本发明涉及餐厨垃圾处理技术领域，更具体地，涉及一种餐厨垃圾高效生产乙醇的方法。
背景技术：
餐厨垃圾，俗称泔脚，又称泔水、潲水，是居民在生活消费过程中形成的生活废物，极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒，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，从化学组成上讲，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等成分。随着我国经济的快速发展，餐厨垃圾的产量越来越大，对餐厨垃圾的再利用的研究也越来越多；其中，利用餐厨垃圾生产燃料乙醇和乳酸是实现其高值化利用的有效途径。
申请号为201310437655.0的中国专利公开了一种水热处理促进餐厨垃圾生产乙醇和乳酸的方法，即在发酵前对餐厨垃圾进行水热预处理，该方法所得乙醇产率较低，餐厨垃圾利用率较低。因此，仍需研究一种乙醇产率高、餐厨垃圾利用率高的处理方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，本发明提供的方法显著提高了目标产物乙醇的产率、餐厨垃圾利用率高。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，所述方法包括以下步骤：
s1.预处理：将餐厨垃圾进行水热预处理，然后分离出固体餐厨垃圾；
s2.乙醇发酵：向s1分离出的固体餐厨垃圾中加入乙醇发酵用菌，发酵后分离得到乙醇；
其中，s2所述乙醇发酵用菌分两次投加，投加次序为：先加入至少包括芽孢杆菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇发酵菌群1，然后再加入至少包括瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基杆菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇发酵菌群2。
在本发明的乙醇发酵过程中，发明人发现，若将乙醇发酵用菌分批加入固体餐厨垃圾中，发酵所得的乙醇具有较高的产率。尤其是当先加入包含有芽孢杆菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇发酵菌群1发酵若干时间后，再加入包含有瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基杆菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）的乙醇发酵菌群2，采用此种添加顺序发酵所得的乙醇的产率最高。
优选地，s2所述乙醇发酵用菌还含有乳杆菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根霉菌（rhizopus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、a55d21、丛毛单胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、球囊菌（ascosphaera）、醋弧菌（acetivibrio）、产碱杆菌（alcaligenes）、拟杆菌（bacteroides）、紫单胞菌（porphyromonadaceae）或假单胞菌（pseudomonas）中的一种或几种。
餐厨垃圾预处理的主要目的是使餐厨垃圾中的纤维素、淀粉、蛋白质等大分子物质水解成为小分子，方便后续微生物发酵生产乙醇和乳酸，本发明为了获得高产量的乙醇，对餐厨垃圾进行水热预处理。水热处理是在有水的环境下将餐厨垃圾进行热化学处理，可使固体颗粒增加扩散系数，通过热传导，使有机物进一步分解，缩短反应时间。
优选地，s1中所述预处理为将分拣后的餐厨垃圾依次进行超声波、水热和微波处理，然后分离出固体餐厨垃圾。首先将餐厨垃圾经过超声波处理，产生的机械作用使固体颗粒间剧烈撞击，形成的空化作用促成固体的分散；此外，超声波被固体颗粒吸收时产生大量热量，使餐厨垃圾的温度骤然升高，令c-c键断裂，大分子的碳氢化合物分解为小分子的碳氢化合物，促进餐厨垃圾的水解。微波处理可使小分子物质定向催化裂解，促进水解反应。当对餐厨垃圾依次进行超声波、水热、微波预处理后能够显著提高餐厨垃圾的水解效果，并有效提高其后续发酵产物的产量。
优选地，所述超声波的处理条件为：超声波功率15～1500w/l，处理时间为5～60min。
优选地，所述水热的处理条件为：水热温度为90～300℃，处理时间为5～150min。
优选地，所述微波的处理条件为：微波的功率为100w～2500kw，时间为2～120min，温度为90～300℃。
本发明所述超声波处理、水热处理和微波处理可以在装有超声波发生器、水热装置和微波发生器的一体化设备中依次进行，也可以分别在超声波反应器、水热装置和微波反应器中依次进行。
优选地，s2所述乙醇发酵用菌的添加量为0.01～20%（体积比），发酵时间为1～25天。
更为优选地，s2中还添加了乙醇发酵用酶，所述乙醇发酵用酶的总添加量为0.01～15%（体积比），酶解时间为1～120小时。
优选地，s2中所述乙醇发酵用酶选自乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶、丙酮酸羧化酶、淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、脂肪酶、蛋白酶、糖化酶、果胶酶、木聚糖酶或β-葡聚糖酶中的一种或多种。
优选地，s1前进行餐厨垃圾分拣，去除餐厨垃圾中不能发酵的杂物。
在本发明中，在乙醇发酵前进行酸或/和碱预处理，可增加餐厨垃圾水解速率，进一步提高产物乙醇的产率。因此优选地，餐厨垃圾在乙醇发酵前先进行酸或/和碱预处理。
在本发明中，s1所述固体餐厨垃圾的分离通过三相分离操作完成，所述三相分离是将餐厨垃圾以喷爆的方式排出后，静置去除上层油脂，获得固体餐厨垃圾，喷爆的方式排出预处理后的餐厨垃圾，可以使餐厨垃圾中的油脂最大程度地与固体、水分离，增加可浮油析出量。
优选地，s2中，向分离出乙醇后所得的发酵残渣中加入乳酸发酵用菌，生产乳酸；更为优选地，所述乳酸发酵用菌至少包括乳杆菌（lactobacillus）。
最为优选地，所述乳酸发酵用菌还含有链球菌（streptococcus）、双歧杆菌（bifidobacterium）、芽孢杆菌（bacillus）、乳球菌（lactococcus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）、a55_d21、螺旋体菌（spirochaeta）、氨基杆菌（aminobacterium）、球囊菌（ascosphaera）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）、酵母菌（saccharomyces）、醋弧菌（acetivibrio）、产碱杆菌（alcaligenes）、拟杆菌（bacteroides）、紫单胞菌（porphyromonadaceae）或假单胞菌（pseudomonas）中的一种或多种。
优选地，所述乳酸发酵用菌的添加量为0.01～20%（体积比），发酵时间为1～30天。
更为优选地，乳酸发酵阶段还添加有乳酸发酵用酶，所述乳酸发酵用酶的添加量为0.01%～15%（体积比），酶解时间为1～144小时。
优选地，所述乳酸发酵用酶选自纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、乳酸脱氢酶中的一种或多种。
优选地，乙醇发酵和/或乳酸发酵过程中接入电场进行电处理。更为优选地，所述电场的电压为0.1～12v，处理时间为6～216h。采用电场作用于微生物发酵，可刺激微生物的新陈代谢，从而提高目的产物乙醇和/或乳酸的产率。
在本发明中，乙醇发酵过程中的温度为20～80℃，乳酸发酵过程中的温度为18～80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，即将分拣后的餐厨垃圾水热预处理，然后向固体餐厨垃圾中加入微生物进行乙醇发酵。同时本发明还提出了三步预处理方式，即采用超声波、水热、微波依次对餐厨垃圾进行预处理，使其水解更为彻底，后续采用高效微生物进行乙醇发酵；大幅提高了产物乙醇的产率，发酵时间短，具有极大的推广应用价值，非常适合产业化应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种处理餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，包括如下步骤：
s1.分拣：去除餐厨垃圾中的筷子、塑料等不能用于发酵的杂物；
s2.预处理：将分拣后的餐厨垃圾进行水热预处理；水热处理的温度为90℃，处理时间为150min；
s3.三相分离：将餐厨垃圾以喷爆的方式排出后静置，去除上层油脂，得到固体餐厨垃圾；
s4.乙醇发酵：向s3分离出的固体餐厨垃圾中依次加入乙醇发酵菌群1[芽孢杆菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃条件下发酵12h；然后加入乙醇发酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基杆菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃条件下发酵216h后，从发酵液中提取乙醇。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为5%（体积比）。
实施例2
一种处理餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，包括如下步骤：
s1.分拣：去除餐厨垃圾中的筷子、塑料等不能用于发酵的杂物；
s2.预处理：将分拣后的餐厨垃圾进行水热预处理；水热处理的温度为180℃，处理时间为80min；
s3.三相分离：将餐厨垃圾以喷爆的方式排出后静置，去除上层油脂，得到固体餐厨垃圾；
s4.乙醇发酵：向s3分离出的固体餐厨垃圾中依次加入乙醇发酵菌群1[芽孢杆菌（bacillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃条件下发酵12h；然后加入纤维素酶于35℃下酶解12h，再加入乙醇发酵菌群2[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基杆菌（aminobacterium）、曲霉菌（aspergillus）和酵母菌（saccharomyces）]，于35℃条件下发酵216h后，从发酵液中提取乙醇；
s5.乳酸发酵：向乙醇发酵残渣中加入脂肪酶35℃下酶解12h，然后加入乳酸发酵用菌[乳杆菌（lactobacillus）]于35℃条件下发酵12h，从发酵液中提取乳酸。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为5%（体积比），所述乙醇发酵用酶的添加量为2%（体积比）。所述乳酸发酵用菌的添加量为8%（体积比），所述乳酸发酵用酶的添加量为1%（体积比）。
实施例3
一种处理餐厨垃圾高效生产乙醇的方法，包括如下步骤：
s1.分拣：去除餐厨垃圾中的筷子、塑料等不能用于发酵的杂物；然后在餐厨垃圾中依次加入盐酸和氢氧化钠，使得盐酸和氢氧化钠在餐厨垃圾中的体积浓度分别为1%和0.5%；
s2.三步预处理：将s1处理后的餐厨垃圾依次进行超声波、水热和微波处理；其中超声波的功率为900w/l，处理时间20min；水热处理的温度为170℃，处理时间为80min；微波处理的功率为900kw，温度维持在100℃，处理时间为15min；所述三步预处理分别在超声波反应器、水热装置和微波反应器中依次进行；
s3.三相分离：将餐厨垃圾以喷爆的方式排出后静置，去除上层油脂，得到固体餐厨垃圾；
s4.乙醇发酵：向s3得到的固体餐厨垃圾中加入纤维素酶和淀粉酶的混合物酶解2h，接着加入乙醇发酵用菌[丛毛单胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基杆菌（aminobacterium）、芽孢杆菌（bacillus）、乳杆菌（lactobacillus）、明串珠菌（leuconostoc）、根霉菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）]于35℃条件下发酵168h，然后加入乙醇发酵用菌[瘤胃球菌（ruminococcus）、氨基杆菌（aminobacterium）、酵母菌（saccharomyces）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）、丛毛单胞菌（comamonas）和螺旋菌（spira）]在35℃条件下发酵240h，从发酵液中提取乙醇；
s5.乳酸发酵：向乙醇发酵残渣中加入淀粉酶和纤维素酶30℃下酶解168h，然后加入乳酸发酵用菌[乳杆菌（lactobacillus）、梭菌（clostridiisalibacter）、瘤胃球菌（ruminococcus）和a55-d21]30℃下发酵2h，最后加入乳酸发酵用菌[紫单胞菌（porphyromonadaceae）]在30℃下发酵384h，从发酵液中提取乳酸。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为0.01%（体积比），所述乙醇发酵用酶的添加量为0.1%（体积比）。所述乳酸发酵用菌的添加量为0.01%（体积比），所述乳酸发酵用酶的添加量为0.1%（体积比）。
实施例4
本实施例提供的方法同实施例2，不同之处在于，s4乙醇发酵阶段中接入电场进行电处理，所述电场的电压为0.1v，处理时间为216h。s5乳酸发酵阶段中接入电场进行电处理，所述电场电压为12v，处理时间为72h。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为20%（体积比），所述乙醇发酵用酶的添加量为0.1%（体积比）。所述乳酸发酵用菌的添加量为20%（体积比），所述乳酸发酵用酶的添加量为15%（体积比）。
实施例5
本实施例提供的方法同实施例2，不同之处在于，本实施例s2所述预处理按以下步骤进行：将s1处理后的餐厨垃圾依次进行超声波、水热和微波处理；其中超声波的功率为15w/l，处理时间5min；水热处理的温度为90℃，处理时间为5min；微波处理的功率为100kw，温度维持在90℃，处理时间为2min。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为5%（体积比），所述乙醇发酵用酶的添加量为2%（体积比）。所述乳酸发酵用菌的添加量为8%（体积比），所述乳酸发酵用酶的添加量为1%（体积比）。
实施例6
本实施例提供的方法同实施例2，不同之处在于，本实施例s2所述三步预处理按以下步骤进行：将s1处理后的餐厨垃圾依次进行超声波、水热和微波处理；其中超声波的功率为1500w/l，处理时间60min；水热处理的温度为250℃，处理时间为150min；微波处理的功率为2500kw，温度维持在250℃，处理时间为120min。
在本实施例中，所述乙醇发酵用菌的添加量为20%（体积比），所述乙醇发酵用酶的添加量为0.1%。所述乳酸发酵用菌的添加量为20%（体积比），所述乳酸发酵用酶的添加量为15%（体积比）。
实施例7
本实施例提供的方法同实施例2，不同之处在于，s4乙醇发酵中不加酶，先加入乙醇发酵菌群1于35℃条件下发酵12h后、然后加入乙醇发酵菌群2于35℃条件下发酵216h。其中乙醇发酵菌群1的菌种比实施例2增加了乳球菌（lactococcus）、丛毛单胞菌（comamonas）、克雷伯菌（klebsiella）、氨基杆菌（aminobacterium）和曲霉菌（aspergillus），乙醇发酵菌群2的菌种比实施例2增加了梭菌（clostridiisalibacter）、a55-d21、丛毛单胞菌（comamonas）、螺旋菌（spira）和球囊菌（ascosphaera）。s5乳酸发酵中乳酸发酵用菌增加了双歧杆菌（bifidobacterium）、曲霉菌（aspergillus）、根霉菌（rhizopus）和酵母菌（saccharomyces）。上述各菌群的总用量和发酵时间与实施例2相同。
对比例1
本对照例提供的方法同实施例2，不同之处在于，本对照例中s4乙醇发酵过程中，所选用的乙醇发酵用菌为毕赤酵母菌、运动发酵单胞菌、黑曲霉菌、东京根霉菌、酿酒酵母菌和里氏木霉菌。
对比例2
本对照例提供的方法同实施例2，不同之处在于，本对照例中s4乙醇发酵过程中，乙醇发酵菌群1和菌群2在添加乙醇发酵用酶后同时添加，乙醇发酵用菌的总用量与实施例2相同，发酵时间为240h。
实施例1～5和对比例1～2提供的方法发酵得到的乙醇和乳酸浓度如表1所示。由表1可知，本发明提供的方法在乙醇发酵过程中将乙醇发酵用菌分次加入固体餐厨垃圾中，显著提高了乙醇产率；同时，也利于后续的乳酸发酵。由表1可知，乳酸发酵中所得乳酸产率也较高。
表1实施例1～5和对比例1～2提供的方法发酵得到的乙醇和乳酸浓度