CN107383388B - 一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物质资源技术领域，公开了一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料及其制备方法，所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料按照质量份数由35份‑60份的棕榈丝、棕榈粕、30份‑40份的农作物秸秆、5份‑10份糯米汁和5份‑15份氮源物质组成。本发明的方法简单、整个过程中无任何化学粘黏剂的添加，生态环保。制备的生物质材料的相关指标等同或者优于刨花板的国家标准GB/T 4897‑2015的质量标准。本发明利用安全环保纯天然的真菌菌丝体来作为粘黏剂来将棕榈丝、棕榈渣制作成生物质材料，从而实现棕榈丝、棕榈渣的资源化利用。

Description

一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物质资源技术领域，尤其涉及一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料及其制备方法。
背景技术
现代工业发展，为人类创造了巨大的物质财富，但也造成资源短缺和生态环境恶化等一系列的全球性危机，特别是石油、矿产资源的短缺和其大量使用所致的一系列环境问题，严重威胁着人类的生存和发展。人们在不断总结和探索的基础上，提出要充分利用可再生、无污染的生物质资源，开发生物质材料，以节约或者替代石油、矿产资源等，满足人类生产、生活对资源、材料和产品的需求，减少温室气体的排放，保护生态环境，这是当代全球以再生资源替代不可再生资源的必要发展趋势。2006年中央《1号文件》指出，要“组织实施生物质工程，开发生物质能源和生物基材料，培育生物质产业”。因此，在我国开展利用生物质材料来替代石油基化学品具有十分重要的意义。棕榈是一种重要的经济作物，广泛种植于东南亚、南美洲、非洲的很多国家，在我国的广东、广西、福建以及海南等地也有种植。其副产物棕榈丝、棕榈粕中含有大量的纤维素和木质素，因此被用于造纸和纤维板方面，发明专利(CN105150347A)中公开一种棕榈丝增韧的高密度复合纤维及制备方法，以农作物秸秆、木材边角料、棕榈丝为原料，在硅烷偶联剂、尿素、十溴二苯乙烷、氢氧化镁、乙醇、水性聚氨酯胶黏剂、乳化石蜡的作用下，制备成具有防火阻燃功能的高密度复合纤维，但由于各种化学试剂的加入，不利于人体健康。棕榈粕营养丰富，被用于饲料、发酵、食用菌等方面，发明专利(CN101889665A)公开一种含棕榈粕、白瓜籽皮粉的育肥鹅配合饲料，该饲料由棕榈粕、玉米、豆粕、菜粕、鱼粉、白瓜籽皮粉、中草药保健添加剂、育肥鹅预混料组成；发明专利(CN104172098A)公开一种利用棕榈粕制备酱油的工艺，该工艺先将棕榈粕润水、蒸煮、冷却，再利用能够表达β-甘露聚糖酶的毕赤酵母培养液处理棕榈粕，再接种沪酿3.042号米曲霉培养制得成曲；成曲加2.5倍量的盐水，天然晒制发酵30～100天，淋头油，保温，沉淀，即得到成品酱油；发明专利(CN103910583A)公开利用棕榈副产品制作的食用菌培养料及其制作方法，以玉米芯、棕榈仁粕、棕榈树叶、棕榈果壳、棕榈壳、棕榈果肉残渣、石灰、棉籽壳、糖、轻质碳酸钙、金针菇根蒂、锰等原料来制作食用菌栽培基质，该栽培料发菌快，菌丝生长旺盛，杂菌污染率低，生产的食用菌具备普通栽培料生产食用菌的各类品质和营养特征，且生物学转化率高。但是，仍然有大部分棕榈丝、棕榈粕没有得到很好的利用，绝大部分作为农业废弃物被堆置或者烧掉，污染了环境，浪费了资源。因此，研究和开发一种棕榈丝、棕榈渣新型资源化利用方法具有重要生态意义和经济意义。本世纪美国的Ecovativedesign公司首次利用真菌菌丝来制作生物质包装材料，但其用途还有一定的局限性。我国幅员辽阔，真菌资源丰富，一些特有的真菌菌丝体发达、菌丝体扭结能力强、原料利用广泛的特点。因此，选用高效利用纤维素和木质素转化能力强的特定真菌，将多余的棕榈丝、棕榈粕制备成生物质材料，该生物质材料可以用于家具、建材等领域。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前大部分棕榈丝、棕榈粕没有得到很好利用，绝大部分作为农业废弃物被堆置或者烧掉，污染环境，浪费资源；制备过程中由于各种化学粘黏剂的加入，不利于人体健康和生态环保。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料按照质量份数由35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆、5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质组成。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，将35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆混合均匀，向培养料中加入已溶有物料干重的0.2％-0.8％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至60％-70％，将培养料堆制发酵15-20天；
步骤二，向发酵后的培养料中添加5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15Mpa条件下高温灭菌0.5小时-1小时；
步骤三，将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的20％w/w-30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度20℃-30℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养7天-15天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养；
步骤四，将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩定型，即可得到生物质材料。
进一步，所述棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm；其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；
棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm；其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕分别占总量的55％、45％。
进一步，所述农作物秸秆是麦秆、玉米秸秆、稻草秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆中的至少一种；秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆分别占25％、53％、22％。
进一步，所述接种真菌菌种编号为AS3.7585，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)。
进一步，所述氮源物质为麦麸和豆粉的混合物，麦麸与豆粉的质量比为5：1。
进一步，所述压缩定型由去水预压和粘合热压两个阶段组成；去水热压的温度为140℃-180℃，压力为4.0MPa-10MPa，热压时间为45s/mm-60s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为120℃-160℃，压力为2.5MPa-6MPa，热压时间为50s/mm-70s/mm。
本发明的另一目的在于提供一种由所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料制造的家具。
本发明的另一目的在于提供一种由所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料制造的建材。
本发明的优点及积极效果为：制备过程预先对原料进行堆制发酵，将原料中的纤维素、半纤维素和木质素组成的三维网状大分子断裂成小分子物质，原料变得蓬松，细胞表面的增大，同时也破坏了原料表面的硅质，增加了原料的亲水性。接种真菌后，菌丝体在发酵后的原料中迅速生长，将原料紧紧地粘合包裹形成一个整体，同时糯米汁的加入一方面可以为菌丝体的生长提供额外营养成分，使菌丝体生长更加旺盛，扭结粘合能力更强，另一方面糯米汁也有一定的粘合能力，生长好的样品再在一定外力的作用下，形成致密性更好的材料。该制作过程完全利用真菌菌丝体作为天然的“胶水”制作韧性好、抗压抗震强度好的生物质材料，该生物质材料可以用家具、建材领域；同时，实现棕榈丝、棕榈渣资源的综合利用，变废为宝，避免了胡乱丢弃或焚烧产生的污染，保护了环境，促进可持续发展。
本发明的方法简单、整个过程中无任何化学粘黏剂的添加，生态环保。制备的生物质材料的相关指标等同或者优于刨花板的国家标准GB/T 4897-2015的质量标准。本发明利用安全环保纯天然的真菌菌丝体来作为粘黏剂来将棕榈丝、棕榈渣制作成生物质材料，从而实现棕榈丝、棕榈渣的资源化利用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料按照质量份数由35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆、5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质组成。
如图1所示，本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法包括以下步骤：
S101：将35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆混合均匀，向培养料中加入已溶有物料干重的0.2％-0.8％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至60％-70％，将培养料堆制发酵15-20天；
S102：向发酵后的培养料中添加5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15Mpa条件下高温灭菌0.5小时-1小时；
S103：将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的20％w/w-30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度20℃-30℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养7天-15天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养；
S104：将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩定型，即可得到生物质材料。
棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm，其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm，其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕分别占总量的55％、45％；棕榈丝、棕榈渣要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％；
农作物秸秆可以是麦秆、玉米秸秆、稻草秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆中的至少一种，秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆分别占25％、53％、22％；秸秆要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％；
接种真菌菌种具有菌丝体发达，扭结能力强，抗杂菌性强，原料利用广泛的特点。菌种购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，编号为AS3.7585；该菌株最适生长温度25℃，最适生长pH为6.0；母种培养基为综合PDA培养基，配方：马铃薯提取液1.0L，葡萄糖20.0g，KH2PO4 3.0g，MgSO4·7H2O 1.5g，维生素B1微量，琼脂15.0g，pH 6.0。
氮源物质为麦麸和豆粉的混合物，麦麸与豆粉的质量比为5：1，
压缩定型由去水预压和粘合热压两个阶段组成。其中，去水热压的温度为140℃-180℃，压力为4.0MPa-10MPa，热压时间为45s/mm-60s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为120℃-160℃，压力为2.5MPa-6MPa，热压时间为50s/mm-70s/mm。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法包括以下步骤：
(1)制备培养料：将50份的棕榈丝、棕榈渣和35份的小麦秸秆混合均匀；向培养料中加入已溶有物料干重的0.5％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至70％，将培养料堆制发酵20天。
棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm，其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm，其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕分别占总量的55％、45％；棕榈丝、棕榈渣要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％；小麦秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆分别占25％、53％、22％；小麦秸秆要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％。
(2)培养料灭菌：向发酵后的培养料中添加6份糯米汁和9份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15Mpa条件下高温灭菌1小时。
(3)样品成型：将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度25℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养10天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养。
(4)样品定型：将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩。其中，去水热压的温度为160℃，压力为8.0MPa，热压时间为50s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为120℃，压力为6MPa，热压时间为65s/mm。
实施例2
本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法包括以下步骤：
(1)制备培养料：将52份的棕榈丝、棕榈渣和30份的玉米秸秆混合均匀；向培养料中加入已溶有物料干重的0.3％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至65％，将培养料堆制发酵16天。
棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm，其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm，其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕分别占总量的55％、45％；棕榈丝、棕榈渣要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％；玉米秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆分别占25％、53％、22％；小麦秸秆要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％。
(2)培养料灭菌：向发酵后的培养料中添加8份糯米汁和10份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15Mpa条件下高温灭菌0.5小时。
(3)样品成型：将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度25℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养8天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养。
(4)样品定型：将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩。其中，去水热压的温度为165℃，压力为8.0MPa，热压时间为50s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为140℃，压力为3MPa，热压时间为60s/mm。
实施例3
本发明实施例提供的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法包括以下步骤：
(1)制备培养料：将45份的棕榈丝、棕榈渣和35份的稻草秸秆混合均匀；向培养料中加入已溶有物料干重的0.4％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至65％，将培养料堆制发酵18天。
棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm，其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm，其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕分别占总量的55％、45％；棕榈丝、棕榈渣要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％；稻草秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆分别占25％、53％、22％；小麦秸秆要求新鲜、无霉变，且含水量都小于10％。
(2)培养料灭菌：向发酵后的培养料中添加8份糯米汁和12份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15Mpa条件下高温灭菌1小时。
(3)样品成型：将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度25℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养8天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养。
(4)样品定型：将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩。其中，去水热压的温度为170℃，压力为8.0MPa，热压时间为50s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为130℃，压力为3.5MPa，热压时间为60s/mm。
本发明的各实施例所得生物质材料的性能指标：
样品\性能指标 密度(Kg/m<sup>3</sup>) 静曲强度(MPa) 甲醛释放量(mg/m<sup>3</sup>) 吸水厚度膨胀率(％)
实施例1 640 17.36 0.013 4.4
实施例2 726 16.74 0.019 3.7
实施例3 694 17.49 0.021 4.5
国标GB/T 4897-2015 500-850 ≥16.0 ≤0.12 ≤8.0
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料按照质量份数由35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆、5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质组成；
所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将35份-60份的棕榈丝、棕榈粕、30份-40份的农作物秸秆混合均匀，向培养料中加入已溶有物料干重的0.2％-0.8％尿素的水溶液，补充自来水调节物料的含水量至60％-70％，将培养料堆制发酵15天-20天；
步骤二，向发酵后的培养料中添加5份-10份糯米汁和5份-15份氮源物质，搅拌均匀后，装入灭菌袋，于121℃-126℃、0.15MPa条件下高温灭菌0.5小时-1小时；
步骤三，将灭菌处理后的培养原料冷却至室温，在无菌接种室内将生产用固体真菌菌种按培养料湿重的20％w/w-30％w/w接种于培养原料中，混合均匀；将混合后的原料铺设至相应的定型模具内，压实密封后放置于温度20℃-30℃，通风良好的黑暗无菌培养室中培养7天-15天；待菌丝长满整个模具，并在表面大量扭结后停止培养；
步骤四，将样品从模具内取出，放置于铺设有聚四氟乙烯膜的万能实验热压机上压缩定型，即可得到生物质材料。
2.如权利要求1所述的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述棕榈丝与棕榈粕的质量比为3：7，棕榈丝的长度为20mm-40mm；其中，长度为20mm-30mm、30mm-40mm规格的棕榈丝所占的质量分数分别为58％、42％；
棕榈粕为粉粒状材料，粉粒的直径为0.1mm-1.5mm；其中直径为0.1mm-1mm、1mm-1.5mm粉粒状棕榈粕所占的质量分数分别为55％、45％。
3.如权利要求1所述的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述农作物秸秆是麦秆、玉米秸秆、稻草秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆中的至少一种；秸秆的长度为1mm-25mm，其中，长度为1mm-10mm、10mm-15mm、15mm-25mm的秸秆所占的质量分数分别为25％、53％、22％。
4.如权利要求1所述的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述接种真菌菌种编号为AS3.7585，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)。
5.如权利要求1所述的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述氮源物质为麦麸和豆粉的混合物，麦麸与豆粉的质量比为5：1。
6.如权利要求1所述的基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料，其特征在于，所述压缩定型由去水预压和粘合热压两个阶段组成；去水热压的温度为140℃-180℃，压力为4.0MPa-10MPa，热压时间为45s/mm-60s/mm，直至压缩板坯的含水量低于10％；粘合热压的温度为120℃-160℃，压力为2.5MPa-6MPa，热压时间为50s/mm-70s/mm。
7.一种由权利要求1所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料制造的家具。
8.一种由权利要求1所述基于棕榈丝和棕榈粕的生物质材料制造的建材。
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