CN109913505A - 一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，包括以下步骤：(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；(2)按照2.8–3.4：1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆；(3)在75–110℃下对浆料加热30‑60min，使浆料冷却至60℃以下；(4)调节浆料的酸碱度至pH＝4–5，加入糖化酶，使浆料在58‑60℃下糖化15–60min，过滤，保留滤液；(5)采用复合酵母菌接种滤液，并在30–37℃下无氧发酵36–72h，复合酵母菌的接种量为8–12wt％，其中的菌种组合为拉斯2号酵母+K字酵母+日本研发1号酵母；(6)依次经过粗镏塔、精馏塔二级蒸馏，得到产品。本发明高效地将餐厨垃圾源淀粉类废料转化为乙醇，制得的乙醇具有较高的纯度。
Description
技术领域
本发明属于餐厨垃圾资源化处理技术领域，具体地，涉及一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法。
背景技术
能源是经济和社会发展的基本动力，过去50年里，尽管煤、石油和天然气的应用大大推动了世界经济的发展和人类社会的进步，但这些化石能源都不可再生，无法实现可持续发展.按照已探明的储备量和开采速度推算，全球石油的平稳供应只能维持将近50年，天然气不足100年，煤炭不足200年。也就是说，地球上的化石能源资源在不远的将来就会被耗尽，全球能源安全正面临严峻挑战。同时，化石能源的使用对环境污染和全球气候的影响日趋严重，伴随着能源消耗的不断增加，全球环境污染物的排放量逐年加大。基于全球能源供应日益紧张的形势，从国家能源和战略安全考虑，研究新型能源替代石油尤为迫切，而通过发酵生产乙醇是一种重要的可再生能源获得途径。一直以来，乙醇作为一种洁净的燃料备受关注，无论是单独作为汽车的燃料，还是部分替代燃油，都被认为是最合适的化石燃料替代物。
目前全国餐厨垃圾产生量大，但其资源化利用率极低，污染环境同时也造成大量的资源浪费。现有餐厨垃圾常用的处理方式主要有粉碎直排处理、填埋处理、肥料化处理、饲料化处理、能源化处理5种方式。制取燃料乙醇作为能源化处理的其中一种具体应用，在近几年里迅速兴起，但因餐厨垃圾的含水率高，乙醇的发酵和蒸馏工序并不完善，造成资源可利用率不高、投资成本偏高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，以解决上述技术问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，包括以下步骤：
步骤(1)，餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
步骤(2)，按照2.8–3.4：1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆；
步骤(3)，在75–110℃下对浆料加热30-60min，使浆料冷却至60℃以下；
步骤(4)，调节浆料的酸碱度至pH＝4–5，按照0.1–0.3wt％的添加量加入糖化酶，使浆料在58-60℃下糖化15–60min，过滤，保留滤液；
步骤(5)，采用复合酵母菌接种滤液，并在30–37℃下无氧发酵36–72h，得醪液；复合酵母菌的接种量为8–12wt％，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，其中的菌种组合为拉斯2号酵母+K字酵母+日本研发1号酵母；
步骤(6)，所述醪液依次经过粗镏塔、精馏塔二级蒸馏，得到产品。
优选地，复合酵母菌中的有效活菌数满足以下比例：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4。
优选地，复合酵母菌的接种量为10wt％。
优选地，在步骤(5)中，发酵温度为32–34℃，发酵时间为60–70h。
优选地，在步骤(6)中，往待蒸馏的混合液中加入共沸剂，共沸剂由苹果酸和氯酰胆碱按照苹果酸：氯酰胆碱＝3:2的摩尔比组成。
优选地，共沸剂的添加量为1–3wt％。
优选地，在步骤(3)中，加热温度为95–105℃。
优选地，在步骤(4)中，糖化时间为15–25min。
优选地，在步骤(4)中，将浆料的酸碱度调节至4.2–4.4。
优选地，在步骤(1)中，静置由餐厨垃圾固液分离得到的废液，使废液油水分层并分离，将分离得到的污水作为步骤(2)中的水源参与打浆工序；在步骤(6)中，醪液经过二级蒸馏工序处理，蒸出产品后剩余残液，将残液回用于步骤(5)中的无氧发酵工序。
与现有技术比，本发明的有益效果是：
本发明利用从餐厨垃圾中分离的淀粉废料作为原料制取燃料乙醇，通过对糖化温度、糖化时间的合理设置，使淀粉废料有效地转化为可被酵母菌直接利用的葡萄糖，采用拉斯2号酵母+K字酵母+日本研发1号酵母组成的复合酵母菌接种醪液，三种菌株协同增效，在醪液中能够保持较高的活性，高效地将葡萄糖分解为乙醇，使发酵液中具有较高的乙醇含量，另外，所选择的三种酵母菌株具有较高的耐乙醇能力，随着发酵液内乙醇含量的升高，发酵液内的酵母菌活性没有出现明显的下降。
本发明在乙醇蒸馏的过程中使用共沸剂，通过对共沸剂的组分进行限定，有效地提高了燃料乙醇的纯度，由此制得的燃料乙醇的纯度高达99.8％。
另一方面，粮食类谷物如玉米、大米、小麦等是目前制取燃料乙醇工艺中较为常用的原料之一，其乙醇产率比一般非粮食原料、纤维素原料高出几倍，而餐厨垃圾中分类出的淀粉质类垃圾通常为等粮食，且大部分已经过蒸煮，用于制取燃料乙醇，则可比传统乙醇生产工艺节省大部分蒸煮过程，具有节能降耗、简化工艺的优点；此外，由于经过有目的性地分选，所得的餐厨垃圾淀粉质含量更高，有利于提高燃料乙醇纯度；由于所获得的淀粉质类垃圾仍属于混合原料，在借鉴现有酒精生产工艺的基础上，结合生产原料的种类和特性，对生产工艺参数进行了优化，进一步提高了燃料乙醇制取效率和产量；蒸馏后的残液回用于发酵，既有利于发酵过程，又不产生二次污染，清洁环保。
附图说明
图1为实施例1中利用不同菌种组成的酵母菌制备的发酵液的乙醇含量统计图；
图2为实施例1中接种量与发酵液乙醇含量的对应关系图；
图3为实施例2中料液比与发酵液乙醇含量的对应关系图；
图4为实施例2中浆料pH值与发酵液乙醇含量的对应关系图；
图5为实施例2中糖化温度与发酵液乙醇含量的对应关系图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
实验设置方式：本实施例分别以用于作为醪液发酵的酵母菌菌种以及接种量为变量，设施若干处理组，对餐厨垃圾进行一系列加工处理制备乙醇，以探究上述变量对醪液发酵得到的发酵液乙醇含量的影响。
主要菌株：拉斯2号酵母(Saccharomyces cerevisiae RasseⅡ)，K字酵母(Saccharomyces cerevisiae K)，日本研发1号酵母(Saccharomyces cerevisiae HakkenNo.1)。
主要仪器：WHL-65B立式干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；0.40mm孔筛：绍兴市上虞道墟燕光仪器设备厂；GC-7890气相色谱仪：上海传昊仪器有限公司；BS-2F振荡培养箱：金坛区水北科普实验仪器厂；DH-360电热恒温培养箱：北京中兴伟业仪器有限公司。
测试指标：醪液发酵后得到的发酵液的乙醇含量。
1.复合酵母菌的菌种组成对发酵液乙醇含量的影响
1.1实验操作
本节的处理组的变量设置为用于作为醪液发酵的酵母菌菌种，各处理组对应的酵母菌菌种组成如表1所示，除了表1中所列出的变量外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。表1中所列出的比例为不同菌种酵母菌的有效活菌数之比。
表1本节各处理组采用的酵母菌菌种组成
各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)按照3：1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)在100℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58-60℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用相应菌种的酵母菌接种滤液，酵母菌的接种量为10wt％，酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，并在32–34℃下厌氧发酵65h，得到发酵液。
1.2测试结果
处理组1–7制备得到的发酵液的乙醇含量如图1所示，如图所示，发酵液乙醇含量的大小关系为：单菌种酵母菌发酵＜双菌种复合酵母菌发酵＜三菌种复合酵母菌发酵。三种菌种之间的彼此复合，协同增效，能够更合理地利用醪液中的还原糖，有效地提高了发酵液中的乙醇含量。
2.复合酵母菌接种量对发酵液乙醇含量的影响
2.1实验操作
本节的处理组的变量设置为用于作为醪液发酵的复合酵母菌接种量，除此之外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)按照3：1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)在100℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58-60℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用复合酵母菌分别按照2wt％、6wt％、10wt％、12wt％、14wt％的接种量接种滤液，并在32–34℃下无氧发酵65h，得到发酵液；其中，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，有效活菌的菌种组成为：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4。
2.2测试结果
发酵过程中，酵母的活性受到接种量大小的影响。接种量过小，酵母菌数量不足，繁殖代数增多，容易老化和染菌；接种量过大，酵母菌老化严重，影响乙醇的发酵。由图2可知，在酵母接种量为2wt％～10wt％时，乙醇含量随酵母接种量的增加而增大。当接种量超过10wt％时，乙醇含量有所下降，原因可能过高的接种量引起酵母菌种老化直接影响到乙醇的发酵生产。因此将10wt％确定为复合酵母菌的最佳接种量。
实施例2
实验设置方式：本实施例分别以往淀粉类废料加水打浆的料水比、浆料pH值、糖化温度为变量，设施若干处理组，对餐厨垃圾进行一系列加工处理制备乙醇，以探究上述加工工艺参数变量对醪液发酵得到的发酵液乙醇含量的影响。
主要仪器：WHL-65B立式干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；0.40mm孔筛：绍兴市上虞道墟燕光仪器设备厂；GC-7890气相色谱仪：上海传昊仪器有限公司；BS-2F振荡培养箱：金坛区水北科普实验仪器厂；DH-360电热恒温培养箱：北京中兴伟业仪器有限公司。
测试指标：醪液发酵后得到的发酵液的乙醇含量。
1.料水比对对发酵液乙醇含量的影响
1.1实验操作
本节的处理组的变量设置为往淀粉类废料加水打浆的料水比，除此之外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)分别按照2.8:1、3.0:1、3.2:1、3.4:1、3.6:1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)在100℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58-60℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用复合酵母菌按照10wt％的接种量接种滤液，并在32–34℃下无氧发酵65h，得到发酵液；其中，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，有效活菌的菌种组成为：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4。
1.2测试结果
在乙醇生产过程中，要求醪液均匀，黏度低，易于输送和酵母发酵。但随着固形物含量的提高，醪液的黏度迅速增加，会使醪液的搅拌、输送、加热和冷却都十分困难。同时水也是反应物之一，在原料分子周围没有足够的水参与反应，最终造成醪液液化和糊化反应不均匀和不彻底，引起原料利用率下降。由图3可知，当料水比小于3:1时，随着料水比的增大，发酵液的乙醇含量迅速提高，而料水比分别达到3:1和3.2:1对应的发酵液乙醇含量相对波动不大，当料水比大于3.2:1，对应的发酵液乙醇含量呈下降趋势，造成这种现象的原因可能是还原糖和酵母菌的浓度较低，不利于酵母菌对还原糖的转化。
2.料水比对对发酵液乙醇含量的影响
2.1实验操作
本节的处理组的变量设置为浆料pH值，除此之外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)按照3:1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)分别在80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58–60℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用复合酵母菌按照10wt％的接种量接种滤液，并在32–34℃下无氧发酵65h，得到发酵液；其中，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，有效活菌的菌种组成为：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4。
2.2测试结果
测试结果如图4所示，在浆料加热温度为80–100℃，随着加热温度的升高，发酵液的乙醇含量升高，当料浆加热温度超过100℃，随着加热温度的升高，发酵液的乙醇含量减少，因此将100℃作为浆料的最佳加热温度。
3.糖化温度对对发酵液乙醇含量的影响
3.1实验操作
本节的处理组的变量设置为糖化温度，除此之外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)按照3:1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)在100℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，分别使所述浆料在54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用复合酵母菌按照10wt％的接种量接种滤液，并在32–34℃下无氧发酵65h，得到发酵液；其中，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，有效活菌的菌种组成为：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4。
2.2测试结果
在醪液的糖化阶段中，醪液中的淀粉类物质主要在糖化酶的作用下分解成为能够被酵母菌利用的葡萄糖，因此糖化酶的活性是影响发酵液乙醇含量的其中一个重要因素。如图5所示，当糖化温度低于60℃时，随着糖化温度升高，发酵液乙醇含量升高，当糖化温度超过60℃后进一步升高，由于温度过高，使糖化酶失活，因此对应的发酵液乙醇含量迅速下降。通过本节实验，将58–60℃设定为最佳的糖化温度范围。
实施例3
1.实验设置方式
本实施例以共沸剂的组成为变量，设施若干处理组，对餐厨垃圾进行一系列加工处理制备并提取乙醇，以探究共沸剂组成对乙醇纯度的影响。本实施例各处理组对应的共沸剂组成如表2所示，除了表2中所列出的变量外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。表2中所列出的比例为组成共沸剂的组分的摩尔比。本实施例设置对照组，对照组的蒸馏过程中不采用共沸剂。
表2本实施例各处理组采用的共沸剂的具体组成
2.主要仪器
WHL-65B立式干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；0.40mm孔筛：绍兴市上虞道墟燕光仪器设备厂；GC-7890气相色谱仪：上海传昊仪器有限公司；BS-2F振荡培养箱：金坛区水北科普实验仪器厂；DH-360电热恒温培养箱：北京中兴伟业仪器有限公司。
3.实验操作
本节的处理组的变量设置为共沸剂的具体组成，除此之外，各处理组的所有相应技术要点严格保持一致。各处理组按照如下步骤采用餐厨垃圾制备并提取乙醇：
(1)餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
(2)按照3：1的料水比往淀粉类废料中加水并打浆至颗粒大小为5–45μm；
(3)在100℃下对浆料加热45min，使浆料冷却至58–60℃，液化时间为30min；
(4)利用醋酸调节浆料的酸碱度至pH＝4.2，按照0.18wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58-60℃下糖化20min，过滤，保留滤液；
(5)采用复合酵母菌按照10wt％的接种量接种滤液，并在32–34℃下无氧发酵65h，得到发酵液；其中，复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，有效活菌的菌种组成为：拉斯2号酵母：K字酵母：日本研发1号酵母＝6:3:4；
(6)对发酵液进行灭菌处理，过滤，分别向得到的滤液中加入相应共沸剂，共沸剂的加入量为1.8wt％依次经过粗镏塔、精馏塔二级蒸馏，得到的乙醇即为最终产品。
4.检测结果
对照组和各处理组提取得到的乙醇的纯度如表3所示，对照组制取的乙醇的纯度显著低于其他处理组，而以苹果酸和氯酰胆碱按照不同摩尔比复配的共沸剂对应的乙醇纯度都高于苹果酸或者氯酰胆碱单独作为共沸剂对应的乙醇纯度。最终，把摩尔比为：苹果酸：氯酰胆碱＝3:2作为共沸剂的最佳组分组成，与对照组相比，由此制取的乙醇纯度提高了近6％。
表3本实施例对照组及各处理组制取的乙醇纯度
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，餐厨垃圾固液分离，并从由此得到的固相厨余中分拣出淀粉类废料；
步骤(2)，按照2.8–3.4：1的料水比往所述淀粉类废料中加水并打浆；
步骤(3)，在75–110℃下对浆料加热30–60min，使所述浆料冷却至60℃以下；
步骤(4)，调节所述浆料的酸碱度至pH＝4–5，按照0.1–0.3wt％的添加量加入糖化酶，使所述浆料在58-60℃下糖化15–60min，过滤，保留滤液；
步骤(5)，采用复合酵母菌接种所述滤液，并在30–37℃下无氧发酵36–72h，得醪液；所述复合酵母菌的接种量为8–12wt％，所述复合酵母菌的有效活菌数≥108CFU/g，其中的菌种组合为拉斯2号酵母+K字酵母+日本研发1号酵母；
步骤(6)，所述醪液依次经过粗镏塔、精馏塔二级蒸馏，得到产品。
2.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：所述复合酵母菌中的有效活菌数满足以下比例：所述拉斯2号酵母：所述K字酵母：所述日本研发1号酵母＝6:3:4。
3.如权利要求2所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：所述复合酵母菌的接种量为10wt％。
4.如权利要求3所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，发酵温度为32–34℃，发酵时间为60–70h。
5.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，往待蒸馏的混合液中加入共沸剂，所述共沸剂由苹果酸和氯酰胆碱按照苹果酸：氯酰胆碱＝3:2的摩尔比组成。
6.如权利要求5所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：所述共沸剂的添加量为1–3wt％。
7.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：所述在步骤(3)中，加热温度为95–105℃。
8.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，糖化时间为15–25min。
9.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，将所述浆料的酸碱度调节至4.2–4.4。
10.如权利要求1所述利用餐厨垃圾制取燃料乙醇的方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，静置由所述餐厨垃圾固液分离得到的废液，使所述废液油水分层并分离，将分离得到的污水作为所述步骤(2)中的水源参与所述打浆工序；在所述步骤(6)中，所述醪液经过所述二级蒸馏工序处理，蒸出所述产品后剩余残液，将所述残液回用于所述步骤(5)中的所述无氧发酵工序。
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