一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法
【專利摘要】本發明公開一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，將餐廚垃圾作為生產能源和化工產品的原材料，在充分利用廢物的同時，實現了生物質的能源化與資源化。本發明將餐廚垃圾經過分選、水熱處理及三相分離后，在分離得到的固體垃圾中加入微生物進行發酵生產乙醇和乳酸；分離得到的廢水回用于發酵罐，余下餐廚廢水經過凈化處理后排放或再利用；分離得到的油脂經酯交換反應制備生物柴油。本發明采用水熱處理技術使餐廚垃圾水解更加徹底；同時采用混合菌群進行發酵生產乙醇，選用的菌種簡單易得，配置方法簡單，發酵工藝簡便，發酵效果好，特別適合產業化應用。
【專利說明】一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于餐廚垃圾處理領域，具體涉及一種餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法?！颈尘凹夹g】
[0002]餐廚垃圾具有含水率高、油脂和有機物含量高的特點。目前的處理技術主要集中在油脂煉制生物柴油、厭氧發酵產沼氣和乙醇、微生物發酵生產飼料、肥料等。其中，生物柴油是將餐廚廢油直接分離后通過酯交換反應制得；而乙醇通常由餐廚垃圾糖化水解后再添加酵母發酵制得。發明專利“一種適用于餐廚垃圾發酵的乳酸抑菌方法”(CN101665809B)，是在餐廚垃圾中加入乳酸菌產生乳酸實現抑菌后，加入酵母進行發酵。發明專利“一種餐廚垃圾綜合利用的方法”(CN102453614B)將油脂制成生物柴油、采用米曲霉與釀酒酵母菌混合進行餐廚垃圾共發酵，所得水相蒸餾后制成乙醇，發酵后固體殘渣直接作為蛋白飼料?，F有的技術方法存在如下問題，需要特定條件、對設備要求高、未涉及污染物處理等。
[0003]在餐廚垃圾生產乙醇的現有技術中，發酵條件及菌種對乙醇產品的品質和產量影響很大，對設備的要求也很高。如發明專利“一種利用富含纖維素和半纖維素的有機廢棄物生產乙醇的方法”(ZL03117223.7)在有酸和壓力的條件下進行，要求設備耐酸及耐高壓。發明專利“一種利用餐廚垃圾生產乙醇的方法”(CN102321722 A)采用生物菌液和混合酶制劑協同發酵餐廚垃圾生產乙醇，但是生物菌液和混合酶制劑的組成復雜，菌種不易獲得，配置方法較為繁瑣，在實際應用中存在一定困難。

【發明內容】

[0004]本發明旨在至少在一定程度上克服現有技術中存在的問題，提供一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，將餐廚垃圾作為生產能源和高附加值產品的原料，在充分利用廢物的同時，實現生物質的能源化及資源化。同時本發明選用簡單易得的菌種，配成混合菌群，用于高效發酵乙醇，工藝`簡便，特別適合產業化應用。
[0005]本發明的上述目的通過如下技術方案予以實現:
S1.餐廚垃圾的水熱處理:將收集的餐廚垃圾分揀后，投入水熱反應器中，根據實際需要適當補加水使餐廚垃圾完全浸沒在水中，然后進行水熱處理。
[0006]S2.將步驟SI中水熱處理后的餐廚垃圾分離出固體餐廚垃圾:將水熱處理后的餐廚垃圾送至三相分離器，進行油脂、水、固體三相分離，得到固體餐廚垃圾。
[0007]S3.乙醇的制備:將步驟S2得到的固體餐廚垃圾加入水和混合菌群進行發酵，制備乙醇；發酵殘渣備用。具體步驟是根據固體餐廚垃圾含水率情況決定是否加水及加水量，使固液比達到乙醇發酵所需范圍；然后加入混合菌群后進行發酵；發酵結束后離心，取上清液進行蒸餾，得到乙醇，發酵殘渣備用。
[0008]S4.乳酸的制備:將步驟S3得到的發酵殘渣加入水、碳酸鈣和菌種后進行發酵，發酵結束后離心，上清液經提純得乳酸。
[0009]步驟S2中所述的三相分離是在分離出油脂后，再根據實際需要分離超過乙醇發酵所需的固液比范圍的水，余下的水及固體垃圾進入下一步發酵。
[0010]步驟S3是根據步驟S2得到的固體餐廚垃圾的含水率情況，決定是否加入水及加水量，使固液比達到乙醇發酵所需固液比范圍。
[0011]步驟S3中所述的混合菌群包括畢赤酵母菌、發酵單胞菌、曲霉菌、根霉菌、釀酒酵母菌和木霉菌等。
[0012]步驟S4所述的乳酸發酵菌種可以在30°C~50°C進行乳酸發酵，所述的乳酸發酵菌種為魏斯氏菌、植物乳桿菌和米根霉菌中的一種或多種。
[0013]優選的，混合菌群中畢赤酵母菌、發酵單胞菌、曲霉菌、根霉菌、釀酒酵母菌和木霉菌的濃度均為6 X IO8~8 X IO8個/mL。
[0014]更優選的，所述的混合菌群的各菌種加入比例為畢赤酵母菌:發酵單胞菌:曲霉菌:根霉菌:釀酒酵母菌:木霉菌=1-5:1-6:1-4:1-5:1-6:1-6。
[0015]更優選的，所述混合菌群的加入量為固體餐廚垃圾重量的0.3%~40%。
[0016]更優選的，步驟S3和步驟S4中在發酵前分別加入固體餐廚垃圾重量0.1%-20%的未經水熱處理的分揀后的餐廚垃圾。未經水熱處理的餐廚垃圾中含有大量土著微生物，可以促進餐廚垃圾的發酵，提高乙醇和乳酸產率。
[0017]優選的，步驟S3中所述的發酵溫度為20°C~50°C，發酵時間為20~480小時。
[0018]優選的，步驟S3中加入水，使水與固體餐廚垃圾的體積比為0.5~15:1。
[0019]作為優選，加入的水為三相分離后貯存的餐廚廢水。
[0020]各菌種培養基成分一般只要滿足菌種營養在碳、氮、磷、硫、金屬離子需要就可以，不必局限在具體的營養成分。為了方便操作，優選的，畢赤酵母菌、曲霉菌、根霉菌、釀酒酵母菌、木霉菌等真菌采用馬鈴薯葡萄糖營養瓊脂培養基(簡稱PDA):馬鈴薯200g，葡萄糖20g，瓊脂15g~20g，蒸餾水1000mL，pH自然，121°C滅菌20min。發酵單胞菌采用YH)培養基:葡萄糖20g，蛋白胨20g，酵母浸膏10g，蒸餾水1000mL，121°C滅菌20min。
[0021]優選的，步驟S4中碳酸鈣加入量為發酵殘渣重量的1%~10%，加入水后水與發酵殘洛的體積比為1~15:1。作為優選,加入的水為三相分離后忙存的餐廚廢水。
[0022]優選的，步驟S4中所述的發酵溫度為30°C~50°C，發酵時間為24~480小時。更優選的，所述的菌種可以在30°C~50°C進行乳酸發酵，如魏斯氏菌、植物乳桿菌和米根霉菌等菌種中的一種或多種，菌種濃度均為6 X IO8IX IO8個/mL。作為進一步優選，所述菌種的加入量為發酵殘禮:重量的0.3%~20%。
[0023]乳酸的提純采用常規的沉淀法:將含有乳酸鈣發酵液在100°C濃縮至乳酸鈣重量濃度15%，再逐漸緩慢降溫至10°C并維持5小時，通過離心收集乳酸鈣；使乳酸鈣溶解在90°C純凈水中，控制乳酸鈣重量濃度為20%，降溫至60°C，加入濃硫酸至pH為2~3，同時攪拌使沉淀充分，過濾，低壓濃縮得到的乳酸溶液使其重量濃度達到99%。
[0024]步驟SI中所述的餐廚垃圾的分揀是指將收集的餐廚垃圾進行人工或機械分揀，分揀出塑料、金屬等不能發酵的物質。當餐廚垃圾含水量較少時，需加水使餐廚垃圾完全浸沒在水中后再進行水熱處理。優選地，水與餐廚垃圾體積比為0.5~15:1。作為進一步優選，加入的水為三相分離后貯存的餐廚廢水，以節約水資源，實現資源循環利用。
[0025]優選的，所述步驟SI中餐廚垃圾水熱處理條件為:90°C~200°C處理5min~90mino[0026]更優選的，步驟SI中餐廚垃圾添加氨水后進行水熱處理，采用氨水預處理餐廚垃圾條件較溫和，且試劑易于回收循環利用，對纖維素和半纖維素破壞較小，對后續發酵不利的影響少。所述氨水與餐廚垃圾的質量比為1: 4~20，加入的水與餐廚垃圾體積比為5~30:1。
[0027]優選的，步驟S2中將水熱處理后的餐廚垃圾通過噴爆方式排至三相分離器，然后靜置分離得到油相、固相和水相。水熱處理的高溫可使餐廚垃圾中的木質纖維素熔化，木質纖維素分子斷裂、降解。當高壓力突然卸壓，產生噴爆機械力時，可進一步破碎有機質，促使纖維素等大分子物質充分斷裂成小分子，利于后續發酵。
[0028]優選的，將步驟S2中水熱處理后的餐廚垃圾分離出油脂用于制備生物柴油，超出乙醇發酵所需固液比范圍的餐廚廢水分離后貯存備用，未回用的餐廚廢水進行凈化處理。
[0029]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
1、本發明采用混合菌群進行餐廚垃圾乙醇發酵，選用的菌種簡單易得，配置方法簡單，發酵工藝簡便，發酵效果好，特別適合產業化應用。
[0030]2、本發明的餐廚垃圾能源化資源化利用的新方法，充分利用餐廚垃圾作為發酵底物，制備出乙醇、乳酸等用途廣泛、附加值高的再生資源化產品，原料利用率高，不會產生二次污染。
[0031]3、本發明的餐廚垃圾能源化資源化利用的新方法，將餐廚垃圾轉化為液體燃料和化工原料。該方法生產成本低，是一種具有良好應用價值的餐廚垃圾循環利用途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發明一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法的工藝流程圖?！揪唧w實施方式】`
[0033]下面結合具體實施例對本發明作進一步的解釋說明，但具體實施例并不對本發明作任何限定。除非特別說明，實施例中所涉及的試劑、方法均為本領域常用的試劑和方法。
[0034]實施例1
1、將收集回來的餐廚垃圾進行初步分選，去除不易發酵的雜物后，投入水熱反應器水熱倉，加入2倍體積的水，在130°C下水熱處理60min ;開啟電機攪拌IOmin后關閉。
[0035]2、水熱處理結束后將餐廚垃圾噴爆至三相分離器，靜置后分離出油脂及含水的固體餐廚垃圾。
[0036]3、將分離出來的含水的固體餐廚垃圾送至發酵罐，加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:10，再加入固體餐廚垃圾重量的20%的混合菌群，在35°C下發酵96小時?；旌暇褐懈骶N比例為畢赤酵母菌:運動發酵單胞菌:黑曲霉菌:東京根霉菌:釀酒酵母菌:里氏木霉菌發酵結束后，離心，取上清液進行蒸餾得到乙醇。發酵殘渣作為下一步乳酸發酵的原料。
[0037]4、往乳酸發酵罐中的發酵殘渣加入重量的5%的碳酸鈣，并加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:8。接著，加入固體重量的10%的魏斯氏菌，37°C下發酵108小時。發酵結束后，離心，取上清液用常規沉淀法提純乳酸。
[0038]工藝流程圖如圖1所示。[0039]實施例2
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟I中，當餐廚垃圾含較多水分時，在去除不易發酵的雜物后，200°C下直接水熱處理lOmin，同時不開啟攪拌電機。水熱處理結束后卸壓，當水熱反應器壓力卸至1.5atm時，將餐廚垃圾噴爆至三相分離器，靜置后分離出油脂，和超出乙醇發酵所需固液比范圍的水，使固液比達到1:15。剩下的固體和水送至發酵罐，加入固體重量的40%的混合菌群，在42°C下發酵120小時。 [0040]實施例3
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟I中，加入固體餐廚垃圾10倍體積的水；在步驟3中不再加入水，直接加入固體重量的40%的混合菌群，38°C下發酵220小時。其中，混合菌群中各菌種比例為畢赤酵母菌:運動發酵單胞菌:黑曲霉菌:東京根霉菌:釀酒酵母菌:里氏木霉菌=3:6:4:3:6:6。
[0041]實施例4
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟3中，加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:8，再加入固體重量的1%的混合菌群。其中，混合菌群中各菌種比例為畢赤酵母菌:運動發酵單胞菌:黑曲霉菌:東京根霉菌:釀酒酵母菌:里氏木霉菌=5:6:3:5:3:4，在 40°C下發酵 96 小時。
[0042]實施例5
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟4中，往乳酸發酵罐中加入發酵殘渣及其重量的10%的碳酸鈣，并加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:5。將實施例I中加入固體重量的10%的魏斯氏菌改為20%的植物乳酸菌，40°C下發酵90小時。其它與實施例1相同。
[0043]實施例6
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟4中，往乳酸發酵罐中加入發酵殘渣及其重量的1%的碳酸鈣，并加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:15。將實施例I中加入固體重量的10%的魏斯氏菌改為1%的混合菌種，混合菌種由重量比為1:1:1的植物乳酸菌、魏斯氏菌、米根霉菌組成，35°C下發酵200小時。
[0044]實施例7
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟2中，水熱處理后卸壓至常壓時，將餐廚垃圾送至三相分離器，靜置后進行油脂、水、固體三相分離。未采用噴爆方式將水熱處理后的餐廚垃圾送至三相分離器。
[0045]實施例8
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟I中，餐廚垃圾投入水熱反應器后加入3倍體積的水和餐廚垃圾質量的5%的氨水,在140°C下水熱處理20min。其它與實施例I相同。
[0046]實施例9
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟I中，餐廚垃圾投入水熱反應器后加入I倍體積的水，餐廚垃圾質量的25%的氨水，在180°C下水熱處理30min。其它與實施例I相同。
[0047]實施例10本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟3和步驟4中，乙醇發酵前和乳酸發酵前分別加入固體餐廚垃圾重量的20%的未經水熱處理的分揀后的餐廚垃圾。其它與實施例I相同。
[0048]對比例I
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟3中，加入貯存的三相分離的餐廚廢水使固液體積比為1:10，將實施例1中加入固體重量的20%的混合菌群改為安琪酵母菌種。其它與實施例1相同。
[0049]對比例2
本實施方式主要步驟與實施例1相同，區別在于步驟4中，將加入固體重量的10%的魏斯氏菌改為德氏乳酸桿菌，45°C下發酵108小時。其它與實施例1相同。
[0050]實施例1-10以及對比例1-2的乙醇和乳酸產量結果匯總于表1。從表1的結果可以看出:
(I)對比例I使用本領域常規乙醇發酵菌種生產乙醇，乙醇產量低，說明與現有技術的菌種相比，本發明采用混合菌群的發酵效果好，能顯著提高乙醇的產量。
[0051](2)實施例8和實施例9在水熱處理前加入氨水，乙醇和乳酸產量高；說明在水熱處理前加入氨水，能提高發酵效果，提高乙醇和乳酸的產量。
[0052](3)實施例10在乙醇發酵前和乳酸發酵前加入未經水熱處理的分揀后的餐廚垃圾，乙醇和乳酸產量高；說明加入未滅菌的含有大量土著菌種的餐廚垃圾能提高發酵效果，提聞乙醇和乳酸的廣量。
[0053](4)對比例2使用本領域常規乳酸發酵菌種發酵乳酸，乳酸產量低，說明本發明申請使用的乳酸發酵菌種比現有技術中采用的菌種發酵效果好，乳酸產量高。
[0054]表1每100g餐廚垃圾產乙醇和乳酸的結果 _
賣施例 I乙醇產量(mL) I乙醇含量％(￥八)I乳酸含量(g/L)
$施例 I Τ?5一 8.659.8
賣施例 2 T1一 8.860.9
$施例 3140一 8.561.4
賣施例 4Uo一 8.161.2
賣施例 5T?5一 8.665.6
賣施例 6Τ?5一 8.667.9
賣施例 7120一 6.552.3
賣施例 8T1一 9.168.3
$施例 9Ti~5一 10.268.8
$施例 10 150一 10.870.5
it 比例 ITTo一 2.555.7
?寸比例21135 丨8.6丨41.2
【權利要求】
1.一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，包括如下步驟: S1.餐廚垃圾的水熱處理:將收集的餐廚垃圾分揀后進行水熱處理； S2.從步驟SI中水熱處理后的餐廚垃圾中分離出固體餐廚垃圾； S3.乙醇的制備:將步驟S2得到的固體餐廚垃圾加入水和混合菌群進行發酵制備乙醇，發酵殘渣備用； S4.乳酸的制備:將步驟S3得到的發酵殘渣加入水、碳酸鈣和乳酸發酵菌種進行發酵，制備乳酸； 步驟S3所述的混合菌群由畢赤酵母菌、發酵單胞菌、曲霉菌、根霉菌、釀酒酵母菌和木霉菌組成； 步驟S4所述的乳酸發酵菌種可以在30°C飛(TC進行乳酸發酵；所述的乳酸發酵菌種為魏斯氏菌、植物乳桿菌和米根霉菌中的一種或多種。
2.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，所述混合菌群中畢赤酵母菌、發酵單胞菌、曲霉菌、根霉菌、釀酒酵母菌和木霉菌的濃度均為 6 X IO8 ~8 X IO8 個 /mL。
3.根據權利要求2所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，所述混合菌群中各菌種加入比例為畢赤酵母菌:發酵單胞菌:曲霉菌:根霉菌:釀酒酵母菌:木霉菌=1-5:1-6:1-4:1-5:1-6:1-6。
4.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟S3中所述混合菌群的加入量為固體餐廚垃圾重量的0.3%~40%。
5.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟S3中發酵前和步驟S4中發酵前加入固體餐廚垃圾重量0.1%~20%的未經水熱處理的分揀后的餐廚垃圾。
6.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟S3中根據步驟S2得到的固體餐廚垃圾含水率情況，加入水使水與固體餐廚垃圾的體積比為0.5~15:1，所述發酵的條件為20°C~50°C發酵20~480小時。
7.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟S4中碳酸鈣加入量為發酵殘渣重量的1%~10%，水與發酵殘渣的體積比為f 15:1，所述發酵的條件為30°C~50°C發酵24~480小時，所述的乳酸發酵菌的濃度為6 X IO8~8 X IO8個/mL，菌種加入量為發酵殘渣重量的0.3%~20%。
8.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟SI中水熱處理條件為90°C~200°C處理5min~90min ;水熱處理前加入氨水，所述氨水與餐廚垃圾的質量比為1:4~20 ;加水后，水與餐廚垃圾的體積比為5~30:1。
9.根據權利要求1所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，將步驟SI中水熱處理后的餐廚垃圾分離出油脂用于制備生物柴油，餐廚廢水根據固液比情況決定是否分離，超出發酵所需固液比范圍的廢水被分離后貯存備用。
10.根據權利要求9所述一種水熱處理促進餐廚垃圾生產乙醇和乳酸的方法，其特征在于，步驟S3或步驟S4中加入的水為貯存備用的餐廚廢水，余下餐廚廢水經凈化后排放或再利用。
【文檔編號】C12P7/08GK103484521SQ201310437655
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】王春銘 申請人:華南農業大學