根据35u.s.c.§119(e)，本专利申请要求2015年1月29日提交的且标题为“asystemforandmethodofseparatingpurestarchfromgrainsforalcoholproductionusingadrymillprocess”的共同未决美国临时申请序号62/109424的优先权。本申请通过引用将美国临时申请序号62/109424整体并入。
本发明涉及干磨工厂。具体地，本发明涉及分离纯生淀粉和/或液化淀粉的系统和方法。
背景技术：
图1是一种用于酒精生产的典型湿磨工艺。图2是一种利用后端油回收系统的典型干磨工艺。图3是一种利用后端油和蛋白质回收系统的典型干磨工艺。图4是一种利用前端研磨和前端油回收系统的典型干磨工艺。
从谷物生产各种类型的酒精的常规方法通常取决于谷物研磨工艺是湿操作的还是干操作的而遵循类似的程序。湿磨玉米加工工厂将玉米粒转换成几种不同的副产品，诸如胚芽(用于油提取)、麸质饲料(高纤维动物饲料)、麸质粗粉(高蛋白动物饲料)和基于淀粉的产品(诸如乙醇、高果糖玉米糖浆或者食物)以及工业淀粉(诸如生物技术工艺原料)。
干研磨乙醇工厂将玉米转换成两种产品，即乙醇和具有可溶物的蒸馏器的谷物。如果作为湿动物饲料销售，则具有可溶物的蒸馏器的湿谷物被称为dwgs。如果干燥用于动物饲料，则具有可溶物的蒸馏器的干谷物被称为ddgs。在标准的干研磨乙醇工艺中，除了产生大约10.3公升(大约2.75加仑)的乙醇之外，一蒲式耳的玉米还产生大约8.2公斤(大约17磅)的ddgs。这些副产品提供弥补总乙醇生产成本的一部分的关键辅助收益流。尽管ddgs包含11％的油和30％的蛋白质(干物质基础(dmb))，ddgs作为低价值动物饲料销售。一些工厂已经开始修改典型工艺，以从ddgs分离油和蛋白质。
关于湿磨工艺，图1示出了典型的湿磨乙醇生产工艺10的流程图。工艺10从浸泡步骤11开始，其中玉米通常在水和二氧化硫的溶液中浸渍达大约24至48小时，以使用于研磨的核仁软化，将可溶性组分浸取到浸泡水中，并且用胚乳使蛋白质基质松弛。玉米核仁主要含有淀粉、纤维、蛋白质和油。然后在研磨机处将具有大约50％ds(干固体)的所浸泡的玉米(在浸泡步骤11之后)供给到确定磨碎步骤(第一研磨)12，其中以如下方式来研磨玉米：撕开核仁并且释放胚芽，以制成研磨组分的重密度(8至9.5be)料浆——主要是淀粉料浆。之后是通过浮选和使用水力旋流器将胚芽与料浆的其余部分分离的胚芽分离步骤13。胚芽是核仁的包含玉米核仁中的大部分油的部分。含有淀粉、蛋白质和纤维的某一部分的分离的胚芽流(作为胚芽副产物被分离出来)去往胚芽冲洗工艺以除去过量的淀粉和蛋白质，然后去往干燥器以产生每蒲式耳玉米约2.5至3磅(干基础)的胚芽。干胚芽具有大约50％的油含量(在干基础上)。
然后，在步骤13剩余的料浆(其现在没有胚芽，但含有纤维、玉米麸质(即，蛋白质)和淀粉)经受在细研磨机处的细研磨步骤(第二研磨)14。细研磨产生对胚乳的近似完全破坏，以及从纤维中释放胚乳组分(即麸质和淀粉)。步骤14之后是纤维分离步骤15，其中料浆通过一系列筛(screen)，以将纤维与淀粉和麸质分离并且冲洗纤维，使得纤维是干净的并且没有过量的麸质和过量的淀粉。纤维分离阶段15通常采用静压力筛或安装在筒筛中的旋转桨(桨筛)。
即使在冲洗之后，来自典型的湿研磨的纤维含有15％至20％的淀粉。该淀粉可以与纤维一起作为动物饲料销售。现在没有纤维的步骤15的剩余料浆经受麸质分离步骤16，其中离心作用将淀粉与麸质分离。麸质流去往真空过滤器中的步骤16a，之后是在干燥器处的干燥步骤，以产生麸质(蛋白质)粗粉。
对于酒精生产，来自淀粉麸质分离步骤16的淀粉通常通过喷射蒸煮器，以开始将淀粉转化为糖的工艺。喷射蒸煮是指在升高的温度和压力下进行的蒸煮工艺。升高的温度和压力可以变化很大。通常，喷射蒸煮发生在大约120℃至150℃(大约248°f至302°f)的温度和大约8.4kg/cm2至10.5kg/cm2(大约120lbs/in2至150lbs/in2)的压力下，尽管当使用大约8.4kg/cm2(大约120lbs/in2)的压力时，温度可以低至大约104℃至107℃(大约220°f至225°f)。
来自淀粉麸质分离步骤16的淀粉之后是液化和糖化步骤17、发酵步骤18、酵母回收(未示出)、和蒸馏/脱水步骤19。当混合物或者“糊状物”保持在90至95℃，允许α-淀粉酶将糊化的淀粉水解成麦芽糊精和寡糖(葡萄糖分子的链)(这产生液化的糊状物或者料浆)时，发生液化。
在糖化步骤17中，将液化的糊状物冷却至大约60℃，并加入称为葡萄糖淀粉酶的商业酶。葡萄糖淀粉酶将麦芽糖糊精和短链寡糖水解成单个葡萄糖分子，以产生糖化的糊状物。在发酵步骤18中，加入酵母(最常见酿酒酵母)以将葡萄糖代谢成乙醇和co2。
完成后，发酵的糊状物(“啤酒”)通常含有大约15％至18％的乙醇(体积/体积基础)。在发酵步骤18之后是蒸馏和脱水步骤19，其中将啤酒泵送到蒸馏汽提塔中，在该蒸馏汽提塔中啤酒沸腾以使乙醇蒸发。乙醇蒸气在精馏蒸馏塔中冷凝，并且液态酒精(在这种情况下为乙醇)以大约95％的纯度(190proof(标准酒度))离开蒸馏系统。然后，190proof乙醇经过分子筛脱水塔，分子筛脱水塔从乙醇中除去剩余的残余水，以产生基本上100％乙醇(199.5proof)的最终产品。该无水乙醇现在准备好用于马达燃料用途。蒸馏后剩余的固体和一些液体去往蒸发阶段20，在蒸发阶段20，酵母可作为副产物被回收。酵母可以可选地再循环回发酵器。在一些情况下，co2被回收并且作为商品销售。
离心步骤是在湿磨乙醇生产工艺10结束时所需的步骤，因为冷凝的浸泡液(csl)、胚芽、纤维和麸质在先前的分离步骤11a、13、15和16中已经被除去。在湿磨工艺10中，蒸馏和脱水19后产生的“酒糟(stillage)”是“糖浆”。
湿磨工艺10可以产生用于转换为酒精的高质量淀粉产品，以及可作为副产物销售以产生附加收益流的胚芽、纤维和蛋白质的分离流。然而，湿磨工艺复杂并且成本高昂，需要用于操作的高资本投资以及高能源成本。
因为湿研磨的资本成本可能如此高，所以一些酒精工厂优选使用更简单的干磨工艺。图2是典型的干研磨乙醇生产工艺200的流程图。作为一般参考点，干研磨乙醇工艺200可以分为前端和后端。工艺200的在蒸馏24/发酵23之前发生的部分被认为是“前端”，并且工艺200的在蒸馏24/发酵23之后发生的部分被认为是“后端”。贯穿整个说明书，可以使用“前端”和“后端”区别。
工艺200的前端开始于研磨步骤21，其中干燥的整个玉米核仁通过锤磨机21，以研磨成玉米粗粉或者细粉末。锤磨机中的筛孔通常为大约7/64”或者大约2.78mm，其中所得颗粒分布产生非常广的钟型曲线粒度分布(包括小于45微米和大于2至3毫米的粒度)。
在锤磨机21之后，在液化22处使用喷射蒸煮工艺。将温度维持在大约50℃至105℃之间达大约30分钟至四(4)小时，以便将料浆中的不溶性淀粉转换成可溶性淀粉。液化步骤22之后的流具有大约30％的干固体(ds)含量，其中所有组分被包含在玉米核仁中(例如包括糖、蛋白质、纤维、淀粉、胚芽、砂砾、和油和盐)。在液化流中通常有三种类型的固体：纤维、胚芽和砂砾，其中所有三种固体具有大约相同的粒度分布。液化步骤22之后是同时糖化和发酵步骤23。在工业中的这种同时步骤被称为“同时糖化和发酵”(ssf)。
在一些商业干研磨乙醇工艺中，糖化和发酵分开发生(未示出)。分开的糖化之后是发酵和ssf两者都可能需要长达约50至72小时。发酵使用发酵器将糖转化为酒精。在糖化和发酵步骤23之后是利用蒸馏室来回收酒精的蒸馏(和脱水)步骤24。
在蒸馏24之后的工艺200的后端包括纤维分离步骤25，纤维分离步骤25包括对通过蒸馏步骤24产生的“整个酒糟”进行离心，以将不溶性固体(“湿饼(wetcake)”)与液体(“稀酒糟”)分离。
“湿饼”包括纤维(全盖(percap)、顶盖(tipcap)和细纤维)、砂砾、胚芽颗粒和一些蛋白质。来自离心的液体包含大约6％至8％的ds，该ds主要包含来自发酵器的油、胚芽、细纤维、细砂砾、蛋白质、可溶性固体和来自玉米的灰分。在一些工厂中，将具有大约12％至14％ds的整个酒糟供给到第一级蒸发器，在供给到纤维分离步骤25之前浓缩至15％至25％ds。
稀酒糟分成两个流，大约30％至40％的流量再循环回去(“回置”)，以在液化步骤22开始时在料浆罐中与玉米粉混合。流量的其余部分(大约总流量的60％至70％)然后在蒸发步骤27中进入蒸发器以煮掉水分，留下主要含有来自发酵的可溶性(溶解)固体的稠糖浆(25％至40％干固体)。回置水在液化步骤22中被用作蒸煮水的一部分，以减少新鲜水的消耗，并且节省蒸发能量和设备成本。
浓缩料浆能够经受可选的油回收步骤26，其中可以对料浆进行离心，以将油与糖浆分离。油可以作为单独的高价值产品销售。油产量通常为大约0.4磅/蒲式耳的具有高游离脂肪酸含量的玉米。这一油产量只能回收玉米中的油的大约1/4。在蒸馏步骤24之后，玉米核仁内的油的大约一半保留在胚芽内，在典型的干研磨工艺中使用离心不能分离这些油。当将油保持在发酵器中达大约50小时时，产生的游离脂肪酸含量降低了油的价值。
(脱油)离心仅除去糖浆中的少于50％的油，这是因为蛋白质和油产生不能分离的乳液。诸如破乳添加剂的化学品的添加可以在一定程度上提高分离效率，但化学品成本高昂并且ddgs产品可能被添加的化学品污染。在离心时或者之前提供热量或者提高进料温度来破坏乳液是另一种方式，但是过量的加热会对ddgs的颜色和质量产生负面影响。添加酒精以破坏乳液还改善分离并且提高油产量，但需要昂贵的防爆设备和成本高昂的乙醇回收操作。所有那些改善仅将油产量从平均0.4磅/蒲式耳提高到大约平均0.6磅/蒲式耳，尽管整个酒糟中的“游离”油大约为1磅/蒲式耳。油/蛋白质在整个干磨工艺期间形成乳液，这是在后端油系统中具有低油产量的主要原因。
如图3的工艺30所示，前端工艺可以像现有的干磨工艺一样简单。该工艺在后端工艺处的纤维分离25之后的步骤处改变其程序。将这一油/蛋白质分离步骤28添加在纤维分离步骤25和蒸发器步骤27之间。喷嘴离心机、盘式离心机或者倾析器通常用于该应用。将来自纤维分离步骤25的稀酒糟供给到油/蛋白质分离离心步骤28。以离心机内的更高的g力来破坏油/蛋白质乳液，针对足够高的g力，通常需要盘式离心机。由于油(密度0.9克/毫升)和蛋白质(1.2克/毫升)之间的密度差异，油去往轻相(溢流(overflow))排放并且蛋白质去往重相排放(底流(underflow))。然后将轻相(溢流)供给到蒸发器步骤27，以浓缩为含有25％至40％的ds(形成半浓缩糖浆)。接下来，将半浓缩糖浆送到后端油回收系统步骤26，以在后端回收油。轻相流含有较少的蛋白质，因此它具有降低的形成油/蛋白质乳液的倾向。
利用该系统的油产量可以高达1磅/蒲式耳。来自后端油回收步骤26的脱油糖浆可以在蒸发器中进一步浓缩至高得多的糖浆浓度(高达约60％)的ds。具有低蛋白质的脱油糖浆即使具有显著更高的ds浓度也可以避免在蒸发器处结垢。来自油/蛋白质分离步骤28的底流去往用于蛋白质回收的蛋白质脱水步骤32。将来自蛋白质脱水步骤32的具有小于大约3％的油含量的分离的蛋白质饼送到蛋白质干燥器步骤33，以产生蛋白质含量约45-50％的高价值蛋白质粗粉。来自蛋白质脱水步骤32的液体作为回置液体被送回到前端，该回置液体在液化步骤22中被用作蒸煮水的一部分。
由于油在发酵器中超过50小时并且在蒸馏工艺后保持在升高的温度达许多个小时，所以从后端油回收系统回收的所有油都具有差的质量、深色和高级脂肪酸(大约15％至20％)。因为油和蛋白质形成稳定的乳液，也难以实现后端油分离。干磨工艺中的每个步骤通常伴随着倾向于产生油/蛋白质和/或油/淀粉乳液的离心泵转移。
为了获得质量好的油，并且避免在干磨工艺期间油/蛋白质乳液的形成，在多次离心泵转移之前的前端中回收油是一个很好的解决方案。测试了用于从液化步骤处的液化淀粉流中回收油的三相倾析器，但是由于液化淀粉溶液中的高粘度，加上大部分油在早期液化期间仍然处于胚芽形式，油产量通常低至大约0.2磅/蒲式耳。然而，来自前端回收的油质量比从后端获得的油好得多，具有更浅的颜色和5％至9％之间的游离脂肪酸。
已经开发了改进的前端油回收系统，来提高油产量并且提高酒精的产量。如图4的工艺40所示，两级液/固分离步骤42和44之后是分别与逆流设置串联的两级脱水磨步骤43和45。在逆流设置中，将一部分蒸煮水(诸如来自步骤49处的固/液分离的步骤)添加到贮存罐步骤46，而不是添加到料浆罐步骤41。
逆流冲洗设置允许将在第二脱水磨步骤44之后的中等尺寸的胚芽循环回到第一脱水磨步骤42，以用于再次破坏胚芽颗粒。选择在第一固/液分离步骤42和第二固/液分离步骤44时的筛孔尺寸，以给出期望的尺寸程度并且将胚芽颗粒循环到料浆罐。
在步骤41，来自步骤21的锤磨机的玉米面粉与来自第二固/液分离步骤44的液体流通过喷射蒸煮器的可选使用在料浆罐处混合。来自步骤41的料浆去往第一固/液分离步骤42，使得液体与固体分离。在步骤42，含有油和小固体谷物颗粒(胚芽、蛋白质和细纤维)的液体形成液化淀粉溶液，该液化淀粉溶液被送到前端油回收步骤47。
在贮存罐步骤46之后，将料浆送到第二固/液分离步骤44以脱水。从步骤44分离的液体被循环回到料浆罐步骤41。来自第二固/液分离步骤44的饼去往第二脱水磨步骤45。随后，在第三固/液分离器步骤49之前，将饼与回置水混合。将来自第三固液分离步骤49的液体送到贮存罐步骤46。将来自固液分离步骤49的饼送到用于发酵步骤23的发酵器。
来自步骤42处的第一固/液分离的液体包含前端中的油的大部分，并且被送到前端油回收系统。在油分离步骤47，通常使用三相喷嘴离心机，以将油/乳液/小胚芽颗粒与液化淀粉溶液分离。将含有大多数的油/乳液/胚芽颗粒与少量液化淀粉溶液的轻相送到另一个较小的三相分离离心机(倾析器或者盘式离心机)，以便在需要时使油精炼。将来自三相喷嘴离心机步骤47和第三固液分离两者的重相和底流/饼相送到发酵步骤23，以首先转换为糖然后转换为酒精。来自发酵器的含有约15％至17％酒精的“啤酒”去往蒸馏步骤24用于酒精回收。从蒸馏步骤24的底部得到的没有酒精的整个酒糟可以选择去往第一级蒸发器以用于从正常的12％至14％的ds预浓缩至15％至25％的ds浓度，然后跟随有胚芽气旋以使仍在整个酒糟中的任何更大的胚芽漂浮。
根据前研磨系统和浓缩的整个酒糟的密度以及胚芽气旋操作的有效性，使用胚芽气旋能够将油产量提高大约0至0.2磅/蒲式耳。从胚芽气旋的底部排放的脱胚芽纤维流或者从步骤24处的蒸馏器的底部排放的整个酒糟被送到纤维分离步骤25处的倾析式离心机，以回收纤维作为ddg湿饼。从倾析器回收的液体被分成两个流：约30％至60％或者更多的流量用作回置(例如，送到步骤49)，并且剩余的40％至70％的流量被送到蒸发器步骤27以浓缩至约45％ds作为糖浆副产物。
对用于生产有价值的副产物(如油、蛋白质和用于二次酒精生产的纤维素等)的干磨工艺的上述改进已经成为比用于乙醇生产的典型的湿磨工艺更高效的工艺。然而，诸如四碳醇(异丁醇和正丁醇)工艺的许多生物技术工艺仍然优选使用来自湿磨工艺的纯淀粉/糖作为原料，因为四碳醇工艺需要使用无菌糖溶液以最小化继发细菌代谢物。还有，使用原位酒精回收方法以避开四碳醇的毒性。这些回收技术可能由于非淀粉谷物颗粒的存在而变得复杂。
图5图示了典型玉米核仁结构500，其具有两种类型的胚乳：粉质胚乳502(在非常薄的蛋白质基质细胞壁内的软/松的淀粉粒)和角质胚乳504(在非常厚的蛋白质基质细胞壁中的硬/紧的淀粉粒)。
在湿磨工艺中，需要许多复杂并且昂贵的操作步骤来从角质胚乳的蛋白质中分离/纯化淀粉。另一方面，角质胚乳内的蛋白质基质中的淀粉可以在干磨工艺中在液化步骤中容易地转换为液化淀粉。然而，该液化淀粉含有蛋白质、油和对于许多生物技术工艺来说不是理想原料的其他可溶性固体。
技术实现要素：
在一些实施例中，本发明使用玉米干磨工艺将粉质胚乳与角质胚乳分离。在一些其它实施例中，本发明使用玉米湿磨工艺将粉质胚乳与角质胚乳分离。在一些实施例中，纯生淀粉或者液化淀粉首先主要由粉质胚乳内的淀粉生产。纯生淀粉可用作生物技术产业的原料。在一些其他实施例中，在干磨工艺中，将玉米核仁内的角质胚乳(包括砂砾)与所有非淀粉材料(诸如胚芽、纤维和可溶性固体)一起组合，以产生乙醇和有价值的副产物(诸如蛋白质、油和纤维素)。
在下文中，公开了淀粉分离工艺(例如，将粉质胚乳与角质胚乳分离)的优化和纯化淀粉的工艺。以下四个工艺(图6的系统60、图7的系统70、图8的系统80和图9的系统90)是优化淀粉分离和纯化的选择的实施例。
图6图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉回收系统60。在一些实施例中，系统60包括淀粉回收/隔离单元60a，该淀粉回收/隔离单元60a包括液化淀粉分离步骤61和液化淀粉纯化步骤62。在一些实施例中，液化淀粉分离步骤61和液化淀粉纯化步骤62可加入典型的干磨工艺/或者与典型的干磨工艺组合。在一些实施例中，淀粉回收单元60a产生纯液化淀粉。系统60可用于生产无固体的液化淀粉(诸如可用于生物技术工艺的90％-100％纯度、95％-100％纯度或者99％-100％纯度)以及乙醇和有价值的副产物(蛋白质和油)。
在一些实施例中，工艺60可以开始于使用锤磨机、滚磨机或者其它合适的干谷物研磨工艺的磨碎步骤21。在液化步骤22中，粉质胚乳中的淀粉能够被液化，并且角质胚乳中的淀粉仍在蛋白质基质内(作为砂砾与蛋白质结合)。液化步骤22中的液化流(包含液化淀粉，该液化淀粉具有诸如胚芽、砂砾、纤维和可溶性固体的所有固体)被送到分离设备(例如桨筛)，以在液化淀粉分离步骤61中除去那些固体。
在液化淀粉纯化步骤62中，来自步骤61的液化淀粉可以通过过滤或者使用离心设备进一步纯化，以除去任何细固体。在步骤61，将其余固体(砂砾、胚芽和纤维)送到研磨步骤63，以进一步破坏1)淀粉和蛋白质之间、2)淀粉和纤维之间以及3)淀粉和胚芽之间的相互作用，使得结合的淀粉可以在被送到用于乙醇生产的发酵步骤23和蒸馏步骤24之前被释放出来并液化。系统生产乙醇和诸如油、蛋白质和纤维素的有价值的副产物。
图7图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉回收系统70。工艺70包括在干磨工艺的前端工艺中(在发酵之前)的淀粉回收/隔离单元70a，该淀粉回收/隔离单元70a具有消化步骤71、淀粉回收/分离步骤72和淀粉纯化步骤73。
在系统70中的磨碎步骤21，玉米首先在诸如锤磨机的磨碎设备中被磨碎。在磨碎步骤21之后的步骤71，将玉米面粉与(诸如来自淀粉纯化步骤73的)一定量的工艺水一起送到消化器。将步骤71处的溶液/料浆的ph调节至具有大约7至9的ph，并且将温度保持为刚好低于淀粉糊化温度(大约50℃)，使得粉质胚乳内的淀粉和显著分数的角质胚乳可以从谷物材料的其余部分释放/分离。
在淀粉回收和分离步骤72，通过使用筛设备(诸如压力筛或者桨筛)，将释放的淀粉与较大颗粒尺寸的砂砾、胚芽和纤维分离。来自分离步骤72的淀粉料浆被送到在淀粉纯化步骤73处的淀粉纯化设备。淀粉纯化设备可以是气旋器或者离心机，使得可以去除非淀粉固体(油、蛋白质、胚芽、粗纤维、细纤维和可溶性固体)。在步骤73的该纯化淀粉可用作一些预定生物技术工艺(诸如制备丁醇)的原料。
在淀粉回收/分离步骤72处的较大尺寸的固体(诸如胚芽、砂砾和纤维)被送到液化步骤22，以产生乙醇以及诸如油、蛋白质和纤维素的有价值的副产物。
图8图示了根据本发明的一些实施例的湿磨工艺淀粉回收系统80。在一些实施例中，工艺80包括在发酵步骤23之前的淀粉回收/隔离单元80a。在一些实施例中，工艺80包括玉米核仁软化步骤11(例如浸泡)、用于使浸泡的玉米核仁裂开的研磨步骤12、以及胚芽分离步骤13。
在胚芽分离步骤13，脱胚芽流去往淀粉分离/回收步骤81，使得可以将“释放的”淀粉与“结合的”淀粉和其它非淀粉材料分离。释放的淀粉包括松的并且很大程度上没有附接于其它材料的淀粉粒。释放的淀粉粒的直径通常小于35um。结合的淀粉包括物理附接于蛋白质、纤维、胚芽或者这些组分的组合的淀粉粒。
在淀粉分离/回收步骤81，将“释放的”淀粉流送到淀粉纯化步骤82，以产生纯化淀粉作为用于预定生物技术工艺的原料。在淀粉分离/回收步骤81处的“结合的”淀粉和非淀粉材料流(诸如纤维、胚芽和砂砾)用于生产乙醇和有价值的副产物(诸如油、蛋白质和纤维素)。在一些实施例中，结合的淀粉和非淀粉材料流可以被送到液化/划破步骤22。系统80产生乙醇和高价值副产物(诸如油/胚芽、蛋白质和纤维素)。
图9图示了根据本发明的一些实施例的具有附加筛分步骤的干磨淀粉回收系统90，该系统90类似于图7的系统70。
一方面，干磨淀粉回收方法包括：在发酵前将第一淀粉与第二淀粉分离，其中第一淀粉来自粉质胚乳并且第二淀粉在角质胚乳内；将第一淀粉送到淀粉纯化设备；并且纯化第一淀粉，从而形成纯化液化淀粉。
在一些实施例中，方法还包括提供纯化液化淀粉作为生物技术原料。在其它实施例中，分离包括形成液相和含有固体的相，液相含有液化淀粉，含有固体的相具有与胚芽、砂砾和纤维结合的淀粉。在一些其它实施例中，方法还包括研磨含有固体的相，以从角质胚乳释放第二淀粉。在一些实施例中，将含有固体的相送到发酵器。在其它实施例中，方法还包括使用含有固体的相生成酒精。在一些其它实施例中，方法还包括在分离之前进行液化，使得第一淀粉与粉质胚乳分离。在一些实施例中，角质胚乳包括与包含在角质胚乳内的第二淀粉结合的蛋白质。在其它实施例中，纯化包括从第一淀粉中除去油和蛋白质。
在另一方面，干磨淀粉回收方法包括：使磨碎的玉米面粉在消化器中遇到苛性(caustic)化学品，将消化器中的含有磨碎的玉米面粉的溶液的ph值调节至7.5～9的范围，维持消化器中的溶液的温度低于淀粉糊化温度，将一定量的释放淀粉与剩余的结合淀粉隔离，并发送结合淀粉以用于发酵。在一些实施例中，苛性化学品包括naoh和na2co3。在其它实施例中，苛性化学品还包括na2so3。在一些其它实施例中，方法还包括在消化器之后进行研磨。在一些实施例中，方法还包括在隔离一定量的释放淀粉后，发送淀粉料浆以纯化释放淀粉。在其它实施例中，方法还包括在纯化释放淀粉时除去油和纤维。在一些其它实施例中，用于发酵的结合淀粉包括砂砾、胚芽和纤维。
在另一方面，湿磨淀粉回收方法包括：浸渍或者浸泡一定量的玉米，湿磨玉米以生成游离淀粉部分和结合淀粉部分，分离游离淀粉部分和结合淀粉部分，发送游离淀粉部分以用于淀粉纯化以产生纯化淀粉，并且发送结合淀粉部分以用于发酵。在一些实施例中，方法还包括在分离之前除去胚芽。在其他实施例中，方法还包括在发酵之前进行液化。在一些其它实施例中，结合淀粉部分包括纤维和砂砾。在一些实施例中，方法还包括使用结合淀粉部分来产生酒精。在其它实施例中，方法还包括使用纯化淀粉生产丁醇。
在另一方面，干磨淀粉回收方法包括：将一定量的玉米磨碎形成面粉，将面粉分离成粗面粉部分和细面粉部分，将细面粉部分送到消化器中的苛性化学品以产生游离淀粉，将消化器中的溶液的ph值调节至7.5～9的范围，维持消化器中的溶液的温度低于淀粉糊化温度，回收游离淀粉，纯化游离淀粉以形成纯化淀粉，并且发送粗面粉部分以用于发酵。在一些实施例中，方法还包括在回收和消化器之间进行研磨。在其它实施例中，方法还包括使用纯化淀粉生成丁醇。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且连同上面给出的对本发明的总体描述以及下面给出的对实施例的详细描述，用于解释本发明的原理。
图1是用于生产乙醇、蛋白质粗粉和蛋白质饲料的典型湿磨工艺和系统的流程图。
图2是用于生产乙醇和在后端工艺中回收油和wdg的典型干磨工艺和系统的流程图。
图3是用于生产乙醇和在后端工艺中回收油和蛋白质和wdg的典型干磨工艺和系统的流程图。
图4是用于干磨工艺的典型方法和系统的流程图。
图5图示了典型的玉米核仁结构。
图6图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉回收系统。
图7图示了根据本发明的一些实施例的另一干磨淀粉回收系统。
图8图示了根据本发明的一些实施例的湿磨工艺淀粉回收系统。
图9图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉生产工艺。
具体实施方式
玉米核仁中的大部分的淀粉在两种类型的胚乳内：粉质胚乳(软胚乳)和角质胚乳(硬胚乳，通常称为“砂砾”)。可以容易地分离/除去粉质胚乳内的淀粉粒，得到纯化的淀粉。然而，角质胚乳内的淀粉粒被强的蛋白质基质保护，该蛋白质基质难以与淀粉粒分离以产生纯化的淀粉。
玉米湿磨工艺是复杂且昂贵的，其主要目的是从两种胚乳生产尽可能多的纯淀粉。尽管干磨工艺可以容易地将粉质胚乳和角质胚乳中的淀粉转换为糖，然后转换为酒精并生产高价值的副产物(诸如油、蛋白质和纤维素)，典型的干磨工厂不能生产纯化糖或者生淀粉，作为用于可再生能源和生物技术工艺的原料。
在一些实施例中，本发明首先将粉质胚乳中的淀粉与玉米内的其余物质分离/隔离，并且产生纯化的生淀粉或者液化淀粉，作为用于青睐纯化淀粉的可再生能源和生物技术(诸如制备丁醇)中使用的原料。
接下来，在一些实施例中，将玉米核仁内的其余物质(诸如胚芽、与蛋白质和纤维结合的淀粉、和其他物质)送到干磨工艺之一(诸如图4中的工艺40)，以生产乙醇和有价值的副产物(诸如油、蛋白质和纤维素)。
以下三个流程图图示了生产可再生能源和生物技术工艺所需的生淀粉/液化淀粉的几个实施例。
图6图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉回收/隔离系统60。在一些实施例中，淀粉回收单元60a产生纯液化淀粉。在一些实施例中，工艺60包括液化淀粉分离步骤61、液化淀粉纯化步骤62和选择性研磨步骤63。该工艺可以与典型的干磨工艺一起使用，或者加入到典型的干磨工艺中。
在磨碎步骤21，将玉米供给到锤磨机、滚磨机或者其它合适的干谷物研磨机，以通过选择适当的筛尺寸来产生具有预定的粒度分布的玉米面粉。在液化步骤22，蒸煮水和酶被加入到玉米面粉。液化步骤22包括使用料浆罐、喷射蒸煮器、选择性研磨设备、贮存罐和纤维分离设备，其发生在发酵步骤23之前。
在液化淀粉分离步骤61，将来自液化步骤22的液化淀粉与其余材料分离。在步骤61可以使用任何筛分离设备(例如压力筛、桨筛或者其组合)。
来自步骤61的液体部分主要含有液化淀粉与少量的油、蛋白质和可溶性固体，它们被送到液化淀粉纯化步骤62，使得通过使用过滤设备(诸如真空鼓(drum)或者离心设备(诸如喷嘴离心机或者新盘式倾析器))来除去油和蛋白质。来自液化淀粉纯化步骤61的纯化液化淀粉能够用作用于生物技术工艺的原料。
在一些实施例中，将来自液化分离步骤61的固相送到选择性磨碎步骤63，以进一步释放和液化“结合的淀粉”。然后，将来自选择性研磨步骤63的输出送到改进的干磨工艺之一(例如，图4中的工艺40)(诸如发酵步骤23)，以产生乙醇和有价值的副产物(诸如油、蛋白质和纤维素/ddgs)。
来自液化淀粉纯化步骤62的纯液化淀粉具有10％至40％ds(干固体)的糖含量和0.3％至3％ds之间的蛋白质含量。糖和蛋白质含量根据所采用的系统设置和操作条件而可变。纯液化淀粉产量可以根据所使用的玉米的种类、以及所使用的操作条件和设备而变化。通常，较高产量的淀粉通常产生较低纯度的液化淀粉。在一些实施例中，淀粉产量范围为玉米中淀粉的30％至85％。
使用工艺60生产的液化淀粉含有来自玉米的非淀粉可溶性矿物质和维生素、加上一定量的可溶性和不溶性蛋白质和油。
图7图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉回收系统70。在工艺70中，在磨碎步骤21，玉米通过锤磨机或者滚磨机，以通过选择筛尺寸和气流速率来产生预定的粒度分布的玉米面粉。
在消化步骤71，将玉米面粉加入到消化罐，该消化罐具有一定量的工艺水，以具有10％至40％ds的浓度。用苛性化学品(例如naoh)、苏打灰(na2co3)或者石灰物质将料浆的ph调节至7～9。在一些实施例中，还将一定量的砂砾软化剂(诸如na2so3)加入到消化工艺。在消化步骤71，使消化器处的温度维持在刚好低于淀粉糊化温度(约50℃至55℃)达10分钟至2小时。
通过使用消化步骤71，胚乳中的蛋白质基质细胞壁被苛性物质分解，并且淀粉粒被释放。在消化步骤71中，粉质胚乳中的全部或者基本上全部淀粉和角质胚乳中的淀粉的一部分从玉米核仁结构中“释放”。
在一些实施例中，在消化步骤71之后，研磨步骤75能够用于增加淀粉产量。将消化步骤71中的物质或者步骤71和75的组合物送到淀粉回收/分离/隔离步骤72。在步骤72，使用筛式分离器(诸如压力筛、桨筛、其组合和其他类型的筛分离器)，以将释放的淀粉与其它较大的不溶性玉米颗粒分离。筛孔尺寸可以在45微米至250微米的范围内，这取决于期望的淀粉的产量和纯度。
在步骤72，将主要含有“释放的”淀粉的流送到淀粉纯化步骤73，使得所有非淀粉材料(诸如油、蛋白质(可溶和不溶性)和玉米核仁内的可溶性固体)被冲洗/除去。
在步骤73，通常使用具有逆流冲洗设置的多级水力旋流器或者盘堆喷嘴离心机。步骤73之后的纯化淀粉料浆可以具有35％至40％的ds浓度，具有低蛋白质含量(以干基础的0.2％至2％)。
来自淀粉回收/分离步骤72的、主要含有来自玉米核仁的结合淀粉和所有其它非淀粉材料的另一个流被送到干磨液化步骤22，用于通过使用干磨工艺来生产乙醇和有价值的副产物。在一些实施例中，工艺70具有玉米核仁内的淀粉的30％至50％的纯生淀粉产量。
图8图示了根据本发明的一些实施例的湿磨工艺淀粉回收系统80。在一些实施例中，工艺80能够具有高纯淀粉产量，并且回收用于生产食品级玉米油、而不是较低质量的工业级玉米油的胚芽。
在工艺80中，玉米通过浸渍/浸泡步骤11。在一些实施例中，执行研磨步骤和胚芽分离步骤13以分离和回收胚芽。在一些实施例中，在胚芽分离步骤13处的脱胚芽流被送到细研磨设备(诸如，例如盘磨机)以进一步破坏淀粉和蛋白质基质之间的结合，然后将该脱胚芽流送到淀粉回收步骤81，使得“释放的淀粉”从玉米核仁内的“结合淀粉”和非淀粉材料中分离和回收。
将来自步骤81的淀粉流送到淀粉纯化步骤82以冲洗/纯化淀粉。来自淀粉纯化步骤82的经冲洗的纯化淀粉料浆(35％至40％ds)用作预定的生物技术工艺(诸如制备丁醇)的原料。来自步骤81和82的来自玉米核仁的结合淀粉和非淀粉材料被送到液化步骤22和发酵步骤23，以产生乙醇和包括油、蛋白质和纤维/ddgs的副产物。在一些实施例中，在步骤81使用压力筛和桨筛，并且在步骤82使用多级气旋器或者盘堆喷嘴离心机，其中单独设置或以各种工作组合进行逆流冲洗。
工艺80提供更高的淀粉产量和高纯度，其中选择回收用于生产食品级玉米油的胚芽。
图9图示了根据本发明的一些实施例的干磨淀粉生产工艺90。在一些实施例中，工艺90包括类似于图7的工艺70的工艺90b。在一些实施例中，工艺90包括工艺90b和筛分工艺90a。
在一些实施例中，引入筛分步骤91以将锤磨或者滚磨的玉米分离成粗研磨的玉米部分和细研磨的玉米部分。粗研磨的玉米具有较高浓度的纤维和角质胚乳。细研磨的玉米具有较高浓度的粉质胚乳。通过使具有更高的粉质胚乳含量的部分改道，因为当其与角质胚乳相比时粉质胚乳的较低缓冲容量，使给定量的材料达到ph9所需的碱性溶液的量减少。
虽然已经通过各种实施例的描述说明了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施例，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于这种详细说明。例如，本文所述的工艺可以使用来自其他生物工艺的糖溶液，诸如来自其它纤维素原材料的蔗糖和五碳糖。对于另一个示例，尽管本文描述的各种系统和方法集中在玉米上，但实际上可以使用任何类型的谷物，包括但不限于小麦、大麦、高粱、黑麦、稻米、燕麦等。使用本文所述的工艺，可以生产纯化(白色)谷物纤维，以用于造纸工业或者用作二次酒精生产的原料。此外，使用本文所述的工艺，可以生产纯化的糖溶液，以用于绿色技术、现有的食品生产工艺(诸如例如柠檬酸和赖氨酸)和生物技术工艺。因而，本发明在其更广泛的方面因此不限于具体细节、代表性的装置和方法、以及示出和描述的说明性示例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或者范围的情况下，可以脱离这种细节。
实验
示例1.从使用装配有7/64”筛的锤磨机的商业运作的乙醇工厂获得磨碎的玉米。使磨碎的玉米通过#35美国标准测试筛分机(500μm)。62％的面粉通过筛，并且38％被捕获在筛上。通过筛(亚500微米)的材料被收集并且用于接下来的玉米淀粉提取测试。
将七十五(75)克的亚500微米的磨碎的玉米加入到500毫升水中并充分混合。向混合物中加入碳酸钠(苏打灰)，直到达到9的ph。将玉米料浆放入实验室瓦氏混合器中并且混合2分钟。然后，混合的玉米料浆混合物被放置在具有磁搅拌器的热板上，并升至50℃，并且在恒定搅动下保持在该温度1小时。
然后将加热的玉米料浆倒入两个300ml的容器中，并且在实验室离心机中以2000rpm离心1分钟。将上清液倾倒并且弃去，并且保留悬浮的固体团。
通过加入水并摇动容器，利用约250ml的温自来水，每个离心管中的玉米团重新悬浮，然后放置在实验室离心机中以2000rpm达1分钟。将上清液再次倾倒并弃去，并且保留悬浮的固体团。
通过加入水并摇动容器，利用约250ml的温自来水，每个离心管中的玉米团第三次再次悬浮，然后放置在实验室离心机中以2000rpm达1分钟。将上清液倾倒并弃去，并且保留悬浮的固体团。
通过少量水，玉米团第四次再次悬浮，并倒在#325美国标准测试筛分器(45μm)上。使用附加的水来冲洗驻留在过滤筛顶部的玉米微粒，以便尽可能多地去除细悬浮材料。没有通过筛的玉米微粒(纤维)在50℃对流实验室烘箱中干燥过夜。
针对蛋白质含量，分析所得的大于50μm和小于50μm部分的冲洗和干燥的玉米颗粒。大于50μm的材料的颜色为黄棕色，并且含有14.1％的蛋白质(干物质基础)。小于50μm的材料的颜色几乎是纯白色，并且含有2％的蛋白质(干物质基础)。
为了利用，本发明能够在发酵之前回收淀粉，以用作生物技术原料。在操作中，本发明能够在干磨系统中在发酵之前回收淀粉，并且在湿磨系统中回收游离淀粉。回收的淀粉可用作生物技术工业(诸如用于制备丁醇)的原料。在湿磨系统中，将含有结合淀粉的部分送到用于产生酒精的发酵工艺。在一个实施例中，干磨淀粉回收方法包括：在发酵之前，将第一淀粉与第二淀粉分离，其中第一淀粉来自粉质胚乳并且第二淀粉在角质胚乳内；将第一淀粉送到淀粉纯化设备；并且纯化第一淀粉，从而形成纯化液化淀粉。
在包含细节的具体实施例方面描述了本发明，以便于对本发明的构建原理和操作原理的理解。本文中对具体实施例及其细节的这种参照不旨在限制所附权利要求的范围。本领域技术人员容易清楚的是，可以在不脱离如由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在为了说明而选择的实施例中进行其他各种修改。