CN102424808B - 一种秸秆降解复合菌剂的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种秸秆降解复合菌剂,由I号菌剂和II号菌剂混合组成,I号菌剂包括黄孢原毛平革菌、芽孢杆菌和链霉菌,II号菌剂包括木霉、青霉、曲霉和放线菌;该秸秆高效降解复合菌剂在乙醇生产预处理中的应用方法:将粉碎的秸秆用氨水浸泡进行净化处理,加入营养液,制成发酵底物,喷入秸秆高效降解复合菌剂,发酵处理2天后,过滤后水洗至中性,即可得到用于乙醇生产的预处理产物。本发明的优点是:采用氨水浸泡处理秸秆有助于木质素的去除,增加纤维素和半纤维素的酶触面积,提高预处理效率;采用微生物菌剂协同发酵降解秸秆,不同微生物在降解中分泌互补性酶,使底物充分降解,提高生物质资源利用率;工艺简单、便于实施,且不会造成环境危害。

Description

一种秸秆降解复合菌剂的制备方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及微生物发酵及环保技术领域,尤其是一种秸杆降解复合菌剂及其在乙醇生产预处理中的应用
背景技术
[0002] 产业 革命后的200多年,人类社会经历了前所未有的大发展,社会生产力和科技水平都得到了极大的提升,然而这种巨大发展的背后却是伴随着石油、煤、天然气等化石燃料的大量消耗,这些资源储量有限,属于不可再生能源,而且化石燃料的燃烧正在影响全球气候变化,严重地威胁着人类的生存环境,鉴于能源和环境问题已成为全球关注的焦点,开发洁净的可再生能源已成了紧迫的课题。微生物发酵生产燃料乙醇作为一种可再生能源,已经引起了人们的高度重视。
[0003] 现阶段,国内外燃料乙醇的大规模生产都是以糖质和淀粉质农作物如甘蔗、糖蜜、木薯、玉米为原料。在我国,则主要以玉米、陈化的小麦和稻谷为原料,这对于我国本来食物就相对匮乏的国情而言无疑又是一个沉重的负担,而与之相对的是以农作物秸杆为代表的木质纤维素类生物质资源十分丰富,年产量高达7X IO8吨,这些物质大部分未能被有效利用,既浪费了资源,又造成了环境污染。若能采用适宜的技术将这些秸杆类生物质资源转化为乙醇将带来不可估量的价值。
[0004] 目前,秸杆预处理的方法主要有物理预处理法、化学预处理法和生物预处理法,例如:蒸汽爆破法、稀酸法、碱处理法等。物理和化学方法对设备的要求较高,能耗较大,且存在运行成高、对环境影响大的缺陷;相比之下,生物预处理法能耗小,对环境友好,但存在降解效率低的缺点。所以,培育新型秸杆高效降解复合菌剂极为重要。
[0005] 秸杆的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素,三者相互缠绕所形成的结构使得这些生物质难以降解,这是将纤维素加工为燃料所面临的唯一的、也是最为重要的障碍。因此秸杆类生物质的预处理是生产乙醇的关键因素,预处理的目的就是破坏或去除纤维素、半纤维素和木质素之间的复杂结构,改进酶与纤维素生物质有效接触并发生生化反应,提高酶水解速率和得糖率。秸杆预处理水平的提高无疑会极大的促进燃料乙醇的生产。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种秸杆降解复合菌剂及其在乙醇生产预处理中的应用,通过微生物协同降解实现对秸杆的预处理,提高了秸杆乙醇的生产效率,实现废弃物循环再利用,节约土地资源,消除事故隐患。
[0007] 本发明的技术方案:
[0008] 一种秸杆降解复合菌剂,由I号菌剂和II号菌剂混合组成,I号菌剂由黄孢原毛平革菌、芽孢杆菌和链霉菌中的一种或两种以上任意比例的混合物组成,II号菌剂由木霉、青霉、曲霉和放线菌中的一种或两种以上任意比例的混合物组成,在I号菌剂和II号菌剂混合物中,I号菌剂所占质量百分比为50-70%,II号菌剂为余量。[0009] —种所述秸杆降解复合菌剂的制备方法,将各单株菌分别接种在培养基中,培养基组成:蛋白胨10g、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸馏水1000ml,调节pH 7. 4,在40°C温度条件下的摇床中,以转数为170rpm下振荡培养36-72h,然后稀释形成菌液,使每毫升菌液中菌个数为2亿个,即2亿/ml,按照I号菌剂和II号菌剂的成分比例分别进行混合,制得I号菌剂和II号菌剂,最后将I号菌剂和II号菌剂混合制得秸杆降解复合菌剂。
[0010] 一种所述秸杆高效降解复合菌剂在乙醇生产预处理中的应用,包括以下步骤:
[0011 ] I)将秸杆粉碎至粒径为0. 5-0. 8cm的秸杆碎末;
[0012] 2)用质量百分比浓度为0. 1-1 %的氨水溶液,浸泡秸杆24_48h进行净化处理,取出后挤压至无水流出;
[0013] 3)向净化处理后的秸杆中加入营养液,制成发酵底物;
[0014] 4)向发酵底物中喷入秸杆高效降解复合菌剂,发酵处理2天后得到发酵产物,将发酵产物过滤,水洗至中性,即可得到用于乙醇生产的预处理产物。
[0015] 所述营养液由硫酸锰、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁和水组成,各组分的重量百分比为:硫酸锰0. 5%、硫酸镁0. 5%、氯化钙0. 1%、硫酸亚铁0. 1%,其余为水,营养液的pH为7. 4。
[0016] 所述营养液的加入量为净化处理后的秸杆质量的25-40%。
·[0017] 所述秸杆降解复合菌剂与发酵底物的质量比为1: 3-7,其中复合菌剂的菌落浓度为 lX 107-7X 108cfu/ml。
[0018] 本发明的优点和有益效果是:
[0019]1.本发明采用氨水净化处理秸杆粉末,氨水浸泡处理秸杆有助于木质素的去除,在处理0.5-0. 8cm秸杆时,有效的打破了木质素对纤维素、半纤维素的包裹作用,增加了纤维素和半纤维素的酶触面积,提高了预处理效率;此外,用氨水处理可以为后续处理过程中的微生物生长提供铵盐类营养成分。
[0020] 2.本发明采用微生物菌剂协同发酵降解作物秸杆,不同微生物在降解中分泌互补性酶,在代谢中使底物得到充分降解,从而提高工业发酵过程的效率;单一微生物发酵会有产酶不完全的现象,即所产生的酶是降解所需酶系统中的部分酶,发生降解不完全的现象。
[0021] 3.本发明所需设备简单,工艺简便,且不会造成附加的环境危害,实现了秸杆乙醇生产中的高效预处理,提高生物质资源利用效率,解决了农作物秸杆难于降解、再利用的难题,具有极其深远的社会意义和经济价值。
附图说明
[0022] 图1为实施例1、2、3中产物还原糖得率变化曲线。
[0023] 图2为实施例1、2、3中底物木质素降解率变化曲线。
具体实施方式
[0024] 本发明通过以下实施例进一步详述,但本实施例所叙述的技术内容是说明性的,而不是限定性的,不应依此来局限本发明的保护范围。
[0025] 以下实施例所涉及的I号菌剂中的黄孢原毛平革菌、芽孢杆菌和链霉菌、II号菌剂中的木霉、青霉、曲霉和放线菌的生产厂家为天津工业微生物研究所。[0026] 实施例1 :
[0027] —种秸杆高效降解复合菌剂在乙醇生产预处理中的应用方法,包括以下步骤:
[0028] I)将稻草秸杆经粉碎设备粉碎至粒径0. 8cm形成秸杆碎末;
[0029] 2)用配置成0.1 %的氨水溶液,将稻杆碎末浸泡其中48h净化处理,取出后挤压至无水流出;
[0030] 3)向净化处理过的秸杆中加入其质量40%的营养液,制成发酵底物;向发酵底物中喷入木质素降解菌和纤维素降解菌菌液,菌液与发酵底物质量比为1: 3,其中培养液中菌体浓度为I X 107cfu/ml ;
[0031] 4)发酵处理2天得到发酵产物,将发酵产物过滤,水洗至中性,即得到预处理产物。
[0032] 该实施例中,所述营养液的组分及重量比为:硫酸锰0. 5%、硫酸镁0. 5%、氯化钙
0.1 %、硫酸亚铁0. 1%,其余为水,pH为7.4。
[0033] 复合菌剂中,I号菌剂中各组分的质量份额为:黄孢原毛平革菌35份、芽孢杆菌30份、链霉菌35份;11号菌剂中各 组分的质量份额为:木霉30份、青霉25份、放线菌45份;复合菌剂中I号菌剂的质量份额为70份,II号菌剂的质量份额为30份。
[0034] 所述秸杆降解复合菌剂的制备方法:将各单株菌分别接种在培养基中,培养基组成:蛋白胨10g、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸馏水1000ml,调节pH 7. 4,在40°C温度条件下的摇床中,以转数为170rpm下振荡培养36-72h,然后稀释形成菌液,使每毫升菌液中菌个数为2亿个,即2亿/ml,按照I号菌剂和II号菌剂的成分比例分别进行混合,制得I号菌剂和II号菌剂,最后将I号菌剂和II号菌剂混合制得秸杆降解复合菌剂。
[0035] 图1、图2显示:经过前期氨水净化处理和之后的复合菌剂发酵,所处理底物的木质素降解率为43%,产物中还原糖得率可达到53%,所述还原糖得率为产物中还原糖含量与底物中纤维素和半纤维素含量的比值。
[0036] 实施例2 :
[0037] 一种秸杆高效降解复合菌剂在乙醇生产预处理中的应用方法,包括以下步骤:
[0038] I)将稻草秸杆经粉碎设备粉碎至粒径0. 8cm形成秸杆碎末;
[0039] 2)用配置成0. 5%的氨水溶液,将稻杆碎末浸泡其中36h净化处理,取出后挤压至无水流出;
[0040] 3)向净化处理过的秸杆中加入其质量30%的营养液,制成发酵底物;向发酵底物中喷入木质素降解菌和纤维素降解菌菌液,菌液与发酵底物质量比为1: 5,其中培养液中菌体浓度为7X107cfu/ml ;
[0041] 4)发酵处理2天得到发酵产物,将发酵产物过滤,水洗至中性,即得到预处理产物。
[0042] 该实施例中,所述营养液与实施例1相同。
[0043] 复合菌剂中,I号菌剂中各组分的质量份额为:黄孢原毛平革菌30份、芽孢杆菌35份、链霉菌35份;11号菌剂中各组分的质量份额为:木霉25份、青霉25份、曲霉20份、放线菌30份;复合菌剂中I号菌剂的质量份额为60份,II号菌剂的质量份额为40份。
[0044] 所述秸杆降解复合菌剂的制备方法与实施例1相同。
[0045] 图1、图2显示:经过前期氨水净化处理和之后的复合菌剂发酵,所处理底物的木质素降解率为52%,产物中还原糖得率可达到64%。
[0046] 实施例3 :
[0047] 一种秸杆高效降解复合菌剂在乙醇生产预处理中的应用方法,包括以下步骤:
[0048] I)将稻草秸杆经粉碎设备粉碎至粒径0. 5cm形成秸杆碎末;
[0049] 2)用配置成1. 0%的氨水溶液,将稻杆碎末浸泡其中24h净化处理,取出后挤压至无水流出;
[0050] 3)向净化处理过的秸杆中加入其质量25%的营养液,制成发酵底物;向发酵底物中喷入木质素降解菌和纤维素降解菌菌液,菌液与发酵底物质量比为1: 7,其中培养液中菌体浓度为7X108cfu/ml ;
[0051] 4)发酵处理2天得到发酵产物,将发酵产物过滤,水洗至中性,即得到预处理产物。
[0052] 该实施例中,所述营养液与实施例1相同。
[0053] 复合菌剂中,I号菌剂中各组分的质量份额为:黄孢原毛平革菌40份、芽孢杆菌30份、链霉菌30份;11号菌剂中各组分的质量份额为:木霉35份、曲霉25份、放线菌40份;复合菌剂中I号菌剂的质量份额为50份,II号菌剂的质量份额为50份。
[0054] 所述秸杆降解复合菌剂的制备方法与实施例1相同。
[0055] 图1、图2显示:经过前期氨水净化处理和之后的复合菌剂发酵,所处理底物的木质素降解率为58%,产物中还原 糖得率可达到72%。

Claims (2)

1. 一种秸杆降解复合菌剂的制备方法,所述秸杆降解复合菌剂由I号菌剂和II号菌剂混合组成,I号菌剂由黄孢原毛平革菌、芽孢杆菌和链霉菌中的一种或两种以上任意比例的混合物组成,II号菌剂由木霉、青霉、曲霉和放线菌中的一种或两种以上任意比例的混合物组成,在I号菌剂和II号菌剂混合物中,I号菌剂所占质量百分比为50-70%,II号菌剂为余量,其特征在于:将各单株菌分别接种在培养基中,培养基组成:蛋白胨10g、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸馏水1000ml,调节pH 7. 4,在40°C温度条件下的摇床中,以转数为170rpm下振荡培养36-72h,然后稀释形成菌液,使每毫升菌液中菌个数为2亿个,即2亿/ml,按照I号菌剂和II号菌剂的成分比例分别进行混合,制得I号菌剂和II号菌剂,最后将I号菌剂和II号菌剂混合制得秸杆降解复合菌剂。
2. 一种如权利要求1所制备的秸杆降解复合菌剂的应用,其特征在于:用于乙醇生产的预处理,包括以下步骤: 1)将稻杆粉碎至粒径为O. 5-0. 8cm的稻杆碎末; 2)用质量百分比浓度为O. 1-1%的氨水溶液,浸泡秸杆24-48h进行净化处理,取出后挤压至无水流出; 3)向净化处理后的秸杆中加入营养液,制成发酵底物,所述营养液由硫酸锰、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁和水组成,各组分的重量百分比为:硫酸锰O. 5%、硫酸镁O. 5%、氯化钙O. 1%、硫酸亚铁O. 1%,其余为水,营养液的pH为7. 4,营养液的加入量为净化处理后的秸杆质量的25-40% ; 4)向发酵底物中喷入秸杆高效降解复合菌剂,秸杆降解复合菌剂与发酵底物的质量比为1:3-7,其中复合菌剂的菌落浓度为lX 107-7X 108cfu/ml,发酵处理2天后得到发酵产物,将发酵产物过滤,水洗至中性,即可得到用于乙醇生产的预处理产物。
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