CN103446977A - 一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于餐厨垃圾资源化利用领域，具体涉及一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法。将一定粒径的餐厨垃圾加入微波水热反应釜中并与去离子水配制的稀酸溶液混合；向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，向反应体系内添加适量的添加剂，密闭反应釜搅拌，设定特定微波功率，加热使得反应釜升温至设定温度并保持一段时间，冷却反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物。本发明可通过对温度、时间、微波功率的改变以及添加添加剂实现对还原糖产率的有效调控，该方法为餐厨垃圾的资源化利用提供了新的途径。

Description

一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法

技术领域

本发明属于餐厨垃圾资源化利用领域，具体涉及一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法。

背景技术

随着城市化步伐的加快和人民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量日益增大，尤其以餐厨垃圾增长最为迅猛。餐厨垃圾具有高含水率（70%～90%）、高有机质含量（占干物质的95%以上）、高含盐量和易腐烂等特点，同时其组成和性质均不稳定，处置不当会对环境造成极大污染。填埋、焚烧等传统处理方式因各自存在的弊端越发不能适应严格的环境保护要求；而餐厨垃圾饲料化、肥料化及厌氧消化等资源化工艺也存在一定的风险；因此，寻求餐厨垃圾的无害化、减量化、稳定化的处理新技术，实现餐厨垃圾的资源化，获得高附加值产物具有重要的意义。

还原糖是指具有五元或者六元的小分子单糖，传统以粮食为原料，水解或者酶解工艺生产的小分子还原糖，过程比较复杂，水解酶选择困难，存在“与人争粮”的问题，采用大量的酸碱为后续处理带来困难，于此同时包括餐厨垃圾在内的含纤维素、淀粉的生物质废弃物没有得到很好地开发和利用，带来了一系列严重的资源和环境问题。

水热法是一种极具应用前景的热化学转化方法，水热条件下水的密度、离子积、粘度及介电常数随温度变化而明显不同，是处理有机物的理想介质并且能参与反应进程，可以改变相行为、扩散速率和溶剂化效应，可以变传统溶剂条件下的多相反应为均相反应，增大扩散系数，降低传质、传热阻力，从而有利于扩散控制反应，控制相分离过程，缩短反应时间，还能用于控制产物的分布。与普通水相比，水热条件下的水有着强烈的离子化倾向，更容易产生羟基自由基离子，从而在水解反应过程成起到酸碱催化剂的作用，这为餐厨垃圾水热降解生成还原糖提供了理论基础。水热技术业已在有机废弃物处理和处置上获得了广泛的应用，如水热降解生物质制备小分子有机酸，生物质水热气化制备H₂等。微波频率在300MHZ到300GHz范围之内，微波能量是一种非离子辐射，主要是通过离子迁移和偶极子转动来引起分子运动，微波作用电耗低且直接作用于极性分子，微波加热的具有选择性和内部整体加热的特点，研究者将微波技术应用在水热反应过程中，在生物质微波水热碳化、微波耦合酶水解和微波热解等生物质废弃物资源化领域获得很大进展。现有技术利用水热降解生物质获得小分子单糖多集中在亚临界反应区间，温度较高且所得小分子还原糖的产率很低且不稳定，容易进一步分解为乳酸、乙酸等小分子酸，而利用微波耦合酶水解方法制备还原糖需要复杂的酶反应过程，酶选取困难且条件苛刻，目前现在没有专门用微波辅助水热技术生产还原糖的背景技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高效率、能耗低、污染小的餐厨垃圾生产还原糖的方法。

本发明提出的一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法，具体步骤如下：

将餐厨垃圾加入微波水热反应釜中并与去离子水配制的稀酸溶液混合；向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，向反应体系内加入添加剂，密闭微波水热反应釜搅拌，设定微波辐射功率为100～2000KW，加热使得微波水热反应釜升温至110～300oC，并保持10～180min；冷却微波水热反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物。

本发明中，所述餐厨垃圾采用20～200目的餐厨垃圾为反应物，反应物的含水率为1.0～20.0%；以去离子水配制的稀酸溶液为溶剂，反应物和溶剂的固液比为1～50:100，溶剂的加入量为微波水热反应釜体积的30～80%。

本发明中，所述稀酸为H₂SO₄、HNO₃、H₃PO₄或HCl中任一种；稀酸溶液的质量浓度为0.5～5.0%。

本发明中，所述添加剂为Cr²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺或 Zn²⁺中任一种，添加剂的质量浓度为0.1～5.0%。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明利用微波协同水热技术直接降解餐厨垃圾生产还原糖，突破了以往以粮食为原料的还原糖生产的传统工艺，为还原糖的生产提供了一条新的途径。

2. 本发明采用的原料为餐厨垃圾，避免了“与人争粮”问题的出现，在产生高附加值还原糖的同时，实现了餐厨垃圾的资源化处理与处置；

3. 本发明采用微波协同水热处理工艺，充分发挥微波辐射和水热反应的各自优势和特点，反应体系容易构建，反应温度低，还原糖产率高且容易分离，具有高效、低耗、省时、减污的特点，添加剂便宜易得，过程成本低，具有良好经济效益和社会效益。

4. 本发明生产的还原糖可以广泛用于医药、保健品和食品等行业，可以作为糖类相关产品的基体，用来生产其他的多种产品，具有广阔的发展前景和应用空间。

具体实施方式

下面通过实施实例进一步描述本发明。

实施例1

将粒径为120目、含水率为5.0%的玉米芯加入微波水热反应釜中，将其与去离子水配制的质量浓度为2.0%的H₂SO₄溶液混合，向反应体系内添加质量浓度为2.0%的Fe²⁺的添加剂，向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，密闭反应釜搅拌，设定特定微波辐射功率为300W，加热使得反应釜升温至130oC并保持10.0min，冷却反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物，还原糖的产率（还原糖的质量与玉米芯的质量之比）可以达到26.70%。

实施例2

将粒径为80目、含水率为8.0%的剩米饭加入微波水热反应釜中，将其与去离子水配制的质量浓度为2.0%的HCl溶液混合，向反应体系内添加质量浓度为3.0%的Cu²⁺的添加剂，向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，密闭反应釜搅拌，设定特定微波辐射功率为600W，加热使得反应釜升温至150oC并保持5.0min，冷却反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物，还原糖的产率（还原糖的质量与剩米饭的质量之比）可以达到31.20%。

实施例3

将粒径为60目、含水率为10.0%的青菜叶加入微波水热反应釜中，将其与去离子水配制的质量浓度为1.0%的HNO₃溶液混合，向反应体系内添加质量浓度为1.5%的Co²⁺的添加剂，向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，密闭反应釜搅拌，设定特定微波辐射功率为225W，加热使得反应釜升温至120oC并保持12.0min，冷却反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物，还原糖的产率（还原糖的质量与青菜叶的质量之比）可以达到27.20%。

实施例4

将粒径为40目、含水率为6.0%的剩面条加入微波水热反应釜中，将其与去离子水配制的质量浓度为1.5%的H₂SO₄溶液混合，向反应体系内添加质量浓度为2.5%的Ni²⁺的添加剂，向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，密闭反应釜搅拌，设定特定微波辐射功率为2000KW，加热使得反应釜升温至135oC并保持180.0min，冷却反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物，还原糖的产率（还原糖的质量与剩面条的质量之比）可以达到25.18%。

Claims (4)

1.一种微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法，其特征在于具体步骤如下：

将餐厨垃圾加入微波水热反应釜中并与去离子水配制的稀酸溶液混合；向微波水热反应釜中冲入N₂进行吹扫，向反应体系内加入添加剂，密闭微波水热反应釜搅拌，设定微波辐射功率为100～2000KW，加热使得微波水热反应釜升温至110～300oC，并保持10～180min；冷却微波水热反应釜，经过滤后收集含有还原糖的液相产物。

2.如权利要求1所述的微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾采用20～200目的餐厨垃圾为反应物，反应物的含水率为1.0～20.0%；以去离子水配制的稀酸溶液为溶剂，反应物和溶剂的固液比为1～50:100，溶剂的加入量为微波水热反应釜体积的30～80%。

3.如权利要求1所述的微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法，其特征在于，所述稀酸为H₂SO₄、HNO₃、H₃PO₄或HCl中任一种；稀酸溶液的质量浓度为0.5～5.0%。

4.如权利要求1所述的微波协同下的餐厨垃圾水热反应生产还原糖的方法，其特征在于，所述添加剂为Cr²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺或 Zn²⁺中任一种，添加剂的质量浓度为0.1～5.0%。