專利名稱:一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法。
背景技術(shù)：
餐廚垃圾是家庭、餐飲業(yè)拋棄的食物垃圾，是人們?cè)谏钕M(fèi)過程中形成的一種固體廢物，在城市生活垃圾中占較大的比重，我國(guó)一些城市餐廚垃圾占生活垃圾的比例為北京37％，天津54％，上海59％，沈陽62％，深圳57％，廣州57％，濟(jì)南41％。由于它含水率高，不適于焚燒處理，填埋易腐敗發(fā)臭，且產(chǎn)生大量難處理的滲濾液；又由于其含鹽量高，使其堆肥的應(yīng)用受到限制。目前有一些餐廚垃圾甲烷發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、生物制氫、制飼料蛋白等資源化技術(shù)的報(bào)道，但有些技術(shù)目前進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)性應(yīng)用的前景不太樂觀。因此，餐廚垃圾的處理處置已成為迫切需要解決的問題。
以乙醇作為燃料代替汽油是近年來燃料工業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域，針對(duì)目前我國(guó)石油資源相對(duì)短缺，城市大氣污染嚴(yán)重的問題，開發(fā)利用可再生資源發(fā)酵生成燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)引起人們的關(guān)注。
現(xiàn)有的發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇，大部分采用淀粉質(zhì)以及糖類原料，但淀粉質(zhì)原料使用的玉米、大麥、小麥等受耕地和產(chǎn)量限制，生產(chǎn)成本較高。糖類原料如甘蔗甜菜等種植成本較高，并且受地域和氣候的限制。為了降低生產(chǎn)成本，纖維質(zhì)原料越來越受到人們的重視。如公開號(hào)CN1442483A、CN1283701A和CN1511954A分別以稻谷生料、農(nóng)業(yè)秸稈和甜高粱秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，但發(fā)酵前的預(yù)處理(如酸解或酶解)都很難將纖維質(zhì)徹底水解。因此，上述的專利雖然在原料使用上比較經(jīng)濟(jì)，目前還不能大量生產(chǎn)。中國(guó)專利ZL03117223.7發(fā)明了一種以城市生活垃圾中富含纖維素和半纖維素的有機(jī)質(zhì)廢物為原料制取乙醇的工藝，首先采用硫酸和加壓的方法對(duì)垃圾分選后獲得的纖維類廢物進(jìn)行酸解預(yù)處理，然后調(diào)節(jié)pH值至3-6再加酵母菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵。該工藝需耐酸、耐壓、耐腐蝕的容器，且操作較麻煩。而用酶解預(yù)處理的生物法，具有作用條件溫和，能耗低，無污染的優(yōu)點(diǎn)，從成本和設(shè)備的角度出發(fā)，都顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)有的酶解乙醇生產(chǎn)工藝常采用高溫滅菌-糖化(酶水解)-高溫滅酶活～乙醇發(fā)酵的方式，其工藝路線較長(zhǎng)，并且高溫糖化和滅酶活很浪費(fèi)能源.。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不滅菌的乙醇發(fā)酵方式，利用餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法。
一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于該方法以餐廚垃圾為原料，通過以下步驟生產(chǎn)燃料乙醇(1)餐廚垃圾粉碎；(2)不滅菌的同時(shí)糖化發(fā)酵粉碎后的餐廚垃圾與蒸餾殘液(或者食堂廢水)的比例為1∶0～1∶3，按100g垃圾添加5-10kU的糖化酶和5～12％的酵母菌，維持發(fā)酵溫度30～35℃，在密閉發(fā)酵搖瓶中發(fā)酵50～70小時(shí)，制得含有5-11％乙醇的發(fā)酵液；(3)乙醇提純將含有5-11％乙醇的發(fā)酵液，溫度控制在80℃進(jìn)行蒸餾提純，獲得工業(yè)乙醇產(chǎn)品；(4)蒸餾殘液回用蒸餾后醪液離心后，殘液回用到餐廚垃圾發(fā)酵體系中調(diào)節(jié)固液比；(5)殘?jiān)骑暳蠚堅(jiān)芍苯幼鳛轱暳鲜褂?，也可加入麩皮等物質(zhì)吸收一定的水分，然后干燥造粒生產(chǎn)干飼料。
本發(fā)明所述的生產(chǎn)燃料乙醇用原料可以是家庭、餐飲業(yè)拋棄的餐廚垃圾，也可以是廢糖蜜、玉米渣、甜菜渣、土豆渣、豆粕等有機(jī)物含量高的生物質(zhì)廢物。特別是餐廚垃圾營(yíng)養(yǎng)豐富，在整個(gè)乙醇發(fā)酵過程中無需外加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
本發(fā)明所述的燃料乙醇生產(chǎn)方法是采用同時(shí)糖化發(fā)酵工藝，即在一個(gè)發(fā)酵容器中同時(shí)添加酶制劑和酵母菌，進(jìn)行邊糖化，邊發(fā)酵的方法，可省去蒸煮糖化所需的能量，而且可以避免所產(chǎn)生的過量糖類物質(zhì)對(duì)底物的產(chǎn)物抑制作用，并可減少設(shè)備的投資費(fèi)用。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用不滅菌的乙醇發(fā)酵方式，即取消現(xiàn)有酶解-乙醇發(fā)酵工藝中高溫滅菌和高溫滅酶活兩個(gè)步驟，無需嚴(yán)格的無菌操作條件；發(fā)酵過程無須額外添加任何營(yíng)養(yǎng)物，可利用蒸餾殘液、食堂廢水、餐廚垃圾濾液調(diào)節(jié)發(fā)酵體系的固液比；生產(chǎn)條件溫和，能耗低，無污染；運(yùn)用同時(shí)糖化發(fā)酵工藝將現(xiàn)有的先糖化后發(fā)酵的生產(chǎn)周期縮短；可節(jié)省設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行成本；發(fā)酵殘?jiān)黠暳?，可最大限度地?shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化。



圖1為本發(fā)明的工藝流程圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1將粉碎后的餐廚垃圾與蒸餾殘液(或者食堂廢水)混合，調(diào)節(jié)比例為1∶1，采用滅菌或不滅菌的方式，按100g垃圾添加6kU的糖化酶和6％的酵母菌，維持發(fā)酵溫度31℃，在密閉發(fā)酵搖瓶中進(jìn)行乙醇發(fā)酵，制得含有7％乙醇的發(fā)酵液；乙醇提純將含有7％乙醇的發(fā)酵液，溫度控制在80℃進(jìn)行蒸餾；乙醇蒸餾后的醪液進(jìn)行離心處理，離心后殘液回用到餐廚垃圾發(fā)酵體系，調(diào)節(jié)固液比，進(jìn)行乙醇發(fā)酵；離心后的殘?jiān)?5％，可直接用于飼料喂養(yǎng)牲畜；或加入麩皮等吸水性的物質(zhì)，烘干造粒后可生產(chǎn)顆粒蛋白飼料。原料成本顯著降低，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
實(shí)施例2將粉碎后的餐廚垃圾和蒸餾殘液(或者食堂廢水)以1∶0.5的比例混合，滅菌后，按100g垃圾添加10kU的糖化酶和10％的酵母菌，35℃條件下在密閉發(fā)酵搖瓶中發(fā)酵60個(gè)小時(shí)，制得含有10.2％乙醇的發(fā)酵液。由于餐廚垃圾中富含淀粉類等酵母不能直接利用的高分子碳水化合物，發(fā)酵時(shí)加入糖化酶能將垃圾中的淀粉液化、糖化成酵母能夠利用的多糖或者單糖。在與上述相同工藝條件下進(jìn)行了不加糖化酶的發(fā)酵或先糖化后發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。不加入糖化酶的廚房垃圾發(fā)酵，所產(chǎn)乙醇濃度小于0.5，說明糖化酶有力的促進(jìn)了乙醇的生成。同時(shí)糖化發(fā)酵和先糖化后發(fā)酵方式所得發(fā)酵液中的乙醇濃度相差不多，而采用同時(shí)糖化發(fā)酵操作簡(jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備投資和能耗。
實(shí)施例3按照表2設(shè)置四種發(fā)酵方式A、B、C、D，發(fā)酵底物均由粉碎后的餐廚垃圾和蒸餾殘液(或者食堂廢水)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℃條件下在密閉發(fā)酵搖瓶中發(fā)酵60個(gè)小時(shí)。結(jié)果如表2所示。B和D均為不滅菌的乙醇發(fā)酵，無須高溫滅菌發(fā)酵底物。與A、C滅菌的發(fā)酵方式相比，發(fā)酵液中的乙醇濃度相差不多，說明不滅菌的發(fā)酵適用于餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝。發(fā)酵初始時(shí)體系的pH為4-5，較低的pH也避免了染菌，發(fā)酵結(jié)束后pH降低到4左右。
表1三種發(fā)酵方式的對(duì)比


表2滅菌與不滅菌的發(fā)酵的對(duì)比


實(shí)施例4將粉碎后的餐廚垃圾和蒸餾殘液(或者食堂廢水)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℃條件下在密閉發(fā)酵搖瓶中發(fā)酵60個(gè)小時(shí)，制得含有8.6％乙醇的發(fā)酵液，將發(fā)酵液蒸餾，得到工業(yè)用產(chǎn)品后，將蒸餾醪液離心，殘?jiān)糜谥苽滹暳?，所得的蒸餾殘液回用到發(fā)酵體系中，調(diào)節(jié)固液比為1∶0.5，回用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3次，結(jié)果如表3所示，說明回用的蒸餾殘液對(duì)乙醇發(fā)酵沒有影響。蒸餾殘液的回用可以減少污水的排放，并且減少了外加水源的成本。
表3乙醇蒸餾殘液回用發(fā)酵


權(quán)利要求
1.一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于該方法以餐廚垃圾為原料，通過以下步驟生產(chǎn)燃料乙醇(1)餐廚垃圾粉碎；(2)粉碎后的餐廚垃圾與蒸餾殘液或者食堂廢水的比例為1∶0～1∶3，采用同時(shí)糖化發(fā)酵工藝，即在一個(gè)發(fā)酵容器中同時(shí)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。進(jìn)行邊糖化，邊發(fā)酵，維持發(fā)酵溫度30～35℃，在密閉發(fā)酵搖瓶中發(fā)酵50～70小時(shí)，制得含有5-11％乙醇的發(fā)酵液；(3)乙醇提純將含有5-11％乙醇的發(fā)酵液，溫度控制在80℃進(jìn)行蒸餾提純，獲得工業(yè)乙醇產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于發(fā)酵時(shí)原料的pH控制在4-6的范圍內(nèi)實(shí)施。
3.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于所述的同時(shí)糖化發(fā)酵在厭氧條件下進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于所述糖化酶為葡萄糖淀粉酶。
5.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于發(fā)酵時(shí)使用的糖化酶用量為每100g垃圾8-10kU.
6.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于發(fā)酵酵母的接種量為每100g垃圾6-10％。
7.如權(quán)利要求
1所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于發(fā)酵時(shí)原料不需要滅菌，不需蒸煮糖化，直接進(jìn)行發(fā)酵。
8.如權(quán)利要求
1或2或3或4或5或6或7所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于生產(chǎn)燃料乙醇用原料除餐廚垃圾外還加有廢糖蜜、玉米渣、甜菜渣、土豆渣、豆粕類生物質(zhì)廢物。
9.如權(quán)利要求
8所述餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于蒸餾后醪液離心后，殘液回用到餐廚垃圾發(fā)酵體系中調(diào)節(jié)固液比；殘?jiān)苯幼鳛轱暳鲜褂茫蚣尤臌熎の账?，然后干燥造粒生產(chǎn)干飼料。
專利摘要
一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法，屬于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法。本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)餐廚垃圾粉碎；(2)不滅菌的同時(shí)糖化發(fā)酵；(3)乙醇提純；(4)蒸餾殘液回用；(5)殘?jiān)鲲暳?。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)無需高溫滅菌發(fā)酵底物，無需蒸煮糖化，無需嚴(yán)格的無菌操作條件，發(fā)酵過程無需額外添加任何營(yíng)養(yǎng)物，大大節(jié)省能耗和運(yùn)行成本；可替代先糖化再發(fā)酵的傳統(tǒng)工藝，使發(fā)酵過程在一個(gè)反應(yīng)容器中完成，以節(jié)省設(shè)備的投資費(fèi)用；蒸餾殘液回用及發(fā)酵殘?jiān)黠暳希股a(chǎn)過程不產(chǎn)生二次污染。本發(fā)明用營(yíng)養(yǎng)豐富的餐廚垃圾代替?zhèn)鹘y(tǒng)的糧食作物，為乙醇作為替代能源的推廣使用奠定了原料上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也開辟了一條操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的餐廚垃圾資源化新途徑。
文檔編號(hào)C12R1/85GKCN1948498SQ200610114006
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年10月24日
發(fā)明者汪群慧, 晏輝, 馬鴻志, 宮利娟 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan