專利名稱：一種多酶復配、分步水解餐廚廢棄物制備燃料乙醇的方法
技術領域：
本發明屬于生物工程領域，涉及酶工程及發酵技術，具體涉及一種多酶復配、分步水解餐廚廢棄物生產燃料乙醇的方法。
背景技術：
在石化資源日益枯竭，能源價格不斷高漲的的背景下，發展新型可再生能源引起世界各國強烈關注。為緩解石油壓力，我國在本世紀初就開始了燃料乙醇的試點計劃，生產乙醇的原料幾經轉變。糧食作物生產乙醇由于成本較高且備受爭議，已被政府所禁止，秸稈、玉米芯等木質纖維素類原料存在底物結構復雜、活低等瓶頸問題，而利用餐廚廢棄物生產燃料乙醇，既可以實現餐廚廢棄物的無害化處理，又得到了清潔的可再生能源，還可獲得生物柴油、蛋白飼料等附加產品，實現餐廚廢棄物的減量化、資源化綜合利用。餐廚廢棄物具有含水量高、含油量高、營養成分豐富、易腐爛變質等特點。其干基主要成分有淀粉、膳食纖維、蛋白質、脂類等物質，其中的淀粉、纖維素、半纖維素等都是大分子類碳水化合物，具有復雜而穩定的結構，無法被酵母等微生物直接利用來發酵生產乙醇，因此，采取必要的輔助水解手段對餐廚廢棄物發酵生產燃料乙醇至關重要。傳統的物理處理法效果不理想且能耗過大，而化學處理法操作麻煩，易帶來環境污染。酶解法由于操作條件溫和，能耗低，無污染，在成本和設備方面顯示出獨特優勢。CN 101565720A公開了一種用餐廚廢棄物生產工業乙醇的方法，餐廚廢棄物經人工分揀后加水稀釋，然后加入淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和在50-60°C下酶解2-4h，高溫滅菌后接種酵母發酵60-7池。該乙醇生產工藝需要加水稀釋、高溫滅菌且酶解、發酵周期長，容易造成資源、能源的浪費。CN 100567474C公開了一種適用于餐廚垃圾乙醇發酵的復合酵母及應用方法，該復合酵母由糖化酶、淀粉酶、蛋白酶及耐高溫酵母按一定比例組合而成，可一次性加入餐廚垃圾中進行同步糖化發酵。該方法雖然可以節約水資源且沒有高溫滅菌步驟，但反應只能在30-35°C的酵母發酵溫度下作用，使得各種酶活作用無法充分發揮，酶解效率低且發酵時間較長，為48-60h。
發明內容
本發明提供了一種多酶復配、分步水解餐廚廢棄物來制備燃料乙醇的方法，克服了單一酶解的缺陷，使餐廚垃圾中的淀粉、纖維素類碳水化合物高效轉化為可發酵性單糖， 大幅縮短乙醇發酵時間，提高乙醇產量。本發明所述的一種由液化酶、糖化酶、果膠酶復配，分步水解餐廚廢棄物制備燃料乙醇的方法包括如下步驟(1)將收集的餐廚垃圾人工分揀出金屬、塑料、玻璃等非生物質類組分，剩余的生物質類組分經浙水浙油后進行械粉碎，使其粒徑< 8mm ；(2)粉碎后的餐廚垃圾直接加入液化酶進行液化，溫度保持在80-100°C，液化時間 30min，加酶量為 0. 05% -0. 2% (ν/ν)；
(3)液化物料用硫酸或氫氧化鈉調節pH為4. 5-5.0，在45_50°C下同時加入糖化酶與果膠酶進行酶解，時間為2-4h，加酶量為糖化酶0.02% -0.1% (v/v)，果膠酶 0. 005% -0. 02% (ν/ν)；(4)酶解后用硫酸或氫氧化鈉調節物料pH為5-6，在30°C下直接接種釀酒干酵母進行厭氧發酵，接種量為0.3% (ν/ν)，發酵時間為15-24h。所述的原料為餐廚垃圾，其中的生物質類組分經浙水浙油后進行械粉碎，使粒徑 ^ 8mm。所述的多酶復配酶包括液化酶、糖化酶和果膠酶。所述的液化酶加酶量為0. 05% -0. 2% (ν/ν)。所述的糖化酶與果膠酶酶解溫度為45-50°C。所述的加酶量為糖化酶0. 02 % -0. 1% (ν/ν)，果膠酶 0. 005 % -0. 02 % (ν/ν)。本發明運用多酶復配來分步水解餐廚廢棄物制備燃料乙醇，結合酶解原理分析其具備以下特點1.液化酶使部分淀粉水解為糊精、麥芽糖和葡萄糖，步驟( 用高效液化酶使餐廚廢棄物粘度迅速降低，淀粉水解度(DE值)達到35以上，為后續酶解傳質過程提供有利條件。2.糖化酶可從糖鏈分子非還原末端順次水解α _1，4與α _1，6糖苷鍵，將淀粉、糊精、麥芽糖等水解為葡萄糖；果膠酶可破壞植物細胞壁結構，同時可部分水解木聚糖及纖維二糖，降低各組分的抑制作用，釋放被包裹的淀粉、蛋白質等大分子，增大酶的可作用表面， 提高原料利用率。步驟C3)在接近酶的最優作用條件下，同時加入糖化酶與果膠酶，使其同步作用于餐廚廢棄物中的淀粉、纖維素、果膠等大分子碳水化合物，消除相互抑制，充分水解為葡萄糖等可發酵性糖，大幅度提高后續乙醇發酵的產量。3.反應條件溫和，酶解和發酵過程無需加水稀釋和添加其它營養成分，省去高溫滅菌步驟，可大幅縮短乙醇發酵時間，較好的節約了水資源和能源。4.實現餐廚廢棄物的無害化、減量化、能源化高效利用，維護了公共衛生安全并可以緩解能源壓力。
圖1餐廚垃圾多酶復配、分步水解生產燃料乙醇流程圖。圖2餐廚垃圾空白樣液相色譜圖。圖3餐廚垃圾經液化酶、糖化酶與果膠酶復配、分步水解后的液相色譜圖。圖4餐廚垃圾乙醇發酵后的液相色譜圖
具體實施例方式以下結合實例進一步解釋本發明。實施例1將收集的餐廚垃圾人工分揀出金屬、塑料、玻璃等非生物質類組分，剩余的生物質類組分經浙水浙油后進行械粉碎，使其粒徑< 8mm。取IOOOg粉碎后物料于6L發酵罐中，加入IOOml經自來水稀釋(100倍)的液化酶(Liquozyme SC，酶活7199IU，Novozymes)混合均勻，于85°C下液化30min，冷至45°C，用硫酸或氫氧化鈉調節物料pH為4. 8-4. 9，然后加入稀釋的糖化酶(AMG，酶活420AGU/ml，Novozymes) 40ml，糖化反應4h，得到糖化液中葡萄糖濃度為90g/l，總還原糖濃度140g/l。實施例2收集的餐廚垃圾人工分揀出金屬、塑料、玻璃等非生物質類組分，剩余的生物質類組分經浙水浙油后進行械粉碎，使其粒徑彡8mm,取IOOOg于6L發酵罐中，加入IOOml經自來水稀釋的液化酶(Liquozyme SC,酶活7199IU，Novozymes)，混合均勻，于85°C下液化 30min,冷至45°C，用適量lmol/1硫酸或氫氧化鈉調節物料pH為4. 8-4. 9，加入稀釋的果膠酶(Multifect Pectinase，酶活 597. 4U/ml，Novozymes) 10ml，酶解 4h，得到糖化液中葡萄糖濃度為25g/l，總還原糖濃度80g/l。實施例3收集的餐廚垃圾人工分揀出金屬、塑料、玻璃等非生物質類組分，剩余的生物質類組分經浙水浙油后進行械粉碎，使其粒徑< 8mm，取IOOOg于6L發酵罐中，加入100ml稀釋的液化酶，混合均勻，于85°C下液化30min，冷至45°C，用適量lmol/1硫酸或氫氧化鈉調節物料PH為4. 8-4. 9，加入稀釋的糖化酶(AMG，酶活420AGU/ml，Novozymes) 40ml和稀釋的果膠酶(Multifect Pectinase，酶活 597. 4U/ml，Novozymes) 10ml，反應 4h，得到糖化液中葡萄糖濃度為105g/l，將糖化后漿料轉移至密閉發酵罐中，硫酸調pH至4. 8-5. 0，直接接種釀酒干酵母3g/l，于30°C發酵20h，得到發酵液中乙醇濃度為48g/l。實施例中所用液體酶制劑均購于諾維信(中國)生物技術有限公司，經自來水稀釋100倍之后直接加入物料。通過液化酶、糖化酶及果膠酶的組合作用，可以使餐廚廢棄物中的大分子碳水化合物充分水解為可發酵性單糖，并被酵母快速轉化為乙醇。結果表明，本發明所使用方法可使發酵液粘度明顯減小，發酵時間縮短1/3以上。
權利要求
1.一種利用多酶輔配、分步水解餐廚廢棄物制備燃料乙醇的方法，其特征在于包括如下連續步驟(1)將收集的餐廚垃圾人工分揀出金屬、塑料、玻璃等非生物質類組分，剩余的生物質類組分經浙水浙油后進行機械粉碎，使粒徑< 8mm ；(2)粉碎后的餐廚垃圾直接加入液化酶進行液化，溫度保持在80-100°C，液化時間 30min，加酶量為 0. 05%-0. 2% (ν/ν)；(3)用適量硫酸或氫氧化鈉調節液化物料ρΗ為4.5-5. 0，在45-50 °C下同時加入糖化酶與果膠酶進行酶解，時間為2-4h，加酶量為糖化酶0.02% -0. (v/v)，果膠酶 0. 005% -0. 02% (ν/ν)；(4)酶解后用硫酸或氫氧化鈉調節物料ρΗ為5-6，在30°C下直接接種釀酒干酵母進行厭氧發酵，接種量為0.3% (ν/ν)，發酵時間為15-24h。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的原料為餐廚垃圾，經篩分、油水分離后進行機械粉碎。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所用酶為液化酶、糖化酶和果膠酶。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于液化酶加酶量為0.05%-0.2%(ν/ν) 0
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于糖化酶與果膠酶酶解溫度為45-50°C。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于加酶量為糖化酶0.02%-0.1%(v/v)，果膠酶 0. 005% -0. 02% (ν/ν)。
全文摘要
本發明公開了一種利用多酶復配、分步水解餐廚廢棄物制備燃料乙醇的方法，第一階段利用液化酶在80-100℃液化20min；第二階段在45-50℃下加入糖化酶、果膠酶共同作用2-4h，使餐廚廢棄物中碳水化合物大分子充分水解為可發酵性單糖；第三階段將酶解產物在30℃下直接接種釀酒干酵母，進行乙醇發酵15-20h。本發明通過多種酶復配、分段控溫使各種酶及酵母發揮最優活力，充分利用底物的營養物質；無需加水稀釋和高溫滅菌，同時大幅縮短乙醇發酵時間，較好的節約了水資源和能源。
文檔編號C12P7/10GK102492730SQ20111043502
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者劉朝輝, 盧丹, 張景輝, 曹銘, 楊偉, 王堯, 王文茜, 蘇榮欣, 邵兆俊, 齊崴 申請人:天津大學, 天津生態城水務有限公司, 天津生態城環保有限公司