CN114178292A - 以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统和方法，系统中，第一、第二和第三接收料斗分别通过第一、第二和第三进料螺旋输送机与混合搅拌机的入口连接；混合搅拌机的出口和第四接收料斗的出口分别通过第四进料螺旋输送机和第五进料螺旋输送机与自动分选机的入口连接；自动分选机设有用于惰性物的第一出口和用于输出其余物料的第二出口，所述第二出口通过第六进料螺旋输送机与破碎均质机的入口连接；破碎均质机的出口通过浆料螺旋输送机与脱水机的入口连接；脱水机的出口分为若干路并分别与所述若干催化反应单元连接。本发明能够实现食品废物向高值酯类产品的转化，为食品废物全成分深度资源化利用提供新型技术系统和途径。

Description

以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统和方法
技术领域
本发明属于食品废物资源化利用技术领域，具体涉及以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统和方法。
背景技术
近年来，随着全球人口和经济的快速增长，食品废物的产量迅速增长。食品浪费是气候变化的最大贡献因素之一，导致排放44亿吨CO2/年，占全球温室气体排放量的8％，处理食品废物综合成本高达2.5万亿美元/年。食品废物有机物和水分含量高，通常容易变质和腐烂，处理不当会导致二次环境污染。
目前，食品废物的主要处理技术有填埋、焚烧以及好氧堆肥、厌氧消化等生物处理方式。填埋处理不仅占地面积大，还会产生大量垃圾渗滤液，容易造成土壤和地下水污染的风险。采用焚烧处理时，由于食品废物普遍热值较低，焚烧处理时需要添加额外辅助燃料，从而导致能量利用效率以及经济性能较低。常见的生物处理技术好氧堆肥和厌氧消化需要较长的处理周期，含盐分的食品废物堆肥产品销路不畅，且食品废物组分具有时空变化性，给生物处理技术的运行稳定性带来了挑战。
食品废物中蕴含着大量功能化的分子，采用传统的填埋、焚烧、生物处理等技术会破坏掉这些功能化分子，不能实现食品废物的精细化利用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统和方法，实现食品废物向高值酯类产品的转化，为食品废物全成分深度资源化利用提供新型技术系统和途径。
本发明采用的技术方案如下：
以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，包括如下过程：
将糖类食品废物、脂类食品废物和蛋白类食品废物混合均匀，得到食品废物混合物；或者将同时含有糖类-油脂-蛋白的食品废物搅拌均匀，得到食品废物混合物；
对所述食品废物混合物进行分离，将惰性物分离出，将其余物料进行破碎，得到食品废物浆料；
对食品废物浆料进行脱水，使食品废物浆料达到预设的含水率，得到食品废物底料；
将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应，进行多种酯类产品共联产。
优选的，所述低碳醇溶剂包括甲醇和乙醇。
优选的，所述催化剂包括H2SO4、AlCl3、C/Si-SO3H、ZrO2-USY、SnCl4或SnCl2·2H2O。
优选的，将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应时，反应温度为80-200℃，反应过程中连续搅拌，连续搅拌反应时间为0.5-24小时。
优选的，所述惰性物包括骨头、塑料和金属中的至少一种。
优选的，将分离出的惰性物收集、打包。
本发明还提供了以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，该系统用于实现本发明如上所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，包括：
第一接收料斗、第二接收料斗、第三接收料斗、第四接收料斗、混合搅拌机、自动分选机、破碎均质机、脱水机和若干催化反应单元；
第一接收料斗、第二接收料斗和第三接收料斗分别通过第一进料螺旋输送机、第二进料螺旋输送机和第三进料螺旋输送机与混合搅拌机的入口连接；
混合搅拌机的出口和第四接收料斗的出口分别通过第四进料螺旋输送机和第五进料螺旋输送机与自动分选机的入口连接；
自动分选机设有用于惰性物的第一出口和用于输出其余物料的第二出口，所述第二出口通过第六进料螺旋输送机与破碎均质机的入口连接；
破碎均质机的出口通过浆料螺旋输送机与脱水机的入口连接；
脱水机的出口分为若干路并分别与所述若干催化反应单元连接，所述催化反应单元用于将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应，进行多种酯类产品共联产。
优选的，所述催化反应单元包括主反应器、催化剂储仓和低碳醇储存及注入单元，催化剂储仓、低碳醇储存及注入单元和脱水机的出口通过反应原料输送机与主反应器连接；
若干催化反应单元共用所述低碳醇储存及注入单元；
低碳醇储存及注入单元包括甲醇储罐和乙醇储罐，甲醇储罐和乙醇储罐均与每个低碳醇储存及注入单元的主反应器通过管路连接，所述管路上依次设有泵和控制阀门。
优选的，还包括酯类产品分离单元，酯类产品分离单元包括蒸馏塔组；
每个催化反应单元对应设有一套蒸馏塔组，蒸馏塔组与甲醇储罐、乙醇储罐以及该催化反应单元的主反应器之间通过管道相连。
优选的，还包括惰性物打包机，惰性物打包机的入口与自动分选机的第一出口之间设有输送皮带。
相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
(A)能够实现食品废物中混杂有机组分的同步催化转化，且对原料中糖、脂、蛋白组成比例和含水率的适应范围宽，能较好地适应食品废物成分具有时空变化性的特点。(B)以食品废物为原料，高效制得附加值高的多种酯类化学品，实现多种酯类产品共联产，为日益增长的食品废物的资源化增值利用提供了新的技术途径。(C)对食品废物中的功能化分子可予以较大程度的保留和定向官能化，可以实现食品废物的精细化增值利用。(D)反应系统中设置了若干个反应仓，可根据需求进行单/多线生产，得到不同酯类化学品。
附图说明
图1是本发明以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统示意图。
图2是本以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法流程图。
其中：1-第一接收料斗，2-第二接收料斗，3-第三接收料斗，4-第四接收料斗，5-第一进料螺旋输送机，6-第二进料螺旋输送机，7-第三进料螺旋输送机，8-混合搅拌机，9-第四进料螺旋输送机，10-第五进料螺旋输送机，11-自动分选机，12-惰性物打包机，13-第六进料螺旋输送机，14-破碎均质机，15-浆料螺旋输送机，16-脱水机，17-第一反应原料输送机，18-第二反应原料输送机，19-第一主反应器，20-第二主反应器，21-甲醇储罐，22-乙醇储罐，23-第一催化剂储仓，24-第二催化剂储仓，25-第一蒸馏塔组，26-第二蒸馏塔组，27-第一催化剂给料机，28-第二催化剂给料机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明旨在以食品废物作为基料，通过催化转化的方式使食品废物中的功能化分子定向官能化，制取高附加值的酯类化学品，以食品废物为原料实现多种酯类产品的共联产，是食品废物精细化增值利用的一种新的系统和方法。该系统方法可以使食品废物中的糖类、油脂、蛋白组分同时进行整体转化，在一个反应体系中制得多种酯类产品，实现食品废物中三大有机组分的精细化利用和深度资源化，有利于食品废物的可持续增值利用。酯类化学品在食品、能源、医药、化工等行业有很大市场需求。本发明从食品废物中制得酯类产品，多种酯类化学品共联产，与现有的化工行业生产酯类的方法相比，具有原料来源广泛、价格低廉的优点。
本发明以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，如图1和图2所示，包括原料接收单元、组合配料单元、惰性物分离单元、惰性物处置单元、破碎均质单元、含水率调节单元、催化反应单元、低碳醇储存及注入单元、催化剂储存及注入单元、第一酯类产品分离单元、第二酯类产品分离单元；
其中，原料接收单元包括第一接收料斗1、第二接收料斗2、第三接收料斗3、第四接收料斗4、第一进料螺旋输送机5、第二进料螺旋输送机6、第三进料螺旋输送机7、第五进料螺旋输送机10。第一接收料斗1、第二接收料斗2、第三接收料斗3设置出料口分别与第一进料螺旋输送机5、第二进料螺旋输送机6、第三进料螺旋输送机7的进料口相连。
组合配料单元包含混合搅拌机8和第四进料螺旋输送机9，混合搅拌机8设置3个进料口，分别连接第一进料螺旋输送机5、第二进料螺旋输送机6、第三进料螺旋输送机7的出料口。混合搅拌机8设置一个出料口，与第四进料螺旋输送机9的进料口相连。
惰性物分离单元，包括自动分选机11和第六进料螺旋输送机13。
惰性物处置单元，包括惰性物打包机12。
自动分选机11设两个进料口，分别与第四进料螺旋输送机9、第五进料螺旋输送机10的出料口相连。自动分选机11和惰性物打包机12之间通过皮带相连，自动分选机11设置一个出料口，连接第六进料螺旋输送机13的进料口。
破碎均质单元，包括破碎均质机14和浆料螺旋输送机15。破碎均质机14设置一个进料口，与第六进料螺旋输送机13的出料口相连，设置一个出料口，与浆料螺旋输送机15的进料口相连。
含水率调节单元，包括脱水机16、第一反应原料输送机17和第二反应原料输送机18，脱水机16设置一个进料口，与浆料螺旋输送机15的出料口相连，设置两个出料口，分别与第一反应原料输送机17和第二反应原料输送机18的进料口相连。
催化反应单元，包括第一主反应器19和第二主反应器20。第一主反应器19和第二主反应器20分别设置一个进料口，分别连接第二反应原料输送机18和第一反应原料输送机17的出料口。
催化剂存储及注入单元，包括第一催化剂储仓23和第二催化剂储仓24，第一催化剂储仓23和第二催化剂储仓24分别设置一个出料口，分别连接第二催化剂给料机18和第一催化剂给料17机的进料口，第一主反应器19及第二主反应器20分别设置一个进料口，分别连接第二催化剂给料机18和第一催化剂给料机17的出料口。
低碳醇储存及注入单元，包括甲醇储罐21和乙醇储罐22，低碳醇储罐中的溶剂通过泵打入第一主反应器19和第二主反应器20，储罐、泵和主反应器之间通过管道相连。
第一酯类产品分离单元，包括第一蒸馏塔组25，第一蒸馏塔组25和甲醇储罐21、乙醇储罐22、第一主反应器19之间通过管道相连。
第二酯类产品分离单元，包括第二蒸馏塔组26，第二蒸馏塔组26和甲醇储罐21、乙醇储罐22、第二主反应器20之间通过管道相连。
本发明以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统在使用时：
(1)原料接收单元中；第一接收料斗1、第二接收料斗2和第三接收料斗3分别用来接收糖类、脂类和蛋白类食品废物；第四接收料斗4用来接收糖-脂-蛋白混合食品废物。第一接收料斗1、第二接收料斗2和第三接收料斗3中的物料分别通过第一进料螺旋输送机5、第二进料螺旋输送机6和第三进料螺旋输送机7输送至混合搅拌机8中，第四接收料斗4中的物料通过第五进料螺旋输送机10输送至自动分选机11中；通过调控各接收料斗进料量，来调节食品废物物料的中水分、以及分糖类、油脂、蛋白三大主要有机组分的含量；
(2)组合配料单元中；混合搅拌机8用来混合搅拌机使糖类、油脂、蛋白类食品废物并使它们混合均匀，之后通过第四进料螺旋输送机9输送至自动分选机11；
(3)惰性物分离单元中：在自动分选机11中，分选出食品废物中的骨头、塑料、金属这些惰性物，通过皮带输送至惰性物打包机12；其余物料，通过第六进料螺旋输送机13输送至破碎均质机14；
(4)惰性物处置单元中：惰性物打包机12用于将惰性物分离单元分选出来的惰性物收集起来，打包外运；
(5)破碎均质单元中：破碎匀质机14用以破碎食品废物物料，然后通过第六进料螺旋输送机13输送到含水率调节单元；
(6)含水率调节单元中：脱水机16用于将食品废物底料干燥至一定含水率，通过第一反应原料输送机17和第二反应原料输送机18输送至各自对应的主反应器；也可以不经过脱水直接进行反应；
(7)催化反应单元中：第一主反应器19用以进行以乙酰丙酸酯、脂肪酸酯为主产物，同时共联产琥珀酸酯、焦谷氨酸酯、柠檬酸酯等酯类；第二主反应器20用以进行以乳酸酯，脂肪酸酯为主产物，同时共联产烷酸酯类、烯酸酯类等酯类；第一主反应器19和第二主反应器20中，控制温度范围60-260℃，搅拌时长控制为0.5-24h；第一、第二主反应器通过重量感应确定食品废物物料和催化剂添加量，通过液面液位感应确定溶剂添加量。
(8)低碳醇储存及注入单元中：甲醇储罐21和乙醇储罐22均通过泵控制添加量，将甲醇和乙醇按照所需的量注入第一主反应器19和第二主反应器20参与反应；
(9)催化剂存储及注入单元中：第一主反应器19和第二主反应器20分别对应第一催化剂储仓23和第二催化剂储仓24，这两个催化剂储仓可用以存放不同类型、不同状态的催化剂；
(10)第一酯类产品分离单元中：第一蒸馏塔组25用于分离第二主反应器20中的反应终产物，低碳醇经蒸馏分离返回低碳醇储罐重复利用，所得酯类产品因物化特性不同而分离；
(11)第二酯类产品分离单元：第二蒸馏塔组26用于分离第一主反应器19中的反应终产物，低碳醇经蒸馏分离返回低碳醇储罐重复利用，所得酯类产品因物化特性不同而分离。
以下以设置两个催化反应单元且两个催化反应单元共用低碳醇储存及注入单元为例来说明本发明的工作过程，参照图1和图2，具体如下：
为调和食品废物原料中糖类、油脂、蛋白质成分含量，以实现多种酯类产品共联产，本系统对富含糖类/油脂/蛋白质组分食品废物分别设置接收料斗，然后调节螺杆输送机向混合搅拌机的输送量，从而调节接收物料中糖-脂-蛋白的含量，经混合搅拌机混合后的物料通过螺旋输送机输送至自动分选机。当进料为糖-脂-蛋白混合食品废物物料时，直接通过螺旋输送机将物料输送至自动分选机。在自动分选机内，食品废物物料中的惰性物质，例如塑料、骨头和金属这些被分离出来，然后通过皮带输送机输送至惰性物打包机收集处理。将去除惰性物质后的混合食品废物通过螺旋输送机输送到均质破碎机进行破碎，破碎混合后的食品废物浆料通过螺旋输送机传输到脱水机中进行脱水，然后通过螺选输送机加注至主反应器。催化剂存储仓分别放置不同类型的催化剂，根据实际需要注入一定剂量的催化剂至主反应器。低碳醇溶液通过泵注入主反应器，主反应器设有重量感应及液位感应装置，以此来控制食品废物底料、催化剂、低碳醇溶剂的加入量。待主反应器加入食品废物底料，低碳醇溶剂，催化剂之后，密封反应器并将反应器升温，在80-200℃，连续搅拌反应0.5-24小时，可实现多种酯类产品共联产。
以下结合具体实例对本发明作进一步说明。
实施例1：
食品废物源自某单位食堂，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为47wt％、34wt％和16wt％，含水率64wt％，以甲醇为溶剂，H2SO4和AlCl3为催化剂，主反应器中食品废物原料添加量为30g原料/L甲醇，催化剂添加量为0.3g H2SO4/g原料和0.3g H2SO4/g原料，160℃搅拌反应5h，得到乙酰丙酸甲酯摩尔产率为48.4％，脂肪酸甲酯质量产率为99wt％，同时联产丁二酸二甲酯、3-乙酰氧基-3-羟基丙酸甲酯、焦谷氨酸甲酯、9-氧代-壬酸甲酯、柠檬酸三甲酯、月桂酸甲酯、壬二酸二甲酯、五甲基呋喃溴酸酯、十六碳二酸二甲酯和十七碳酸甲酯。
实施例2：
食品废物源自某中餐馆，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为40wt％、51wt％和6.3wt％，含水率40wt％，以甲醇为溶剂，C/Si-SO3H为催化剂，反应器中食品废物原料添加量为20g原料/L甲醇，催化剂添加量为0.5g C/Si-SO3H/g原料，180℃搅拌反应5h，得到乙酰丙酸甲酯摩尔产率为24.4％，脂肪酸甲酯质量产率为90wt％，同时联产焦谷氨酸甲酯、壬二酸二甲酯、十七碳酸甲酯和11-二十碳一烯酸甲酯。
实施例3：
食品废物源自某高校食堂，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为47wt％、33wt％和16wt％，含水率50wt％，以甲醇为溶剂，C/Si-SO3H和ZrO2-USY为催化剂，反应器中食品废物原料添加量为25g原料/L甲醇，催化剂添加量为0.7g C/Si-SO3H/g原料和0.6gZrO2-USY/g原料，190℃搅拌反应10h，得到乙酰丙酸甲酯摩尔产率为16.38％，脂肪酸甲酯质量产率为90.1wt％，同时联产2,6-二氟-3-甲基苯甲酸甲酯、焦谷氨酸甲酯、十八碳烯酸甲酯和顺-13-二十烯酸甲酯。
实施例4：
食品废物源自某市餐馆，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为40wt％、30wt％和16wt％，含水率5wt％，以乙醇为溶剂，H2SO4和AlCl3为催化剂，反应器中食品废物原料添加量为30g原料/L乙醇，催化剂添加量为0.3g H2SO4/g原料和0.3g AlCl3/g原料，170℃搅拌反应5h，得到乙酰丙酸乙酯摩尔产率为49.0％；脂肪酸乙酯质量产率为99wt％，同时联产乙酰丙酸丁酯、2,2-二乙氧基丙酸乙酯、延胡索酸二乙酯、琥珀酸乙酯、琥珀酸3-戊基乙酯、9-十六碳烯酸乙酯、花生酸乙酯、十七烷酸乙酯和9,12-十八碳二烯酸乙酯。
实施例5：
食品废物源自市餐饮企业，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为43wt％、45wt％和12wt％，含水率41wt％，以甲醇为溶剂，SnCl4为催化剂，反应器中食品废物原料添加量为30g原料/L乙醇，催化剂添加量为0.08g SnCl4/g原料，160℃搅拌反应10h，得到乳酸甲酯摩尔产率为28.9％，脂肪酸乙酯质量产率为28.4wt％，同时联产2,6-二氟-3-甲基苯甲酸甲酯、6,6-二甲氧基-辛酸甲酯、十二烷酸甲酯、壬二酸二甲酯、十一酸甲酯、十三酸甲酯、15-甲基十六烷酸甲酯、十五烷酸甲酯和9,12-十八碳二烯酸甲酯。
实施例6：
食品废物源自某单位食堂，干基原料中糖类、油脂、蛋白质含量分别为40wt％、43wt％和6wt％，含水率30wt％，以乙醇为溶剂，SnCl2·2H2O为催化剂，反应器中食品废物原料添加量为25g原料/L乙醇，催化剂添加量为0.08g SnCl2·2H2O/g原料，160℃搅拌反应12h，得到乳酸乙酯摩尔产率为22.9％，脂肪酸乙酯质量产率为20.4wt％，同时联产L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯、9-十六碳烯酸乙酯和9,12-十八碳二烯酸正丙酯。

Claims (10)

1.以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，包括如下过程：
将糖类食品废物、脂类食品废物和蛋白类食品废物混合均匀，得到食品废物混合物；或者将同时含有糖类-油脂-蛋白的食品废物搅拌均匀，得到食品废物混合物；
对所述食品废物混合物进行分离，将惰性物分离出，将其余物料进行破碎，得到食品废物浆料；
对食品废物浆料进行脱水，使食品废物浆料达到预设的含水率，得到食品废物底料；
将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应，进行多种酯类产品共联产。
2.根据权利要求1所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，所述低碳醇溶剂包括甲醇和乙醇。
3.根据权利要求1所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，所述催化剂包括H2SO4、AlCl3、C/Si-SO3H、ZrO2-USY、SnCl4或SnCl2·2H2O。
4.根据权利要求1所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应时，反应温度为80-200℃，反应过程中连续搅拌，连续搅拌反应时间为0.5-24小时。
5.根据权利要求1所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，所述惰性物包括骨头、塑料和金属中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，其特征在于，将分离出的惰性物收集、打包。
7.以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，其特征在于，该系统用于实现权利要求1-6任意一项所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的方法，包括：
第一接收料斗(1)、第二接收料斗(2)、第三接收料斗(3)、第四接收料斗(4)、混合搅拌机(8)、自动分选机(11)、破碎均质机(14)、脱水机(16)和若干催化反应单元；
第一接收料斗(1)、第二接收料斗(2)和第三接收料斗(3)分别通过第一进料螺旋输送机(5)、第二进料螺旋输送机(6)和第三进料螺旋输送机(7)与混合搅拌机(8)的入口连接；
混合搅拌机(8)的出口和第四接收料斗(4)的出口分别通过第四进料螺旋输送机(9)和第五进料螺旋输送机(10)与自动分选机(11)的入口连接；
自动分选机(11)设有用于惰性物的第一出口和用于输出其余物料的第二出口，所述第二出口通过第六进料螺旋输送机(13)与破碎均质机(14)的入口连接；
破碎均质机(14)的出口通过浆料螺旋输送机(15)与脱水机(16)的入口连接；
脱水机(16)的出口分为若干路并分别与所述若干催化反应单元连接，所述催化反应单元用于将食品废物底料、催化剂和低碳醇溶剂混合反应，进行多种酯类产品共联产。
8.根据权利要求7所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，其特征在于，所述催化反应单元包括主反应器、催化剂储仓和低碳醇储存及注入单元，催化剂储仓、低碳醇储存及注入单元和脱水机(16)的出口通过反应原料输送机与主反应器连接；
若干催化反应单元共用所述低碳醇储存及注入单元；
低碳醇储存及注入单元包括甲醇储罐(21)和乙醇储罐(22)，甲醇储罐(21)和乙醇储罐(22)均与每个低碳醇储存及注入单元的主反应器通过管路连接，所述管路上依次设有泵和控制阀门。
9.根据权利要求8所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，其特征在于，还包括酯类产品分离单元，酯类产品分离单元包括蒸馏塔组；
每个催化反应单元对应设有一套蒸馏塔组，蒸馏塔组与甲醇储罐(21)、乙醇储罐(22)以及该催化反应单元的主反应器之间通过管道相连。
10.根据权利要求7所述的以食品废物为原料实现多种酯类产品共联产的系统，其特征在于，还包括惰性物打包机(12)，惰性物打包机(12)的入口与自动分选机(11)的第一出口之间设有输送皮带。
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