CN110753759A - 从谷物中同时生产乳酸和醇或沼气的方法 - Google Patents

从谷物中同时生产乳酸和醇或沼气的方法 Download PDF

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Abstract

描述了从必须在干燥条件下执行的谷物、更特别是玉米的碾磨开始的连续生产乳酸(第一发酵产物)和选自由醇和沼气组成的组的第二发酵产物的方法。在该方法的上下文中，从碾磨中回收主要流和难以发酵的废物流；这两种流分开但同时处理，以便一方面通过发酵产生乳酸而另一方面产生醇和/或沼气。

Description

从谷物中同时生产乳酸和醇或沼气的方法
技术领域
本发明涉及从谷物、特别是从玉米粒开始同时生产乳酸(作为第一发酵产物)和第二发酵产物的连续方法。
本发明的方法包括几个阶段，其主要阶段是将玉米穗轴干磨(将构成主要流)，从该碾磨中分离出难以发酵的废物和其他产物(将构成次要流)，并且将这些难以发酵的废物和其他产物处理以产生醇和/或沼气，同时单独处理初始碾磨产物(从难以发酵的废物和其他产物中纯化)以便随后在发酵罐中发酵从而产生乳酸。
本发明方法的另一个目的是使玉米粒的经济升级最大化。
背景技术
糖市场自由化之后，还有在欧洲层面引入了的进入壁垒，对于从生物化学化合物生产比如生物燃料(例如生物乙醇)、柠檬酸、琥珀酸、乳酸等商品的过程中使用的原材料价格，显著的看涨趋势变得明显。因此，对于这些工业企业而言，优化其供应方式以便获得大量可用的原材料，以有竞争力的成本和足够的品质使得生物技术方法能够可行而不需要对早先存在的生产单元进行重大调整变得势在必行。在这种情况下，可以设想比如玉米、小麦、大麦、高粱、大米、黑麦或燕麦等几种原材料，更特别地，玉米可以有利地响应这些标准中的若干标准。
在涉及这些谷物处理方法的现有技术中，已知谷物中包含的玉米穗轴可以进行湿磨或干磨处理，并且干磨通常是两条操作路线中更简单且更廉价的。
常见的做法也是，在碾磨结束时或在该方法过程的后期，将难以发酵的包含纤维、胚芽和其他产物的废物与由直接可发酵产物组成的初始物流分离。
这还在专利EP 3 121 258中描述，该专利提到需要分离不令人期望的组分以及在发酵以生产生物燃料之前难以发酵的组分，但是还建议不要为分离出的级分因为其处理需要大量的资本成本而感到烦恼，这使得该方法不能令人满意地进行经济升级。
当前，没有简单且相对廉价的方法来从谷粒开始生产乳酸(作为第一发酵产物)和比如醇和/或沼气等第二发酵产物。
实际上，乳酸是每天都找到新应用的产物，特别是作为食品防腐剂，还用于溶剂的合成或可生物降解的聚合物中。此外，在以乙醇的形式升级之后，次要流的残余级分也可以在制备家畜饲料时或以比如沼气等其他应用形式升级。
因此，显然，对一种用于从谷物开始、并且特别是从玉米粒或穗轴(corn kernelsor cobs)开始生产乳酸和第二发酵产物的简单且相对廉价的方法存在实际需求。
发明目的
本发明方法的目的是使得可以从比如玉米等谷物开始同时生产作为第一发酵产物的乳酸和第二发酵产物。
本发明方法的目的是使得可以从比如玉米粒或穗轴等谷物开始同时生产乳酸和比如乙醇或丁醇等醇。
本发明方法的目的是使得可以从比如玉米粒或穗轴等谷物开始同时生产乳酸和沼气。
本发明方法的另一个目的是升级包含不令人期望的组分和/或难以发酵的组分的部分，以将它们转化为醇或沼气。
本发明的另一个目的是使谷物、特别是玉米粒或玉米穗轴的处理的经济升级最大化。
本申请公司现在发现，可以通过执行一个包括以下阶段的方法来达到上述目的：
·在碾磨机100中干磨玉米粒和/或玉米穗轴20；
·回收碾磨产生的流131，并将其在混合器102中与水物流混合(即执行液化阶段)，以产生浆料103；
·使浆料103在反应器中经历糖化阶段104并产生粗右旋糖流105；
·将粗右旋糖物流105分成两种流，第一流包含液体右旋糖流108，并且第二右旋糖流包含固体部分21，该固体部分由两个连续的分离阶段(通过依次使用两个分离器106和107进行)产生的两种流组成，并且最后形成流21；
·在分离器109中分离碾磨得到并出现在液体右旋糖流108中的油，并且一方面，回收该油以用于后续处理(比如炼油阶段130)，并且另一方面，回收纯化的右旋糖流110；
其中：
·使纯化的右旋糖流110经历糖的选择性分离阶段111，并且回收纯化的右旋糖流116，该右旋糖流比流110更纯，然后使右旋糖流经历发酵118，并且另一方面回收富含寡糖的流29；
·在适于产生乳酸28的微生物26的存在下，使纯化的右旋糖流116经历发酵118；
·经由管道121回收由两个连续分离阶段(通过依次使用两个分离器106和107进行)产生的含有难以发酵的产物的固体右旋糖流21，并经由管道112回收由糖的选择性分离111产生的富含寡糖的流29，以在水解条件下在反应器113中将它们水解并将它们转化成可发酵的右旋糖流114；
·使可发酵的右旋糖流114经历在发酵罐120中的发酵，以产生第二发酵产物101，该第二发酵产物优选选自由乙醇、丁醇和/或沼气组成的组。
应清楚地理解，一方面玉米并且另一方面小麦、大麦、高粱、黑麦、大米、燕麦或其他类似产物都作为谷物来理解。
本发明的主要特征元素
本发明的方法包括在适当的碾磨机100中干磨谷物20(该谷物的恰当实例是玉米粒和/或玉米穗轴)以同时产生两种分开的糖或右旋糖流。
该碾磨必须通过干路线而不是通过湿路线进行，因为葡萄糖工业的方法通常也是这样。
在碾磨机100中干磨玉米粒和/或玉米穗轴20后，将碾磨产物131回收并在混合器102中与水物流混合，其中执行液化阶段(淀粉的水解产生麦芽糖糊精和寡糖)以形成浆料103，然后进行糖化阶段104(将复杂糖转化成比如葡萄糖等简单糖)。
在糖化阶段104之后，将右旋糖流分成两部分，一个是构成主要流并含有右旋糖含量DE(右旋糖＝葡萄糖当量)约为80％的右旋糖流的液体108，和由包含难以发酵的组分的次要流组成的第二固体部分21。
该次要流21特别地包括纤维元素、细菌和蛋白质。
根据本发明方法的一个实施方案，随后对主要流108进行处理，以便通过流25除去油，该油是由玉米粒的碾磨产生的；在该第一纯化之后，使主要流110经历过滤阶段115，并且经由流29从其中分离寡糖，以得到相对纯的右旋糖流116(DX(葡萄糖百分比)>95％，实际上甚至>99％)，以在细菌、酵母或霉菌类型的微生物26存在下经历发酵118从而产生乳酸28。
仍然根据本发明方法的一个实施方案，回收次要流21，并向其中添加从主要流108中回收的寡糖29，以将其送入反应器113中在存在强酸的情况下进行水解的阶段。所得的流114被引导至第二发酵罐120，以将该第二右旋糖流转化为醇，以产生生物乙醇或丁醇，和/或转化为沼气。
附图说明
还通过下图描述了本发明的方法：
图1表示本发明方法的(一个实施方案)的示意图，该方法从在碾磨机100中干磨玉米穗轴20开始，以产生两种右旋糖流，一种右旋糖流旨在产生作为第一发酵产物的乳酸28并且另一种右旋糖流旨在产生比如醇或沼气等第二发酵产物101。
具体实施方式
根据图1，给出了用于在碾磨机100中干磨玉米穗轴20以最终产生两种右旋糖(流或)物流的系统的描述，如下面将要描述的。
在通过碾磨机100中的干磨之后，随后将如此获得的玉米粉以及包含纤维、胚芽和难以发酵的组分的碾磨产物的剩余部分131引入到混合器102中，在那里将它们与新鲜水物流和来自方法的后续阶段的循环水物流混合；还可以向该混合器102中加入比如α-淀粉酶等酶27；如果需要，可以将获得的浆料103加热到在60℃与100℃之间的温度，持续30至120分钟的时段；由此获得浆料103。
然后将包含玉米粒、胚芽、纤维、蛋白质以及由玉米粒碾磨产生的油的该浆料103送至糖化阶段104。该浆料103的干固体含量代表按重量计大约从25％至40％。
糖化阶段104产生粗右旋糖流105。
根据本发明方法的一个实施方案，糖化反应104以两个阶段执行。
在第一阶段期间，首先将pH调节至在3.5和7.0之间，同时将温度保持在环境温度和100℃之间，持续1至6小时的时段，以将不溶性淀粉转化为右旋糖。还可以按重量计0.01％至0.1％的比例添加比如α-淀粉酶等催化剂以执行反应。
在第二阶段期间，将pH值重新调节至在4.0和5.0之间的值，同时在范围从环境温度至180℃的温度下加热2至5小时的时段，仍然为了完成将不溶性淀粉转化为右旋糖。在该阶段，还可以按重量计0.01％至0.2％的比例添加比如葡糖淀粉酶或α-淀粉酶等催化剂。
这样回收的右旋糖流105具有约90DE的右旋糖含量。
在糖化阶段104之后，通过使粗右旋糖流105经过过滤器106而在粗右旋糖流中执行第一分离，该过滤器将液体部分108与固体部分21分离；固体部分包括纤维、胚芽和粗磨粉以及难以发酵的组分。
然后将该固体部分21通过管道121送入反应器113以进行处理，以便转化为可发酵的右旋糖(流或)物流114。
此外，由分离器产生的液体部分108被送到另一个分离器109，以去除源自玉米粒碾磨的油；该油的分离通过本领域技术人员众所周知的方法执行。
提取出的油经由管道117被回收，以便被纯化并用于其他目的。
任选地再次过滤115实质上不含油的右旋糖流110，以除去任何固体颗粒，然后送到反应器中以除去寡糖29并获得尽可能纯的右旋糖流116，然后经历发酵118。
根据本发明方法的优选实施方案，为了在乳酸28的生产中具有易于发酵、高生产率和更易于控制的杂质概况，优选将右旋糖流116的纯度提高至DX含量为99％。在这种情况下，右旋糖流110将经历糖111的选择性分离阶段，该分离可能由色谱法(阶段)加上微滤和/或除盐(没有颗粒能够进入色谱法)组成。也可以在色谱法之前执行浓缩阶段，以能够在最佳条件下执行色谱法。
如此回收的寡糖29通过管道112被送至反应器113，在那里它们与来自管道121的流21混合，以便在其中转化为可发酵的右旋糖流114。
在最后的分离111之后，将所得的右旋糖流116送至发酵罐，以在其中经历发酵阶段118，在众所周知的用于执行该操作的操作条件下，向发酵罐中添加产生乳酸28的比如乳杆菌属(Lactobacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、芽孢乳杆菌属(Sporolactobacillus)等微生物26。
同时，从连续的分离阶段(通过依次使用两个分离器106和107)(经由管道121)中回收的固体级分21和寡糖29通过管道112被送至混合反应器113，并使混合物经历水解以使其可发酵。用大量的水，在140℃和180℃之间的温度下，通常在强酸的存在下执行该水解并持续15至120分钟的时间段，水通常占混合物的50％至80％。水解反应之后，获得可发酵的右旋糖流114，该右旋糖物流经由管道被送至发酵罐120，向该发酵罐中添加微生物26，该微生物将第二右旋糖(流或)物流转化为比如丁醇或乙醇(要用作生物乙醇)等醇和/或沼气。
为了产生醇，可能的微生物是比如酵母菌属(Saccharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)等酵母，或比如梭菌属(Clostridia)、大肠杆菌(Escherichia coli)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)等细菌。
为了从谷物干磨开始同时连续生产两种右旋糖物流，本发明中使用的系统包括：
·为了执行干磨而配备的谷粒碾磨机100，
·混合容器102(或混合器)，其用于制备由将碾磨产物131与水物流混合而产生的浆料103，
·糖化反应器(用于执行糖化阶段的反应器)104，
·分离过滤器106，其用于产生两种右旋糖流，一种流108包含液体物质，另一种流21包含固体物质，并且两种右旋糖流由两个连续的分离阶段(通过依次使用两个分离器106和107)产生，
·分离器109，其用于从右旋糖流108中除去油，并回收纯化的右旋糖流110，
·系统，其用于通过色谱法分离以从纯化的右旋糖流110(由在分离器109中执行的分离而产生的纯化的右旋糖流110或者换句话说，从分离油的阶段回收的纯化的右旋糖流110)中除去寡糖29；
·发酵罐，其(用于执行发酵阶段118)用于生产乳酸28，以及
·发酵罐120，其用于生产醇或沼气。
还通过下面的实施例描述本发明的方法，该实施例决不构成对本发明的限制。
实施例
在适当的碾磨机100中在环境温度下干磨玉米穗轴20，并且将由碾磨产生的所有组分131送入混合器102中以在其中执行液化阶段。
将来自该方法的循环水的混合物以及一定量的新鲜水引入到该搅拌容器中。尽管可以添加与需要一样多的水，但是添加使混合物可泵送所需的量。
在作为酶催化剂的α-淀粉酶的存在下，将该混合物加热到65℃的温度持续75min，α-淀粉酶的比例相对于混合物按重量计为0.01％。
然后将所得浆料103送至第一糖化阶段104。
该浆料含有33％的干燥固体。
通过添加酸将混合物的pH调节至4.5，该酸的恰当实例是硫酸，并且仍在催化剂的存在下将混合物加热到63℃持续3小时，混合物的恰当实例是以按重量计0.04％的比例使用的α-淀粉酶。
回收混合物并使其经历第二糖化阶段104，在此期间将pH重新调节至在4.1和4.3之间，同时将混合物的温度维持在61℃持续5小时。
因此获得了右旋糖含量为90DE的粗制右旋糖的液体流105。
使该粗右旋糖流105经过过滤器106，以将固体部分21与液体部分108分离；回收固体部分21，以便通过管道121送入反应器113。
然后使液体右旋糖流108在分离器109中经历新的分离，以除去由玉米粒的碾磨产生的上清油。
使由该分离产生的右旋糖流110(该流110实际上不含油)经历色谱法对糖111的选择性分离，这使得可以回收剩余的寡糖29并通过管道112将寡糖送到含有不溶性和不可发酵组分21的反应器113中。
将由该最后分离111产生的纯化的(99DX)右旋糖流116送至发酵罐118，以在其中执行发酵阶段，以便在添加合适的微生物26之后在其中转化为乳酸28，在该实例中微生物是乳杆菌属。
此外，使到达反应器113的混合物在强酸(在该实例中为盐酸)的存在下经历水解，该强酸的比例相对于存在的固体重量按酸的重量计为4％。
随后将该混合物加热到150℃持续2小时。
在操作结束时，获得右旋糖流并将其引导至发酵罐120，以便在合适的酵母(在该实例中为酿酒酵母(Saccharomyces cervisiae))存在下产生乙醇。
附图标记清单
20 谷物(比如玉米粒和/或玉米穗轴)
21 固体(右旋糖)流
25 油
26 微生物
27 酶
28 乳酸
29 寡糖(DPn)
100 碾磨机
101 第二发酵产物
102 混合器(或混合容器)
103 浆料
104 糖化(阶段)
105 粗(右旋糖)流或料流
106 分离器(比如过滤器)
107 分离器(比如过滤器)
108 液体(右旋糖)流或料流
109 分离器
110 纯化的右旋糖流
111 糖的选择性分离(阶段)
112 管道
113 水解反应器
114 可发酵的右旋糖流
115 过滤(阶段)
116 纯化的右旋糖流
117 管道
118 发酵(阶段)
120 发酵罐
121 管道
130 炼油(阶段)
131 碾磨产物(或干磨结果)

Claims (6)

1.一种用于从谷物开始同时生产乳酸和第二发酵产物的连续方法，该方法包括在于以下内容的阶段：
·在碾磨机(100)中干磨玉米粒和/或玉米穗轴(20)以形成碾磨产物；
·回收该碾磨产物(131)，并在混合器(102)中将该碾磨产物与水物流混合，以产生浆料(103)；
·使该浆料(103)在反应器中经历糖化(104)并产生粗右旋糖物流(105)；
·在分离器(106和107)中，将该粗右旋糖物流(105)分成两种流，第一流包括液体流(108)，并且第二流包括固体部分(21)；
·除去碾磨得到并出现在该液体流(108)中的油以用于后续处理，并回收纯化的右旋糖流(110)；
其中：
·使该纯化的右旋糖流(110)经历糖的选择性分离(111)并回收纯化的流(116)，然后在适合产生乳酸(28)的微生物(26)的存在下使所述纯化的流经历发酵(118)；
·经由管道(121)回收含有难以发酵的产物的该固体右旋糖流(21)，并经由管道(112)回收富含寡糖(29)的流，以在反应器(113)中在水解条件下将它们水解，并将它们转化为可发酵的右旋糖流(114)；以及
·使该可发酵的右旋糖流(114)在发酵罐(120)中经历发酵以产生第二发酵产物(101)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，通过色谱法执行从该纯化的右旋糖流(110)中选择性分离这些糖(111)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在强酸存在下，在140℃与180℃之间的温度下，在该反应器(113)中执行水解，持续30分钟至2小时的时段。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该第二发酵产物(101)选自由醇和/或沼气组成的组。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该醇是乙醇或丁醇。
6.一种用于从谷物的干磨开始同时连续生产两种右旋糖物流的系统，该系统包括：
·为干磨配备的谷粒碾磨机(100)，
·用于制备由将该碾磨产物(131)与水物流混合而产生的浆料(103)的混合容器(102)，
·糖化反应器(104)，
·用于产生两种右旋糖流的分离器(106)，一种流(108)包含液体物质，另一种流(21)包含固体物质，
·用于从该流(108)中除去油，并回收纯化的右旋糖流(110)的分离器(109)，
·用于通过色谱法分离以从该纯化的右旋糖流(110)中除去寡糖的系统，
·用于生产乳酸(28)的发酵罐，以及
·用于生产醇或沼气的发酵罐(120)。
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