CN108251404A - 食物垃圾处理用酶组合物及利用其的食物垃圾处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及食物垃圾处理用酶组合物及利用其的食物垃圾处理装置。更详细而言，涉及一种包含5～20重量％的淀粉酶、15～30重量％的纤维素酶、15～30重量％的脂肪酶、20～65重量％的酸度为pH7.0～9.0的缓冲溶液的食物垃圾处理用酶组合物，以及通过在切碎的食物垃圾上喷射所述酶组合物，来使包含在其中的有机物质水解，从而显著减少食物垃圾的产生量的食物垃圾处理装置。
Description
技术领域
本发明涉及食物垃圾处理用酶组合物及利用其的食物垃圾处理装置，更详细而言，涉及一种由5～20重量％的淀粉酶(amylase)、15～30重量％的纤维素酶(cellulase)、15～30重量％的脂肪酶(lipase)、20～65重量％的酸度(acidity)为pH7.0～9.0的缓冲溶液组成的食物垃圾处理用酶组合物，以及通过在切碎的食物垃圾上喷射所述酶组合物，来使包含在其中的有机物质进行水解，从而显著减少食物垃圾的产生量的食物垃圾处理装置。
背景技术
最近，随着工业的发展消费规模也逐渐扩大，并且饮食文化的发展导致普通家庭或饭店、生产企业等中排出的食物垃圾的产生量大大增加。这样的食物垃圾与其它的生活垃圾不同，含有大量的水分，因此容易腐败，当将其直接进行填埋处理时，会产生渗滤液而使周围的土壤及水质受到污染，而且还会因腐臭的臭味而引起人们的抱怨。
因此，每个地方政府为了卫生地进行回收及处理每天产生的大量的食物垃圾，投入了大量的努力和社会成本。针对这种被回收的食物垃圾通常使用特殊的处理设备采用干燥方式、粉碎干燥方式、微生物发酵方式、冷冻方式等来处理。此外，每个家庭或饭店也会使用对食物垃圾进行粉碎后加热或干燥的家庭用食物垃圾处理装置来减少食物垃圾的产生量。
此外，由于食物垃圾中含有大量的营养成分，即含有碳水化合物和脂肪、蛋白质、植物性纤维质等，因此正在开发使用分解这些营养成分的微生物来减少食物垃圾的产生量的技术。
例如，韩国授权专利第10-0314396号(2001年10月29日)中介绍了如下技术，即，筛选出芽孢杆菌属WF024菌株来作为对脂肪、淀粉、蛋白质及纤维素具有分解能力且在中温和高温下也能够生长的、耐盐的新型菌株，之后，通过将该筛选出的菌株添加到食物垃圾中，从而在中温及高温下对具有盐分的食物垃圾进行分解，进而使得食物垃圾的量减少70～80％左右。
此外，授权专利第10-0452125号(2004年09月30日)涉及一种对生活废弃物中有机废弃物资源的食物垃圾进行发酵而将其清除的新型微生物制剂，其公开了具有蛋白酶及脂肪酶的酶活性且具有优异的食物垃圾分解活性的枯草芽孢杆菌BRD-007菌株(保藏编号KCTC10268BP)及以包含该菌株为特征的食物垃圾发酵清除用微生物制剂。
此外，授权专利第10-0580857号(2006年05月10日)公开了一种食物垃圾的处理方法。该方法使用芽孢杆菌史密斯I(Bacillus smith I)及高温性酵母的混合菌株ATS-1(保藏编号KCTC10637BP)，从而使得在含水率高的状态下也能够维持高的分解活性，并能够有效处理食物垃圾。
最后，授权专利第10-1161670号(2012年06月26日)及第10-1529832号(2015年06月11日)公开了一种在多种温度、pH及盐分范围内生长快，并且对于纤维素、直链淀粉、蛋白质及脂肪的分解率高的混合菌株，以及通过使用该混合菌株来处理食物垃圾的方法。
现有技术文献
专利文献
1.授权专利第10-0314396号(2001年10月29日)
2.授权专利第10-0452125号(2004年09月30日)
3.授权专利第10-0580857号(2006年05月10日)
4.授权专利第10-1161670号(2012年06月26日)
5.授权专利第10-1529832号(2015年06月11日)
发明内容
如上所述，一直以来努力尝试了利用能够分泌食物垃圾分解酶的微生物来减少食物垃圾的产生量的方法。但是，现有的这些微生物是具有生命的有机体，在保存及流通过程中也要持续维持培养状态，因此存在难以产品化的问题，进一步地，当食物垃圾腐败而导致腐败菌占优势时，因酸度(pH)的变化而会诱发恶臭，或者有机质的分解过程会非常缓慢。
此外，现有的大部分食物垃圾处理用微生物在包含淀粉酶或纤维素酶及脂肪酶的同时，还包含蛋白质分解酶即蛋白酶(protease)，从而存在如下问题，即，由于所述蛋白酶分解由蛋白质构成的其它酶，因此阻碍了整体酶活性。
对此，本发明的目的在于，提供一种容易进行保存及产品化，并且处理方法简便，而且分解食物垃圾中的有机物的分解速度迅速的食物垃圾处理用酶组合物。
此外，本发明的另一目的在于，提供一种适合使用所述酶组合物的食物垃圾处理装置。
根据本发明的食物垃圾处理用酶组合物，其特征为，包含5～20重量％的淀粉酶、15～30重量％的纤维素酶、15～30重量％的脂肪酶、20～65重量％的酸度为pH7.0～9.0的缓冲溶液。
所述食物垃圾处理用酶组合物的其特征在于，进一步包含0.3～3重量％的增稠剂。
此外，根据本发明的食物垃圾处理装置的特征在于，包括：脱水罐，具有用于容纳食物垃圾的内部空间，且在U形底部贯通有脱水孔，且在所述U形底部的下端设置有排水口；酶罐，用于储存使所述食物垃圾水解的权利要求1所述的酶组合物；喷射装置，用于使所述酶组合物流入所述脱水罐的上端，从而将所述酶组合物向所述食物垃圾进行喷射；搅拌装置，设置有旋转叶片，并且用于在所述脱水罐内部搅拌所述食物垃圾和所述酶组合物；热风装置，用于向所述脱水罐的上端注入40～45℃的热风；控制部，用于控制所述喷射装置、搅拌装置及热风装置。
本发明的酶组合物及利用其的食物垃圾处理装置能够迅速地将食物垃圾中的多种有机物质进行水解而使其液化，进而能够显著减少垃圾的产生量，还能够进一步抑制食物垃圾腐败所引起的恶臭。
附图说明
图1是本发明的食物垃圾处理装置的剖面结构图。
图2是本发明的食物垃圾处理装置的剖面结构图。
附图标记说明
10：脱水罐 11：脱水孔
12：排水口 13：半圆形刀片
20：酶罐 30：喷射装置
40：搅拌装置 41：旋转叶片
具体实施方式
本发明的食物垃圾处理用酶组合物包含作为食物垃圾分解酶的淀粉酶、纤维素酶及脂肪酶，同时还包含缓冲溶液(buffer solution)。
首先，所述淀粉酶具有以下功能，其对食物垃圾中主要包含在谷物中的淀粉进行水解，从而将其分解成麦芽糖或糊精而进行液化。所述纤维素酶是一种对作为细胞壁基本组成成分的纤维素进行分解，从而将其分解成葡萄糖而进行液化的酶，所述纤维素酶主要对存在于蔬菜中的纤维素进行分解。所述脂肪酶是一种将脂肪分解成脂肪酸和甘油而进行液化的酶，所述脂肪酶主要将食物垃圾中的肉中的脂质进行分解。
考虑到通常食物垃圾中所包含的淀粉和植物性纤维素及脂肪的含量，来确定了能够最有效地将这些进行水解的比例，即，所述酶的含量为淀粉酶5～20重量％、纤维素酶15～30重量％以及脂肪酶15～30重量％。
此外，优选地，所述淀粉酶、纤维素酶及脂肪酶分别处于酶活性浓度在1,000,000MIU/g、6,200IU/g、100KIU/g以上的水溶液状态。当所述酶的酶活性浓度低于上述值时，对有机物的水解效率降低而导致分解食物垃圾的速度延迟的问题。
所述缓冲溶液起到使所述酶的作用环境维持在pH7.0-9.0的缓冲状态的作用。通常，食物垃圾具有随着时间的推移而被微生物酸化的倾向，在这样的酸性条件下，会有使所述酶的活性变差的问题。因此，本发明为了防止食物垃圾的酸化，使用了上述缓冲溶液。
所述缓冲溶液的溶质为钾系列的碱性溶质，可以使用三羟甲基氨基甲烷(tris)、碳酸氢钾(potassium bicarbonate)、磷酸钾(potassium phosphate)、氢氧化钾(potassium hydroxide)中的一种以上，其中，最优选使用磷酸钾。所述钾(K+)系列的碱性溶质将食物垃圾中的盐分(NaCl)的钠离子(Na+)取代为钾离子(K+)，从而起到提高所述酶的活性的作用。
优选地，所述缓冲溶液的离子强度为50～500mM。其原因在于，如果所述离子强度小于50mM，则食物垃圾腐败或发酵时容易使缓冲溶液的酸度发生变化，从而会使所述脂肪酶的活性变差，另一方面，如果所述离子强度大于500mM，则存在所述酶的水解作用整体被延迟的缺点。
所述缓冲剂的含量为组合物总重量的20～65重量％，如果小于20重量％，则缓冲效果微弱，从而导致无法使所述酶充分发挥作用的问题，另一方面，如果大于65重量％，则所述酶的含量会相对降低而不优选。
所述酶组合物可以进一步包含0.3～3重量％的增稠剂，可以使用黄原胶(xanthangum)、瓜尔豆胶(guar gum)或它们的混合物来作为所述增稠剂。这种增稠剂使所述酶组合物的粘度增加，从而起到使酶组合物附着在食物垃圾表面的作用，因此所述酶组合物不会流失，从而起到持续维持水解作用的功能。
如果所述增稠剂的含量小于0.3重量％，则几乎没有增加酶组合物粘度的效果，另一方面，如果大于3重量％，则导致所述增稠剂无法均匀分散。由于所述增稠剂与其它组成成分相比其含量很少，因此为了使所述增稠剂能够均匀分散，优选地，首先与所述缓冲溶液混合后再与所述酶进行混合。
本发明的酶组合物包含增稠剂时，可以包含5～20重量％的淀粉酶、15～30重量％的纤维素酶、15～30重量％的脂肪酶、20～64.7重量％的缓冲剂及0.3～3重量％的增稠剂。作为一例，可以包含5～20重量％的淀粉酶、15～30重量％的纤维素酶、15～30重量％的脂肪酶、20～64.5重量％的缓冲剂及0.3～3重量％的增稠剂。具体地，可以包含10～15重量％的淀粉酶、20～25重量％的纤维素酶、20～25重量％的脂肪酶、34.5～49.5重量％的缓冲剂及0.5重量％的增稠剂。
如上所述，本发明的酶组合物的特征在于，不包含分解蛋白质的蛋白酶(protease)。其原因在于，所述蛋白酶会分解所述淀粉酶、纤维素酶及脂肪酶，或者使它们变形从而阻碍它们的活性。此外，当所述脂肪酶分解动物性有机质中所包含的脂肪后，所述动物性有机质中剩余的蛋白质会被直接分解成肽和氨基酸，因此仅通过所述脂肪酶也能够带来充分的分解效果。
此外，如图1及图2所示，本发明的食物垃圾处理装置包括脱水罐10、酶罐20、喷射装置30、搅拌装置40、热风装置(未图示)及控制部(未图示)。
所述脱水罐10具有用于容纳食物垃圾的内部空间，在U形底部密密地贯通有脱水孔11，且在U形底部下端设置有排水口12。所述脱水孔11的直径优选为1mm左右，以便仅排出食物垃圾分解后的液状有机物。
所述食物垃圾以被粉碎成细细的状态被投入到所述脱水罐10中。其原因在于，只有食物垃圾的表面积变大才能够扩大酶组合物与食物垃圾的接触面积。为此，优选地，在所述脱水罐10的U形底部上附着用于切断所述食物垃圾的半圆形刀片13。
所述酶罐20为用于储存使所述食物垃圾水解的酶组合物的地方，并设置在所述脱水罐10的外壁一侧。所述酶罐20中所储存的酶组合物，优选使用上述本发明的酶组合物。
所述喷射装置30是用于使所述酶组合物流入所述脱水罐的上端，从而将所述酶组合物向所述食物垃圾进行喷射的装置，因此与通常的喷射装置具有相同的结构。
所述搅拌装置40是用于在所述脱水罐10的内部搅拌所述食物垃圾和所述酶组合物的装置，并设置有旋转叶片41。在所述旋转叶片41设有比半圆形刀片13的高度及厚度大3mm的凹槽，以使在旋转叶片41旋转时能够使半圆形刀片13从该旋转叶片41的中央通过。旋转叶片41和半圆形刀片13旋转，由此所述旋转叶片41与所述半圆形刀片13一边交叉一边将食物垃圾切碎。
所述热风装置起到向所述脱水罐10的上端注入40～45℃的热风的功能，所述控制部起到控制所述喷射装置、搅拌装置及热风装置的功能。作为参考，当设置热丝或热板来作为对所述脱水罐10进行加热的加热装置时，可能会降低酶的活性，因此不优选。
对所述食物垃圾处理装置的作用效果进行说明则如下。首先，使用常规粉碎机将食物垃圾切碎并投入到所述脱水罐10中，利用所述喷射装置30来喷射本发明的酶组合物，从而使所述食物垃圾和所述酶组合物充分混合。
然后，利用所述热风装置向所述脱水罐10的上端注入40～45℃的热风的同时，放置约6～12小时。如此地，所述酶组合物会缓慢分解食物垃圾中的淀粉、纤维素以及脂质，从而转换成非常稀的液状有机物质。所述液状有机物质通过所述脱水孔11和排水口12向下水道排出，从而仅剩下未被分解的骨块或坚韧的纤维质等少量的固体成分。
此时，利用具有单独的控制程序的所述控制部，根据食物垃圾的状态及外部温度等来调节所述酶组合物的喷射量和喷射周期、所述搅拌装置的搅拌速度、热风的温度等，从而能够更有效地处理食物垃圾。
下面，对本发明的优选实施例进行说明。但是，本发明的权利要求保护范围并不受限于这些实施例。
实施例
按照下述表1所示的组成成分及含量比例来制备本发明的酶组合物。不同的是，在实施例1-3中，先将作为增稠剂使用的黄原胶混合到磷酸钾缓冲溶液中后，再混合了其它组成成分。
表1
在上述表1中，作为淀粉酶使用了酶活性浓度为1,200,000MIU/g的BIO-CAT公司的产品，作为纤维素酶使用了酶活性浓度为6,200IU/g的NOVOZYME公司的产品，作为脂肪酶使用了酶活性浓度为100KIU/g的NOVOZYME公司的产品。
减重效果测试
1)测试例1：对各实施例的酶组合物的减重效果的测定
将切碎的10kg白菜、2kg萝卜、5kg面包、2kg米饭、500g牛肉、500g猪肉、600g盐进行混合后使其熟透，之后，利用食物粉碎机将它们再次进行粉碎，从而准备单位重量为20kg的食物垃圾试样。
准备图1及图2所示的食物垃圾处理装置，在所述处理装置的脱水罐10中依次分别加入所述食物试样20kg后，分别喷射10ml的根据上述实施例1-5制得的本发明的酶组合物。
利用所述食物垃圾处理装置的热风装置向脱水罐10内部喷射42～44℃的热风，并以3rpm的速度使搅拌装置40旋转，在经过3小时、6小时、9小时及12小时时，测定各个试样的重量，然后将其结果记录在下述表2中。在下述表2中，减重效果(Kg)为每个试样的初始重量(20Kg)中减去测定时的残留重量(Kg)的值。
表2
如上述表2所示，在本发明中，减重效果并没有因各酶的含量变化而产生显著差异，但从经济方面考虑，发现实施例2的酶组合物最为有效。但是，不使用增稠剂的实施例4及实施例5与实施例1-3相比，显示出相对低的减重效果。
2)测试例2：根据酶组合物的使用量的减重效果测定
采用与所述测试例1相同的方法来进行实施，但将所述实施例2的酶组合物的喷射量增至20ml、30ml及40ml，并采用与所述测试例1相同的方法来测定减重效果，之后将其结果与表1中实施例2的结果一起记录到下述表3中。
表3
如上述表3所示，将本发明的酶组合物的使用量从10ml增加至20ml、30ml、40ml，当经过3小时时，发现酶组合物使用量越多的其减重效果越明显，然而随着时间的推移减重效果的差异逐渐缩小，当经过12小时时，发现几乎不存在差异了。
3)测试例3：与现有微生物菌株的减重效果比较
将已知为分泌食物垃圾分解酶的代表性微生物菌株地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、黑曲霉(Aspergillusniger)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在马铃薯葡萄糖肉汤(Potatodextrose broth)培养基中进行培养，直至浓度分别达到6×109/ml以上。
准备20Kg与上述测试例1相同的食物垃圾作为比较试样，并在所述比较试样中将所述菌株与培养基一起加入500ml，然后采用与上述测试例1相同的方法来测定减重效果，之后，将其结果与上述表1中实施例2的结果一起记录到下述表4中。
表4
如上述表4所示，本发明的酶组合物在经过12小时时的食物垃圾的减重效果与使用现有的微生物菌株的比较试样相比，提高了约1.9倍以上。
Claims (7)
1.一种食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
包含5～20重量％的淀粉酶、15～30重量％的纤维素酶、15～30重量％的脂肪酶、20～65重量％的酸度为pH7.0～9.0的缓冲溶液。
2.根据权利要求1所述的食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
所述食物垃圾处理用酶组合物进一步包含0.3～3重量％的增稠剂。
3.根据权利要求2所述的食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
所述增稠剂为黄原胶、瓜尔豆胶或它们的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
所述缓冲溶液的溶质选自三羟甲基氨基甲烷、碳酸氢钾、磷酸钾、氢氧化钾中的一种以上。
5.根据权利要求4所述的食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
所述缓冲溶液的离子强度为50～500mM。
6.一种食物垃圾处理用酶组合物，其特征在于，
所述食物垃圾处理用酶组合物由10重量％的淀粉酶、20重量％的纤维素酶、20重量％的脂肪酶、49.5重量％的酸度为pH7.0～9.0的磷酸钾缓冲溶液及0.5重量％的黄原胶组成。
7.一种食物垃圾处理装置，其特征在于，包括：
脱水罐，具有用于容纳食物垃圾的内部空间，且在U形底部贯通有脱水孔，且在所述U形底部的下端设置有排水口；
酶罐，用于储存使所述食物垃圾水解的权利要求1所述的酶组合物；
喷射装置，用于使所述酶组合物流入所述脱水罐的上端，从而将所述酶组合物向所述食物垃圾进行喷射；
搅拌装置，设置有旋转叶片，并且用于在所述脱水罐内部搅拌所述食物垃圾和所述酶组合物；
热风装置，用于向所述脱水罐的上端注入40～45℃的热风；
控制部，用于控制所述喷射装置、搅拌装置及热风装置。
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