CN101564680B - 中药渣固态发酵制备复合型生物吸附剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用中药渣通过同步糖化-固态发酵工艺生产复合型生物吸附剂的方法。本发明是这样实现的：(1)首先将中药渣进行预处理，具体步骤包括对中药渣进行干燥、粉碎、筛分和化学处理。(2)将经过预处理后的中药渣、麸皮和氮源按一定比例混合均匀并调整好pH值，经高压蒸汽灭菌处理后接种康宁木霉或白腐菌孢子悬浮液进行固态发酵制备纤维素酶曲。(3)将纤维素酶曲、经过预处理后的中药渣和麸皮按一定比例混合均匀并调整好pH值，然后接种产朊假丝酵母或热带假丝酵母孢子悬浮液进行同步糖化-固态发酵，所得发酵产物和原料残渣的混合物即为复合型生物吸附剂。
Description
技术领域
本发明属于工业废弃物资源化领域，涉及一种利用中药渣制备复合型生物吸附剂的固态发酵工艺。
背景技术
生物吸附剂是指具有选择性吸附分离能力的生物体及其衍生物，主要包括细菌、真菌、藻类和农林废弃物。它最早被用于水溶液体系中重金属等无机物的分离。随着技术的发展，近来也被用于染料、杀虫剂等生物难降解和有毒害有机物的分离与富集。由于具有来源丰富、成本低廉、选择性强、去除效率高等特点，生物吸附剂及其应用领域得到了开发和拓展。
由于生物吸附剂的种类繁多，其制备方法也不尽相同，目前公开的方法主要有直接使用农林废弃物或者将农林废弃物使用物理、化学手段进行改性后做为生物吸附材料使用。例如，专利号为ZL 200610017040.2的中国发明专利公开了“利用啤酒废酵母处理含镉工业废水的方法”，申请号为200810034284.0的中国发明专利公开了“改性植物纤维性廉价生物吸附剂的制备方法”，申请号为200610112467.0的中国发明专利公开了“一种生物吸附剂及其制备方法和用途”。
随着我国中医药事业的迅速发展，全国各大中药制药厂的中药渣废弃量日益增加，全国中药渣的年排放量达3000万t。中药渣一般为湿物料，易腐败，其味臭，在夏季尤为严重。目前对中药渣多采用堆放、填埋、焚烧等方式处理，其中以堆放为主要方式，堆放的药渣山经水冲淋，易对周边环境造成污染。如何合理地处置和利用中药渣是实现中药现代化进程中一个不可回避的重要问题。为了减少固体废弃物的排放，将中药渣资源化是一个不错的思路。因此，出现了一些中药渣利用的新技术，例如，申请号为200510104524.6的中国发明专利公开了“以中药渣为原料的食用菌培养基的生产方法”、申请号为200810070999.1的中国发明专利公开了“中药渣作为造纸制浆原料的用途”、申请号为200610021469.9的中国发明专利公开了“用中药渣生产蛋白饲料的方法”。
提取有效成分后的中药渣，一般含大量的粗纤维、粗脂肪、淀粉、粗多糖、粗蛋白、氨基酸、生物碱及微量元素等营养物质，可以作为微生物的廉价培养基使用。文献“用中药渣制备天然碱泥用生物絮凝剂的研究”(《内蒙古工业大学学报》，2004，23(4)：255-260)与“中药渣培养絮凝剂产生菌的研究”(《重庆工商大学学报》，2008，25(4)：423-426，431.)提出了以中药渣做为液态发酵培养基的部分替代品生产生物絮凝剂的的方法。文献“板蓝根药渣对低浓度含铅废水的吸附特性研究”(《离子交换与吸附》，2003，19(4)：351-356.)提出了将板蓝根药渣经化学方法改性后或直接用于金属离子的吸附处理。在中国发明专利“复合型生物絮凝剂二段式发酵方法”(专利号ZL 2004 1 0043 861.4)中提出了一种用纤维素类生物质材料为原材料，经物理和化学手段预处理后用二段式发酵工艺生产复合型生物絮凝剂的方法。
在上述的有关利用中药渣生产吸附剂和絮凝剂的论文和专利中，中药渣做为液态发酵培养基的廉价替代品，使用量很少，大约占整个液态培养基质量的1-5％，不能实现对中药渣的大规模消纳利用，而且液态发酵培养过程容易染菌，培养条件比较苛刻。因此，本发明以中药渣为廉价培养基，采用固态发酵技术制备复合型生物吸附剂，培养条件宽松，发酵产物和原料残渣可以完全利用，并且得到的产品中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素、霉菌、酵母菌等多种有效的生物吸附剂组分，是一种性能优良的复合型生物吸附剂，可以用于有机物、重金属离子等污染物质的分离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用中药渣生产复合型生物吸附剂的新方法。本发明所述用中药渣生产复合型生物吸附剂的方法，其工艺步骤依次如下：
1、中药渣的预处理
将湿药渣烘干后粉碎过筛，选择粒径0.1-2.0mm的中药渣进行化学处理。各种不同的处理方法具体工艺如下：
酸处理：粉碎后的中药渣加入浓度为1-10％的硫酸，按中药渣与硫酸溶液质量比1∶2-1∶8搅拌均匀，常压煮沸回流1.5-3.0小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
碱处理：粉碎后的中药渣加入浓度(质量比)为1-3.0％的氢氧化钠溶液，按中药渣与氢氧化钠溶液质量比1∶3-1∶7搅拌均匀，室温放置24小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
氨水处理：粉碎后的中药渣加入浓度(质量比)为10-25％的氨水，按中药渣与硫酸溶液质量比1；3-1∶7搅拌均匀，室温放置48小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
中药渣可以经过上述三种化学处理手段中的任何一种进行处理后用于后续工艺过程。
2、纤维素酶曲的制备
(1)配料与混料
将经过预处理的中药渣粉、麸皮、适量的氮源和水混合均匀。具体配料方式如下：
固态物料所含组分及各组分的质量份数为：预处理后的中药渣75-80份，麸皮15-25份，氮源1-3份。固态物料与水的质量比为：1∶1-1∶3。
配料时先将氮源加入到水中混合均匀，再将所配制的溶液与其它固态物料混合均匀，混合料的pH值控制在4.5～6.0。
(2)灭菌
将混合料采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌处理：蒸汽压力1atm，温度121℃，时间至少为30分钟。
(3)发酵
将灭菌处理后的混合料进行发酵，菌种按4％～10％接种量进行接种，发酵条件：压力为常压，温度为28℃～33℃，发酵周期为2天～3天，所得发酵产物即为纤维素酶曲，待用。
3、同步糖化-固态发酵制备复合型生物吸附剂
(1)配料与混料
将经过预处理和灭菌(灭菌操作同步骤2)后的中药渣粉、麸皮、纤维素酶曲、适量的氮源和水混合均匀。具体配料方式如下：
预处理和灭菌后的中药渣与纤维素酶曲的质量比为2∶1-1∶1；固液比为：1∶1-1∶3；培养基含氮量1.5-4.5％。
配料时先将氮源加入到水中混合均匀，再将所配制的溶液与其它固态物料混合均匀，混合料的pH值控制在4.5～6.0。
(2)同步糖化-固态发酵
将混合料进行同步接种发酵，菌种按8～16％的接种量进行接种，发酵条件：压力为常压，温度为28℃～33℃，发酵周期为3天～5天。
发酵后的混合物即为复合型的生物吸附剂。
所述方法中，配料时用的氮源为(NH4)2SO4或尿素。
所述方法中，步骤2中使用的菌种为康宁木霉3.2774(TriChodermakoningi3.2774i)和白腐菌5.776(Phanerochaete chrysosporium)中的一种，步骤3中使用的菌种为产朊假丝酵母2.281(Candida utilis2.281)和热带假丝酵母1.254(Candida tropicalis1.254)中的一种。
本发明具有以下有益效果：
1、采用本发明所述方法，可将废弃物中药渣转化为生物吸附剂，既减少了其对环境造成的污染，又能为生物吸附剂的制备提供廉价的培养基，解决了人畜争粮问题。
2、采用同步糖化-发酵法，促进了反应的动力学过程，消除了纤维素酶在合成中可能受到的降解物的阻遏作用，使酶可以不断生成，同时也解除了酶促反应终产物对酶的反馈抑制，使酶最大限度地对底物进行降解减少了酶的用量，因此纤维素酶解成本可大幅度降低；因葡萄糖生成与消失几乎同步，提高了发酵产率；发酵和糖化可在同一容器中进行，节省了设备投资，反应时间可缩短。
3、本发明采用固态发酵技术，微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上发酵，它接近许多微生物特别是真菌的自然状态。固态发酵具有发酵介质处理简单、发酵过程需控参数少，能耗低，对环境污染轻等优点。
4、发酵产物和残余的中药渣可以全部利用，没有新的废弃物产生。
5、复合型生物吸附剂含有多种有效的生物吸附剂组分，包括纤维素、半纤维素、木质素、酵母、霉菌及其胞外分泌物，对有机物、重金属离子具有很强的吸附性能。
6、通过制备纤维素酶曲来进行纤维素酶的接种，有利于本发明实现工业化生产。
具体实施方式
实施例1 本实施例以党参、麦冬、五味子中药渣为原料固态发酵制备复合型生物吸附剂。具体步骤如下：
1、中药渣的预处理
首先将党参、麦冬、五味子药渣在常压、60℃下进行烘干，时间以中药渣呈易粉碎状态为限。将干燥后的中药渣粉碎后过筛，选择粒径1.5-2.0mm的中药渣使用浓度(质量比)为15％氨水进行处理，具体操作如下：
将中药渣与氨水按质量比1∶7搅拌均匀，室温放置48小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
2、纤维素酶曲的制备
(1)配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶3，固态物料的组成为：预处理后的中药渣8g，麸皮2g，硫酸铵0.2g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
(2)灭菌
将混合料采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌处理：蒸汽压力1atm，温度121℃，时间为30分钟。
(3)发酵
使用白腐真菌孢子悬浮液(106-107个/ml)，按8％(ml/g)的接种量对灭菌处理后的混合料进行接种，然后在1atm、30℃条件下，105r/min摇床振荡培养72小时后可得纤维素酶曲。
3、同步糖化-固态发酵制备复合型生物吸附剂
(1)配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶2，固态物料的组成为：预处理后的中药渣5g，纤维素酶曲5g，硫酸铵0.2g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
(2)同步糖化-固态发酵
使用产朊假丝酵母孢子悬浮液(106-107个/ml)按12％(ml/g)的接种量对混合料进行接种，然后在常压、30℃条件下，105r/min摇床振荡培养72小时，进行同步糖化-固态发酵。发酵后的混合物即为复合型生物吸附剂产品。
实施例2 本实施例以菊花、思东中药渣为原料固态发酵制备复合型生物吸附剂。具体步骤如下：
1、中药渣的预处理
首先将中菊花、思东药渣在常压、60℃下进行烘干，时间以中药渣呈易粉碎状态为限。
将干燥后的中药渣粉碎后过筛，选择粒径1.0-1.5mm的中药渣用浓度为1.5％的NaOH溶液进行处理，具体操作如下：
按中药渣与氨水按质量比1∶7搅拌均匀，室温放置48小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
2、纤维素酶曲的制备
(1)配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶2，固态物料的组成为：预处理后的中药渣8g，麸皮2g，硫酸铵0.2g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
(2)灭菌
将混合料采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌处理：蒸汽压力1atm，温度121℃，时间为30分钟。
(3)发酵
使用康宁木霉孢子悬浮液(106-107个/ml)按8％(ml/g)接种量对灭菌处理后的混合料进行接种，然后在1atm、30℃条件下，105r/min摇床振荡培养72小时后可得纤维素酶曲。
3、同步糖化-固态发酵制备复合型生物吸附剂
(1)配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶2，固态物料的组成为：预处理后的中药渣5g，纤维素酶曲10g，硫酸铵0.3g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
(2)同步糖化-固态发酵
使用产朊假丝酵母孢子悬浮液(106-107个/ml)按12％(ml/g)的接种量对混合料进行接种，然后在常压，30℃，105r/min摇床振荡培养72小时，进行同步糖化-固态发酵。发酵后的混合物即为复合型生物吸附剂产品。
实施例3 本实施例以夏枯草中药渣为原料固态发酵制备复合型生物吸附剂。具体步骤如下：
1、中药渣的预处理
将夏枯草药渣在常压、60℃下进行烘干，时间以中药渣呈易粉碎状态为限。将干燥后的中药渣粉碎后过筛，选择粒径0.5-1.0mm的中药渣使用浓度为15％的氨水进行处理，具体操作如下：
按中药渣与氨水按质量比1∶7搅拌均匀，室温放置48小时，抽滤，水洗至滤液呈中性，然后将滤渣烘干备用。
2、纤维素酶曲的制备
(1)配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶2，固态物料的组成为：预处理后的中药渣8g，麸皮2g，硫酸铵0.2g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
(2)灭菌
将混合料采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌处理：蒸汽压力1atm，温度121℃，时间为30分钟。
(3)发酵
将灭菌处理后的混合料进行发酵，菌种按8％(ml/g)接种量进行接种白腐真菌孢子悬浮液(106-107个/ml)、在1atm，30℃条件下，105r/min摇床振荡培养72小时后可得纤维素酶曲。
3、同步糖化-固态发酵制备复合型生物吸附剂
3.1配料与混料
固态物料与水的质量比为1∶2，固态物料的组成为：预处理后的中药渣5g，纤维素酶曲5g，硫酸铵0.2g。
配料时先将硫酸铵加入到水中混合均匀，用HCl或NaOH溶液调节pH值，再将所配制的溶液与药渣、麸皮混合均匀，混合料的pH值控制在6.0。
3.2同步糖化-固态发酵
对步骤3.1所配制的混合料按12％(ml/g)的接种量接种热带假丝酵母孢子悬浮液(106-107个/ml)，然后在常压，30℃，105r/min摇床振荡培养72小时，进行同步糖化-固态发酵。
发酵后的混合物即为复合型生物吸附剂产品。
Claims (5)
1.一种以中药渣为原料，通过同步糖化-固态发酵工艺生产复合型生物吸附剂的方法，其具体工艺特征如下：
(1)中药渣的预处理
将湿药渣烘干后粉碎过筛，选择粒径0.1-2.0mm的中药渣进行化学处理：化学处理包括酸处理、碱处理；中药渣经过上述两种化学处理手段中的任何一种进行处理后用于后续工艺过程；
(2)纤维素酶曲的制备
①配料与混料
将经过预处理的中药渣、麸皮、适量的氮源和水混合均匀，具体配料方式如下：
固态物料所含组分及各组分的质量份数为：预处理后的中药渣75-80份，麸皮15-25份，氮源1-3份；固态物料与水的质量比为：1∶1-1∶3；
配料时先将氮源加入到水中混合均匀，再将所配制的溶液与其它固态物料混合均匀，混合料的pH值控制在4.5～6.0；
②灭菌
将混合料采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌处理：蒸汽压力1atm，温度121℃，时间至少为30分钟；
③发酵
将灭菌处理后的混合料进行发酵，菌种按4％～10％接种量进行接种，发酵条件：压力为常压，温度为28℃～33℃，发酵周期为2天～3天，所得发酵产物即为纤维素酶曲，待用；
(3)同步糖化-固态发酵制备复合型生物吸附剂
①配料与混料
将经过预处理和如步骤(2)所述的灭菌操作后的中药渣、麸皮、纤维素酶曲、适量的氮源和水混合均匀，具体配料方式如下：
预处理和如步骤(2)所述的灭菌操作后的中药渣与纤维素酶曲的质量比为2∶1-1∶1；固液比为：1∶1-1∶3；培养基含氮量为1.5-4.5％；
配料时先将氮源加入到水中混合均匀，再将所配制的溶液与其它固态物料混合均匀，混合料的pH值控制在4.5～6.0；
②同步糖化-固态发酵
将混合料进行同步接种发酵，菌种按8～16％的接种量进行接种，发酵条件：压力为常压，温度为28℃～33℃，发酵周期为3天～5天；
发酵后的混合物即为复合型的生物吸附剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于配料时所用的氮源为(NH4)2SO4或尿素。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于制备纤维素酶曲时所用菌种为康宁木霉3.2774(TriChoderma koningi3.2774i)和白腐菌5.776(Phanerochaetechrysosporium)中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于同步糖化-固态发酵所用菌种为产朊假丝酵母2.281(Candida utilis 2.281)和热带假丝酵母1.254(Candidatropicalisl.254)中的一种。
5.根据权利要求1-4之一所述方法获得的复合型生物吸附剂，其特征在于将发酵产物和原料残渣全部利用，产品中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素、霉菌、酵母菌多种有效的生物吸附剂组分，是一种复合型的生物吸附剂，用于有机物、重金属离子的分离。
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