CN108753304A - 木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松剂、燃料或堆肥发酵填充剂中的应用 - Google Patents

木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松剂、燃料或堆肥发酵填充剂中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新方法制备的木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松剂、生物质锅炉颗粒燃料或畜禽粪便堆肥发酵填充剂中的用途。所述木质纤维素的制备包括水稻秸秆的铡切、小段水稻秸秆的浸润、湿润秸秆的蒸汽爆破、爆破后的秸秆高速湿法粉碎和小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解的步骤。本发明是回收水稻秸秆加工过程中的废弃物、无害化利用的环境友好型技术。

Description

木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松剂、燃料或堆肥发酵填充 剂中的应用
技术领域
本发明属于现代农业产业技术领域，具体涉及木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松 剂、生物质锅炉颗粒燃料或畜禽粪便堆肥发酵填充剂中的应用。
背景技术
水稻是中国第一大粮食作物，年种植面积约3185.7万hm2，年总产量约2亿吨，分别占粮食种植总面积的三分之一和粮食总产量的二分之一。而湖南省水稻种植面积和产量居全国首位，年种植面积稳定在405.0万hm2，年总产量达2578.6万吨；其后是江西、 广西、江苏、安徽、广东、湖北、四川、黑龙江等省，这些省份的水稻种植面积年均超 过200.0万hm2，年总产量超过1000.0万吨。据统计，水稻的谷草比为0.98-1.03，水稻 秸秆的生物量与水稻谷粒产量大致相当，是一项重要的生物资源。仅湖南省水稻秸秆年 总量超过2500万吨，而其他主产省区的水稻秸秆总量同样巨大。我国各类农作物秸秆年 总产量就达6亿吨以上，以水稻、玉米和小麦为主，共占76.1％；其中，稻草2.3亿吨， 位居首位。水稻秸秆晒干后的含水量为13.0％，表观密度低于0.1g/cm3，经机械加压困 扎后，密度为0.2-0.3g/cm3；水稻秸秆的灰熔点特征温度中，变形温度为925℃，软化温 度为970℃，半球温度1120℃，流动温度1222.5℃；燃烧灰分含量13.0％，挥发分含量 67.2％，固定碳6.3％。正因水稻秸秆质轻，柔性和韧性好，一般的粉碎机难以有效粉 碎。水稻秸秆具有较高的C/N比，其主要成分，一类是易于降解的蛋白质、矿物质、脂 类等。另一类是难降解的纤维素、半纤维素和木质素，占秸秆干物质含量的70％-80％， 其中约35％为纤维素、25％为半纤维素和15％为木质素。而纤维素分子的连接键在25℃ 下的半衰期为500-800万年，在自然状态下极难分解。由于水稻秸秆质轻，挥发分含量 较高，易被引燃，易于燃尽，田间燃烧过程中，受热气流将灰分粒子带入大气，形成严 重污染。
因此，合理利用水稻秸秆资源将产生巨大的社会与经济效益，秸秆的肥料化、饲料化、能源化、基料化、原料化这“五化”利用已成为学术研究与生产应用的热点问题。
目前，水稻秸秆的利用方法主要有：直接燃烧，秸秆直接还田，秸秆饲料，秸秆能源，秸秆纸浆，秸秆肥料等方法。但这些处理方法，因处理秸秆的成本过大(时间成本和 劳动力成本为主)而附加价值低，结果很不尽人意。
低聚木糖是一种功能性糖类，是由2-7个木糖分子以β(1-4)糖苷键结合而成的功能 性聚合糖。是双歧杆菌最优益生元，能促进动物肠道内有益菌特别是双歧杆菌的定殖，抑制有害微生物的繁殖，提高机体免疫力。低聚木糖的功效性是其它聚合糖类(低聚果 糖、低聚半乳糖、乳酮糖、大豆低聚糖、异麦芽低聚糖、棉子糖、低聚乳果糖)的20 倍。
在目前专利、文献资料和生产方法中，主要以山东龙力公司为代表，以玉米芯为原料经酶 法水解制备，结合膜分离、活性炭脱色完成。但是，已有的制备方法中，初始原料为木聚 糖，经过乙醇沉淀、超滤、纳滤柱层析等方法提纯得到，限制了该技术的应用范围。特别 在水稻秸秆制备低聚木糖方面由于成本高，工艺难度大，仍然没有产业化。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种新方法制备的木质纤维素在制备土壤调理 剂、膨松剂、生物质锅炉颗粒燃料或畜禽粪便堆肥发酵填充剂中的用途。
所述木质纤维素按如下步骤制备：
(1)水稻秸秆的铡切：将干燥的水稻秸秆切断为3-6cm的小段水稻秸秆；
(2)小段水稻秸秆的浸润：将3-6cm的小段水稻秸秆，在常温下用自来水完全浸润60-90min，使秸秆含水量达75-90％；
(3)湿润秸秆的蒸汽爆破：将含水量为75％-90％小段湿润秸秆用蒸汽爆破机连续爆破，爆 破饱和蒸汽压力为1.15-1.55MPa，爆破饱和蒸汽压力对应的温度为186-200℃；压力维 持时间为2-4min，瞬间释放压力，得到秸秆固液混合物；
(4)爆破后的秸秆高速湿法粉碎：将秸秆固液混合物粉碎至80-200目，期间，加自来水 调节固液混合物中的固液质量比为1：(8-15)。
(5)小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解：将由步骤(4)所得的经高速湿法粉碎后的秸 秆颗粒，按干重每kg秸秆颗粒添加木聚糖酶100-200IU，且要求固形物水稻秸秆粉与水 的固液质量比为1:(10-15)，控制酶法水解温度为50-55℃，pH 4.8-5.5，水解时间24-30h，期间不断搅拌，搅拌速度为50-60r/m，得到低聚木糖水解液混合物，所述低聚木糖水 解液混合物中还原糖质量百分比含量为1.5-2.5％，将低聚木糖水解液混合物95-100℃灭 酶10min，得水解产物；
(6)水解产物中非低聚木糖的去除：按秸秆纤维颗粒干重的0.05-0.1％向水解产物中加入 活性酵母菌，控温30-34℃，pH 4.8-5.5，保持搅拌速度50-60r/m，维持6-10h，得去 除非低聚木糖的水解产物；
(7)去除非低聚木糖的水解产物的固液分离：将去除非低聚木糖的水解产物泵入板框过 滤机，维持框内压力0.8-1.0Mpa，获得固体纤维滤饼和板框过滤滤液，所述固体纤维滤 饼即为木质纤维素滤饼。
优选地，步骤(1)所述干燥的水稻秸秆的含水量为8-13％；步骤(2)中，秸秆含水量达75％-90％时，秸秆中的固液质量比为1：(3-9)；步骤(4)中是用高速切割湿法粉碎 机将秸秆固液混合物粉碎至80-200目，切割速度为6000-8000r/m；所述木聚糖酶为木聚 糖内切酶或利用康氏木霉AS3.2774，经代谢调控固体发酵方法制备的木聚糖内切酶制剂， 所述的固体发酵方法为：在培养基中接种康氏木霉AS3.2774后，在28-32℃温度条件下， 静置发酵4.5-5.5d，再用自来水浸提1h，最后经超滤浓缩，即得酶制剂，所述培养基 中包括如下重量份的组分：水稻秸秆粉10-15、玉米芯粉10-15、麸皮10-15、硫酸铵1-2、 水55-65，培养基为自然pH；步骤(5)中，控制pH 4.8-5.5时，采用弱酸或弱碱调节； 步骤(6)所述酵母菌为酿酒酵母、面包酵母，、安琪酵母、果酒酵母的至少一种。
当所述木质纤维素作为土壤调理剂、膨松剂使用时，每亩土壤使用量为400—600kg。 该木质纤维素氮素不足，虽然不能直接作为肥料使用，但富含有机质，颗粒在80目以下， 可作为土壤调理剂、膨松剂，改善土壤颗粒性和团聚型结构，实现土壤可持续利用。本发 明木质纤维颗粒既是一种土壤调理剂，也是一种生物碳，由于前述工艺经高温蒸汽爆破， 杀灭了微生物，不存在土传病害，无需干燥，可直接施用果园、红薯田、蔬菜田、水稻田等土壤，就地消化利用，每亩使用量(干重)400-600kg，利用土壤微生物自然降解，改 善土壤。
当所述木质纤维素制备生物质锅炉颗粒燃料时，是将木质纤维素滤饼直接晒干、风干 或晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，所述固体粉剂的密度为0.1—0.25g/cm3，再将 固体粉剂高压低温压缩加工压制成0.5—4cm3大小的生物质锅炉颗粒燃料，生物质锅炉颗 粒燃料的颗粒密度为1.1—1.4g/cm3。输送、储存极为方便，同时，其燃料性能大为改善，发热量高。该锅炉颗粒燃料既可以由于本发明的工艺中锅炉产汽，也可以用于市售，避免废渣直接排放，是替代石化能源的高科技环保产品。
当所述木质纤维素制备畜禽粪便堆肥发酵填充剂时，是将木质纤维素滤饼直接晒干、 风干或晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，将固体粉剂与畜禽粪便按质量比1：(2—3) 混合，调解混合物的含水量为55—65％，并在混合物中接种市售的发酵剂，即得畜禽粪便 堆肥发酵填充剂，所述发酵剂的质量为混合物质量的1—2％。用该发酵填充剂堆肥发酵剂18-22天，实现充分腐熟，达到有机肥标准。
下面对本发明作进一步说明：
与现有技术相比，本发明在水稻秸秆无害化、资源化综合利用方面，具有显著优势和 技术进步：
一是有效提高水稻秸秆附加值，由于低聚木糖的肠道益生功能显著，市场价格是蔗糖 的10-15倍，有利于本推进工艺运行，本发明工艺运行远远优于现有低值的秸秆堆肥、秸 秆饲料化途径。因此，加工企业将有利可图。
二是工艺先进，本发明采用铡切、蒸汽爆破、高速湿法粉碎、酶法水解结合进行。与现有低聚木糖加工工艺的干法粉碎、酸碱预处理、木聚糖的提取、酶法水解工艺相比，工 艺更为简化，整个过程无需先提取木聚糖，再酶法水解；工艺过程没有使用强酸强碱，对 环境很友好；高速湿法粉碎克服干法粉碎难度和电力高负荷投入，节省能源。
三是采用清洁工艺生产，生产过程除爆破产生噪音污染外(也可以采用降噪)，废渣、 废气、废液排放极少。其中秸秆固形物颗粒进一步干燥作为土壤调理剂、膨松剂使用或畜 禽粪便堆肥填充剂使用；或经高压低温压缩加工成型的颗粒状燃料。
总之，本发明是回收水稻秸秆加工过程中的废弃物、无害化利用的环境友好型技术。
具体实施方式
实施例1
所述木质纤维素按如下步骤制备：
(1)水稻秸秆的铡切：将干燥的水稻秸秆50kg用配有高速旋转锰钢刀片的铡草机切断为3-6cm的小段水稻秸秆；
(2)小段水稻秸秆的浸润：将3-6cm的小段水稻秸秆，在常温下用自来水完全浸润90min，使秸秆含水量达90％；
(3)湿润秸秆的蒸汽爆破：将含水量为90％小段湿润秸秆用蒸汽爆破机连续爆破，爆 破饱和蒸汽压力为1.55MPa，爆破饱和蒸汽压力对应的温度为200℃；压力维持时间为2.5min，瞬间释放压力，得到秸秆固液混合物；
(4)爆破后的秸秆高速湿法粉碎：将秸秆固液混合物用高速切割湿法粉碎机粉碎至150目，切割速度为8000r/m，期间，加自来水调节固液混合物中的固液质量比为1：12；
(5)小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解：将步骤(4)所得的经高速湿法粉碎后的秸秆颗粒，按干重每kg秸秆颗粒长沙水地沙生物科技有限公司提供的黑曲霉突变菌株木聚糖酶200IU，且要求固形物水稻秸秆粉与水的固液质量比为1:12，控制酶法水解温度 为50℃，pH 4.8-5.0，水解时间30h，期间不断搅拌，搅拌速度为50r/m，得到低聚木糖 水解液混合物，所述低聚木糖水解液混合物中还原糖质量百分比含量为2.5％，将低聚木糖 水解液混合物95-100℃灭酶10min，得水解产物；
(6)水解产物中非低聚木糖的去除：取其中低聚木糖占还原糖的含量达71％的水解产 物150kg，加入安琪酵母菌20g，控温30℃，pH 4.8，保持搅拌速度50r/m，维持6h， 得去除非低聚木糖的水解产物，水解液中低聚木糖占还原糖的含量达93％；
(7)去除非低聚木糖的水解产物的固液分离：将去除非低聚木糖的水解产物泵入板 框过滤机，维持框内压力1.0Mpa，获得固体纤维滤饼和板框过滤滤液，所述固体纤维滤饼即为木质纤维素滤饼。
实施例2
所述木质纤维素按如下步骤制备：
(1)水稻秸秆的铡切：将干燥的水稻秸秆50kg用配有高速旋转锰钢刀片的铡草机切 断为3-6cm的小段水稻秸秆；
(2)小段水稻秸秆的浸润：将3-6cm的小段水稻秸秆，在常温下用自来水完全浸润90min，使秸秆含水量达90％；
(3)湿润秸秆的蒸汽爆破：将含水量为90％小段湿润秸秆用蒸汽爆破机连续爆破，爆 破饱和蒸汽压力为1.55MPa，爆破饱和蒸汽压力对应的温度为200℃；压力维持时间为2.5min，瞬间释放压力，得到秸秆固液混合物；
(4)爆破后的秸秆高速湿法粉碎：将秸秆固液混合物用高速切割湿法粉碎机粉碎至 150目，切割速度为8000r/m，期间，加自来水调节固液混合物中的固液质量比为1：12；
(5)小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解：将步骤(4)所得的经高速湿法粉碎后的秸秆颗粒，按干重每kg秸秆颗粒添加山东中天生物科技有限公司提供的棒曲霉木聚糖酶200IU，且要求固形物水稻秸秆粉与水的固液质量比为1:15，控制酶法水解温度为52℃， pH4.8-5.2，水解时间30h，期间不断搅拌，搅拌速度为60r/m，得到低聚木糖水解液混 合物，所述低聚木糖水解液混合物中还原糖质量百分比含量为2.3％，将低聚木糖水解液混 合物95-100℃灭酶10min，得水解产物；
(6)水解产物中非低聚木糖的去除：取其中低聚木糖占还原糖的含量达71％的水解产 物150kg，加入安琪酵母菌20g，控温30℃，pH 4.8，保持搅拌速度50r/m，维持6h， 得去除非低聚木糖的水解产物，水解液中低聚木糖占还原糖的含量达93％；
(7)去除非低聚木糖的水解产物的固液分离：将去除非低聚木糖的水解产物泵入板 框过滤机，维持框内压力1.0Mpa，获得固体纤维滤饼和板框过滤滤液，所述固体纤维滤饼即为木质纤维素滤饼。
实施例3
所述木质纤维素按如下步骤制备：
(1)水稻秸秆的铡切：将干燥的水稻秸秆50kg用配有高速旋转锰钢刀片的铡草机切断为3-6cm的小段水稻秸秆；
(2)小段水稻秸秆的浸润：将3-6cm的小段水稻秸秆，在常温下用自来水完全浸润90min，使秸秆含水量达90％；
(3)湿润秸秆的蒸汽爆破：将含水量为90％小段湿润秸秆用蒸汽爆破机连续爆破，爆 破饱和蒸汽压力为1.55MPa，爆破饱和蒸汽压力对应的温度为200℃；压力维持时间为2.5min，瞬间释放压力，得到秸秆固液混合物；
(4)爆破后的秸秆高速湿法粉碎：将秸秆固液混合物用高速切割湿法粉碎机粉碎至 150目，切割速度为8000r/m，期间，加自来水调节固液混合物中的固液质量比为1：12；
(5)小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解：将步骤(4)所得的经高速湿法粉碎后的秸秆颗粒，按干重每kg秸秆颗粒添加康氏木霉AS3.2774木聚糖酶150IU，且要求固形物 水稻秸秆粉与水的固液质量比为1:14，控制酶法水解温度为50℃，pH 4.8，水解时间24h， 期间不断搅拌，搅拌速度为55r/m，得到低聚木糖水解液混合物，所述低聚木糖水解液混 合物中还原糖质量百分比含量为2.1％，将低聚木糖水解液混合物95-100℃灭酶10min， 得水解产物；
(6)水解产物中非低聚木糖的去除：取其中低聚木糖占还原糖的含量达71％的水解产 物150kg，加入安琪酵母菌20g，控温30℃，pH 4.8，保持搅拌速度50r/m，维持6h，得 去除非低聚木糖的水解产物，水解液中低聚木糖占还原糖的含量达93％；
(7)去除非低聚木糖的水解产物的固液分离：将去除非低聚木糖的水解产物泵入板 框过滤机，维持框内压力1.0Mpa，获得固体纤维滤饼和板框过滤滤液，所述固体纤维滤饼即为木质纤维素滤饼。
实施例4
当所述木质纤维素作为土壤调理剂、膨松剂使用时，木质纤维素滤饼，不经干燥直接 施用果园、红薯田、蔬菜田、水稻田等土壤，就地消化利用，每亩使用量(干重)400-600kg，作为土壤调理剂、膨松剂，改善土壤颗粒性和团聚型结构，实现土壤可持续利用。
实施例5
当所述木质纤维素制备生物质锅炉颗粒燃料时，将木质纤维素滤饼直接晒干、风干或 晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，所述固体粉剂的密度为0.1—0.25g/cm3，再将固 体粉剂高压低温压缩加工压制成0.5—4cm3大小的生物质锅炉颗粒燃料，生物质锅炉颗粒 燃料的颗粒密度为1.1—1.4g/cm3。输送、储存极为方便，同时，其燃料性能大为改善，发热量高。该锅炉颗粒燃料既可以由于本发明的工艺中锅炉产汽，也可以用于市售，避免废渣直接排放，是替代石化能源的高科技环保产品。
实施例6
当所述木质纤维素制备畜禽粪便堆肥发酵填充剂时，将木质纤维素滤饼直接晒干、风 干或晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，将固体粉剂与畜禽粪便按质量比1：(2—3) 混合，调解混合物的含水量为55—65％，并在混合物中接种市售的发酵剂，即得畜禽粪便 堆肥发酵填充剂，所述发酵剂的质量为混合物质量的1—2％。用该发酵填充剂堆肥发酵剂 18-22天，实现充分腐熟，达到有机肥标准。

Claims (5)

1.木质纤维素在制备土壤调理剂、膨松剂、生物质锅炉颗粒燃料或畜禽粪便堆肥发酵填充剂中的应用；其特征在于，所述木质纤维素按如下步骤制备：
(1)水稻秸秆的铡切：将干燥的水稻秸秆切断为3-6cm的小段水稻秸秆；
(2)小段水稻秸秆的浸润：将3-6cm的小段水稻秸秆，在常温下用自来水完全浸润60-90min，使秸秆含水量达75-90％；
(3)湿润秸秆的蒸汽爆破：将含水量为75％-90％小段湿润秸秆用蒸汽爆破机连续爆破，爆破饱和蒸汽压力为1.15-1.55MPa，爆破饱和蒸汽压力对应的温度为186-200℃；压力维持时间为2-4min，瞬间释放压力，得到秸秆固液混合物；
(4)爆破后的秸秆高速湿法粉碎：将秸秆固液混合物粉碎至80-200目，期间，加自来水调节固液混合物中的固液质量比为1：(8-15)。
(5)小颗粒水稻秸秆纤维的酶法高效水解：将由步骤(4)所得的经高速湿法粉碎后的秸秆颗粒，按干重每kg秸秆颗粒添加木聚糖酶100-200IU，且要求固形物水稻秸秆粉与水的固液质量比为1:(10-15)，控制酶法水解温度为50-55℃，pH 4.8-5.5，水解时间24-30h，期间不断搅拌，搅拌速度为50-60r/m，得到低聚木糖水解液混合物，所述低聚木糖水解液混合物中还原糖质量百分比含量为1.5-2.5％，将低聚木糖水解液混合物95-100℃灭酶10min，得水解产物；
(6)水解产物中非低聚木糖的去除：按秸秆纤维颗粒干重的0.05-0.1％向水解产物中加入活性酵母菌，控温30-34℃，pH 4.8-5.5，保持搅拌速度50-60r/m，维持6-10h，得去除非低聚木糖的水解产物；
(7)去除非低聚木糖的水解产物的固液分离：将去除非低聚木糖的水解产物泵入板框过滤机，维持框内压力0.8-1.0Mpa，获得固体纤维滤饼和板框过滤滤液，所述固体纤维滤饼即为木质纤维素滤饼。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(1)所述干燥的水稻秸秆的含水量为8-13％；步骤(2)中，秸秆含水量达75％-90％时，秸秆中的固液质量比为1：(3-9)；步骤(4)中是用高速切割湿法粉碎机将秸秆固液混合物粉碎至80-200目，切割速度为6000-8000r/m；所述木聚糖酶主要为木聚糖内切酶或利用康氏木霉AS3.2774，经代谢调控固体发酵方法制备的木聚糖内切酶，所述的固体发酵方法为：在培养基中接种康氏木霉AS3.2774后，在28-32℃温度条件下，静置发酵4.5-5.5d，再用自来水浸提1h，最后经超滤浓缩，即得酶制剂，所述培养基中包括如下重量份的组分：水稻秸秆粉10-15、玉米芯粉10-15、麸皮10-15、硫酸铵1-2、水55-65，培养基为自然pH；步骤(5)中，控制pH 4.8-5.5时，采用弱酸或弱碱调节；步骤(6)所述酵母菌为酿酒酵母、面包酵母、安琪酵母、果酒酵母的至少一种。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，当所述木质纤维素作为土壤调理剂、膨松剂使用时，每亩土壤使用量为400—600kg。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，当所述木质纤维素制备生物质锅炉颗粒燃料时，是将木质纤维素滤饼直接晒干、风干或晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，所述固体粉剂的密度为0.1—0.25g/cm3，再将固体粉剂压制成0.5—4cm3大小的生物质锅炉颗粒燃料，生物质锅炉颗粒燃料的颗粒密度为1.1—1.4g/cm3。
5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，当所述木质纤维素制备畜禽粪便堆肥发酵填充剂时，是将木质纤维素滤饼直接晒干、风干或晾干至含水量为20—30％的固体粉剂，将固体粉剂与畜禽粪便按质量比1：(2—3)混合，调解混合物的含水量为55—65％，并在混合物中接种发酵剂，即得畜禽粪便堆肥发酵填充剂，所述发酵剂的质量为混合物质量的1—2％。
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