CN1948498A - 一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，属于有机化学领域，特别涉及一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法。本发明通过以下步骤实现：(1)餐厨垃圾粉碎；(2)不灭菌的同时糖化发酵；(3)乙醇提纯；(4)蒸馏残液回用；(5)残渣做饲料。本发明具有如下优点：无需高温灭菌发酵底物，无需蒸煮糖化，无需严格的无菌操作条件，发酵过程无需额外添加任何营养物，大大节省能耗和运行成本；可替代先糖化再发酵的传统工艺，使发酵过程在一个反应容器中完成，以节省设备的投资费用；蒸馏残液回用及发酵残渣作饲料，使生产过程不产生二次污染。本发明用营养丰富的餐厨垃圾代替传统的粮食作物，为乙醇作为替代能源的推广使用奠定了原料上的优势，同时也开辟了一条操作简单，经济环保的餐厨垃圾资源化新途径。

Description

一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法
技术领域
本发明属于有机化学领域，特别涉及一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法。
背景技术
餐厨垃圾是家庭、餐饮业抛弃的食物垃圾，是人们在生活消费过程中形成的一种固体废物，在城市生活垃圾中占较大的比重，我国一些城市餐厨垃圾占生活垃圾的比例为：北京37％，天津54％，上海59％，沈阳62％，深圳57％，广州57％，济南41％。由于它含水率高，不适于焚烧处理，填埋易腐败发臭，且产生大量难处理的渗滤液；又由于其含盐量高，使其堆肥的应用受到限制。目前有一些餐厨垃圾甲烷发酵、乳酸发酵、生物制氢、制饲料蛋白等资源化技术的报道，但有些技术目前进入工业化生产和商业性应用的前景不太乐观。因此，餐厨垃圾的处理处置已成为迫切需要解决的问题。
以乙醇作为燃料代替汽油是近年来燃料工业发展的新领域，针对目前我国石油资源相对短缺，城市大气污染严重的问题，开发利用可再生资源发酵生成燃料乙醇的产业引起人们的关注。
现有的发酵法生产乙醇，大部分采用淀粉质以及糖类原料，但淀粉质原料使用的玉米、大麦、小麦等受耕地和产量限制，生产成本较高。糖类原料如甘蔗甜菜等种植成本较高，并且受地域和气候的限制。为了降低生产成本，纤维质原料越来越受到人们的重视。如公开号CN1442483A、CN1283701A和CN1511954A分别以稻谷生料、农业秸秆和甜高粱秸秆为原料发酵生产乙醇，但发酵前的预处理(如酸解或酶解)都很难将纤维质彻底水解。因此，上述的专利虽然在原料使用上比较经济，目前还不能大量生产。中国专利ZL03117223.7发明了一种以城市生活垃圾中富含纤维素和半纤维素的有机质废物为原料制取乙醇的工艺，首先采用硫酸和加压的方法对垃圾分选后获得的纤维类废物进行酸解预处理，然后调节pH值至3-6再加酵母菌进行乙醇发酵。该工艺需耐酸、耐压、耐腐蚀的容器，且操作较麻烦。而用酶解预处理的生物法，具有作用条件温和，能耗低，无污染的优点，从成本和设备的角度出发，都显示了其独特的优势。但现有的酶解乙醇生产工艺常采用高温灭菌-糖化(酶水解)-高温灭酶活～乙醇发酵的方式，其工艺路线较长，并且高温糖化和灭酶活很浪费能源.。
发明内容
本发明的目的是提供一种不灭菌的乙醇发酵方式，利用餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法。
一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于该方法以餐厨垃圾为原料，通过以下步骤生产燃料乙醇：(1)餐厨垃圾粉碎；(2)不灭菌的同时糖化发酵：粉碎后的餐厨垃圾与蒸馏残液(或者食堂废水)的比例为1∶0～1∶3，按100g垃圾添加5-10kU的糖化酶和5～12％的酵母菌，维持发酵温度30～35℃，在密闭发酵摇瓶中发酵50～70小时，制得含有5-11％乙醇的发酵液；(3)乙醇提纯：将含有5-11％乙醇的发酵液，温度控制在80℃进行蒸馏提纯，获得工业乙醇产品；(4)蒸馏残液回用：蒸馏后醪液离心后，残液回用到餐厨垃圾发酵体系中调节固液比；(5)残渣制饲料：残渣可直接作为饲料使用，也可加入麸皮等物质吸收一定的水分，然后干燥造粒生产干饲料。
本发明所述的生产燃料乙醇用原料可以是家庭、餐饮业抛弃的餐厨垃圾，也可以是废糖蜜、玉米渣、甜菜渣、土豆渣、豆粕等有机物含量高的生物质废物。特别是餐厨垃圾营养丰富，在整个乙醇发酵过程中无需外加任何营养物质。
本发明所述的燃料乙醇生产方法是采用同时糖化发酵工艺，即在一个发酵容器中同时添加酶制剂和酵母菌，进行边糖化，边发酵的方法，可省去蒸煮糖化所需的能量，而且可以避免所产生的过量糖类物质对底物的产物抑制作用，并可减少设备的投资费用。
本发明具有如下优点：采用不灭菌的乙醇发酵方式，即取消现有酶解-乙醇发酵工艺中高温灭菌和高温灭酶活两个步骤，无需严格的无菌操作条件；发酵过程无须额外添加任何营养物，可利用蒸馏残液、食堂废水、餐厨垃圾滤液调节发酵体系的固液比；生产条件温和，能耗低，无污染；运用同时糖化发酵工艺将现有的先糖化后发酵的生产周期缩短；可节省设备投资费用和运行成本；发酵残渣作饲料，可最大限度地实现餐厨垃圾的资源化。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
具体实施方式
实施例1：
将粉碎后的餐厨垃圾与蒸馏残液(或者食堂废水)混合，调节比例为1∶1，采用灭菌或不灭菌的方式，按100g垃圾添加6kU的糖化酶和6％的酵母菌，维持发酵温度31℃，在密闭发酵摇瓶中进行乙醇发酵，制得含有7％乙醇的发酵液；乙醇提纯：将含有7％乙醇的发酵液，温度控制在80℃进行蒸馏；乙醇蒸馏后的醪液进行离心处理，离心后残液回用到餐厨垃圾发酵体系，调节固液比，进行乙醇发酵；离心后的残渣含水85％，可直接用于饲料喂养牲畜；或加入麸皮等吸水性的物质，烘干造粒后可生产颗粒蛋白饲料。原料成本显著降低，具有很大的社会效益和经济效益。
实施例2：
将粉碎后的餐厨垃圾和蒸馏残液(或者食堂废水)以1∶0.5的比例混合，灭菌后，按100g垃圾添加10kU的糖化酶和10％的酵母菌，35℃条件下在密闭发酵摇瓶中发酵60个小时，制得含有10.2％乙醇的发酵液。由于餐厨垃圾中富含淀粉类等酵母不能直接利用的高分子碳水化合物，发酵时加入糖化酶能将垃圾中的淀粉液化、糖化成酵母能够利用的多糖或者单糖。在与上述相同工艺条件下进行了不加糖化酶的发酵或先糖化后发酵的实验，结果如表1所示。不加入糖化酶的厨房垃圾发酵，所产乙醇浓度小于0.5，说明糖化酶有力的促进了乙醇的生成。同时糖化发酵和先糖化后发酵方式所得发酵液中的乙醇浓度相差不多，而采用同时糖化发酵操作简单，节省设备投资和能耗。
实施例3：
按照表2设置四种发酵方式：A、B、C、D，发酵底物均由粉碎后的餐厨垃圾和蒸馏残液(或者食堂废水)以1∶0.5的比例混合配制，100g垃圾添加10kU的糖化酶和10％的酵母菌，35℃条件下在密闭发酵摇瓶中发酵60个小时。结果如表2所示。B和D均为不灭菌的乙醇发酵，无须高温灭菌发酵底物。与A、C灭菌的发酵方式相比，发酵液中的乙醇浓度相差不多，说明不灭菌的发酵适用于餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的工艺。发酵初始时体系的pH为4-5，较低的pH也避免了染菌，发酵结束后pH降低到4左右。
表1三种发酵方式的对比
发酵方式         发酵条件         乙醇产量％(v/v)
  酵母菌   糖化酶   0h   48h   60h
  同时糖化发酵   10％   0.1％   0   6.3   10.2
  先糖化后酵母发酵   10％   0.1％   0   5.8   9.8
  不加糖化酶的酵母发酵 10％ 0 0 ＜0.3 ＜0.5
表2灭菌与不灭菌的发酵的对比
  发酵方式   实验序号       发酵条件   乙醇产量％(v/v)
  酵母   垃圾
  同时糖化发酵   A   10％   灭菌   7
  B   10％   不灭菌   6.9
  先糖化后发酵   C   10％   灭菌   6.7
  D   10％   不灭菌   6.8
实施例4
将粉碎后的餐厨垃圾和蒸馏残液(或者食堂废水)以1∶0.5的比例混合，100g垃圾添加10kU糖化酶和10％的酵母菌，35℃条件下在密闭发酵摇瓶中发酵60个小时，制得含有8.6％乙醇的发酵液，将发酵液蒸馏，得到工业用产品后，将蒸馏醪液离心，残渣用于制备饲料，所得的蒸馏残液回用到发酵体系中，调节固液比为1∶0.5，回用实验进行了3次，结果如表3所示，说明回用的蒸馏残液对乙醇发酵没有影响。蒸馏残液的回用可以减少污水的排放，并且减少了外加水源的成本。
表3乙醇蒸馏残液回用发酵
发酵方式   实验序号            发酵条件   乙醇产量％(v/v)
  液体   垃圾
  同时糖化发酵 A 25g自来水 50g不灭菌 8.6
  第一次回用   B   20g蒸馏残液   40g不灭菌   8.7
  第一次回用   C   20g蒸馏残液   40g不灭菌   8.5
  第三次回用   D   20g蒸馏残液   40g不灭菌   8.6

Claims (9)

1.一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于该方法以餐厨垃圾为原料，通过以下步骤生产燃料乙醇：(1)餐厨垃圾粉碎；(2)粉碎后的餐厨垃圾与蒸馏残液或者食堂废水的比例为1∶0～1∶3，采用同时糖化发酵工艺，即在一个发酵容器中同时添加糖化酶和酵母菌，按100g垃圾5-10kU的糖化酶和5-12％的酵母菌添加。进行边糖化，边发酵，维持发酵温度30～35℃，在密闭发酵摇瓶中发酵50～70小时，制得含有5-11％乙醇的发酵液；(3)乙醇提纯：将含有5-11％乙醇的发酵液，温度控制在80℃进行蒸馏提纯，获得工业乙醇产品。
2.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵时原料的pH控制在4-6的范围内实施。
3.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于所述的同时糖化发酵在厌氧条件下进行。
4.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于所述糖化酶为葡萄糖淀粉酶。
5.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵时使用的糖化酶用量为每100g垃圾8-10kU.
6.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵酵母的接种量为每100g垃圾6-10％。
7.如权利要求1所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵时原料不需要灭菌，不需蒸煮糖化，直接进行发酵。
8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于生产燃料乙醇用原料除餐厨垃圾外还加有废糖蜜、玉米渣、甜菜渣、土豆渣、豆粕类生物质废物。
9.如权利要求8所述餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于蒸馏后醪液离心后，残液回用到餐厨垃圾发酵体系中调节固液比；残渣直接作为饲料使用，或加入麸皮吸收水分，然后干燥造粒生产干饲料。
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