CN103695525A

CN103695525A - 一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法

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Publication number: CN103695525A
Application number: CN201410000806.0A
Authority: CN
Inventors: 王春铭; 李咏; 方惠青; 李颖; 邓博; 黄应燊
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103695525B

Abstract

本发明公开一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，将餐厨垃圾作为生产高附加值产品的原料，在充分利用废物的同时，实现生物质的资源化。本发明结合水热预处理技术，通过微生物及复合酶的共同作用，提高餐厨垃圾乳酸发酵的产率。本发明选用简单易得的微生物菌种，配成混合菌群；同时选用常见的酶配成复合酶，实现高效发酵产乳酸。本发明发酵工艺简便，发酵效果好，特别适合产业化应用。

Description

一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法

技术领域

本发明属于餐厨垃圾处理领域，具体涉及一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法。

背景技术

餐厨垃圾因富含有机物而适于微生物进行乳酸发酵。乳酸经脱水纯化可生产聚乳酸，一种热塑性脂肪族聚酯。所得的聚乳酸具有良好的机械和加工性能，而聚乳酸产品废弃后又可以通过各种方式快速降解，因此聚乳酸被认为是一种具备良好的使用性能的绿色塑料。

目前已公开了很多可用于餐厨垃圾乳酸发酵的菌种，如中国专利（CN102424831 A）公开了使用地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和植物乳杆菌配成的生物菌液及由淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶和果胶酶配成的混合酶制剂共同应用于餐厨垃圾以生产乳酸。但是已公开的部分菌种获取较困难、生物利用度不高，导致乳酸发酵工艺成本高；同时常规菌种用于乳酸发酵的产率不高，难以满足现代生产的需要。目前，现有技术中尚未有将保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、凝结芽孢杆菌等协同应用在乳酸发酵方面的报道。

发明内容

本发明旨在提供一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，将餐厨垃圾作为生产高附加值产品的原料，在充分利用废物的同时，实现生物质的资源化。本发明结合水热预处理技术，在高温灭菌的同时充分水解餐厨垃圾，通过微生物及复合酶的共同作用，提高餐厨垃圾乳酸发酵的产率。本发明选用简单易得的微生物菌种，配成混合菌群；同时选用常见的酶配成复合酶，实现高效发酵生产乳酸。本发明发酵工艺简便，发酵效果好，特别适合产业化应用。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

S1. 餐厨垃圾的水热处理：将收集的餐厨垃圾分拣后，投入水热反应器中，根据实际需要适当加水使餐厨垃圾完全浸没在水中，然后进行水热处理；

S2. 从步骤S1水热处理后的餐厨垃圾中分离出固体餐厨垃圾：将水热处理后的餐厨垃圾送至三相分离器，进行油脂、水和固体餐厨垃圾的分离，得到固体餐厨垃圾；

S3. 乳酸的制备：往步骤S2得到的固体餐厨垃圾中加入碱金属碳酸盐、混合菌群和复合酶进行发酵，发酵结束后离心，上清液经提纯得乳酸。

步骤S1中所述的餐厨垃圾的分拣是指将收集的餐厨垃圾进行人工或机械分拣，分拣出塑料、金属等不能发酵的物质。当餐厨垃圾含水量较少时，需加水使餐厨垃圾完全浸没在水中后再进行水热处理。优选地，水与餐厨垃圾体积比为0.5～15:1。作为进一步优选，加入的水为三相分离后贮存的餐厨废水，以节约水资源，实现资源循环利用。

步骤S1中所述餐厨垃圾水热处理条件为90℃～200℃处理10min～90min。

步骤S2中所述的三相分离是在餐厨垃圾分离出油脂后，再根据实际需要分离超过乳酸发酵所需的固液比范围的水，余下的水和固体垃圾一起进行下一步发酵。

优选地，将步骤S2中分离出的油脂用于制备生物柴油；超出乳酸发酵所需固液比范围的餐厨废水分离后贮存备用以用于回用，未被回用的餐厨废水进行净化处理。

优选地，步骤S2中将水热处理后的餐厨垃圾通过喷爆方式排至三相分离器，然后静置分离得到油相、固相和水相。水热处理的高温可使餐厨垃圾中的木质纤维素熔化，木质纤维素分子断裂、降解。当高压力突然卸压，产生喷爆机械力时，可进一步破碎有机质，促使纤维素等大分子物质充分断裂成小分子，利于后续发酵。

步骤S3中所述的混合菌群包括保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、凝结芽孢杆菌等。

优选地，所述混合菌群中保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、凝结芽孢杆菌的浓度均为6×10⁸～8×10⁸个/mL。

更优选地，所述的混合菌群中各菌种加入的质量比例为保加利亚乳杆菌:嗜热链球菌:凝结芽孢杆菌=1～5:1～6:1～6。

更优选地，所述混合菌群的加入量为固体餐厨垃圾重量的0. 1%~30%。

步骤S3中所述的复合酶由纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶和乳酸脱氢酶组成。

优选地，所述的复合酶中各种酶的质量比例为纤维素酶:脂肪酶:淀粉酶:蛋白酶:乳酸脱氢酶=0.8～3:0.8～2:1～3:1～3:0.8～4。

更优选地，所述复合酶的加入量为固体餐厨垃圾重量的0.01%～10%。本发明加入复合酶可以降解餐厨垃圾中的纤维素、半纤维素、淀粉等多糖成分为单糖，解决餐厨垃圾中粗纤维含量较高的问题，增加可发酵底物，从而达到促进乳酸发酵，提高餐厨垃圾利用率的目的。

作为一种优选方案，步骤S3中在乳酸发酵前，往固体餐厨垃圾中加入其重量0.1%～20%的未经水热处理的分拣后的餐厨垃圾。未经水热处理的餐厨垃圾中含有大量土著微生物，可以促进餐厨垃圾的发酵，提高乳酸产率。

步骤S3是根据步骤S2得到的固体餐厨垃圾的含水率情况，决定是否加入水及加水量，目的是使餐厨垃圾固液比达到乳酸发酵所需固液比范围。作为优选，加入的水为三相分离后贮存的餐厨废水。

优选地，步骤S3中水与固体餐厨垃圾的体积比为0.5～15:1。

优选地，步骤S3中所述的发酵温度为20℃～50℃，发酵时间为20～480小时。

优选地，步骤S3中所述的碱金属碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠或碳酸钾等，其加入量为固体餐厨垃圾重量的0.1%～10%。

优选地，乳酸的提纯采用常规的沉淀法(以乳酸钙发酵液为例)：将含有乳酸钙发酵液在100℃浓缩至乳酸钙重量浓度15%，再逐渐缓慢降温至10℃并维持5小时，通过离心收集乳酸钙；使乳酸钙溶解在90℃纯净水中，控制乳酸钙重量浓度为20%，降温至60℃，加入浓硫酸至pH为2～3，同时搅拌使沉淀充分，过滤，低压浓缩得到的乳酸溶液使其重量浓度达到99%。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用混合菌群和复合酶进行发酵，选用的菌种和酶简单易得，配置方法简单，工艺简便，发酵效果好，特别适合产业化应用。

2、本发明以水热处理作为餐厨垃圾预处理技术，使餐厨垃圾水解更彻底，同时高温可以实现餐厨垃圾的灭菌，利于后续乳酸发酵。将发酵后的缪液用液相色谱仪进行测定，得到的乳酸浓度可达到23g/L，经换算，每100克餐厨垃圾能够产生19g乳酸。

3、本发明一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，将餐厨垃圾转化为高附加值的再生资源化产品。该方法生产成本低，具有良好的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释说明，但具体实施例并不对本发明作任何限定。除非特别说明，实施例中所涉及的试剂、方法均为本领域常用的试剂和方法。

实施例1

1、将收集回来的餐厨垃圾进行初步分选，去除不易发酵的杂物后得到4千克餐厨垃圾，投入水热反应器，加入5倍体积的水，在150℃下水热处理50min；期间开启电机搅拌20min后关闭。

2、水热处理结束后将餐厨垃圾喷爆至三相分离器，静置后分离出油脂、及含水的固体餐厨垃圾。

3、将分离出来的含水固体餐厨垃圾送至发酵罐，加入贮存的三相分离的餐厨废水使固液体积比为1:12；加入固体餐厨垃圾重量的8%的碳酸钙；再加入固体餐厨垃圾重量的2%的复合酶，复合酶中各种酶的质量比为纤维素酶:脂肪酶:淀粉酶:蛋白酶:乳酸脱氢酶=0.8:2:1:1:0.8；酶制剂的组成为：纤维素酶(200000u/g)、脂肪酶(200000u/g)、淀粉酶(200000u/g)、蛋白酶(200000u/g)、乳酸脱氢酶(100000u/g)。然后加入固体餐厨垃圾重量15%的混合菌群；复合菌群中各菌种比例为保加利亚乳杆菌:嗜热链球菌:凝结芽孢杆菌=5:6:6；各菌种菌体浓度均在6×10⁸ ~8×10⁸个/mL。在42℃下密闭发酵120小时。发酵结束后，离心，取上清液用常规沉淀法提纯乳酸。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度达到15g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生12.5g乳酸。

实施例2

本实施方式主要步骤与实施例1相同，区别在于步骤1中，当餐厨垃圾含较多水分时，在去除不易发酵的杂物后，190℃下直接水热处理15min，同时不开启搅拌电机。水热处理结束后卸压，当水热反应器压力卸至1.3atm时，将餐厨垃圾喷爆至三相分离器，静置后分离出油脂和超出乳酸发酵所需固液比范围的水，使固液体积比达到1:14。剩下的固体和水送至发酵罐，加入固体重量的1%的碳酸钙和固体重量的10%的复合酶；其中，复合酶的组成为纤维素酶(200000u/g)、脂肪酶(200000u/g)、淀粉酶(200000u/g)、蛋白酶(200000u/g)、乳酸脱氢酶(100000u/g)。各酶质量比例为纤维素酶:脂肪酶:淀粉酶:蛋白酶:乳酸脱氢酶=3:0.8:3:3:4。同时，加入固体重量的30%的复合菌群，复合菌群中各菌种比例为保加利亚乳杆菌:嗜热链球菌:凝结芽孢杆菌=5:6:6；各菌种菌体浓度均在6×10⁸ ~8×10⁸个/mL。在39℃下密闭发酵240小时。发酵结束后，离心，取上清液用常规沉淀法提纯乳酸。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度达到19g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生15.8g乳酸。

实施例3

本实施方式主要步骤与实施例1相同，区别在于步骤3中，乳酸发酵前加入固体餐厨垃圾重量的20%的未经水热处理的分拣后的餐厨垃圾。其它与实施例1相同。发酵结束后，离心，取上清液用常规沉淀法提纯乳酸。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度达到22g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生18.3g乳酸。

对比例1

本实施方式主要步骤与实施例1相同，区别在于步骤3中，往发酵罐中加入固体重量的15%的混合菌群改为德氏乳酸杆菌。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度为6g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生5g乳酸。

对比例2

本实施方式主要步骤与对比例1相同，区别在于步骤3中，不加入复合酶,同时将加入的固体重量15%的混合菌群改为德氏乳酸杆菌。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度为2.5g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生2.1g乳酸。

对比例3

本实施方式未进行步骤1餐厨垃圾的水热处理，其它主要步骤与实施例1相同。将收集到的餐厨垃圾经分拣后直接送至三相分离器，静置后分离出油脂和含水的固体餐厨垃圾。将分离出来的含水固体餐厨垃圾送至发酵罐进行乳酸发酵。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度为7.8g/L；经换算，每100克餐厨垃圾产生6.6g乳酸。

对比例4

本实施方式主要步骤与对比例3相同，区别在于步骤3中，不加入复合酶，同时将加入的固体重量15%的混合菌群改为德氏乳酸杆菌。将发酵好的缪液用液相色谱仪进行分析，得到的乳酸浓度为1.3g/L，经换算，每100克餐厨垃圾产生1.1g乳酸。

由实施例1～3和对比例1～4的乳酸产量结果可以看出：

（1）实施例1～3采用了水热预处理技术，同时选用了本发明权利保护范围内的菌种和复合酶，均获得较高产量的乳酸。尤其是实施例3，加入未灭菌的含有大量土著菌种的餐厨垃圾能提高发酵效果，增加乳酸的产量。

（2）对比例1虽然采用了水热预处理技术及本发明权利保护范围内的菌种用量，但选用了常规的乳酸发酵菌种，餐厨垃圾发酵后乳酸产量比实施例1少。对比例2在对比例1的基础上，未投放本发明权利保护范围内的复合酶，导致乳酸产量进一步下降。

（3）对比例3选用了本发明权利保护范围内的菌种和复合酶，但未进行水热预处理，获得的乳酸产量比实施例1少。表明水热处理能有效提高餐厨垃圾乳酸发酵的产率。

（4）对比例4中未进行水热预处理及未投加复合酶，同时选用了常规的乳酸发酵菌种，餐厨垃圾发酵后得到的乳酸含量低。

Claims

1.一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 餐厨垃圾的水热处理：将收集的餐厨垃圾分拣后进行水热处理；

S2. 从步骤S1水热处理后的餐厨垃圾中分离出固体餐厨垃圾；

S3. 乳酸的制备：往步骤S2得到的固体餐厨垃圾中加入碱金属碳酸盐、混合菌群和复合酶进行发酵制备乳酸；

步骤S3中所述的混合菌群包括保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、凝结芽孢杆菌；所述的复合酶由纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶和乳酸脱氢酶组成。

2. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S1中水热处理条件为90℃～200℃处理10min～90min。

3. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中所述的碱金属碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠或碳酸钾，其加入量为固体餐厨垃圾重量的0.1%~10%。

4. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中所述混合菌群中保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、凝结芽孢杆菌的浓度均为6×10⁸～8×10⁸个/mL。

5. 根据权利要求4所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，所述的混合菌群中各菌种加入的质量比例为保加利亚乳杆菌:嗜热链球菌:凝结芽孢杆菌=1～5:1～6:1～6。

6. 根据权利要求5所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中所述的混合菌群的加入量为固体餐厨垃圾重量的0.1% ~30%。

7. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中所述的复合酶中各种酶的质量比例为纤维素酶:脂肪酶:淀粉酶:蛋白酶:乳酸脱氢酶=0.8～3:0.8～2:1～3:1～3:0.8～4。

8. 根据权利要求7所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，所述复合酶的加入量为固体餐厨垃圾重量的0.01%～10%。

9. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中乳酸发酵前加入固体餐厨垃圾重量0.1%～20%的未经水热处理的分拣后的餐厨垃圾。

10. 根据权利要求1所述一种水热处理提高餐厨垃圾乳酸发酵产率的方法，其特征在于，步骤S3中所述发酵的条件为20℃～50℃发酵20～480小时。