一种利用有机废弃物制备乙醇，沼气和生物柴油的联产方法
【专利摘要】本发明提供了一种有机废弃物为原料联产乙醇、生物柴油和沼气等生物能源。本发明提供的方法是通过以下步骤实现的：将木质纤维素原料预处理进行酶解产糖，乙醇发酵后，通过向酶解残渣添加畜禽粪便通过厌氧发酵制取沼气，沼渣通过食腐性昆虫转化，有机废水用作培养微藻，昆虫和微藻用来制备生物柴油。能源植物转化利用系统，收集过程废水与沼液、废气、沼渣等固体及分离和富集沼气过程二氧化碳，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖类，以及紫薯等含淀粉类，杨树等含纤维素类，乌桕树等含油脂类能源植物，这些能源植物所产生的生物质又可以用来提取糖源、淀粉、脂肪和纤维素用来生产生物能源。
【专利说明】—种利用有机废弃物制备乙醇，沼气和生物柴油的联产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物能源制备【技术领域】，具体涉及一种利用有机废弃物制备生物乙醇、生物沼气和生物柴油的方法。
【背景技术】
[0002]我国当前在生物质能源领域的发展已取得了显著的成就，但随着国民经济的快速发展，人民物质生活水平的提高，我国对能源需求亦急剧增长，同时对生存环境也提出了更高要求。庞大的人口数量，决定了我国在生物能源的发展上不能与发达国家走相同的路线。考虑到我国特有的国情，积极拓展生物质能源的新原料来源，加快废弃生物质资源的利用，将有机污染物治理与生物乙醇、生物沼气和生物柴油等生物能源等产品生产相结合，变废为宝，为解决我国目前面临的严重的资源、能源与环境危机提供了一条切实可行的技术创新路线，其实施与推广将为我国经济可持续发展提供新的思路，具有极其深远的社会、经济与环境效益。[0003]当今世界各国国家重视石油替代，发展生物能源的研究。生物能源是以农林等有机废弃物以及利用边际土地种植的能源植物为主要原料进行能源生产的一种新兴能源。生物能源成本的75%是原料成本，生物能源的制约瓶颈是原料来源和原料保障，在我国，因为人口、土地、粮食、环境等国情现实，原料对生物能源发展的制约作用更加明显。中国生物能源面临许多困难和问题，原料资源短缺限制了生物能源的大规模生产由于粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件，生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发展的重要因素(王欧。中国生物能源开发利用现状及发展政策与未来趋势。中国农村经济。2007.07.10-15)。
[0004]专利201110052388公布了一种以纤维乙醇副产品为主要原料生产沼气的方法，利用纤维乙醇生产副产品为主要原料，以淀粉乙醇糟液为辅料发酵生产沼气。CN200910217451.X本发明是一种利用大豆秸杆为主要原料，经过原料预处理、木质素的提取、酶解糖化发酵制燃料乙醇、厌氧发酵制沼气等主要工艺过程，工业化生产燃料乙醇、木质素及沼气的综合利用方法。也有涉及沼气及生物有机肥一体化生产系统的技术报道，但是没有关于利用秸杆作物秸杆预处理进行酶解产糖，乙醇发酵后，通过向酶解残渣添加畜禽粪便通过厌氧发酵制取沼气，沼渣通过食腐性昆虫转化，昆虫脂肪用来制备生物柴油，有机废水用作培养微藻，做生物柴油，以及提取脂肪后的虫体可以用作蛋白饲料，剩下的残渣可作为有机肥料。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于克服现有技术存在的缺陷，研制一种利用有机废弃物制备生物乙醇、生物沼气和生物柴油的方法的方法，并且完全利用系统生产过程所产生的有机废水，固体废弃物和二氧化碳等废弃物，以提高生物能源的转化效率，降低生产成本，实现生物能源的绿色制备。该生物能源联用方法分成原材料收集供给系统，生化复合转化系统，循环转化利用系统以及产品功能系统等多个相对独立的系统，彼此之间互相连接，系统产生的废液等污染物都在系统内部得到转化和利用。
[0006]本发明通过以下技术方案来实现的:秸杆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的部分，该单元包括以下步骤:(I)秸杆的破碎:对秸杆类木质纤维素进行破碎，破碎至20目筛；并向秸杆粉末加入1.0%的NaOH溶液；(2)通过纤维素酶水解糖化，在步骤(1)制得的秸杆粉末中加入纤维素酶，于40°C，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液；(3)乙醇发酵在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35°C，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应即可得燃料乙醇。沼气厌氧发酵部分包括以下步骤:(4)对(3)纤维乙醇废液进行絮凝沉淀处理；(5)将厌氧发酵的底物混合，放入厌氧发酵池，并且通过加入畜禽粪便来调节底物的碳、氮比为(20-30): 1，pH值为6.5-7.5，温度为30-351:，厌氧发酵产生沼气；(6)对厌氧发酵后的进行固液分离；(7)沼气混合气体进行二氧化碳分离和纯化；食腐性昆虫转化废弃物部分:(8)向(6)得到沼渣中接入食腐性昆虫，在常温下培养5-10天，分离得到昆虫虫体；微生物油脂生物反应器转化部分:(9)将发酵后残余的沼液与
(I)以及(3)过程预处理得到含糖废水，然后通入生物反应器中，作为培养藻类的培养液；控制光生物反应器温度18-25°C，光生物反应器中培养液的pH值为6.5-7.5 ； (10)将厌氧发酵产生的沼气作为藻类繁殖的碳源，连续不断的通过曝气砂头通入到光生物反应器的底部，经过光合作用藻类对沼气(7)中二氧化碳予以吸收，最终得到净化的高品质甲烷；(11)光生物反应器中，在藻类繁殖达到生长稳定期末期，将其部分进行收获，与(8)混合用于提取油脂制备生物柴油；(12)剩下的纤维素类残渣可以加到(I)或(5)作为纤维乙醇或沼气的原料之一送入厌氧发酵池；(13)厌氧发酵过程(6)产生的沼渣堆肥；能源植物转化利用系统，收集过程废水与沼液、废气、沼渣等固体及分离和富集沼气过程二氧化碳，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖类能源植物，以及培养紫薯等含淀粉类能源植物，种植杨树等含纤维素类能源植物，种植乌桕树等含油脂类能源植物，这些能源植物所产生的生物质又可以用来提取糖源、淀粉、脂肪和纤维素用来生产生物能源。另外得到昆虫虫体蛋白和有机肥料。
[0007]本项目旨在研究开发一种以木质纤维素、畜禽粪便、餐饮废弃物及废水等有机废弃物为原料联产生物乙醇，生物沼气和生物柴油的方法，利用综合工艺实现有机废弃物向生物能源的转化。本发明属于资源循环利用【技术领域】，具体涉及一种利用各种有机废弃物资源化转化制备生物乙醇、生物沼气和生物柴油的方法。本发明利用微生物、食腐性昆虫以及藻类构建的产业链生物转化反应器来转化秸杆类纤维素、畜禽粪便及其固体和液体废弃物，尤其是利用微藻来净化沼气中的二氧化碳，以得到高品质甲烷；充分转化利用该系统所产生的各种有机废水固体有机废弃物用于种植可以提供糖、淀粉、脂肪及纤维素类的能源植物；结合对过程所产生的固液废弃物在转化系统前后都分别得到内部消耗和转化利用，及生物反应器中增殖的综合资源化循环利用，最终达到废弃物的零排放。
[0008] 与现有方法相比，本发明技术的优点是显而易见的，本发明具有原料丰富，成本低，副产物少、零排放、生物能源产率高等优点。通过把多种学科和工艺进行结合，达到集成创新，从而实现经济效应、生态效应、社会效应完美和谐发展。
【专利附图】
【附图说明】[0009]图1:有机废弃物及复合转化系统生产生物能源系列产品示意图
[0010]图2:是本发明秸杆乙醇与沼气厌氧发酵结合部分示意图。
[0011]图3:是本发明沼气厌氧发酵二氧化碳提纯分离和富集部分示意图。
[0012]图4:是本发明系统固体废弃物与食腐性昆虫转化制备生物柴油部分示意图。
[0013]图5:是本发明生物油脂生物反应器转化部分示意图。
[0014]图6:有机废弃物及复合转化过程所产生的废弃物培育能源植物循环利用示意图。【具体实施方式】
[0015]本发明通过以下技术方案来实现的:秸杆类为原料生产燃料乙醇的部分，该单元包括以下步骤:(I)秸杆类的破碎:对秸杆类进行破碎，破碎至80目筛；并向秸杆类木质纤维素粉末加入1.0%的NaOH溶液；(2)通过纤维素酶水解糖化；在步骤(1)制得的秸杆粉末中加入纤维素酶，于40°C，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液；(3)乙醇发酵在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35°C，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应即可得燃料乙醇。沼气厌氧发酵部分，该单元包括以下步骤:(4)对(3)纤维乙醇废液进行絮凝沉淀处理；(5)将厌氧发酵的底物混合，放入厌氧发酵池，并且通过加入畜禽粪便来调节底物的碳、氮比为(20-30): 1，pH值为6.5-7.5，温度为30_35°C，厌氧发酵产生沼气；(6)对厌氧发酵后的进行固液分离；(7)沼气混合气体进行二氧化碳分离和纯化；食腐性昆虫转化废弃物部分:(8)向(6)得到沼渣中接入食腐性昆虫，在常温下培养5-10天，分离得到昆虫虫体；微生物油脂生物反应器转化部分:另外得到昆虫虫体蛋白和有机肥料。(9)将发酵后残余的沼液与(I)以及(3)过程预处理得到含糖废水，然后通入生物反应器中，作为培养藻类的培养液；控制光生物反应器温度18-25°C，光生物反应器中培养液的PH值为6.5-7.5 ； (10)将厌氧发酵产生的沼气作为藻类繁殖的碳源，连续不断的通过曝气砂头通入到光生物反应器的底部，经过光合作用藻类对沼气(7)中二氧化碳予以吸收，最终得到净化的高品质甲烷；(11)光生物反应器中，在藻类繁殖达到生长稳定期末期，将其部分进行收获，与(8)混合用于提取油脂制备生物柴油；(12)剩下的纤维素类残渣可以加到(I)或(5)作为纤维乙醇或沼气的原料之一送入厌氧发酵池；(13)厌氧发酵过程(6)产生的沼渣堆肥，能源植物转化利用系统，收集过程废水与沼液，废气固体及分离和富集沼气过程二氧化碳，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖类能源植物，以及培养紫薯等含淀粉类能源植物，种植杨树等含纤维素类能源植物，种植乌桕树等含油脂类能源植物，这些能源植物所产生的生物质又可以用来提取糖源、淀粉、脂肪和纤维素用来生产生物能源。
【权利要求】
1.本发明属于利用有机废弃物制备生物乙醇、生物沼气和生物柴油集成创新方法，并且完全利用系统生产过程所产生的有机废水，固体废弃物和二氧化碳等废弃物，以提高生物能源的转化效率，降低生产成本，实现生物能源的绿色制备。秸杆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的部分，该单元包括以下步骤:(I)秸杆类木质纤维素的破碎:对秸杆类木质纤维素进行破碎；并向秸杆类木质纤维素粉末加入1.0%的NaOH溶液；(2)通过纤维素酶水解糖化；在步骤(1)制得的秸杆粉末中加入纤维素酶，于40°C，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液；(3)乙醇发酵在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35°C，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应即可得燃料乙醇。沼气厌氧发酵部分，该单元包括以下步骤:(4)对(3)纤维乙醇废液进行絮凝沉淀处理；(5)将厌氧发酵的底物混合，放入厌氧发酵池，并且通过加入畜禽粪便来调节底物的碳、氮比为(20-30): 1，PH值为6.5-7.5，温度为30-35°C，厌氧发酵产生沼气；(6)对厌氧发酵后的进行固液分离；(7)沼气混合气体进行CO2分离和纯化；食腐性昆虫转化废弃物部分:(8)向(6)得到沼渣中接入食腐性昆虫，在常温下培养5-10天，分离得到昆虫虫体；微生物油脂生物反应器转化部分:(9)将发酵后残余的沼液与(I)以及(3)过程预处理得到含糖废水，然后通入生物反应器中，作为培养藻类的培养液；控制光生物反应器温度18-25°C，光生物反应器中培养液的PH值为6.5-7.5 ； (10)将厌氧发酵产生的沼气作为藻类繁殖的碳源，连续不断的通过曝气砂头通入到光生物反应器的底部，经过光合作用藻类对沼气(7)中CO2予以吸收，最终得到净化后的高品质甲烷；(11)光生物反应器中，在藻类繁殖达到生长稳定期末期，将其部分进行收获，与(8)混合用于提取油脂制备生物柴油；(12)剩下的纤维素类残渣可以加到(I)或(5)作为纤维乙醇或沼气的原料之一送入厌氧发酵池；(13)厌氧发酵过程(6)产生的沼渣堆肥；能源植物转化利用系统，收集过程废水与沼液、废气、沼渣等固体及分离和富集沼气过程CO2，用于栽培甜高粱、甘蔗等含糖类能源植物，以及培养紫薯等含淀粉类能源植物，种植杨树等含纤维素类能源植物，种植乌桕树等含油脂类能源植物，这些能源植物所产生的生物质又可以用来提取糖源、淀粉、脂肪和纤维素用来生产生物能源。另外得到昆虫虫体蛋白和有机肥料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:纤维乙醇过程所产生的废液和废弃的固体物质进行厌氧发酵处理，并且通过加入畜禽粪便来调节底物的碳、氮比为(20-30): 1，pH值为6.5-7.5，温度为30-35°C，厌氧发酵产生沼气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:对厌氧发酵后的进行固液分离，向沼渣中加入10%的餐饮垃圾并接入食腐性昆虫，在常温下培养5-10天，分离得到昆虫虫体；微生物油脂生物反应器转化部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:将发酵后残余的沼液与纤维素乙醇以及沼气过程预处理得到有机废水，然后通入生物反应器中，作为培养藻类的培养液；控制光生物反应器温度18-25°C，光生物反应器中培养液的pH值为6.5-7.5 ;并且把厌氧发酵产生混合气体进行CO2分离，CO2通入到藻类培养系统。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:将用于转化沼渣及餐饮垃圾的食腐性昆虫烘干后，提取油脂制备生物柴油；以及光生物反应器中培养藻类用于提取油脂制备生物柴油。
【文档编号】C12P7/10GK103923948SQ201310009358
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】李庆, 刘盛林, 李武, 郝勃, 喻子牛 申请人:华中农业大学, 新疆西域牧歌农业科技有限公司