专利名称：一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法
技术领域：
本发明属于废弃物资源化利用技术，特别涉及一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙
醇方法。
背景技术：
餐厨垃圾指的是指居民日常生活以及食品加工中产生的食物废料，来源主要集中在酒店、食品工厂、学校、政府、科研机构等，是城市生活垃圾的丰要组成部分。餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、 蛋白质、脂类和无机盐。近年来，随着我国城市人民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量迅速增加。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。国内主要城市的餐厨垃圾产生量均已超过1000吨/天，其中北京高达 1600吨/天，上海达1300吨/天，杭州也在1000吨/天左右。从目前国内外技术发展看，适合大规模集中处理餐厨垃圾的技术主要有高温消毒或微生物发酵制取动物饲料、好氧发酵堆肥、厌氧消化制取沼气和肥料、热解处理、焚烧处理和酶解发酵乙醇等技术。餐厨垃圾制取饲料虽然可以充分利用餐厨垃圾中的营养成分，具有很好的资源化效果，但是这种方式生产的饲料的安全性较差，比如这种饲料可能引起口蹄疫和疯牛病。基于这种考虑，从餐厨垃圾生产动物饲料在许多国家是明令禁止的。通过好氧堆肥可以生产有机肥料。但是这种技术生产能耗较大，操作过程较复杂，设备投资大，目前餐厨垃圾主要集中产生于大城市，而有机肥的使用却在农村地区，肥料的销路也有问题。通过生物厌氧消化处理可以生产沼气并可能联产热能和电能，但是沼气发酵周期较长，菌种存在安全管理问题。热解处理餐厨垃圾可以得到燃油等产品，但是餐厨垃圾的热值偏低，含水量较高，热解前期需要消耗较多的外部热能，从而增加成本。焚烧处理可以实现较好的减容性，但是餐厨垃圾热值偏低，高含水率会导致焚烧炉内燃烧不完全，促进二噁英的生成。相比较而言，利用餐厨垃圾酶解发酵燃料乙醇是一种较有潜力的一种餐厨垃圾处理技术。中国专利ZL03117223.7公开了一种以城市生活垃圾中富含纤维素和半纤维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至3-6再加酵母菌进行乙醇发酵。中国专利 ZL200610114006. 7公开了一种餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇的方法，该专利的工艺路线是将餐厨垃圾首先进行粉碎，然后利用同步糖化发酵技术发酵乙醇，最后通过蒸馏将发酵得到的乙醇进行回收。这两种技术虽然针对的原料有所差异，但是基本上都借用了现有粮食乙醇的生产技术，先得到可发酵的糖业，然后接种酵母在液态发酵的条件下批次发酵，最后通过蒸馏的方法得到乙醇。这种工艺虽然比较成熟，但是发酵过程中会产生大量的有机废水， 在处理废弃物的同时又产生了新的污染源；生产过程都是批次生产，这种生产方式在面对产量日益增加的餐厨垃圾时，其处理量小，效率低下的问题会日益突出。
发明内容
发明目的随着社会生活的日益发展，人民生活水平日益提高，餐厨垃圾在我国的产量逐年增加。餐厨垃圾如果不能及时处理将会产生异味、滋生细菌和病毒并传播疾病， 给环境卫生带来恶劣的影响。但是另一方面，餐厨垃圾又是放错地方的资料，其含有丰富的养分，如能充分利用将会产生显著的社会和经济效益。本发明的目的就是针对目前餐厨垃圾利用中存在的生产效率低下，同时还会产生二次污染等问题，发明一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，有效地解决从餐厨垃圾生产乙醇的问题，在解决环境问题的同时， 通过高效率、低成本、清洁的生产工艺生产液体燃料满足社会对液体燃料日益增长的需求。本发明的构思传统的燃料乙醇的生产是通过液态发酵的方法生产的，这种生产方法针对较纯的、且容易溶解的底物是比较适宜的。餐厨垃圾的一个特点是其组成十分复杂，且还有较多的不溶性底物，这样的底物作为液态发酵培养基时需要先进行粉碎均浆，然后再加入一定比例的水。这样的工艺就造成了生产能耗增加，同时发酵结束后还要处理大量的有机废水。相对于液态发酵，固态发酵是在不含有游离水的固态物料上进行的节水节能的绿色发酵方式，而餐厨垃圾这样的发酵底物实际上更适于固态发酵。已有的餐厨垃圾发酵生产乙醇的方式还有一个问题就是生产为分批操作方式，这样的操作方式生产效率较低，在面对大批量物理时往往需要增加反应设备来增加生产效率，从而使投资增加，所占用的生产场地面积巨大。固态发酵，尤其是连续的固态发酵如果能用于餐厨垃圾的处理，将有可能很好的解决这个问题。本发明技术方案本发明通过以下步骤实现连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇 (1)对餐厨垃圾进行汽爆处理，通过此步骤在130-20(TC，I-IOmin的汽爆条件下对餐厨垃圾进行灭菌，同时对餐厨垃圾中的淀粉类和纤维素类原料进行预处理便于后续的酶解发酵；( 根据重量向处理过的餐厨垃圾中添加糖化酶，纤维素酶，活性干酵母后进入连续固态发酵反应器中进行乙醇发酵，糖化酶的用量为1000-5000U/100g干汽爆餐厨垃圾，纤维素酶的用量为200-1000IU/100g干汽爆餐厨垃圾，活性干酵母的用量为0. 01-0. 02g/100g 干汽爆餐厨垃圾；C3)发酵的同时通过控制罗茨循环风机的流量将发酵塔的温度在 35-37°C之间，通过控制螺旋进料器的进料和出料速度控制物料在发酵塔中的停留时间在 20-28h之间，通过控制热泵系统的冷凝器温度在40-60°C，蒸发器温度在4_8°C进行乙醇的回收；(4)发酵完成的残渣通过连续干燥器进一步干燥至含水量低于14%后用作有机肥料。本发明具有以下特点和优势1.通过汽爆对餐厨垃圾进行处理同时实现了餐厨垃圾的消毒灭菌和纤维素原料的预处理，既优化了生产环境条件，又增加了纤维素原料的降解率；2.采用固态发酵生产乙醇，避免了后续的废水处理，消除了治污的同时又产生新的环境污染的问题；3.采用连续发酵的生产工艺相对分批发酵大大增加了垃圾处理的效率，完全可以可以处理日益增加的垃圾处理量；4.生产过程中将乙醇的发酵和提取通过热泵系统进行了耦合，这种耦合充分利用了发酵过程中所产生的发酵热用于乙醇的提取，增加了乙醇的浓度，降低了乙醇的蒸馏能耗。5.生产过程中除得到乙醇外还可以得到有机肥料，生产过程中完全无废弃物和新的污染物产生，实现了餐厨垃圾的全消化和全利用。
图1为连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇工艺流程图，1餐厨垃圾，2汽爆处理后的餐厨垃圾，3糖化酶、纤维素酶制剂和活性干酵母，4乙醇溶液，5发酵渣，6有机肥，7汽爆罐， 8进料器，9螺旋进料器，10连续固态发酵反应塔，11热泵系统蒸发器，12热泵系统压缩机， 13热泵系统冷凝器，14罗茨循环风机，15螺旋出料器，16连续干燥器。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步说明。实施例1从某大学食堂收集的餐厨垃圾，首先对其营养成分进行了分析，分析结果显示每IOOg干餐厨垃圾中含有脂肪13. 6g，总糖23g，还原糖12. 5g，非还原糖10. 5g，纤维素 12. lg。在500L的汽爆罐7中对这种餐厨垃圾进行汽爆处理，采用的条件为温度150°C，处理时间5min。处理完成后按照每IOOg餐厨垃圾加入4000U糖化酶，200IU纤维素酶，0. Olg 安琪耐高温酿酒活性干酵母的比例加入酶制剂和酵母后通过螺旋进料器9进入连续固态发酵反应塔10开始发酵，通过控制罗茨循环风机14的流量将连续固态发酵反应塔中物料的温度控制在35-37°C，通过控制螺旋进料器9和螺旋出料器15控制物料在连续固态发酵反应塔中的停留时间为Mh，通过热泵系统压缩机12的功率调整，将热泵系统冷凝器的温度调节在60°C，热泵系统蒸发器的温度调节在4°C使发酵得到的乙醇以约35% (ν/ν)的浓度从热泵系统蒸发器11出冷凝下来，这样的乙醇经过精馏和脱水即可用作制备燃料乙醇。 从螺旋出料器15出来的发酵渣含水量约为42%，这样的发酵渣在连续干燥器16中得到干燥得到含水量为12%的有机肥。实施例2从某酒店收集的餐厨垃圾，首先对其营养成分进行了分析，分析结果显示每IOOg 餐厨垃圾(干重)中含有脂肪14. 3g，总糖22. 3g，还原糖12. Ig,非还原糖10. 2g，纤维素 12. 5g。在500L的汽爆罐7中对这种餐厨垃圾进行汽爆处理，采用的条件为温度155°C，处理时间％iin。处理完成后按照每IOOg餐厨垃圾加入4000U糖化酶，220IU纤维素酶，0. 015g 安琪耐高温酿酒活性干酵母的比例加入酶制剂和酵母后通过螺旋进料器9进入连续固态发酵反应塔10开始发酵，通过控制罗茨循环风机14的流量将连续固态发酵反应塔中物料的温度控制在35-37°C，通过控制螺旋进料器9和螺旋出料器15控制物料在连续固态发酵反应塔中的停留时间为22h，通过热泵系统压缩机12的功率调整，将热泵系统冷凝器的温度调节在55°C，热泵系统蒸发器的温度调节在5°C使发酵得到的乙醇以约37% (ν/ν)的浓度从热泵系统蒸发器11出冷凝下来，这样的乙醇经过精馏和脱水即可用作制备燃料乙醇。 从螺旋出料器15出来的发酵渣含水量约为45%，这样的发酵渣在连续干燥器16中得到干燥得到含水量为13%的有机肥。
权利要求
1.一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，其特征在于该方法以餐厨垃圾为原料通过以下步骤生产乙醇(1)对餐厨垃圾进行汽爆预处理；(2)向处理过的原料中添加糖化酶、纤维素酶和活性干酵母；C3)在设定的条件下连续向反应器中输入原料进行连续的乙醇发酵和提取；(4)发酵渣被自动排出反应器后在连续干燥器中烘干后用作有机肥。
2.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，其特征在于，所述的汽爆预处理条件为温度130-200°C，停留时间为1-lOmin。
3.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，其特征在于，所述的糖化酶用量为1000-5000U/100g干汽爆餐厨垃圾，纤维素酶的用量为 200-1000IU/100g干汽爆餐厨垃圾，活性干酵母的用量为0. 01-0. 02g/100g干汽爆餐厨垃圾。
4.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，其特征在于，所述的反应器控制条件为通过控制罗茨循环风机的流量将发酵塔的温度在35-37°C之间， 通过控制螺旋进料器的进料和出料速度控制物料在发酵塔中的停留时间在20-2 之间， 通过控制热泵系统的冷凝器温度在40-60°C，蒸发器温度在4-8°C进行乙醇的回收。
5.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法，其特征在于，所述的有机肥干燥至含水量14%以下。
全文摘要
本发明公开了一种连续固态发酵餐厨垃圾生产乙醇的方法。其基本步骤如下(1)对餐厨垃圾进行汽爆预处理；(2)向处理过的原料中添加糖化酶、纤维素酶和活性干酵母；(3)在设定的条件下连续向反应器中输入原料进行连续的乙醇发酵和提取；(4)发酵渣被自动排出反应器后在连续干燥器中烘干后用作有机肥。本发明采用固态发酵工艺避免了生产中的废水处理问题，采用连续生产工艺增加了垃圾的处理效率，通过耦合热泵系统充分利用了发酵过程的热能用于乙醇的提取进一步减少了能耗，降低了乙醇的生产成本。生产过程中除得到乙醇外还可以得到有机肥料，生产过程中完全无废弃物和新的污染物产生，实现了餐厨垃圾的全消化和全利用。
文档编号C12P7/08GK102174591SQ201110034380
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者李宏强, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所