專利名稱：用螺桿傳送裝置處理谷物材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過螺桿傳送裝置(screw transporter)用加工液處理谷物材料的方法。本發(fā)明還涉及使用經(jīng)處理的谷物材料作為發(fā)酵原料的方法，以及用該經(jīng)處理谷物材料生產(chǎn)發(fā)酵原料。
背景技術(shù)：
谷物，包括玉米、燕麥、大麥、黑麥、小麥、稻米和高粱，含有不同濃度的淀粉、蛋白質(zhì)、纖維和其它營養(yǎng)成分。通常，需要加工谷物，分離出富含這些成分之一的各種級分或物流(stream)，以提供如發(fā)酵原料(feedstock)。由于這些成分包含在谷物的谷粒中，因此，大多數(shù)加工方法開始的步驟是暴露該谷粒、分散(separate)、濃縮、分離(isolate)、或釋放出這些粗的成分，然后采用去聚合化學(xué)物質(zhì)或酶進(jìn)一步精制或改性這些粗成分。
為了釋放谷物谷粒的粗成分，如以玉米粒為例，通常通過干磨或濕磨加工玉米。雖然與濕磨相比，干磨需要較少的操作成本和資本投入，但是由于玉米胚芽的回收差，干磨的成本效益被抵消。這樣，在美國，大多數(shù)的玉米加工都采用濕磨進(jìn)行。
傳統(tǒng)的濕磨方法包括浸泡玉米，使玉米粒軟化，以幫助胚芽、纖維、淀粉和蛋白質(zhì)分離。在浸泡期間，玉米吸收浸泡液，玉米內(nèi)的淀粉-蛋白質(zhì)基質(zhì)被破壞。通常，浸泡之后是研磨、高速離心和/或過濾，以分離玉米胚芽、蛋白質(zhì)、纖維和淀粉。然后分離純化各單獨(dú)的組分(淀粉、蛋白質(zhì)、纖維、胚芽)，以提供產(chǎn)品流。還可根據(jù)任何目的如提供發(fā)酵原料而進(jìn)一步處理或混合這些產(chǎn)品流。
濕磨方法是耗能和資本昂貴的方法，至少部分是因?yàn)樾枰芰縼硎菇葸^程中未被玉米吸收而留下的過量水脫水而導(dǎo)致。因此，需要將浸泡期間處理玉米所需水的量減到最少和促進(jìn)隨后各成分的分離的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種處理谷物材料的方法，它包括在螺桿傳送裝置中用加工液處理谷物材料，通過該螺桿傳送裝置將該谷物材料傳送較佳至少1小時，然后回收該經(jīng)處理的谷物材料。本發(fā)明經(jīng)處理的谷物材料可用作發(fā)酵原料，并可用于發(fā)酵原料的生產(chǎn)。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種處理谷物材料的方法，它包括在螺桿傳送裝置中用加工液處理谷物材料，通過該螺桿傳送裝置傳送該谷物材料較佳至少1小時，然后回收該經(jīng)處理的谷物材料。本方法的經(jīng)處理的谷物材料可用作發(fā)酵原料，并可用于發(fā)酵原料的生產(chǎn)中。
術(shù)語“谷物材料”定義為任何谷物材料或其部分。任何谷物材料或其部分都可采用本方法處理。用本方法處理的谷物材料包括玉米、燕麥、大麥、黑麥、小麥、稻米和高粱，或其混合物。谷物材料可包括全谷?；蚪?jīng)粉碎的谷粒。在使用經(jīng)粉碎谷物材料的情況中，有利的是根據(jù)大小分離該經(jīng)粉碎谷物材料，以在將粉碎的谷物材料導(dǎo)入螺桿傳送裝置前分離和除去通過10目篩孔的材料。
如果需要預(yù)處理谷物材料，則可使用溶劑。作為溶劑，可使用任何水性溶劑或有機(jī)溶劑或其混合物。有機(jī)溶劑的例子包括己烷、異己烷、乙醇、甲醇、丙醇、異丙醇、丁醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲亞砜等。優(yōu)選使用的溶劑是水性溶劑，如含水的亞硫酸鹽，較佳是以二氧化硫和/或亞硫酸氫鹽(bisulfite)的形式引入。
可將各種添加劑加到溶劑中。例如，可加入能增強(qiáng)溶劑的吸收和/或谷物材料分離成各種成分的添加劑。此外，可加入還原劑和/或pH調(diào)節(jié)劑、消泡劑、增濕劑等。還原劑的例子包括SO2和亞硫酸鹽和亞硫酸氫鹽、巰基乙醇(mercartoethanol)、巰基乙酸等；合適的pH調(diào)節(jié)劑包括乳酸、乙酸、鹽酸、氫氧化鈉、石灰等。此外，還可使用各種酶，如纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶等。
用于本方法的螺桿傳送裝置是包括以下組件的任何裝置(1)螺桿，如螺旋鉆(augar)；和(2)容器，如桶、管或槽；其中，在螺桿繞著其軸旋轉(zhuǎn)時，加入螺桿傳送裝置的谷物材料被傳送。這樣，螺桿傳送裝置包括螺桿擠出機(jī)和螺桿輸送機(jī)。螺桿擠出機(jī)除進(jìn)料口和排出口外還包括位于密閉室內(nèi)的螺桿，其中，該容器如桶或管圍住該螺桿。螺桿輸送機(jī)包括螺桿和開口容器，如槽，其中該容器不完全圍住該螺桿。
在本方法中，用加工液處理谷物材料。該加工液較佳包含水和其它溶劑?？墒褂萌魏稳軇?，如有機(jī)溶劑，包括己烷、異己烷、乙醇、甲醇、丙酮、丙醇、異丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、二甲亞砜等。優(yōu)選使用水性溶劑，如含水的亞硫酸鹽。加工液任選地可含有酸或堿，用于控制其pH值?？墒褂萌魏嗡峄驂A，如氫氧化鈉、氫氧化鈣、乳酸等。此外，加工液可任選地含有其它添加劑，如二氧化硫，通常約500-3000ppm，或酶。合適的酶可包括蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶或它們的組合。
在本方法中，可使用任何量的加工液接觸谷物材料。在優(yōu)選的實(shí)施例中，以加工液與谷物材料的比為每公噸谷物材料約0.30-0.67m3加工液的量加入加工液(每浦氏耳谷物材料約2.0-4.5加侖加工液)。在本方法又一優(yōu)選實(shí)施例中，以谷物材料完全吸收加工液的量加入加工液。
在本方法中，可在任何時候(any point)將加工液加到螺桿傳送裝置中。可以任何方式將加工液加到螺桿傳送裝置中，如以與谷物材料的流向相同的方向或相反的方向加入，或者在該螺桿傳送裝置內(nèi)的多個位置上加入。
可在任何合適的溫度下實(shí)施本發(fā)明處理谷物材料的方法。在優(yōu)選的實(shí)施例中，在約15℃(59°F)到約65℃(149°F)的溫度范圍內(nèi)實(shí)施處理谷物材料的方法。
在本方法中，采用并通過螺桿傳送裝置輸送谷物材料。谷物材料通過螺桿傳送裝置輸送的時間較佳至少約1小時。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，輸送谷物材料的時間至少約為3小時到約10小時。
在本方法中，可使用一個以上螺桿傳送裝置處理谷物材料。在這方面，可在各單獨(dú)的螺桿傳送裝置之間粉碎谷物材料。粉碎谷物材料到5-90％的胚芽仍能以完整胚芽的形式回收的程度。在此實(shí)施例中，在粉碎前，可加入水，以促進(jìn)胚芽從經(jīng)處理的谷物材料中釋放。使用任何常規(guī)的方法回收胚芽，如使用旋液分離器。
經(jīng)本方法處理的谷物材料適用于任何應(yīng)用，尤其適用于使用常規(guī)浸泡的材料的情形。具體而言，期望將經(jīng)本方法處理的谷物材料用作發(fā)酵原料。此外，期望將經(jīng)處理的谷物材料用于發(fā)酵原料的生產(chǎn)，如用于乙醇生產(chǎn)。
實(shí)施濕磨經(jīng)本方法處理的玉米的示范性例子如下谷物材料的濕加工可定義為加工谷物材料，其中所使用的水量超過該谷物材料能夠吸收的量，以提高該谷物材料中各組分的分離。濕加工可能需要谷物材料或干磨谷物材料得到的產(chǎn)品。谷物材料的濕加工和/或濕磨將提供含有淀粉的產(chǎn)品。
在研磨用水的存在下研磨浸泡的玉米產(chǎn)品。浸泡玉米的研磨在三個階段中進(jìn)行。第一階段(下文稱為第一次研磨)使用裝備有Devil′s齒板的91cm(36英寸)研磨機(jī)以900rpm使浸泡過的玉米釋放出大部分胚芽(germ)。以約6.2bar(90psi)的壓力使第一次研磨排出的漿料進(jìn)料通過由15.24cm(6英寸)旋液分離器組成的2-通路旋液分離器組，分離出胚芽。用研磨用水洗滌分離的胚芽，在轉(zhuǎn)鼓干燥器中干燥，得到干燥的胚芽產(chǎn)品。再次研磨余下的大多數(shù)胚芽已分離的漿料，使用裝備有Devil′s齒板的第二臺91cm(36英寸)研磨機(jī)(下文稱為第二次研磨)在900rpm粗磨，從該漿料中的研磨玉米中分離出余下的胚芽。分離出第二次研磨漿料排出物中存在的游離胚芽，并如上述使用旋液分離器回收。除去胚芽后，使余下的玉米材料通過50微米篩(下文稱為第三次研磨脫水篩選)。含有淀粉-蛋白質(zhì)的濾出物通過篩子，而被篩阻攔而保留下來的玉米材料則使用裝備有Devil′s齒板的91cm(36英寸)研磨機(jī)(下文稱為第三次研磨)以1800rpm精細(xì)研磨。使用7階段過篩分離系統(tǒng)除去第三次研磨排出物漿料中的纖維成分，該系統(tǒng)是如此安排以使纖維以與研磨用水逆向流動的方向被洗滌，用加到該篩系統(tǒng)中的研磨用水洗滌最干凈的纖維。在最后階段(第7階段)排出洗過的纖維，而在第1階段則排出含有淀粉和蛋白質(zhì)的漿料。第1次纖維洗滌階段篩孔大小為50微米，第2到第6階段為75微米，最后階段為150微米。使用螺旋壓榨機(jī)給洗過的纖維脫水，用旋轉(zhuǎn)式干燥器干燥，得到干燥的纖維產(chǎn)品。將第三次研磨脫水篩選和第1階段纖維洗滌的排出物合并，得到密度大約為8波美的漿料。用Merco H36離心機(jī)濃縮該漿料。該離心機(jī)以2600rpm操作，并裝備有24號大小的管口。離心得到的溢流液(overflow)用作浸泡用的加工液(也稱為研磨用水)，而底流漿料(密度為12波美)則進(jìn)料到第二臺H36離心機(jī)(稱為主要離心機(jī))中。通過該主要離心機(jī)分離進(jìn)料漿液中的淀粉-蛋白質(zhì)。該主要離心機(jī)在2200rpm操作，裝備有24號大小的管口，得到底流和溢流漿料。溢流漿料富含蛋白質(zhì)，含有約60％(db)的蛋白質(zhì)，而底流漿料富含淀粉。然后使用第三臺Merco H36離心機(jī)以2600rpm離心得到的富含蛋白質(zhì)的底流漿料，使其進(jìn)一步脫水，并在轉(zhuǎn)鼓過濾器上脫水，使用快速干燥器干燥。這得到干燥的富含蛋白質(zhì)的產(chǎn)品，也稱為玉米麩質(zhì)粉(corn glutenmeal)。使上述第二臺Merco H36離心機(jī)的底流的富含淀粉的漿料通過12階段Dorr-Oliver蛤殼式旋液分離器淀粉洗滌機(jī)組。設(shè)計(jì)該淀粉洗滌機(jī)組，使從該組第1階段進(jìn)入的富含淀粉物流與從該組第12階段進(jìn)入的飲用水逆向流動。各淀粉洗滌階段具有以平行方式排列的幾個10mm旋液分離器。除了第12階段外，其余各淀粉洗滌階段的進(jìn)料壓力通常為6.2bar(90psi)，第12階段的進(jìn)料壓力是8.27(120psi)。
以底流從該淀粉洗滌機(jī)組的第12階段回收漿料密度為23波美的純化淀粉，也稱為玉米濕磨的淀粉漿料或淀粉產(chǎn)品。
關(guān)于玉米濕磨的更多信息可參見“Technology of Corn Wet Milling andAssociated Processes”，第69-125頁，Paul H.Blanchard，Elsevier SciencePublishers B.V.Amsterdam。
含有淀粉的濕加工或濕磨產(chǎn)物可以任何常規(guī)的方式使用。例如，含有淀粉的濕加工或濕磨產(chǎn)品可用作發(fā)酵原料。在另一個實(shí)施例中，含有淀粉產(chǎn)品的濕加工或濕磨產(chǎn)品可被加工成發(fā)酵原料。
以下提供生產(chǎn)發(fā)酵原料的方法的一個例子?？扇芜x地水解采用先前所述的濕加工或濕磨方法生產(chǎn)的含淀粉產(chǎn)品，形成將被加到發(fā)酵介質(zhì)中的發(fā)酵原料。可將淀粉漿料水解到任何程度，以形成水解淀粉，包括水解成葡萄糖。可以任何方式水解淀粉漿料。例如，可對淀粉漿料進(jìn)行酸水解而將其水解。通常，酸包括無機(jī)酸，如鹽酸等。提高溫度可增加水解的速率，而且溫度可根據(jù)所需的水解程度而大范圍地改變。酸水解可能使淀粉水解程度有限。如果希望超出其水解水平，必須使用其它水解方法，如用淀粉水解酶對淀粉進(jìn)行酶消化。
以下描述用酸水解進(jìn)行淀粉水解的示范性方法a)提供23波美的淀粉漿料；b)用22波美的鹽酸將漿料的pH調(diào)整到1.8；c)在146℃(295°F)將pH為1.8的該漿料注入Dedert連續(xù)酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中(Olympia Fields，IIIinois，USA)18分鐘，在該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中處理后，該淀粉被水解成85葡萄糖當(dāng)量值(DE)；和d)然后用10％蘇打灰將轉(zhuǎn)化的淀粉的pH調(diào)節(jié)為4.8，冷卻。
以下描述采用酶水解進(jìn)行淀粉水解的示范性方法采用以下步驟1)液化和步驟2)糖化進(jìn)行淀粉水解。
1)液化將水加到淀粉中，將干固體含量調(diào)到35％。用氫氧化鈉溶液將漿料的pH調(diào)到5.5。將氯化鈣加到該漿料中，使游離鈣最小值達(dá)5ppm。以每公噸淀粉干固體0.4升酶的量將TERMAMYL SUPRA酶(得自Novozymes NorthAmerica，Inc的商標(biāo)登記的淀粉酶)加到該pH調(diào)整了的漿料中。然后，在連續(xù)蒸汽加壓鍋中將該混合物加熱至108℃(226.4°F)，并在加壓容器中維持5分鐘。然后將煮熟的該混合物冷卻到95℃(203°F)，維持100分鐘。產(chǎn)生DE為8-12的淀粉水解產(chǎn)物。
2)糖化將上述液化步驟獲得的淀粉水解產(chǎn)物冷卻到60℃，加入水，將干固體含量調(diào)到32％。用硫酸將此稀釋的水解產(chǎn)物的pH調(diào)到4.1-4.3。以每公噸干固體0.7升酶的量加入DEXTROZYME酶(得自Novozymes NorthAmerica，Inc的商標(biāo)登記的淀粉葡糖苷酶和支鏈淀粉酶(pullulanase)的混合物〕，然后維持該混合物40小時。，以干固體計(jì)，獲得95-97％的葡萄糖含量。
關(guān)于淀粉水解的更多信息可參見“Technology of Corn Wet Milling andAssociated Processes”，第217-266頁，Paul H.Blanchard，Elsevier SciencePublishers B.V.Amsterdam。
在本發(fā)明中，可使用任何能水解谷物材料的酶。谷物水解酶的例子包括淀粉水解酶(例如淀粉酶、支鏈淀粉酶)、蛋白質(zhì)水解酶(如蛋白酶、肽酶)、纖維水解酶(如纖維素酶、木聚糖酶)以及肌醇六磷酸水解酶(如肌醇六磷酸酶)。
提供下述實(shí)施例用于闡述本發(fā)明，并幫助本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員制備和使用本發(fā)明。這些實(shí)施例不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例實(shí)施例1將全谷物玉米裝到螺桿傳送裝置的入口或?qū)攵?。在螺桿傳送裝置的排出口或位置加入加工液，這樣加工液和玉米在螺桿擠出機(jī)中相向流動。該加工液含有水、2000ppm二氧化硫和0.2％(w/w)乳酸。以每公噸玉米約0.45m3加工液的量加入該加工液(每浦氏耳玉米3.0加侖加工液)，使得未吸收的加工液的量最小。玉米在螺桿擠出機(jī)中輸送的時間大約是7小時，加工的溫度維持在約50℃。玉米和加工液連續(xù)通過該傳送裝置?；厥账玫慕?jīng)處理的谷物材料。如果需要，可進(jìn)行常規(guī)的濕磨分離步驟回收胚芽、纖維、淀粉和/或蛋白質(zhì)。
實(shí)施例2實(shí)施實(shí)施例1的步驟，但有以下例外。使用大麥替換玉米作為谷物材料，加入加工液，使其與大麥同向流動。由此獲得經(jīng)處理的大麥。如果需要，可采用常規(guī)的濕磨分離方法分離纖維、淀粉和/或蛋白質(zhì)。
實(shí)施例3采用實(shí)施例1的步驟，但有以下例外。加工液含有氫氧化鈉，替換二氧化硫和乳酸。分離和回收所得的經(jīng)處理谷物材料。
實(shí)施例4實(shí)施實(shí)施例1的步驟，但有以下例外。用三臺相連的螺桿傳送裝置替換單臺螺桿傳送裝置。各螺桿傳送裝置之間使用91cm(36英寸)盤磨機(jī)，玉米于其中交換(commuted)。
實(shí)施例5采用實(shí)施例1的步驟，但有以下例外。用含有水和5％w/w巰基乙酸的加工液替換實(shí)施例1中使用的加工液。
實(shí)施例6采用實(shí)施例1的步驟，但有以下例外。使用大于10目的研磨玉米粒替換全玉米(whole corn)。
已結(jié)合各具體和闡述性實(shí)施方式和技術(shù)描述了本發(fā)明。但是，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到可對本發(fā)明作出許多改變和變動。
權(quán)利要求
1.一種處理谷物材料的方法，其特征在于，它包括在螺桿傳送裝置中用加工液處理谷物材料，和通過該螺桿傳送裝置輸送該谷物材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料選自玉米、燕麥、大麥、黑麥、小麥、稻米、高粱以及它們的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺桿傳送裝置選自螺桿擠出機(jī)和螺桿輸送機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料含有吸收的溶劑，選自水性溶劑、有機(jī)溶劑或它們的混合物。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述水性溶劑是水。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶劑含有至少一種選自增濕劑、還原劑和pH調(diào)節(jié)劑的化合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工液含有酸和二氧化硫。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述酸是乳酸。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料用加工液處理至少1小時。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料用加工液處理至少3小時。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溫度范圍為約15-65℃。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工液存在的量為每公噸谷物材料約0.30-0.67m3的加工液(每浦氏耳谷物材料約4.5加侖加工液)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述加工液以將完全被谷物材料吸收的量存在。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用一臺以上螺桿傳送裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，磨碎螺桿傳送裝置的排出物。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括從經(jīng)加工的谷物材料中分離出胚芽、淀粉和蛋白質(zhì)，提供含淀粉物流。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，水解所述含淀粉物流。
18.一種生產(chǎn)發(fā)酵原料的方法，其特征在于，該方法包括，使用依照權(quán)利要求16方法制得的含淀粉物流。
19.一種生產(chǎn)發(fā)酵原料的方法，其特征在于，該方法包括，使用依照權(quán)利要求17方法制得的經(jīng)水解的含淀粉物流。
20.一種使用權(quán)利要求16的含淀粉物流產(chǎn)品的方法，用作發(fā)酵原料。
21.一種使用權(quán)利要求17的經(jīng)水解的含淀粉物流的方法，用作發(fā)酵原料。
全文摘要
公開了一種通過螺桿傳送裝置使用加工液處理谷物材料的方法。該螺桿傳送裝置較佳是螺桿擠出機(jī)或螺桿輸送機(jī)。還公開了使用經(jīng)處理的谷物材料作為發(fā)酵原料的方法。此外，公開了使用經(jīng)處理的谷物材料生產(chǎn)發(fā)酵原料的方法。
文檔編號B02B1/06GK1671295SQ03817523
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月23日
發(fā)明者S·K·梅拉, E·J·?？怂? A·M·埃亞勒, M·R·里索, E·M·小彼得斯, D·L·小尚德爾, K·帕克, R·R·費(fèi)希爾 申請人:嘉吉有限公司