用螺杆传送装置处理谷物材料的方法

                            发明领域

本发明涉及一种通过螺杆传送装置(screw transporter)用加工液处理谷物材 料的方法。本发明还涉及使用经处理的谷物材料作为发酵原料的方法，以及 用该经处理谷物材料生产发酵原料。

                            发明背景

谷物，包括玉米、燕麦、大麦、黑麦、小麦、稻米和高粱，含有不同浓 度的淀粉、蛋白质、纤维和其它营养成分。通常，需要加工谷物，分离出富 含这些成分之一的各种级分或物流(stream)，以提供如发酵原料(feedstock)。由 于这些成分包含在谷物的谷粒中，因此，大多数加工方法开始的步骤是暴露 该谷粒、分散(separate)、浓缩、分离(isolate)、或释放出这些粗的成分，然后 采用去聚合化学物质或酶进一步精制或改性这些粗成分。

为了释放谷物谷粒的粗成分，如以玉米粒为例，通常通过干磨或湿磨加 工玉米。虽然与湿磨相比，干磨需要较少的操作成本和资本投入，但是由于 玉米胚芽的回收差，干磨的成本效益被抵消。这样，在美国，大多数的玉米 加工都采用湿磨进行。

传统的湿磨方法包括浸泡玉米，使玉米粒软化，以帮助胚芽、纤维、淀 粉和蛋白质分离。在浸泡期间，玉米吸收浸泡液，玉米内的淀粉-蛋白质基质 被破坏。通常，浸泡之后是研磨、高速离心和/或过滤，以分离玉米胚芽、蛋 白质、纤维和淀粉。然后分离纯化各单独的组分(淀粉、蛋白质、纤维、胚芽)， 以提供产品流。还可根据任何目的如提供发酵原料而进一步处理或混合这些 产品流。

湿磨方法是耗能和资本昂贵的方法，至少部分是因为需要能量来使浸泡 过程中未被玉米吸收而留下的过量水脱水而导致。因此，需要将浸泡期间处 理玉米所需水的量减到最少和促进随后各成分的分离的方法。

                            发明内容

本发明涉及一种处理谷物材料的方法，它包括在螺杆传送装置中用加工 液处理谷物材料，通过该螺杆传送装置将该谷物材料传送较佳至少1小时， 然后回收该经处理的谷物材料。本发明经处理的谷物材料可用作发酵原料， 并可用于发酵原料的生产。

                            发明详述

本发明涉及一种处理谷物材料的方法，它包括在螺杆传送装置中用加工 液处理谷物材料，通过该螺杆传送装置传送该谷物材料较佳至少1小时，然 后回收该经处理的谷物材料。本方法的经处理的谷物材料可用作发酵原料， 并可用于发酵原料的生产中。

术语“谷物材料”定义为任何谷物材料或其部分。任何谷物材料或其部 分都可采用本方法处理。用本方法处理的谷物材料包括玉米、燕麦、大麦、 黑麦、小麦、稻米和高粱，或其混合物。谷物材料可包括全谷粒或经粉碎的 谷粒。在使用经粉碎谷物材料的情况中，有利的是根据大小分离该经粉碎谷 物材料，以在将粉碎的谷物材料导入螺杆传送装置前分离和除去通过10目筛 孔的材料。

如果需要预处理谷物材料，则可使用溶剂。作为溶剂，可使用任何水性 溶剂或有机溶剂或其混合物。有机溶剂的例子包括己烷、异己烷、乙醇、甲 醇、丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等。优选使用的 溶剂是水性溶剂，如含水的亚硫酸盐，较佳是以二氧化硫和/或亚硫酸氢盐 (bisulfite)的形式引入。

可将各种添加剂加到溶剂中。例如，可加入能增强溶剂的吸收和/或谷物 材料分离成各种成分的添加剂。此外，可加入还原剂和/或pH调节剂、消泡 剂、增湿剂等。还原剂的例子包括SO2和亚硫酸盐和亚硫酸氢盐、巯基乙醇 (mercartoethanol)、巯基乙酸等；合适的pH调节剂包括乳酸、乙酸、盐酸、氢 氧化钠、石灰等。此外，还可使用各种酶，如纤维素酶、半纤维素酶、蛋白 酶等。

用于本方法的螺杆传送装置是包括以下组件的任何装置：(1)螺杆，如螺 旋钻(augar)；和(2)容器，如桶、管或槽；其中，在螺杆绕着其轴旋转时，加 入螺杆传送装置的谷物材料被传送。这样，螺杆传送装置包括螺杆挤出机和 螺杆输送机。螺杆挤出机除进料口和排出口外还包括位于密闭室内的螺杆， 其中，该容器如桶或管围住该螺杆。螺杆输送机包括螺杆和开口容器，如槽， 其中该容器不完全围住该螺杆。

在本方法中，用加工液处理谷物材料。该加工液较佳包含水和其它溶剂。 可使用任何溶剂，如有机溶剂，包括己烷、异己烷、乙醇、甲醇、丙酮、丙 醇、异丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等。优选使用水性溶剂，如含 水的亚硫酸盐。加工液任选地可含有酸或碱，用于控制其pH值。可使用任何 酸或碱，如氢氧化钠、氢氧化钙、乳酸等。此外，加工液可任选地含有其它 添加剂，如二氧化硫，通常约500-3000ppm，或酶。合适的酶可包括蛋白酶、 纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶或它们的组合。

在本方法中，可使用任何量的加工液接触谷物材料。在优选的实施例中， 以加工液与谷物材料的比为每公吨谷物材料约0.30-0.67m3加工液的量加入加 工液(每浦氏耳谷物材料约2.0-4.5加仑加工液)。在本方法又一优选实施例中， 以谷物材料完全吸收加工液的量加入加工液。

在本方法中，可在任何时候(any point)将加工液加到螺杆传送装置中。可 以任何方式将加工液加到螺杆传送装置中，如以与谷物材料的流向相同的方 向或相反的方向加入，或者在该螺杆传送装置内的多个位置上加入。

可在任何合适的温度下实施本发明处理谷物材料的方法。在优选的实施 例中，在约15℃(59°F)到约65℃(149°F)的温度范围内实施处理谷物材料的 方法。

在本方法中，采用并通过螺杆传送装置输送谷物材料。谷物材料通过螺 杆传送装置输送的时间较佳至少约1小时。在更优选的实施例中，输送谷物 材料的时间至少约为3小时到约10小时。

在本方法中，可使用一个以上螺杆传送装置处理谷物材料。在这方面， 可在各单独的螺杆传送装置之间粉碎谷物材料。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。在此实施例中，在粉碎前，可加入水， 以促进胚芽从经处理的谷物材料中释放。使用任何常规的方法回收胚芽，如 使用旋液分离器。

经本方法处理的谷物材料适用于任何应用，尤其适用于使用常规浸泡的 材料的情形。具体而言，期望将经本方法处理的谷物材料用作发酵原料。此 外，期望将经处理的谷物材料用于发酵原料的生产，如用于乙醇生产。

实施湿磨经本方法处理的玉米的示范性例子如下：

谷物材料的湿加工可定义为加工谷物材料，其中所使用的水量超过该谷 物材料能够吸收的量，以提高该谷物材料中各组分的分离。湿加工可能需要 谷物材料或干磨谷物材料得到的产品。谷物材料的湿加工和/或湿磨将提供含 有淀粉的产品。

在研磨用水的存在下研磨浸泡的玉米产品。浸泡玉米的研磨在三个阶段 中进行。第一阶段(下文称为第一次研磨)使用装备有Devil′s齿板的91cm(36 英寸)研磨机以900rpm使浸泡过的玉米释放出大部分胚芽(germ)。以约 6.2bar(90psi)的压力使第一次研磨排出的浆料进料通过由15.24cm(6英寸)旋液 分离器组成的2-通路旋液分离器组，分离出胚芽。用研磨用水洗涤分离的胚 芽，在转鼓干燥器中干燥，得到干燥的胚芽产品。再次研磨余下的大多数胚 芽已分离的浆料，使用装备有Devil′s齿板的第二台91cm(36英寸)研磨机(下 文称为第二次研磨)在900rpm粗磨，从该浆料中的研磨玉米中分离出余下的胚 芽。分离出第二次研磨浆料排出物中存在的游离胚芽，并如上述使用旋液分 离器回收。除去胚芽后，使余下的玉米材料通过50微米筛(下文称为第三次研 磨脱水筛选)。含有淀粉-蛋白质的滤出物通过筛子，而被筛阻拦而保留下来的 玉米材料则使用装备有Devil′s齿板的91cm(36英寸)研磨机(下文称为第三次 研磨)以1800rpm精细研磨。使用7阶段过筛分离系统除去第三次研磨排出物 浆料中的纤维成分，该系统是如此安排以使纤维以与研磨用水逆向流动的方 向被洗涤，用加到该筛系统中的研磨用水洗涤最干净的纤维。在最后阶段(第 7阶段)排出洗过的纤维，而在第1阶段则排出含有淀粉和蛋白质的浆料。第1 次纤维洗涤阶段筛孔大小为50微米，第2到第6阶段为75微米，最后阶段 为150微米。使用螺旋压榨机给洗过的纤维脱水，用旋转式干燥器干燥，得 到干燥的纤维产品。将第三次研磨脱水筛选和第1阶段纤维洗涤的排出物合 并，得到密度大约为8波美的浆料。用Merco H36离心机浓缩该浆料。该离 心机以2600rpm操作，并装备有24号大小的管口。离心得到的溢流液(overflow) 用作浸泡用的加工液(也称为研磨用水)，而底流浆料(密度为12波美)则进料到 第二台H36离心机(称为主要离心机)中。通过该主要离心机分离进料浆液中的 淀粉-蛋白质。该主要离心机在2200rpm操作，装备有24号大小的管口，得到 底流和溢流浆料。溢流浆料富含蛋白质，含有约60％(db)的蛋白质，而底流浆 料富含淀粉。然后使用第三台Merco H36离心机以2600rpm离心得到的富含 蛋白质的底流浆料，使其进一步脱水，并在转鼓过滤器上脱水，使用快速干 燥器干燥。这得到干燥的富含蛋白质的产品，也称为玉米麸质粉(corn gluten meal)。使上述第二台Merco H36离心机的底流的富含淀粉的浆料通过12阶段 Dorr-Oliver蛤壳式旋液分离器淀粉洗涤机组。设计该淀粉洗涤机组，使从该 组第1阶段进入的富含淀粉物流与从该组第12阶段进入的饮用水逆向流动。 各淀粉洗涤阶段具有以平行方式排列的几个10mm旋液分离器。除了第12阶 段外，其余各淀粉洗涤阶段的进料压力通常为6.2bar(90psi)，第12阶段的进 料压力是8.27(120psi)。

以底流从该淀粉洗涤机组的第12阶段回收浆料密度为23波美的纯化淀 粉，也称为玉米湿磨的淀粉浆料或淀粉产品。

关于玉米湿磨的更多信息可参见“Technology of Corn Wet Milling and Associated Processes”，第69-125页，Paul H.Blanchard，Elsevier Science Publishers B.V.Amsterdam。

含有淀粉的湿加工或湿磨产物可以任何常规的方式使用。例如，含有淀 粉的湿加工或湿磨产品可用作发酵原料。在另一个实施例中，含有淀粉产品 的湿加工或湿磨产品可被加工成发酵原料。

以下提供生产发酵原料的方法的一个例子。可任选地水解采用先前所述 的湿加工或湿磨方法生产的含淀粉产品，形成将被加到发酵介质中的发酵原 料。可将淀粉浆料水解到任何程度，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浆料。例如，可对淀粉浆料进行酸水解而将其水解。 通常，酸包括无机酸，如盐酸等。提高温度可增加水解的速率，而且温度可 根据所需的水解程度而大范围地改变。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，必须使用其它水解方法，如用淀粉水解酶对淀粉进 行酶消化。

以下描述用酸水解进行淀粉水解的示范性方法：

a)提供23波美的淀粉浆料；

b)用22波美的盐酸将浆料的pH调整到1.8；

c)在146℃(295°F)将pH为1.8的该浆料注入Dedert连续酸转化系统中 (Olympia Fields，IIIinois，USA)18分钟，在该转化系统中处理后，该淀粉被 水解成85葡萄糖当量值(DE)；和

d)然后用10％苏打灰将转化的淀粉的pH调节为4.8，冷却。

以下描述采用酶水解进行淀粉水解的示范性方法：

采用以下步骤1)液化和步骤2)糖化进行淀粉水解。

1)液化：将水加到淀粉中，将干固体含量调到35％。用氢氧化钠溶液将 浆料的pH调到5.5。将氯化钙加到该浆料中，使游离钙最小值达5ppm。以每 公吨淀粉干固体0.4升酶的量将TERMAMYL SUPRA酶(得自Novozymes North America，Inc的商标登记的淀粉酶)加到该pH调整了的浆料中。然后，在连续 蒸汽加压锅中将该混合物加热至108℃(226.4°F)，并在加压容器中维持5分 钟。然后将煮熟的该混合物冷却到95℃(203°F)，维持100分钟。产生DE为 8-12的淀粉水解产物。

2)糖化：将上述液化步骤获得的淀粉水解产物冷却到60℃，加入水，将 干固体含量调到32％。用硫酸将此稀释的水解产物的pH调到4.1-4.3。以每 公吨干固体0.7升酶的量加入DEXTROZYME酶(得自Novozymes North America，Inc的商标登记的淀粉葡糖苷酶和支链淀粉酶(pullulanase)的混合 物〕，然后维持该混合物40小时。，以干固体计，获得95-97％的葡萄糖含 量。

关于淀粉水解的更多信息可参见“Technology of Corn Wet Milling and Associated Processes”，第217-266页，Paul H.Blanchard，Elsevier Science Publishers B.V.Amsterdam。

在本发明中，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、支链淀粉酶)、蛋白质水解酶(如蛋白酶、肽酶)、纤 维水解酶(如纤维素酶、木聚糖酶)以及肌醇六磷酸水解酶(如肌醇六磷酸酶)。

提供下述实施例用于阐述本发明，并帮助本领域普通的技术人员制备和 使用本发明。这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。

                            实施例

实施例1

将全谷物玉米装到螺杆传送装置的入口或导入端。在螺杆传送装置的排 出口或位置加入加工液，这样加工液和玉米在螺杆挤出机中相向流动。该加 工液含有水、2000ppm二氧化硫和0.2％(w/w)乳酸。以每公吨玉米约0.45m3 加工液的量加入该加工液(每浦氏耳玉米3.0加仑加工液)，使得未吸收的加工 液的量最小。玉米在螺杆挤出机中输送的时间大约是7小时，加工的温度维 持在约50℃。玉米和加工液连续通过该传送装置。回收所得的经处理的谷物 材料。如果需要，可进行常规的湿磨分离步骤回收胚芽、纤维、淀粉和/或蛋 白质。

实施例2

实施实施例1的步骤，但有以下例外。使用大麦替换玉米作为谷物材料， 加入加工液，使其与大麦同向流动。由此获得经处理的大麦。如果需要，可 采用常规的湿磨分离方法分离纤维、淀粉和/或蛋白质。

实施例3

采用实施例1的步骤，但有以下例外。加工液含有氢氧化钠，替换二氧 化硫和乳酸。分离和回收所得的经处理谷物材料。

实施例4

实施实施例1的步骤，但有以下例外。用三台相连的螺杆传送装置替换 单台螺杆传送装置。各螺杆传送装置之间使用91cm(36英寸)盘磨机，玉米于 其中交换(commuted)。

实施例5

采用实施例1的步骤，但有以下例外。用含有水和5％w/w巯基乙酸的加 工液替换实施例1中使用的加工液。

实施例6

采用实施例1的步骤，但有以下例外。使用大于10目的研磨玉米粒替换 全玉米(whole corn)。

已结合各具体和阐述性实施方式和技术描述了本发明。但是，在不偏离 本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员将认识到可对本发明作出许多 改变和变动。

本申请要求2002年7月23日提交的美国临时申请系列号60/397982的优 先权，本文将该临时申请的全部内容纳入作为参考。