CN106011181B - 一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，属于生物质能领域，包括以下步骤，S1将厨余垃圾粉碎后加水混合，用碱处理预混液，然后洗涤抽滤得到经过碱预处理的原料；S2将所述经过碱预处理的原料在酸性条件下蒸煮，得到经过酸预处理的原料；S3将所述经过酸预处理的原料用纤维素酶和淀粉酶水解，得到还原糖；S4将所述还原糖发酵后蒸馏，得到燃料乙醇。本发明提供的制备方法可大规模拓展燃料乙醇的原料资源量、降低燃料乙醇的生产成本、提高生产效率，能够带来诸多良好的社会和经济效益。

Description

一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法
技术领域
本发明涉及生物质能领域，特别涉及一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法。
背景技术
随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，能源和环境问题已成为全球关注的焦点。石油、煤炭和天然气等化石能源物质逐渐枯竭，为保护环境和实现人类可持续发展的目标，从可再生资源特别是木质生物质生产高附加值化工产品已成为许多国家的重要发展战略和科学研究的热点领域。生物质能是可再生的清洁能源，利用生物质为原料水解并发酵制取燃料乙醇等化工产品正日益受到广泛关注。
采用含糖和淀粉等的农作物发酵制取乙醇的技术已日趋成熟，并广泛应用。然而，随着世界人口增长，粮食供应紧张，以粮食作物为原料制备燃料乙醇的方法不可能大规模展开，因此采用木质纤维为原料，通过生物质水解制取燃料乙醇具有重要意义。在生活中，厨余垃圾是困扰人们的污染源之一，厨余垃圾是指剩饭、剩菜、蔬菜的根叶、瓜果的皮核、废弃的动物组织等，其成分主要是糖类、脂肪、蛋白质、盐分、水等，营养丰富。长期以来，厨余垃圾在我国一直作为生猪的饲料，并通过市场自行寻找出路，这种处理方式存在很多问题：一、垃圾含水率高，流动性大，容易泄露，造成二次污染。二、垃圾车影响城市日常交通并污染环境。三、垃圾未经任何处理，喂出猪的卫生情况令人担忧，容易导致口蹄疫等疾病的产生。随着我国社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们的居家饮食以及去饭店消费的数量和质量也明显的提高，餐厨垃圾的数量必将继续攀升。由于餐厨垃圾含有丰富的淀粉、纤维素、蛋白质等物质，对其进行合理的利用，不仅可以减少对环境的污染，而且可以变废为宝，对其进行资源化利用，还利于环保和可持续发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有燃料乙醇制备工艺中原料来源单一和乙醇产率低的缺点，提供一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，通过以厨余垃圾天然纤维素替代传统粮食作物作为原料，可实现对厨余垃圾高值化利用，也有助于降低燃料乙醇生产成本，同时提高了燃料乙醇的产率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种由厨余垃圾制各燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将厨余垃圾粉碎后加水混合，用碱处理预混液，然后洗涤抽滤得到经过碱预处理的原料；
S2将所述经过碱预处理的原料在酸性条件下蒸煮，得到经过酸预处理的原料；
S3将所述经过酸预处理的原料用纤维素酶和淀粉酶水解，得到还原糖；
S4将所述还原糖发酵后蒸馏，得到燃料乙醇。
本发明的发明思路为，首先用碱对厨余垃圾进行预处理，由于厨余垃圾中除去纤维素原料外还含有相当量的油脂，而碱预处理步骤可以使油脂皂化成高级脂肪酸盐和甘油，从而避免了油脂对乙醇发酵反应的抑制作用，同时碱预处理还能除去纤维素原料中的大部分乙酰基；随后对预混液进行离心洗涤和抽滤操作除去厨余垃圾皂化后产物和仍残留的颗粒杂质；对经碱预处理的原料在酸性条件下进行蒸煮可以在一定程度上降低厨余垃圾组成中淀粉和粗纤维的聚合度，同时增加厨余垃圾中纤维素原料和淀粉原料对纤维素酶和淀粉酶的反应的敏感性，提高其酶水解的转化率；纤维素酶水解操作保证厨余垃圾中绝大部分纤维素原料转化为可溶性还原糖，淀粉酶可以保证淀粉原料得到水解；随后的三段式发酵工艺，使可溶性糖在酿酒酵母的作用下发酵成乙醇，并通过后续的蒸馏和脱水操作得到体积浓度达到99.5％以上的燃料乙醇。
进一步地，上述步骤S1中碱处理的步骤包括在PH值为9-12的条件下于30-40℃将预混液搅拌1-3h。
进一步地，上述步骤S1中洗涤步骤包括将经碱处理的预混液在离心转速为2000-3000rpm的离心机中洗涤至中性。
进一步地，上述步骤S2包括将所述经过碱预处理的原料在PH值为3-4的条件下于105-115℃蒸煮60-120min。
进一步地，上述步骤S3包括将所述经过酸预处理的原料在PH值为4-6的条件下于30-45℃用纤维素酶和淀粉酶水解12-24h，得到还原糖。
进一步地，上述纤维素酶包括曲霉属、腐质霉属、金孢属、热白丝菌属、毁丝霉属、侧孢霉属和木霉属的真菌，所述淀粉酶包括淀粉酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶和γ-淀粉酶中的一种或几种。
进一步地，上述纤维素酶的用量为1-40FPU/g，所述淀粉酶的用量为1-30FPU/g。
进一步地，上述步骤S4包括将所述还原糖和酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为30-35℃，时间为9-12h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为36-40℃，发酵时间为12-15h；进入后发酵期，再将温度调至33-35℃，维持60-72h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，收集其中的燃料乙醇。
进一步地，上述酿酒酵母用量占还原糖重量的8-12％。
进一步地，上述步骤S4中还包括蒸馏后将蒸气经分子筛树脂或膜萃取的方式除去水分的处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种以厨余垃圾为原料制备燃料乙醇的方法，可被用以实现对厨余垃圾高效、高值化利用，及同比降低燃料乙醇生产成本。
2、本发明提供的一种以厨余垃圾为原料制备燃料乙醇的方法，所需工艺条件温和、操作便捷、安全、环保，所用原料价廉、易得，是一种经济、绿色、节能工艺，符合国家“节能、减排”发展要求。
3、本发明提供的一种以厨余垃圾为原料制备燃料乙醇的方法，通过采用碱预处理步骤，以皂化反应方式除去厨余垃圾中的油脂组分，避免了其对后续乙醇发酵的抑制作用，同时后续对厨余垃圾的纤维素原料进行适度酸预水解处理，降低了厨余垃圾纤维素聚合度，提高了其反应活性，相比现有技术解决了厨余垃圾纤维素原料酶水解转化率低的问题，并提高了最终乙醇的产率，采用本技术可极大拓宽现有燃料乙醇制备技术应用范围。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，将2kg厨余垃圾粉碎后和水按1∶1重量比混合均匀，在PH值为10的条件下于30℃将预混液搅拌1h，然后在离心转速为2000rpm的离心机中将预混液洗涤至中性、抽滤后得到经碱预处理的原料；S2将经碱预处理的原料，在PH值为3的条件下于105℃蒸煮60min，得到经酸预处理的原料；S3将经酸预处理的原料在PH值为4的条件下于40℃用20FPU/g的曲霉属真菌和30FPU/gα-淀粉酶水解12h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为32℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为38℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至34℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
实施例2
一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，将2.1KG厨余垃圾粉碎和水按1∶1.5重量比混合均匀，在PH值为9的条件下于35℃将预混液搅拌3h，然后在离心转速为2500rpm的离心机中将预混液洗涤至中性、抽滤后得到经碱预处理的原料；S2将经碱预处理的原料，在PH值为3的条件下于110℃蒸煮90min，得到经酸预处理的原料；S3将经酸预处理的原料在PH值为5的条件下于30℃用10FPU/g的木霉属真菌和20FPU/g的β-淀粉酶水解18h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和50g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为31℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为35℃，发酵时间为10h；进入后发酵期，再将温度调至32℃，维持48h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
实施例3
一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，将1.8KG厨余垃圾粉碎后和水按1∶1.2重量比混合均匀，在PH值为12的条件下于40℃将预混液搅拌2h，然后在离心转速为3000rpm的离心机中将预混液洗涤至中性、抽滤后得到经碱预处理的原料；S2将经碱预处理的原料，在PH值为3.5的条件下于115℃蒸煮120min，得到经酸预处理的原料；S3将经酸预处理的原料在PH值为5的条件下于45℃用10FPU/g的金孢属真菌和30FPU/g的γ-淀粉酶水解24h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和20g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为27℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为31℃，发酵时间为10h；进入后发酵期，再将温度调至29℃，维持48h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对比例1
一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，将1.9KG厨余垃圾粉碎后和水按1∶1重量比混合均匀，然后在离心转速为2000rpm的离心机中将预混液洗涤、抽滤后得到初始原料；S2将初始原料，在PH值为4的条件下于140℃蒸煮30min，得到经酸预处理的原料；S3将经酸预处理的原料在PH值为4的条件下于70℃用20FPU/g的曲霉属真菌水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为32℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为38℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至34℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对比例2
一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，将1.8KG厨余垃圾粉碎后和水按1∶1.2重量比混合均匀，在PH值为10的条件下于60℃将预混液搅拌1h，然后在离心转速为5000rpm的离心机中将预混液洗涤至中性、抽滤后得到经碱预处理的原料；S2将经碱预处理的原料，于140℃蒸煮30min，得到蒸煮后的原料；S3将经蒸煮处理的原料在PH值为4的条件下于70℃用20FPU/g的曲霉属真菌水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为32℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为38℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至34℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对实施例1-3及对比例1-2制备工艺中燃料乙醇的产率、还原糖的转化率和水解速率进行对比，结果如下表一所示可知，其中对比例1的制备工序中省略了碱预处理的操作，对比例2的制备工艺中省略了酸预处理的操作并改变了相应的工艺参数，可以看出，省略了碱预处理和酸预处理的制备工艺中，其燃料乙醇的产率和还原糖的转化率均低于本发明实施例的效果，同时其酶水解的速率也较低。
表一
Figure BDA0001067691730000051
Figure BDA0001067691730000061

Claims (3)

1.一种由厨余垃圾制备燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将厨余垃圾粉碎后加水混合，用碱处理预混液，然后洗涤抽滤得到经过碱预处理的原料；
所述碱处理的步骤包括在PH值为9-12的条件下于30-40℃将预混液搅拌1-3h；
所述洗涤步骤包括将经碱处理的预混液在离心转速为2000-3000rpm的离心机中洗涤至中性；
S2、将所述经过碱预处理的原料在pH值为3-4的条件下，105-115℃蒸煮60-120min，得到经过酸预处理的原料；
S3、将所述经过酸预处理的原料在pH值为4-6的条件下于30-45℃用纤维素酶和淀粉酶水解12-24h，得到还原糖；
所述纤维素酶的用量为1-40FPU/g，所述淀粉酶的用量为1-30FPU/g；
S4、将所述还原糖和酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为30-35℃，时间为9-12h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为36-40℃，发酵时间为12-15h；进入后发酵期，再将温度调至33-35℃，维持60-72h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，收集其中的燃料乙醇；
所述酿酒酵母用量为所述还原糖重量的8-12％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素酶包括曲霉属、腐质霉属、金孢属、热白丝菌属、毁丝霉属、侧孢霉属和木霉属的真菌，所述淀粉酶包括淀粉酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶和γ-淀粉酶中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括蒸馏后将蒸气经分子筛树脂或膜萃取的方式除去水分的处理。
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