CN109563523A - 用于同时生产乙醇和底物的经发酵固体转化产物的垂直塞流工艺 - Google Patents
用于同时生产乙醇和底物的经发酵固体转化产物的垂直塞流工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于同时生产底物的固体转化产物和粗制乙醇的方法，其包括以下步骤：从研磨的或片状的生物质制备底物，所述生物质包含来源于大豆、油菜籽或其混合物的蛋白质物质，并任选地与来源于蚕豆、豌豆、向日葵籽、羽扇豆、谷类和/或禾本科植物的蛋白质物质进一步混合，将所述底物与活酵母以1∶1至10,000∶1的干物质比混合，并添加水，其量提供所得混合物中0.60至1.45的湿堆积密度与干堆积密度的比；将所述混合物在约20℃至60℃的温度下孵育1至48小时；以及从所述混合物中分离粗制乙醇和湿固体转化产物；所述方法还包括：所述孵育在垂直的、不搅拌的、密闭孵育罐中以连续塞流工艺进行，所述孵育罐具有用于所述混合物和添加剂的入口装置和用于所述固体转化产物和粗制乙醇的出口装置。本发明还涉及该方法的产物及其用途。
Description
技术领域
本发明涉及用于在垂直、不搅拌的、封闭罐中通过连续塞流(plug flow)工艺同时生产底物的有价值固体转化产物和粗制乙醇的固体底物孵育方法，其中运输由重力介导。
此外，其涉及通过该方法可获得的产品及其用途。
背景技术
需要主要可用作食物或饲料或作为食物或饲料中的成分的生物产物。这样的产物中的基本成分是蛋白质、脂肪和碳水化合物。对于这样的产物合适的生物质是含油作物例如油籽、谷类和豆科作物。基于干物质，谷类具有高至15％的蛋白质含量(例如在小麦中)，豆科作物具有高至40％的蛋白质含量(例如在大豆中)。
特别涉及来自豆科作物的豆类(pulses)和果实和种子的一个普遍问题是难消化的寡糖(例如水苏糖和棉子糖)的含量，当在结肠中发酵时其会引起气胀和腹泻。
对于开发可持续能源存在类似的需求，并且生物乙醇是作为用于例如运输的燃料的有吸引力的来源。因此，需要可以以低成本生产生物乙醇的方法。
本领域已知的低成本方法是以低含水量进行的固体底物或固态发酵(solid-state fermentation，SSF)方法。该方法由以下组成：用合适的微生物接种固体、潮湿底物并使其在控制温度的条件下发酵一段时间。
通常，在不搅拌的情况下将底物在平板上分批孵育；该方法的一个实例被称为Koji方法。分批方法也使用搅拌装置进行。
在文献中还描述了连续SSF方法，其使用以下的生物反应器：搅拌罐、转筒和管式流动反应器。管式流动反应器的一个实例是螺旋输送机类型。
作为引用并入本文的WO 2006/102907 A1公开了通过在厌氧条件下在不超过80％的含水量下孵育，随后在封闭系统中孵育来制备来源于酵母和蛋白质豆类部分的蛋白质产物的方法。
作为引用并入本文的WO2013050456公开了用于同时生产粗制乙醇和固体产物的方法。生产以分批方法或连续方法在一个或更多个互连的螺旋输送机中进行。
US 4 735 724公开了非混合的垂直塔式厌氧消化器和用于通过产生甲烷的微生物消化原料的可生物降解部分的方法。该方法的特征在于，将液体从塔的中间区域或下部区域收回到顶部。
EP 2 453 004 B1公开了用于在封闭罐中将有机材料进行厌氧发酵并在重力的作用下在罐中自顶向下进料的方法。该方法的特征在于，通过交替地增加产物气体的压力和突然释放产物气体的压力来搅动发酵物质。
本发明的目的是提供用于生产粗制生物乙醇并同时生产有价值的固体转化产物的替代方法。
另一个目的是提供可以在比现有技术设计更大但更简单的反应器设计中进行的方法。
另一个目的是提供基于生物质(特别是大豆或油菜籽或其混合物)的混合物的处理生物质的替代方法。
这些目的均通过本发明的方法实现。
发明内容
因此，在本发明的一个方面，其涉及用于同时生产底物的固体转化产物和粗制乙醇的的方法，该方法包括以下步骤：
·从研磨的或片状的生物质制备底物，所述生物质包含来源于大豆、油菜籽或其混合物的蛋白质物质，并任选地与来源于蚕豆、豌豆、向日葵籽、羽扇豆、谷类和/或禾本科植物的蛋白质物质进一步混合，
·将所述底物与活酵母以1∶1至10,000∶1的干物质比混合，并添加水，其量提供所得混合物中0.60至1.45的湿堆积密度(wet bulk density)与干堆积密度(dry bulkdensity)的比；
·将所述混合物在约20℃至60℃的温度下孵育1至48小时；以及
·从所述混合物中分离粗制乙醇和湿固体转化产物；
其还包括：所述孵育在垂直的、不搅拌的、封闭罐中以连续塞流工艺进行，所述罐具有用于所述混合物和添加剂的入口装置和用于所述固体转化产物和粗制乙醇的出口装置。
用于处理生物质的本发明方法使用重力以在孵育期间运输/移动生物质。尽管使用重力用于运输通常是简单的，但是其对于特定目的(例如在本发明的塞流工艺的情况下)需要仔细选择反应条件。
通常，当含水量提高时，随着空隙体积的降低，孵育混合物趋于压实，从而负面地影响运输行为。当达到一定的含水量时，混合物会被压实到一定程度，从而使通过重力的运输停止。材料将黏在反应器的壁上，并且破坏均匀的塞流，导致生物质的保留时间不均匀。
此外，如果孵育是在高压下进行的，这可能是重力效应下的情况，以下反应趋于减缓：
生物质+酵母→固体转化产物+EtOH+CO2。
根据本发明的与通过孵育混合物重力运输相关的问题的解决方案是利用如权利要求中所限定的用于孵育的封闭罐，其中材料的流动可以保持高速和均匀使得实现和保持塞流条件。流动速度由入口和出口装置以及罐的尺寸(宽高比)调节。
此外，根据本发明的解决方案必须确保孵育混合物中含水量的平衡，以使得颗粒表面上的水活性足以用于反应过程。这是通过将底物的湿堆积密度与干堆积密度的比保持在低水平和在权利要求1中限定的一定限度内来实现的。在这些条件下，混合物起到自由流动的粉末的作用。
更具体地，本发明人已经发现，可以通过使用湿堆积密度与干堆积密度的比为0.60至1.45的底物/生物质实现必要的均匀处理。结合本发明的用于塞流工艺的垂直设计，可确保均匀的塞流并确保用于转化产物的相同的处理时间。最后，本发明的方法在不搅拌的情况下进行。这与现有技术的工业乙醇生产方法相反，后者需要来自混合器的搅拌以保持施加的生物体混悬。
由于其在单条生产线中的生产力更大，垂直设计的投资比水平设计更便宜。由于机械运动较少，维护成本也较低。使用不搅拌的罐进一步有助于降低运营成本。
通过该方法可以回收按重量计大于98％的所产生的粗制乙醇。乙醇的产率取决于底物混合物中碳水化合物的含量和向可发酵糖的转化。基于脱脂大豆，其可产生按重量计4％至5％的乙醇，而基于小麦可以获得按重量计约20％的乙醇。
本发明的第二方面提供了可通过根据本发明的方法获得的粗制乙醇，并且还包含由所述生物质与所述酵母孵育产生的少量杂质(例如其他醇类和醚类)。
在第三方面，本发明提供了通过本发明的方法可获得的底物的固体转化产物，其包含基于干物质按重量计约25％至90％的量的蛋白质，和任选地基于干物质按重量计约0.05％至30％的量的甘油酯。
本发明在第四方面提供了本发明的固体转化产物用于人和/或动物的消费或作为在食品或饲料产品中使用的成分或作为化妆品或药品或营养补充剂的成分的用途。
在第五方面，本发明提供了含有按重量计1％至99％的根据本发明的固体转化产物的食品、饲料、化妆品或药品或营养补充剂。
定义
在本发明的上下文中，除非在说明书的其他地方定义，否则以下术语意在包括以下内容。
术语“约”、“大约”、“近似”或“～”意在表示例如在本领域中通常遇见的测量不确定性，其可以是大约为例如+/-1％、2％、5％、10％、20％或甚至50％的数量级。
术语“包含/包括”应解释为指明所述部分、步骤、特征、组合物、化学品或的存在，但不排除一个或更多个其他部分、步骤、特征、组合物、化学品或组分的存在。例如，包含化合物的组合物可因此包含其他化合物等。
塞流工艺：
在这种类型的连续方法中，反应混合物流过例如具有限制回混的管式或多面体反应器。该流动是层流，其中反应混合物的组成沿反应器的轴向变化，或是均匀的质量流。
生物质：
包含由光合作用产生的生物材料，并且可用作工业生产中的原料。在本文中，生物质是指这样的植物物质：种子、谷类、豆类、禾本科植物，例如豆和豌豆等，及其混合物，并且特别是豆科作物的果实和种子形式。此外，由于蛋白质含量和组成，包含豆类的生物质特别适用。
孵育：
是在底物上孵育微生物的培养物以用于特定目的的方法，例如，在碳水化合物上孵育酵母以生产醇。
底物的固体转化产物：
通常通过与微生物孵育来处理生物质可以分为四种类型：
·生物质的产生-细胞材料
·细胞外组分的产生-化合物、代谢物、酶
·细胞内组分的产生-酶等
·底物的转化产物-经转化的底物是产物
在本发明的上下文中，底物的固体转化产物是指由选择的生物质与活酵母和任选的酶孵育产生的产物。
堆积密度：
粉末的密度是通过将固定体积的粉末放入量杯中并确定重量或通过确定粉末的所测体积的重量来确定的。通过本测试可以确定以下特征：堆积密度(也称为倾注密度)＝质量/未夯实(untapped)的干燥体积(g/mL或kg/m3)；
湿堆积密度(也称为总密度)＝总质量(Ms+M1)与其总体积的比；
Ms＝固体的质量并且M1＝液体的质量。
通常，堆积密度根据国际标准ISO 697和ISO 60确定，但由于物质的性质，这在本文中不适用。实施例中描述了使用的个别方法。
寡糖和多糖：
寡糖是含有至少两种组分单体糖的糖类聚合物。多糖是含有许多组分单体糖的糖类聚合物(也称为复合碳水化合物)。实例包括贮藏多糖(例如淀粉)和结构多糖(例如纤维素)。
碳水化合物：
包括单糖、二糖、寡糖和多糖。
蛋白质材料：
包含具有由大量一条或更多条链排列的氨基酸形成的蛋白质的有机化合物。在链长多至约50个氨基酸时，该化合物被称为肽；在较高分子量下，有机化合物被称为多肽或蛋白质。
脂肪：
包含脂肪酸和甘油的酯。一分子甘油可酯化成一个、二个和三个脂肪酸分子，其分别产生甘油单酯、甘油二酯或甘油三酯。通常脂肪主要由甘油三酯和少量卵磷脂、甾醇等组成。如果脂肪在室温下是液体，其通常被称为油。关于本文中的油、脂肪和相关产物，参考“Physical and Chemical Characteristics of Oils，Fats and Waxes”，AOCS，1996，以及“Lipid Glossary 2”，F.D.Gunstone，The Oily Press，2004。
甘油酯：
包括甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯。
加工助剂：
1.酶
酶是具有作为催化剂的能力的一大类蛋白质物质。通常，他们被分为六类，并且落入本发明范围内的主要类别可以是转移官能团的转移酶或水解多种键的水解酶。典型的实例可以包括：蛋白酶、肽酶、(α-)半乳糖苷酶、淀粉酶、葡聚糖酶、果胶酶、半纤维素酶、植酸酶、脂肪酶、磷脂酶、转移酶和氧化还原酶。
2.植物成分和有机加工剂
本文中重要的一些功能特性是：抗氧化、抗菌作用、润湿特性和酶活性的刺激。
虽然基于植物的成分的列表十分庞大，但最重要的为以下物质：迷迭香、百里香、牛至、类黄酮、酚酸类、皂苷类和来自啤酒花(hops)的α-和β-酸(例如α-忽布酸)，其用于调节可溶性碳水化合物。
此外，用于调节pH值、保存和螯合特性的有机酸(例如山梨酸、丙酸、乳酸、柠檬酸和抗坏血酸)及其盐是这组加工助剂的一部分。
3.无机加工剂
包括在处理期间可以保护免遭细菌攻击的无机组合物(例如亚硫酸氢钠等)。最终产品中的抗结块剂和流动改进剂(例如硅酸铝钾等)。
包括无机酸(例如盐酸)。
加工食品：
包括乳制品、加工肉制品、糖果、甜点、冰淇淋甜点、罐装产品、冻干食品、调味品(dressings)、汤、方便食品、面包、蛋糕等。
加工饲料产品：
包括用于动物如仔猪、小牛、家禽、毛皮动物、绵羊、猫、狗、鱼和甲壳类动物等的即食饲料。
药品：
包括通常为片剂或颗粒形式的产品，其含有一种或更多种旨在用于治愈和/或缓解疾病或病症之症状的生物活性成分。药品还包含可药用赋形剂和/或载体。本文中公开的固体生物产品非常适于用作片剂或颗粒剂中的可药用成分。
化妆品：
包括旨在用于个人卫生以及改善外表的产品(例如护理剂和浴用制品)。
发明详述
在本发明方法的第一实施方案中，按重量计至少20％，例如按重量计至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的生物质包含来源于脱脂大豆片的蛋白质物质。大豆片也可以去皮。
在本发明方法的第二实施方案中，按重量计至少20％，例如按重量计至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的生物质包含来源于脱脂油菜籽的蛋白质物质。
在本发明方法的第三实施方案中，生物质包含按重量计5％至95％的量的来源于脱脂大豆片的蛋白质物质和按重量计95％至5％的量的来源于脱脂油菜籽的蛋白质物质的混合物，任选地与来源于蚕豆、豌豆、向日葵籽和/或谷类的蛋白质物质进一步混合，其量构成按重量计总量为100％的蛋白质物质。
在本发明的任何实施方案中，包含蛋白质物质的生物质还可以包含寡糖和/或多糖和/或还包含油和脂肪(例如来自含油植物的种子)。
在本发明的任何实施方案中，底物的固体转化产物可以是来源于所述生物质的蛋白质物质、寡糖和/或多糖的转化产物，例如豆类，例如大豆、豌豆、羽扇豆、向日葵，和/或谷类(例如小麦或玉米)或来自含油植物的种子(例如油菜籽)的转化产物。
在任何上述实施方案中，生物质与活酵母的干物质比为约1∶1至约10000∶1，例如约2∶1至约8000，例如3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、30∶1、50∶1、70∶1、75∶1、85∶1、100∶1、200∶1、300∶1、500∶1、1000∶1、2000∶1、3000∶1、4000∶1、5000∶1或7000∶1。
在本发明的任何实施方案中，将水添加到底物，其量提供底物中约0.60至1.45的湿堆积密度与干堆积密度的比，例如约0.65至约1.40，例如0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30或1.35。
在本发明的任何实施方案中，按重量计至少40％，例如按重量计至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的生物质可以包含来源于脱脂油菜籽的蛋白质物质，然而可以将水添加到底物，其量提供约0.65至约1.10的湿堆积密度与干堆积密度的比，例如0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00或1.05。
在本发明的任何实施方案中，所述酵母可选自酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)菌株，包括来自酒生产中的废酵母和废啤酒酵母(spent brewer’s yeast)和废酿酒酵母(spent distiller’s yeast)、面包酵母(baker’s yeast)、以及使C5糖发酵的酵母菌株。
在本发明的任何实施方案中，可以在孵育之前或期间将选自酶、植物成分以及有机和无机加工剂的一种或更多种加工助剂添加到底物。
在本发明的任何实施方案中，所述封闭孵育罐的填充度可以保持恒定。这将导致均匀的流动。
在本发明的任何实施方案中，可以在孵育之前或期间将例如具有约5,000个α-半乳糖苷酶单位活性/克酶产物的α-半乳糖苷酶制备物以所述底物的干重量按重量计约0.001％至约1％的量，例如按重量计0.005％、0.01％、0.015％、0.02％、0.03％、0.05％、0.1％、0.5％或0.75％的量添加到所述底物。
在本发明的任何实施方案中，孵育可以在厌氧条件下进行。本发明促进了厌氧条件。
在本发明的任何实施方案中，孵育混合物中的含水量可为按重量计35％至70％，例如按重量计40％、45％、50％、55％、60％或65％。因此，初始混合物中的含水量通常按重量计不超过70％，并且可在例如40％至65％、45％至60％、48％至52％或50％至55％变化，例如49％、50％、51％、52％、53％或54％。
在本发明的任何实施方案中，将混合物在20℃至60℃下孵育1小时至48小时，例如在20℃至60℃或25℃至60℃或30℃至50℃或30℃至40℃下孵育1小时至42小时、或在此处提及的温度间隔之一下孵育2小时至36小时、或在此处提及的温度间隔之一下孵育3小时至24小时、或在此处提及的温度间隔之一下孵育5小时至18小时、或在此处提及的温度间隔之一下孵育8小时至15小时、或在此处提及的温度间隔之一下孵育10小时至12小时。
在本发明的任何实施方案中，底物的固体转化产物可经干燥，任选地随后进行研磨。
在本发明的任何实施方案中，如果部分或全部使用并且如果期望的话，可以在足以使酵母、抗营养因子和酶失活的时间和温度下孵育底物混合物。通常，更高温度施加更短时间，而更低温度施加更长时间以使活酵母、抗营养因子和酶失活。
在本发明的任何实施方案中，不搅拌的、封闭孵育罐可以是垂直的、椭圆柱(oblong cylindrical)或多面体型。使用这种类型的优点在于节省空间并且因为其是不搅拌的，所以避免了混合设备的运营成本和维护成本。
在本发明的任何实施方案中，所述不搅拌的、封闭孵育罐的上部区域可小于下部区域，即该罐为锥形。这样做的优点是提高了滑移效应(slip effect)，从而可以使用流动性降低的生物材料。
在本发明的任何实施方案中，不搅拌的、封闭孵育罐可以具有绝热垫或热凹坑夹套以及控制孵育罐内温度的装置。
通过本发明的方法，可以通过常规方法(例如真空和/或注入蒸汽)将乙醇与底物混合物分离，并且可以回收按重量计大于98％的所产生的粗制乙醇。乙醇的产率取决于孵育混合物中碳水化合物的含量和向可发酵糖的转化。基于脱脂大豆，其可产生按重量计4％至5％的乙醇，而基于小麦可以获得按重量计约20％的乙醇。
因此，本发明在其第二方面提供了根据本发明方法可获得的粗制乙醇，并且还包含由孵育所述生物质而产生的少量副产物(例如其他醇类和醚类)。
在本发明底物的固体转化产物的第一个实施方案中，将其干燥至含水量不大于按重量计15％、13％、10％、6％、4％或2％并且任选地是经研磨的形式。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可以是来源于所述生物质的蛋白质物质、寡糖和/或多糖的转化产物。固体转化产物将具有含量降低的抗营养因子(例如胰蛋白酶抑制剂、抗原、产生气胀的寡糖(例如水苏糖和棉子糖))；植酸和卵磷脂。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可以包含以来源于大豆的干物质的按重量计至少40％的蛋白质物质。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可以包含以来源于油菜籽的干物质的按重量计至少40％的蛋白质物质。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可以包含量为基于来源于大豆、油菜籽或向日葵的植物部分或其混合物的干物质的按重量计30％至65％的蛋白质。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可以包含总量为按重量计3％或更少，例如2％或更少、1％或更少、0.5％或更少或0.4％或更少的棉子糖和毛蕊花糖(verbascose)。
在本发明的固体产物的任何实施方案中，其可包含量为按重量计0.01％至0.5％的选自琥珀酸、乙酸及其混合物的有机酸。
最后，本发明涉及含有按重量计1％至99％的根据本发明的固体转化产物的食品、饲料、化妆品或药品或营养补充剂。
实施例
实施例1
在包含来自豆类的多糖和蛋白质的生物质的开口和封闭分批罐(batch tank)中
的比较孵育
在下文中，比较了基于大豆的生物质在大气压和高压下的孵育。
1.1底物混合物：
将10kg的去皮、脱脂和脱溶剂化大豆片与3kg酵母浆料(10％干物质)混合，并添加一定量的水以使混合物中干物质含量达到按重量计51％。底物混合物的湿堆积密度/干堆积密度的比为0.832。
1.2孵育罐：
将配备有温度计探头和压力表探头的40升绝热高压釜用作开口和封闭分批罐。
在罐中装入约15kg的底物混合物并保持打开以在大气压下进行测试，当在压力下封闭以进行孵育时，盖子具有设定为在6.0巴下打开的压力调节器的阀门。
1.3结果：
图1说明了温度和压力作为孵育时间的函数而提高。
图2.说明了在大气压下的测试期间，温度作为孵育时间的函数而发展。
孵育6小时后寡糖的降低列于下表：
从结果中可以推断，在压力下孵育是可能的，并且同时通过选择适当的水分条件(即湿堆积密度/干堆积密度的比)可能得到与可在大气压下获得的相似的寡糖含量的降低。
实施例2：
基于多种生物质的优选的底物的湿堆积密度/干堆积密度的比
2.1检查中使用的生物质：
大豆
使用的大豆是脱脂大豆粕。
玉米
使用的玉米是完整玉米，在锤磨机上磨碎，通过3.5mm筛网。
小麦
使用的小麦是完整小麦，在锤磨机上磨碎，通过3.5mm筛网。
向日葵
使用的向日葵是脱脂向日葵颗粒，在搅拌机中磨碎。
油菜籽
使用的油菜籽是脱脂油菜籽粕。
蚕豆
使用的豆子是完整蚕豆，在搅拌机中磨碎。
豌豆蛋白质
使用的豌豆蛋白质是豌豆蛋白浓缩物。
2.2过程说明：
将下表中列出的生物质和水的量混合10分钟，然后在封闭的容器中平衡50分钟。
然后将该材料倒入500mL的量杯中，并通过称重杯子并减去杯子的皮重来确定其质量。
堆积密度以质量/未夯实的体积(以kg/m3计)计算。
使用的干堆积密度是在不添加水的情况下测量的生物质的堆积密度。
湿堆积密度是添加水的生物质的堆积密度。
以湿堆积密度除以干堆积密度计算比。
通过干燥至恒重来确定生物质的含水量。
添加水后，通过计算确定混合物中的水分。
2.3结果
100％大豆和80％大豆的混合物的结果列于下表中：
60％和40％大豆与玉米、向日葵和油菜籽的混合物以及100％油菜籽的结果列于下表中：
大豆和油菜籽粕及其混合物的密度比(湿堆积密度/干堆积密度)相对于水分如图3所示。
实施例3
现有技术方法相对于新技术方法的实验室规模孵育测试
3.1背景：
以下实验室规模孵育测试的背景是模仿WO 2013050456中描述的现有技术方法(PAM)的条件和本发明方法(NTM)中的条件。
在现有技术方法(PAM)中，所产生的CO2可自由地释放到周围环境，而这在本发明的新技术方法(NTM)中更受限制(即，部分CO2压力更高)。
3.2材料和方法：
3.2.1-材料
生物质：大豆粕(Soya Bean Meal，SBM)、油菜籽粕(Rape Seed Meal，RSM)和向日葵籽粕(Sunflower Seed Meal，SSM)-如2.1部分所述。
水：普通自来水
酵母：来自De DanskeDK的面包酵母
加工助剂：来自Bio-Cat的α-半乳糖苷酶(12,500U/g)
每种孵育混合物具有150g DM的生物质含量、不同量的水、按生物质的DM的重量计0.4％的酵母和按生物质的DM的重量计0.12％的α-半乳糖苷酶。
孵育混合物的组成列于下表中：
3.2.2-使用的实验方法
孵育罐：
对于PAM法，使用半填充并且用铝箔松散封闭的锥形烧瓶。对于NTM法，使用坚固的塑料袋，用手挤压以去除空气并用带子封闭以使得CO2可以逸出。
孵育：
将所有样品在32℃下于恒温水浴中孵育16小时。
通过加热至100℃维持30分钟终止孵育，除了用于乙醇分析的样品通过冷冻终止孵育。
分析方法：
使用的分析方法在下列各个结果下提及。
3.3结果：
3.3.1-密度
通过将一定量的材料(250mL至460mL)倒入500mL量筒中并通过轻摇(不轻敲)圆筒使表面平整后读取体积来进行堆积密度的测定。在此之后，确定材料的重量。
如2.2部分所述进行计算。
结果列于下表中：
评论：
从结果中，注意到在通过PAM法孵育后，堆积密度降低，而使用NTM法，所述密度提高。
为了测试挤压袋的影响，对四种不同的底物进行不孵育处理。四次测量的结果是最大提高了60kg/m3，并且平均值为33.5kg/m3。因此，密度提高是明显的事实。
3.3.2蛋白质含量
使用6.25作为转换因子，根据Dumas方法测定粗制蛋白质含量。
结果列于下表中：
3.3.3孵育混合物中的醇含量
通过Eurofins根据其具有内部代码-RTTEF的方法分析醇的含量。
结果列于下表中：
评论：
根据生物质组内形成的EtOH的排序，显示NTM法比PAM法导致检测到更多的醇。
3.3.4寡糖
通过薄层色谱法确定水苏糖和棉子糖的含量。
固定相-硅胶60(Merck 1.05553.0001)
流动相-120mL正丁醇、80mL吡啶和60mL脱矿质水
用由8g二苯胺、335mL丙酮、8mL苯胺和60mL磷酸构成的液体使斑点可视化。
通过与已知标准比较确定糖浓度。
结果列于下表中：
评论：
这两种方法表现同样良好，并且在含水量高于45％时，测得寡糖的降低为100％。
3.3.5有机酸
通过Eurofins根据其具有内部代码-HEG12的方法分析琥珀酸和乙酸的含量。
结果列于下表中：
评论：
从生物质组内的排序，显示PAM法比NTM法产生更多的琥珀酸和乙酸。
3.4结论：
在获得的结果的基础上，可以看出与基于PAM法的产物相比，NTM法产生的固体转化产物具有略少的蛋白质和更少的琥珀酸和乙酸。同时，由NTM法导致的孵育混合物中的醇含量更高。
实施例4
包含来自豆类之多糖和蛋白质的生物质在连续垂直孵育罐中的孵育
在下文中，说明了在基于脱脂大豆的生物质的垂直、封闭和不搅拌的孵育罐中的孵育。
4.1孵育混合物：
连续制备去皮、脱脂和脱溶剂化大豆片与酵母和水的浆料的混合物，其量达到混合物中的干物质含量为按重量计45％。
孵育混合物具有基于总的干物质的按重量计3.5％的酵母含量。孵育混合物的湿堆积密度/干堆积密度的比为0.895。
4.2孵育罐：
使用的先导孵育罐是内径为1.55m并且总高度为4.75m的绝热的、椭圆柱不锈钢管。在上部，有由三个旋转桨式液位监视器(level monitor)的阵列以将入口和分配系统调节到4.25m的水平。这使孵育罐的有效操作容积为8m3。
此外，孵育罐在入口处以及出口处配备有温度探头。
4.3测试过程：
以每小时1000升的速率用孵育混合物填充孵育罐。8小时后，孵育罐被填充至操作水平，并将出口装置设定为保持填充水平恒定的速率。
在测试运行10小时后取出约30升体积的等分试样，并在100℃下用新鲜蒸汽孵育25分钟。并将包含粗制乙醇的剩余蒸汽转移到冷却热交换器。
随后，将生物质的湿固体转化产物快速干燥并研磨。
总体孵化参数如下：
孵化时间-8小时
入口温度-25.2℃
出口温度-32.3℃。
4.4结果：
分离的粗制乙醇含量相当于4.7kg/100kg生物质的产率。生物质的固体转化产物的总粗制蛋白(N x 6.25)含量为58.3％。干燥产物的含水量为按重量计5.4％。
此外，干燥的固体转化产物中的抗营养因子显著降低：
固体转化产物是高营养和可口的，因此适合作为许多食品和饲料产品或营养补充剂中的成分。此外，其可用作药品和化妆品(例如浴用制剂)中的赋形剂。
实施例5
包含来自豆类和谷类的混合物之多糖和蛋白质的生物质在连续垂直孵育罐中的
孵育
在下文中，说明了基于脱脂大豆和小麦的混合物的生物质在垂直、封闭和不搅拌的孵育罐中的孵育。
5.1孵育混合物：
连续制备含有按重量计10％的粉碎小麦的干物质和按重量计90％的去皮、脱脂和脱溶剂化大豆片的干物质与酵母、酶和水的浆料的混合物，其量达到混合物中的干物质含量为按重量计40％。孵育混合物具有基于总干物质按重量计3％的酵母含量和基于小麦的干物质按重量计0.4％的ViscozymeWheat、Spirizyme Fuel和Liquozyme，其均来自Novozymes。
孵育混合物的湿堆积密度/干堆积密度的比为0.984。
5.2孵育罐：
孵育罐如实施例4中所述。
5.3测试过程：
测试过程如实施例4中所述，不同之处在于在该过程中将入口装置设定为以500升/小时的体积速度运行。
总体孵育参数如下：
孵育时间-16小时
入口温度-25.1℃
出口温度-33.1℃。
5.4结果：
分离的粗制乙醇含量相当于8.4kg/100kg生物质的产率。生物质的固体转化产物的粗制蛋白质含量(N×6.25)为59.4％，并且含水量为按重量计6.2％。
Claims (34)
1.用于同时生产底物的固体转化产物和粗制乙醇的方法，其包括以下步骤：
·从研磨的或片状的生物质制备底物，所述生物质包含来源于大豆、油菜籽或其混合物的蛋白质物质，并任选地与来源于蚕豆、豌豆、向日葵籽、羽扇豆、谷类和/或禾本科植物的蛋白质物质进一步混合，
·将所述底物与活酵母以1∶1至10,000∶1的干物质比混合，并添加水，其量提供所得混合物中0.60至1.45的湿堆积密度与干堆积密度的比；
·将所述混合物在约20℃至60℃的温度下孵育1至48小时；以及
·从所述混合物中分离粗制乙醇和湿固体转化产物；
其还包括：所述孵育在垂直的、不搅拌的、密闭孵育罐中按照连续塞流工艺进行，所述孵育罐具有用于所述混合物和添加剂的入口装置和用于所述固体转化产物和粗制乙醇的出口装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中按重量计至少20％的所述生物质包含来源于脱脂大豆片的蛋白质物质。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中按重量计至少20％的所述生物质包含来源于脱脂油菜籽的蛋白质物质。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中按重量计至少30％，例如按重量计至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的所述生物质包含来源于脱脂大豆片的蛋白质物质。
5.根据权利要求1或3中任一项所述的方法，其中按重量计至少30％，例如按重量计至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、或至少90％的所述生物质包含来源于脱脂油菜籽的蛋白质物质。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述包含蛋白质物质的生物质还包含寡糖和/或多糖和/或还包含油和脂肪，例如来自含油植物的种子的油和脂肪。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述底物的固体转化产物是来源于所述生物质的蛋白质物质、寡糖和/或多糖的转化产物。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中生物质与酵母的所述干物质比为2∶1至5000∶1，例如3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、30∶1、50∶1、/0∶1、/5∶1、85∶1、100∶1、200∶1、300∶1、500∶1、1000∶1、2000∶1、3000∶1或4000∶1。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将水添加到所述底物，其量提供所述底物中0.65至1.40的湿堆积密度与干堆积密度的比，例如0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30或1.35。
10.根据权利要求1或3或5中任一项所述的方法，其中将水添加到所述底物，其量提供所述底物中0.65至1.05的湿堆积密度与干堆积密度的比，例如0.75至1.00，例如0.80、0.85、0.90或0.95。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酵母选自酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株，包括来自酒生产中的废酵母和废啤酒酵母和废酿酒酵母和面包酵母，以及使C5糖发酵的酵母菌株。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述孵育之前或期间将一种或更多种选自酶、植物成分以及有机和无机加工剂的加工助剂添加到所述底物。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述封闭孵育罐的填充度保持恒定。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述孵育之前或期间将α-半乳糖苷酶添加到所述底物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将具有约5,000α-半乳糖苷酶单位活性/克酶产物的α-半乳糖苷酶制备物以所述底物的干物质按重量计约0.001％至约1％的量，例如按重量计0.005％、0.01％、0.015％、0.02％、0.03％、0.05％、0.1％、0.5％或0.75％的量添加到所述底物。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述孵育在厌氧条件下进行。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述混合物中的含水量为按重量计35％至70％，例如按重量计40％、45％、50％、55％、60％或65％。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述底物的固体转化产物是经干燥的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述底物的经干燥固体转化产物是经研磨的。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述不搅拌的、封闭孵育罐是垂直、椭圆柱或多面体型。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述不搅拌的、封闭孵育罐的上部区域小于下部区域，即所述罐为锥形。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述不搅拌的、封闭孵育罐具有绝热垫或热凹坑夹套以及控制所述罐中温度的装置。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中按重量计至少90％，例如至少95％，例如至少98％或99％的所生产的所述粗制乙醇被回收。
24.能够通过根据权利要求1至17和20至23中任一项所述的方法获得的粗制乙醇，并且其还包含由所述生物质与所述酵母孵育产生的少量副产物，例如其他醇类和醚类。
25.能够通过根据权利要求1至23中任一项所述的方法获得的所述底物的固体转化产物，其包含基于干物质按重量计25％至90％的量的蛋白质和任选地基于干物质按重量计0.05％至30％的量的甘油酯。
26.根据权利要求25所述的底物的固体转化产物，其已经被干燥至含水量不大于按重量计15％、13％、10％、6％、4％或2％，并且任选地是经研磨的形式。
27.根据权利要求25至26中任一项所述的底物的固体转化产物，其是来源于所述生物质的蛋白质物质、寡糖和/或多糖的转化产物。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的底物的固体转化产物，其包含至少40％的来源于大豆的蛋白质物质。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的底物的固体转化产物，其包含至少40％的来源于油菜籽的蛋白质物质。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的固体转化产物，其包含来源于大豆、油菜籽或向日葵的植物部分或其混合物的基于干物质按重量计30％至65％的量的蛋白质。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的底物的固体转化产物，其包含总量为按重量计3％或更少，例如2％或更少、1％或更少、0.5％或更少或0.4％或更少的棉子糖和水苏糖。
32.根据权利要求25至31中任一项所述的底物的固体转化产物，其包含按重量计0.01％至0.5％的量的选自琥珀酸、乙酸及其混合物的有机酸。
33.根据权利要求24至32所述的固体转化产物在用于人和/或动物消费的加工食品中或作为在食品或饲料产品中使用的成分或作为化妆品或药品或营养补充剂的成分的用途。
34.食品、饲料、化妆品或药品或营养补充剂，其含有按重量计1％至99％的根据权利要求24至32所述的固体转化产物。
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