比包含减少量的不溶解的固体和油，(ii)类似于湿饼24的湿饼24′，和(iii)类似于油26的油26′。随后可将含水溶液22′引入发酵30。在一些实施例中，在分离20′后可存在一个或多个另外的分离装置。在一些实施例中，分离可为单步法。
在一些实施例中，分离20和分离20′可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
在一些实施例中，流35可通过发酵30中的出口排放。缺乏或最小化经由流35排出发酵30的不溶解的固体具有多个另外的有益效果。例如，可减少或消除下游加工中的单元和操作，例如啤酒塔或蒸馏塔，从而导致生产效率提高。另外，可移除一些或所有用于加工全釜馏物的离心机，因此在排出发酵罐的流中不溶解的固体较少。
在一些实施例中，本发明的系统和工艺可包括两个、三个、四个、或更多个分离装置和/或洗涤系统的系列。
参见图9B，可将原料浆液16导入分离20，并且可分离成包含可发酵糖的第一液相或含水溶液22、包含不溶解固体的固相或湿饼24、以及任选地包含油26的第二液相。可将湿饼24导入混合60并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65。可将含水溶液22导入分离20′，并且可分离成包含可发酵糖的含水溶液22′和包含不溶解固体的湿饼24′。在一些实施例中，包含油26′的第二液相可经由分离20′形成。可将含水溶液22′导入发酵30。可将湿饼24′导入混合60′并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65′。在一些实施例中，与湿饼24和湿饼24′合并的水可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或发酵加工设施中可用的任何水源、或它们的任何组合。可将湿饼混合物65和湿饼混合物65′合并，并且可导入分离70，从而产生包含可发酵糖的洗涤浓缩物75和湿饼74。洗涤浓缩物75可再循环至发酵过程，例如液化10或与原料浆液16合并。在其中油26和/或26′分离的实施例中，油可返回发酵过程或可导入储罐或适用于储油的任何容器。在一些实施例中，油可经由分离20和/或分离20′分离。
分离20′和分离20可相同或不同，并且可以相同方式或不同方式运作。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，分离20和分离20′可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离20和分离20′可为离心。在一些实施例中，分离20和分离20′可为三相离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为滗析器型离心机。在一些实施例中，分离20可为离心，并且分离20′可为过滤。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为错流过滤。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为鼓式过滤器。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为旋转筛。在一些实施例中，分离20可为离心，并且分离20′可为过滤。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′可为旋转筛。
在一些实施例中，可存在三个或更多个分离装置和/或洗涤系统。例如，可将含水流22′导入分离20″，并且可分离成包含可发酵糖的含水溶液22″和包含不溶解固体的湿饼24″。在一些实施例中，包含油26″的第二液相可经由分离20″形成。可将含水溶液22″导入发酵30。可将湿饼24″导入混合60″并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65″。在一些实施例中，与湿饼24″合并的水可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或发酵加工设施中可用的任何水源、或它们的任何组合。可将湿饼混合物65″与湿饼混合物65和湿饼混合物65′合并，并且可将合并的湿饼混合物导入分离70，从而产生包含可发酵糖的洗涤浓缩物75和湿饼74。洗涤浓缩物75可再循环至发酵过程，例如液化10或与原料浆液16合并。在一些实施例中，油可经由分离20、分离20′和/或分离20″分离。在其中油26、油26′和/或26″分离的实施例中，油可返回发酵过程或可导入储罐或适用于储油的任何容器。
分离20″可与分离20′和分离20相同或不同，并且可以相同方式或不同方式运作。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，分离20″可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为离心。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′和分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′和分离20″可为滗析器型离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为离心与过滤的组合。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、旋转筛和盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。
分离70可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
在一些实施例中，混合60、混合60′和混合60″可包括一个或多个搅拌装置。在一些实施例中，搅拌装置可为叶桨涡轮。在一些实施例中，叶桨涡轮可为斜叶桨涡轮。在一些实施例中，叶桨涡轮可为平叶桨涡轮。在一些实施例中，混合60、混合60′和混合60″可包括一个或多个斜叶桨涡轮和/或一个或多个平叶桨涡轮。在一些实施例中，混合60、混合60′和混合60″可具有就地清洗能力。
图9C示出本文所述的工艺和系统的另一个实施例。原料浆液16可导入分离20，并且可分离成包含可发酵糖的第一液相或含水溶液22、包含不溶解固体的固相或湿饼24、以及任选地包含油26的第二液相。含水溶液22可导入分离20′，并且可分离成包含可发酵糖的含水溶液22′和包含不溶解固体的湿饼24′。在一些实施例中，包含油26′的第二液相可经由分离20′形成。含水溶液22′可随后导入分离20″，并且可分离成包含可发酵糖的含水溶液22″和包含不溶解固体的湿饼24″。在一些实施例中，包含油26″的第二液相可经由分离20″形成。含水溶液22″可导入发酵30。
可合并湿饼24、湿饼24′和湿饼24″，并且可将合并的湿饼导入混合60并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65。在一些实施例中，水可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或发酵加工设施中可用的任何水源、或它们的任何组合。湿饼混合物65可导入分离70，从而产生包含可发酵糖的洗涤浓缩物75和湿饼74。洗涤浓缩物75可再循环至发酵过程，例如液化10或与原料浆液16合并。在一些实施例中，油可经由分离20、分离20′和/或分离20″分离。在其中油26、油26′和/或油26″分离的实施例中，油可返回发酵过程或可导入储罐或适用于储油的任何容器。
分离20、分离20′和分离20″可相同或不同，并且可以相同方式或不同方式运作。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为离心。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′和分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，并且分离20′和分离20″可为滗析器型离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为离心与过滤的组合。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20可为三相离心机，分离20′可为旋转筛，并且分离20″可为盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、旋转筛和盘叠式离心机。在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为三相离心机、错流过滤和滗析器型离心机。
在一些实施例中，混合60可包括一个或多个搅拌装置。在一些实施例中，搅拌装置可为叶桨涡轮。在一些实施例中，叶桨涡轮可为斜叶桨涡轮。在一些实施例中，叶桨涡轮可为平叶桨涡轮。在一些实施例中，混合60可包括一个或多个斜叶桨涡轮和/或一个或多个平叶桨涡轮。在一些实施例中，混合60可具有就地清洗能力。
分离70可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。
在图9C的另一个实施例中，可存在两个分离装置和/或洗涤系统。原料浆液16可导入分离20，并且可分离成包含可发酵糖的第一液相或含水溶液22、包含不溶解固体的固相或湿饼24、以及任选地包含油26的第二液相。含水溶液22可导入分离20′并且可分离成包含可发酵糖的含水溶液22′和包含不溶解固体的湿饼24′。在一些实施例中，包含油26′的第二液相可经由分离20′形成。随后含水溶液22′可被导入发酵30。可合并湿饼24和湿饼24′，并且可将合并的湿饼导入混合60并与水或其它溶剂合并，从而形成湿饼混合物65。在一些实施例中，水可为新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或发酵加工设施中可用的任何水源、或它们的任何组合。湿饼混合物65可导入分离70，从而产生包含可发酵糖的洗涤浓缩物75和湿饼74。洗涤浓缩物75可再循环至发酵过程，例如液化10或与原料浆液16合并。在一些实施例中，油可经由分离20和分离20′分离。在其中油26和油26′分离的实施例中，油可返回发酵过程或可导入储罐或适用于储油的任何容器。分离20′和分离20可相同或不同，并且可以相同方式或不同方式运作。分离20和分离20′可为如本文所述能够分离固体和液体的任何分离装置。
在另一个实施例中，参见图9D，由分离20排放的含水溶液22可被导入分离20′。分离20′可与分离20相同或不同。分离20′可以能够包括分离添加剂28的方式运作。分离添加剂28可有助于移除油或固体。在一些实施例中，分离添加剂28可为提取剂或絮凝剂。分离20′可移除不溶解的固体和油，它们不与含水溶液22分离，以产生(i)类似于含水溶液22的含水溶液22′，但是它与含水溶液22相比包含减少量的不溶解的固体和油，(ii)流23。在一些实施例中，流23可类似于油26和湿饼24的合并流，并且可含有分离添加剂28。流23可被导入分离20″，并且可产生包含分离添加剂28′的流和湿饼24′。分离20″可与分离20和分离20′相同或不同。含水溶液22′可被引入发酵30。
在一些实施例中，分离20、分离20′和分离20″可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。
参见图9E，原料浆液16可从液化10中排放并导入分离20。原料浆液16可分离以产生流：(i)含水溶液22，(ii)湿饼24，和(iii)包含油、固体和含可发酵碳源的含水流的流25。在一些实施例中，流25的固体可为轻质固体。在一些实施例中，轻质固体可为密度比水低但是比油高的固体。在一些实施例中，轻质固体可包被在油中，从而产生密度低于水的固体。在一些实施例中，固体可具有亲脂和/或亲水性能。在一些实施例中，流25的固体可包含一种或多种以下物质：胚芽、纤维、淀粉和谷蛋白。在一些实施例中，流25的固体可包含小颗粒。在一些实施例中，流25的固体可包含胚芽、谷蛋白和纤维。在一些实施例中，包含可发酵碳源的含水溶液22可被导入发酵30，以用于制备如本文所述的发酵产物。在一些实施例中，湿饼24可如本文所述进行进一步加工，例如，经加工形成DDGS。
从分离20排放的流25可被导入分离20′。分离20′可与分离20相同或不同。在一些实施例中，分离20和分离20′可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。
流25可为通过分离20′分离以产生流：(i)含水溶液22′，(ii)湿饼24′，和(iii)油26。在一些实施例中，含水溶液22′可与含水溶液22合并，并且可将合并的含水溶液导入发酵30。在一些实施例中，在含水溶液22′中的固体量与在含水溶液22中的固体量相比减少。在一些实施例中，含水溶液22′可包含油，并且在含水溶液22′中的油可经进一步加工以产生提取剂。例如，含水溶液22′可经化学处理或酶处理以产生提取剂。在一些实施例中，含水溶液22′可经化学处理或酶处理以产生脂肪酸(例如玉米油脂肪酸)，其可用作提取剂。在其中含水溶液22′经酶处理的一些实施例中，酶反应可在转化后经受处理(例如加热)以灭活酶。将在具有相对小的流体积的含水溶液22′中的油转化成脂肪酸可减少经由酶转化或化学转化产生提取剂的资本成本。用于从生物质中获得提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043和美国专利申请公布2011/0312044中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，湿饼24′可与湿饼24合并，并且合并的湿饼可如本文所述进行进一步加工。在一些实施例中，湿饼24′可包含油，并且这种富含油的湿饼可与湿饼24合并以产生具有提高的脂肪含量(例如提高的甘油三酯含量)的湿饼，其将提供动物饲料的代谢能量源。在一些实施例中，这种具有提高的脂肪含量的湿饼可与浆合并以产生高甘油三酯、高蛋白质、低碳水化合物的DDGS。在一些实施例中，含油湿饼24′可如本文所述进行进一步加工，例如用于产生DDGS。
在一些实施例中，油26可导入储罐或适用于油储存的任何容器中。在一些实施例中，油26或其一部分可与原料浆液16合并(图9E虚线)。将油添加至原料浆液中可通过提高捕集的固体量来改善经由流25的固体移除。
在一些实施例中，油26可如本文所述进行进一步加工以产生提取剂。转化具有相对小的流体积并且与原料浆液16相比将具有降低的流量的油26可降低资本成本以及经由酶转化或化学转化产生提取剂的能量需求。在一些实施例中，油26的流量可为原料浆液16流量的约1％至约10％。用于从生物质中获得提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043和美国专利申请公布2011/0312044中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，流25可通过调节分离装置的一个或多个参数产生。例如，流25可通过调节离心机如滗析器型离心机或三相离心机的堰(或浸渍堰)产生。
如本文所述，固体可能妨碍液-液提取并因此导致利用提取方法可能技术上或经济上不可行。在提取过程中，异质界层可在含水相和有机相的界面处形成，并且由固体(例如轻质固体)构成的异质界层能够积聚并可能妨碍相分离。为了减少异质界层的形成，在发酵之前经由流25移除固体可减少或消除异质界层的形成并从而改善发酵液的下游加工和发酵产物的回收。
在用于减少异质界层形成的另一个实施例中，可将油添加至含水溶液中，作为选择性捕集形成异质界层的固体的手段。参见图9F，原料浆液16可从液化10中排放并导入分离20。原料浆液16可分离以产生流：(i)含水溶液22，(ii)湿饼24，和(iii)油26。在一些实施例中，湿饼24可如本文所述进行进一步加工，例如，经加工形成DDGS。在一些实施例中，可将油添加至含水溶液22中并可将所得混合物导入容器80中，其中混合物沉积或分离，从而形成(i)包含固体86的油层和(ii)含水溶液22′。在一些实施例中，含水溶液22′可被导入发酵30，用于产生如本文所述的发酵产物。在一些实施例中，在含水溶液22′中的固体量与在含水溶液22中的固体量相比减少。在一些实施例中，富含固体的油层86可被导入分离20′并可经分离以产生流：(i)含水溶液22″，(ii)湿饼24′，和(iii)油26′(贫固体油)。在一些实施例中，富含固体的油层86可经移除(例如从混合物中撇去)和过滤以从油层中移除固体。在一些实施例中，添加至含水溶液22中的油可为分离自原料浆液16的油26、油26′、外部油来源、或它们的组合。
在一些实施例中，湿饼24′可与湿饼24合并，并且合并的湿饼可如本文所述进行进一步加工。在一些实施例中，湿饼24′可包含油并且这种富含油的湿饼可与湿饼24合并以产生具有增大的脂肪含量并可如本文所述进行进一步加工的湿饼。在一些实施例中，包含油的湿饼24′可如本文所述进行进一步加工。
在一些实施例中，含水溶液22″可与含水溶液22′合并，并且可将合并的含水溶液导入发酵30。在该合并的含水溶液中的固体量与含水溶液22相比将减少，并且因为固体减少，异质界层的形成将减少。在一些实施例中，含水溶液22′和含水溶液22″可包含油，并且油可经进一步加工以产生提取剂。例如，含水溶液22″可与含水溶液22合并并可经化学处理或酶处理(图9F中的虚线)以产生如本文所述的提取剂。用于从生物质中获得提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043和美国专利申请公布2011/0312044中，它们每个全文以引用方式并入本文。
在一些实施例中，分离20和分离20′可为能够分离固体和液体的任何分离装置，包括例如滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。在一些实施例中，分离可为单步法。在一些实施例中，容器80可为静态混合器、混合沉降器、滗析器、重力沉降器或它们的组合。在一些实施例中，可将该方法保持在某个温度以最小化污染(例如70-110℃)。
在一些实施例中，本文所述的系统和工艺还可包括液化处理罐。在一些实施例中，在液化后，原料浆液(或液化醪)或其一部分可导入液化处理罐用于进一步处理。例如，可调节原料浆液的pH。在一些实施例中，可通过加入酸如硫酸调节原料浆液的pH。在一些实施例中，可将酶添加至原料浆液。在一些实施例中，酶可为淀粉酶和/或葡糖淀粉酶。可用于本发明的工艺和系统的淀粉酶的例子描述于美国专利7,541,026；美国专利申请公布2009/0209026；美国专利申请公布2009/0238923；美国专利申请公布2009/0252828；美国专利申请公布2009/0314286；美国专利申请公布2010/02278970；美国专利申请公布2010/0048446；和美国专利申请公布2010/0021587中，它们每个全文以引用方式并入本文可用于本发明的工艺和系统的葡糖淀粉酶的例子描述于美国专利7,413,887；美国专利7,723,079；美国专利申请公布2009/0275080；美国专利申请公布2010/0267114；美国专利申请公布2011/0014681；美国专利申请公布2011/0020899中，它们每个全文以引用方式并入本文。在一些实施例中，可加热或冷却原料浆液。
在一些实施例中，例如如图10所示，本发明的工艺和系统可包括用于线上、线内、在线和/或实时测量的工具(圆圈表示测量装置并且虚线表示反馈回路)。图10类似于图5A，不同的是添加了用于线上、线内、在线和/或实时测量的测量装置，并因此将不再详述。
本文所述的工艺可为利用线上、线内、在线和/或实时测量例如在发酵期间产生的各种流的浓度和其它物理特性的整合的发酵工艺(例如原料浆液、含水溶液、油流、湿饼、湿饼混合物、洗涤浓缩物等)。这些测量可用于例如反馈回路以调节和控制发酵条件和/或发酵罐、液化单元、糖化单元、分离单元和混合单元的条件。在一些实施例中，发酵液中的发酵产物和/或其它代谢物和底物的浓度可使用任何合适的测量装置进行线上、线内、在线和/或实时测量。在一些实施例中，测量装置可为以下中的一种或多种：傅里叶变换红外光谱(FTIR)、近红外光谱(NIR)、拉曼光谱、高压液相色谱(HPLC)、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、粒子分析仪、pH计、溶解氧(DO)探头等。在一些实施例中，可例如通过在线质谱仪分析发酵罐的废气排放。测量发酵罐的废气排放可用作鉴定存在于发酵反应中的物质或反应产物的手段。发酵产物和其它代谢物及底物的浓度也可使用本文所述技术和装置进行测量。
在一些实施例中，可将测量到的输入发送到控制器和/或控制系统，并且可改变发酵罐内的条件(温度、pH、营养物质、酶和/或底物浓度)、液化单元、糖化单元、分离单元和混合单元以保持不同流的浓度或浓度特征。通过利用这一控制系统，可以这种方式保持过程参数以改善工厂的整体生产能力和经济目标。在一些实施例中，可通过改变发酵罐、液化单元、糖化单元、分离单元和混合单元中的组分(例如生物质、糖、酶、营养物质、微生物等)浓度实现对发酵的实时控制。在一些实施例中，可利用自动化系统调节分离和混合条件、流向和流出分离与混合操作的流量、固体和油移除、以及糖和淀粉回收。
在发酵过程中，操作单元随时间推移在亚最佳水平上运作是可能的。调节操作诸如液化、糖化和分离的流量、混合速率、设备设置等可能是保持整体生产能力所必需的。本文所述的工艺和系统可利用线上、线内、在线和/或实时测量进行整合，用于监测发酵流诸如原料浆液16、含水溶液22、油26和湿饼24的浓度和其它物理特性。这些测量可用于例如反馈回路，从而调节并控制发酵条件、原料浆液分离和洗涤循环性能。通过利用线上、线内、在线和/或实时测量，可实现过程条件的即时反馈和调节，使发酵过程整体改善。例如，可利用例如FTIR或NIR监测原料浆液16、含水溶液22、以及流65和75中的可发酵碳源(例如淀粉、糖)、油和固体的量。通过监测这些参数，可调节液化和糖化的酶浓度和停留时间以改善原料浆液16的生产，并且可调节分离和混合条件以例如增加含水溶液22以及流65和75中的可发酵碳源、油和/或固体的量。
又如，洗涤湿饼24允许回收湿饼中的糖、淀粉和油，最小化这些可发酵碳源和油的收率损失。通过监测流24、65、74和75的水分、糖、淀粉和油含量，可调节洗涤性能以改善糖、淀粉和油的回收。例如，可通过FTIR和NIR实时测量这些流的糖、淀粉和油含量，并且这些测量允许即时反馈并调节混合60和分离20，70条件。可调节分离装置的差速度、进料速率、碗速度、转动差速度、叶轮位置、堰位置、螺距、停留时间和排放体积以改变流24、65、74和75的水分、糖、淀粉和油含量。也可调节混合60条件诸如泵速率或搅拌器速度以改变流24、65、74和75的水分、糖、淀粉和油含量。此外，也可调节洗涤比率(例如水与湿饼的比率)以改变流24、65和74的水分、糖、淀粉和油含量。FTIR测量和液滴成像可用于监测油流26，76中的水含量。此外，可监测油流26，76的颜色和浊度以评估油质量。这种实时测量将允许调节分离20，70条件，从而产生较纯净的油流(例如较少的水)。
在本文所述工艺和系统的另一个实施例中，可利用实时测量监测湿饼24的水分含量。可通过NIR进行湿饼水分含量的实时测量，并且这些测量允许即时反馈和调节分离20、70条件。通过降低湿饼的水含量，需要较少的能量来干燥湿饼，并因此，可改善生产工艺的总能量使用。此外，湿饼的水含量可导致改善的淀粉回收。
作为利用实时测量的工艺控制方法的另一个例子，可利用粒度分析测量在含水溶液22和油26，76中的固体，诸如过程粒子分析仪(JMCanty，Inc.，Buffalo，NY)、聚焦光束反射测量技术或粒子视觉和测量技术(Mettler-Toledo，LLC，Columbus OH)。通过实时监测固体，可调节工艺步骤以改善固体移除，从而最小化含水溶液和油流中的固体量、最大化固体回收、并改善包括下游加工的总体发酵工艺。
在图1-10中公开的工艺和系统包括从原料浆液16中移除不溶解的固体和/或油，并因此改善加工生产能力和性价比。改善的生产能力可包括相对于在发酵之前不移除不溶解的固体和/或油的工艺和系统的提高的发酵产物生产效率和/或提高的提取活性。
在图11中描述了本发明包括下游加工的示例性发酵方法。已经使用与图1-10中使用的相同名称和数字标识了图11中的一些工艺和流，并且表示如图1-10所述的相同或类似的工艺和流。
可如本文所述，参考图1-10加工原料12并分离不溶解的固体和/或油100。简而言之，原料12可经液化以产生包含不溶解的固体、可发酵碳源和油的原料浆液。例如，可合并磨碎的谷物和一种或多种酶以产生原料浆液。这种原料浆液可被加热(或烹煮)、液化和/或用闪蒸蒸气闪蒸，从而产生“烹煮过的”原料浆液或醪。在一些实施例中，可将原料浆液加热至至少约100℃。在一些实施例中，可加热原料浆液约三十分钟。在一些实施例中，原料浆液可经受原淀粉水解(也称为低温糊化或低温水解)。在原淀粉水解过程中，移除了加热(或烹煮)步骤，并且移除这一步骤减少了能量消耗和流载量(例如水消耗)。在一些实施例中，液化和/或糖化可在发酵温度(例如约30℃至约55℃)下进行。在一些实施例中，液化和/或糖化可利用原淀粉酶或低温水解酶诸如StargenTM(Genencor International，Palo Alto，CA)和BPXTM(Novozymes，Franklinton，NC)进行。在一些实施例中，液化和/或糖化可在低于约50℃的温度下进行。
随后原料浆液可经受分离，从而产生湿饼24、油26和包含可发酵碳源(诸如溶解的可发酵糖)的含水溶液22。在一些实施例中，分离可为单步法。分离可通过多种工具来完成，包括但不限于滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。这个分离步骤可从原料浆液中移除至少约80％，至少约85％，至少约90％，至少约95％，至少约96％，至少约97％，至少约98％，或至少约99％的不溶解的固体。在一些实施例中，含水溶液22可包含至少约0.5％，至少约1％，或至少约2％的不溶解的固体。
湿饼24可用水再浆液化或洗涤，并且经受分离以移除另外的可发酵糖，从而产生经洗涤的湿饼(例如如图1-10所述的74，74′)。在一些实施例中，约1％，约2％，约3％，约4％，约5％，约10％，或约15％的可发酵糖可从经洗涤的湿饼中回收。可重复洗涤过程多次，例如一次、两次、三次、四次、五次、或更多次。用于再浆液化或洗涤湿饼的水可为在发酵过程中产生的再循环水(例如逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水)。在一些实施例中，湿饼可用醪再浆液化或洗涤。通过洗涤/分离方法产生的洗涤浓缩物(例如如图4A、4B、5A、9B和9C所述的75，75′)可返回到混合步骤以与磨碎的谷物形成浆液或用于液化过程。在一些实施例中，可在混合步骤前加热或冷却洗涤浓缩物。
含水溶液22可为如本文所述进行进一步加工。例如，含水溶液22可用蒸气或流程间换热器加热。可将糖化酶添加至含水溶液22中，并且含水溶液22的溶解的可发酵糖可被部分或全部糖化。可通过多种手段冷却糖化的含水溶液22，诸如流程间交换、与冷却水的交换、或与冷水的交换。
可将含水溶液22和微生物32添加至发酵30，其中微生物32代谢可发酵糖以产生包含发酵产物(例如产物醇)的流105。在一些实施例中，微生物32可为能够产生产物醇诸如1-丁醇、2-丁醇、或异丁醇的重组微生物。在一些实施例中，还可将氨和循环流添加至发酵30中。在一些实施例中，该方法可包括至少一个发酵罐、至少两个发酵罐、至少三个发酵罐、至少四个发酵罐、至少五个发酵罐、或更多发酵罐。在一些实施例中，在发酵期间产生的二氧化碳可排放到涤气器以减少排气(例如醇气体排放)以及提高产量。
可将包含产物醇的流105导入啤酒塔120中以产生富含醇的流122和塔底流125。富含醇的流122可传送至醇回收装置160以回收产物醇。产物醇可利用本领域已知的方法从富含醇的流122中回收，所述方法包括但不限于蒸馏、吸附(例如通过树脂)、分子筛分离、全蒸发、气提、提取等。包含稀釜馏物并且在发酵前移除了大部分固体的塔底流125可经由蒸发装置130蒸发浓缩以形成浆135。蒸发方法描述于美国专利申请公布2011/0315541中，其全文以引用方式并入本文。浆135可与湿饼(如本文所述，24，74，74′)在混合器140中合并，并且可随后在干燥器150中干燥湿饼和浆的合并流145以产生DDGS。
在一些实施例中，流105可脱气。在一些实施例中，可在脱气之前加热流105可为，例如通过与热醪的流程间交换进行加热。在一些实施例中，可将蒸气排放到冷凝器中，然后排放到涤气器中。可进一步加热脱气的流105，例如通过与蒸馏和/或醇回收区域中的其它流的流程间热交换进行加热。
在图11的另一个实施例中，可将含水溶液22、微生物32和提取剂添加至发酵30以产生两相流。在一些实施例中，可经由再循环回路将提取剂添加至发酵30中。在一些实施例中，可将提取剂添加至发酵30下游或发酵30外部。包含发酵液和发酵产物(例如产物醇)的流可导入外部提取器中以产生包含产物醇和塔底流的流。在一些实施例中，包含产物醇的流可导入醇回收160中以回收产物醇。在一些实施例中，塔底流可导入分离装置中以将塔底流分离成稀釜馏物和提取剂。在一些实施例中，可再循环回收的提取剂以提取产物醇。在发酵前移除了大部分固体的稀釜馏物可经由蒸发130浓缩以形成浆。浆可与湿饼(如本文所述，24，74，74′)在混合器140中合并，并且可随后在干燥器150中干燥湿饼和浆的合并流145以产生DDGS。
在一些实施例中，可将含水溶液22、微生物32和提取剂添加至发酵30以形成单液相流。在一些实施例中，两相流或单液相流可从发酵30中分批回收或者可从发酵30中连续回收。在一些实施例中，可将提取剂添加至发酵30下游或发酵30外部以形成单液相流。在一些实施例中，可将提取剂添加至外部提取器以形成单液相流。
本文描述了一种示例性的醇回收方法，并且用于从发酵液中回收产物醇的另外的方法描述于美国专利申请公布2009/0305370；美国专利申请公布2010/0221802；美国专利申请公布2011/0097773；美国专利申请公布2011/0312044；美国专利申请公布2011/0312043；美国专利申请公布2012/0035398；美国专利申请公布2012/0156738；PCT国际公布WO2011/159998；和PCT国际公布WO 2012/030374中；它们每个全文以引用方式并入本文。例如，可使用真空蒸发从发酵液中回收产物醇。预热过的醪(例如含水流22)和溶剂(例如提取剂)可添加至预闪蒸塔。在一些实施例中，预闪蒸塔可从常规干磨燃料乙醇工厂的啤酒塔改建得到。这种塔可在亚大气压下运作，由获取自蒸发器管系或醪烹煮步骤的水蒸气驱动。预闪蒸塔的顶部可通过与冷却水和流程间热交换(包括与预闪蒸塔进料的热交换)的一些组合的热交换进行冷凝。可将液体冷凝物导入醇/水滗析器。
预闪蒸塔底部可在溶剂滗析器之前。预闪蒸塔底部可基本上不含产物醇。滗析器可为稳水器、离心机、或水力旋流器。水可与这个滗析器中的溶剂相分开，从而产生水相。包括悬浮和溶解的固体的水相可进行离心以产生湿饼和稀釜馏物。湿饼可与其它流合并并干燥产生DDGS，它可被干燥并与其它产生DDGS的流分开售卖，或者它可以湿饼形式售卖。可分流水相以提供逆流，所述逆流部分地用于将本文所述湿饼再浆液化。分流也提供稀釜馏物，所述稀釜馏物可导入蒸发器用于进一步加工。
在溶剂滗析器中产生的有机相可为醇酯。可水解溶剂以再生反应性溶剂并回收另外的醇。另选地，可过滤有机相并作为产物售卖。水解可为热驱动的、同质催化的、或异质催化的。该方法的输入热可为焙烧加热器、热油、电热输入、或高压蒸汽。添加以驱动水解的水可来自再循环水流、新水、或蒸汽。
可将冷却的水解溶剂泵入亚大气压溶剂塔，其中它可用蒸汽基本上除去产物醇。这种蒸汽可为来自蒸发器的水蒸气，它可为来自醪加工的闪蒸步骤的蒸汽，或者它可为来自热水器的蒸汽(参见例如美国专利申请公布2009/0171129，其全文以引用方式并入本文)。常规干磨乙醇工厂的精馏塔可适用作溶剂塔。精馏塔可修改以用作溶剂塔。溶剂塔的底部可通过例如冷却水或流程间热交换进行冷却。可滗析经冷却的底部以移除残余的水，并且该水可再循环至工艺的其它步骤中或再循环至液化。
溶剂塔顶部可通过与冷却水交换或通过流程间热交换进行冷却，并且可将冷凝物导入排醇/水的滗析器，所述滗析器可与预闪蒸塔顶部共用。可将其它混合的水和产物醇流添加至该滗析器中，所述滗析器包括涤气器底部和来自脱气步骤的冷凝物。可将包含二氧化碳的排气导入水涤气器。该滗析器的含水层也可进料于溶剂塔，或者可在小的专用蒸馏塔中除去产物醇。可通过与预闪蒸塔顶部、溶剂塔顶部、或溶剂塔底部的流程间交换预热含水层。该专用塔可从常规干磨燃料乙醇方法的侧流气提器修改得到。
可将醇/水滗析器的有机层泵入醇塔。该塔可为超大气压塔，并且可通过再沸器内的蒸汽冷凝驱动。该塔的进料可通过流程间热交换进行加热，从而减少该塔运作的能量需求。这种流程间换热器可包括预闪蒸塔的部分冷凝器、溶剂塔的部分冷凝器、水解器的产物、来自蒸发器的水蒸气、或醇塔底部。可冷却醇塔蒸气的冷凝物并使其返回醇/水滗析器。醇塔底部可通过包括与醇塔进料的交换在内的流程间热交换进行冷却，并且可用冷却水进一步冷却、过滤、并以产物醇售卖。
可将如本文所述从预闪蒸塔底部产生的稀釜馏物导入多效蒸发器(参见例如美国专利申请公布2011/0315541，其全文以引用方式并入本文)。该蒸发器可具有两个、三个或更多个塔板。该蒸发器可具有类似于常规设计的燃料乙醇工厂的四体双效构造，它可具有三体三效构造，或者它可具有其它构形。稀釜馏物可进入任何效处。第一效主体中的至少一个可用来自超大气压醇塔的蒸气加热。蒸气可来自最低压效以提供水蒸气形式的热到亚大气压预闪蒸塔和溶剂塔。可将来自蒸发器的浆添加至酒糟干燥器中。
可将由发酵罐、脱气器、醇/水滗析器或其它源排放的二氧化碳导入水涤气器。供应于该涤气器顶部的水可为新水或者可为再循环水。可处理(例如生物消化)再循环水以移除挥发性有机化合物并可进行冷却。可将涤气器底部产物递传送至醇/水滗析器、递送到溶剂塔、或者可与其它再循环水一起用于将本文所述湿饼再浆液化。来自蒸发器的冷凝物可用厌氧生物消化或其它方法进行处理以在再循环以再浆液化湿饼之前纯化水。
可在多个点中的任何一个上从工艺流中分离油。例如，可运作离心机以在过滤烹煮过的醪后产生油流，或者可运作预闪蒸塔水相离心机以产生油流。可离心中间浓度浆或最终的浆以产生玉米油流。
在另一个实施例中，多相材料可离开预闪蒸塔底部并且可如本文所述在分离系统中加工。浓缩的固体可再分散在含水流中，并且这种合并流可用于再浆液化并泵送低淀粉固体，该固体分离自液化醪并进行洗涤。
在用于产物醇回收的另一个示例性方法中，在发酵期间可利用提取剂从发酵液中移除产物醇以保持发酵液中的产物醇低于一定浓度。在一些实施例中，可通过在催化剂的存在下用羧酸酯化来实现产物醇移除，从而产生醇酯。用于通过形成醇酯提取醇的工艺和系统的描述可存在于美国专利申请公布2012/0156738中，其全文以引用方式并入本文。例如，分离自原料浆液的油可通过催化剂诸如酯酶(例如脂肪酶)进行水解，将油中的甘油三酯转化成脂肪酸诸如羧酸。这些脂肪酸可用作提取剂，用于回收产物醇。在一些实施例中，通过将催化剂添加至发酵罐，油水解可发生在发酵罐中。在一些实施例中，油水解可发生在独立容器中，并且可将脂肪酸添加至发酵罐。例如，可将原料浆液导入容器或罐中，并且可将酯酶诸如脂肪酶添加至容器，将存在于原料浆液中的油转化成脂肪酸。可将包含脂肪酸的原料浆液导入发酵罐。
通过发酵产生的产物醇可与脂肪酸反应以产生醇酯。在一些实施例中，这些醇酯可提取自发酵液。例如，包含醇酯的发酵液可转移到分离装置诸如三相离心机中以将发酵液分离成三种流：不溶解的固体(包含微生物)、含水流和包含醇酯的有机流。在一些实施例中，可将发酵液分离成两种流：不溶解的固体(包含微生物)和包含含水相和有机相的两相混合物。发酵液的这种分离可在发酵期间连续发生，例如通过移除发酵液的一部分用于分离，或者以成批模式发生，例如可移除发酵罐的全部内容物用于分离。
在一些实施例中，可将两相混合物分离成包含醇酯的有机相和含水相，并且可使用本领域已知的任何方法实现这种分离，包括但不限于虹吸、抽吸、滗析、离心、重力沉降器、膜助相分裂、水力旋流器等。包含醇酯的有机相可进行进一步加工以回收产物醇。例如，包含醇酯的有机相可转移到容器中，其中醇酯可在催化剂的存在下发生水解以形成产物醇和脂肪酸，并且这种产物醇和脂肪酸的混合物可通过蒸馏加工以分离产物醇和脂肪酸。
在一些实施例中，可将脂肪酸再循环至发酵罐或提取塔中。在一些实施例中，可将含水流和不溶解的固体再循环至发酵罐。
在一些实施例中，产物醇的提取可发生在发酵罐下游或发酵罐外部。在一些实施例中，发酵系统可包括外部提取系统，所述外部提取系统包括例如混合装置和分离系统。可将发酵液导入混合装置中，并且可将提取剂添加至混合装置并与发酵液混合以产生两相混合物。可将两相混合物引入分离系统，其中两相混合物的分离产生含醇有机相和含水相。在一些实施例中，含水相或其一部分可返回至发酵罐。在一些实施例中，含醇有机相可导入提取剂塔中。在这些实施例中的生物质加工生产能力通过在液化后、但是在发酵之前分离生物质进料流组分得到显著改善。具体地，减少不溶解的固体和/或油的量提高外部醇提取系统的效率。
在一些实施例中，油可分离自原料或原料浆液并且可存储在油储存容器中。例如，油可使用用于分离的任何合适手段分离自原料或原料浆液，包括三相离心或机械提取。为了改善油从原料或原料浆液中的移除，可利用油提取助剂诸如表面活性剂、抗乳化剂、或絮凝剂以及酶。油提取助剂的例子包括但不限于非聚合的、液体表面活性剂；滑石粉；细滑石粉；酶诸如Ultra SP-L、和L(Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)和NZ 33095(Novozymes，Franklinton，NC)；盐(氢氧化钠)；和碳酸钙。用于改善油移除的另一种手段可为pH调节诸如提高或降低pH。油移除的另外有益效果包括提高油收率、改善油质量、减少系统沉积和减少停产。此外，油移除也可导致产生较纯净的、质量较高的油。
随后剩余的原料或原料浆液可进行进一步处理以移除任何残余的油。例如，在油分离之后的原料或原料浆液可导入容器或罐中，并且可将催化剂诸如酯酶(例如脂肪酶)添加至容器，将存在于原料或原料浆液中的油转化成脂肪酸。从原料或原料浆液中移除油可改善酶效率以及减少本文所述工艺所需的酶量。随后可将原料或原料浆液导入发酵罐中，并且也可将微生物添加至发酵罐用于生产产物醇。在一些实施例中，可灭活催化剂，例如通过加热灭活。在一些实施例中，灭活可在独立容器例如灭活容器中进行。可将灭活过的原料或原料浆液导入发酵罐中，并且也可将微生物添加至发酵罐用于生产产物醇。通过将油转化成脂肪酸来从原料或原料浆液中移除油能够使得生产工厂能量节约，这是由于更有效的发酵、由于移除油导致的较少油污和减少的能量需求，例如，用于干燥酒糟所需的能量。在发酵后，包含产物醇的发酵液可导入外部容器，例如，外部提取器或外部提取回路，用于回收产物醇。如本文所呈现的油移除不同于已知技术，因为本发明的实施例从原料浆液中分离油，使得由于进料流分离过程形成稳定乳液的可能性较低，并且使得在发酵后需要添加质子溶剂以破坏用回收捕集的生物油形成的乳液的可能性较低(参见例如美国专利7,601,858；美国专利8,192,627)。在本发明的一些实施例中，乳液可形成，但是易于通过机械加工或其它常规手段破坏。
如果提取剂用于回收产物醇，在发酵过程之前移除油可减少提取剂提取的油量，并因此延长提取剂回收产物醇的效应时间。提取剂提取的油可减小Kd以及提取剂的选择性，并且继而能够增加生产工艺的运作成本。因为提取剂可在生产工艺中再循环，每个发酵循环将提取剂暴露于由提取剂提取的更多的油，并且随时间推移能够导致Kd和提取剂选择性的显著降低。本文所述的工艺和系统提供一种保持Kd和提取剂选择性的手段，该手段通过从原料或原料浆液中移除油和/或通过添加催化剂将油转化成脂肪酸进行。
本文所述的工艺和系统能够导致在发酵产物(例如产物醇)生产中提高的提取活性和/或效率，这是移除不溶解的固体的结果。例如，在不存在不溶解的固体的情况下的提取发酵能够导致提高的产物醇从发酵液到提取剂的传质速率、更好的相分离和由增加的提取剂液滴增大速率引起的较低提取剂保留。例如在发酵期间保留在发酵液中的提取剂液滴也将较快并较完全地脱离发酵液，从而导致在发酵液中存在较少的游离提取剂。此外，较低的提取剂保留能够减少过程中损失的提取剂的量。固体移除的另外有益效果包括例如移除了发酵罐中的搅拌器和下游加工设备诸如啤酒塔和离心机，导致资金成本和能量使用减少；增大的发酵罐体积导致增大的发酵罐生产能力；减少的提取剂保留导致提高的生产效率、提高的回收和提取剂循环利用、减少的提取剂流量(其将降低运作成本)和利用连续发酵或较小发酵罐的潜能。在一些实施例中，可用于发酵的发酵罐体积可增加至少约5％，至少约10％，或更高。
提高的提取效率的例子包括例如分配系数的稳定性、增强的相分离、增强的传质系数、在较低滴度下运作、提高的工艺流再循环使用能力、提高的发酵体积效率、提高的原料载量、提高的微生物的产物醇滴度耐受性、水循环利用率、减少能量消耗、提高的提取剂循环利用率和/或微生物的循环利用。例如，因为发酵液中的油能够通过在发酵前从原料浆液中移除固体而被减少，提取剂暴露于较少的油，所述油能够与提取剂合并并降低提取剂的分配系数。因此，发酵液中油的减少导致经过多个发酵循环更稳定的分配系数。在一些实施例中，分配系数经过十个或更多个发酵循环可降低小于约10％，小于约5％，或小于约1％。作为提高的提取效率的另一个例子，更高的传质速率(例如以更高的传质系数形式)能够导致提高的产物醇生产效率。在一些实施例中，传质系数可提高至少2倍，至少3倍，至少4倍，或至少5倍。
在发酵液和提取剂之间的相分离增加减少了形成乳液的可能性，从而导致提高的产物醇生产效率。例如，在不存在乳液的情况下，相分离能够更快速地和更完全地发生。在一些实施例中，可发生相分离，其中之前未观察到明显的相分离。在一些实施例中，相分离可在24小时内发生。在一些实施例中，相分离与其中尚未移除固体或已经形成乳液的相分离相比，发生速率可快至少约两倍(2x)、至少约五倍(5x)、或至少约十倍(10x)。
如本文所述，可将营养物质诸如氮、矿物质、痕量元素和/或维生素添加至原料浆液或发酵罐。这些添加的营养物质以及原料中天然存在的营养物质在油中为可溶性的，并因此在原料或原料浆液中存在的油可降低这些营养物质在发酵液中的浓度。从原料或原料浆液中移除油能够最小化营养物质的损耗。此外，发酵液中存在的固体也可导致营养物质的浓度降低。从原料或原料浆液中移除固体和/或油能够最小化营养物质的损耗。
对于本文所述的工艺和系统，在发酵过程中存在的油经过多个发酵周期可对提取剂的分配系数具有效应。从原料或原料浆液中移除油能够降低提取剂的分配系数经多个发酵周期的波动，并因此改善本文所述的工艺和系统的可扩展性。可扩展性是指在不损害功能性的情况下改变(例如扩大或缩小)工艺或系统以适应例如生产需求(例如运作体积)的能力。
此外，从原料或原料浆液中移除固体也能够对可扩展性具有效应。例如，如果利用外部提取器，减少的固体(例如减少的总悬浮固体，TSS)能够导致改善的性能和更好的可扩展性。减少的固体提高含水相和有机相(例如发酵液和提取剂)之间的产物醇的传质速率。固体颗粒包被提取剂液滴的表面，有效地减少传质面积。固体颗粒也通过提高粘度和乳化趋势抑制相分离。因为固体的存在能够阻止外部提取器的运作，从原料或原料浆液中移除固体提供改善的可扩展性和外部提取器的可靠性。
因此，移除固体和/或油可改善本文所述的工艺和系统的单元操作的可扩展性。例如，移除固体和/或油可改善单元操作，诸如但不限于提取器性能、蒸馏塔性能、换热器性能和/或蒸发器性能。
作为改善的单元操作的一个例子，参见图11，流105可导入啤酒塔120以产生富含醇的流122和塔底流125。包含稀釜馏物并且在发酵前移除了大部分固体的塔底流125可经由蒸发130浓缩。通过在发酵前移除固体，可将较少的固体传送至蒸发器，这可导致较低的蒸发器进料速率。较低的进料速率需要较少的能量并因此需要较低的成本，这是由于较低的能量需求。
在一些实施例中，可存在从油中移除水的需求，所述油回收自原料或原料浆液。在一些实施例中，水可通过多种方法移除，包括重力分离、接合分离器、离心(例如滗析器)、吸附或吸收、蒸馏、加热、真空脱水和/或气提(例如空气、氮气)。吸附介质的例子包括但不限于活性氧化铝、膨润土、氯化钙、硫酸钙、纤维素、硫酸镁、分子筛、聚合物和/或硅胶。在一些实施例中，吸附介质可与油一起连续搅拌，或者油可流经带有吸附介质的填充床。
有时，清洁和/或灭菌在发酵产物诸如产物醇生产过程中使用的设备可能是必须的。设备的例子包括但不限于发酵罐、液化容器、糖化容器、储料罐、储罐、换热器、管道、设备连接部、喷嘴、配件和阀。清洁和消毒能够减少或消除微生物污染以及最小化设备上的残留物(例如碳水化合物、糖)积聚。积聚在设备上的残留物能够为有害微生物提供营养源，导致这些微生物增殖。有多种方法用于清洁和/或消毒发酵设备，包括就地清洗(CIP)和在线灭菌(SIP)。CIP和SIP可手动进行或者也可利用自动化系统进行。一种合适的以及有效的CIP或SIP能够通过最小化由于例如微生物污染引起的运作停止的需要来最大化生产工厂的利润率。
在本文所述的工艺和系统中，例如在发酵前从原料或原料浆液中移除固体和油能够改善CIP和SIP的效率。在发酵设备中不含固体将允许用较少的冲洗水、较少的清洁溶液和较少的时间来进行CIP和SIP。因此，移除固体可改善效率并减少CIP和SIP工艺的成本。另外，用于CIP的苛性剂(例如氢氧化钠)可与油中的甘油三酯反应，从而形成皂(即，皂化)，其能够对CIP的效率产生效应。因此，移除油能够减少CIP期间皂的形成并改善CIP的效率。
在发酵过程期间，油污可对生产工艺的生产能力和效率具有影响。一般来讲，油污是指外来物质或颗粒的沉积物，例如，在换热器和蒸馏塔再沸器表面上的物质的沉积物。这种在换热器表面上的物质的沉积物能够妨碍热传送并减少换热器的运作能力。例如，物质沉积可妨碍流体流经换热器，导致流动阻力增大。而且，在换热器或其它设备表面上的物质的沉积物可能需要另外的清洁。这些另外的清洁需求可能使工厂必须停产，这可导致工厂生产能力降低。在本文所述的工艺和系统中，从原料或原料浆液中移除油和/或固体(例如，在发酵之前)能够最小化物质的沉积并降低物质在设备诸如换热器表面上的沉积速率。因此，固体和油移除能够降低换热器的油污速率并最小化油污对热传递和运作能力的效应。
在本发明工艺和系统的实施例的另一个例子中，从发酵罐中排放的材料可在分离系统中进行加工，该系统涉及装置诸如离心机、沉降器、水力旋流器等、以及它们的组合，从而影响浓缩形式的微生物的回收，所述微生物可再循环以在后续的发酵中直接地或在再处理后再使用。再循环利用微生物的能力能够提高发酵产物生产诸如产物醇生产的总速率、降低总滴度需求和/或降低含水滴度需求，从而产生更健康的微生物和更高的生产速率。该分离系统也可产生有机流，所述有机流包含由发酵产生的发酵产物(例如产物醇)和其它副产物，以及仅包含痕量不可混溶有机物的含水流。该含水流可在将它的产物醇内容物移除以洗涤固体之前或之后使用，该固体分离自原料浆液。这种做法的优点是避免可能出现的长带驱动的输送系统，该系统用于将这些固体从液化区传送到谷物干燥和浆混合区。此外，在已经移除产物醇之后产生的全釜馏物将需要使用现有的或新的分离装置分离成稀釜馏物和湿饼部分。稀釜馏物可部分形成逆流，所述逆流可与烹煮水合并用于制备新一批的可发酵醪。该实施例的另一个优点是保留在分离自原料浆液的固体中的任何残余可发酵糖将部分地通过该逆流被捕集并回收。另选地，固体流中包含的微生物可再分散在含水流和该合并流中，该合并流是发酵保留的任何产物醇内容物的蒸馏物。如果微生物是无活性的，还可分离无活性微生物以用作例如增殖过程中的营养物质。
在本文所述的工艺和系统的一些实施例中，发酵过程的副产物(或共产物)还可进行进一步加工，例如，可加工不溶解的固体以产生DDGS。可对微生物具有抑制效应的其它副产物诸如脂肪酸酯可从发酵液和/或副产物流中回收，导致产物醇的收率提高。可利用溶剂提取来自副产物流的脂肪酸酯来完成脂肪酸酯和其它脂质的回收。在一些实施例中，可合并多个副产物流，并且可从合并流中回收脂肪酸酯。
在溶剂提取脂质(例如脂肪酸酯)的一个实施例中，固体可分离自全釜馏物(“分离的固体”)，因为这种流将含有脂肪酸酯的一大部分。这些分离的固体随后可进料到提取器并用溶剂洗涤。在一些实施例中，分离的固体可洗涤至少两次或更多次。在洗涤后，可收集已知作为混杂油的所得脂质和溶剂的混合物，用于从溶剂中分离提取的脂质。例如，将所得脂质和溶剂的混合物导入分离器或提取器中用于进一步加工。在提取过程中，溶剂不仅将脂质提取到溶液中，而且它也收集细小的颗粒(“细小颗粒”)。这些细小颗粒一般是混杂油中的不期望的杂质，并且在一个实施例中，混杂油可从提取器或分离器中排放并导入将细小颗粒从混杂油中分离或洗掉的分离装置。
为了分离混杂油中包含的脂质和溶剂，混杂油可经受蒸馏步骤。在这个步骤中，混杂油可例如通过蒸发器进行加工，该蒸发器将混杂油加热至足够高的温度以引起溶剂的蒸发，但是该温度不足以不利地影响或蒸发提取的脂质。当溶剂蒸发时，可将其收集，例如在冷凝器中收集，并在将来使用时再利用。从混杂油中分离溶剂产生粗脂质原液，可进一步将其加工以分离水、脂肪酸酯(例如脂肪酸异丁酯)、脂肪酸和甘油三酯。用于回收甘油三酯的溶剂型提取系统在美国专利申请公布2010/0092603中有所描述，其全文以引用方式并入本文。
在提取脂质后，可将固体移出提取器并可导入气提装置(例如除溶剂器)中，以移除残余溶剂。回收残余溶剂对方法的经济性来说可为重要的。在一些实施例中，可将固体转移到气密环境中的除溶剂器，以保存并收集可瞬时从固体中蒸发的溶剂。当固体进入除溶剂器时，可加热固体以蒸发并移除残余溶剂。为了加热固体，除溶剂器可包括用于将固体分配到一个或多个托盘上的机构，并且可直接加热该固体，诸如通过直接接触热空气或热蒸汽来加热，或者间接地进行加热，诸如通过加热承载固体的托盘来加热。为了便于将固体从一个托盘转移到另一个托盘上，承载固体的托盘可包括开口，该开口允许固体从一个托盘移到下一个托盘上。固体可任选地从除溶剂器转移到混合器中，其中固体在被转移到干燥器前与其它副产物混合。在一些实施例中，将固体导入除溶剂器，并且使固体接触蒸汽。在一些实施例中，除溶剂器中的蒸汽流和固体流可互为逆流。在一些实施例中，可冷凝排出除溶剂器的蒸气并任选地与混杂油混合，然后进料到滗析器中，从而形成富水相。这种排出滗析器的富水相可进料到蒸馏塔中，其中从富水流中移除溶剂。在一些实施例中，耗尽了溶剂的富水流可排出蒸馏塔底部并且可再循环用于发酵过程，例如，它可用于加工原料。在一些实施例中，蒸馏塔的塔顶和塔底产物可再循环用于发酵过程。例如，富含脂质的塔底物可被添加至水解器的进料中。可将塔顶物例如冷凝并进料于滗析器，从而形成富含溶剂的流和富水相。排出该滗析器的富含溶剂的流可任选地用作溶剂，进料于提取器，并且排出该滗析器的富水相可进料于气提塔以将溶剂从水中抽提出。
在一些实施例中，副产物或共产物可来源于用于发酵过程的原料浆液。如本文所述，如果使用玉米作为原料，玉米油可在发酵前分离自原料浆液。在发酵过程之前移除玉米油的有益效果是：与在发酵过程末期移除玉米油(例如从浆中)相比回收更多的玉米油、与在发酵过程末期移除玉米油相比回收更高质量以及因此更高价值的油、产生作为共产物的玉米油、并且将玉米油转化成其它产物。
例如，因为玉米油含有甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯、脂肪酸、植物甾醇、维生素E、类胡萝卜素(例如β-胡萝卜素、β-玉米黄质、叶黄素玉米黄质)、磷脂和抗氧化剂诸如生育酚，可以不同浓度或比率将玉米油添加至其它共产物，从而产生改变这些组分在所得共产物中的量的能力。这样可控制所得共产物的脂肪含量，例如用于产生低脂肪、高蛋白质的动物饲料，其与高脂肪产物相比将更好地适合奶牛的需求。在其中可期望高脂肪动物饲料的另一个实施例中，玉米油可用作动物饲料组分，因为它的高甘油三酯含量将提供代谢能的来源。此外，玉米油中的天然抗氧化剂提供维生素E的来源并减少腐臭的发展。
分离自原料的玉米油可经进一步加工以生产精炼玉米油或食用油供消费者使用。例如，粗制玉米油可经进一步加工以生产精炼玉米油，这通过脱胶以移除磷脂、碱精炼以中和游离脂肪酸、脱色以移除发色体和痕量元素、冻凝以移除蜡、以及除臭来进行(参见例如Corn Oil，第5版，CornRefiners Association，Washington，D.C.，2006)。精炼玉米油可例如被食品制造商用于生产食物产品。通过碱精炼移除的游离脂肪酸可用作皂脚，并且从冻凝步骤回收的蜡可用于动物饲料。
玉米油可用于树脂、塑料、聚合物、润滑剂、漆、清漆印刷墨、皂和纺织物的制造；并且也可被制药工业用作药物制剂组分。玉米油也可用作生物柴油或可再生柴油的原料。
在一些实施例中，油诸如玉米油可用作用于生产提取发酵的提取剂的原料。例如，来源于生物质的油可转化成提取剂，其可用于从发酵液中移除产物醇诸如丁醇。油中的甘油酯可经化学转化或酶转化成反应产物，诸如脂肪酸、脂肪醇、脂肪酰胺、脂肪酸烷基酯、脂肪酸乙二醇酯和羟基化甘油三酯、或它们的混合物，它们可用作发酵产物提取剂。使用玉米油作为例子，玉米油甘油三酯可与碱诸如氢氧化铵或氢氧化钠反应以获得脂肪酰胺、脂肪酸和甘油。这些脂肪酰胺、脂肪酸、或它们的混合物可用作提取剂。在一些实施例中，植物油诸如玉米油可通过酶如脂肪酶进行水解，从而形成脂肪酸(例如玉米油脂肪酸)。用于从生物质中获取提取剂的方法描述于美国专利申请公布2011/0312043、美国专利申请公布2011/0312044和PCT国际公布WO 2011/159998中。在一些实施例中，提取剂可全部或部分用作动物饲料的组分，或者它可用作生物柴油或可再生柴油的原料。
在一些实施例中，玉米油也可用作生物柴油或可再生柴油的原料。在一些实施例中，油或油组合也可用作生物柴油或可再生柴油的原料。油的例子包括卡诺拉油、蓖麻油、玉米油、霍霍巴油、卡兰贾油、麻花油(mahua)、亚麻籽油、大豆油、棕榈油、花生油、油菜籽油、稻油、红花油和向日葵油。生物柴油可来源于植物油与醇如甲醇、乙醇和丁醇的酯交换或酯化。例如，生物柴油可通过酸催化、碱催化、或酶催化的酯交换或酯化(例如植物油来源的甘油三酯的酯交换或植物油来源的游离脂肪酸的酯化)来生产。无机酸诸如硫酸、盐酸和磷酸；有机酸如甲苯磺酸和萘磺酸；固体酸诸如磺化聚苯乙烯树脂；或者可使用沸石作为酸催化的酯交换或酯化的催化剂。碱诸如氢氧化钾、甲醇钾、氢氧化钠、甲醇钠、或氢氧化钙可用作碱催化的酯交换或酯化的催化剂。在一些实施例中，生物柴油可通过集成方法生产，例如酸催化的游离脂肪酸的酯化之后为碱催化的甘油三酯的酯交换。
酶诸如脂肪酶或酯酶可用于催化酯交换或酯化反应。脂肪酶可来源于细菌或真菌，例如假单胞菌属(Pseudomonas)、嗜热真菌属(Thermomyces)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)、假丝酵母属(Candida)、和根毛霉属(Rhizomucor)。在一些实施例中，脂肪酶可来源于荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)、米黑根毛霉(Rhizomucor miehei)、洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderia cepacia)、绵毛嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosa)、或南极假丝酵母(Candida Antarctica)。在一些实施例中，酶可固定在可溶解的或不溶解的载体上。可利用多种技术固定酶，包括1)经由共价结合、物理吸附、静电结合、或亲和力结合将酶结合到多孔或无孔载体上；2)与双官能或多官能试剂交联；3)在凝胶基质、聚合物、乳液、或某些形式的膜中包埋；以及4)任何这些方法的组合。在一些实施例中，脂肪酶可固定在例如丙烯酸类树脂、二氧化硅、或小珠(例如聚甲基丙烯酸酯小珠)上。在一些实施例中，脂肪酶可为可溶性的。
在一些实施例中，本文所述的生物柴油可包含以下脂肪酸烷基酯(FAAE)中的一种或多种：脂肪酸甲酯(FAME)、脂肪酸乙酯(FAEE)和脂肪酸丁酯(FABE)。在一些实施例中，本文所述的生物柴油可包含以下中的一种或多种：肉豆蔻酸酯、棕榈酸酯、硬脂酸酯、油酸酯、亚油酸酯、亚麻酸酯、花生酸酯和山嵛酸酯。
在一些实施例中，来自发酵过程的油可通过蒸发形成非水流进行回收。这种非水流可包含脂肪酸酯和脂肪酸，并且可将这种流导入水解器以回收产物醇和脂肪酸。在一些实施例中，这种流可用同于作生物柴油生产的原料。
在一些实施例中，本文所述的生物柴油符合美国材料与试验协会(ASTM)D6751的规格。在一些实施例中，本文所述的生物柴油符合欧洲标准EN 14214的规格。
在一些实施例中，用于生产生物柴油的反应器构形包括例如分批搅拌槽反应器、连续搅拌槽反应器、填充床反应器、流化床反应器、膨胀床反应器和再循环膜反应器。
在一些实施例中，组合物可包含至少2％的生物柴油，至少5％的生物柴油，至少10％的生物柴油，至少20％的生物柴油，至少30％的生物柴油，至少40％的生物柴油，至少50％的生物柴油，至少60％的生物柴油，至少70％的生物柴油，至少80％的生物柴油，至少90％的生物柴油，或100％的生物柴油。
在一些实施例中，本文所述的生物柴油可与石油基的柴油燃料共混以形成生物柴油共混物。在一些实施例中，生物柴油共混物可包含按体积计至少2％的生物柴油，按体积计至少3％的生物柴油，按体积计至少4％的生物柴油，按体积计至少5％的生物柴油，按体积计至少6％的生物柴油，按体积计至少7％的生物柴油，按体积计至少8％的生物柴油，按体积计至少9％的生物柴油，按体积计至少10％的生物柴油，按体积计至少11％的生物柴油，按体积计至少12％的生物柴油，按体积计至少13％的生物柴油，按体积计至少14％的生物柴油，按体积计至少15％的生物柴油，按体积计至少16％的生物柴油，按体积计至少17％的生物柴油，按体积计至少18％的生物柴油，按体积计至少19％的生物柴油，或按体积计至少20％的生物柴油。在一些实施例中，生物柴油共混物可包含按体积计至多约20％的生物柴油。
生物柴油生产的副产物是甘油。此外，甘油也可为从油中生产提取剂的副产物和发酵过程的副产物。生物柴油的原料可通过脂肪酸诸如COFA与甘油的反应来产生。反应可由强无机酸诸如硫酸或固体酸催化剂诸如AmberlystTM聚合物催化剂和离子交换树脂进行催化。高转化率可通过从反应物料中移除水来获得。反应产物可含有甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯，它们的比例通过反应物比率和反应程度确定。甘油酯混合物可用于替代通常用于制备生物柴油的甘油三酯。在一些实施例中，甘油酯可用作表面活性剂或生物柴油的原料。
在一些实施例中，固体可分离自原料浆液并且可包含甘油三酯和脂肪酸。这些固体可用作动物饲料，其当从离心排放时回收或者在干燥后回收。固体可尤其适合用作反刍动物(例如奶牛)的饲料，这是因为它具有高含量的可利用赖氨酸和旁路或瘤胃不可降解的蛋白质。例如，这些固体可为特定值的高蛋白质、低脂肪饲料。在一些实施例中，这些固体可用作基料，即，可将其它副产物诸如浆添加至固体中以形成产物，其可用作动物饲料。在一些实施例中，可将不同量的其它副产物添加至固体中以调整所得产物的特性，从而符合某些动物物种的需要(例如奶牛和肉牛、家禽、猪、牲畜、马、水产养殖和家养宠物)。
在其中期望低脂肪动物饲料的一些实施例中，可在发酵前从原料中移除油。通过移除玉米油，产生的DDGS将具有低脂肪、高蛋白质含量。如果不移除玉米油，存在于湿饼中的油可能被干燥过程氧化。这种氧化引起颜色变深效应，并且产生具有较深颜色的DDGS。如果在发酵前从原料中移除油，产生的DDGS将具有较浅的颜色，并且这种较浅颜色的DDGS可为一些动物饲料产品所期望的。
分离自全釜馏物的固体的组合物可包括例如粗蛋白质、脂肪酸和脂肪酸酯。在一些实施例中，可使用这一组合物(湿的或干的)作为动物饲料，其中例如高蛋白质(例如高赖氨酸)、低脂肪和高纤维含量是期望的。在一些实施例中，如果期望高脂肪、低纤维的动物饲料，可将脂肪加到该组合物中，例如，来源于另一个副产物流中的脂肪。在一些实施例中，该较高脂肪、低纤维的动物饲料可用于猪或家禽。在一些实施例中，CDS的非水组合物可包括例如蛋白质、脂肪酸和脂肪酸酯以及其它溶解的和悬浮的固体如盐和碳水化合物。该CDS组合物可用作例如动物饲料(湿的或干的)，其中期望高蛋白质、低脂肪、高矿物盐的饲料组分。在一些实施例中，该组合物可用作奶牛饲料的组分。
在一些实施例中，可合并经由发酵工艺制备产物醇产生的一种或多种流以产生包含至少约90％脂肪酸的组合物，其可用作燃料源诸如生物柴油。
可以多种方式将经由发酵工艺制备产物醇的产生的各种流合并以产生多种共产物。例如，如果来自醪的粗制玉米用于产生用作提取剂的脂肪酸，并且脂质通过蒸发器进行提取，然后可合并并加工剩余的流以产生共产物组合物，该组合物包含粗蛋白质、粗脂肪、甘油三酯、脂肪酸和脂肪酸酯。在另一个例子中，如果从原料浆液中移除油诸如玉米油，可将油添加至酒糟以生产例如动物饲料产品。
在一些实施例中，本文所述的工艺和系统的组合物可包含至少约20-35重量％的粗蛋白质，至少约1-20重量％的粗脂肪，至少约0-5重量％的甘油三酯，至少约4-10重量％的脂肪酸，和至少约2-6重量％的脂肪酸酯。在一些实施例中，组合物可包含约25重量％的粗蛋白质，约10重量％的粗脂肪，约0.5重量％的甘油三酯，约6重量％的脂肪酸，和约4重量％的脂肪酸酯。在一些实施例中，组合物可包含至少约25-31重量％的粗蛋白质，至少约6-10重量％的粗脂肪，至少约4-8重量％的甘油三酯，至少约0-2重量％的脂肪酸，和至少约1-3重量％的脂肪酸酯。在一些实施例中，组合物可包含约28重量％的粗蛋白质，约8重量％的粗脂肪，约6重量％的甘油三酯，约0.7重量％的脂肪酸，和约1重量％的脂肪酸酯。在一些实施例中，脂肪酸酯可为脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯、脂肪酸丁酯、或脂肪酸异丁酯。
在一些实施例中，可合并分离自全釜馏物和油的固体，该全釜馏物和油提取自原料浆液，并且所得组合物可包含粗蛋白质、粗脂肪、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸酯、赖氨酸、中性洗涤剂纤维(NDF)和酸性洗涤剂纤维(ADF)。在一些实施例中，组合物可包含至少约26-34重量％的粗蛋白质，至少约15-25重量％的粗脂肪，至少约12-20重量％的甘油三酯，至少约1-2重量％的脂肪酸，至少约2-4重量％的脂肪酸酯，至少约1-2重量％的赖氨酸，至少约11-23重量％的NDF，和至少约5-11重量％的ADF。在一些实施例中，组合物可包含约29重量％的粗蛋白质，约21重量％的粗脂肪，约16重量％的甘油三酯，约1重量％的脂肪酸，约3重量％的脂肪酸酯，约1重量％的赖氨酸，约17重量％的NDF，和约8重量％的ADF。在一些实施例中，脂肪酸酯可为脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯、脂肪酸丁酯、或脂肪酸异丁酯。高脂肪、甘油三酯和赖氨酸含量以及较低纤维含量的这种组合物可为猪和家禽期望的饲料。
如本文所述，可以多种方式合并经由发酵方法生产产物醇产生的不同流以产生组合物，该组合物包含粗蛋白质、粗脂肪、甘油三酯、脂肪酸和脂肪酸酯。例如，包含至少约6％的粗脂肪和至少约28％的粗蛋白质的组合物可用作产乳动物的动物饲料产品。包含至少约6％的粗脂肪和至少约26％的粗蛋白质的组合物可用作肥育舍饲牛的动物饲料产品，而包含至少约1％的粗脂肪和至少约27％的粗蛋白质的组合物可用作越冬牛的动物饲料产品。包含至少约13％的粗脂肪和至少约27％的粗蛋白质的组合物可用作家禽的动物饲料产品。包含至少约18％的粗脂肪和至少约22％的粗蛋白质的组合物可用作单胃动物的动物饲料产品。可以此种方式合并多种流以定制用于特定动物物种(例如牲畜、反刍动物、牛、产乳动物、猪、山羊、绵羊、家禽、马、水产养殖、或家养宠物诸如狗、猫和兔子)的饲料产品。
通过本发明工艺产生的DDGS可经改性以生产定制的高价值饲料产品，这通过添加以下中的一种或多种：蛋白质、脂肪、纤维、灰分、脂质、氨基酸、维生素和矿物质。氨基酸包括例如必需氨基酸诸如组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸以及其它氨基酸诸如丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸。矿物质包括例如钙、氯、钴、铜、氟、碘、铁、镁、锰、磷、钾、硒、钠、硫和锌。维生素包括例如维生素A、C、D、E、K和B(硫胺素、核黄素、烟酸、泛酸、生物素、维生素B6、维生素B12和叶酸)。
如本文所述，本发明的工艺和系统提供多种有益效果，它们能够导致改善的产物醇诸如丁醇的生产。例如，传质的改善能够以较低的含水滴度运作，从而产生“较健康的”微生物。较好的相分离能够导致改善的发酵罐体积效率以及通过啤酒塔、蒸馏塔等加工较少的反应器内容物的可能性。此外，存在较少的由于固体导致的溶剂损失并且存在回收利用细胞的可能性。本发明的工艺和系统也可提供较高质量的DDGS。
本文所述的工艺和系统也在发酵之前移除油，其将随后允许油以受控方式添加至发酵。此外，在发酵之前移除油将使DDGS中存在的油量具有灵活性。即，油可以不同量的添加至DDGS中，导致具有不同脂肪含量的DDGS的生产取决于特定动物物种的营养需求。
本文所述工艺和系统可使用计算模型诸如Aspen模型来展示(参见，例如，美国专利7,666,282)。例如，商业建模软件(AspenTechnology，Inc.，Burlington，MA)可与物理特性数据库诸如购自American Institute of Chemical Engineers，Inc.(New York，NY)的DIPPR(Design Institute for Physical Property Research)联合使用以开发完整的醇发酵、纯化和水管理过程的Aspen模型。这种过程建模可进行许多基本的工程计算，例如质量和能量平衡，气/液平衡以及反应速率计算。为了生成Aspen模型，信息输入可包括，例如实验数据、原料的水含量和组成、醪蒸煮和闪蒸的温度、糖化条件(例如，酶进料、淀粉转化率、温度、压力)、发酵条件(例如，微生物进料、葡萄糖转化率、温度、压力)、脱气条件、溶剂柱、预闪蒸塔、冷凝器、蒸发器、离心机等。
重组微生物
不受理论的束缚，据信本文所述方法可与任何产生醇的微生物、尤其是以高于其耐受性水平的滴度产生醇的重组微生物结合使用。
产生醇的微生物是本领域已知的。例如，通过甲烷氧化菌(例如甲基弯菌(Methylosinus trichosporium))发酵氧化甲烷产生甲醇，并且酵母菌株CEN.PK113-7D(CBS 8340，the Centraal Buro voor Schimmelculture；vanDijken等人，Enzyme Microb.Techno.26：706-714，2000)产生乙醇。产生醇的重组微生物也是本领域已知的(例如，Ohta等人，Appl.Environ.Microbiol.57：893-900，1991；Underwood等人，Appl.Environ.Microbiol.68：1071-1081，2002；Shen和Liao，Metab.Eng.10：312-320，2008；Hahnai等人，Appl.Environ.Microbiol.73：7814-7818，2007；美国专利5,514,583；美国专利5,712,133；PCT专利申请公布WO 1995/028476；Feldmann等人，Appl.Microbiol.Biotechnol.38：354-361，1992；Zhang等人，Science267：240-243，1995；美国专利申请公布2007/0031918 A1；美国专利7,223,575；美国专利7,741,119；美国专利7,851,188；美国专利申请公布2009/0203099 A1；美国专利申请公布2009/0246846 A1；和PCT专利申请公布WO 2010/075241，它们全部以引用方式并入本文)。
此外，微生物可使用重组技术进行修饰以产生重组微生物，其能够产生产物醇诸如乙醇和丁醇。可经重组修饰以经由生物合成途径生产产物醇的微生物包括以下菌属中的一种：梭菌属(Clostridium)、发酵单胞菌属(Zymomonas)、埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)、沙雷氏菌(Serratia)、欧文氏菌属(Erwinia)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、志贺氏菌属(Shigella)、红球菌属(Rhodococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、乳杆菌(Lactobacillus)、肠球菌属(Enterococcus)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、类芽孢杆菌(Paenibacillus)、节杆菌(Arthrobacter)、棒状杆菌(Corynebacterium)、短杆菌属(Brevibacterium)、裂殖酵母(Schizosaccharomyces)、克鲁维酵母属(Kluyveromyces)、耶氏酵母属(Yarrowia)、毕赤酵母属(Pichia)、假丝酵母属(Candida)、汉逊酵母属(Hansenula)、伊萨酵母属(Issatchenkia)、或酵母属(Saccharomyces)。在一些实施例中，重组微生物可选自大肠杆菌(Escherichia coli)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)、马克斯克鲁维酵母(Kluyveromycesmarxianus)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在一些实施例中，重组微生物为酵母。在一些实施例中，重组微生物为克拉布特里阳性(crabtree-positive)酵母，其选自酵母属(Saccharomyces)、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)、德克酵母属(Dekkera)、球拟酵母属(Torulopsis)、酒香酵母属(Brettanomyces)、以及假丝酵母属(Candida)的一些菌种。克拉布特里阳性酵母的菌种包括但不限于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、克鲁维酵母(Saccharomyces kluyveri)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)、贝酵母(Saccharomyces bayanus)、芽殖酵母(Saccharomycesmikitae)、奇异酵母(Saccharomyces paradoxus)、鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)和光滑假丝酵母(Candida glabrata)。
酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)为本领域所已知并可购自多种来源，包括但不限于美国典型培养物保藏中心(Rockville，MD)、Centraalbureau voor Schimmelcultures(CBS)真菌生物多样性中心、LeSaffre、Gert Strand AB、Ferm Solutions、North American Bioproducts、Martrex和Lallemand。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)包括但不限于BY4741、CEN.PK 113-7D、yeast、Ferm ProTM yeast、 XR yeast、Gert Strand Prestige Batch Turbo alcohol yeast、Gert StrandPot Distillers yeast、Gert Strand Distillers Turbo yeast、FerMaxTM Greenyeast、FerMaxTM Gold yeast、yeast、BG-1、PE-2、CAT-1、CBS7959、CBS7960和CBS7961。
在一些实施例中，微生物可被固定或封装。例如，微生物可使用藻酸酯、藻酸钙或聚丙烯酰胺凝胶固定或封装，或通过在多种高表面积载体矩阵诸如硅藻土(diatomite)、硅藻土(celite)、硅藻土(diatomaceousearth)、硅胶、塑料或树脂上诱导生物膜形成来固定或封装。在一些实施例中，ISPR可与固定的或封装的微生物联合使用。该组合可提高生产能力诸如比体积生产能力、代谢率、产物醇收率、产物醇耐受性。此外，固定和封装可使工艺条件诸如剪切对微生物的影响最小化。
利用发酵生产丁醇以及生产丁醇的微生物公开于例如美国专利7,851,188和美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0155870；2009/0305363；和2009/0305370中，它们每个全文以引用方式并入本文。在一些实施例中，微生物可被工程化成包括生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径为工程化的丁醇生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸转化成发酵产物。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸以及氨基酸转化成发酵产物。在一些实施例中，微生物中的异源多核苷酸编码至少一个、至少两个、至少三个或至少四个多肽，所述多肽催化途径中底物到产物的转化。在一些实施例中，微生物中的异源多核苷酸编码所有多肽，所述多肽催化途径中底物到产物的转化。在一些实施例中，催化底物以产生乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的转化的多肽和/或催化底物以产生异丁醛至异丁醇的转化的多肽能够利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)作为辅因子。
生物合成途径
可被使用的用于生产异丁醇的生物合成途径包括描述于美国专利7,851,188中的那些，该专利以引用方式并入本文。在一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸，其可被例如乙酰羟酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至α-酮异戊酸，其可被例如乙酰羟酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至异丁醛，其可被例如支链α-酮酸脱羧酶催化；以及
e)异丁醛至异丁醇，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸，其可被例如酮醇酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至a-酮异戊酸，其可被例如二羟酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至缬氨酸，其可被例如转氨酶或缬氨酸脱氢酶催化；
e)缬氨酸至异丁胺，其可被例如缬氨酸脱羧酶催化；
f)异丁胺至异丁醛，其可被例如ω转氨酶催化；以及
g)异丁醛至异丁醇，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸，其可被例如乙酰羟酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至α-酮异戊酸，其可被例如乙酰羟酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至异丁酰-CoA，其可被例如支链酮酸脱氢酶催化；
e)异丁酰-CoA至异丁醛的转化，其可被例如酰化乙醛脱氢酶催化；以及
f)异丁醛至异丁醇，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
用于生产可使用的1-丁醇的生物合成途径包括在美国专利申请公布2008/0182308中描述的那些，该文献以引用的方式并入本文。在一个实施例中，1-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)乙酰-CoA至乙酰乙酰-CoA，其可被例如乙酰-CoA乙酰转移酶催化；
b)乙酰乙酰-CoA至3-羟丁酸-CoA，其可被例如3-羟丁酸-CoA脱氢酶催化；
c)3-羟丁酸-CoA至丁烯酰-CoA，其可被例如巴豆酸酶催化；
d)丁烯酰-CoA至丁酰-CoA，其可被例如丁酰-CoA脱氢酶催化；
e)丁酰-CoA至丁醛，其可被例如丁醛脱氢酶催化；以及
f)丁醛至1-丁醇，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
用于生产可使用的2-丁醇的生物合成途径包括在美国专利申请公布2007/0259410和美国专利申请公布2009/0155870中描述的那些，上述文献以引用的方式并入本文。在一个实施例中，2-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)偶姻至3-氨基-2-丁醇，其可被例如乙偶姻胺化酶催化；
d)3-氨基-2-丁醇至磷酸-3-氨基-2-丁醇，其可被例如氨基丁醇激酶催化；
e)磷酸-3-氨基-2-丁醇至2-丁酮，其可被例如磷酸氨基丁醇磷酸化酶催化；以及
f)2-丁酮至2-丁醇，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，2-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至2，3-丁二醇，其可被例如丁二醇脱氢酶催化；
d)2，3-丁二醇至2-丁酮，其可被例如二醇脱水酶催化；以及
e)2-丁酮至2-丁醇，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
用于生产可使用的2-丁酮的生物合成途径包括在美国专利申请公布2007/0259410和美国专利申请公布2009/0155870中描述的那些，它们以引用的方式并入本文。在一个实施例中，2-丁酮生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至3-氨基-2-丁醇，其可被例如乙偶姻胺化酶催化；
d)3-氨基-2-丁醇至磷酸-3-氨基-2-丁醇，其可被例如氨基丁醇激酶催化；以及
e)磷酸-3-氨基-2-丁醇至2-丁酮，其可被例如磷酸氨基丁醇磷酸化酶催化。
在另一个实施例中，2-丁酮生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至2，3-丁二醇，其可被例如丁二醇脱氢酶催化；以及
d)2，3-丁二醇至2-丁酮，其可被例如二醇脱水酶催化。
术语“乙酰羟酸合酶”、“乙酰乳酸合酶”和“乙酰乳酸合成酶”(缩写为“ALS”)本文中可互换使用，用于指具有催化丙酮酸至乙酰乳酸和CO2的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。已知乙酰乳酸合酶的例子为EC编号2.2.1.6(Enzyme Nomenclature 1992，Academic Press，SanDiego)。这些未修饰的酶可得自多种来源，包括但不限于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：CAB15618(SEQ ID NO：1)、Z99122(SEQ ID NO：2)，分别是NCBI(National Center for BiotechnologyInformation)氨基酸序列、NCBI核苷酸序列)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)(GenBank No：AAA25079(SEQ ID NO：3)、M73842(SEQ ID NO：4))，以及乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)(GenBank No：AAA25161(SEQ ID NO：5)、L16975(SEQ ID NO：6))。
术语“酮醇酸还原异构酶”(“KARI”)、“乙酰羟酸异构还原酶”和“乙酰羟酸还原异构酶”本文中将可互换使用，用于指具有催化(S)-乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的反应的酶活性的多肽(或多种多肽)。KARI酶的例子可归类为EC编号EC 1.1.1.86(Enzyme Nomenclature1992，Academic Press，San Diego)，并且得自多种微生物，包括但不限于大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：NP_418222(SEQ ID NO：7)、NC_000913(SEQ ID NO：8))、酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)(GenBank No：NP_013459(SEQ ID NO：9)、NC_001144(SEQ ID NO：10))、海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis)(GenBank No：CAF30210(SEQ ID NO：11)、BX957220(SEQ ID NO：12))和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：CAB14789(SEQID NO：13)、Z99118(SEQ ID NO：14))。KARI包括粪厌氧棒状菌(Anaerostipes caccae)KARI变体“K9G9”和“K9D3”(分别为SEQ IDNO：15和16)。酮醇酸还原异构酶(KARI)在美国专利申请公布2008/0261230、2009/0163376和2010/0197519以及PCT专利申请公布WO/2011/041415中有所描述，它们以引用的方式并入本文。本文公开的KARI的例子是来自乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)、霍乱弧菌(Vibriocholera)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)PAO1和荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)PF5突变体的那些。在一些实施例中，KARI利用NADH。在一些实施例中，KARI利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。
术语“乙酰羟酸脱水酶”和“二羟酸脱水酶”(“DHAD”)是指具有催化2，3-二羟基异戊酸至α-酮异戊酸的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙酰羟酸脱水酶的例子已知为EC编号EC 4.2.1.9。此类酶可得自多种微生物，包括但不限于大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：YP_026248(SEQ ID NO：17)、NC000913(SEQ ID NO：18))、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(GenBank No：NP_012550(SEQ ID NO：19)、NC 001142(SEQ ID NO：20)、海沼甲烷球菌(M.maripaludis)(GenBank No：CAF29874(SEQ ID NO：21)、BX957219(SEQ ID NO：22))、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)(GenBank No：CAB14105(SEQ IDNO：23)、Z99115(SEQ ID NO：24))、乳酸乳球菌(L.lactis)和粗糙脉孢菌(N.crassa)。美国专利申请公布2010/0081154和美国专利7,851,188(上述文献以引用的方式并入本文)描述了二羟酸脱水酶(DHAD)，包括来自变异链球菌(Streptococcus mutans)的DHAD。
术语“支链α-酮酸脱羧酶”、“α-酮酸脱羧酶”、“α-酮异戊酸脱羧酶”或“2-酮异戊酸脱羧酶”(“KIVD”)是指具有催化α-酮异戊酸至异丁醛和CO2的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。已知支链α-酮酸脱羧酶的例子为EC编号4.1.1.72，并且得自许多来源，包括但不限于乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)(Genbank No：AAS49166(SEQ ID NO：25)、AY548760(SEQ ID NO：26)；CAG34226(SEQ ID NO：27)、AJ746364(SEQ ID NO：28)、鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)(GenBank No：NP_461346(SEQ ID NO：29)、NC_003197(SEQ ID NO：30))、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP_149189(SEQ ID NO：31)、NC_001988(SEQ ID NO：32))、解酪微球菌(M.caseolyticus)(SEQ ID NO：33)和格雷氏李斯特菌(L.grayi)(SEQ ID NO：34)。
术语“支链醇脱氢酶”(“ADH”)是指具有催化异丁醛至异丁醇的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。支链醇脱氢酶的例子已知为EC编号1.1.1.265，但是也可被归类为其它醇脱氢酶(具体地讲，EC 1.1.1.1或1.1.1.2)。醇脱氢酶可以是NADPH依赖型或NADH依赖型。这些酶可得自多种来源，包括但不限于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(GenBank No：NP_010656(SEQ ID NO：35)、NC_001136(SEQ ID NO：36)、NP_014051(SEQ ID NO：37)、NC_001145(SEQ ID NO：38))、大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：NP_417484(SEQ ID NO：39)、NC_000913(SEQ ID NO：40))、丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)(GenBank No：NP_349892(SEQ ID NO：41)、NC_003030(SEQ ID NO：42)；NP_349891(SEQ ID NO：43)、NC_003030(SEQ ID NO：44))。美国专利申请公布2009/0269823描述了来自木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans)的醇脱氢酶(ADH)SadB。醇脱氢酶还包括马肝脏ADH和印度拜耶林克氏菌(Beijerirkiaindica)ADH(如美国专利申请公布2011/0269199所述，该文献以引用方式并入本文)。
术语“丁醇脱氢酶”是指多肽(或多种多肽)，其具有催化异丁醛至异丁醇转化或催化2-丁酮至2-丁醇转化的酶活性。丁醇脱氢酶是醇脱氢酶大家族中的一个子集。丁醇脱氢酶可为NAD-或NADP-依赖型。NAD-依赖型酶已知为EC 1.1.1.1，并且可得自例如赤红球菌(Rhodococcus ruber)(GenBank No：CAD36475、AJ491307)。NADP依赖型酶已知为EC1.1.1.2，并且可得自例如激烈热球菌(Pyrococcus furiosus)(GenBank No：AAC25556、AF013169)。另外，丁醇脱氢酶可得自大肠杆菌(Eschetichiacoli)(GenBank No：NP 417484、NC_000913)，环己醇脱氢酶可得自不动杆菌属(Acinetobacter sp.)(GenBank No：AAG10026、AF282240)。术语“丁醇脱氢酶”也指催化丁醛转化成1-丁醇的酶，其使用NADH或NADPH作为辅因子。丁醇脱氢酶得自例如丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)(GenBank No：NP_149325、NC_001988；这种酶同时具有醛和醇脱氢酶活性)；NP_349891、NC_003030；和NP_349892、NC_003030)和大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：NP_417-484、NC_000913)。
术语“支链酮酸脱氢酶”是指具有催化α-酮异戊酸至异丁酰-CoA(异丁酰-辅酶A)转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，通常使用NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)作为电子受体。支链酮酸脱氢酶的例子已知为EC编号1.2.4.4。此类支链酮酸脱氢酶由四个亚基构成，并且来自所有亚基的序列可得自多种微生物，包括但不限于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：CAB14336(SEQ ID NO：45)、Z99116(SEQ ID NO：46)；CAB14335(SEQ ID NO：47)、Z99116(SEQ ID NO：48)；CAB14334(SEQ ID NO：49)、Z99116(SEQ ID NO：50)；和CAB14337(SEQ ID NO：51)、Z99116(SEQ ID NO：52))以及恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)(GenBank No：AAA65614(SEQ ID NO：53)、M57613(SEQ ID NO：54)；AAA65615(SEQ ID NO：55)、M57613(SEQ ID NO：56)；AAA65617(SEQ ID NO：57)、M57613(SEQ ID NO：58)；和AAA65618(SEQ ID NO：59)、M57613(SEQ ID NO：60))。
术语“酰化醛脱氢酶”是指具有催化异丁酰-CoA至异丁醛的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，通常使用NADH或NADPH作为电子供体。酰化乙醛脱氢酶的例子已知为EC编号1.2.1.10和1.2.1.57。此类酶得自多种来源，包括但不限于拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)(GenBank No：AAD31841(SEQ ID NO：61)、AF157306(SEQ ID NO：62))、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP_149325(SEQ ID NO：63)、NC_001988(SEQ ID NO：64)；NP_149199(SEQ ID NO：65)、NC_001988(SEQ ID NO：66))、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)(GenBank No：AAA89106(SEQ ID NO：67)、U13232(SEQ ID NO：68))和嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)(GenBank No：YP_145486(SEQ ID NO：69)、NC_006461(SEQ ID NO：70))。
术语“转氨酶”是指具有催化α-酮异戊酸至L-缬氨酸的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，使用丙氨酸或谷氨酸作为胺供体。转氨酶的例子已知为EC编号2.6.1.42和2.6.1.66。这些酶可得自多个来源。依赖丙氨酸的酶的来源的例子包括但不限于大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：YP_026231(SEQ ID NO：71)、NC_000913(SEQ ID NO：72))和地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)(GenBank No：YP_093743(SEQ ID NO：73)、NC_006322(SEQ ID NO：74))。依赖谷氨酸的酶的来源的例子包括但不限于大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：YP_026247(SEQID NO：75)、NC_000913(SEQ ID NO：76))、酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)(GenBank No：NP_012682(SEQ ID NO：77)、NC_001142(SEQ ID NO：78))和嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacteriumthermoautotrophicum)(GenBank No：NP_276546(SEQ ID NO：79)、NC_000916(SEQ ID NO：80))。
术语“缬氨酸脱氢酶”是指具有催化α-酮异戊酸至L-缬氨酸的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，通常使用NAD(P)H为电子供体并用氨作为胺供体。缬氨酸脱氢酶的例子已知为EC编号1.4.1.8和1.4.1.9并且此类酶可得自多个来源，包括但不限于天蓝色链霉菌(Strepeomycescoelicolor)(GenBank No：NP_628270(SEQ ID NO：81)、NC_003888(SEQ ID NO：82))和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：CAB14339(SEQ ID NO：83)、Z99116(SEQ ID NO：84))。
术语“缬氨酸脱羧酶”是指具有催化L-缬氨酸至异丁胺和C02的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。缬氨酸脱羧酶的例子已知为EC编号4.1.1.14。此类酶存在于链霉菌(Streptomyces)中，例如生绿链霉菌(Streptomyces viridifaciens)(GenBank No：AAN 10242(SEQ ID NO：85)、AY116644(SEQ ID NO：86))。
术语“ω转氨酶”是指具有催化异丁胺至异丁醛的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，使用适当的氨基酸作为胺供体。已知ω转氨酶的例子为EC编号2.6.1.18，并且其得自许多来源，包括但不限于反硝化产碱菌(Alcaligenes denitrificans)(AAP92672(SEQ ID NO：87)、AY330220(SEQ ID NO：88))、富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)(GenBank No：YP_294474(SEQ ID NO：89)、NC_007347(SEQ ID NO：90))、沙雷菌(Shewanella oneidensis)(GenBank No：NP_719046(SEQID NO：91)、NC_004347(SEQ ID NO：92))和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)(GenBank No：AAN66223(SEQ ID NO：93)、AE016776(SEQ ID NO：94))。
术语“乙酰-CoA乙酰转移酶”是指具有催化两个分子的乙酰-CoA至乙酰乙酰-CoA和辅酶A(CoA)的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙酰-CoA乙酰转移酶的例子是具有对短链酰基-CoA和乙酰-CoA的底物偏好(在正向上反应)的乙酰-CoA乙酰转移酶，并且该酶归类为E.C.2.3.1.9[Enzyme Nomenclature 1992，Academic Press，San Diego]；但是具有更广泛底物范围的酶(E.C.2.3.1.16)也将具有功能。乙酰-CoA乙酰转移酶得自多种来源，例如，大肠杆菌(Escherichia coli)(GenBank No：NP_416728、NC_000913；NCBI(National Center for BiotechnologyInformation，国家生物技术信息中心)氨基酸序列，NCBI核苷酸序列)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP_349476.1、NC_003030；NP_149242、NC_001988，枯草芽孢杆菌(GenBank No：NP_390297、NC_000964)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(GenBank No：NP_015297、NC_001148)。
术语“3-羟丁酰-CoA脱氢酶”是指具有催化乙酰乙酰-CoA至3-羟丁酰-CoA的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。3-羟丁酰-CoA脱氢酶的例子可以是NADH依赖型的、具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好性。例子可分别归类为E.C.1.1.1.35和E.C.1.1.1.30。另外，3-羟丁酰-CoA脱氢酶可以是NADPH依赖型的，具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好性，并且分别归类为E.C.1.1.1.157和E.C.1.1.1.36。3-羟丁酰-CoA脱氢酶得自多种来源，例如丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)(GenBank No：NP_349314、NC_003030)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：AAB09614、U29084)、富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)(GenBank No：YP_294481、NC_007347)和真养产碱杆菌(Alcaligeneseutrophus)(GenBank No：AAA21973、J04987)。
术语“巴豆酸酶”是指具有催化3-羟丁酰-CoA至丁烯酰-CoA和H2O的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。巴豆酸酶的例子可具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好性，并可分别归类为E.C.4.2.1.17和E.C.4.2.1.55。巴豆酸酶得自多种来源，例如大肠杆菌(Escherichia coli)((GenBank No：NP_415911、NC 000913)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP_349318、NC_003030)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：CAB13705、Z99113)和豚鼠气单胞菌(Aeromonas caviae)(GenBank No：BAA21816、D88825)。
术语“丁酰-CoA脱氢酶”是指具有催化丁烯酰-CoA至丁酰-CoA的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。丁酰-CoA脱氢酶的例子可为NADH-依赖型的、NADPH-依赖型的、或黄素-依赖型的，并且可分别归类为E.C.1.3.1.44、E.C.1.3.1.38和E.C.1.3.99.2。丁酰-CoA脱氢酶得自多种来源，例如丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP_347102、NC_003030)、小眼虫(Euglena gracilis)(GenBank No：Q5EU90、AY741582)、山丘链霉菌(Streptomyces collinus)(GenBank No：AAA92890、U37135)和天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)(GenBank No：CAA22721、AL939127)。
术语“丁醛脱氢酶”是指具有催化丁酰-CoA至丁醛的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)，使用NADH或NADPH作为辅因子。丁醛脱氢酶具有对NADH的偏好性，该酶已知为E.C.1.2.1.57并且得自例如拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)(GenBank No：AAD31841、AF 157306)和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(GenBank No：NP.sub.--149325、NC.sub.--001988)。
术语“异丁酰-CoA变位酶”是指具有催化丁酰-CoA至异丁酰-CoA的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。这种酶使用辅酶B12作为辅因子。异丁酰-CoA变位酶的例子已知为EC编号5.4.99.13。这些酶存在于多种链霉菌(Streptomyces)中，包括但不限于肉桂地链霉菌(Streptomycescinnamongnsis)(GenBank No：AAC08713(SEQ ID NO：95)、U67612(SEQ ID NO：96)；CAB59633(SEQ ID NO：97)、AJ246005(SEQ IDNO：98))、天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)(GenBank No：CAB70645(SEQ ID NO：99)、AL939123(SEQ ID NO：100)；CAB92663(SEQ ID NO：101)、AL939121(SEQ ID NO：102))和阿维链霉菌(Streptomyces avermitilis)(GenBank No：NP_824008(SEQ ID NO：103)、NC_003155(SEQ ID NO：104)；NP_824637(SEQ ID NO：105)、NC_003155(SEQ ID NO：106))。
术语“乙酰乳酸脱羧酶”指具有催化α-乙酰乳酸转化成乙偶姻的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙酰乳酸脱羧酶的例子已知编号为EC 4.1.1.5并且可来自，例如，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(GenBank No：AAA22223、L04470)、土生克雷伯氏菌(Klebsiella terrigena)(GenBankNo：AAA25054、L04507)和肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)(GenBank No：AAU43774、AY722056)。
术语“乙偶姻胺化酶”或“乙偶姻转氨酶”是指具有催化乙偶姻至3-氨基-2-丁醇的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙偶姻胺化酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛或NADH或NADPH。所得产物可在3-位点处具有(R)或(S)立体化学构型。磷酸吡哆醛依赖型酶可使用氨基酸诸如丙氨酸或谷氨酸作为氨基供体。NADH-和NADPH-依赖型酶可使用氨作为第二底物。NADH依赖型乙偶姻胺化酶的合适例子还已知为氨基醇脱氢酶，由Ito等人(美国专利6,432,688)进行了描述。吡哆醛依赖型乙偶姻胺化酶的例子是胺：丙酮酸氨基转移酶(也称为胺：丙酮酸转氨酶)，如Shin和Kim所述(J.Org.Chem.67：2848-2853，2002)。
术语“乙偶姻激酶”指具有催化乙偶姻至磷酸乙偶姻的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙偶姻激酶可利用ATP(三磷酸腺苷)或磷酸烯醇式丙酮酸作为反应中的磷酸供体。对类似底物二羟基丙酮催化类似反应的酶包括例如已知为EC 2.7.1.29的酶(Garcia-Alles等人，Biochemistry43：13037-13046，2004)。
术语“磷酸乙偶姻胺化酶”是指具有催化磷酸乙偶姻至邻磷酸-3-氨基-2-丁醇的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。磷酸乙偶姻胺化酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛、NADH、或NADPH。所得产物可在3-位置处具有(R)或(S)立体化学构型。磷酸吡哆醛依赖型酶可使用氨基酸诸如丙氨酸或谷氨酸。依赖NADH-和NADPH-的酶可使用氨作为第二底物。虽然没有对催化这种磷酸乙偶姻反应的酶的报道，但是有一种磷酸吡哆醛依赖型酶，提出其对相似的底物磷酸丝氨醇进行相似的反应(Yasuta等人，Appl.Environ.Microbial.67：4999-5009，2001)。
术语“磷酸氨基丁醇磷酸化酶”，也称为“邻磷酸氨基醇裂解酶”，是指具有催化邻磷酸-3-氨基-2-丁醇至2-丁酮的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。磷酸氨基丁醇磷酸裂解酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛。有对催化相似底物磷酸-1-氨基-2-丙醇的类似反应的酶的报道(Jones等人，Biochem.J.134：167-182，1973)。美国专利申请公布2007/0259410描述了来自生物胡萝卜软腐欧文氏菌(Erwinia carotovora)的磷酸氨基丁醇磷酸裂解酶。
术语“氨基丁醇激酶”指具有催化3-氨基2-丁醇转化成邻磷酸3-氨基-2-丁醇的酶活性的多肽(或多种多肽)。氨基丁醇激酶可利用ATP作为磷酸供体。虽然没有对3-氨基-2-丁醇催化这种反应的酶的报道，但是报道了催化对相似底物胆胺和1-氨基-2-丙醇的相似反应的酶(Jones等人，参见上文)。美国专利申请公布2009/0155870在实例14中描述了胡萝卜软腐欧文氏菌黑胫亚种(Erwinia carotovora subsp.Atroseptica)的氨基醇激酶。
术语“丁二醇脱氢酶”也称为“乙偶姻还原酶”，指具有催化乙偶姻至2，3-丁二醇的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。丁二醛脱氢酶是醇脱氢酶大家族中的一个子集。丁二醇脱氢酶对于在醇产物中的(R)-或(S)-立体化学构型的产生可具有特异性。(S)-特异性丁二醇脱氢酶已知为EC 1.1.1.76并且可来自，例如，肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)(GenBank No：BBA13085、D86412)。(R)-特异性丁二醇脱氢酶已知为EC 1.1.1.4并且可来自，例如，蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)(GenBank No：NP 830481、NC_004722；AAP07682、AE017000)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)(GenBank No：AAK04995、AE006323)。
术语“丁二醇脱水酶”，也称为“二醇脱水酶”或“丙二醇脱水酶”，是指具有催化2，3-丁二醇至2-丁酮的转化的酶活性的多肽(或多种多肽)。丁二醇脱水酶可利用辅因子腺苷钴胺素(也称为辅酶Bw或维生素B12；但是维生素B12也可指不是辅酶B12的、其它形式的钴胺素)。腺苷钴胺素-依赖型酶已知为EC 4.2.1.28并且可得自例如产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)(GenBank No：AA08099(α亚基)、D45071；BAA08100(β亚基)、D45071；和BBA08101(γ亚基)、D45071(注意：所有三个亚基都是活性所需的)和肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumonia)(GenBank No：AAC98384(α亚基)、AF102064；GenBankNo：AAC98385(β亚基)、AF102064；GenBank No：AAC98386(γ亚基)、AF102064)。其它合适的二醇脱水酶包括但不限于B12依赖型二醇脱水酶，其得自鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)(GenBank No：AAB84102(大亚基)、AF026270；GenBank No：AAB84103(中亚基)、AF026270；GenBank No：AAB84104(小亚基)、AF026270)；和丘状菌落乳杆菌(Lactobacillus collinoides)(GenBank No：CAC82541(大亚基)、AJ297723；GenBank No：CAC82542(中亚基)、AJ297723；GenBank No：CAD01091(小亚基)、AJ297723)；和来自短乳杆菌(Lactobacillus brevis)(尤其是菌株CNRZ 734和CNRZ 735，Speranza等人，J.Agric.Food Chem.45：3476-3480，1997)的酶，以及编码对应酶的核苷酸序列。二醇脱水酶基因分离方法是本领域为人们所熟知的(例如美国专利5,686,276)。
术语“丙酮酸脱羧酶”是指具有催化丙酮酸脱羧至乙醛和二氧化碳的酶活性的多肽(或多种多肽)。丙酮酸脱氢酶已知为EC编号4.1.1.1。这些酶存在于多种酵母中，包括酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(GenBank No：CAA97575(SEQ ID NO：107)、CAA97705(SEQ ID NO：109)、CAA97091(SEQ ID NO：111))。
应当理解，包含如本文所提供的异丁醇生物合成途径的微生物可还包含一个或多个另外的修饰。美国专利申请公布2009/0305363(以引用方式并入)公开了通过工程化酵母以表达定位于细胞溶胶的乙酰乳酸合酶和基本除去丙酮酸脱羧酶活性而提高丙酮酸至乙酰乳酸的转化。在一些实施例中，微生物可包含如美国专利申请公布2009/0305363(以引用的方式并入本文)所述的修饰以降低3-磷酸甘油脱氢酶活性和/或破坏至少一个编码具有丙酮酸脱羧酶活性的多肽的基因或破坏至少一个编码控制丙酮酸脱羧酶基因表达的调控元件的基因，和/或如美国专利申请公布2010/0120105(以引用的方式并入本文)所述提供通过恩特纳-道德洛夫途径(Entner-Doudoroff Pathway)的提高碳通量或降低的等效平衡的修饰。其它修饰包括编码催化利用丙酮酸的生物合成途径中的步骤的多肽的至少一种多核苷酸的整合。其它修饰包括编码具有乙酰乳酸还原酶活性的多肽的内源多核苷酸中的至少一个缺失、突变和/或替换。在一些实施例中，所述具有乙酰乳酸还原酶活性的多肽是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisae)的YMR226c(SEQ ID NO：127、128)或其同源物。另外的修饰包括编码具有醛脱氢酶和/或醛氧化酶活性的多肽的内源多核苷酸中的缺失、突变和/或替换。在一些实施例中，具有醛脱氢酶活性的多肽是来自酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)的ALD6或其同源物。其中酵母生产宿主细胞是pdc-的、具有降低葡萄糖阻遏效应的基因修饰在美国专利申请公布2011/0124060中有所描述，该文献以引用的方式并入本文。在一些实施例中，缺失或减量调节的丙酮酸脱羧酶选自：PDC1、PDC5、PDC6、以及它们的组合。在一些实施例中，丙酮酸脱羧酶选自表1中的那些酶。在一些实施例中，微生物可含有编码催化3-磷酸甘油醛至1，3-二磷酸甘油酸的转化的多肽的多核苷酸的缺失或下调。在一些实施例中，催化这种反应的酶是3-磷酸甘油醛脱氢酶。
表1.PDC靶基因编码区和蛋白质的序列号
在一些实施例中，任一个特定核酸分子或多肽可至少80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％与本文所述的核苷酸序列或多肽序列相同。如本领域所已知的，术语“百分比同一性”是两条或更多条多肽序列之间或两条或更多条多核苷酸序列之间的关系，该关系通过对序列进行比较而确定。本领域中“同一性”也指多肽或多核苷酸序列之间的序列关联度，视情况而定，如由此类序列字符串的匹配来测定。同一性和相似性可容易地通过已知方法计算出来，所述的方法包括但不限于下列文献中所公开的那些：Computational Molecular Biology(Lesk，A.M.编辑)OxfordUniversity：NY(1988)；Biocomputing：Informatics and GenomeProjects(Smith，D.W.编辑)Academic：NY(1993)；ComputerAnalysis ofSequence Data，Part I(Griffin，A.M.和Griffin，H.G.编辑)Humania：NJ(1994)；Sequence Analysis in Molecular Biology(von Heinje，G.编辑)Academic(1987)；和Sequence Analysis Primer(Gribskov，M.和Devereux，J.编辑)Stockton：NY(1991)。
设定确定同一性的方法来用于给出待测试序列之间的最佳匹配。确定同一性和相似性的方法在可公开获得的计算机程序中被编成了代码。序列比对和百分比同一性计算可以用LASERGENE生物信息学计算软件包(LASERGENE bioinformatics computing suite(DNASTAR Inc.，Madison，WI))中的MegAlignTM程序进行。序列的多重比对可使用Clustal比对方法进行，该方法涵盖若干个不同的算法，包括对应于被称为Clustal V的比对方法的Clustal V比对方法(公开于Higgins和Sharp，CABIOS.5：151-153，1989；Higgins等人，Comput.Appl.Biosci.，8：189-191，1992)中，并且可以在LASERGENE生物信息学计算软件包(DNASTAR Inc.)中的MegAlignTM程序中找到。对于多重比对，默认值对应于GAP PENALTY＝10以及GAP LENGTH PENALTY＝10。用Clustal方法进行成对比对和蛋白质序列的百分比同一性计算的默认参数为KTUPLE＝1、GAP PENALTY＝3、WINDOW＝5以及DIAGONALS SAVED＝5。对于核酸，这些参数为KTUPLE＝2、GAP PENALTY＝5、WINDOW＝4以及DIAGONALSSAVED＝4。在用Clustal V程序进行序列比对后，有可能通过观察相同程序中的序列距离表来获得百分比同一性。此外，也可以使用Clustal W比对方法，该方法对应于称为Clustal W的比对方法(描述于Higgins和Sharp，CABIOS.5：151-153，1989；Higgins等人，Comput.Appl.Biosci.8：189-191，1992)中，并且可以在LASERGENE生物信息学计算软件包(DNASTAR Inc.)中的MegAlignTMv6.1程序中找到。用于多重比对的默认参数(GAP PENALTY＝10、GAP LENGTH PENALTY＝0.2、Delay DivergenSeqs(％)＝30、DNA Transition Weight＝0.5、Protein Weight Matrix＝Gonnet系列、DNA Weight Matrix＝IUB)。在使用Clustal W程序对序列进行比对之后，有可能通过查看同一程序中的序列距离表来获得百分比同一性。
标准重组DNA和分子克隆技术是本领域所熟知的并且在如下文献中有更全面的描述：Sambrook等人(Sambrook，J.，Fritsch，E.F.和Maniatis，T.(Molecular Cloning：A Laboratory Manual；Cold Spring Harbor LaboratoryPress，Cold Spring Harbor，1989)和Ausubel等人(Ausubel等人，CurrentProtocols in Molecular Biology，由Greene Publishing Assoc.and Wiley-Interscience出版，1987)进行了描述。包括丁醇生物合成途径的构造微生物的方法的例子公开于例如美国专利7,851,188和美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0155870；2009/0305363；和2009/0305370中，它们每个全文以引用方式并入本文。
此外，尽管本发明的多个实施例已如本文所述，但是应当理解它们仅仅以举例的方式存在，并且不受限制。对相关领域的技术人员将显而易见的是能够在不脱离本发明的实质和范围下能够对其进行形式和细节的多种变型。因此，本发明的广度和范围应不受任何上述示例性实施例的限制，但应仅仅根据以下权利要求及其等同物限定。
在本说明书中提及的所有公布、专利和专利申请均指示本发明所属领域的技术人员的技术水平，并且以引用方式并入本文至如同每个单独的公布、专利或专利申请被具体且单独地指明为以引用方式并入的相同程度。
实例
以下非限制性实例将进一步示出本发明。应当理解，虽然以下实例涉及用玉米作为原料，但是其它生物质源可用作原料而不脱离本发明。
如本文所用，使用的缩写含义如下：“g”指克，“kg”指千克，“lbm”指磅质量，“gpm”指加仑每分钟，“gal”指加仑，“MMGPY”指百万加仑每年，“L”指升，“mL”指毫升，“μL”指微升，“mL/L”指毫升每升，“mL/min”指毫升每分钟，“min”指分钟，“hr”指小时，“DI”指去离子，“uM”指微米，“nm”指纳米，“w/v”指重量/体积，“wt％”指重量百分比，“OD”指光密度，“OD600”指在波长600nM处的光密度，“dcw”指干细胞重量，“rpm”指每分钟转数，“℃”指摄氏度，“℃/min”指摄氏度每分钟，“slpm”指标准升每分钟，“ppm”指每百万份数，“cP”指厘泊，“ID”指内径，并且“GC”指气相色谱。
实例1
不溶解的固体对传质速率的效应
进行以下实验以测量不溶解的固体对来自含水相的i-BuOH的传质速率效应，该含水相模拟来源于玉米醪的发酵液的组成，其大约一半通过同步糖化和发酵(SSF)发酵(即，约50％转化成寡糖)以模拟SSF分批发酵的液相的平均组成。
使用30L玻璃带夹套树脂釜分三等批制备约100kg液化玉米醪。该釜装配有机械搅拌、温度控制和pH控制。所有三批使用的规程如下：(a)混合玉米粉与自来水(以干基计30重量％的玉米)，(b)将浆液加热至55℃，同时搅拌，(c)用NaOH或H2SO4将浆液pH调节至5.8，(d)添加α-淀粉酶(以干玉米基计0.02重量％)，(e)加热浆液至85℃，(f)调节pH至5.8，(g)将浆液保持在85℃2小时，同时保持pH在5.8，并且(h)冷却浆液至25℃。
使用Pioneer 3335杂交玉米的完整黄玉米粒(Pioneer Hi-BredInternational，Johnston，IA)，并且它在锤磨机中使用1mm的筛网碾碎。玉米粉的水分含量为12重量％，并且玉米粉的淀粉含量以干玉米基计为71.4重量％。α-淀粉酶为SC DS(Novozymes，Franklinton，NC)。所有三批一起使用的成分总量为：33.9kg的玉米粉(12％的水分)，65.4kg的自来水，和0.006kg的SC DS。添加总计0.297kg的NaOH(17重量％)以控制pH。不需要H2SO4。从三个30L的批中回收的液化玉米醪的总量为99.4kg。
通过在大型落地式离心机中离心来从醪中移除固体，该离心机包含六个1L的瓶子。醪(73.4kg)在25℃以8000rpm离心20分钟，从而产生44.4kg的浓缩物和26.9kg湿饼。测得浓缩物包含＜1重量％的悬浮固体，并且湿饼包含约18重量％的悬浮固体。这暗示初始的液化醪包含约7重量％的悬浮固体。这与玉米载量和使用的玉米的淀粉含量一致，假定大多数淀粉液化。如果所有淀粉均液化，直接从离心机中回收的44.4kg浓缩物将已经包含约23重量％的溶解的寡糖(液化的淀粉)。将约0.6kg的i-BuOH添加至35.4kg的浓缩物中以保存它。所得36.0kg的浓缩物包含1.6重量％的i-BuOH，将其用作原液溶液。浓缩物模拟SSF开始时的液相组成。因此，它的一部分用等量的H2O基于质量稀释以产生模拟约50％转化率的SSF的浓缩物。添加更多的i-BuOH以使在稀释的浓缩物中的i-BuOH的最终浓度为3.0重量％(约30g/L)。
如下制备稀释的浓缩物：包含1.6重量％的i-BuOH的18kg浓缩物原液与18kg自来水混合，并添加0.82kg i-BuOH。所得的36.8kg稀释的浓缩物的溶液由约11重量％的寡糖和约30g/L的i-BuOH组成。这种溶液模拟在约50％的寡糖转化率和30g/L i-BuOH的含水滴度的玉米醪发酵(SSF)的液相。
使用这种溶液进行传质测试，将该溶液作为含水相以模拟发酵液的传质性能，该发酵液来源于移除大部分不溶解的固体后的液化玉米醪。传质测试的目的在于测量不溶解的固体对将来自模拟发酵液的i-BuOH传递到通过模拟发酵液增大的溶剂(提取剂)液滴的分散体中的总体积传质系数(kLa)的效应，该发酵液来源于液化玉米醪。kLa与运作参数的关键设计的关联可用于相应提高传质运作。应尽可能保持恒定以产生kLa与较小级别数据(所述数据用于级联放大)关联的参数的实例是相的物理特性和决定液滴尺寸的设计参数(例如喷嘴直径、通过喷嘴分散相的速度)。
使用一个6英寸直径、7英尺高度的带夹套的玻璃塔来测量将i-BuOH从寡糖(来源于液化玉米醪)的含水溶液(具有或不具有悬浮醪固体)转移到通过模拟发酵液增大的油醇(OA)液滴分散体的kLa。将i-BuOH加到含水相中以提供初始浓度为大约30g/L的i-BuOH。使包含大约11重量％的寡糖和大约30g/L的i-BuOH的一定量的含水相(通常约35kg)进入塔，用流过夹套的热H2O来将塔加热到30℃。在测试期间无含水相流入或流出塔。
通过单个喷嘴将新的油醇(80/85％等级，Cognis Corporation，Cincinnati，OH)喷洒到塔底部以产生提取剂液滴的分散体，所述液滴流经含水相。在到达含水相顶部时，形成分离有机相的提取剂液滴，有机相然后从塔顶部溢出并汇集在接收器中。通常在单次测试中3至5加仑的油醇流经塔。
在整个测试过程中分多次将含水相样品从塔中收集，并且在测试末期收集从溢流中收集的总“富含”油醇的复合样品。使用HP-6890GC(Agilent Technologies，Inc.，Santa Clara，CA)分析所有样品的i-BuOH。使用含水相中的i-BuOH浓度分布(即，i-BuOH浓度对时间)来计算在给定运作条件下的kLa。在测试期间收集的总“富含”油醇的最终复合样品用于检查i-BuOH的质量余量。
改变喷嘴尺寸和喷嘴速度(油醇通过进料喷嘴的平均速度)来观察对kLa的效应。使用移除醪固体的寡糖的含水溶液(从液化玉米醪中获得的稀释的浓缩物)进行一系列测试。在重新添加醪固体以模拟在SSF中央的液化玉米醪(包括不溶解的固体)后，使用相同的寡糖的含水溶液进行一系列类似的测试。注意到在一些操作条件下(例如较高的油醇流速)，在塔顶部的相分离不佳，这使得难以获得在测试期间收集的总“富含”油醇的代表性复合样品。也注意到在一些操作条件下，含水相样品包含显著量的有机相。使用特殊的样品处理和制备技术以获取含水相样品，该样品在被收集时是塔中尽可能有代表性的含水相样品。
测定出塔中的含水相实际上被“充分混合”，因为i-BuOH的浓度在给定时间点上在沿塔的长度上变化不大。假定溶剂液滴相也被充分混合，塔中从含水相到溶剂相的i-BuOH的总体传质可近似于下式：
其中，
rB＝每单位时间每单位体积含水相的从含水相转移到溶剂相的i-BuOH总质量，克i-BuOH/升含水相/小时或g/L/hr。
kLa＝总体积传质系数，描述从含水相到溶剂相的i-BuOH传质，hr-1。
CB，发酵液＝整个测试模拟发酵液(水)相中的i-BuOH平均浓度，克i-BuOH/升含水相或g/L。
CB，溶剂＝整个测试溶剂相中的i-BuOH平均浓度，克i-BuOH/升溶剂相或g/L。
KB＝在溶剂和含水相之间的i-BuOH的平均平衡分配系数，(克i-BuOH/升溶剂相)/(克i-BuOH/升含水相)。
从获取自含水相和溶剂相样品的浓度数据来计算每次测试的参数rB、CB，发酵液和CB，溶剂。通过混合来自液化玉米醪、油醇和i-BuOH的含水浓缩物并剧烈混合体系直至两个液相平衡来独立地测量参数KB。测量两相中的i-BuOH浓度以测定KB。在测定给定测试的rB、CB，发酵液、CB，溶剂和KB后，可通过重新整理的公式(1)来计算kLa：
用两个不同尺寸的喷嘴进行传质测试，喷嘴速度处于5ft/s至21ft/s的范围内，使用稀释的浓缩物(已移除固体)作为含水相。使用ID为0.76mm的喷嘴完成三次测试，并且使用ID为2.03mm的喷嘴完成三次测试。所有测试在30℃下，在上述6英寸直径的塔中进行，使用油醇作为溶剂。油醇和稀释的浓缩物之间的i-BuOH平衡分配系数经测量为约5，稀释的浓缩物通过移除固体从液化玉米醪中获得。使用稀释的浓缩物(已移除固体)的传质测试的结果在表2中示出
表2
通过添加一些湿饼(其最初通过从液化玉米醪中移除固体来获取)以稀释浓缩物来合成模拟来自一半通过SSF的液化玉米醪(包含不溶解的固体)的发酵液的含水相。也添加一些水以稀释湿饼中保持的液相，因为这种液体具有与浓缩物相同的组成。将稀释的上清液(17.8kg)、13.0kg湿饼(包含～18重量％的不溶解醪固体)、5.0kg H2O和0.83kg i-BuOH混合到一起，从而产生36.6kg的浆液，其包含约6.3重量％的不溶解的固体和液相，液相由约13重量％的液化淀粉和约2.4重量％的i-BuOH(余量为H2O)组成。这种浆液模拟发酵液的组成，所述发酵液一半通过玉米至i-BuOH的SSF，玉米载量为约30％，因为这些类型的发酵液中存在的不溶解的固体和寡糖的含量分别为约6-8重量％和10-12重量％。
用两个不同尺寸的喷嘴进行传质测试，喷嘴速度处于5ft/s至22ft/s的范围内，使用稀释的浓缩物和不溶解的醪固体的浆液作为含水相。使用ID为0.76mm的喷嘴完成三次测试，并且使用ID为2.03mm的喷嘴完成三次测试。所有测试在30℃下，在上述6英寸直径的塔中进行，使用油醇作为溶剂。使用稀释的浓缩物和不溶解的醪固体的浆液的传质测试的结果在表3中示出。
表3
图12示出不溶解玉米醪固体的存在对总体积传质系数的效应，传质系数为将i-BuOH从液化玉米淀粉(即，寡糖)的含水溶液中传递到流经鼓泡塔反应器的油醇液滴分散体中的传质系数。通过2.03mm ID的喷嘴将油醇进料到塔中。发现其中已经移除了固体的体系的kLa与其中尚未移除固体的体系的kLa的比率为2至5，这取决于2.03mm喷嘴的喷嘴速度。
图13示出不溶解玉米醪固体的存在对总体积传质系数kLa的效应，传质系数为将i-BuOH从液化玉米淀粉(即，寡糖)的含水溶液中传递到流经鼓泡塔反应器的油醇液滴分散体中的传质系数。通过0.76mm ID的喷嘴将油醇进料到塔中。发现其中已经移除了固体的体系的kLa与其中尚未移除固体的体系的kLa的比率为2至4，这取决于0.76mm喷嘴的喷嘴速度。
实例2
移除不溶解的固体对含水相和溶剂相之间的相分离的效应
这个实例示出了与来源于液化玉米醪(其中尚未移除不溶解的固体)的寡糖的含水溶液和溶剂相之间的相分离相比，来源于液化玉米醪(其中已经移除了不溶解的固体)的寡糖的含水溶液和相同溶剂相之间改善的相分离。两个体系均包含i-BuOH。溶剂相从含水相之间的充分分离对于液-液提取成为一种适用的分离方法以实施ISPR来说是重要的。
在1LL玻璃带夹套树脂釜中制备约900g液化玉米醪。该釜装配有机械搅拌、温度控制和pH控制。使用以下规程：混合玉米粉与自来水(以干基计26重量％的玉米)，将浆液加热至55℃，同时搅拌，用NaOH或H2SO4将pH调节至5.8，添加α-淀粉酶(以干玉米基计0.02重量％)，继续加热至85℃，调节pH至5.8，保持85℃2小时，同时保持pH在5.8，冷却至25℃。
使用Pioneer 3335杂交玉米的完整黄玉米粒(Pioneer Hi-BredInternational，Johnston，IA)，并且它在锤磨机中使用1mm的筛网碾碎。玉米粉的水分含量为12重量％，并且玉米粉的淀粉含量以干玉米基计为71.4重量％。α-淀粉酶为SC DS，购自Novozymes(Franklinton，NC)。使用的成分的总量为：265.9g的玉米粉(12％的水分)，634.3g的自来水，和0.056g的SC DS。回收的液化玉米醪的总量为883.5g。
直接使用部分液化玉米醪(不移除不溶解的固体)以制备含水相用于涉及固体的相分离测试。离心部分液化玉米醪以移除大部分不溶解的固体并用于制备含水相用于涉及无固体的相分离测试。
通过在大型落地式离心机中离心来从醪中移除固体。醪(583.5g)在35℃以5000rpm离心20分钟，从而产生394.4g浓缩物和189.0g湿饼。测得浓缩物包含约0.5重量％的悬浮固体，并且湿饼包含约20重量％的悬浮固体。这暗示初始的液化醪包含约7重量％的悬浮固体。这与玉米载量和使用的玉米的淀粉含量一致，假定大多数淀粉液化。如果所有淀粉均溶解，直接从离心机中回收的浓缩物将已经包含按不含固体基计约20重量％的溶解的寡糖(液化的淀粉)。
相分离测试的目的是为了测量不溶解的固体对溶剂相和含水相之间的相分离程度的效应，含水相模拟来源于液化玉米醪的发酵液。在所有测试中含水液相包含约20重量％的寡糖，并且有机相包含油醇(OA)。此外，将i-BuOH添加至所有测试中以提供当相平衡时在含水相中约25g/L的浓度。进行两次振荡测试。通过混合60.Og液化玉米醪与3.5g i-BuOH来制备第一次测试的含水相(含有固体)。通过混合由移除固体获取自液化玉米醪的60.Og浓缩物与3.5g i-BuOH来制备第二次测试的含水相(已移除固体)。将油醇(15.Og，80/85％等级，Cognis Corporation，Cincinnati，OH)添加至各个振荡测试瓶中。油醇在两个瓶中均形成在含水相顶部的分离液相，从而导致相的质量比：含水相/溶剂相为约1/4。剧烈振荡两个瓶2分钟以紧密接触含水相和有机相并使i-BuOH能够在两相之间达到平衡。瓶静置1小时。在不同时间(0、15、30和60分钟)拍照以观察不溶解的固体对体系中相分离的效应，该体系包含来源于液化玉米醪的含水相、包含油醇的溶剂相和i-BuOH。零(0)时对应于紧接着两分钟振荡期完成后的时间。
对于包含固体的体系(来自液化玉米醪)和其中移除了固体的体系(来自液化玉米醪的液体浓缩物)，作为时间的函数的有机(溶剂)相和含水相之间的分离程度在任何时间点上似乎是大致相同的。针对包含固体的情况，有机相轻微地较暗并较浑浊，并且两相界面处轻微地不太明显(较厚的“混杂”层围绕着界面)。然而，对于其中溶剂持续作用的提取发酵，有机相顶部的组成是提取发酵下游工艺所关注的，其中下一步骤是蒸馏。
最小化有机相顶部中的微生物量可为有利的，因为微生物将在蒸馏塔中被热灭活。最小化有机相顶部中的不溶性溶剂的量可为有利的，因为它们可能堵塞蒸馏塔、污染再沸器、引起位于塔底部的溶剂/水滗析器中的不良相分离、或者先前提到的问题的任何组合。最小化有机相顶部中的水相的量可为有利的。水相是以单独含水相形式存在的水。附加量的含水相将增加蒸馏塔中的载量和能量需求。从来自“含有固体”和“已移除固体”瓶中的有机层顶部移除十毫升(10mL)样品，并且离心两种样品以显示并比较在60分钟的沉降时间后在“含有固体”和“已移除固体”瓶中的有机相组成。结果示出在两个振荡测试末期的“有机相”包含一些非期望的相(有机相均为浑浊的)。然而，结果也示出来自涉及浓缩物(其中移除了固体)的相分离测试的顶层基本上不含不溶解的固体。另一方面，在10mL样品的底部清楚地看到不溶解的固体，所述样品取样自涉及醪的测试的有机相顶部。预测3％的从有机层顶部收集的样品洗涤醪固体。如果富含溶剂的相排出包含3％不溶解的固体的提取发酵过程的发酵罐，可能发生一个或多个以下问题：显著量的微生物损失、溶剂塔再沸器的污染、溶剂塔的堵塞。结果也示出来自涉及浓缩物的相分离测试的顶层包含较少水相。表4示出对在60分钟沉降时间后两个振荡测试瓶中分散到上层“有机”层中的相的相对量的预测。
表4
在60分钟后来自振荡测试的有机(顶部)层的近似组成
这个实例示出从液化玉米醪中移除大部分不溶解的固体导致在液体(获取自醪的含水相)接触溶剂诸如油醇后改善的相分离。这个实例示出如果在醪的液体部分与有机溶剂接触之前首先移除固体，在相分离后获取的上层相将包含显著较少的不溶解的固体。这展示了最小化在提取发酵相分离的上(“有机”)层中的醪的不溶解的固体含量的优点。
也允许样品在完成样品制备后，在重复如该实例所述的相分离振荡测试之前静置若干天。包含固体的样品由液化玉米醪、i-BuOH和油醇组成，并且移除固体的样品由通过从液化玉米醪中移除大部分不溶解的固体制备的浓缩物、i-BuOH和油醇组成。液化醪包含约7重量％的悬浮固体，并且由醪产生的浓缩物包含约0.5重量％的悬浮固体。如果液化了玉米粉中所有淀粉，在液化醪和由醪制备的浓缩物中的液相将已经包含按不含固体基计约20重量％的溶解寡糖(液化淀粉)。两个样品包含的油醇量具有相的质量比：溶剂相/含水相为约1/4。此外，将i-BuOH加到所有测试中以提供当相平衡时在含水相中大约25g/L的浓度。
相分离测试的目的是为了测量在多相混合物在室温下静置若干天以模拟进行提取发酵的体系潜在的特性改变后，不溶解的固体对相分离程度的效应。进行两次振荡测试。剧烈振荡两个瓶2分钟以紧密接触含水相和有机相。瓶静置1小时，在不同时间(0、2、5、10、20和60分钟)拍照以观察不溶解的固体对这些体系中相分离的效应，所述体系已经老化了若干天。零(0)时对应于紧接着将瓶置于工作台上之后的时间。
2分钟后相分离开始在其中移除了固体的样品中发生。仅在5-10分钟后，似乎在其中已经移除了固体的样品中已经发生了几乎完全的相分离，这基于如下事实：有机相占据了约25％的两相混合物总体积。将期望如果有机相占据约20％的总体积，则将指示完全分离，因为这对应于相的初始比率。甚至在1小时后在其中未移除固体的样品中不发生明显的相分离。
也比较两个样品中上层相的组成。上层相的组成指示提取发酵的下游工艺，其中下一步骤是蒸馏。最小化有机相顶部中的微生物量是有利的，因为微生物将在蒸馏塔中被热灭活。最小化的有机相顶部中的另一种组分是不溶解的固体的量，因为固体可能堵塞蒸馏塔、污染再沸器、引起位于塔底部的溶剂/水滗析器中的不良相分离、或者先前提到的问题的任何组合。此外，最小化的有机相顶部中的另一种组分是水相的量，所述水相是以单独含水相形式存在的水，因为这种附加量的含水相将增加后续的蒸馏塔中的载量和能量需求。
从来自“含有固体”和“已移除固体”瓶中的有机层顶部移除十毫升(10mL)样品，并且离心两种样品以显示并比较在60分钟的沉降时间后在“含有固体”和“已移除固体”瓶中的有机相组成。从“含有固体”样品顶部收集的样品的组成证实基本上在60分钟内在该样品中不发生相分离。具体地讲，在从“含有固体”振荡测试瓶顶部收集的样品中溶剂相与总含水相(含水液体+悬浮固体)的比率为约1/4重量/重量，这是与用于在测试前制备样品相同的比率。在从“含有固体”振荡测试瓶顶部收集的样品中的不溶解的固体量也与存在于液化玉米醪中的不溶解的固体量大致相同，其显示在60分钟内基本上无固体沉降在这个振荡测试瓶中。另一方面，来自涉及其中移除了固体的浓缩物(“已移除固体”)的相分离测试的顶层基本上不含不溶解的固体。结果也示出来自涉及浓缩物的相分离测试的顶层包含较少水相。以下事实指示了这一点：在该样品瓶中溶剂相与含水相的比率为约1/1重量/重量，这显示在其中移除了固体的测试中的有机相富含溶剂(油醇)。表5示出对在60分钟沉降时间后两个振荡测试瓶中分散到上层“有机”层中的相的相对量的预测。
表5：
在60分钟后来自振荡测试的有机(顶部)层的近似组成
这个实例示出在与其中不从液化醪中移除不溶解的固体的样品进行比较时，从包含i-BuOH的液化玉米醪中移除不溶解的固体、使它接触溶剂相、使它沉降若干天、并再次混合相导致改善的相分离。实际上，这个实例示出甚至在60分钟后，在其中未移除不溶解的固体的样品中基本上不发生相分离。这个实例示出如果在醪的液体部分与有机溶剂接触之前首先移除固体，在相分离后获得的上层相包含显著较少的不溶解的固体。这是重要的，因为应在提取发酵的相分离的上(“有机”)层中最小化的两种最重要的物质是微生物含量和来自醪的不溶解的固体的含量。先前的实例示出紧接着含水相与溶剂相接触之后，从液化玉米醪中移除固体导致改善的相分离。这将使在发酵中在较早的时间进行提取发酵变得可行。这个实例也示出从液化玉米醪中移除固体导致在老化样品中改善的相分离，所述样品包含已经与溶剂相接触的含水相(已移除固体的寡糖溶液)。这也将使在发酵中在较晚的时间进行提取发酵变得可行。
实例3
移除不溶解的固体对ISPR提取溶剂损失的效应-盘叠式离心机
这个实例展示了经由提取发酵方法产生的DDGS减少溶剂损失的潜力，所述提取发酵通过在发酵前使用半连续盘叠式离心从玉米醪中移除不溶解的固体。
在带夹套不锈钢反应器中制备约216kg液化玉米醪。反应器装配有机械搅拌、温度控制和pH控制。使用的规程如下：混合玉米粉与自来水(以干基计25重量％的玉米)，将浆液加热至55℃，同时以400rpm搅拌，用NaOH或H2SO4将pH调节至5.8，添加α-淀粉酶(以干玉米基计0.02重量％)，继续加热至85℃，调节pH至5.8，保持85℃30分钟，同时保持pH在5.8，使用现场注汽加热至121℃，保持在121℃30分钟以模拟蒸汽加压锅，冷却至85℃，调节pH至5.8，第二次添加α-淀粉酶(以干玉米基计0.02重量％)，保持在85℃60分钟，同时保持pH在5.8以完全液化。然后将醪冷却至60℃并转移到离心机进料罐中。
使用Pioneer 3335杂交玉米的完整黄玉米粒(Pioneer Hi-BredInternational，Johnston，IA)，并且它在锤磨机中使用1mm的筛网碾碎。玉米粉的水分含量为12重量％，并且玉米粉的淀粉含量以干玉米基计为71.4重量％。α-淀粉酶为SC DS，购自Novozymes(Franklinton，NC)。使用的成分的量为：61.8kg的玉米粉(12％水分)，147.3kg的自来水，0.0109kgSC DS在1kg水中的溶液(用于第一次加入α-淀粉酶)，0.0109kgSC DS在1kg水中的另一种溶液(用于第二次加入α-淀粉酶)(在烹煮阶段后)。在烹煮阶段期间经由蒸汽缩合物将约5kg的H2O添加至批中。在运行期间添加总计0.25kg的NaOH(12.5重量％)和0.12kg的H2SO4(12.5重量％)以控制pH。回收的液化玉米醪的总量为216kg。
预测最终的液化玉米醪浆液的组成为约7重量％的不溶解的固体和93重量％的液体。液相包含约19重量％(190g/L)的液化淀粉(可溶性寡糖)。醪的流变学对于将浆液分成其组分的能力来说是重要的。醪中的液相经测定为牛顿流体，在30℃下具有约5.5cP的粘度。醪的浆液经测定为剪切致稀流体，取决于剪切速率，在85℃具有的体积粘度为约10至70cP。
使用盘叠式分流-碗离心机(Alfa Laval Inc.，Richmond，VA)离心液化醪(209kg，190L)。以半成批模式运作的离心机具有连续进料、连续浓缩物出口和分批排放湿饼。以1L/分钟的速率连续进料液化玉米醪，连续移除澄清的浓缩物，并每隔4分钟定期排放湿饼。为了确定来自盘叠的固体的合适排放间隔，在高速实验室离心机中离心进料于盘叠的醪样品。醪(48.5g)在室温下以11,000rpm(约21,000g)旋转约10分钟。回收澄清的浓缩物(36.1g)和12.4g的粒料(湿饼)。确定了澄清的浓缩物包含约0.3重量％的不溶解的固体并且粒料(湿饼)包含约27重量％的不溶解的固体。基于这一数据，选择4分钟的排放间隔以操作盘叠式离心机。
盘叠式离心机以9000rpm(6100g)运作，液化玉米醪的进料速率为1L/分钟，温度为约60℃。醪(209kg)分离成155kg的澄清浓缩物和55kg的湿饼。分流定义为(浓缩物的量)/(醪进料的量)，它通过半连续盘叠式离心实现，类似于分批离心中实现的分流。以6100g、1L/分钟的进料速率和4分钟排放间隔操作的盘叠式半成批离心机的分流为(155kg/209kg)＝74％，并且以21,000g、10分钟操作的实验室成批离心机的分流为(36.1g/48.5g)＝74％。
从盘叠式离心机中回收的澄清浓缩物的45mL样品在实验室离心机中以21,000g旋转沉降10分钟以预测浓缩物中悬浮固体的含量。约0.15-0.3g不溶解的固体从45mL浓缩物中回收。这对应于在浓缩物中的0.3-0.7重量％的不溶解的固体，浓缩物中的不溶解的固体比进料于离心机的醪中的不溶解的固体减少了约十倍。以下假定是合理的：如果在发酵前使用一些固体/液体分离装置或装置的组合从玉米醪中移除悬浮固体，使得在提取发酵中存在的不溶解的固体的含量减少一个数量级，那么经由DDGS的ISPR提取溶剂损失可减少约一个数量级。经由DDGS最小化溶剂损失是提取发酵工艺的经济性和DDGS质量的一个重要因素。
实例4
移除不溶解的固体对ISPR提取溶剂损失的效应-瓶旋转测试
这个实例展示了经由提取发酵方法产生的DDGS减少溶剂损失的潜力，所述提取发酵通过在发酵前使用离心机从玉米醪中移除不溶解的固体。
使用液化玉米醪进行实验室规模的瓶旋转测试。该测试模拟典型的滗析器型离心机的操作条件，所述滗析器型离心机用于从商业乙醇工厂的全釜馏物中移除不溶解的固体。商业乙醇工厂中的滗析器型离心机通常在约3000g的相对离心力(RCF)和约30秒的全釜馏物停留时间下运作。这些离心机通常移除全釜馏物中约90％的悬浮固体，所述全釜馏物包含约5％至6％的悬浮固体(在醪塔后)，从而产生包含约0.5％悬浮固体的稀釜馏物。
根据如实例2所述的规程制备液化玉米醪。将约10mL醪置于离心管中。以约3000g(4400rpm的转子速度)的RCF离心样品总计1分钟。以3000g离心样品约30-40秒并以小于3000g的速度(由于离心机的加速和去加速)离心样品总计20-30秒。样品温度为约60℃。
将包含约7重量％悬浮固体的醪(10mL)分离成约6.25mL的澄清浓缩物和3.75mL的湿饼(在离心管底部的粒料)。分流定义为(浓缩物的量)/(初始加入的醪的量)，它通过瓶旋转测试实现，为约62％。测得澄清浓缩物包含约0.5重量％的悬浮固体，其悬浮固体含量与初始醪中的悬浮固体含量相比减少了超过十倍。也测得澄清的粒料包含约18重量％的悬浮固体。
表6汇总了瓶旋转测试的悬浮(不溶解的)固体质量余量，测试的条件是商业乙醇方法中将全釜馏物转化成稀釜馏物的代表性的滗析器型离心机操作条件。表6给出的所有值是近似值。
表6：
也测得浓缩物包含约190g/L的溶解寡糖(液化淀粉)。这与以下假定一致：玉米粉中的大部分淀粉在液化过程中液化(即，水解成可溶性寡糖)，液化过程基于使用的玉米载量(以干玉米基计约26重量％)和用于产生液化醪的玉米的淀粉含量(以干玉米基计约71.4重量％的淀粉)。水解26％干玉米载量的玉米粉中的大部分淀粉将产生在液化玉米醪中的约7重量％的悬浮(不溶解)固体，玉米醪被加到离心机中用于瓶旋转测试。
澄清浓缩物仅包含约0.5重量％的不溶解的固体，这一事实表明瓶旋转测试使用的条件导致来自添加的醪的不溶解的固体减少了超过十倍。如果在发酵前通过连续滗析器型离心机可实现这种相同的固体移除性能，以下假定是合理的：DDGS中的ISPR提取溶剂损失可减少约一个数量级。经由DDGS最小化溶剂损失是提取发酵工艺的经济性和DDGS质量的一个重要因素。
实例5
通过移除不溶解的固体移除玉米油
这个实例展示了通过在发酵前移除不溶解的固体以从玉米醪中移除并回收玉米油的潜力。如果经由移除不溶解的固体移除玉米油，可改善提取溶剂的效果。此外，经由移除不溶解的固体移除玉米油也可最小化溶剂分配系数的任何降低并潜在地导致改善的提取发酵工艺。
在1L玻璃带夹套树脂釜中制备约1000g液化玉米醪。该釜装配有机械搅拌、温度控制和pH控制。使用以下规程：混合玉米粉与自来水(以干基计26重量％的玉米)，将浆液加热至55℃，同时搅拌，用NaOH或H2SO4将pH调节至5.8，添加α-淀粉酶(以干玉米基计0.02重量％)，继续加热至85℃，调节pH至5.8，保持85℃2小时，同时保持pH在5.8，冷却至25℃。
使用Pioneer 3335杂交玉米的完整黄玉米粒(Pioneer Hi-BredInternational，Johnston，IA)，并且它在锤磨机中使用1mm的筛网碾碎。玉米粉的水分含量为约11.7重量％，并且玉米粉的淀粉含量以干玉米基计为约71.4重量％。α-淀粉酶为SC DS，购自Novozymes(Franklinton，NC)。使用的成分的总量为：294.5g的玉米粉(11.7％的水分)，705.5g的自来水，和0.059g的SC DS。添加水(4.3g)以稀释酶，并且添加总计2.3g的20％氢氧化钠溶液以控制pH。回收约952g的醪。
在40℃下以5000rpm(7260g)离心液化玉米醪30分钟以从寡糖的含水溶液中移除不溶解的固体。通过离心移除固体也导致移除了作为含水相顶部上单独的有机液体层的游离玉米油。从浮在含水相顶部的有机层中回收约1.5g玉米油。通过己烷提取测得用于产生液化醪的玉米粉包含以干玉米基计约3.5重量％的玉米油。这对应于与玉米粉一起进料于液化过程的约9g的玉米油。
在从液化醪中回收玉米油后，将寡糖的含水溶液从湿饼中滗析出来。回收约617g液化淀粉溶液，留下约334g湿饼。湿饼包含大部分不溶解的固体，它们位于液化醪中。液化淀粉溶液包含约0.2重量％的不溶解的固体。湿饼包含约21重量％的不溶解的固体。用1000g自来水洗涤湿饼以移除仍在饼中的寡糖。这通过混合饼与水以形成浆液来完成。然后在与用于离心初始醪的条件相同的条件下离心浆液以回收经洗涤的固体。通过离心洗涤浆液来移除经洗涤的固体也导致移除一些另外的游离玉米油，它们必定已经与从液化醪中产生的初始湿饼一起保留下来。观察到这种另外的玉米油是在离心的洗涤混合物的含水相顶部的分离的薄有机液体层。从洗涤过程中回收约1g另外的玉米油。
使用1000g自来水将湿固体洗涤两次，每次基本上移除所有液化的淀粉。无可见的另外玉米油从第2次和第3次醪固体水洗中被移除。最终经洗涤的固体在80℃和约20英寸汞柱真空条件下在真空炉中干燥过夜。据推测仍以胚芽形式保留在干固体中的玉米油的量通过己烷提取进行测定。相对干燥的固体(3.60g，约2重量％水分)的样品包含0.22g玉米油。这一结果对应于0.0624g的玉米油/g干固体。这对经洗涤的固体而言意味着无残余的寡糖存在于湿固体中。在离心液化玉米醪以从湿饼中分离游离玉米油层和寡糖含水溶液层后，测得约334g的湿饼包含约21重量％的剩余的不溶解的固体。这对应于包含约70.1g不溶解的固体的湿饼。在0.0624g玉米油/g干固体下，湿饼中的固体将包含约4.4g玉米油。
概括地说，通过离心液化醪回收约1.5g游离玉米油。产生第一洗涤浆液以洗涤从醪中产生的初始湿饼，通过离心第一(水)洗涤浆液回收另外的1g游离玉米油。最后，测得经洗涤的固体仍包含约4.4g玉米油。也测得进行液化的玉米包含约9g玉米油。因此，从以下加工步骤中回收总计6.9g的玉米油：液化，从液化醪中移除固体，洗涤醪中的固体，并且最后洗涤固体。因此，进料以进行液化的玉米中约76％的总玉米油在本文所述的液化和固体移除过程期间被回收。
实例6
使用醪和浓缩物作为糖源的提取发酵
这个实例描述了使用玉米醪和玉米醪浓缩物作为糖原进行的提取发酵。玉米醪浓缩物通过在发酵之前从玉米醪中移除不溶解的固体进行制备。并列进行四次提取发酵，两次用液化玉米醪作为碳源(不移除固体)，两次用通过从液化玉米醪中移除大部分不溶解的固体获得的液化醪浓缩物(寡糖的含水溶液)。将油醇(OA)添加至两次发酵中，一次包含固体，一次移除固体，从而从发酵液中提取产物(i-BuOH)(当它形成时)。将玉米油脂肪酸(COFA)的混合物添加至其它两次发酵中，一次包含固体，一次移除固体，从而从发酵液中提取产物(当它形成时)。通过水解玉米油制备COFA。这些发酵的目的是为了测试移除固体对溶剂和发酵液之间的相分离的效应并测量在从发酵液(其中移除固体或不移除固体)中回收的不溶解的固体中捕集的残余溶剂量。
制备液化玉米醪
在30L玻璃带夹套树脂釜中制备约31kg液化玉米醪。反应器全配有机械搅拌、温度控制和pH控制。使用的规程如下：混合玉米粉与自来水(以干基计40重量％的玉米)，将浆液加热至55℃，同时以250rpm搅拌，用氢氧化钠或H2SO4将pH调节至5.8，添加α-淀粉酶的稀释水溶液(以干玉米基计0.16重量％)，保持在55℃60分钟，加热至95℃，调节pH至5.8，保持在95℃120分钟，同时保持pH在5.8以完全液化。将醪转移到无菌离心瓶中以防止污染。
使用玉米的完整黄玉米粒(Pioneer Hi-Bred International，Johnston，IA)，并且它在实验性规模的锤磨机中使用1mm的筛网碾碎。玉米粉的水分含量为约12重量％，并且玉米粉的淀粉含量以干玉米基计为约71.4重量％。使用的α-淀粉酶是Fred-L(Palo Alto，CA)。使用的成分的量为：14.1kg玉米粉(12％水分)，16.9kg自来水，α-淀粉酶溶液(其由19.5gFred-L在2.0kg水中形成)。α-淀粉酶进行无菌过滤。在整个运行期间添加总计0.21kg的氢氧化钠(17重量％)以控制pH。
预测液化玉米醪包含基于使用的玉米载量计约28重量％(约280g/L)的液化淀粉(玉米淀粉含量)，并且假定在溶解期间所有淀粉被水解。醪用比发酵中期望的寡糖浓度更高的寡糖浓度制备，从而允许当添加营养素、种菌、葡糖淀粉酶和碱到初始发酵液中时进行稀释。在添加营养素、种菌、葡糖淀粉酶和碱进行稀释后，期望的醪(不移除固体)中的总初始可溶性糖为约250g/L。
使用包含六个1L瓶的试管离心机离心约13.9kg液化醪。离心机在室温下以5000rpm(7260RCF)运作20分钟。将醪分离成约5.5kg的澄清浓缩物和约8.4kg的湿饼(在离心瓶底部的粒料)。分流定义为(浓缩物的量)/(进料醪的量)，为约(5.5kg/13.9kg)＝40％。
不从加入到如下所述的2010Y034和2010Y036发酵的醪中移除固体。加入到发酵2010Y033和2010Y035(也如下所述)中的浓缩物通过根据上述规程从醪中移除(通过离心)大部分悬浮固体产生。
用于发酵的一般方法
种子烧瓶生长
酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株(缺失了pdc1、pdc5、和pdc6)经工程化以从碳水化合物源中产生异丁醇，它在种子烧瓶中从冷冻培养物生长至0.55-1.1g/L干细胞重量(OD6001.3-2.6-Thermo HeliosαThermo Fisher Scientific Inc.，Waltham，Massachusetts)。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株描述于美国专利申请公布2012/0164302，其以引用的方式并入本文。培养物在以300rpm旋转的培养箱中在26℃下生长。冷冻培养物之前在-80℃贮存。第一种子烧瓶培养基的组成是：
3.0g/L右旋糖
3.0g/L无水乙醇
3.7g/L ForMediumTMSynthetic Complete Amino Acid(Kaiser)Drop-Out：无HIS，无URA(参考号DSCK162CK)
6.7g/L Difco Yeast Nitrogen Base，无氨基酸(No.291920)。
将来自第一种子烧瓶培养物的十二毫升(12mL)样品转移到2L烧瓶中并在30℃下以300rpm旋转的培养箱中生长。第二种子烧瓶具有220mL的以下培养基：
30.0g/L右旋糖
5.0g/L无水乙醇
3.7g/L ForMediumTMSynthetic Complete Amino Acid(Kaiser)Drop-Out：无HIS，无URA(参考号DSCK162CK)
6.7g/L Difco Yeast Nitrogen Base，无氨基酸(No.291920)
0.2M MES Buffer滴定至pH 5.5-6.0。
培养物生长至0.55-1.1g/L干细胞重量(OD6001.3-2.6)。在这一细胞浓度添加30mL包含200g/L蛋白胨和100g/L酵母提取物的溶液。然后添加300mL 0.2uM过滤除菌的90-95％油醇(Cognis Corporation，Cincinnati，OH)到烧瓶中。培养物在收获之前继续生长至＞4g/L干细胞重量(OD600＞10)并添加至发酵中。
发酵制备
初始发酵罐制备
向带玻璃夹套的2L发酵罐(Sartorius AG，Goettingen，Germany)装入包含固体或不包含固体的液化醪(浓缩物)。pH探头(HamiltonEasyferm Plus K8，部件号：238627，Hamilton Bonaduz AG，Bonaduz，Switzerland)通过Sartorius DCU-3Control Tower Calibration菜单进行校准。零在pH＝7时校准。跨度在pH＝4时校准。然后通过不锈钢顶板将探头置于发酵罐中。也将溶解氧探头(pO2探头)通过顶板置于发酵罐中。用于递送营养素、种子培养物、提取溶剂和碱的管与顶板相连并且末端被箔封。将整个发酵罐置于高压釜(Steris Corporation，Mentor，Ohio)中并在液体循环中灭菌30分钟。
从高压釜中移出发酵罐并置于负荷传感器上。将夹套供水和回流管线分别连接到壳水和清洁排水上。将冷凝器冷却水的进水管和排水管连接到7℃运行的6-L再循环温浴上。将从发酵罐中传输气体的排气管连接到传送管上，传送管与Thermo质谱仪(Prima dB，Thermo Fisher Scientific Inc.，Waltham，Massachusetts)相连。将喷洒管与供气管相连。将用于添加营养素、提取溶剂、种子培养物和碱的管向下通过泵或夹住闭合。高压消毒的材料、0.9％w/v的氯化钠在添加液化醪之前排放。
液化后的脂肪酶处理
在液化循环结束后将发酵罐温度设为55℃而不是30℃。通过在需要时成块添加酸或碱将pH人工控制在pH＝5.8。将脂肪酶原液添加至发酵罐中以使最终脂肪酶浓度为10ppm。将发酵罐保持在55℃，300rpm，并且用0.3slpm N2填充上部空间＞6小时。在完成脂肪酶处理后将发酵罐温度设为30℃。
接种前的营养物质添加
仅在接种之前添加7.0mL/L(接种后体积)乙醇(200proof，无水的)。仅在接种之前添加硫胺素，其最终浓度为20mg/L。仅在接种之前添加100mg/L烟酸。
发酵罐接种
当将N2添加至发酵罐时，将发酵罐pO2探头校准至零。用以300rpm喷射的无菌空气对发酵罐pO2探头的跨度进行校准。在第二种子烧瓶为＞4g/L干细胞重量。从培养箱/振荡器中移出摇瓶5分钟，以使油醇相和含水相发生相分离。将含水相(55mL)转移到无菌的接种瓶中。将种菌通过蠕动泵泵送到发酵罐中。
在接种后添加油醇或玉米油脂肪酸
在接种后立即添加1L/L(接种后体积)油醇或玉米油脂肪酸
发酵罐操作条件
在整个生长和生产阶段发酵罐在30℃下运作。在不添加任何酸的情况下允许pH从5.7-5.9下降至对照设置点5.2。用氢氧化铵控制pH用于在pH＝5.2时的残留物生长和生产阶段。通过喷射器将无菌空气以0.3slpm添加至发酵罐中以供残留物的生长和生产阶段。通过Sartorius DCU-3Control BoxPID控制回路，使用最低设置在300rpm和最高设置在2000rpm的搅拌器设置pO2以控制在3.0％。通过添加α-淀粉酶(葡糖淀粉酶)进行液化玉米醪的同步糖化和发酵来供应葡萄糖。一旦淀粉可用于糖化，葡萄糖保持过量(1-50g/L)状态。
样品A
实验标识符2010Y033包括：种子烧瓶生长方法、具有移除固体的玉米醪的初始发酵罐制备方法、液化后脂肪酶处理、接种前营养素添加方法、发酵罐接种方法、发酵罐运作条件方法和所有分析方法。在接种后0.1-1.0小时之间将玉米油脂肪酸添加至单批中。
样品B
实验标识符2010Y034包括：种子烧瓶生长方法、具有包括固体的玉米醪的初始发酵罐制备方法、液化后脂肪酶处理、接种前营养素添加方法、发酵罐接种方法、发酵罐运作条件方法和所有分析方法。在接种后0.1-1.0小时之间将玉米油脂肪酸添加至单批中。
样品C
实验标识符2010Y035包括：种子烧瓶生长方法、具有移除固体的玉米醪的初始发酵罐制备方法、接种前营养素添加方法、发酵罐接种方法、发酵罐运作条件方法和所有分析方法。在接种后0.1-1.0小时之间将油醇添加至单批中。
样品D
实验标识符2010Y036包括：种子烧瓶生长方法、具有包括固体的玉米醪的初始发酵罐制备方法、接种前营养素添加方法、发酵罐接种方法、发酵罐运作条件方法和所有分析方法。在接种后0.1-1.0小时之间将油醇添加至单批中。样品A-D的结果在表7中示出。
表7：样品A-D的发酵条件和结果
实例7
从发酵罐进料中移除不溶解的固体对发酵罐体积效率改善的效应
这个实例展示在发酵之前从醪中移除不溶解的固体对发酵罐体积效率的效应。取决于玉米载量和淀粉含量，玉米醪中的不溶解的固体占醪体积的至少5％。在发酵前移除固体使至少5％多的糖被加入发酵罐中，因此提高了批产量。
预测在实例5中产生的液化玉米醪包含约28重量％(280g/L)的液化淀粉，这基于使用的玉米载量(40％干玉米基)、玉米的淀粉含量(71.4％干玉米基)，并且假定在液化期间所有淀粉水解成可溶性寡糖。醪用比发酵中期望的寡糖浓度更高的寡糖浓度制备，从而允许当添加营养素、种菌、葡糖淀粉酶和碱到初始发酵液中时进行稀释。在添加这些成分后将醪稀释约10％。因此，在发酵2010Y034和2010Y036开始时醪(包括固体)中的液化淀粉的期望浓度为约250g/L。加到2010Y034和2010Y036发酵中的实际葡萄糖当量经测量分别为239g/kg和241g/kg。通过比较，加到2010Y033和2010Y035发酵中的葡萄糖当量经测量分别为257g/kg和263g/kg。需注意，这些发酵的进料为浓缩物(来自其中已经移除了大多数固体的醪)。将约1.2L糖源(醪或浓缩物)加到每个发酵中。因此，基于这一数据，将比醪(2010Y034和2010Y036)多约8.3％的糖加到发酵罐中，该发酵罐使用浓缩物(2010Y033和2010Y035)。这些结果展示在发酵前从玉米醪中移除不溶解的固体能够导致每单位体积添加的糖显著增加。这暗示当存在固体时，它们占据了宝贵的发酵罐体积。如果从进料中移除固体，由于缺少不溶解的固体，可将较多的糖添加至(“装入”)发酵罐中。这个实例展示发酵罐体积效率可通过在发酵前从玉米醪中移除不溶解的固体而得到显著改善。
实例8
移除不溶解的固体对提取溶剂和发酵液之间的相分离效应-提取发酵
这个实例展示了通过在发酵之前从玉米醪中移除不溶解的固体，在提取发酵过程期间和之后改善溶剂相和发酵液相之间的分离。并列进行两次提取发酵，一次用液化玉米醪作为碳源(不移除固体)，一次用通过从液化玉米醪中移除大部分不溶解的固体产生的浓缩物(寡糖的含水溶液)。将油醇(OA)添加至两次发酵中以从发酵液中提取产物(i-BuOH)(当它形成时)。在这个其中不从进料(使用的玉米醪)中移除固体的实例中提及的发酵液是如实例6所述的2010Y036。在这个其中从进料(使用的从玉米醪中产生的浓缩物)中移除固体的实例中提及的发酵液是如实例6所述的2010Y035。油醇是两次发酵中使用的提取溶剂。测量并比较整个发酵期间以及最终发酵液的相分离速率和程度。在提取发酵过程中充分的相分离可导致最小的微生物损失和最小的溶剂损失以及下游加工中较低的资金和运作成本。
发酵期间溶剂相和发酵液相之间的相分离
在5.3、29.3、53.3和70.3小时从每个发酵罐中取出约10mL样品，并且比较来自其中移除了固体(2010Y035)的发酵的样品和其中未移除固体的样品(2010Y036)的相分离。通过使样品静置约2小时并跟踪液-液界面的位置来观察并比较所有样品所有运行时间的相分离。基本上取自其中不移除固体的发酵的任何样品未观察到相分离。来自其中在发酵前从液化玉米醪中移除固体的发酵中的所有样品观察到相分离。在所有发酵时间从其中移除固体的运行中取出的样品在约10-15分钟内开始发生分离，并且在2小时的时间段持续改善。在约7分钟的沉降时间后在来自浓缩物发酵(已移除固体)的在5.3小时发酵运行时间取出的样品中开始发生相分离。在约17分钟的沉降时间后在来自浓缩物发酵(已移除固体)的在53.3小时取出的样品中开始发生相分离。
图13是发酵样品管中的液-液界面的位置作为(重力)沉降时间的函数的曲线图。数据是从其中进料浓缩物(从玉米醪中移除固体)作为糖源并且油醇作为ISPR提取溶剂的提取发酵中取出的样品的数据(在实例6中运行2010Y035)。在这个曲线图中的相分离数据为来自发酵2010Y035的在5.3、29.3、53.3和70.3小时运行时间取出的样品的数据。将界面位置报告为样品管中的总发酵液高度的百分比。例如，在从2010Y035发酵(浓缩物/油醇)的5.3小时运行时间取出的样品中的界面位置在120分钟的沉降时间后从样品管底部(无分离)升高到3.5mL。在该特定样品管中有约10mL总发酵液。因此，该样品的界面位置在图13中报告为35％。相似地，在2010Y035发酵(浓缩物/油醇)的53.3小时运行时间取样的样品中的界面位置在125分钟的沉降时间后从样品管底部(无分离)升高到约3.9mL。在该特定样品管中有约10mL总发酵液。因此，该样品的界面位置在图13中报告为39％。
在完成发酵后溶剂相和发酵液相之间的相分离
在70小时的运行时间后，停止发酵，将来自油醇提取发酵的两种发酵液转移到单独的2L带刻度的玻璃量筒中。观察并比较溶剂相和发酵液相的分离。在约3小时后其中在发酵(运行2010Y036)前不移除固体的发酵液几乎观察不到相分离。其中在发酵(运行2010Y035)前从液化玉米醪中移除固体的发酵液观察到相分离。分离在约15分钟的沉降时间后开始发生并且经3小时的时间段持续改善。在15分钟后，在约10％的两相混合物总高度的水平上形成液-液界面。这表明含水相首先从分散体中分流出来并开始积聚在混合物底部。随着时间推移，更多的含水相积聚在混合物底部，引起界面位置升高。在约3小时的沉降时间后，界面已经升高到约40％的两相混合物总高度的水平。这指示最终的两相发酵液(其中基于最初加到发酵的浓缩物和油醇的量移除了固体)在3小时的(重力)沉降时间后几乎已经发生了完全的相分离。将近似相等体积的初始浓缩物和溶剂加到两个发酵中。将约1.2L液化玉米醪和约1.1L油醇加到发酵2010Y036中。将从相同批醪中制备的约1.2L浓缩物和约1.1L油醇加到发酵2010Y035中。在考虑到含水相中约100g/kg的初始糖被消耗的事实和产生的约75％的i-BuOH位于溶剂相中的事实后，如果完全分离发生，将期望相对体积的最终含水相和有机相将为约1∶1。图14是作为(重力)沉降时间的函数的最终两相发酵液的液-液界面位置的曲线图，该发酵液来自其中移除了固体的提取发酵(2010Y035)。将界面位置报告为用于观察最终发酵液的相分离的2L带刻度的量筒中总发酵液高度的百分比。来自2010Y035发酵的最终发酵液的界面位置在175分钟的沉降时间后从带刻度的量筒的底部(无分离)升高到约40％的两相混合物总高度的水平。因此，在3小时的沉降时间后在最终发酵液中发生两相的几乎完全分离。约50％的界面位置将对应于完全分离。
10mL的样品取自最终发酵液(它已经沉降了约3小时)的有机相顶部，该发酵液来自其中已经移除了固体的发酵。样品在高速实验室离心机中旋转以确定在发酵液沉降3小时后有机相中存在的含水相的量。结果显示约90％的最终发酵液顶层是溶剂相。约10％的最终发酵液的顶层是含水相，包括相对小量的不溶解的固体。一些固体位于含水相底部(比含水相更粘稠)，并且小量固体也积聚在液-液界面上。
10mL的样品也取自最终发酵液(它已经沉降了约3小时)的底部相，该发酵液来自其中已经移除了固体的发酵。样品在高速实验室离心机中旋转以确定在发酵液沉降3小时后含水相中存在的有机相的量。确定了在发酵液已经沉降3小时后，基本上无有机相存在于来自其中已经移除了固体的发酵的最终发酵液的底部(水)相。这些结果证实来自其中已经移除了固体的发酵的最终发酵液已经发生了几乎完全的相分离。来自其中尚未移除固体的发酵的最终发酵液几乎无明显的相分离。这一数据暗示在提取发酵之前从液化玉米醪中移除固体可在发酵期间和之后产生显著改善的相分离，导致下游加工中较少的微生物、不溶解的固体和水损失。
在发酵液已经静置约3小时后从来自其中尚未移除固体的发酵的最终发酵液的顶部取出10mL样品。样品在高速实验室离心机中旋转以确定最终发酵液顶部的溶剂相和含水相的相对量。这种发酵液包含来自液化玉米醪固体的所有固体。约一半的样品是含水相，并且约一半的样品是有机相。与来自其中移除了固体的发酵液的顶层的样品相比，含水相包含显著更多的不溶解的固体(来自液化醪)。样品中的含水相和溶剂相的量是近似相同的，指示在其中未移除固体的最终发酵液中基本上不发生相分离(甚至在3小时的沉降时间后)。这一数据暗示如果不在提取发酵前从液化玉米醪中移除固体，在发酵期间和发酵后不太可能发生或不可能发生相分离。这可导致下游加工中显著的微生物、不溶解的固体和水的损失。
实例9
移除不溶解的固体对ISPR提取溶剂损失的效应-提取发酵
这个实例展示了用产自提取发酵方法工艺末端的DDGS减少溶剂损失的潜力，提取发酵在发酵前从玉米醪中移除不溶解的固体。实例6描述了并列进行的两次提取发酵，一次用液化玉米醪作为碳源(2010Y036-不移除固体)，一次用通过从液化玉米醪中移除大部分不溶解的固体获得的液化醪浓缩物(2010Y035-寡糖的含水溶液)。将油醇(OA)添加至两次发酵中以从发酵液中提取产物异丁醇(i-BuOH)(当它形成时)。测量并比较回收自最终发酵液的不溶解的固体中捕集的残余溶剂的量。
在完成如实例6所述的发酵2010Y035和2010Y036后，收获发酵液并用于进行相分离测试。然后从每种发酵液中回收不溶解的固体(来自在发酵之前不被移除的玉米醪的微粒)并分析总的分离出的油。分析从每批固体中回收的油的油醇和玉米油。两种发酵液遵循以下规程：
●离心发酵液以分离有机相、含水相和固体相。
●从固体中滗析出有机相和含水相，留下湿饼在离心瓶的底部。
●用水彻底洗涤湿饼以基本上移除保持在饼中的所有溶解的固体，诸如残余的寡糖、葡萄糖、盐、酶等。
●在真空炉中过夜(室-真空，温度80℃)干燥经洗涤的湿饼以移除基本上所有饼中的水。
●干燥固体的一部分在Soxhlet提取器中充分接触己烷以从固体中移除油。
●通过GC分析从固体中回收的油以测定从固体中回收的油中存在的油醇和玉米油的相对量。
●测量从两种发酵液中回收的固体的粒度分布(PSD)。
表8示出回收以及己烷提取的来自两种发酵液的不溶解的固体的数据。数据示出两种发酵中的固体(每单位质量固体)吸收近似相同量的油。
表8：
实例10
从湿饼中回收可溶性淀粉，湿饼通过用水洗涤湿饼从液化玉米醪中移 除固体产生-两阶段方法
这个实例展示通过用水洗涤饼两次从湿饼中回收可溶性淀粉，其中所述饼通过离心液化醪产生。将液化玉米醪进料到连续的滗析器型离心机以产生浓缩流(C-1)和湿饼(WC-1)。浓缩物是相对不含固体的可溶性淀粉的含水溶液，并且湿饼与进料醪相比浓缩了固体。湿饼的一部分与热水混合以形成浆液(S-1)。将浆液泵回通过滗析器型离心机以产生洗涤水浓缩物(C-2)和经洗涤的湿饼(WC-2)。C-2是相对不含固体的、可溶性淀粉的稀释含水溶液。C-2中的可溶性淀粉的浓度小于产自醪分离的浓缩物中的可溶性淀粉的浓度。保留在WC-2中的液相中的淀粉比产自醪分离的湿饼中的液体中的淀粉更稀。经洗涤的湿饼(WC-2)与热水混合以形成浆液(S-2)。添加的水量与添加的湿饼中的可溶性淀粉的量的比率在两个洗涤步骤中相同。将第二洗涤浆液泵回通过滗析器型离心机以产生第二洗涤水浓缩物(C-3)和已经被洗涤两次的湿饼(WC-3)。C-3是相对不含固体的、可溶性淀粉的稀释含水溶液。C-3中的可溶性淀粉的浓度小于在第一洗涤阶段(C-2)产生的浓缩物中的可溶性淀粉的浓度，并因此保留在WC-3(第二洗涤湿饼)中的液相的淀粉比WC-2(第一洗涤湿饼)中的淀粉更稀。在两种洗涤浓缩物(C-2和C-3)中的总可溶性淀粉是被回收并能再循环重新液化的淀粉。保留在最终经洗涤的湿饼中的液体中的可溶性淀粉比在初始醪分离中产生的湿饼中的可溶解淀粉少得多。
液化玉米醪的产生
约1000加仑液化玉米醪在连续的干磨液化系统中产生，该系统由锤磨机、浆液混合器、浆液罐和液化罐组成。连续进料玉米粉、水和α-淀粉酶。反应器外配有机械搅拌、温度控制和使用氨或硫酸的pH控制。反应条件如下：
●锤磨机筛网尺寸：7/64″
●浆液混合器的进料速率
-玉米粉：        560lbm/hr(14.1重量％的水分)
-工艺用水：      16.6lbm/min(200F)
-α-淀粉酶：     61g/hr(Genecor：ALPHA)
●浆液罐条件：
●液化罐条件：
液化玉米醪的产率为约3gpm。玉米粉的淀粉含量经测量以干玉米基计为约70重量％。液化醪的总固体(TS)为约31重量％，并且总悬浮固体(TSS)为约7重量％。液相包含约23-24重量％的液化淀粉，这通过HPLC测得(可溶性寡糖)。
液化醪在连续滗析器型离心机中以以下条件离心：
通过离心醪产生约850加仑浓缩物和约1400lbm湿饼。测得湿饼中的总固体按水分余量计为约46.3％(悬浮的+溶解的)。已知液相包含约23重量％的可溶性淀粉，预测湿饼中的总悬浮固体为约28重量％。预测湿饼包含约12％的可溶性淀粉，其在离心机运作之前存在于液化醪中。
通过用水洗涤固体从湿饼中回收可溶性淀粉-第1次洗涤
从液化醪的分离中回收的约707lbm湿饼与165加仑的热水(91℃)在300加仑不锈钢容器中混合。混合所得浆液约30分钟。将浆液连续进料到滗析器型离心机以从浆液中移除经洗涤的固体。用于分离洗涤浆液的离心机与从上述液化醪中移除固体所用的离心机相同，并且它在进料浆液之前用新水冲洗。离心机在以下条件下运作以从洗涤浆液中移除固体：
通过离心制备约600lbm的经洗涤的湿饼，但是由于材料损失，仅回收了400lbm。测得湿饼中的总固体按水分余量计为约36.7％(悬浮的+溶解的)。通过HPLC测得在浆液液相和洗涤水浓缩物(获取自浆液)中的总可溶性淀粉(葡萄糖、DP2、DP3和DP4+的总量)分别为约6.7重量％和6.9重量％。DP2指包含两个葡萄糖单位(葡萄糖二聚体)的右旋糖聚合物。DP3指包含三个葡萄糖单位(葡萄糖三聚体)的右旋糖聚合物。DP4+指包含四个或更多个葡萄糖单位(葡萄糖四聚体或多聚体)的右旋糖聚合物。这证实实现了充分混合的稀释洗涤阶段。因此，在经洗涤的湿饼中保留的液相中的可溶性淀粉浓度必定已经为这一稀释洗涤的约6.8重量％(按质量余量计)。基于总固体和溶解的寡糖数据，预测在经洗涤的湿饼中的总悬浮固体为约32重量％。如果所有通过离心产生的600lbm的饼可能已经被洗涤，预测经洗涤的湿饼包含约2.6％的可溶性淀粉，其存在于初始液化醪中。这代表与洗涤前的醪湿饼相比，在经洗涤的湿饼中的可溶性淀粉减少了约78％。如果不洗涤由液化醪分离产生的湿饼，在醪中约12％的总淀粉将以可溶性(液化的)淀粉形式损失。如果在这个实例展示的条件下用水洗涤由醪分离产生的湿饼，来自醪的2.6％的总淀粉将以可溶性(液化的)淀粉形式损失。
从液化醪湿饼的第一再浆液化洗涤中回收的约400lbm的经洗涤的湿饼与110加仑的热水(90℃)在300加仑不锈钢容器中混合。混合所得浆液约30分钟。将浆液连续进料到滗析器型离心机以从浆液中移除经洗涤的固体。用于分离第二洗涤浆液的离心机与上述第一洗涤中所用的离心机相同，并且它在进料第二洗涤浆液之前用新水冲洗。离心机在以下条件下运作以从洗涤浆液中移除固体：
通过离心产生大约322lbm经洗涤的湿饼。测得在来自第二洗涤的湿饼中的总固体按水分余量计为约37.4％(悬浮的+溶解的)。通过HPLC测得在浆液液相和洗涤水浓缩物(获取自浆液)中的总可溶性淀粉(葡萄糖、DP2、DP3和DP4+的总量)分别为约1.6重量％和1.6重量％。这证实在第二洗涤中实现了充分混合的稀释洗涤阶段。因此，在经洗涤的湿饼中保留的液相中的可溶性淀粉浓度必定已经为这一稀释洗涤的约1.6重量％(按质量余量计)。基于总固体和溶解的寡糖数据，预测在经洗涤的湿饼中的总悬浮固体为约36重量％。如果所有在第一洗涤阶段产生的600lbm的饼可能已经被洗涤，预测经洗涤的湿饼包含约0.5％的可溶性淀粉，其存在于初始液化醪中。这代表与洗涤前的醪湿饼相比，在二次洗涤的湿饼中的可溶性淀粉总体上减少了约96％。如果不洗涤由液化醪分离产生的湿饼，在醪中约12％的总淀粉将以可溶性(液化的)淀粉形式损失。如果在这个实例展示的条件下用水洗涤由醪分离产生的湿饼两次，来自醪的0.5％的总淀粉将以可溶性(液化的)淀粉形式损失。
实例11
在液化期间高温阶段对玉米固体中的淀粉转化成可溶性(液化的)淀 粉的效应
这个实例展示了在反应中期的某一时间用高温(或“烹煮”)阶段进行液化能够导致玉米固体中的淀粉更多的转化成可溶性(液化的)淀粉。在这一实例中展示的“烹煮”阶段涉及在液化开始后的一些时间点提高液化温度、保持在较高温度一段时间、然后降低温度至初始值以完全液化。
A.测量液化后保留在固体中的未水解的淀粉的方法
根据实例1中的规程在一次运行中制备液化玉米醪(无中间的高温阶段)。在与第一次运行相同的条件下在另一次运行中制备液化玉米醪，不同的是增加了中间的高温阶段。根据以下步骤处理来自两次运行的醪。将其离心以从不溶解的固体中分离出液化淀粉的含水溶液。滗析出液化淀粉的含水溶液以回收湿饼。该湿饼包含来自醪的大部分不溶解的固体，但是固体仍旧用液化淀粉溶液润湿。湿饼用水彻底洗涤，并且离心后续浆液以从不溶解的固体中分离出含水层。用足量的水洗涤饼总计五次以移除大约全部的保留在从液化中回收的初始湿饼中的可溶性淀粉。因此，保留在最终的经洗涤的湿饼中的液相由水组成，基本上不含可溶性淀粉。
最终的经洗涤的湿饼在水中进行再浆液化，添加大幅过量的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶。混合浆液至少24小时，同时控制温度和pH以使α-淀粉酶能够将基本上所有保留在不溶解的固体中的未水解淀粉转化成可溶性寡糖。由残余淀粉(其在受关注的条件下的液化期间不水解)产生的可溶性寡糖随后被存在的葡糖淀粉酶转化成葡萄糖。通过HPLC随时间监测葡萄糖浓度以确保所有由残余淀粉产生的寡糖转化成葡萄糖，并且葡萄糖浓度不再随时间提高。
B.液化玉米醪的制备
在85℃使用SC DS(α-淀粉酶，得自Novozymes，Franklinton，NC)制备两批液化玉米醪(每批约1L)。两批均在85℃运作略多于2小时。然而，在第二批(“批次2”)的中间阶段增加“烹煮”时期。批次2的温度特征为在85℃约30分钟，将温度从85℃升高到101℃，保持在101℃约30分钟，冷却至85℃，继续再液化120分钟。在两批中使用的玉米粉与实例1中使用的玉米粉相同。在两批中使用26重量％(干玉米基)的玉米载量。在两次运行中使用的总酶量对应于0.08重量％(干玉米基)。在两次液化运行期间控制pH为5.8。在玻璃带夹套树脂釜中进行液化。该釜装配有机械搅拌、温度控制和pH控制。
按照以下规程制备批次1的液化玉米醪：
●在自来水中稀释α-淀粉酶(在20.802g水中的0.418g酶)
●将704.5g自来水加到釜中
●开启搅拌器
●第一次加入玉米粉，198g
●搅拌加热至55℃
●用H2SO4或氢氧化钠调节pH至5.8
●第一次加入α-淀粉酶溶液，7.111g
●加热至85℃
●保持在85℃30分钟
●第二次加入α-淀粉酶溶液，3.501g
●第二次加入玉米粉，97.5g
●继续在85℃再运行100分钟
●完成液化后，冷却至60℃
●倾倒反应器并回收998.5g的液化醪。
按照以下规程制备批次2的液化玉米醪：
●在自来水中稀释α-淀粉酶(在16.642g水中的0.3366g酶)
●将562.6g自来水加到釜中
●开启搅拌器
●加入玉米粉，237.5g
●搅拌加热至55℃
●使用稀H2SO4或氢氧化钠调节pH至5.8
●第一次加入α-淀粉酶溶液，4.25g
●加热至85℃
●保持在85℃30分钟
●加热至101℃
●保持在101℃30分钟
●将醪的温度降至85℃
●使用稀H2SO4或氢氧化钠调节pH至5.8
●第二次加入α-淀粉酶溶液，4.2439g
●继续在85℃再运行120分钟
●完成液化后，冷却至60℃。
C.从液化醪中移除不溶解的固体并用水洗涤湿饼以移除可溶性淀粉
通过在大型落地式离心机中在室温下以5000rpm离心两批液化醪20分钟，从中移除大部分固体。离心来自批次1的500g醪，产生334.1g浓缩物和165.9g湿饼。离心来自批次2的872g醪，产生654.7g浓缩物和217g湿饼。从每批液化醪中回收的湿饼用自来水洗涤五次以基本上移除所有保留在饼中的可溶性淀粉。在用于离心初始醪的相同瓶中进行洗涤以避免容器间的饼传送。对于每个洗涤阶段，将饼与水混合，并在室温下离心(5000rpm，20分钟)所得洗涤浆液。所有五个对湿饼进行的洗涤阶段均完成这一步骤，所述湿饼回收自两批醪。在五次洗涤湿饼(来自批次1)中的每一次使用约165g水，导致用于洗涤来自批次1的湿饼的水总计为828.7g。在五次洗涤湿饼(来自批次2)中的每一次使用约500g水，导致用于洗涤来自批次2的湿饼的水总计为2500g。从所有五次水洗涤来自批次1的湿饼过程中回收的洗涤浓缩物总计893.1g。从所有五次水洗涤来自批次2的湿饼过程中回收的洗涤浓缩物总计2566.3g。从批次1回收的最终的经洗涤的湿饼为101.5g，并且从批次2回收的最终的经洗涤的湿饼为151.0g。从每批中获取的最终的经洗涤的湿饼基本上不含可溶性淀粉；因此，保留在各个饼中的液体主要是水。使用水分余量测量湿饼的总固体(TS)。来自批次1的湿饼总固体为21.63重量％，并且来自批次2的湿饼的TS为23.66重量％。
D.液化/糖化经洗涤的湿饼以测定液化后保留在不溶解的固体中的未水 解淀粉的含量
保留在两种经洗涤的湿饼中存在的固体中的未水解淀粉的含量通过在水中再浆液化饼并添加过量α-淀粉酶和过量葡糖淀粉酶进行测量。α-淀粉酶将固体中残余的未水解淀粉转化成可溶性寡糖，其溶解在浆液的含水相中。葡糖淀粉酶随后将通过α-淀粉酶产生的可溶性寡糖转化成葡萄糖。反应在55℃(推荐的葡糖淀粉酶最大温度)下进行至少24小时以确保固体中的所有残余淀粉转化成可溶性寡糖并且所有可溶性寡糖转化成葡萄糖。固体中的残余未水解淀粉是在液化期间不被水解的淀粉，它能够由通过这一方法产生的葡萄糖量计算出来。
在以下规程中使用的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶分别是SC DS和Fuel(Novozymes，Franklinton，NC)。用于处理经洗涤的湿饼的容器是250mL带夹套玻璃树脂釜，其配备有机械搅拌、温度控制和pH控制。使用的的量对应于以“干玉米基”计0.08重量％的酶载量。使用的的量对应于以“干玉米基”计0.2重量％的酶载量。将该基定义为假定所有淀粉被水解成可溶性寡糖，提供保留在经洗涤的饼中的不溶解的固体量所需的玉米粉的量。认为保留在经洗涤的湿饼中的不溶解的固体是玉米最大的无淀粉、不可发酵的部分。这些酶载量比完全液化和糖化26％的玉米载量所需的酶量高至少四倍。以大幅过量的方式使用酶用于确保固体中的残余淀粉完全水解并将寡糖完全转化成葡萄糖。
按照以下规程测定存在于来自批次1醪的经洗涤的湿饼中的固体中的未水解淀粉含量：
●在自来水中稀释α-淀粉酶(在10.3607g水中的0.1297g酶)
●在自来水中稀释葡糖淀粉酶(在15.6054g水中的0.3212g酶)
●将132g自来水加到釜中
●开启搅拌器
●加入68g的经洗涤的湿饼，其产自液化批次1(TS＝21.63重量％)
●搅拌加热至55℃
●使用稀H2SO4或氢氧化钠调节pH至5.5
●加入α-淀粉酶溶液，3.4992g
●加入葡糖淀粉酶溶液，5.319g
●在55℃运行24小时，同时控制pH在5.5并定期对浆液取样测量葡萄糖。
按照以下规程测定存在于来自批次2的经洗涤的湿饼中的固体中的未水解淀粉含量。
●在自来水中稀释α-淀粉酶(在11.709g水中的0.2384g酶)
●在自来水中稀释葡糖淀粉酶(在17.5538g水中的0.3509g酶)
●将154.3g自来水加到釜中
●开启搅拌器
●加入70.7g的经洗涤的湿饼，其产自液化批次1(TS＝23.66重量％)
●搅拌加热至55℃
●使用稀H2SO4或氢氧化钠调节pH至5.5
●加入α-淀粉酶溶液，2.393g
●加入葡糖淀粉酶溶液，5.9701g
●在55℃运行24小时，同时控制pH在5.5并定期对浆液取样测量葡萄糖。
比较经洗涤的湿饼的液化/糖化的结果
如上所述，来自批次1和批次2的经洗涤的湿饼在水中进行再浆液化，并将大幅过量的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶添加至浆液中以水解任何保留在固体中的淀粉并将它转化成葡萄糖。图15示出作为时间的函数的浆液含水相中的葡萄糖浓度。
葡萄糖浓度随时间提高并且对于两个反应在约24小时时超出最大值。在24和48小时之间葡萄糖水平略微降低，这可能是由于微生物污染；因此，在每个体系中达到的最大葡萄糖含量被用于计算经洗涤的湿饼的固体中的残余未水解淀粉的含量。通过反应(在α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的存在下)获取自批次1液化的经洗涤的湿饼达到的最大葡萄糖含量是4.48g/L。通过比较，通过反应(在α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的存在下)获取自批次2液化的经洗涤的湿饼达到的最大葡萄糖含量是2.39g/L。
在液化醪(其在溶解期间不发生水解)中的不溶解的固体中的残余未水解淀粉的含量根据获取自经洗涤的湿饼的葡萄糖数据进行计算，该经洗涤的湿饼从对应的醪批中获得。
●液化批次1：在固体中的残余未水解淀粉对应于进料于液化的玉米中的2.1％的总淀粉。这暗示玉米中2.1％的淀粉在批次1液化期间未水解。在液化批次1期间无中间的高温(“烹煮”)阶段。
●液化批次2：在固体中的残余未水解淀粉对应于进料于液化的玉米中的1.1％的总淀粉。这暗示玉米中1.1％的淀粉在批次2液化期间未水解。在液化批次2期间存在高温(“烹煮”)阶段。
这个实例展示在液化期间的某个时间增加高温“烹煮”阶段可导致较高的淀粉转化率。这将导致较少的残余未水解淀粉保留在液化玉米醪中的不溶解的固体中，并且将导致其中在液化前从醪中移除不溶解的固体的方法中较少的淀粉损失。
实例12
在液化期间高温阶段对玉米固体中的淀粉转化成可溶性(液化的)淀 粉的效应
在85℃使用SC DS(α-淀粉酶，得自Novozymes，Franklinton，NC)制备两批液化玉米醪(批次3和批次4)。两批均在85℃运作略多于2小时。然而，在批次4的中间阶段增加“烹煮”时期。批次4的温度特征为在85℃约30分钟，将温度从85℃升高到121℃，保持在121℃约30分钟，冷却至85℃，继续再液化90分钟。在两批中使用的玉米粉与实例1中使用的玉米粉相同。在两批中使用26重量％(干玉米基)的玉米载量。在两次运行中使用的总酶量对应于0.04重量％(干玉米基)。在两次液化运行期间控制pH为5.8。批次3的液化在1L玻璃带夹套树脂釜中进行，并且批次4的液化在200L不锈钢发酵罐中进行。两个反应器均配有机械搅拌、温度控制和pH控制。
这个实例的实验条件类似于在实例9中描述的那些，具有以下差异：
对于批次3的液化玉米醪的生产：0.211gα-淀粉酶被稀释于10.403g自来水中。第一次添加的α-淀粉酶溶液为3.556g。第二次添加的α-淀粉酶溶液为1.755g，并且允许反应在85℃继续再运行90分钟。
对于批次4的液化玉米醪的生产：将22gα-淀粉酶稀释于2kg自来水中，添加147.9kg自来水到发酵罐中，并添加61.8kg玉米粉。第一次添加的α-淀粉酶溶液为1.0kg，将反应加热至85℃并保持在85℃30分钟，然后将反应加热至121℃并保持在121℃30分钟。第二次添加的α-淀粉酶溶液为1kg，并且允许反应在85℃继续再运行90分钟。
从液化醪中移除不溶解的固体并用水洗涤湿饼以移除可溶性淀粉
通过在大型落地式离心机中在室温下以5000rpm离心两批液化醪15分钟，从中移除大部分固体。离心来自批次3的500.1g醪，产生337.2g浓缩物和162.9g湿饼。离心来自批次4的509.7g醪，产生346.3g浓缩物和163.4g湿饼。从每批液化醪中回收的湿饼用自来水洗涤五次以基本上移除所有保留在饼中的可溶性淀粉。在用于离心初始醪的相同瓶中进行洗涤以避免容器间的饼传送。对于每个洗涤阶段，将饼与水混合，并在室温下离心(5000rpm，15分钟)所得洗涤浆液。所有五个对湿饼进行的洗涤阶段均完成这一步骤，所述湿饼回收自两批醪。在五次洗涤湿饼(来自批次3)中的每一次使用约164g水，导致用于洗涤来自批次3的湿饼的水总计为819.8g。在五次洗涤湿饼(来自批次4)中的每一次使用约400g水，导致用于洗涤来自批次4的湿饼的水总计为2000g。从所有五次水洗涤来自批次3的湿饼过程中回收的洗涤浓缩物总计879.5g。从所有五次水洗涤来自批次4的湿饼过程中回收的洗涤浓缩物总计2048.8g。从批次3回收的最终经洗涤的湿饼为103.2g，并且从批次4回收的最终经洗涤的湿饼为114.6g。从每批中获取的最终的经洗涤的湿饼基本上不含可溶性淀粉；因此，保留在各个饼中的液体主要是水。使用水分余量测量湿饼的总固体(TS)。来自批次3的湿饼总固体为21.88重量％，并且来自批次4的湿饼的TS为18.1重量％。
这个实例的实验条件类似于在实例9中描述的那些，具有以下差异：
液化/糖化经洗涤的湿饼以测定批次3液化后保留在不溶解的固体中的未水解淀粉的含量：添加68g经洗涤的湿饼，其产自液化批次3(TS＝21.88重量％)添加3.4984gα-淀粉酶溶液和5.3042g葡糖淀粉酶。反应在55℃运行47小时，同时控制pH在5.5并定期对浆液取样测量葡萄糖。
液化/糖化经洗涤的湿饼以测定批次4液化后保留在不溶解的固体中的未水解淀粉的含量：将0.1663gα-淀粉酶稀释在13.8139g自来水中，并将0.213g葡糖淀粉酶稀释在20.8002g自来水中。将117.8g自来水加到釜中。添加82.24g经洗涤的湿饼，其产自液化批次4(TS＝18.1重量％)添加3.4952gα-淀粉酶溶液和10.510g葡糖淀粉酶。反应在55℃运行50小时，同时控制pH在5.5并定期对浆液取样测量葡萄糖。
比较经洗涤的湿饼的液化/糖化的结果
如上所述，来自批次3和批次4的经洗涤的湿饼在水中进行再浆液化，并将大幅过量的α-淀粉酶和葡糖淀粉酶添加至浆液中以水解任何保留在固体中的淀粉并将它转化成葡萄糖。图16示出作为时间的函数的浆液含水相中的葡萄糖浓度。
葡萄糖浓度随时间提高并且对于批次3的经洗涤的湿饼在约26小时时超出最大值。对于批次4的洗涤湿饼，在24小时和47小时之间葡萄糖浓度持续地略微提高。假设批次4的经洗涤的湿饼在47小时测得的葡萄糖浓度为大约等于最大值。通过反应(在α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的存在下)获取自批次3液化的经洗涤的湿饼达到的最大葡萄糖含量是8.33g/L。通过比较，通过反应(在α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的存在下)获取自批次4液化的经洗涤的湿饼达到的最大葡萄糖含量是4.92g/L。
在液化醪(其在液化期间不发生水解)中的不溶解的固体中的残余未水解淀粉的含量根据获取自“水解”经洗涤的湿饼(在过量α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的存在下)的葡萄糖数据进行计算，洗涤湿饼从对应的醪批中获得。
●液化批次3：在固体中的残余未水解淀粉对应于进料于液化的玉米中的3.8％总淀粉。这暗示玉米中3.8％的淀粉在批次3液化期间未水解。在液化批次3期间无中间的高温(“烹煮”)阶段。
●液化批次4：在固体中的残余未水解淀粉对应于进料于液化的玉米中的2.2％总淀粉。这暗示玉米中2.2％的淀粉在批次4液化期间未水解。在液化批次4期间存在高温(“烹煮”)阶段。
这个实例展示在液化期间的某个时间增加高温“烹煮”阶段可导致较高的淀粉转化率。这将导致较少的残余未水解淀粉保留在液化玉米醪中的不溶解的固体中，并且将导致其中在液化前从醪中移除不溶解的固体的方法中较少的淀粉损失。
实例11和12的概述和比较
液化条件能够影响玉米固体中的淀粉向可溶性(液化的)淀粉的转化。能够影响玉米粉中的淀粉转化成可溶性淀粉的可能液化条件是温度、酶(α-淀粉酶)载量和在液化期间的某些时间+/-高温(“烹煮”)阶段。实例11和12展示了在液化期间某些时间实施高温(“烹煮”)阶段能够导致玉米固体中的淀粉较多地向可溶性(液化的)淀粉转化。在实例11和12中描述的液化中的高温阶段涉及在液化开始后的某些时间段提高液化温度、保持较高温度一定的时间、然后降低温度至初始值以完全液化。
与实例11相比较的液化反应在与实例12相比较的反应不同的酶载量下运行。这些实例展示了两个关键液化条件对淀粉转化率的效应：(1)酶载量，和(2)在液化期间某些时间+/-实施高温阶段。
用于制备在实例11和12中描述的四批液化玉米醪的条件在下文和表9中汇总。
所有批次的常用条件：
●液化温度-85℃
●在液化温度下的总时间-大约2小时
●用于碾磨玉米的筛网尺寸-1mm
●pH-5.8
●干玉米载量-26％
●α-淀粉酶-SC DS(Novozymes，Franklinton，NC)。
表9：
批次2和4的温度特征是(所有值为近似值)：85℃30分钟，高温阶段30分钟，85℃90分钟。在初始85℃时期添加一半酶，并且在最终的85℃时期高温阶段后添加另一半酶。
图17示出了酶载量和在液化期间某些时间施用+/-高温阶段对淀粉转化的效应。在固体中的残余未水解淀粉的含量是在受关注的液化条件期间不水解的淀粉含量。图17示出通过在液化期间的某些时间点实施高温(“烹煮”)阶段将在固体中的未水解淀粉的含量减少几乎一半。这在两个不同的酶载量上得到证明。图17的数据也显示无论是否在液化期间实施高温阶段，倍增酶载量导致几乎一半的未水解淀粉含量保留在固体中。这些实例展示了用较高的酶(α-淀粉酶)载量进行液化和/或在反应期间的某个时间增加高温(“烹煮”)阶段能够导致存在于液化玉米醪中的不溶解的固体中的残余未水解淀粉显著减少并能够减少其中在液化前从醪中移除不溶解的固体的方法中的淀粉损失。在其中在发酵前移除固体的方法中，在液化后固体中的任何残余淀粉将没有机会在发酵期间水解。
实例13
在85℃酶消化后筛网分离淀粉和不溶解物
当调节是必需的时，按照实例1所述的方法制备的醪(301克)用氢氧化钠溶液滴剂保持在pH 5.8，用供应商指定的-淀粉酶(Novozyme，Franklinton，NC)剂量(大约0.064克)处理并保持在85℃五小时。冷藏产物。
加热冷藏产物至大约50℃并将48g产物加载到过滤器组合件上，组合件包含100目筛网并连接到介于-15英寸汞柱和-20英寸汞柱之间的低真空源上。筛网盘具有44cm2的暴露筛网表面积并被密封在由(Thermo Fisher Scientific，Rochester，NY)提供的塑料过滤器外壳内。过滤浆液以在筛网上形成湿饼并在接收瓶中形成40.4g黄色浑浊滤液。湿饼立即原位用水洗涤，随后停止，同时真空源继续将任何游离水分从最终的洗涤饼中吸出。当过滤器下侧无滴水时，停止过滤。经3个阶段收集另外的28.5g洗涤滤液，其中过滤的最后阶段显示了最淡的颜色和最低的浊度。在室温下经24小时将7.6g的最终湿饼质量风干至2.1g。在用热灯干燥后测定出2.1g包含7.73％的水。这个实验的真空过滤产生包含25％总干固体的湿饼。
滤液样品与油醇在室温下合并、剧烈混合以及沉降。在大约15分钟后恢复界面，但是保留了浑浊的混杂层。
Lugol’s溶液(淀粉指示剂)由1g＞99.99％(基于微量元素)碘、2g级(＞99％)碘化钾(都来自Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)和17g实验室去离子水(一滴的量)组成，将其添加至滤液样品，干燥饼固体在水和水对照样品中进行再浆液化。滤液变为深蓝色或紫色，固体浆液变为深蓝色并且水变为淡琥珀色。比琥珀色更深的任何颜色指示存在大于12个单位长度的寡糖。
这个实验示出大多数悬浮固体能够从淀粉溶液中分离出来，淀粉溶液如上所述在100目筛网上以中速进行制备，并且该淀粉与滤饼固体保留在一起。这指示饼的不完全洗涤，其中一部分水解淀粉被留下。
用156克的醪在63mm直径的100目筛网筛网上重复这一实验。最大温度为102℃，酶是并且浆液保持在高于85℃三小时。测量并测定筛网速率为0.004加仑每分钟每平方英尺筛网面积或更低。
实例14
在115℃酶消化后筛网分离淀粉和不溶解物
将实验室去离子水(200g)添加至开口的Parr Model 46351升压力容器(Moline，IL)中并加热至85℃。用磁性搅拌棒搅拌水。以匙添加如实例1所述制备的干玉米粉(90g)。用氨含水溶液原液将pH从5.2提高到接近6.0。用小的校准移液管添加约0.064克溶液。密封压力容器的封盖并用氮气罐将容器加压至50psig。在6分钟内将搅拌的混合物加热至110℃并保持在106至116℃之间总计20分钟。减少加热，减轻压力，并打开容器。添加另外的0.064g并将温度保持在63-75℃另外的142分钟。
从Parr容器中取出小量浆液并通过堆叠的100、140和170目筛网进行重力过滤。固体仅保留在100目筛网上。
转移一部分约40％的浆液，同时加热直径为75毫米的100和200目盘双筛网组合件的顶部。发生一些重力过滤。向滤液接收器施加介于-15和-20英寸汞柱之间的真空并进行稳定的过滤。滤液是黄色浑浊的，但是是稳定的分散体。饼表面暴露不超过5分钟。用去离子水喷雾器洗涤饼2-3分钟，并改变接收器重复该过程，直至滤液的浊度恒定-总计五次喷雾。检查筛网，结论是所有固体位于100目筛网上，并且无固体位于200目筛网上。湿饼厚度为5mm。测得湿饼质量为18.9g并且合并的滤液质量为192g。
在65℃将浆液的保留质量转移到具有原位100目筛网的过滤器组合件中并过滤5-10分钟。用去离子水喷雾器洗涤饼3-4分钟，并改变接收器重复该过程，直至滤液的浊度恒定-总计八次喷雾。保持真空直至从过滤器下侧观察不到液滴滴下。湿饼厚度为8mm，直径为75mm，质量为36.6g。合并的滤液重261g。
按照上述方法测试三个小瓶的淀粉。一个小瓶包含水，并且其它两个小瓶包含在去离子水中浆液化的湿饼样品。所有小瓶变为黄色-琥珀色。这理解为滤饼被洗涤至无淀粉的寡糖。这些固体随后用长时间的液化和后续的糖化进行严格分析以确认以葡萄糖基计，湿饼包含不超过0.2％的初始玉米中的总淀粉。
滤液样品与油醇在小瓶中合并、剧烈混合并沉降。快速形成一个清澈的油层，并且界面分界良好，很少有混杂的层。这个实例展示了在其中将玉米醪加热至～110℃的水热条件烹煮20分钟、在85℃进一步溶解超过两小时、随后过滤并洗涤的方法中，总滤液基本上包含谷物中提供的所有淀粉。此外，在油醇和滤液中包含的杂质之间无显著的干涉作用。
用247克的醪在75mm直径的80目筛网筛网上重复这一实验。最高烹煮温度为115℃，酶为并且浆液保持在85℃或更高温度下三小时。测量并测定筛网速率为超过0.1加仑每分钟每平方英尺筛网面积。
实例15
这个实例展示了从釜馏物中移除固体并通过除溶剂器提取来从固体中回收脂肪酸、酯和甘油三酯。在发酵期间，从全釜馏物中分离出固体并进料于除溶剂器中，其中它们接触1.1吨/小时的蒸气。全釜馏物湿饼(提取器进料)、溶剂、提取器混杂油、以及提取器排放固体的流速在表10中示出。表中的值是吨/小时。
表10
来自全釜馏物的固体 溶剂 混杂油 提取器排放固体
脂肪酸 0.099 0 0.0982 0.001
不溶解的固体 17.857 0 0.0009 17.856
脂肪酸丁酯 2.866 0 2.837 0.0287
己烷 0 11.02 10.467 0.555
甘油三酯 0.992 0 0.982 0.0099
水 29.762 0 29.464 0.297
排出除溶剂器的固体进料于干燥器。排出除溶剂器的蒸气包含0.55吨/小时的己烷和1.102吨/小时的水。冷凝这一气流并进料于滗析器。排出滗析器的富水相包含约360ppm的己烷。将这一流进料于蒸馏塔，其中从富水流中移除己烷。冷凝排出蒸馏塔顶部的富含己烷的流并进料于滗析器。排出滗析器的富含有机物的流进料于蒸馏塔。流(11.02吨/小时)进料于蒸馏塔底部。这种塔塔顶和底部产物的组成在表11中示出。表中的值是吨/小时。
表11
底部 顶部
脂肪酸 0.0981 0
脂肪酸丁酯 2.8232 0
己烷 0.0011 11.12
甘油三酯 0.9812 0
水 0 11.02
实例16
副产物回收
这个实例展示了从醪中回收副产物。在实例6所述的条件下从醪中分离出玉米油，不同的是使用三相离心机(FlottwegZ23-4碗直径为230mm，长径比为4∶1)，条件如下：
分离的玉米油具有81％的甘油三酯，6％的游离脂肪酸，4％的甘油二酯，和5％的总磷脂以及单酸甘油酯，它们通过气相色谱和薄层色谱进行测定(参见例如美国专利申请公布2012/0164302)。
在上述条件下从醪中分离的固体具有58％的水分含量(其根据干燥时的重量损失进行测定)并具有1.2％的甘油三酯和0.27％的游离脂肪酸，它们通过气相色谱进行测定(参见例如美国专利申请公布2012/0164302)。
假定在表12中示出全釜馏物的组成并假定在表13中示出全釜馏物的组成，计算表14中分离自全釜馏物的固体、在蒸发器塔板之间提取的油、副产物提取剂和浓缩酒糟可溶物(Condensed Distillers Solubles，CDS)的组成(在三相离心机中分离)。表11的值获取自型(AspenTechnology，Inc.，Burlington，MA)。这种型号假定玉米油不从醪中提取。预测以细胞、溶解固体和悬浮固体的干基计的蛋白质含量分别为大约50％、22％和35.5％。预测副产物提取剂的组成为以干基计70.7％的脂肪酸和29.3％的脂肪酸异丁酯。
表12：
组分 质量％
水 57.386％
细胞 0.502％
脂肪酸 6.737％
脂肪酸异丁酯 30.817％
甘油三酯 0.035％
悬浮固体 0.416％
溶解固体 4.107％
表13：
水解的进料 稀塔馏物 固体
有机物 99.175％ 0.75％ 0.08％
水和溶解固体 1％ 96％ 3％
悬浮固体和细胞 1％ 2％ 97％
表14
流 C.蛋白质 甘油三酯 FFA FABE
全釜馏物湿饼 40％ 痕量 0.5％ 2.2％
在蒸发器上的油 0％ 0.08％ 16.1％ 73.8％
CDS 22％ 痕量％ 0.37％ 1.71％
实例17
从液化玉米醪中移除玉米油
这个实例描述了使用三相离心机从液化玉米醪中移除玉米油。完整玉米籽粒通常含有约3-6重量％的玉米油，它们大部分位于在胚芽中。玉米油在干磨和液化期间从胚芽中释放出来。因此，玉米醪含有游离玉米油。
液化玉米醪使用标准连续液化方法产生，例如在干磨玉米-成-乙醇方法中使用的方法。玉米粉含有4.16重量％的玉米油(干玉米基)并具有14.7重量％的水分含量。玉米粉和水分别以10.2lbm/min和17.0lbm/min进料于浆液罐，提供32重量％的干玉米载量。α-淀粉酶以对应于以干玉米基计约0.025重量％的酶载量的速率进料于浆液罐。浆液罐和液化罐均在85℃和pH5.8下运行。在85℃的总停留时间为约2小时。醪以约3gpm的速率产生，并且包含以湿基计约1.3重量％的玉米油。一部分这种油以游离油形式存在，并且一部分存在于不溶解的固体中。这对应于醪的总玉米油含量为大约2.0lbm玉米油/蒲式耳玉米。醪的总固体(TS)为约32重量％，并且总悬浮固体(TSS)为7.7重量％。
以约3gpm的速率将液化玉米醪送入三相离心机(Model Z23-4/441，FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)。进料温度为约80℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。的运作条件如下：
●碗速度：5000rpm
●G-力：大约4000g’s
●差速度：1Orpm
●叶轮设置：大约145
●相分隔体盘：大约138mm。
表15汇总了测得的进料流和三种从排出的流的数据(流量、密度、固体含量和玉米油含量)。
表15
进料醪 含水浓缩物 湿饼 玉米油
流量，lbm/min： 27.2 19.5 7.6 0.14
密度，g/ml： 1.1008 ～1.09 0.875
总固体，重量％： 32.0 28.7 39.1 ～0
总悬浮固体，重量％： 7.7 4.3 16.6 ～0
玉米油含量(湿基)，重量％： 1.3 0.38 1.95 99.4*
玉米油含量，lbm/蒲式耳： 2.0 0.4 0.8 0.8
进料中的％玉米油： NA 20 41 39
*余量是水
通过从醪中移除的玉米油占醪进料中39％的总玉米油。玉米油移除速率等于约0.8lbm/蒲式耳玉米。从液化玉米醪中分离和回收的玉米油包含约85重量％的甘油酯。
在其中移除约0.8lb玉米油/蒲式耳玉米的过程中，醪流量将以3.9加仑每分钟的速度下降：
在其中流向发酵的总醪为约700gpm的生产工厂中，移除的油将占总醪流的约0.55％。假设生产工厂成比例地提高吞吐量以利用过量的体积，年产量将增加0.55％，这意味着56mmGPY的工厂将生产另外的310,000加仑乙醇。
实例18
从液化玉米醪中移除玉米油-进料速率调节
在这个实例中，以约1gpm的速率液化玉米醪送入三相离心机。液化玉米醪使用标准连续液化方法产生，例如在干磨玉米-成-乙醇方法中使用的方法。玉米粉含有4.16重量％的玉米油(干玉米基)并具有14.7重量％的水分含量。玉米粉和水分别以8.2lbm/min和19.0lbm/min进料于浆液罐，提供大约26重量％的干玉米载量。α-淀粉酶以50g/hr速率进料于浆液罐，该速率对应于以干玉米基计约0.026重量％的酶载量。浆液罐和液化罐均在85℃和pH5.8下运行。不使用蒸汽加压锅。在85℃的总停留时间为约2小时。醪以约3gpm的速率产生，并且进入1500加仑的罐中用于离心测试。醪包含以湿基计约1.1重量％的玉米油。一部分这种油以游离油形式存在，并且一部分存在于不溶解的固体中。这对应于醪的总玉米油含量为大约2.0lbm玉米油/蒲式耳玉米。醪中的TS为25.6重量％，并且TSS为5.3重量％。
以约1gpm的速率将液化玉米醪从进料罐送入三相离心机(Model Z23-3，FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)。进料温度为约80℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。的运作条件如下：
●碗速度：5000rpm
●G-力：大约4000g’s
●差速度：12rpm
●叶轮设置：大约156
●相分隔体盘：大约140mm。
表16汇总了测得的进料流和三种从排出的流的数据(流量、密度、固体含量和玉米油含量)。玉米油质量余量的质量为102％并且总固体质量余量的质量为105％。
表16
进料醪 含水浓缩物 湿饼 玉米油
流量，lbm/min： 9.2 6.2 3.0 0.016
密度，g/ml： ～1.10 ～1.09 ～0.9
总固体，重量％： 25.6 21.6 37.4 ～0
总悬浮固体，重量％： 5.3 1.1 13.8 ～0
玉米油含量(湿基)，重量％： 1.1 0.28 2.2 ＞99*
玉米油含量，lbm/蒲式耳： 2.0 0.36 1.34 0.34
进料中的％玉米油： NA 18 67 17
*余量是水
通过从醪中移除的玉米油占醪进料中17％的总玉米油。这一玉米油移除速率等于约0.34lbm/蒲式耳玉米。从液化玉米醪中分离和回收的玉米油包含约81.4重量％的甘油酯和8.3重量％的游离脂肪酸。
实例19
从液化玉米醪中移除玉米油-进料速率调节
在这个实例中，以约10.1gpm的速率液化玉米醪送入三相离心机。液化玉米醪使用标准连续液化方法产生，例如在干磨玉米-成-乙醇方法中使用的方法。玉米粉含有4.16重量％的玉米油(干玉米基)并具有14.7重量％的水分含量。玉米粉和水分别以8.2lbm/min和19.0lbm/min进料于浆液罐，提供大约26重量％的干玉米载量。α-淀粉酶以50g/hr速率进料于浆液罐，该速率对应于以干玉米基计约0.026重量％的酶载量。浆液罐和液化罐均在85℃和pH5.8下运行。不使用蒸汽加压锅。在85℃的总停留时间为约2小时。醪以约3gpm的速率产生，并且进入1500加仑的罐中用于离心测试。醪包含以湿基计约1.1重量％的玉米油。一部分这种油以游离油形式存在，并且一部分存在于不溶解的固体中。这对应于醪的总玉米油含量为大约2.0lbm玉米油/蒲式耳玉米。醪中的TS为26.2重量％，并且TSS为6.7重量％。
以约10.1gpm的速率将液化玉米醪从进料罐送入三相离心机(ModelZ23-4/441，FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)。进料温度为约80℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。的运作条件如下：
●碗速度：5000rpm
●G-力：大约4000g’s
●差速度：20rpm
●叶轮设置：大约148
●相分隔体盘：大约138mm。
表17汇总了测得的进料流和三种从排出的流的数据(流量、密度、固体含量和玉米油含量)。玉米油质量余量的质量为95％。
表17
进料醪 含水浓缩物 湿饼 玉米油
流量，lbm/min： 92.2 73.1 18.9 0.177
密度，g/ml： ～1.10 ～1.09 ～0.9
总固体，重量％： 26.2 23.3 36.9 ～0
总悬浮固体，重量％： 6.7 1.9 25.2 ～0
玉米油含量(湿基)，重量％： 1.1 0.71 1.4 ＞99*
玉米油含量，lbm/蒲式耳： 2.0 1.02 0.52 0.36
进料中的％玉米油： NA 51 26 18
*余量是水
通过从醪中移除的玉米油占醪进料中18％的总玉米油。这一玉米油移除速率等于约0.36lbm/蒲式耳玉米。从液化玉米醪中分离和回收的玉米油包含约81.4重量％的甘油酯和8.3重量％的游离脂肪酸。
实例20
液化玉米醪pH对从醪中回收玉米油的效应
液化玉米醪使用标准连续液化方法产生，通常在干磨玉米-成-乙醇方法中使用的方法。玉米粉含有4.6重量％的玉米油(干玉米基)并具有12.5重量％的水分含量。玉米粉和水以用25.9重量％的干玉米载量，以3gpm生产玉米醪的速率进料于浆液罐。浆液罐在85℃下，以30分钟的停留时间运作。随后使用蒸汽加压锅的流通蒸汽将浆液加热至105℃，并且保持在该温度约30分钟。在排出保持管后，浆液进料于液化罐，该罐在85℃下以90分钟的停留时间运作。α-淀粉酶(ALPHA，PaloAlto，CA)以对应于以干玉米基计约0.04重量％酶的总酶载量的速率连续进料于过程。将百分之四十(40％)的总酶添加至浆液罐，并且将60％添加至液化罐。浆液罐和液化罐均在pH 5.8下运行。醪以约3gpm的速率产生，并且进入1500加仑的罐中用于离心测试。液化玉米醪包含以湿基计约1.12重量％的玉米油。这对应于醪的总玉米油含量为大约2.2lbm玉米油/蒲式耳玉米。一些这种油以游离油形式存在；一些仍旧为不溶解的固体。醪中的玉米油中甘油酯对游离脂肪酸的比率为约7.6对1。醪的总固体(TS)为约25.9重量％，并且总悬浮固体(TSS)为4.7重量％。最终的醪的DE(右旋糖当量)和pH分别为15.9和5.75。醪密度为1.08g/mL。
使用三相离心机(Model Z23-4/441，FlottwegFlottwegAG，Vilsibiburg，Germany)分离液化玉米醪，三种不同的进料流速分别为：1.24gal/min、5.1gal/min和10gal/min。进料温度为约80℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。碗速度恒定保持在约5000rpm(大约4000g’s)。表18比较pH5.8的醪的作为醪进料于速率的函数的玉米油回收率。表18中所示的数据显示在pH＝5.8下，进料于的速率对玉米油回收速率具有效应。
表18
玉米油回收率以醪中包含的总油(游离油和固体中的油)计。进料于的醪包含约1.1-1.2重量％玉米油(包括游离油和固体中的油)。
表18中的数据显示醪进料速率对玉米油回收速率具有效应(在测试条件下)。表19汇总了对于三种测试条件，在含水浓缩物中的油相量、在油浓缩物中的含水相量和在油浓缩物中的固体量。
表19：
*使用(L.U.M.GmbH，Berlin，Germany)测量
表19中的数据显示回收的玉米油是相当纯净的，因为它包含非常少的含水相和非常少的固体。从液化玉米醪中分离和回收的玉米油包含约85.1重量％的甘油酯和8.0重量％的游离脂肪酸。余量是固体、含水相和其它可提取物(例如磷脂、甾醇等)。
在进料罐中的剩余液化玉米醪的pH低于约3。使用三相离心机(Model Z23-4/441，FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)分离酸性玉米醪，两种不同的进料流速分别为：1.3gal/min和5gal/min。进料温度为约80℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。碗速度恒定保持在约5000rpm(大约4000g’s)。表20比较pH3.0的醪的作为醪进料于速率的函数的玉米油回收率。
表20
醪在pH＝5.8下制备，并且在进料于离心机之前，最终的醪的pH随后降低至3。玉米油回收率以醪中包含的总油(游离油和固体中的油)计。进料于的醪包含约0.9重量％玉米油(包括游离油和固体中的油)。进料于的醪的总固体为27.1重量％，并且醪的总悬浮固体为5.5重量％。
表21汇总了对于两种测试条件，在含水浓缩物中的油相量、在油浓缩物中的含水相量和在油浓缩物中的固体量。表21中的数据显示回收的玉米油是相当纯净的，因为它包含非常少的含水相和非常少的固体。
表21：
*使用(L.U.M.GmbH，Berlin，Germany)测量
比较测试A(表18)与测试D(表20)的结果并且比较测试B(表19)与测试E(表21)的结果，显示使用的醪pH对玉米油回收率的效应。数据表明在用分离醪之前降低醪的pH导致较高的玉米油回收率。这些比较在表22中示出。
表22：
表22所示的百分比为以醪中包含的总油(游离油和固体中的油)计的玉米油回收率。对于在这个实例中描述的所有测试，在进料于的醪中的玉米油的组成为0.9％至1.2重量％的玉米油(包括游离油和固体中的油)范围。在5000rpm(～4000G’s)下运作，并且差速度和叶轮设置分别为5-10rpm和145mm。
实例21
从玉米醪中回收玉米油和固体
液化玉米醪使用标准连续液化方法产生，这是在以干玉米基计30-31重量％的干磨玉米-成-乙醇方法中使用的方法。再循环利用水由烹煮水和逆流组成，使用它提高总固体(TS)至大约33重量％。将α-淀粉酶(RSL，Palo Alto，CA)添加至浆液罐(85℃，pH大约5.8，30分钟停留时间)，添加速率以干玉米基计相当于约0.02重量％酶载量。使用蒸汽加压锅，在18分钟的烹煮时间内升温至105-110℃。液化罐在85℃下运行，pH为大约5.8。也将RSL(Palo Alto，CA)添加至液化罐中，添加速率以干玉米基计相当于约0.005重量％酶载量，并且在液化罐中的总停留时间为约90分钟。从液化罐中收集醪的侧流并且转入小稀释罐中，其中添加加工冷凝物以实现期望的稀释。初始醪包含以湿基计约1.55重量％的玉米油。一部分这种油以游离油形式存在，并且一部分存在于不溶解的固体中。这对应于初始醪的总玉米油含量为大约3.0lbm玉米油/蒲式耳玉米。初始醪中的TS为33.2重量％，并且总悬浮固体(TSS)为6.5重量％。带有加工冷凝物的稀释液降低TS至大约27重量％，降低TSS至大约5.5重量％，并且降低油含量至大约1.3重量％(湿基)。
以介于9和11gpm之间的速率将液化玉米醪从进料罐送入三相离心机(Model Z23-4/441，FlottwegFlottweg AG，Vilsibiburg，Germany)。进料温度为约85℃。将醪分离成三种流：(1)玉米油，(2)寡糖含水溶液(液化淀粉)，和(3)湿饼。三相离心机的运作条件如下：
●碗速度：5000rpm
●G-力：大约3200g
●差速度：25rpm
●叶轮设置：见表
●相分隔体盘：大约138mm
表23汇总了三相离心机条件和分离后的特性。在33重量％和26重量％的两个玉米载量的流分离成非常纯净的玉米油流和38-41重量％总固体的湿饼。在重相中的悬浮固体浓度受到玉米载量的强烈影响。33重量％的样品产生大约3.5-4重量％的浓缩TSS，而26重量％的TS产生大约1.7-2重量％的较低TSS浓缩物。
表23：
结果也在图19A至19E中示出。图19A示出大约4gpm的低流量，浓缩物TSS为约3.3％，并且浓缩物TSS提高至约4.2-4.7％，流量为11.5gpm。
图19B示出作为流量函数的固体回收率。在大约4gpm的低流量下，回收湿饼中大约60％的悬浮固体。通过提高流量至约11.5gpm，回收率降低至约40-50％。
图19C示出作为流量函数的湿饼总固体。在大约4gpm的低流量下，湿饼总固体为约41％。通过提高流量至约11.5gpm，湿饼总固体降低至约39％。
图19D示出差rpm对总湿饼固体的影响。湿饼固体随着差rpm的升高而降低。
图19E示出进料速率对玉米油回收率的效应。在低流量下，油回收率为约48％。当流量提高至大约11.5gpm时，油回收率降低至约35％。这表明较高的流量导致从进料流中分离出较少的油。
实例22
玉米醪的流变学特性
使用配有叶片几何形状的AR-G2旋转流变仪(TA Instruments，NewCastle，DE)测量玉米醪粘度。制备玉米粉和水的浆液、混合、并且在树脂釜中加热至55℃。调节pH至5.8，并且将酶(例如α-淀粉酶和/或葡糖淀粉酶)添加至浆液。以2℃/分钟的速率加热浆液至65℃。移除样品并转移到配有窄隙同心圆柱体几何形状的流变仪中，将其预热至65℃。随后温度斜坡以2℃/分钟的速率从65℃升温至85℃。温度斜坡以固定的剪切速率(例如75-200s-1)进行。粘度测量为时间函数。
尽管本发明的多个实施例已如上描述，但是应当理解它们仅以举例的方式存在，并且不受限制。对相关领域的技术人员将显而易见的是能够在不脱离本发明的实质和范围下能够对其进行形式和细节的多种变型。因此，本发明的广度和范围应不受任何上述示例性实施例的限制，但应仅仅根据以下权利要求及其等同物限定。
在本说明书中提及的所有公布、专利和专利申请均指示本发明所属领域的技术人员的技术水平，并且以引用方式并入本文至如同每个单独的公布、专利或专利申请被具体且单独地指明为以引用方式并入的相同程度。

Claims (51)

1.一种用于生产发酵产物的方法，所述方法包括：
提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；
从所述原料浆液中分离所述不溶解的固体和油的一部分，由此形成包含可发酵碳源的含水溶液、包含固体的湿饼和油流；以及
将所述含水溶液添加至包含微生物的发酵液，由此产生所述发酵产物。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括回收所述油流的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括洗涤所述湿饼的步骤，其中产生包含碳水化合物的含水流。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括将所述含水流添加至所述发酵液的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述含水溶液包含按重量计不超过约5％的不溶解的固体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述油是玉米油且包含甘油三酯、脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯和磷脂中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述湿饼的一部分和油的一部分合并以产生包含甘油三酯、游离脂肪酸、甘油二酯、甘油单酯和磷脂的湿饼的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述含水溶液与所述湿饼的一部分合并以产生所述含水溶液和湿饼的混合物并将所述混合物添加至所述发酵液的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中分离所述原料浆液是单步法。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述不溶解的固体和油通过分离装置从原料浆液中分离，所述分离装置选自滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述不溶解的固体和油通过两个或更多个分离装置从原料浆液中分离。
12.根据权利要求10所述的方法，其中调节所述分离装置的一个或多个控制参数以改善所述原料浆液的分离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个控制参数选自差速度、碗速度、流量、叶轮位置、堰位置、螺距、停留时间和排放体积。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵产物是选自乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇和杂醇的产物醇。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物包含丁醇生物合成途径。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述丁醇生物合成途径是1-丁醇生物合成途径、2-丁醇生物合成途径、或异丁醇生物合成途径。
17.根据权利要求1所述的方法，其中使用实时测量来监测所述原料浆液的分离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中分离通过下列来监测：傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、粒子分析仪、或它们的组合。
19.一种方法，所述方法包括：
a)提供包含可发酵碳源和不溶解的固体的原料浆液；
b)从所述原料浆液中分离所述不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的含水溶液和包含固体的湿饼；
c)使所述湿饼与液体接触以形成湿饼混合物；以及
d)从所述湿饼混合物中分离不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的第二含水溶液和包含固体的第二湿饼。
20.根据权利要求19所述的方法，所述液体选自新水、逆流、烹煮水、工艺用水、lutter水、蒸馏水、或它们的组合。
21.根据权利要求19所述的方法，其中将所述第二含水溶液添加至原料浆液。
22.根据权利要求19所述的方法，其中重复步骤c)和d)。
23.一种方法，所述方法包括：
提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；
从所述原料浆液中分离所述油和不溶解的固体的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的含水溶液、油流和包含固体的湿饼；以及
c)使所述湿饼与液体接触以形成湿饼混合物；以及
d)从所述湿饼混合物中分离不溶解的固体和油的至少一部分，由此产生包含可发酵碳源的第二含水溶液、第二油流和包含固体的第二湿饼。
24.根据权利要求23所述的方法，其中分离所述原料浆液是单步法。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述不溶解的固体和油通过分离装置从原料浆液中分离，所述分离装置选自滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述不溶解的固体和油通过两个或更多个分离装置从原料浆液中分离。
27.根据权利要求23所述的方法，其中将所述第二含水溶液添加至原料浆液。
28.根据权利要求25所述的方法，其中调节所述分离装置的一个或多个控制参数以改善所述原料浆液的分离。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述一个或多个控制参数选自差速度、碗速度、流量、叶轮位置、堰位置、螺距、停留时间和排放体积。
30.根据权利要求23所述的方法，其中使用实时测量来监测所述原料浆液的分离。
31.根据权利要求30所述的方法，其中分离通过下列来监测：傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、粒子分析仪、或它们的组合。
32.一种方法，所述方法包括：
提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；
分离所述原料浆液，由此形成(i)包含可发酵碳源的第一含水溶液，(ii)包含固体的第一湿饼，和(iii)包含油、固体和含有可发酵碳源的含水流的流；以及
将所述第一含水溶液添加至包含微生物的发酵液，由此产生发酵产物。
33.根据权利要求32所述的方法，所述方法还包括：
分离所述包含油、固体和含有可发酵碳源的含水流的流，由此形成(i)包含可发酵碳源的第二含水溶液，(ii)包含固体的第二湿饼，和(iii)油流。
34.根据权利要求33所述的方法，其中在添加至所述发酵液之前将所述第一含水溶液和所述第二含水溶液合并。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二含水溶液还包含油。
36.根据权利要求35所述的方法，其中处理所述第二含水溶液或其部分的油以产生提取剂。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述油是经化学处理或酶处理的。
38.根据权利要求32或33所述的方法，其中分离通过以下装置进行：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
39.一种方法，所述方法包括：
提供包含可发酵碳源、不溶解的固体和油的原料浆液；
分离所述原料浆液，由此形成(i)包含可发酵碳源和固体的第一含水溶液，(ii)包含固体的第一湿饼，和(iii)第一油流；以及
将油添加至所述第一含水溶液，由此形成包含固体的油层和包含可发酵碳源的第二含水溶液。
40.根据权利要求39所述的方法，其中分离所述包含固体的油层，从而形成(i)第二油流，(ii)包含固体的第二湿饼，和(iii)包含可发酵碳源的第三含水溶液。
41.根据权利要求40所述的方法，其中将所述第二含水溶液和所述第三含水溶液添加至包含微生物的发酵液，由此产生发酵产物。
42.根据权利要求39所述的方法，其中所述第二含水溶液和所述第三含水溶液还包含油。
43.根据权利要求42所述的方法，其中将所述第二含水溶液和所述第三含水溶液合并，并且处理所述第二含水溶液和所述第三含水溶液或它们的部分的油以产生提取剂。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述油是经化学处理或酶处理的。
45.根据权利要求39或40所述的方法，其中分离通过以下装置进行：滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、微量过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、错流过滤、鼓式过滤器、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、或它们的组合。
46.一种系统，所述系统包括
被配置成液化原料以产生原料浆液的一个或多个液化单元，所述液化单元包括：
用于接收所述原料的入口；和
用于排放原料浆液的出口，其中所述原料浆液包含可发酵碳源、油和不溶解的固体；和
被配置成从所述原料浆液中移除所述油和不溶解的固体以产生包含所述可发酵碳源的含水溶液、油流和包含所述不溶解固体部分的湿饼的一个或多个分离单元，所述一个或多个分离单元包括：
用于接收所述原料浆液的入口；
用于排放所述含水溶液的第一出口；
用于排放所述湿饼的第二出口；和
用于排放所述油的第三出口。
47.根据权利要求46所述的系统，所述系统还包括
被配置成从所述湿饼中回收所述可发酵碳源的一个或多个洗涤系统，所述洗涤系统包括：
一个或多个混合单元；和
一个或多个分离单元。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述一个或多个分离单元选自滗析器型碗式离心、三相离心、盘叠式离心、过滤离心、滗析器型离心、过滤、真空过滤、带式过滤器、膜过滤、错流过滤、鼓式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、旋转筛、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器、以及它们的组合。
49.根据权利要求47所述的系统，所述系统还包括
被配置成发酵所述含水溶液以产生发酵产物的一个或多个发酵罐，所述发酵罐包括：
用于接收所述含水溶液和/或湿饼的入口；和
用于排放包含发酵产物的发酵液的出口。
50.根据权利要求46所述的系统，其中所述系统还包括在线测量装置。
51.根据权利要求50所述的系统，其中所述在线测量装置选自粒度分析仪、傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、高压液相色谱、粘度计、比重计、张力计、液滴尺寸分析仪、pH计、溶解氧探头、以及它们的组合。
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