專利名稱：用食品垃圾制備糖的方法和垃圾的減量方法
技術領域：
本發明涉及食品垃圾再利用的方法，特別涉及用食品垃圾制備糖的方法。
同時本發明還涉及食品垃圾的減量方法，特別涉及能消除對環境影響或抑制對環境影響的食品垃圾的減量方法。而且本發明還涉及在通過用該方法對食品垃圾進行減量的同時，用食品垃圾制備糖的方法。
曾經對把食品垃圾或者廚房垃圾作為肥料或飼料等的資源化問題進行過嘗試性研究，但是該肥料或飼料的單價低，存在有再利用經濟效率低的問題。而且還存在一個問題，即這些肥料或飼料等在大量需求方面、特別在城市中的需求是沒有前途的。
另一方面，作為估計需求量較大的再利用方法，本發明者提出了使食品垃圾或廚房垃圾發酵，制備精制乳酸作為工業原料的方法(特愿第2000-240963號)。用這種方法得到的乳酸單價高，但是需要較長的工藝流程、較多的設備和/或操作人員，所以有可能降低綜合情況下的再利用經濟效率。
本發明的目的在于提供一種再利用食品垃圾或廚房垃圾作為資源的、用食品垃圾制備糖的方法。
本發明的目的還在于提供一種再利用方法，其特征是再利用所得到的糖的需求量大，而且單價高、再利用的經濟效率好。
本發明的另一個目的在于提供一種通過簡單設備即可實現的、用食品垃圾制備糖的方法，此外，作為本發明的另一個目的在于，處理中不需要通氣，因此是在密閉體系中進行處理，可以解決食品垃圾處理過程中的臭氣問題。
于是本發明者進行了銳意研究，結果發現了以下事實。即，食品垃圾或廚房垃圾的組成中，含有較多的糖類，以及蛋白質、氨基酸、有機酸、脂類和維生素類的有機物或礦物質等無機物。這些物質大體可以分為三類，即1)脂溶性成分(脂類等)；2)中性成分(糖類)；以及3)離子性成分(蛋白質、氨基酸、有機酸、無機鹽類等)。其中可以考慮把糖類作為各種工業原料而應用。例如，使糖類發酵得到乳酸，再進一步用所得乳酸制成聚乳酸等用途。另外，與蛋白質等相比較，從食品垃圾或廚房垃圾中分離提取糖類相對要容易一些。所以發現通過用食品垃圾或廚房垃圾得到糖類，可以解決上述課題。
另外，作為本發明的另一方面，本發明者還發現了以下事實。也就是，在進行以往所用的焚燒食品垃圾方法之前，考慮使用除去水分的方法。這種方法可以減少應處理的垃圾量，并可以有效除去使焚燒爐內溫度降低、并誘發產生二噁英原因的水分。但是，除去水分過程中，如果采用壓榨等方法時，由于粘稠狀的糊狀物質的原因，有時會妨礙其分離過程。另外，也了解到在用上述食品垃圾制備糖的方法中，具有固液分離工序。在進行固液分離的過程中，有時存在有粘稠的糊狀物質，會妨礙固液分離工序。并且還發現這些粘稠的糊狀物質是食品垃圾或廚房垃圾中所含的淀粉類，例如米飯、面類、糕點等。
于是，作為本發明另一方面的目的在于提供一種促進固液分離工序的垃圾減量方法。
具體講就是本發明另一方面的目的在于提供一種垃圾的減量方法，其特征是在垃圾處理的初期階段，除去難以進行固液分離的淀粉。
而且本發明另一方面，在上述目的的基礎上，還以提供一種用食品垃圾制備糖的方法，其特征是促進固液分離工序，進而提高再利用效率。
本發明者為解決有關另一方面的上述課題，進行了銳意研究，結果發現了以下事實。也就是在處理食品垃圾或廚房垃圾的初期階段，使該垃圾中所含的淀粉類糖化、并且液化。該液化組分中，含有來自淀粉類的糖。而且，對液化的物質(即來自淀粉的液體)能比較容易地進行固液分離。因此，可以使用來自淀粉類的含糖液體作為再利用的方法。
因此，本發明者的發明如下。
<1>一種用食品垃圾制備糖的方法，其特征是具有在食品垃圾中使酸和/或淀粉糖化酶作用的第1作用工序；和對所得液體進行固液分離得到第1含糖液體和第1殘渣的第1固液分離工序。
<2>根據上述<1>所述的方法，其中，優選具有在第1殘渣中，使酸和/或淀粉糖化酶作用的第2作用工序；和對所得液體進行固液分離得到第2含糖液體的第2固液分離工序。
<3>根據上述<1>或<2>所述的方法，其中，還優選具有糖純化工序，該工序是在第1固液分離工序之后，或者在第2固液分離工序之后，從第1、或第1和第2含糖液體中提純得到第3含糖液體的糖純化工序。
<4>根據上述<3>所述的方法，其中，優選通過使用離子交換體的方法進行糖純化工序。
<5>根據上述<3>所述的方法，其中，優選通過離子排除法進行糖純化工序。
<6>根據上述<1>～<5>中任意一項所述的方法，其中，優選具有在作用工序之前，在食品垃圾中添加適量水分的加水工序。
<7>根據上述<1>～<6>中任意一項所述的方法，其中，優選具有在加水工序之前對食品垃圾進行壓榨得到第2水分和第2殘渣的工序，在作用工序中，水分為第2水分，并且在第2水分、第1和/或第2殘渣、和/或其它食品垃圾中使酸或淀粉糖化酶作用。
<8>根據上述<1>～<7>中任意一項所述的方法，其中，優選具有防腐處理工序，該防腐處理工序是在作用工序之前，當存在有加水工序時，則在加水工序之后，對食品垃圾中所含糖類進行防止腐爛變質處理的工序。
<9>根據上述<1>～<8>中任意一項所述的方法，其中，優選酸為選自硫酸、鹽酸和硝酸的至少一種酸，所述淀粉糖化酶是選自葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶的至少一種淀粉糖化酶。
<10>根據上述<1>～<9>中任意一項所述的方法，其中，優選具有在固液分離工序之后、糖純化工序之前對含糖液體進行濃縮的工序。
<11>根據上述<1>～<10>中任意一項所述的方法，其中，優選具有第1干燥工序和第2干燥工序。第1干燥工序是在糖純化工序之后，對第3含糖液體進行干燥的工序；第2干燥工序是對由糖純化工序所得的、除第3含糖液體以外的第4液體進行干燥得到第3殘渣的干燥工序。
<12>根據上述<1>～<11>中任意一項所述的方法，其中，優選具有對第1、第2和第3殘渣以及其它殘渣進行焚燒的工序。
<13>根據上述<12>中所述的方法，其中，優選將焚燒工序所得的焚燒熱應用于第1或第2作用工序、濃縮工序、和/或第1和/或第2干燥工序之中。
<14>一種食品垃圾的減量方法，其特征是具有對食品垃圾中的淀粉類進行糖化而得到含糖液體的工序、以及從所述食品垃圾中分離出該含糖液體的工序。
<15>根據上述<14>中所述的方法，其中，優選對由分離工序得到的殘渣進行榨汁，并將所得汁液作為糖化工序中的溶劑使用。
<16>根據上述<14>或<15>中所述的糖化工序，其中，優選使用酸和/或淀粉糖化酶進行糖化反應。
<17>根據上述<16>中所述的方法，其中，優選酸為選自硫酸、鹽酸和硝酸的至少一種酸，所述淀粉糖化酶為選自葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶的至少一種淀粉糖化酶。
<18>根據上述<14>～<17>中任意一項所述的方法，其中，優選具有加水工序，該工序是在糖化工序前或在糖化工序中，添加水分的工序。
<19>根據上述<14>～<18>中任意一項所述的方法，其中，優選具有對含糖液體進行處理的糖處理工序。
<20>根據上述<19>所述的方法，其中，優選糖處理工序為選自蒸發濃縮法、減壓蒸發濃縮法、冷凍濃縮法、冰凍及融化法、膜濃縮法、晶析、離子交換分離、離子排除分離、使用移動層或模擬移動層的方法以及色譜分離法的至少一種方法。
<21>一種食品垃圾的減量方法，其特征是具有任選設置的對收集的食品垃圾進行防腐處理的防腐工序、收集后或收集后馬上對食品垃圾中的淀粉類進行糖化得到含糖液體的工序、以及從食品垃圾中分離出該含糖液體的分離工序。
<22>根據上述<21>所述的方法，其中，優選具有上述<15>～<20>中所述的特征。
<23>一種食品垃圾的減量方法，其特征是不具有改變收集的食品垃圾物理狀態的預處理、而直接對食品垃圾中的淀粉類進行糖化得到含糖液體的工序，以及從食品垃圾中分離出該含糖液體的工序。
<24>根據上述<23>所述的方法，其中，優選具有上述<15>～<20>中所述的特征。
<25>一種食品垃圾的減量方法，其特征是具有僅僅由下列工序組成的第一階段收集食品垃圾的收集工序、在收集工序后任選設置的對食品垃圾進行防腐處理的防腐工序、以及對食品垃圾中的淀粉進行糖化得到含糖液體的糖化工序；和具有從食品垃圾中分離該含糖液體工序的第2階段。
<26>根據上述<25>所述的方法，其中，優選具有上述<15>～<20>所述的特征。
圖2是對本發明一實施例進行模式性說明的工藝流程圖。
本發明方法是由下列工序組成的使酸和/或淀粉糖化酶在食品垃圾中產生作用的第1作用工序；和對所得液體進行固液分離得到含糖液體的第1固液分離工序。通過這兩道工序可以得到含各種糖類的液體。本發明還具有從該含糖液體中提純糖的糖純化工序。通過該工序可以提純含糖液體中所含的糖類，得到純度更高的含糖液體。
本說明書中所說的“食品垃圾”或“廚房垃圾”通常是指一般家庭、餐館等處產生的含有廢棄食物的垃圾。食物中含有由加熱等方法產生的加熱前后的物質、也含有所謂的剩飯。同時也可以混入紙、塑料、木片等作為可燃性垃圾的一般廢棄物。
以下按工藝流程順序對本發明進行說明。
首先，本發明方法是使酸或淀粉糖化酶在食品垃圾中產生作用。通過該工序使食品垃圾中所含的淀粉和纖維素等高分子糖類進行水解，使其轉化為單糖類、雙糖類和低聚糖類。
在該作用工序之前，最好進行防腐處理工序和/或加水工序，優選設置該兩種預處理工序。
防腐處理工序是為抑制食品垃圾中本來所含的糖類因腐爛變質而引起消耗而實施的必要處理工序。如果設置加水工序，防腐處理工序最好在加水工序之后進行。作為防腐處理，可以采用提高食品垃圾的溫度、例如將食品垃圾溫度維持在80～120℃的方法，將食品垃圾的pH設定在不適合于微生物生長和發育的范圍、例如設定在pH3以下或pH11以上的方法，添加離子性防腐劑的方法等等。如果使用離子性防腐劑時，該離子性防腐劑最好不要對防腐工序后的作用工序等各種處理工序產生不良影響。此外，如果采用維持適當溫度、pH等使食品垃圾環境變化的防腐處理工序時，優選在該工序設定的環境條件，在后續工序，例如在加水工序、作用工序等工序中，要重新變更設定，以達到適宜的環境條件。
加水工序是向食品垃圾中加入水分的工序，從調整作用工序的水解反應環境考慮，優選設置加水工序。當進行防腐處理工序時，加水工序最好在防腐處理工序之前、并設置在作用工序之前。作為水分的供給源，可以使用來自食品垃圾的水分，以及從外部添加自來水或蒸餾水等水分。作為來自食品垃圾的水分，有裝滿所收集食品垃圾袋子內的所謂滲出水分、以及對食品垃圾進行壓榨得到的水分等等。其中優選使用滲出水分、壓榨得到的水分等來自食品垃圾的水分。由于添加過剩的水分，會導致在本發明方法的后續干燥過程中需要使用過多的能量，所以優選使用來自食品垃圾的水分。另外，對食品垃圾進行壓榨的工序可以在收集食品垃圾途中的垃圾收集車內進行，也可以在收集垃圾之后進行。
作為使用來自食品垃圾水分的方法，例如有預先將蔬菜垃圾和水果垃圾與其它食品垃圾分離，然后對該蔬菜垃圾和水果垃圾進行壓榨得到水分的方法。由于這些蔬菜垃圾和水果垃圾中含有大量的水分和糖分(例如，蔬菜和水果中的90％以上是水分)，所以優選利用該水分并且有效回收糖分的方法。此外關于滲出水分，如果把它作為排水而廢棄時，會成為使BOD上升的原因；和/或者是把該水分加入到焚燒爐中時，會導致焚燒爐內溫度降低，與此同時還能促進產生二噁英，所以如上所述，優選采用滲出水分。
在對食品垃圾進行壓榨處理時，可以得到水分和殘渣。該水分可以按照上述方法進行使用。另一方面，殘渣可以在后面進行的作用工序中與其它的食品垃圾共同處理或者進行焚燒處理。
以下再次說明關于作用工序的情況。
在作用工序中所使用的酸可以列舉硫酸、鹽酸和硝酸。這些酸中，可以使用一種，也可以將兩種以上混合使用。
作為淀粉糖化酶，可以列舉葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶。其中，可以使用一種，也可以將兩種以上混合使用。
在作用工序中，酸或淀粉糖化酶，可以在1個作用階段中使用，也可以在多個作用階段中使用。在1個階段中使用時，最好只采用酸或淀粉糖化酶中的任意一種；在多個階段中使用時，可以在第1階段只使用酸，在第2階段只使用淀粉糖化酶。還可以進一步在第n階段(n為自然數)和第(n+1)階段中使用同種或不同種的酸或淀粉糖化酶。例如，在多階段使用同種淀粉糖化酶時，可以提高所得某種糖類的收率。另外，使用不同種類的淀粉糖化酶時，可以分別有效獲得不同種類糖類的回收效率。也就是，分多段進行本發明作用工序時，可以配合使用酸和淀粉糖化酶的各階段組合，通過這種方法，能有效回收一種或兩種以上的糖類。
接著對由作用工序經水解得到的、并含有溶解于水的糖類的含糖液體和其它固體成分進行固液分離，得到含糖液體。
固液分離工序可以采用已知的固液分離方法。例如有壓榨過濾、膜分離、壓濾機分離、離心沉降法等等。可以在某一個階段以及多個階段進行這些固液分離方法。在一個階段進行、或者在多個階段中的某一階段進行固液分離時，優選使用可以除去食品垃圾中所含脂溶性成分的固液分離方法。即如上所述，食品垃圾中含有1)脂溶性成分(脂類等等)；2)中性成分(糖類等等)；和3)離子性成分(蛋白質、氨基酸、有機酸和無機鹽類等等)。可以除去食品垃圾中所含脂溶性成分的固液分離方法，例如可以通過使用離心沉降法使脂溶性成分和固態物質一起與液態物質分離。
接著進一步對通過固液分離所得到的含糖液體進行提純。在糖純化工序之前、在固液分離工序之后最好還具有對含糖液體進行濃縮的工序。如果把該糖純化工序前的作用工序和固液分離工序編為一個單元組，那么也可以進行多次此類單元組的工序。也就是，在第1作用工序之后，經過第1固液分離工序得到第1含糖液體和第1殘渣。在第1殘渣中再次使酸或淀粉糖化酶作用(第2作用工序)，然后，進行第2固液分離得到第2含糖液體和第2殘渣。把所得第1和第2含糖液體集中起來并把該液體輸送到下面的糖純化工序。這里，如果把作用工序和和固體分離工序作為作為一個單元組時，說明了反復進行兩次此單元組工藝流程操作的情況；也可以反復進行m次(m為大于2的整數)該單元組的工藝流程操作。優選把所得到的各工序組的含糖液體集中起來進行下一步的糖純化工序。另外，最終殘渣，可根據需要經干燥后進行焚燒。而且經該焚燒工序所得到的熱能可用于本發明方法的各工序當中。
糖純化工序是從含有上述1)脂溶性成分；2)中性成分(糖類成分)；和3)離子性成分的液體，即含糖液體中有選擇性地只提純出糖類的工序。
在糖純化工序中，首先設置從含糖液體中除去1)脂溶性成分的工序。該工序除可以采用上述離心沉降法以外，還可以采用通過利用親水性與疏水性等的溶解度差的分離方法(液液萃取法)等方法。在固液分離工序中采用離心沉降法時，由于含糖液體中不含有1)脂溶性成分，故可省去除去1)脂溶性成分的工序。
關于不含1)脂溶性成分的含糖液，可以直接從該含糖液中只選擇地提取出2)糖類中性成分，或者是除去3)蛋白質、氨基酸、有機酸和無機鹽類等的離子性成分的方法。作為具體方法，可以列舉利用電性能不同的方法，例如可以利用離子交換體的方法、離子排除法、電透析法、電泳分離法等等。本說明書中的所謂“離子排除法”是一種采用唐南平衡原理的分離法、是指對離子性成分和非離子性成分的進行分離的方法。
另外，所謂的“唐南平衡”是指在含有如同蛋白質等的多價離子體的溶液和鹽溶液等的離子性溶液之間夾入半透膜配置時，即使當蛋白質的分子數較少時，由于含有蛋白質溶液一側的離子價高，所以鹽成分可以通過半透膜，實質上并不會向含有蛋白質的溶液側移動，其結果是在含有蛋白質的溶液相和不含蛋白質的溶液相之間形成按鹽成分濃度分布的平衡狀態。
在這種狀態下，象糖這樣的非離子性成分能毫無問題地透過半透膜，達到兩相的濃度大致相等。即由于實質上排除了離子性成分，所以在本說明書中將其定義為“離子排除法”。這里說明了使用半透膜的情況，也可以用離子交換樹脂或離子交換膜等離子交換體替代半透膜。
在這些方法當中，優選使用離子交換體的方法，特別是如橋木(Hashimoto)等，Nomenclature 25(1992)，453中提出的采用移動層或模擬移動層的離交換體的方法，即使用離子交換體的離子排除法。這種使用移動層或模擬移動層的離子排除法，首先使所用的離子交換樹脂或膜等離子交換體預先吸附無機鹽類和有機鹽類。然后在其中加入用上述方法得到的含糖液體。含糖液體中的中性成分糖類可以進入到離子交換體的微孔內。另一方面，在離子交換體內，3)的離子性成分被無機鹽和有機鹽等吸附，故不會進入到離子交換體的微孔內。因此通過移動離子交換體，或者是移動加入的液體，或者是相對地(模擬地)建立離子交換體的移動或液體的移動，即可把中性成分的糖類和糖以外的離子成分分離。
特別優選采用模擬移動層的離子排除法，因為它具有以下等優點 a)不需使用水以外的特殊藥品；b)因此不需要對特殊藥品進行后處理；和c)不需要供給電等特別能量。另外在本發明中，還具有優點d)可以回避采用模擬移動層離子排除法的難點，所以此種方法是很理想的。也就是使用模擬移動層的離子交換法中，為了防止離子性成分進入到離子交換體內，必需經常使離子交換體吸附離子。在本發明的液體內，存在有鈉、鉀、鈣和鎂等各種陽離子和該陽離子的反離子，故可避免上述難點。
以下說明用于使用模擬移動層的離子排除法的裝置。
圖1是用于使用模擬移動層離子排除法裝置的略圖。模擬移動層通常是將多根填充有離子交換樹脂的單根柱按照圖1中的(分離)柱A～L的順序分開排列。操作時定期地一根一根地將洗提液等的入口和/或出口向液體流動方向打開，通過這種方法，在實際上不移動離子交換樹脂的條件下，與移動層一樣，可以使該樹脂與液體產生向流接觸。模擬移動層中，在應該分離的2種成分之中，使移動速度慢的成分與樹脂一起移動，移動速度快的成分與液體一起移動。具體作法是確定轉換液體供給口與液體流出口的時間周期和圖1中I段～IV段各段的流速。這些操作條件在文獻(Preparative and Production ScaleChromatography，G.Ganetsos和P.E.Barker編、Dekker出版社、1993年，第3章B第13節，Operation and Design of Stimulated Moving BedAdsorbers)中均有說明。另外，必需預先求出伴隨分離的各種參數，例如在本發明中，糖(特別是低分子糖)的分配系數、離子性成分的分配系數，以及各種綜合物質移動容量系數。這些參數可以利用實際使用的離子交換樹脂，通過間歇色譜實驗求出。
以下說明圖1所示的裝置。裝置101具有12根柱A～L、泵103、壓力傳感器105、及連接柱、泵和壓力傳感器的不銹鋼管107、設置在各柱上下的電磁閥1～4。
各電磁閥1是洗提液即水的入口，通過定流量泵(圖中沒有示出)與水容器(圖中沒有示出)相連。
各電磁閥2是含糖液體的入口，與電磁閥1一樣也是通過定流量泵(圖中沒有示出)與含糖液體的容器(圖中沒有示出)相連。
各電磁閥3是離子性成分的出口，各電磁閥4是糖成分的出口，在這些電磁閥3和4上也連接有定流量泵(圖中沒有示出)。
以下說明圖1中箭頭“X”所示的階段。打開柱L的電磁閥1，使水流入柱L；打開柱F的電磁閥2，使含糖液體流入柱F。另外，打開柱D的電磁閥3，從柱D回收離子性成分；打開柱J的電磁閥4，從柱J回收糖成分。經過一定時間后，關閉已打開的電磁閥，打開設置在與液體流動方向相鄰處柱的電磁閥。也就是打開圖1中箭頭“Y”所示的電磁閥。具體講就是打開柱K的電磁閥1，使水流入柱K；打開柱E的電磁閥2，使含糖液體流入到柱E中。另外打開柱C的電磁閥3，從柱C回收離子性成分；打開柱I的電磁閥4，從柱I回收糖成分。
通過這樣的操作，雖然實際上沒有移動樹脂，但在與一個柱分流相反的方向上形成了相對移動。這就是模擬移動層的原理。在該過程中，I段是指水的入口和離子性成分回收口之間的部分，其主要作用是回收離子性成分。II段是指離子性成分出口和糖液入口之間的部分，其主要作用是從離子性成分中分離糖成分。III段是指糖液入口和糖成分出口之間的部分，其主要作用是分離糖和離子性成分。IV段是指糖成分出口和水的入口之間的部分，其主要作用是回收糖成分。以不同流速對該四段進行操作，確定液體供給口和流出口的轉換(由“X”段轉換為“Y”段)周期時間及該四段的液體流速即是圖1所示裝置的操作條件。
如上所述，經過利用如上所述裝置的糖純化工序，可以得到含糖液體。作為液體中所含的糖類，有單糖類、二糖類、三糖類和低聚糖類，例如有葡萄糖、果糖、甘露糖、蔗糖、麥芽糖、半乳糖、乳糖、核糖、脫氧核糖、木糖、三麥芽糖、海藻糖、庚酮糖和阿拉伯糖等等。
另一方面，含除糖以外其它成分的液體，例如有含蛋白質、氨基酸、有機酸和無機鹽等的液體，可以經過利用甲烷發酵等的各種處理以及所需要的濃縮和干燥工序后，作為各種工業制品的原料使用，或者也可以經過所需要的濃縮和干燥處理后進行焚燒處理。
用本發明方法得到的含糖液體，即可以進一步進行提純，也可以為貯存和/或運輸而進行濃縮或干燥處理。含糖液體的純化、濃縮或干燥，如上所述優選使用通過焚燒殘渣而得到的熱能。
這樣用本發明方法得到的最終含糖生成物可以作為各種工業制品的原料使用。例如，可以使糖類發酵得到乳酸，再用該乳酸制備聚乳酸。
以下說明本發明另一方面的垃圾減量方法。
本發明方法具有使食品垃圾中的淀粉類糖化得到含糖液體的工序(糖化工序)以及把該含糖液體從食品垃圾中分離出來的工序(分離工序)。并且，“食品垃圾”或“廚房垃圾”的定義與前述內容相同。
在本發明另一方面的方法中，糖化工序是在不對所收集的垃圾(包括食品垃圾)進行特別預處理的條件下進行的。也就是本發明方法在進行糖化工序之前，不經對垃圾(例如食品垃圾)進行壓榨除去所含水分的預處理工序，而直接進行糖化。這里所說的“預處理”是指改變垃圾物理狀態的處理。例如“預處理”中，包括對食品垃圾進行壓榨并粉碎、混煉等使粒子微細化的處理等改變其物理狀態的處理。另一方面，為抑制食品垃圾發生化學變化或微生物變化而進行的防腐處理不包括在“預處理”之內。也就是通過添加水蒸汽和加熱對食品垃圾進行的處理是為了抑制食品垃圾產生化學變化的處理，不包括在這里所說的“預處理”之內。因此，可以在糖化工序之前，設計添加水蒸汽或加熱以防止食品垃圾腐爛變質的防腐工序。
防腐工序中可以采用提高食品垃圾的溫度，例如將其溫度維持在80～120℃的方法、將食品垃圾的pH設定在不適合于微生物生長發育的范圍，如將其設定在低于pH3或高于pH11的方法、添加離子性防腐劑的方法等等。當使用離子性防腐劑時，優選使用對后續糖化工序等各種處理工序無不良影響的離子性防腐劑。
糖化工序，可以在進行糖化工序之前或在糖化工序的過程中添加水分。這是為了調整糖化反應即調節水解反應的環境。該水分可以使用對分離工序所得殘渣進一步進行榨汁得到的液體。當被收集的垃圾中有滲出液時，可以把該滲出液作為水分使用。也就是在糖化工序中，可以不通過其它途徑從外部添加水分，而只使用來自滲出液的水分。也可以在糖化工序前或者糖化工序中，添加自來水或蒸餾水等來自外部的水分、或者是榨汁所得的液體、或者是同時使用二者。
糖化工序中，可以使用酸和/或淀粉糖化酶進行糖化反應。通過該工序，對食品垃圾中所含的淀粉類及纖維素類等高分子糖類進行水解，可以使其轉化為單糖類、二糖類、低聚糖類。
作為酸，例如有硫酸、鹽酸和硝酸。這些酸中，可以使用一種，也可以混合使用兩種以上的酸。
作為淀粉糖化酶可以列舉葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶。這些酶中，可以使用一種，也可以將兩種以上混合使用。當使用酸和/或淀粉糖化酶時，優選把反應溫度和反應時間控制在所用物質的最佳條件。
糖化工序中，可以在1個作用階段使用酸或淀粉糖化酶，也可以在數個作用階段使用酸和/或淀粉糖化酶。如果采用在一個作用階段使用時，優選只使用酸或淀粉糖化酶中的任意一種；如果采用在數個作用階段使用時，可以在第1階段只使用酸，在第2階段只使用淀粉糖化酶。
使用淀粉糖化酶進行糖化反應時，在食品垃圾中，添加一種或兩種以上的酶使糖化反應在規定的時間，例如在6～48小時內連續反應。另外，當進行防腐工序并該防腐工序是用化學方法進行滅菌時，最好在添加酶之前，把條件設定到適合于酶反應的條件。
當用酸進行糖化反應，例如使用硫酸時，在食品垃圾中添加硫酸并使食品垃圾中硫酸的量以體積比計為1～3％，在密閉體系內在高于150℃的溫度條件下進行處理。這樣可以得到含糖液體。
本發明方法，在糖化工序后，進行分離工序。只要是對固體組分和液體組分進行分離的方法，可以采用已知的分離方法等所有方法進行分離工序。例如網濾法、壓力過濾器、加壓壓榨過濾、膜分離、離心分離和/或離心沉降法、旋轉滾筒等固液分離等等。可以在單一階段，也可以在多個階段采用這些分離方法。在該分離工序中，由于在糖化工序后的食品垃圾中幾乎沒有妨礙分離的淀粉，所以很容易進行固液分離。而且在糖化工序之前，也不進行粉碎和/或混煉等使垃圾粒子微細化的預處理，所以很容易進行含糖液體的分離。
通過分離工序，可以分離成為含糖液體和殘渣。還優選進一步把殘渣分離為廚房垃圾、一次性木筷的木材、紙杯等紙和金屬等廚房垃圾以外的成分。該分離工序可采用人工分離、篩網分離、篩選分離等分離方法。
可以對從殘渣中分離出來的廚房垃圾進行榨汁。由該榨汁工序得到的液體，如上所述，可用于糖化工序中。同時，榨汁所得的液體也有可能含糖，所以也可以作為含糖液體使用。對殘渣進行榨汁所得的最終殘渣可以進行焚燒處理，或者作為再進一步回收有用成分的原料使用。例如，食品垃圾中的鹽分主要在含糖溶液中，殘渣中沒有多少鹽分，所以可作為低鹽肥料、飼料的原料使用。在進行焚燒處理時，由于最終殘渣的水分很少，所以使焚燒爐內溫度降低的可能性很低，也可以抑制產生二噁英。
通過分離工序得到的含糖液體被輸送到糖處理工序中。
糖處理工序包括有對上面得到的含糖液進行濃縮的工序和/或提純工序。在提純工序中，還包括對糖和糖以外成分進行分離的工序。另外，通過設置濃縮工序，當然可以達到對含糖液體進行減量的目的。還可以起到對該含糖液體進行防腐的效果。
例如，作為濃縮工序和/或純化工序，可以列舉蒸發濃縮法、減壓蒸發濃縮法、冷凍濃縮法、冰凍融化法、膜濃縮法、晶析法、離子交換分離法、離子排除分離法、采用移動層或模擬移動層的方法、色譜分離法等等。在這些方法當中，可以單獨使用其中的一種方法，也可以配合使用這些方法。采用移動層或模擬移動層的方法可以按照上面敘述的方法進行。
通過糖處理工序得到的液體，可以作為糖資源應用于各個方面。例如，可用作乳酸及乙酸等有機酸、乙醇和甲醇等醇類、抗生素、氨基酸、核酸、色素和丙酮等化學工業的原料。
本發明另一方面的方法，還可具有如下效果即1)由于在處理中無需通氣，所以可以用密閉體系設計進行本發明方法的裝置，能夠預防垃圾的臭氣問題。2)即使是焚燒最終殘渣，也可以抑制產生二噁英。3)與必需耐高溫的焚燒爐相比，進行本發明方法裝置的設備費用相當低。4)用本發明方法得到的含糖液體，可用作各種化工業的原料，例如作為制備聚乳酸、乙醇發酵等的原料使用。
作為試樣，實施例1和2同樣都使用以下所示的食品垃圾A。即使用從飯店(350間客房、大小4個餐廳、休息室、兩個咖啡廳)所回收的食品垃圾A 0.5噸；和一般家庭排出的可燃性垃圾B 1.5噸。飯店食品垃圾A的組成為來源于谷物的食品垃圾占20重量％，來源于蛋白質的食品垃圾占20重量％，來源于蔬菜的垃圾占40重量％和來源于水果的垃圾占20重量％，整體的含水率為83重量％(包括滯留在食品垃圾中的汁液成分)。
來自一般家庭的可燃性垃圾B為100袋、1.5噸，平均每袋為15Kg。其組成為紙類45重量％、廚房垃圾32重量％、塑料(包括垃圾袋本身)13重量％、其它可燃性物質10重量％，上述廚房垃圾中的含水率為80重量％。
該可燃性垃圾B，經確認其組成后再裝入袋中，并裝到裝載量為2噸的垃圾收集車(密閉車)中進行壓縮，得到從廚房垃圾中榨出的滲出液0.02噸。從密閉垃圾車中卸下垃圾后，測定垃圾重量時，為1.45噸。也就是垃圾車內還殘存有0.03噸的滲出液，在此種狀態下直接用于下面的實施例1和2。
在0.21噸榨汁中加入來自密閉垃圾車中的滲出液0.02噸。在該混合物中添加葡糖淀粉酶，使葡糖淀粉酶濃度達到300ppm，并均勻混合。然后把該均勻混合物與0.2噸第1食品垃圾混合，在50℃的溫度下進行24小時的糖化反應。糖化反應后，采用離心分離器以3，000rpm的轉速進行30分鐘的離心分離。取出上層澄清液后，用截留粒徑為3μm的濾紙對殘留在底部的懸浮物質進行加壓過濾。把上層澄清液和該濾液混合，得到0.26噸含糖液和0.17噸第2殘渣。
對所得到的含糖液進行濃縮，得到0.07噸濃縮液和0.19噸水分。該濃縮工序采用焚燒0.09噸第1殘渣、0.17噸第2殘渣和1.45噸可燃性垃圾B所得到的熱能。
相對于所得0.07噸濃縮液(糖濃度為45％)，使用共計為0.094噸水，通過圖1所示的模擬移動層型色譜分離裝置進行離子排除法，分離排除含糖液中所含的離子性成分。
其中，使用鈉型強酸性離子交換樹脂(交聯度4％)作為離子交換樹脂。各柱的直徑為4.5cmm，高度為50cm。不銹鋼管的內徑為2mm。還通過使用相同樹脂的間歇色譜實驗求出低分子糖的分配系數0.8、和離子性成分的分配系數0.4、綜合物質移動容量系數分別為0.8min-1和0.4min-1。
設其它各種條件如下，轉換周期10分鐘，I段的液體流速1.25cm/分鐘；II段的液體流速2.55cm/分鐘；III的液體流速1.4cm/分鐘；IV的液體流速2.7cm/分鐘。
結果得到0.082噸含糖類的液體和0.082噸含除糖以外其它成分的液體。這時，含糖液體的糖濃度為38％。通過采用模擬移動層的離子排除法，分離前的糖濃度為45％，分離后的糖濃度為38％，是84％的強稀釋。并且糖純度在98％以上，可確認為高純度。
這里，糖的回收量是0.082t×0.38＝0.031t。所用的食品垃圾為第1食品垃圾0.2噸、第2食品垃圾0.3噸和可燃性垃圾B的滲出液0.02噸，共計為0.52噸。平均每單位食品垃圾的糖回收率為6％。
另外，用于本實施例的食品垃圾的水分較多，如果用一般的焚燒處理法進行焚燒，則會有降低焚燒爐內溫度、產生二噁英的憂慮。但是在本實施例中，除去了一定程度的水分，所以消除了此種憂慮，并且有可能增加焚燒時的燃燒能。在本實施例的情況下，設塑料的發熱量為1萬kcal/kg；紙的發熱量為4300kcal/kg；其它可燃垃圾的發熱量為5000kcal/kg；廚房垃圾固體組分的發熱量為4000kcal/kg；水的發熱量為-560kcal/kg(水的蒸發潛熱)。
如果不經過本實施例，而單純進行焚燒，通過以下計算式則為5422Mcal。1500kg×
+500kg×{(1-0.8)×4000kcaI/kg-0.83×560kcal/kg}＝6422Mcal。
另一方面，如果按照本實施例，進行榨汁時，從家庭垃圾B中，除去0.05噸水分，從第1、第2食品垃圾中也除去了0.143噸(0.26t×(1-0.45)＝0.143t)水分(0.45為糖濃度)也就是193kg水分(0.143t+0.05t)的蒸發潛熱部分的焚燒能量，即108Mcal可有效用于其它目的。(實施例2)使用和實施例1相同的飯店垃圾A。但是，不對食品垃圾進行分類，而直接使用0.5噸把第1、第2食品垃圾混合的垃圾。
用破碎機把0.5噸食品垃圾粉碎成細小的碎末狀。在被粉碎的垃圾中，混合從25臺密閉垃圾車中回收的壓榨后的滲出液0.5噸(糖濃度為2％)和食品垃圾。在該混合物中添加葡糖淀粉酶，使葡糖淀粉酶的濃度達到300ppm并均勻混合。然后把混合物置于50℃的溫度條件下進行24小時糖化反應。糖化反應后，用壓濾機進行固液分離。固液分離后回收0.88噸含糖液體和0.12噸殘渣。回收液體中的糖濃度為6.6％。
對該液體進行減壓濃縮，得到0.11噸濃度為51％的濃縮液和0.77噸水分。在與實施例1相同的操作條件下，對濃縮糖液采用相同的模擬移動層型色譜分離裝置進行糖分離或純化。在此過程中，使用0.14噸水作為洗提液。
結果得到0.125噸含糖液體(糖濃度為42％)和0.125噸含除糖以外其它成分的液體。通過采用模擬移動層的離子排除法進行分離，分離前的糖濃度為51％、分離后的糖濃度為42％、為82％的強稀釋。而且糖的純度在98％以上，可確認為高純度。回收的糖為0.053噸，回收率為10.6％。
在本實施例中，為了促進食品垃圾的混合攪拌，使用了從密閉垃圾車中得到的滲出液。該滲出液通常是被焚燒處理的，焚燒過程中必需要有焚燒能A。在本實施例中，濃縮工序必需要有能量B。由于該能量B與焚燒能A幾乎是相等的，所以與過去的焚燒法相比，能量損失幾乎是相同的。但是在本實施例中，可以回收糖類。(實施例3)使用從北九州市的超市等處收集的食品垃圾C作為試樣。食品垃圾C的平均組成為蔬菜垃圾35重量％，魚肉垃圾15重量％，米飯、面包、面類垃圾40重量％，其它雜物10重量％。
對試樣進行如圖2所示的處理。以下對圖2進行詳細說明。圖2中標有“廚房垃圾 80噸/天”等，這是每天的處理量，以下所說的量均表示相對于該量的量。
在(202)中，對廚房垃圾試樣(201)進行糖化。糖化反應前添加水分。水分為對后所述固液分離工序(203)中依次得到的殘渣進行壓榨所得的榨汁液8。添加水分的量與廚房垃圾的比為廚房垃圾∶水＝8∶5。
在糖化反應(202)中，使用葡糖淀粉酶作為酶209。添加酶209，使酶(209)的量達到廚房垃圾與酶的重量比為8∶3×10-3。使該反應進行8小時。
糖化反應后，把具有含糖液的廚房垃圾輸送到固液分離工序(203)。使用不銹鋼篩很容易進行固液分離工序(203)。通過該固液分離工序，得到含糖液204和殘渣205。含糖液204的重量是所用廚房垃圾的3/4。殘渣205的重量與所用廚房垃圾的量幾乎相等。
用本發明者自制的壓榨機對固液分離工序(203)中得到的殘渣205進行壓榨。通過這種方法，得到最終殘渣207和榨汁液208。最終殘渣207的量是所用廚房垃圾的1/4。并且把最終殘渣置于最高溫度1000℃的條件下進行焚燒時，幾乎沒有觀察到產生二噁英。
對在固液分離工序(203)中所得到的含糖液體204的糖濃度進行研究的結果表明，其濃度平均為105g/L。
對在固液分離工序中所得到的含糖液204在常壓下進行加熱，使液量濃縮到1/5、即達到12噸，得到濃縮粗糖液211。濃縮粗糖液的211的糖濃度為495g/L。在該濃縮工序中，幾乎沒有觀察到糖變質。在液量達到1/5的另一方面，糖的濃度也被濃縮到5倍，由此也可以證實糖幾乎沒有變質。
接著，用模擬移動層型的色譜分離裝置對濃縮粗糖液211進行分離，也就是使濃縮粗糖液211進入到填充有強酸性離子交換脂(Na型)的模擬移動層型色譜分離裝置中，通過離子排除機理排除濃縮粗糖液中所含的離子性成分。關于模擬移動層的操作方法及其條件，均按照與實施例1相同的條件進行操作。相對于12噸濃縮粗糖液(糖濃度為49.5％)的所用水的總量為16噸。結果得到14噸含糖的精制糖液216和14噸含除糖以外其它成分的廢液215。這時，精制糖液216的濃度為42.4％。通過使用模擬移動層型色譜分離裝置，得到精制糖液216，其含糖濃度是分離前濃度的85％以上，并且，其糖純度在98％以上，可確認其為高純度。
產業上的實用性通過本發明，可以再利用食品垃圾，所得到的糖可用作各種工業制品的原料、作為糖資源應用于各個方面。例如，可用其作為乳酸和醋酸等有機酸、乙醇和甲醇等醇類、抗生素、氨基酸、核酸、色素和丙酮等的化學工業原料。
權利要求
1.一種用食品垃圾制備糖的方法，該方法具有在食品垃圾中，使酸和/或淀粉糖化酶產生作用的第1作用工序；以及把所得液體進行固液分離得到第1含糖液體和第1殘渣的第1固液分離工序。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，具有在所述第1殘渣中，使酸和/或淀粉糖化酶產生作用的第2作用工序；對所得液體進行固液分離得到第2含糖液體的第2固液分離工序。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，還具有在第1固液分離工序之后、或者在第2固液分離工序之后，從所述第1或所述第1和第2含糖液中提純得到第3含糖液體的糖純化工序。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述糖純化工序是通過使用離子交換體的方法進行的。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述糖純化工序是通過離子排除法進行的。
6.根據權利要求1～5中任意一項所述的方法，其中，具有在所述作用工序之前，在食品垃圾中添加適量水分的加水工序。
7.根據權利要求1～6中任意一項所述的方法，其中，具有在所述加水工序之前，對食品垃圾進行壓榨得到第2水分和第2殘渣的工序，在所述作用工序中，所述水分為第2水分，并且在所述第2水分、所述第1殘渣和/或所述第2殘渣、和/或其它食品垃圾中，使所述酸和/或淀粉糖化酶產生作用。
8.根據權利要求1～7中任意一項所述的方法，其中，具有在所述作用工序之前，當有加水工序時、在加水工序之后，進行防止所述食品垃圾中所含糖類腐爛變質處理的防腐處理工序。
9.根據權利要求1～8中任意一項所述的方法，其中，所述酸為選自硫酸、鹽酸和硝酸的至少一種酸，所述淀粉糖化酶是選自葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶的至少一種淀粉糖化酶。
10.根據權利要求3～9中任意一項所述的方法，其中，具有在所述固液分離工序之后、所述糖純化工序之前，對含糖液體進行濃縮的工序。
11.根據權利要求1～10中任意一項所述的方法，其中，還具有在所述糖純化工序之后、對第3含糖液體進行干燥的第1干燥工序，以及對通過糖純化工序得到的除第3含糖液以外的第4液體進行干燥得到第3殘渣的第2干燥工序。
12.根據權利要求1～11中任意一項所述的方法，其中，還具有對第1、第2和第3殘渣、以及其它殘渣進行焚燒的工序。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，把通過所述焚燒工序所得到的焚燒熱用于所述第1或第2作用工序、所述濃縮工序和/或所述第1和/或第2干燥工序之中。
14.一種食品垃圾的減量方法，其特征是具有使食品垃圾中的淀粉類糖化得到含糖液體的工序、和從所述食品垃圾中分離出該含糖液體的工序。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，把對通過所述分離工序所得到的殘渣進行榨汁得到的液體作為所述糖化工序中的溶劑使用。
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中，在所述糖化工序中，使用酸和/或淀粉糖化酶進行糖化反應。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述酸是選自硫酸、鹽酸和硝酸的至少一種酸，所述淀粉糖化酶是選自葡糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支鏈淀粉酶和纖維素酶的至少一種淀粉糖化酶。
18.根據權利要求14～17任意一項中所述的方法，其中，具有在糖化處理工序之前或在糖化處理工序之中，添加水分的加水工序。
19.根據權利要求14～18任意一項中所述的方法，其中，還具有對所述含糖液體進行處理的糖處理工序。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述糖處理工序使用選自蒸發濃縮法、減壓蒸發濃縮法、冷凍濃縮法、冰凍融化法、膜濃縮法、晶析、離子交換分離、離子排除分離、采用移動層或模擬移動層的方法以及色譜分離法的至少一種方法。
全文摘要
本發明提供一種通過用食品垃圾制備糖的方法再利用食品垃圾和廚房垃圾使其成為資源的方法，其特征是通過在食品垃圾中使酸和/或淀粉糖化酶作用的第1作用工序、對所得液體進行固液分離得到粗糖液和第1殘渣的第1固液分離工序，以及對該粗糖液進行糖分離的糖分離工序得到含糖的第1液體，為所得物質的需求量大并且單價高的方法，還是一種具有高再利用經濟效率的方法；本發明還提供一種垃圾的減量方法。
文檔編號B01D15/18GK1468315SQ01816854
公開日2004年1月14日 申請日期2001年10月9日 優先權日2000年10月12日
發明者白井義人 申請人:白井義人