CN101597575A - 生物制浆用复合菌种微生物干粉及环保节能型复合菌种生物制浆工艺 - Google Patents

Abstract

生物制浆用复合菌种微生物干粉及环保节能型复合菌种生物制浆工艺，本发明生物制浆用复合菌种微生物干粉的特点是将解脂酵母菌和纤维分离菌两类微生物按解脂酵母菌为40－60份、纤维分离菌为30－50份的重量配比混配制成复合菌种微生物干粉，用于制浆。本发明环保、节能、高效，通过多菌种联合应用，可以有效提高秸秆纤维素分离提纯效果和效率，不仅能将废弃的秸秆用于制浆，而且能将产生的污水无害化处理，从根本上解决制浆污染问题。

Description

生物制浆用复合菌种微生物干粉及环保节能型复合菌种生物制浆工艺

技术领域

本发明涉及生物制浆用复合菌种微生物干粉及环保节能型复合菌种生物制浆工艺。

背景技术

造纸分为两个工艺阶段，一是制浆，二是抄纸。制浆是把植物原料中的纤维分离出来，经洗涤、筛选、破碎、浓缩，制成原浆料，有的根据需要再漂白成白浆料；抄纸则是把浆料稀释、流送、网筛、压榨、成型、烘干制成纸张。制浆原料的主要成分为纤维素，此外还有不同程度的半纤维素、木质素、胶质素、色素等物质。其中纤维素和半纤维素是制浆需要保留的基本成分，而其它成分均属须脱除的物质。如何环保节能地分离提纯纤维素和半纤维素是制浆工艺的难题和技术攻关的关键环节。

传统的造纸制浆是利用化学方法、机械方法或两者结合的方法，使植物纤维从原料中分离出来，加工成本色或漂白纸浆的生产过程。目前最常应用的秸秆制浆工艺是加碱蒸煮法，加碱和蒸煮的作用是脱除秸秆外部的蜡质层，促进秸秆中的木质素、胶质素不断水解，使纤维素分离出来。这种传统造纸制浆工艺存在以下问题：

1、污染严重，制浆黑液COD、BOD高，废水量大，并有硫醇类恶臭气味，因其含有大量的有害化工酸碱成分无法直接利用和排放，但要对其实施污染治理难度大、成本高；

2、造纸资源利用率差，我国的造纸原料十分丰富，稻草、麦草、龙须草、玉米秆、竹子、芦苇、甘蔗、棉杆等草本、禾本的各种秸秆以及棉短绒、阔叶木、针叶木及木材的下脚料等具有纤维的木本植物均可制浆。但是，传统的工艺方法利用稻草、麦草、龙须草、玉米等秸秆制浆，污染严重，治污成本高而且目前也没有切实有效的防治措施，所以宝贵的秸秆资源无法用于造纸，只有部分秸秆作为肥料或饲料被利用，除外大量的秸秆被当作废物，弃置田间地头，更多的被焚烧或推入沟塘，不仅严重浪费资源，而且造成严重的环境污染；

3、蒸煮气压高达5个大气压，须蒸煮6个小时以上，耗能高；

4、对于纸浆的抗张强度、耐破强度和撕裂强度都有较大的破坏作用。

近年来，传统工艺的秸秆制浆由于污染严重耗能高被勒令停止使用，人们将目光转向采取生物技术利用秸秆制浆，探索用微生物降解秸秆中的木质素、胶质素来分离提纯秸秆纤维素制浆，虽取得了一定成效，但有关技术由于多采用单一菌种处理秸秆，速度慢、周期长、出浆率低，无法产业化生产。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种生物制浆用复合菌种微生物干粉及环保节能、工艺简单、成本低廉并能改善纸浆性能的环保节能型复合菌种生物制浆工艺。

本发明解决技术问题采用如下技术方案

本发明生物制浆用复合菌种微生物干粉的特点是将解脂酵母菌、纤维分离菌两类微生物按以下重量配比混配制成复合菌种微生物干粉用于制浆：：

解脂酵母菌40-60份、纤维分离菌30-50份。

所述解脂酵母菌由以下四种酵母按所述重量配比构成

啤酒酵母(Saccharomyces，cerevisiae)    5-25份

解脂假丝酵母(Candida sp cerevisiae)    5-38份

异型汉逊(H.anomala)                    7-30份

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)     10-35份

所述纤维分离菌由以下四个菌种按所述重量配比构成

芽支分支霉菌(Bsubtilis bacillus)       7-30份

康氏木霉(Trichoderma koningii)         5-20份

白腐菌(White rot fungus)               8-35份

子囊菌(Ascomycete)                     5-15份

本发明环保节能型复合菌种生物制浆工艺的特点是按如下流程进行：

a、将秸秆段切，按照每吨秸秆5-10克的复合菌种微生物干粉用量，将复合菌种微生物干粉用水稀释活化24小时后均匀喷洒拌入秸秆中，堆放升温至30℃左右发酵4-7天，分离出纤维素和半纤维素，获得制浆所需的粗纤维束；

b、对于步骤a所得的粗纤维束，按每吨秸秆加入2-3kg烃类溶剂，装入蒸球密闭后通入高温蒸汽，在2个大气压在100℃-130℃的条件下气蒸熟化40-150分钟，除去降解出的有机小分子，使纤维素吸水膨松，并对微生物灭活；

c、经灭活熟化膨松后的粗纤维束经机械高压压爆、洗涤、疏解、磨揉得到纯净的细纤维素和半纤维素，所述纯净的细纤维素和半纤维素再经打浆粉碎后通过脱水干燥制得造纸原浆。

本发明制浆所产生的废水只富含有机成分，未添加任何无机酸碱，通过活性污泥法可无害化处理，中水回用，沉淀泥可加工成有机肥料或制沼气发电。

生物制浆用复合菌种微生物干粉复合配伍原理：

1、解脂酵母菌筛选确定。各种造纸原料的植物秸秆基本上都由纤维素、半纤维素、胶质素、木质素和蜡状保护层等物质组成，其结构大体相同：1、都有无数个吸管组成，每个吸管就是一个维管束，也叫纤维束，它们都是用来输送水分和养料的通道；2、胶质素、木质素将植物纤维束紧密粘合在一起，有助于增大植物抗折强度；3、秸秆最外层都有蜡质状的表皮，这些蜡质层，光滑而坚硬，既可以保持纤维束中的水分不被蒸发，也可阻挡外部微生物和昆虫的入侵破坏。

由于植物秸秆外部具有独特的抵御害虫和微生物入侵的蜡质层保护结构，一般微生物难于渗透到纤维束之间直接降解木质素和胶质素。因此生物制浆过程中，在分离纤维素之前必须首先破除秸秆外部的蜡质层。经过反复实验证实啤酒酵母、解脂假丝酵母、异型汉逊、酿酒酵母这一类被称之为解脂酵母的真菌，它们分解脂肪和蛋白质的能力很强，能攻破植物秸秆外部的蜡质状保护层，将多种脂肪、蛋白、树脂等成分分解成酒精和二氧化碳等小分子物质，使植物纤维素裸露出来。

2、纤维分离菌的筛选和配伍：经查阅检索并筛选找到一类叫纤维分离菌的真菌，他们具有降解纤维束之间木质素、胶质素等粘接物质的能力，而且降解木质素、胶质素等粘接物质的方式各不相同，第一种是芽支分支霉的真菌，它具有极强的脱水性，其菌丝的渗透力特强，能在较短时间内侵入植物内部纤维束之间的结合部，吸干营养同时脱水，破坏胶质素、木质素，打散维管束之间紧密结合的结构，使纤维束崩解分离；第二种是白腐菌，它属于担子菌亚门的真菌，在降解秸秆中的纤维素、半纤维素、胶质素、木质素方面具有明显差异性，其差异性体现在它对胶质素、木质素的脱除分解率极高，而对纤维素、半纤维素分解极少。第三种是康氏木霉，它的短肽能破坏木本植物的纤维氢键网络，解聚、分离出单根微纤维；第四种是子囊菌，它通过破坏木质素中的氯代联苯、芳香烃环己烷，实现降解木质素。实验证明这四种纤维分离菌均具有破坏和降解纤维束之间木质素、胶质素等粘接物质的能力，但各菌种单独应用，其破坏和降解胶质素、木质素能力相对较弱，存在速度慢、周期长、出浆率低等问题，无法产业化生产。经过深入分析发现，芽支分支霉的真菌，它虽然具有极强的脱水性，其菌丝的渗透力特强，能在较短时间内侵入植物内部纤维束之间的结合部，吸干营养同时脱水，破坏胶质素，打散维管束之间紧密结合的结构，使纤维束崩解分离，但他并未从根本上使纤维素与木质素、胶质素分离；白腐菌、康氏木霉、子囊菌虽然也都具有以不同方式破坏和降解纤维束之间木质素、胶质素等粘接物质的能力，但他们渗透能力差，这是这些菌种单独分离提纯纤维效果不佳的原因。根据这些纤维分离菌各自作用特性，设想将他们合理配伍，联合应用，发挥各自特长，先由芽支分支霉的真菌打头炮，使纤维束崩解分离，裸露出来，然后由白腐菌、康氏木霉、子囊菌跟上以不同方式破坏和降解纤维束之间木质素、胶质素等粘接物质，纤维束分离效果会有改善。实际试验证明上述设想完全正确，通过纤维分离菌联合配伍，群团作战，微生物降解木质素、胶质素能力大大增强，纤维素分离提纯速度明显加快，周期大大缩短。

3、生物制浆用微生物干粉菌种的复合。经过反复实验和优化筛选，确定出文中所述的解脂酵母菌和纤维分离菌最佳配伍。为方便使用，将这些微生物按照种子培养、工业制原种、各组分按重量配比的比例混合并干燥制成制浆用复合菌种微生物干粉。

本发明主要特点是将解脂酵母菌和纤维分离菌复合配伍，首先利用解脂酵母菌降解秸秆外部蜡质保护层，再由芽支分支霉真菌使秸秆纤维束崩解分离，裸露出来，最后由白腐菌、康氏木霉、子囊菌以不同方式破坏和降解纤维束之间的木质素、胶质素等粘接物质，从而分离出纤维素用于制浆。通过多菌种联合应用，达到增强破坏和降解纤维束之间木质素、胶质素等粘接物质的能力，提高秸秆纤维素分离提纯效果，大大缩短制浆周期。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明使秸秆资源得到充分利用，不仅能减少焚烧引起的空气污染，而且由于在制取造纸原浆过程中没有添加酸碱等成分，避免了制浆黑液的产生，产生的废水成分简单，只富含有机成分，能够无害化处理，处理后的中水可循环回用或直接排放，没有水污染；

2、本发明制浆产生的废水中仅富含灭活后的微生物和分解溶出的有机质，这些有机成分通过过滤和活性污泥法处理沉淀分离干燥即可制成良好的有机肥料或制沼气发电。作为副产品的有机肥料还田可培肥土壤地力，减少无机化肥的用量和投资，改善土壤环境，提升土壤综合生产力；制沼气发电能进一步提高秸秆制浆的附加值，开辟生物质能发电的新途径，缓解电能的紧张局面。

3、本发明制浆过程中，蒸煮熟化时间缩短三分之二以上，可大大降低制浆能耗；

4、本发明采用多种微生物菌种复合混配使用剂量小，操作方便，发酵分解周期短，制浆成本低；

5、本发明利用生物技术制浆，克服了化学制浆中酸碱对纸浆性能的破坏，生产出的纸浆抗张强度、耐破强度和撕裂强度明显提高，抄出的纸质量能与木浆纸媲美；

6、本发明工艺简单，治污设备投资大大减少，污染问题的有效解决，可以突破制浆规模的限制，促进造纸产业快速发展。

7、本发明用秸秆取代木材，减少树木砍伐，有助于森林的恢复，气候的改善；

以下通过具体实施方式对本发明作出进一步说明。

具体实施方式

实施例1

一、秸秆生物制浆用复合菌种微生物干粉的制备方法，包括种子培养、工业制原种、混合干燥三个步骤。

1、种子培养：

酵母菌培养：

将各个纯化培养的斜面培养基上的解脂酵母菌：啤酒酵母、解脂假丝酵母、异型汉逊、酿酒酵母，分别接种至2L培养瓶中，瓶内盛装0.4kg麦芽汁马铃薯蔗糖培养基，每种各三个，在培养温度为36-42℃，摇床转速为140-220rpm的条件下培养36小时。麦芽汁马铃薯蔗糖培养基为常规的培养基，其用量为常规用量。

纤维分离菌培养：

将各个纯化培养的斜面培养基上的纤维分离菌：芽支分支霉菌、康氏木霉、白腐菌、子囊菌纯种，分别接种至2L培养瓶中，瓶内盛装0.4kg牛肉膏蛋白胨培养基，每种各三个，在培养温度为36-42℃，摇床转速220rpm条件下培养36小时。牛肉膏蛋白胨培养基为常规的培养基，其用量为常规用量。

2、工业制原种

解脂酵母菌素

将培养瓶培养后的啤酒酵母1.00kg、解脂假丝酵母2.2kg、异型汉逊1.40kg、酿酒酵母2.00gk，分别接种至200L发酵罐中培养，罐内盛装麦芽汁马铃薯蔗糖培养基140kg，搅拌转速140rpm，培养温度为45-55℃，培养时间为36小时。各解脂酵母菌素菌群发酵培养结束后按常规方法收集菌落，将其混合均匀。

纤维分离菌

将种子培养后的的芽支分支霉菌2.00kg、康氏木霉1.00kg、白腐菌1.20kg、子囊菌0.40kg，分别接种至200L发酵罐中进行培养，搅盛装牛肉膏蛋白胨培养基+竹黄纸140kg，拌转速为140rpm，培养温度为50-60℃，培养时间为36小时，各纤维分离菌菌群发酵培养结束后按常规方法收集菌落，将其混合均匀。

3、混合、干燥

将上述工业制取的解脂酵母菌素、纤维分离菌原种按照以下优化的重量配比称量：解脂酵母菌素40.0kg和纤维分离菌30.0kg，再混合均匀，真空低温脱水干燥，制成休眠态微生物干粉，检测、包装。

二、麦秸、稻秸等空杆类秸秆生物制浆

按照20℃气温环境和制浆微生物发酵繁殖周期为5天，建设5个发酵池，每个发酵池容量能容纳20吨秸秆，以每天处理20吨秸秆的产能配备相应的切草机、蒸球、搅拌机、喷淋设备、压爆机、疏解机、磨柔机、挤浆机等设备。

具体制浆过程为：

a、先切草机将秸秆段切，然后每天按照每吨秸秆5-10克的生物制浆用复合菌种微生物干粉用量，将微生物干粉用水稀释活化24小时后均匀喷洒拌入20吨秸秆并装入一个发酵池中，升温至30℃左右发酵繁殖5天，即完成发酵程序，该过程通过解脂酵母菌对富含纤维的植物秸秆原料进行发酵脱蜡脱脂，破坏秸秆外部保护层，芽支分支霉菌在秸秆失去保护层后迅速渗透纤维素间隙，通过脱水打散纤维素和半纤维素之间紧密牢固的结构，白腐菌等其它纤维素分离菌随之跟上，施展各自所长，以不同方式分解降解胶质素和木质素，使之变成小分子，从而较快地分离出纤维素和半纤维素，获得制浆需要的粗纤维束；

b、每个发酵池的秸秆在入池满5天后即可出池，对于经脱蜡后初步分离所获得的酥松粗纤维束，按每吨秸秆加入1-3kg低芳香烃溶剂油或高芳烃溶剂油等烃类溶剂装入蒸球密闭后通入高温蒸汽在2个大气压在100℃-130℃的条件下气蒸熟化40-150分钟，使纤维素软化膨胀，让未分解彻底的木质素、胶质素在高温高压下进一步水解，并利用有机溶剂良好溶解性脱除木质素和胶质素等无效成分分解出的有机小分子，实现对微生物灭活；

c、灭活熟化膨松后的粗纤维束经机械高压压爆，借助外力进一步分离纤维束，使之成为松软的细纤维束，减少相互粘连；

d、将压爆松软后的细纤维束，加水洗涤并用泵输入浆料疏解机，通过疏解机中的多把高速旋转的疏解刀将细纤维束顺纤维方向撕扯成单根纤维或松散的小纤维团；

e、将疏解成的单根纤维或松散的小纤维团浆料，用挤浆机把浆料挤干，输入磨浆机磨揉，使纤维团和单根纤维进一步绒松，成为团絮状纤维；

f、最后将磨浆机磨揉所得的团絮状纤维纸浆料，通过洗挤浆机脱水挤干，根据需要挤成含水量30-50％的干浆，由此就完成了优质生态造纸原浆的生产工序。

g、洗涤及其它生产所排放的废水，集中到污水处理池，通过活性污泥法无害化处理，中水回用，沉淀泥加工成有机肥料销售。

本发明经制浆企业中试效果良好，经济社会效益突出。使用本发明技术方案进行制浆，不仅能够实现污水无害化处理，而且制取的纸浆质量可与木本纸浆相媲美，秸秆出浆率可达45％，治污成本下降60％，加之制浆副产品沉淀泥有机肥料销售带来的收益，秸秆纸浆成本只有木本纸浆的三分之一，市场前景十分看好。

实施例2：

发酵装置可由发酵池改为连续发酵隧道。每天定量装入喷洒拌入制浆微生物的生料，利用轨道输入发酵隧道，经过数天后每天也有相应的秸秆发酵完毕，熟料也由轨道从隧道中输出用于制浆，其它工序与实施例1相同。

实施例3：

其它秸秆和木质植物原料制浆的微生物干粉制备方法与实施例1工序大体相同，微生物干粉用量依据原料所含的蜡质层和纤维素、木质素、胶质素的多少，对解脂酵母菌、纤维分离菌及其各自的小菌重量配比进行优化调整，原则是蜡质层少的解脂酵母菌用量相对减少，纤维素、木质素、胶质素多的纤维分离菌相对增多。

本发明所涉及的啤酒酵母、解脂假丝酵母、异型汉逊、酿酒酵母、芽支分支霉菌、白腐菌、康氏木霉、子囊菌的有关菌种，可委托有关微生物研究机构帮助筛选分离培养。获取菌种种源后，再按步骤培养制成制浆用微生物干粉。

Claims (3)

1、生物制浆用复合菌种微生物干粉，其特征是将解脂酵母菌、纤维分离菌两类微生物按以下重量配比混配制成复合菌种微生物干粉用于制浆：

解脂酵母菌40-60份、纤维分离菌30-50份。

2、根据权利要求1所述的生物制浆用复合菌种微生物干粉，其特征是：

所述解脂酵母菌由以下四种酵母按所述重量配比构成：

啤酒酵母  5-25份；    解脂假丝酵母  5-38份；

异型汉逊  7-30份；    酿酒酵母      10-35份；

所述纤维分离菌由以下四个菌种按所述重量配比构成：

芽支分支霉菌  7-30份；康氏木霉  5-20份；

白腐菌  8-35份；      子囊菌    5-15份。

3、环保节能型复合菌种生物制浆工艺，其特征是按如下流程进行：

a、将秸秆段切，按照每吨秸秆5-10克的复合菌种微生物干粉用量，将复合菌种微生物干粉用水稀释活化24小时后均匀喷洒拌入秸秆中，堆放升温至30℃左右发酵4-7天，分离出纤维素和半纤维素，获得制浆所需的粗纤维束；

b、对于步骤a所得的粗纤维束，按每吨秸秆加入2-3kg烃类溶剂，装入蒸球密闭后通入高温蒸汽，在2个大气压在100℃-130℃的条件下气蒸熟化40-150分钟，除去降解出的有机小分子，使纤维素吸水膨松，并对微生物灭活；

c、经灭活熟化膨松后的粗纤维束经机械高压压爆、洗涤、疏解、磨揉得到纯净的细纤维素和半纤维素，所述纯净的细纤维素和半纤维素再经打浆粉碎后通过脱水干燥制得造纸原浆。