本發(fā)明涉及餐廚垃圾處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法。

背景技術(shù)：

餐廚垃圾，俗稱泔腳，又稱泔水、潲水，是居民在生活消費過程中形成的生活廢物，極易腐爛變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細菌和病毒，餐廚垃圾主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等，從化學組成上講，有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類和無機鹽等成分。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，餐廚垃圾的產(chǎn)量越來越大，對餐廚垃圾的再利用的研究也越來越多；其中，利用餐廚垃圾生產(chǎn)燃料乙醇和乳酸是實現(xiàn)其高值化利用的有效途徑。

申請?zhí)枮?01310437655.0的中國專利公開了一種水熱處理促進餐廚垃圾生產(chǎn)乙醇和乳酸的方法，即在發(fā)酵前對餐廚垃圾進行水熱預處理，該方法所得乙醇產(chǎn)率較低，餐廚垃圾利用率較低。因此，仍需研究一種乙醇產(chǎn)率高、餐廚垃圾利用率高的處理方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，本發(fā)明提供的方法顯著提高了目標產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)率、餐廚垃圾利用率高。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，所述方法包括以下步驟：

s1.預處理：將餐廚垃圾進行水熱預處理，然后分離出固體餐廚垃圾；

s2.乙醇發(fā)酵：向s1分離出的固體餐廚垃圾中加入乙醇發(fā)酵用菌，發(fā)酵后分離得到乙醇；

其中，s2所述乙醇發(fā)酵用菌分兩次投加，投加次序為：先加入至少包括芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發(fā)酵菌群1，然后再加入至少包括瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發(fā)酵菌群2。

在本發(fā)明的乙醇發(fā)酵過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若將乙醇發(fā)酵用菌分批加入固體餐廚垃圾中，發(fā)酵所得的乙醇具有較高的產(chǎn)率。尤其是當先加入包含有芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發(fā)酵菌群1發(fā)酵若干時間后，再加入包含有瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇發(fā)酵菌群2，采用此種添加順序發(fā)酵所得的乙醇的產(chǎn)率最高。

優(yōu)選地，s2所述乙醇發(fā)酵用菌還含有乳桿菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根霉菌（rhizopus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、a55d21、叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、球囊菌（ascosphaera）、醋弧菌（acetivibrio）、產(chǎn)堿桿菌（alcaligenes）、擬桿菌（bacteroides）、紫單胞菌（porphyromonadaceae）或假單胞菌（pseudomonas）中的一種或幾種。

餐廚垃圾預處理的主要目的是使餐廚垃圾中的纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)水解成為小分子，方便后續(xù)微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和乳酸，本發(fā)明為了獲得高產(chǎn)量的乙醇，對餐廚垃圾進行水熱預處理。水熱處理是在有水的環(huán)境下將餐廚垃圾進行熱化學處理，可使固體顆粒增加擴散系數(shù)，通過熱傳導，使有機物進一步分解，縮短反應時間。

優(yōu)選地，s1中所述預處理為將分揀后的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理，然后分離出固體餐廚垃圾。首先將餐廚垃圾經(jīng)過超聲波處理，產(chǎn)生的機械作用使固體顆粒間劇烈撞擊，形成的空化作用促成固體的分散；此外，超聲波被固體顆粒吸收時產(chǎn)生大量熱量，使餐廚垃圾的溫度驟然升高，令c-c鍵斷裂，大分子的碳氫化合物分解為小分子的碳氫化合物，促進餐廚垃圾的水解。微波處理可使小分子物質(zhì)定向催化裂解，促進水解反應。當對餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱、微波預處理后能夠顯著提高餐廚垃圾的水解效果，并有效提高其后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

優(yōu)選地，所述超聲波的處理條件為：超聲波功率15～1500w/l，處理時間為5～60min。

優(yōu)選地，所述水熱的處理條件為：水熱溫度為90～300℃，處理時間為5～150min。

優(yōu)選地，所述微波的處理條件為：微波的功率為100w～2500kw，時間為2～120min，溫度為90～300℃。

本發(fā)明所述超聲波處理、水熱處理和微波處理可以在裝有超聲波發(fā)生器、水熱裝置和微波發(fā)生器的一體化設備中依次進行，也可以分別在超聲波反應器、水熱裝置和微波反應器中依次進行。

優(yōu)選地，s2所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為0.01～20%（體積比），發(fā)酵時間為1～25天。

更為優(yōu)選地，s2中還添加了乙醇發(fā)酵用酶，所述乙醇發(fā)酵用酶的總添加量為0.01～15%（體積比），酶解時間為1～120小時。

優(yōu)選地，s2中所述乙醇發(fā)酵用酶選自乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、丙酮酸羧化酶、淀粉酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶、脂肪酶、蛋白酶、糖化酶、果膠酶、木聚糖酶或β-葡聚糖酶中的一種或多種。

優(yōu)選地，s1前進行餐廚垃圾分揀，去除餐廚垃圾中不能發(fā)酵的雜物。

在本發(fā)明中，在乙醇發(fā)酵前進行酸或/和堿預處理，可增加餐廚垃圾水解速率，進一步提高產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)率。因此優(yōu)選地，餐廚垃圾在乙醇發(fā)酵前先進行酸或/和堿預處理。

在本發(fā)明中，s1所述固體餐廚垃圾的分離通過三相分離操作完成，所述三相分離是將餐廚垃圾以噴爆的方式排出后，靜置去除上層油脂，獲得固體餐廚垃圾，噴爆的方式排出預處理后的餐廚垃圾，可以使餐廚垃圾中的油脂最大程度地與固體、水分離，增加可浮油析出量。

優(yōu)選地，s2中，向分離出乙醇后所得的發(fā)酵殘渣中加入乳酸發(fā)酵用菌，生產(chǎn)乳酸；更為優(yōu)選地，所述乳酸發(fā)酵用菌至少包括乳桿菌（lactobacillus）。

最為優(yōu)選地，所述乳酸發(fā)酵用菌還含有鏈球菌（streptococcus）、雙歧桿菌（bifidobacterium）、芽孢桿菌（bacillus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）、a55_d21、螺旋體菌（spirochaeta）、氨基桿菌（aminobacterium）、球囊菌（ascosphaera）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）、酵母菌（saccharomyces）、醋弧菌（acetivibrio）、產(chǎn)堿桿菌（alcaligenes）、擬桿菌（bacteroides）、紫單胞菌（porphyromonadaceae）或假單胞菌（pseudomonas）中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為0.01～20%（體積比），發(fā)酵時間為1～30天。

更為優(yōu)選地，乳酸發(fā)酵階段還添加有乳酸發(fā)酵用酶，所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為0.01%～15%（體積比），酶解時間為1～144小時。

優(yōu)選地，所述乳酸發(fā)酵用酶選自纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、乳酸脫氫酶中的一種或多種。

優(yōu)選地，乙醇發(fā)酵和/或乳酸發(fā)酵過程中接入電場進行電處理。更為優(yōu)選地，所述電場的電壓為0.1～12v，處理時間為6～216h。采用電場作用于微生物發(fā)酵，可刺激微生物的新陳代謝，從而提高目的產(chǎn)物乙醇和/或乳酸的產(chǎn)率。

在本發(fā)明中，乙醇發(fā)酵過程中的溫度為20～80℃，乳酸發(fā)酵過程中的溫度為18～80℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，即將分揀后的餐廚垃圾水熱預處理，然后向固體餐廚垃圾中加入微生物進行乙醇發(fā)酵。同時本發(fā)明還提出了三步預處理方式，即采用超聲波、水熱、微波依次對餐廚垃圾進行預處理，使其水解更為徹底，后續(xù)采用高效微生物進行乙醇發(fā)酵；大幅提高了產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)率，發(fā)酵時間短，具有極大的推廣應用價值，非常適合產(chǎn)業(yè)化應用。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應理解為對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下，對本發(fā)明方法、步驟或條件所作的簡單修改或替換，均屬于本發(fā)明的范圍；若未特別指明，實施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。

實施例1

一種處理餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用于發(fā)酵的雜物；

s2.預處理：將分揀后的餐廚垃圾進行水熱預處理；水熱處理的溫度為90℃，處理時間為150min；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出后靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發(fā)酵：向s3分離出的固體餐廚垃圾中依次加入乙醇發(fā)酵菌群1[芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃條件下發(fā)酵12h；然后加入乙醇發(fā)酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃條件下發(fā)酵216h后，從發(fā)酵液中提取乙醇。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為5%（體積比）。

實施例2

一種處理餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用于發(fā)酵的雜物；

s2.預處理：將分揀后的餐廚垃圾進行水熱預處理；水熱處理的溫度為180℃，處理時間為80min；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出后靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發(fā)酵：向s3分離出的固體餐廚垃圾中依次加入乙醇發(fā)酵菌群1[芽孢桿菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃條件下發(fā)酵12h；然后加入纖維素酶于35℃下酶解12h，再加入乙醇發(fā)酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃條件下發(fā)酵216h后，從發(fā)酵液中提取乙醇；

s5.乳酸發(fā)酵：向乙醇發(fā)酵殘渣中加入脂肪酶35℃下酶解12h，然后加入乳酸發(fā)酵用菌[乳桿菌（lactobacillus）]于35℃條件下發(fā)酵12h，從發(fā)酵液中提取乳酸。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為5%（體積比），所述乙醇發(fā)酵用酶的添加量為2%（體積比）。所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為8%（體積比），所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為1%（體積比）。

實施例3

一種處理餐廚垃圾高效生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟：

s1.分揀：去除餐廚垃圾中的筷子、塑料等不能用于發(fā)酵的雜物；然后在餐廚垃圾中依次加入鹽酸和氫氧化鈉，使得鹽酸和氫氧化鈉在餐廚垃圾中的體積濃度分別為1%和0.5%；

s2.三步預處理：將s1處理后的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為900w/l，處理時間20min；水熱處理的溫度為170℃，處理時間為80min；微波處理的功率為900kw，溫度維持在100℃，處理時間為15min；所述三步預處理分別在超聲波反應器、水熱裝置和微波反應器中依次進行；

s3.三相分離：將餐廚垃圾以噴爆的方式排出后靜置，去除上層油脂，得到固體餐廚垃圾；

s4.乙醇發(fā)酵：向s3得到的固體餐廚垃圾中加入纖維素酶和淀粉酶的混合物酶解2h，接著加入乙醇發(fā)酵用菌[叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基桿菌（aminobacterium）、芽孢桿菌（bacillus）、乳桿菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根霉菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）]于35℃條件下發(fā)酵168h，然后加入乙醇發(fā)酵用菌[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基桿菌（aminobacterium）、酵母菌（saccharomyces）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）、叢毛單胞菌（comamonas）和螺旋菌（spira）]在35℃條件下發(fā)酵240h，從發(fā)酵液中提取乙醇；

s5.乳酸發(fā)酵：向乙醇發(fā)酵殘渣中加入淀粉酶和纖維素酶30℃下酶解168h，然后加入乳酸發(fā)酵用菌[乳桿菌（lactobacillus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）和a55-d21]30℃下發(fā)酵2h，最后加入乳酸發(fā)酵用菌[紫單胞菌（porphyromonadaceae）]在30℃下發(fā)酵384h，從發(fā)酵液中提取乳酸。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為0.01%（體積比），所述乙醇發(fā)酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為0.01%（體積比），所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。

實施例4

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在于，s4乙醇發(fā)酵階段中接入電場進行電處理，所述電場的電壓為0.1v，處理時間為216h。s5乳酸發(fā)酵階段中接入電場進行電處理，所述電場電壓為12v，處理時間為72h。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乙醇發(fā)酵用酶的添加量為0.1%（體積比）。所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為15%（體積比）。

實施例5

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在于，本實施例s2所述預處理按以下步驟進行：將s1處理后的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為15w/l，處理時間5min；水熱處理的溫度為90℃，處理時間為5min；微波處理的功率為100kw，溫度維持在90℃，處理時間為2min。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為5%（體積比），所述乙醇發(fā)酵用酶的添加量為2%（體積比）。所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為8%（體積比），所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為1%（體積比）。

實施例6

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在于，本實施例s2所述三步預處理按以下步驟進行：將s1處理后的餐廚垃圾依次進行超聲波、水熱和微波處理；其中超聲波的功率為1500w/l，處理時間60min；水熱處理的溫度為250℃，處理時間為150min；微波處理的功率為2500kw，溫度維持在250℃，處理時間為120min。

在本實施例中，所述乙醇發(fā)酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乙醇發(fā)酵用酶的添加量為0.1%。所述乳酸發(fā)酵用菌的添加量為20%（體積比），所述乳酸發(fā)酵用酶的添加量為15%（體積比）。

實施例7

本實施例提供的方法同實施例2，不同之處在于，s4乙醇發(fā)酵中不加酶，先加入乙醇發(fā)酵菌群1于35℃條件下發(fā)酵12h后、然后加入乙醇發(fā)酵菌群2于35℃條件下發(fā)酵216h。其中乙醇發(fā)酵菌群1的菌種比實施例2增加了乳球菌（lactococcus）、叢毛單胞菌（comamonas）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基桿菌（aminobacterium）和曲霉菌（aspergillus），乙醇發(fā)酵菌群2的菌種比實施例2增加了梭菌（clostridiisalibacter）、a55-d21、叢毛單胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）和球囊菌（ascosphaera）。s5乳酸發(fā)酵中乳酸發(fā)酵用菌增加了雙歧桿菌（bifidobacterium）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）。上述各菌群的總用量和發(fā)酵時間與實施例2相同。

對比例1

本對照例提供的方法同實施例2，不同之處在于，本對照例中s4乙醇發(fā)酵過程中，所選用的乙醇發(fā)酵用菌為畢赤酵母菌、運動發(fā)酵單胞菌、黑曲霉菌、東京根霉菌、釀酒酵母菌和里氏木霉菌。

對比例2

本對照例提供的方法同實施例2，不同之處在于，本對照例中s4乙醇發(fā)酵過程中，乙醇發(fā)酵菌群1和菌群2在添加乙醇發(fā)酵用酶后同時添加，乙醇發(fā)酵用菌的總用量與實施例2相同，發(fā)酵時間為240h。

實施例1～5和對比例1～2提供的方法發(fā)酵得到的乙醇和乳酸濃度如表1所示。由表1可知，本發(fā)明提供的方法在乙醇發(fā)酵過程中將乙醇發(fā)酵用菌分次加入固體餐廚垃圾中，顯著提高了乙醇產(chǎn)率；同時，也利于后續(xù)的乳酸發(fā)酵。由表1可知，乳酸發(fā)酵中所得乳酸產(chǎn)率也較高。

表1實施例1～5和對比例1～2提供的方法發(fā)酵得到的乙醇和乳酸濃度