一種餐廚垃圾高效生產乙醇的方法與流程

2023-12-12 08:16:32 3

本發明涉及餐廚垃圾處理技術領域，更具體地，涉及一種餐廚垃圾高效生產乙醇的方法。

背景技術：

餐廚垃圾，俗稱泔腳，又稱泔水、潲水，是居民在生活消費過程中形成的生活廢物，極易腐爛變質，散發惡臭，傳播細菌和病毒，餐廚垃圾主要成分包括米和麵粉類食物殘餘、蔬菜、動植物油、肉骨等，從化學組成上講，有澱粉、纖維素、蛋白質、脂類和無機鹽等成分。隨著我國經濟的快速發展，餐廚垃圾的產量越來越大，對餐廚垃圾的再利用的研究也越來越多；其中，利用餐廚垃圾生產燃料乙醇和乳酸是實現其高值化利用的有效途徑。

申請號為201310437655.0的中國專利公開了一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，即在發酵前對餐廚垃圾進行水熱預處理，該方法所得乙醇產率較低，餐廚垃圾利用率較低。因此，仍需研究一種乙醇產率高、餐廚垃圾利用率高的處理方法。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，本發明提供的方法顯著提高了目標產物乙醇的產率、餐廚垃圾利用率高。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的：

一種餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，所述方法包括以下步驟：

s1.預處理：將餐廚垃圾進行水熱預處理，然後分離出固體餐廚垃圾；

s2.乙醇發酵：向s1分離出的固體餐廚垃圾中加入乙醇發酵用菌，發酵後分離得到乙醇；

其中，s2所述乙醇發酵用菌分兩次投加，投加次序為：先加入至少包括芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發酵菌群1，然後再加入至少包括瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、麴黴菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發酵菌群2。

在本發明的乙醇發酵過程中，發明人發現，若將乙醇發酵用菌分批加入固體餐廚垃圾中，發酵所得的乙醇具有較高的產率。尤其是當先加入包含有芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發酵菌群1發酵若干時間後，再加入包含有瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、麴黴菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發酵菌群2，採用此種添加順序發酵所得的乙醇的產率最高。

優選地，s2所述乙醇發酵用菌還含有乳桿菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根黴菌（rhizopus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、a55d21、叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、球囊菌（ascosphaera）、醋弧菌（acetivibrio）、產鹼桿菌（alcaligenes）、擬桿菌（bacteroides）、紫單胞菌（porphyromonadaceae）或假單胞菌（pseudomonas）中的一種或幾種。

餐廚垃圾預處理的主要目的是使餐廚垃圾中的纖維素、澱粉、蛋白質等大分子物質水解成為小分子，方便後續微生物發酵生產乙醇和乳酸，本發明為了獲得高產量的乙醇，對餐廚垃圾進行水熱預處理。水熱處理是在有水的環境下將餐廚垃圾進行熱化學處理，可使固體顆粒增加擴散係數，通過熱傳導，使有機物進一步分解，縮短反應時間。

優選地，s1中所述預處理為將分揀後的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理，然後分離出固體餐廚垃圾。首先將餐廚垃圾經過超聲波處理，產生的機械作用使固體顆粒間劇烈撞擊，形成的空化作用促成固體的分散；此外，超聲波被固體顆粒吸收時產生大量熱量，使餐廚垃圾的溫度驟然升高，令c-c鍵斷裂，大分子的碳氫化合物分解為小分子的碳氫化合物，促進餐廚垃圾的水解。微波處理可使小分子物質定向催化裂解，促進水解反應。當對餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱、微波預處理後能夠顯著提高餐廚垃圾的水解效果，並有效提高其後續發酵產物的產量。

優選地，所述超聲波的處理條件為：超聲波功率15～1500w/l，處理時間為5～60min。

優選地，所述水熱的處理條件為：水熱溫度為90～300℃，處理時間為5～150min。

優選地，所述微波的處理條件為：微波的功率為100w～2500kw，時間為2～120min，溫度為90～300℃。

本發明所述超聲波處理、水熱處理和微波處理可以在裝有超聲波發生器、水熱裝置和微波發生器的一體化設備中依次進行，也可以分別在超聲波反應器、水熱裝置和微波反應器中依次進行。

優選地，s2所述乙醇發酵用菌的添加量為0.01～20%（體積比），發酵時間為1～25天。

更為優選地，s2中還添加了乙醇發酵用酶，所述乙醇發酵用酶的總添加量為0.01～15%（體積比），酶解時間為1～120小時。

優選地，s2中所述乙醇發酵用酶選自乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、丙酮酸羧化酶、澱粉酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶、脂肪酶、蛋白酶、糖化酶、果膠酶、木聚糖酶或β-葡聚糖酶中的一種或多種。

優選地，s1前進行餐廚垃圾分揀，去除餐廚垃圾中不能發酵的雜物。

在本發明中，在乙醇發酵前進行酸或/和鹼預處理，可增加餐廚垃圾水解速率，進一步提高產物乙醇的產率。因此優選地，餐廚垃圾在乙醇發酵前先進行酸或/和鹼預處理。

在本發明中，s1所述固體餐廚垃圾的分離通過三相分離操作完成，所述三相分離是將餐廚垃圾以噴爆的方式排出後，靜置去除上層油脂，獲得固體餐廚垃圾，噴爆的方式排出預處理後的餐廚垃圾，可以使餐廚垃圾中的油脂最大程度地與固體、水分離，增加可浮油析出量。

優選地，s2中，向分離出乙醇後所得的發酵殘渣中加入乳酸發酵用菌，生產乳酸；更為優選地，所述乳酸發酵用菌至少包括乳桿菌（lactobacillus）。

最為優選地，所述乳酸發酵用菌還含有鏈球菌（streptococcus）、雙歧桿菌（bifidobacterium）、芽孢桿菌（bacillus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）、a55_d21、螺旋體菌（spirochaeta）、氨基桿菌（aminobacterium）、球囊菌（ascosphaera）、麴黴菌（aspergillus）、根黴菌（rhizopus）、酵母菌（saccharomyces）、醋弧菌（acetivibrio）、產鹼桿菌（alcaligenes）、擬桿菌（bacteroides）、紫單胞菌（porphyromonadaceae）或假單胞菌（pseudomonas）中的一種或多種。

優選地，所述乳酸發酵用菌的添加量為0.01～20%（體積比），發酵時間為1～30天。

更為優選地，乳酸發酵階段還添加有乳酸發酵用酶，所述乳酸發酵用酶的添加量為0.01%～15%（體積比），酶解時間為1～144小時。

優選地，所述乳酸發酵用酶選自纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶、脂肪酶、澱粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、乳酸脫氫酶中的一種或多種。

優選地，乙醇發酵和/或乳酸發酵過程中接入電場進行電處理。更為優選地，所述電場的電壓為0.1～12v，處理時間為6～216h。採用電場作用於微生物發酵，可刺激微生物的新陳代謝，從而提高目的產物乙醇和/或乳酸的產率。

在本發明中，乙醇發酵過程中的溫度為20～80℃，乳酸發酵過程中的溫度為18～80℃。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明提供了一種餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，即將分揀後的餐廚垃圾水熱預處理，然後向固體餐廚垃圾中加入微生物進行乙醇發酵。同時本發明還提出了三步預處理方式，即採用超聲波、水熱、微波依次對餐廚垃圾進行預處理，使其水解更為徹底，後續採用高效微生物進行乙醇發酵；大幅提高了產物乙醇的產率，發酵時間短，具有極大的推廣應用價值，非常適合產業化應用。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。在不背離本發明精神和實質的情況下，對本發明方法、步驟或條件所作的簡單修改或替換，均屬於本發明的範圍；若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。

實施例1

一種處理餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用於發酵的雜物；

s2.預處理：將分揀後的餐廚垃圾進行水熱預處理；水熱處理的溫度為90℃，處理時間為150min；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出後靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發酵：向s3分離出的固體餐廚垃圾中依次加入乙醇發酵菌群1[芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，於35℃條件下發酵12h；然後加入乙醇發酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、麴黴菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，於35℃條件下發酵216h後，從發酵液中提取乙醇。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為5%（體積比）。

實施例2

一種處理餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用於發酵的雜物；

s2.預處理：將分揀後的餐廚垃圾進行水熱預處理；水熱處理的溫度為180℃，處理時間為80min；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出後靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發酵：向s3分離出的固體餐廚垃圾中依次加入乙醇發酵菌群1[芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，於35℃條件下發酵12h；然後加入纖維素酶於35℃下酶解12h，再加入乙醇發酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、麴黴菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，於35℃條件下發酵216h後，從發酵液中提取乙醇；

s5.乳酸發酵：向乙醇發酵殘渣中加入脂肪酶35℃下酶解12h，然後加入乳酸發酵用菌[乳桿菌（lactobacillus）]於35℃條件下發酵12h，從發酵液中提取乳酸。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為5%（體積比），所述乙醇發酵用酶的添加量為2%（體積比）。所述乳酸發酵用菌的添加量為8%（體積比），所述乳酸發酵用酶的添加量為1%（體積比）。

實施例3

一種處理餐廚垃圾高效生產乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用於發酵的雜物；然後在餐廚垃圾中依次加入鹽酸和氫氧化鈉，使得鹽酸和氫氧化鈉在餐廚垃圾中的體積濃度分別為1%和0.5%；

s2.三步預處理：將s1處理後的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為900w/l，處理時間20min；水熱處理的溫度為170℃，處理時間為80min；微波處理的功率為900kw，溫度維持在100℃，處理時間為15min；所述三步預處理分別在超聲波反應器、水熱裝置和微波反應器中依次進行；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出後靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發酵：向s3得到的固體餐廚垃圾中加入纖維素酶和澱粉酶的混合物酶解2h，接著加入乙醇發酵用菌[叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基桿菌（aminobacterium）、芽孢桿菌（bacillus）、乳桿菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根黴菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）]於35℃條件下發酵168h，然後加入乙醇發酵用菌[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、酵母菌（saccharomyces）、麴黴菌（aspergillus）、根黴菌（rhizopus）、叢毛單胞菌（comamonas）和螺旋菌（spira）]在35℃條件下發酵240h，從發酵液中提取乙醇；

s5.乳酸發酵：向乙醇發酵殘渣中加入澱粉酶和纖維素酶30℃下酶解168h，然後加入乳酸發酵用菌[乳桿菌（lactobacillus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）和a55-d21]30℃下發酵2h，最後加入乳酸發酵用菌[紫單胞菌（porphyromonadaceae）]在30℃下發酵384h，從發酵液中提取乳酸。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為0.01%（體積比），所述乙醇發酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。所述乳酸發酵用菌的添加量為0.01%（體積比），所述乳酸發酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。

實施例4

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在於，s4乙醇發酵階段中接入電場進行電處理，所述電場的電壓為0.1v，處理時間為216h。s5乳酸發酵階段中接入電場進行電處理，所述電場電壓為12v，處理時間為72h。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乙醇發酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。所述乳酸發酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乳酸發酵用酶的添加量為15%（體積比）。

實施例5

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在於，本實施例s2所述預處理按以下步驟進行：將s1處理後的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為15w/l，處理時間5min；水熱處理的溫度為90℃，處理時間為5min；微波處理的功率為100kw，溫度維持在90℃，處理時間為2min。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為5%（體積比），所述乙醇發酵用酶的添加量為2%（體積比）。所述乳酸發酵用菌的添加量為8%（體積比），所述乳酸發酵用酶的添加量為1%（體積比）。

實施例6

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在於，本實施例s2所述三步預處理按以下步驟進行：將s1處理後的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為1500w/l，處理時間60min；水熱處理的溫度為250℃，處理時間為150min；微波處理的功率為2500kw，溫度維持在250℃，處理時間為120min。

在本實施例中，所述乙醇發酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乙醇發酵用酶的添加量為0.1%。所述乳酸發酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乳酸發酵用酶的添加量為15%（體積比）。

實施例7

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在於，s4乙醇發酵中不加酶，先加入乙醇發酵菌群1於35℃條件下發酵12h後、然後加入乙醇發酵菌群2於35℃條件下發酵216h。其中乙醇發酵菌群1的菌種比實施例2增加了乳球菌（lactococcus）、叢毛單胞菌（comamonas）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基桿菌（aminobacterium）和麴黴菌（aspergillus），乙醇發酵菌群2的菌種比實施例2增加了梭菌（clostridiisalibacter）、a55-d21、叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）和球囊菌（ascosphaera）。s5乳酸發酵中乳酸發酵用菌增加了雙歧桿菌（bifidobacterium）、麴黴菌（aspergillus）、根黴菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）。上述各菌群的總用量和發酵時間與實施例2相同。

對比例1

本對照例提供的方法同實施例2，不同之處在於，本對照例中s4乙醇發酵過程中，所選用的乙醇發酵用菌為畢赤酵母菌、運動發酵單胞菌、黑麴黴菌、東京根黴菌、釀酒酵母菌和裡氏木黴菌。

對比例2

本對照例提供的方法同實施例2，不同之處在於，本對照例中s4乙醇發酵過程中，乙醇發酵菌群1和菌群2在添加乙醇發酵用酶後同時添加，乙醇發酵用菌的總用量與實施例2相同，發酵時間為240h。

實施例1～5和對比例1～2提供的方法發酵得到的乙醇和乳酸濃度如表1所示。由表1可知，本發明提供的方法在乙醇發酵過程中將乙醇發酵用菌分次加入固體餐廚垃圾中，顯著提高了乙醇產率；同時，也利於後續的乳酸發酵。由表1可知，乳酸發酵中所得乳酸產率也較高。

表1實施例1～5和對比例1～2提供的方法發酵得到的乙醇和乳酸濃度