CN102634856A - 利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维的方法，将粗竹原纤维依次经脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物脱胶后，再向上述脱胶后的竹原纤维中加入微生物复合菌剂进行脱胶，然后经碱和助剂煮炼后，干燥即得竹原纤维。所得竹原纤维粗细、直径的控制通过改变复合菌剂的组成、比例及降解时间等而实现。采用该法生产的竹原纤维强度高、韧性好、绿色环保，整个微生物法脱胶过程节水、节能、少废水、无废渣、无废气产生，所用微生物处理液和清洗液完全循环使用；有效解决了化学处理造成环境污染问题，具有原料易得、操作简单、提取效率高、纤维质量稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及天然绿色环保竹原纤维的制取方法，具体地说，涉及利用粗竹原纤维为原料，采用微生物复合菌剂脱胶制取不同类型纤维长度和直径的竹原纤维的方法。
背景技术
竹产业是我国林业的四大朝阳产业之一，在国际市场上具有整体竞争优势。竹子是一种生产期短、产量高、再生性强、易栽培的多年生植物，具有保持水土、净化涵蓄水源、吸收二氧化碳、降低温室效应等特性。因此，竹产业近年来已成为我国林业发展的一个新的经济增长点，其中竹原纤维的开发和使用更受科技工作者们的青睐。竹原纤维是指采用独特的工艺从竹子中直接分离出来的绿色环保型纤维，它具有抗菌、透气、防紫外线、除臭、吸湿、柔滑、光泽好等优点。随着全球气候的恶化和环保意识的提高，木材资源的减少，迫切需要替代木纤维及化学纤维等资源的使用，竹原纤维则是替代这些纤维的理想材料。在国际上掀起“绿色环保”消费潮流的推动下，竹原纤维已经成为天然纤维的“新宠”，是一种具有广阔前景的创新材料。
竹原纤维按纤维长度和直径可分为：麻型竹原纤维、可纺竹原纤维、精竹原纤维、半精竹原纤维；按用途可分为纺织用竹原纤维、汽车工业竹原纤维、家装建材用竹原纤维、医疗用品用竹原纤维等。
竹原纤维的制造一直是人们研究开发的热点，目前已有不少关于竹原纤维的中国发明专利申请的文献公开报道。在竹原纤维开发研究初期，基本上采用化学方法生产竹纤维，如中国专利申请No.200310108826.1和No.200410060809.X中，采用酸、碱、亚硫酸铵等化学药品对竹子进行处理，这些工艺破坏了竹纤维束，易使产品失去生态属性，且化学处理后的污水难以治理，造成环境污染。而利用生物物理技术(No.200710050068.5)和生化软化剂(No.200710050069.5)软化处理提取竹原纤维还处于实验室阶段，未实现产业化阶段。与利用微生物脱胶制取竹原纤维相关的专利申请主要有No.200610039608.0、No.200810121092.3和No.201010300575.7，均为采用单一生物酶或复合生物酶对竹子进行处理，但周期较长，一般需要3～7天，且对设备和工艺条件要求较高。
因此寻找一种低能高效，处理周期短，所得纤维产品质量稳定且对环境友好的制取竹原纤维的方法成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的针对现有制取竹原纤维工艺中的不足，是提供一种利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维的方法。
为了实现本发明目的，本发明的一种利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维的方法，其是将粗竹原纤维依次经脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物脱胶后，再向上述脱胶后的竹原纤维中加入微生物复合菌剂进行脱胶，然后经碱和助剂煮炼后，干燥即得竹原纤维；其中，所述微生物复合菌剂由脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素的微生物及降解戊聚糖的微生物中的两种或两种以上的微生物组成；优选所述微生物复合菌剂由脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物组成；其中，所述助剂为0.5～1.5％Na3PO4或肥皂等。
前述方法中，所述粗竹原纤维的纤维含量占60％以上，纤维细度为0.02-0.1mm，长度为6cm以上。
前述方法中，所述碱为0.2～0.6％NaOH。
前述方法中，碱和助剂煮炼时间为1～3h，煮炼压力为1～2kg/cm2。
前述方法中，微生物复合菌剂中各种菌的添加量按体积百分比计为：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
所述脱果胶的微生物为小单孢菌(Micromonospora)和/或诺卡氏菌(Nocardia)，降解木质素的真菌微生物为白腐菌(Pleurotusostreatus)和/或褐腐菌(Monilia laxa)，降解木质素的细菌微生物为假单胞菌(Pseudomonas)和/或芽孢杆菌(Bacillus)，降解半纤维素和戊聚糖的微生物为褐腐菌(Monilia laxa)。
优选地，所述脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素的微生物及降解戊聚糖的微生物为经过物理或化学诱变后的改良品种，包括步骤：
a)菌种初筛：在竹原纤维污水处理厂、污泥堆放处、天然林中的腐殖土等环境中采集样品，采用微生物学常规方法筛选出能有效降解粗竹原纤维中果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的原始菌株；
b)菌种复筛：通过发酵条件的控制，从原始菌株中分别筛选出耐高温、高代谢能快速提高发酵温度的菌株以及降解粗竹原纤维中果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖能力强的专用菌株；
c)菌种的改良及优化：通过物理、化学诱变技术对菌株进行改良育种，进一步提高菌株的代谢、耐高温及降解粗竹原纤维中果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的能力；
d)果胶的降解：将优化后的产果胶酶的专用菌种活化后，转接到发酵培养基中，在25℃条件下培养20h，作为第一次脱胶菌种，脱胶发酵液菌种可多次循环使用，将粗竹原纤维称量后加入上述发酵液中，常压下经产果胶酶的菌种脱胶一定时间，用水冲洗干燥观察其脱胶效果；
e)木质素的降解：将优化后的产木质素降解酶的专用菌种活化后，将经脱果胶后的竹原纤维称量后加入到产木质素降解酶的发酵培养基中脱胶一定时间，用水冲洗干燥观察其脱胶效果；
f)半纤维素及戊聚糖的降解：将优化后的产半纤维素及戊聚糖降解酶的专用菌种活化后，经脱果胶、木质素的竹原纤维称量后加入到降解半纤维素及戊聚糖的发酵培养基中，常压下脱胶一定时间，用水冲洗干燥观察其脱胶效果；
g)复合菌剂的制备：将选育出的具有高效降解粗竹原纤维中果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的专用菌按照以下体积百分比制备：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
常压下经脱胶一定时间，用水冲洗后观察其脱胶效果；
h)煮炼：将经复合菌剂脱胶后的竹原纤维加入低浓度的碱和助剂，在较低碱浓度下煮炼；
i)干燥：采用热风烘干机干燥煮炼后的纤维原料。其粗细的控制通过改变复合菌剂的组成、比例及降解时间来实现不同类型纤维长度和直径的竹原纤维。
本发明进一步提供一种微生物复合菌剂，其由脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素的微生物及降解戊聚糖的微生物中的两种或两种以上的微生物组成。
所述微生物复合菌剂中各种菌的添加量按体积百分比计为：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
所述脱果胶的微生物为小单孢菌(Micromonospora)和/或诺卡氏菌(Nocardia)，降解木质素的真菌微生物为白腐菌(Pleurotusostreatus)和/或褐腐菌(Monilia laxa)，降解木质素的细菌微生物为假单胞菌(Pseudomonas)和/或芽孢杆菌(Bacillus)，降解半纤维素和戊聚糖的微生物为褐腐菌(Monilia laxa)。
与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：
(一)本发明采用微生物法脱胶，通过复合菌剂作用使连接粗竹纤维素的木质素、木质素、半纤维素及戊聚糖等充分降解。整个生产过程中，节水、节能、少废水、无废渣、无废气产生，所用微生物处理液和清洗液完全循环使用，避免了化学处理带来的严重污染问题。
(二)本发明摒弃了传统的化学制纤制浆工艺，针对竹材特性，结合了微生物学、纤维非织造布学、纤维纺织学等多学科交叉技术，根据竹材物理特性、化学组成及结构特点，采用高效复合菌剂降解连接粗竹纤维的果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖，使竹材软化，胶质降解，获得不同类型的竹原纤维，改变了传统竹原纤维加工工艺，具有方法和原理上的创新。
(三)本发明通过对现有竹原纤维制备工艺的综合分析和比较，经反复试验研究和验证，选用脱果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的专用菌协同作用，并优化工艺条件，既可对粗竹原纤维中木质素、果胶、半纤维素及戊聚糖等进行有效处理，同时又保留了竹原纤维的天然属性，使其具有针对性强、活力高、纤维强度高、韧性好、纤维质量稳定等优点。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
本发明中涉及到的溶液的百分比，除另有规定外，是指100ml溶液中含有溶质的克数。
实施例1复合菌剂的制备
将具有高效降解粗竹原纤维中果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的专用微生物按照以下体积百分比制备成复合菌剂：
复合菌剂配方I：
复合菌剂配方II：
复合菌剂配方III：
复合菌剂配方IV：
复合菌剂配方V：
上述复合菌剂配方I～V中，脱果胶的微生物菌剂中含4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含2×108个真菌孢子/ml。
其中，所述复合菌剂中脱果胶的放线菌为小单孢菌属(Micromonospora)中的青铜小单孢菌(Micromonosporachalcea)；降解木质素的真菌为白腐菌(Pleurotus ostreatus)，细菌为假单胞菌属(Pseudomonas)中的铜绿假单胞菌(P.Aeruginosa)；降解半纤维素和戊聚糖的真菌为褐腐菌属(Monilia laxa)中的担子菌(Baidimycetes)。
实施例2粗竹原纤维果胶的降解
将产果胶酶的专用菌种--小单孢菌属(Micromonospora)中的青铜小单孢菌(Micromonosporachalcea)活化后，转接到发酵培养基中，在25℃条件下培养20h，作为第一次脱胶菌种，脱胶发酵液菌种可多次循环使用，将粗竹原纤维称量后加入上述发酵液中(粗竹原纤维与发酵液的质量体积比g∶ml为1∶25，常压下经产果胶酶的菌种脱胶48h，用水冲洗干燥观察其脱胶效果，比较脱胶前后的残胶，残胶率为11.4％，同时肉眼观察到脱果胶后的竹原纤维颜色较脱胶前浅。果胶降解发酵培养基配方如下：
葡萄糖，1.5％；硫酸铵，0.15％；无机盐及小分子物质(MgSO4、FeSO4、CuSO4·5H2O、CoSO4)，0.05％；发酵培养基的初始pH值7.0。
实施例3粗竹原纤维木质素的降解
木质素的降解：将优化后的产木质素降解酶的专用菌种(真菌为褐腐菌属(Monilia laxa)中的担子菌(Baidimycetes)，细菌为假单胞菌(Pseudomonas)属中的铜绿假单胞菌(P.Aeruginosa))分别采用液体培养基活化后，其中真菌在32℃条件下培养2d，细菌在37℃条件下培养24h，使真菌、细菌的菌液浓度分别达到1×108个真菌孢子/ml、1×106～1×107CFU/ml。再将真菌、细菌按5～15％接种量加入到真菌、细菌发酵培养基中，调pH值7.0，最后将经脱果胶后的竹原纤维称量后依次加入到真菌、细菌产木质素降解酶的发酵培养基中脱胶48h(竹原纤维与发酵培养基的质量体积比g∶ml为1∶25)，用水冲洗干燥观察其脱胶效果。比较脱胶前后的残胶，残胶率为10.3％，脱胶后手感柔韧度较脱木质素前更软。
实施例4粗竹原纤维半纤维素及戊聚糖的降解
将半纤维素及木聚糖产生菌--褐腐菌(Monilia laxa)活化后，转接到发酵培养基中，在37℃条件下培养3d，离心得到粗酶液，将上述脱果胶、木质素的竹原纤维称量后加入到降解上述酶液中(竹原纤维与酶液的质量体积比g∶ml为1∶25)，常压下脱胶72h，用水冲洗干燥观察其脱胶效果。比较脱胶前后的残胶，残胶率为9.6％，同时肉眼观察到脱胶后竹原纤维较脱胶前颜色更白。
戊聚糖降解发酵培养基配方如下：
(NH4)2SO40.5g，K2HP041.0g，MgSO4·7H2O0.3g，CaCl2·2H2O0.2g，K2S040.1g，NaCl0.2g，自制半纤维素10.0g。
实施例5利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维
将依次经脱果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的竹原纤维与实施例1中制备的复合菌剂按照体积质量比25∶1(ml∶g)进行脱胶5d，用水冲洗干燥观察其脱胶效果。实施例1中五种配方I～V的复合菌剂脱胶效果分别列于表1：
表1五种配方I～V的复合菌剂脱胶效果
| 实施例1的配方 | 残胶率 | 白度 | 手感柔韧度 |
| I | 9.2％ | 50-60 | 差别不大 |
| II | 8.2％ | 60-70 | 更软 |
| III | 8.8％ | 50-60 | 差别不大 |
| IV | 7.7％ | 60-70 | 更软 |
| V | 8.6％ | 50-60 | 差别不大 |
比较脱胶前后的残胶、白度、手感柔韧度。从表1中可以看出，配方IV效果最佳，其残胶率最低，为7.7％，同时肉眼观察到颜色更白，白度在60-70之间，手感更柔软。
在本实施例中，当使用以下复合菌剂对依次经脱果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖的竹原纤维脱胶时，也能达到较好的脱胶效果：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
所述脱果胶的微生物为小单孢菌(Micromonospora)和/或诺卡氏菌(Nocardia)，降解木质素的真菌微生物为白腐菌(Pleurotusostreatus)和/或褐腐菌(Monilia laxa)，降解木质素的细菌微生物为假单胞菌(Pseudomonas)和/或芽孢杆菌(Bacillus)，降解半纤维素和戊聚糖的微生物为褐腐菌(Monilia laxa)。
竹原纤维粗细的控制可通过改变复合菌剂的各种菌的组成、比例及复合菌剂降解时间来实现，以此满足不同类型纤维长度和直径的竹原纤维的需要。
实施例6煮炼
将实施例5中得到的脱果胶、木质素、半纤维素及戊聚糖后的竹原纤维加入低浓度的碱和助剂，在较低碱浓度下煮炼，其煮炼条件如下：
NaOH0.5％；助剂Na3PO41.0％；煮炼时间，2h；煮炼压力2kg/cm2。
采用热风烘干机干燥煮炼后的纤维原料。通过改变复合菌剂的组成、比例及降解时间来控制竹原纤维的长度和粗细。例如，降解时间为8d，所控制的竹原纤维长度为12cm，直径为0.06mm。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.利用微生物复合菌剂脱胶制取竹原纤维的方法，其特征在于，将粗竹原纤维依次经脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物脱胶后，再向上述脱胶后的竹原纤维中加入微生物复合菌剂进行脱胶，然后经碱和助剂煮炼后，干燥即得竹原纤维；
其中，所述微生物复合菌剂由脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物组成；所述助剂为0.5～1.5％Na3PO4。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗竹原纤维的纤维含量占60％以上，纤维细度为0.02-0.1mm，长度为6cm以上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碱为0.2～0.6％NaOH。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，碱和助剂煮炼时间为1～3h，煮炼压力为1～2kg/cm2。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，微生物复合菌剂中各种菌的添加量按体积百分比计为：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脱果胶的微生物为小单孢菌(Micromonospora)和/或诺卡氏菌(Nocardia)，降解木质素的真菌微生物为白腐菌(Pleurotus ostreatus)和/或褐腐菌(Monilia laxa)，降解木质素的细菌微生物为假单胞菌(Pseudomonas)和/或芽孢杆菌(Bacillus)，降解半纤维素和戊聚糖的微生物为褐腐菌(Monilia laxa)。
7.一种微生物复合菌剂，其由脱果胶的微生物、降解木质素的微生物、降解半纤维素和戊聚糖的微生物中的两种或两种以上的微生物组成。
8.根据权利要求7所述的微生物复合菌剂，其特征在于，微生物复合菌剂中各种菌的添加量按体积百分比计为：
其中，脱果胶的微生物菌剂中含1×106～4×107个放线菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含4×108～5×108个真菌孢子/ml；降解木质素的微生物菌剂中含细菌1×106～2×107CFU/ml；降解半纤维素和戊聚糖的微生物菌剂中含1×108～2×108个真菌孢子/ml。
9.根据权利要求8所述的微生物复合菌剂，其特征在于，所述脱果胶的微生物为小单孢菌(Micromonospora)和/或诺卡氏菌(Nocardia)，降解木质素的真菌微生物为白腐菌(Pleurotus ostreatus)和/或褐腐菌(Monilia laxa)，降解木质素的细菌微生物为假单胞菌(Pseudomonas)和/或芽孢杆菌(Bacillus)，降解半纤维素和戊聚糖的微生物为褐腐菌(Monilia laxa)。
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