CN104060490A - 虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，涉及生物工程领域。涉及利用虫拟蜡菌为出发菌株，通过固态发酵，降解秸秆木质素的方法，其生产工艺流程是秸秆经过粉碎、预湿等预处理工艺，虫拟蜡菌经过液体摇瓶培养、一级种子培养、与秸秆混合进行固态发酵，降解秸秆中的木质素。此发酵工艺简便，不会对环境造成污染，也不会对资源造成浪费。采用此方法木质素降解率为70～96%，降解木质素后的秸秆可用于制备燃料乙醇。
Description
技术领域
本发明涉及生物工程领域，特指秸秆通过虫拟蜡菌降解秸秆中的木质素的工艺流程。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和实现可持续发展的动力，目前世界上使用的80％的能源为不可再生的化石燃料，可这些燃料资源有限，迟早会枯竭殆尽，另外人类在使用化石燃料也向大气中散发出大量的二氧化碳和二氧化硫气体，使全球气候变暖。生物质能源是化石能源的替代品，它具有化石能源无法取代的优越性，即生物质能源属于清洁能源，资源不受限制，因此开发生物质能源是解决能源危机的关键举措。
我国是农业大国，每年农作物秸秆年产逾6亿吨，除少量被用作纺织、造纸行业，但大部分以堆积、焚烧的形式倾入环境，既浪费了资源也给环境造成了极大地危害。植物的秸秆主要有木质素和纤维素构成。木质素是一类由苯酚和非苯酚结构单元通过醚键和碳碳键等连接而成的具有芳香族特性的天然聚合物，其在组分种类和连接键类型方面的多样性，意味着其结构的异质性与不规则性，也决定了对木质素进行生物降解的复杂性和特殊性，且其在植物细胞壁中与半纤维素以共价键形式结合后，将纤维素分子包埋在其中，形成坚固的天然屏障，使一般的微生物很难进入其中分解纤维素，因此，木质素的降解也是能否有效利用秸秆纤维的关键因素。
目前降解秸秆的主要方法中有代表性的包括蒸汽汽爆预处理、硫酸预处理、氢氧化钠预处理、氨水预处理和生物预处理等5种方法。蒸汽汽爆则是以高压蒸汽渗入纤维内部，以气流的方式从封闭的空隙中释放出来，纤维发生一定的机械断裂，使原料中大部分半纤维素和少量木质素、纤维素降解溶出，该方法成分较高，需要大型的设备，木质素还需要处理；酸处理法是利用硫酸水解糖苷键、酯键等，使玉米秸秆纤维的网状结构疏松，但是该方法耗用大量的有机酸或无机酸，木质素仍需要进一步处理，不适应大规模的工业化生产。碱处理和氨水处理是利用木质素溶于碱性溶液，与酸处理一样同样存在环境污染问题。这由于些方法普遍都存在反应条件较难掌握、反应温度高、处理时间长、占用空间大、处理效果不理想，不能去除木质纤维素等问题。
发明内容
本发明人经过深入的研究，摸索出一种以虫拟蜡菌为出发菌株，通过固体培养降解秸秆中的木质素的工艺，包括以虫拟蜡菌为出发菌株，
进行试管扩大培养、液体摇瓶培养、一级种子培养和固体发酵培养，降解秸秆中的木质素。
本发明所用的菌种是虫拟蜡菌任何一种菌种，如中国普通微生物菌种保藏管理中心（CCGMC）、中国农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)等等保藏的菌种。
本发明所使用的原料是任意一种秸秆，如玉米秸秆、稻草秸秆、麦秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆等等所有含有木质素的农作物秸秆，秸秆首先经过粉碎，过20～100目的筛。
本发明所述的发酵工艺中，其试管扩大培养基为马铃薯蔗糖培养基。
本发明所述的发酵工艺中，其液体摇瓶培养基和一级种子培养基均为（克/升）：玉米芯粉5～30，酒石酸铵0.1～5，苯甲醇0.2～3，硫酸镁0.2～1，吐温800.5～10，磷酸二氢钾2～9，邻苯二甲酸3～18，pH5～8，120～140℃灭菌20～40分钟；
其中所述的摇瓶培养工艺条件为，接种一环虫拟蜡菌于装有16～48%（体积比）培养基的三角瓶中，在转速：150转/分，30～50℃，培养24～72小时；
其中所述的一级种子培养工艺为，按1～20%（体积比）的接种量将摇瓶培养种子液接种到一级种子培养基中，在温度30～50℃，搅拌转速50～200转/分，通气量0.2～2：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养18～72小时；
本发明所述的固体发酵培养中，其固体发酵培养基组成为：秸秆10千克，水20～60千克，葡萄糖0.5～3千克，尿素0.05～0.2千克；硫酸铜5～15克，硫酸亚铁5～15克，硫酸锰5～20克，该培养基各成分可以按同等此比例放大；
其中所述的固体发酵培养发酵工艺为：按2～20%（种子液体积/发酵培养基重量），培养料厚度为0.5～0.8米，料宽0.5～2米，长度不限，通气量为0.3～1.5：1（气体体积/发酵培养基重量）/分钟，培养时间为3～23天，中途翻料1～2次。
在本发明所述的发酵工艺中，在进行摇瓶培养之前，首先将虫拟蜡菌菌种接入新配置的马铃薯蔗糖培养基中进行培养，培养温度30～50℃，培养时间48～144小时；4～10℃保存备用。
由本发明获得秸秆发酵物含有大量的白色虫拟蜡菌孢子，发酵物色质浅褐色至褐色，具有酒香味，木质素降解率为70－96%。
根据本发明所述的发酵培养工艺，结合本领域的基本知识，可以根据生产需要，增加二级、三级甚至四级种子罐，进一步扩大固态发酵生产规模，以进行工业化生产。二级、三级甚至四级种子罐采用的培养基与摇瓶培养基和一级种子培养基相同，接种量为5～20%，培养条件同于一级种子培养。
采用此工艺的优点采用固态发酵，并且不经高温高压处理，这样不会给环境造成污染，也不会浪费资源。
为了进一步阐述本发明的技术方案所涉及的材料及工艺，给出了以下实施例，但是这些实施例不以任何形式限制本发明的范围。
具体实施方式
根据此工艺，木质素测定采用下列方法：称取样品100mg置于15mL反应瓶中，加入3mL72％H2SO4，25℃水解3h，并不断震荡，水解产物转入三角瓶中，加190mL超纯H2O于121℃反应1h，冷却，用已恒重（Ｗ1）的砂芯坩锅抽滤，滤渣用200mL热水反复洗涤，滤渣105℃烘至恒重，称得重量（W2）并计算酸不溶性木质素含量(Ｗ2－Ｗ1)/Ｗ。滤液补至500mL，在205nm波长下测滤液的吸光度。当样品溶液的吸光度（A）在0.2～0.7之间时，根据公式（1），计算得酸溶性木质素含量ρ(mg/g)。每个样品重复6次，取平均值。×
式中，D为样品溶液的稀释倍数。
实施例1
1、试管斜面菌种的制作
在新配置的马铃薯蔗糖培养基（诸葛健、王正祥主编的“工业微生物实验技术手册”，1994，367页）中接入一环虫拟蜡菌菌种，31℃，培养时间50小时；4℃保存备用。
2、液体摇瓶培养菌种的制作
精确称取玉米芯粉5克，酒石酸铵0.1克，苯甲醇0.2克，硫酸镁0.2克，吐温800.5克，磷酸二氢钾2克，邻苯二甲酸缓冲液3克，水1000mL,pH5，分装于250mL三角瓶中，每瓶50克，共20瓶，120℃灭菌40分钟；冷却后，每瓶接入一环4℃保存的虫拟蜡菌菌种，在30℃，150转/分，培养72小时；
3、一级液体菌种的制作
精确称取玉米芯粉50克，酒石酸铵1克，苯甲醇2克，硫酸镁2克，吐温805克，磷酸二氢钾20克，邻苯二甲酸30克，水10L，装于15L的种子罐中，120℃灭菌20分钟；灭菌冷却后，按20%的接种量接入上述液体摇瓶菌种，在温度30℃，搅拌转速50转/分，通气量0.2：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养72小时；
4、稻草秸秆木质素降解
稻草秸秆粉碎，过20目筛，称取该秸秆粉750千克，水1500千克，葡萄糖37.5千克，尿素3.75千克；硫酸铜375克，硫酸亚铁375克，硫酸锰375克，充分拌匀，按20%的接种量接入上述一级种子培养液，混合均匀，制成培养料厚度为0.5米，料宽0.5米，长度37.5米的料堆，控制温度25℃培养23天，中途翻料2次，获得降解木质素的秸秆。该秸秆发酵物含有大量的白色虫拟蜡菌孢子，发酵物浅褐色，有酒香味。木质素降解率70%。
实施例2
1、试管斜面菌种的制作
在新配置的马铃薯蔗糖培养基（诸葛健、王正祥主编的“工业微生物实验技术手册”，1994，367页）中接入一环虫拟蜡菌菌种，41℃，培养时间100小时；7℃保存备用。
2、液体摇瓶培养菌种的制作
精确称取玉米芯粉150克，酒石酸铵250克，苯甲醇15克，硫酸镁0.4克，吐温804克，磷酸二氢钾5克，邻苯二甲酸缓冲20克，水10L,pH6，分装于250mL三角瓶中，每瓶100克，共100瓶，130℃灭菌30分钟；冷却后，每瓶接入一环7℃保存的虫拟蜡菌菌种，在41℃，150转/分，培养50小时；
3、一级液体菌种的制作
精确称取玉米芯粉2000克，酒石酸铵200克，苯甲醇150克，硫酸镁60克，吐温8060克，磷酸二氢钾400克，邻苯二甲酸1000克，水100L，装于130L的种子罐中，130℃灭菌30分钟；冷却后，按体积比为10%的比例接入上述液体摇瓶菌种，在温度41℃，搅拌转速125转/分，通气量1：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养50小时；
4、玉米秸秆木质素降解
玉米秸秆粉碎，过60目筛，称取该秸秆粉1000千克，水3000千克，葡萄糖150千克，尿素10千克；硫酸铜600克，硫酸亚铁600克，硫酸锰1000克，充分拌匀，按10%（体积/重量）接入上述一级种子培养液，混合均匀，制成培养料厚度为0.65米，料宽1米，长度225米的料堆，控制温度40℃培养15天，中途翻料2次，培养结束后发酵物烘干，获得降解木质素的秸秆。该秸秆发酵物含有大量的白色虫拟蜡菌孢子，发酵物黄褐色，有酒香味。木质素降解率78.4%。
实施例3
1、试管斜面菌种的制作
在新配置的马铃薯蔗糖培养基（诸葛健、王正祥主编的“工业微生物实验技术手册”，1994，367页）中接入一环虫拟蜡菌菌种，58℃，培养时间144小时；10℃保存备用。
2、液体摇瓶培养菌种的制作
精确称取玉米芯粉300克，酒石酸铵50克，苯甲醇30克，硫酸镁10克，吐温80100克，磷酸二氢钾90克，邻苯二甲酸缓冲液180克，水10L,pH7.5，分装于250mL三角瓶中，每瓶120mL，共80瓶，140℃灭菌20分钟；冷却后，每瓶接入一环10℃保存的虫拟蜡菌菌种，在58℃，150转/分，培养72小时；
3、一级液体菌种的制作
精确称取玉米芯粉1500克，酒石酸铵250克，苯甲醇150克，硫酸镁50克，吐温80500克，磷酸二氢钾450克，邻苯二甲酸缓冲液900克，水50L，装于70L的一级种子罐中，140℃灭菌40分钟；灭菌冷却后，按5%的接种量接入上述液体摇瓶菌种，在温度58℃，搅拌转速200转/分，通气量2：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养72小时；
4、二级液体菌种的制作
精确称取玉米芯粉15000克，酒石酸铵2500克，苯甲醇1500克，硫酸镁500克，吐温805000克，磷酸二氢钾4500克，邻苯二甲酸缓冲液9000克，水500L，装于700L的一级种子罐中，140℃灭菌40分钟；灭菌冷却后，按5%的比例接入上述一级液体菌种，在温度58℃，搅拌转速200转/分，通气量2：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养18小时；
5、麦草秸秆木质素降解
麦草秸秆粉碎，过100目筛，称取该秸秆粉3500千克，水21000千克，葡萄糖525千克，尿素52.5千克；硫酸铜5000克，硫酸亚铁5000克，硫酸锰6000克，充分拌匀，按5%的比例接入上述二级种子培养液，混合均匀，制成培养料厚度为0.76米，料宽2米，长度300米的料堆，控制温度58℃培养6天，中途翻料1次，培养结束后发酵物烘干，获得降解木质素的秸秆。该秸秆发酵物含有大量的白色虫拟蜡菌孢子，发酵物褐色，有酒香味，木质素降解率95.4%。
实施例4
上述降解木质素后的秸秆，加入5倍体积的水，水体积0.5％纤维素酶（山东康源生物科技有限公司）和0.1％的酵母混合均匀，30℃发酵5天后酒精度都可以达到6％以上。
Claims (11)
1.虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于按照下述步骤进行：以虫拟蜡菌为出发菌株，通过固态发酵，降解秸秆木质素的工艺，包括以虫拟蜡菌菌种，进行试管扩大培养、液体摇瓶培养、一级种子培养和固体发酵培养，得到降解木质素的秸秆。
2.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于所用的菌种是虫拟蜡菌任何一种菌种，如中国普通微生物菌种保藏管理中心（CCGMC）、中国农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)、等等保藏的菌种。
3.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于所使用的原料是任意一种秸秆，如玉米秸秆、稻草秸秆、麦秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆等等所有含有木质素的农作物秸秆，秸秆首先经过粉碎，过20～100目的筛。
4.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解木质素秸秆的方法，其特征在于所述的发酵工艺中，其试管扩大培养基为马铃薯蔗糖培养基。
5.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于所述的发酵工艺中，其液体摇瓶培养基和一级种子培养基均为克/升：玉米芯粉5～30，酒石酸铵0.1～5，苯甲醇0.2～3，硫酸镁0.2～1，吐温800.5～10，磷酸二氢钾2～9，邻苯二甲酸3～18，pH5～8，120～140℃灭菌20～40分钟。
6.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于其中所述的摇瓶培养工艺条件为，接种一环虫拟蜡菌试管斜面孢子于装有体积比16～48%培养基的三角瓶中，在转速：150转/分，30～50℃，培养24～72小时。
7.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于其中所述的一级种子培养工艺为，按体积比1～20%的接种量将摇瓶培养种子液接种到一级种子培养基中，在温度30～50℃，搅拌转速50～200转/分，通气量0.2～2：1体积/体积/分钟（通气气体体积/发酵液体积/分钟），培养18～72小时。
8.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于所述的固体发酵培养中，其固体发酵培养基组成为：秸秆10千克，水20～60千克，葡萄糖0.5～3千克，尿素0.05～0.2千克；硫酸铜5～15克，硫酸亚铁5～15克，硫酸锰5～20克，该培养基各成分可以按同等此比例放大。
9.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于其中所述的固体发酵培养发酵工艺为：按种子液体积/发酵培养基重量的2～20%，培养料厚度为0.5～0.8米，料宽0.5～2米，长度不限，通气量为0.3～1.5：1（气体体积/发酵培养基重量）/分钟，培养时间为3天～23天，中途翻料1～2次，获得降解木质素的秸秆发酵物，该发酵物具有酒香味，色质浅褐素至褐色。
10.根据权利要求1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于在本发明所述的发酵工艺中，在进行摇瓶培养之前，首先将虫拟蜡菌菌种接入新配置的马铃薯蔗糖培养基中进行培养，培养温度30～50℃，培养时间48～144小时；4～10℃保存备用。
11.根据权利要求书1所述的虫拟蜡菌降解秸秆木质素的方法，其特征在于本发明所得到的发酵物可添加适量的纤维素酶和酵母发酵制备燃料乙醇。
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