CN109232084A - 一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法 - Google Patents

一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法。该方法直接利用聚谷氨酸发酵液和聚谷氨酸板框过滤后的废弃硅藻土为原料，并加入尿素生产以聚谷氨酸‑尿素‑硅藻土络合物为主要成分的肥料增效剂。本发明充分利用了废弃硅藻土中吸附的菌体、活性炭、杂蛋白等物质补充作物生长过程中的生物活性物质，具有缓释性。本发明实现了废弃助滤剂硅藻土的高效利用，变废为宝，具有良好的经济和环境效益。

Description

一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法
技术领域
本发明属于肥料增效剂制备领域，特别涉及一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸(即γ-PGA)肥料增效剂的方法。
背景技术
研究表明，硅藻土表面被大量的羟基所覆盖，且有氢键存在，使得硅藻土具有较大的表面活性，可以通过对表面羟基的改性处理，使其具有特殊的结构而产生特定的应用性能。中国专利CN104109375B(发明名称为一种交联γ-聚谷氨酸及其制备和应用)公开的交联γ-聚谷氨酸是通过γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸钠或两者的混合物与活性硅藻土在交联剂的作用下交联而制备的，该方法所制备的交联γ-聚谷氨酸具有致密的三维网状结构，具有极强的吸水性和保水性，可以作为(土壤)保水剂，防止水分流失。并且，该交联γ-聚谷氨酸还可以作为肥料增效剂，将其添加到肥料中，能够显著提高作物产量。但是该专利中的硅藻土需要进行改性，制备成活性硅藻土，且需要在含有交联剂的条件下与γ-聚谷氨酸进行交联，其制备过程较复杂，制备成本较高，且得到的交联γ-聚谷氨酸仅作为保水剂，不具有为作物提供养分的功效。
硅藻土作为一种常用的助滤剂，目前在聚谷氨酸生产中有着广泛的应用。聚谷氨酸发酵液经活性炭脱色后，利用硅藻土板框过滤，经过滤后得到脱色后的聚谷氨酸溶液和废弃硅藻土，此废弃硅藻土成分主要是菌体、活性炭、杂蛋白和硅藻土。由于使用后硅藻土吸附了大量的蛋白质等有机物和水分而由粉末状变为浆状或膏状，难以再次利用，通常的处理方法是就近运往垃圾填埋场进行填埋处理，这种处理方式不仅增加了填埋场的负荷，也增加了企业的负担。
因此，如何实现对γ-聚谷氨酸发酵过程中的废弃助滤剂硅藻土的高效利用，并能够获得有综合作用的增效剂是当前本领域技术人员追求的目标。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法。该方法直接利用聚谷氨酸发酵液和聚谷氨酸板框过滤后的废弃硅藻土为原料，并加入尿素生产以聚谷氨酸-尿素-硅藻土络合物为主要成分的肥料增效剂。本发明充分利用了废弃硅藻土中吸附的菌体、活性炭、杂蛋白等物质补充作物生长过程中的生物活性物质，具有缓释性。本发明实现了废弃助滤剂硅藻土的高效利用，变废为宝，具有良好的经济和环境效益。
本发明的技术方案是：一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将聚谷氨酸发酵液调pH至9.0～11.0；
(2)在碱性聚谷氨酸发酵液中加入聚谷氨酸质量1～3倍的尿素，升温至50～80℃，搅拌中加入聚谷氨酸质量30％～50％的废弃硅藻土，控制升温速率2～3℃/min，等温度升至100℃时停止加热，保温2～4h；
(3)带式干燥、粉碎得到聚谷氨酸肥料增效剂。
其中，所述聚谷氨酸发酵液中的聚谷氨酸分子量为700kDa以上，聚谷氨酸的含量为30～80g/L。优选的，所述聚谷氨酸发酵液的生产菌株为枯草芽孢杆菌FRD518CGMCCNo.6772。优选的，其发酵培养基为：蛋白胨5～30g/L，酵母提取物5～30g/L，硫酸铵5～20g/L，谷氨酸钠30～100g/L，柠檬酸2～5g/L，MgSO4 0.1～0.5g/L，K2HPO4 1～4g/L，葡萄糖100～200g/L，pH 7.2～7.5，115℃灭菌20min。
所述步骤(2)中，废弃硅藻土是指聚谷氨酸常规发酵过程中发酵液调酸后，加入活性炭脱色，利用硅藻土板框过滤后得到的含有菌体、活性炭、杂蛋白的硅藻土。上述废弃硅藻土也可以是其他微生物发酵生产中用作助滤剂过滤发酵液后，获得的含有菌体、杂蛋白的废弃硅藻土。
优选的，所述步骤(1)中调pH至9.0～11.0所用的碱为氢氧化钠、碳酸钠中的一种或两种。
优选的，所述步骤(3)中带式干燥工艺条件为：加热区温度为130～150℃，进样速度为20～30L/h，履带速度为20～30cm/min。
上述方法制备的聚谷氨酸肥料增效剂，该增效剂中各种营养成分及含量如下表1所示。
表1增效剂中各种营养成分及含量
营养成分 含量
聚谷氨酸-尿素-硅藻土复合物(％) 70～90
活性炭(％) 5～25
无机盐(％) 1～5
碳水化物(％) 1～3
氨基酸(mg/kg) 100～500
维生素(mg/kg) 10～50
生物活性物质(mg/kg) 10～50
本发明还提供所述聚谷氨酸肥料增效剂的使用方法，将该聚谷氨酸肥料增效剂与尿素和/或其他肥料混合施用即可。
本发明的原理是：本发明利用聚谷氨酸和尿素在硅藻土表面和孔径中发生原位聚合反应，将硅藻土包裹于其中，得到聚谷氨酸-尿素-硅藻土络合物。在施入土壤后，该三元络合物可以被微生物分解，释放出谷氨酸、尿素、硅，为植物生长提供所需的营养，避免作物因缺乏各种营养素而产生病变。同时本发明直接利用废弃助滤剂硅藻土为原料，利用硅藻土吸附的生物活性物质、菌体、大分子蛋白，可以补充作物生长过程中的生物活性物质，具有缓释性。
本发明的优点在于：
1.本发明使用聚谷氨酸板框过滤后的废弃硅藻土，使硅藻土得以重复利用减少了废弃硅藻土造成的污染，具有良好的经济和环境效益。
2.在使用硅藻土板框过滤时，硅藻土和活性炭表面和孔径中吸附聚谷氨酸发酵液中的生物活性物质和菌体、大分子蛋白，增加了产品中的营养成分，可以补充作物生长过程中的生物活性物质，具有缓释性。
3.本发明直接以聚谷氨酸发酵液为原料，直接利用发酵液溶解尿素和废弃硅藻土，不仅省去了发酵液的后处理及原料的溶解步骤，而且可以充分利用了发酵液中的枯草芽孢杆菌等活性成分。相比中国专利CN104109375B，废弃硅藻土不需要改性，生产过程中不需要使用交联剂，发酵液不需要精制，制备方法简单。
4.本发明所制备的聚谷氨酸肥料增效剂其主要成分为聚谷氨酸-尿素-硅藻土复合物，施入土壤后，可以被微生物分解，释放出谷氨酸、尿素和硅，为植物生长提供所需的营养，避免作物因缺乏各种营养素而产生病变；同时本发明的肥料增效剂还含有无机盐、碳水化物、氨基酸、维生素和生物活性物质等，提高了作物的抗病能力。经实验证明，本发明的聚谷氨酸肥料增效剂不仅可以提高作物的产量(增产率在20％左右)，更重要的是降低作物的病虫害发生率。将该肥料增效剂应用于水稻上，可以降低水稻的穗颈瘟的发病程度(由4.2％降低至0.5％)，降低水稻的垩白率和垩白度(降低40％以上)；将该肥料增效剂应用于小麦，可以降低小麦的麦蚜数量(降低率在80％以上)。
附图说明
图1为小麦播种后时间与株高的关系图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式，对本发明技术方案及效果做进一步说明。所述方法如无特殊说明，均为本领域常规方法。所述试剂如无特殊说明为本领域常规试剂，可以购买市售成品。
实施例1
(1)聚谷氨酸发酵液的制备：将枯草芽孢杆菌FRD518 CGMCC No.6772接种于装有种子培养基的三角瓶中，接种量1％，于38℃，180r/min摇床震荡培养至OD600达到1.8。将制备好的种子液接种于发酵培养基中，接种量5％，于38℃，通气搅拌培养42h，得到发酵液。
各培养基成分如下：
种子培养基：葡糖糖10g/L，酵母粉5g/L，硫酸铵5g/L，MgSO4 0.3g/L，pH 7.2，100mL培养基装于500mL三角瓶中，115℃灭菌20min。
发酵培养基：蛋白胨10g/L，酵母提取物10g/L，硫酸铵10g/L，谷氨酸钠50g/L，柠檬酸2g/L，MgSO4 0.2g/L，K2HPO4 2g/L，葡萄糖100g/L，pH 7.2，115℃灭菌20min。
(2)废弃硅藻土的制备：聚谷氨酸发酵液调pH 3.0-4.0后，加入活性炭脱色，利用硅藻土铺板，板框过滤，即得到含有菌体、活性炭、杂蛋白的废弃硅藻土和澄清的聚谷氨酸发酵液；
所制备的聚谷氨酸发酵液中，聚谷氨酸的分子量为700kDa以上，发酵液中聚谷氨酸的含量为30～80g/L。
(3)聚谷氨酸肥料增效剂的制备：将聚谷氨酸发酵液用氢氧化钠调pH至11.0；在碱性聚谷氨酸发酵液中加入聚谷氨酸质量1倍的尿素，升温至60℃，搅拌中加入聚谷氨酸质量50％的废弃硅藻土，控制升温速率2℃/min，等温度升至100℃时停止加热，保温2h。
(4)带式干燥，加热区温度为130～150℃，进样速度为20～30L/h，履带速度为20～30cm/min；然后粉碎得到聚谷氨酸肥料增效剂。
经测定，上述方法的聚谷氨酸肥料增效剂中各种营养成分含量如表2。
表2聚谷氨酸肥料增效剂中各种营养成分含量
营养成分 含量
聚谷氨酸-尿素-硅藻土络合物(％) 84.6
活性炭(％) 9.6
无机盐(％) 1.3
碳水化物(％) 1.7
氨基酸(mg/kg) 200
维生素(mg/kg) 30
生物活性物质(mg/kg) 20
实施例2
采用实施例1所制备的聚谷氨酸肥料增效剂进行了本次试验，以验证其对水稻产量及抗病虫害能力的影响。
水稻实验区面积每个5m2，重复3次，各处理间插入PVC隔板防止渗漏，以防肥水混串，收获时按小区计收产量。人工插秧规格为30cm×13cm，每穴3～5株，田间管理同大田。
称取本发明制备得到的聚谷氨酸肥料增效剂5Kg与95kg尿素混合，制备成试验肥。
处理1为对照施肥：尿素1.5kg/m2，按基：蘖：穗＝4：3：3的比例施用。
处理2为试验施肥：试验肥1.50kg/m2，按基：蘖：穗＝4：3：3的比例施用。
氮、磷、钾等其他施肥条件相同，施肥量及施用方法按照当地常规进行。基肥在最后一遍水整地之前施用，蘖肥在水稻缓苗后施入，穗肥在9.1～9.5叶龄施用。不进行药剂防病，齐穗期调查病害情况。
实验结果：施用试验肥的处理，茎秆强度大，可以增强水稻的抗倒伏和抗病虫害能力。从穗颈瘟的发病情况调查来看，施用试验肥的处理发病程度较对照轻，说明施用试验肥能提高水稻的抗病性。施用试验肥处理的垩白率和垩白度比对照有所降低。从实验中还可以看出施用试验肥，水稻产量增加18.4％，具体结果如表3。
表3使用与未使用聚谷氨酸肥料增效剂对水稻的影响
项目 穗颈瘟/％ 垩白率/％ 垩白度/％ 增产量/％
对照区 4.2 14.4 1.09 —
试验区 0.5 7.7 0.65 18.4
结论：试验结果表明施用试验肥能提高水稻的抗病性，能使水稻产量增加。
实施例3
采用实施例1所制备的聚谷氨酸肥料增效剂进行了本次试验，以验证其对小麦产量及抗病虫害能力的影响。
小麦实验区面积每个5m2，重复3次，各处理间插入PVC隔板，以防肥水混串，收获时按小区计收产量。
称取本发明制备得到的聚谷氨酸肥料增效剂20Kg与80kg尿素混合，制备成试验肥。
处理1为对照施肥：尿素100kg/亩，按基：穗＝2：1的比例施用。
处理2为试验施肥：试验肥100kg/亩，按基：穗＝2：1的比例施用。
氮、磷、钾等其他施肥条件相同，施肥量及施用方法按照当地常规进行，基肥在最后一遍整地之前施用，穗肥在小麦倒一叶期施用。不进行药剂防病，孕穗期调查病害情况。
实验结果：由于聚谷氨酸肥料增效剂中含有枯草芽孢杆菌发酵液和菌体，其中含有作物生长所需的生物活性成分，有利于小麦生长，在播种7天后，实验组小麦株高显著高于对照组，如图1。
麦蚜是小麦常发的害虫之一，主要以成蚜和若蚜吸食叶片、茎秆和麦穗的汁液，影响小麦的正常生长。苗期受害，叶片发黄，严重时生长停滞，分蘖减少，逐渐枯萎；孕穗期剑叶受害，影响正常抽穗；穗期危害后，结实率下降，千粒重降低，对产量影响较大。在冬麦区蚜虫以幼虫或卵的形态在土壤中越冬，本发明中聚谷氨酸-尿素-硅藻土复合物经粉碎后，施入土壤中，其粉末的每一细微颗粒都带有非常锐利的边缘，与土壤中的蚜虫接触时，可以刺透害虫体表，致使害虫在失去10％以上的体液后死亡。从表4可以看出，使用聚谷氨酸肥料增效剂可以减少麦蚜数量，防效达到83％，此外，小麦的千粒重和产量都有所提高。
表4使用与未使用聚谷氨酸肥料增效剂对小麦的影响
项目 蚜量(头/100株) 千粒重/g 增产量/％
对照区 3249 32 ——
试验区 552 58 24.6
结论：试验结果表明施用试验肥能防治小麦虫害，能使小麦千粒重和产量有不同程度的增加。
实施例4
步骤(2)具体为：聚谷氨酸肥料增效剂的制备：将聚谷氨酸发酵液用氢氧化钠调pH至10.0；在碱性聚谷氨酸发酵液中加入聚谷氨酸质量2倍的尿素，升温至65℃，搅拌中加入聚谷氨酸质量40％的废弃硅藻土，控制升温速率2.5℃/min，等温度升至100℃时停止加热，保温2.5h。
其余步骤同实施例1，制备得到的聚谷氨酸肥料增效剂中各种营养成分含量如表1所示。

Claims (7)

1.一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将聚谷氨酸发酵液调pH至9.0～11.0；
(2)在步骤(1)调碱性的聚谷氨酸发酵液中加入聚谷氨酸质量1～3倍的尿素，升温至50～80℃，搅拌中加入聚谷氨酸质量30％～50％的废弃硅藻土，加热，等温度升至100℃时停止加热，保温2～4h；
(3)带式干燥、粉碎得到聚谷氨酸肥料增效剂。
2.如权利要求1所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述步骤(2)加入废弃硅藻土后加热，控制升温速率2～3℃/min。
3.如权利要求1所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述聚谷氨酸发酵液中，聚谷氨酸分子量为700kDa以上，聚谷氨酸的含量为30～80g/L。
4.如权利要求3所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述聚谷氨酸发酵液的生产菌株为枯草芽孢杆菌FRD518CGMCC No.6772；所述发酵培养基为：蛋白胨5～30g/L，酵母提取物5～30g/L，硫酸铵5～20g/L，谷氨酸钠30～100g/L，柠檬酸2～5g/L，MgSO4 0.1～0.5g/L，K2HPO4 1～4g/L，葡萄糖100～200g/L，pH 7.2～7.5。
5.如权利要求1所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述步骤(2)中，废弃硅藻土是指聚谷氨酸发酵过程中发酵液调酸后，加入活性炭脱色，利用硅藻土板框过滤后得到的含有菌体、活性炭、杂蛋白的硅藻土。
6.如权利要求1所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述步骤(1)中调pH至9.0～11.0所用的碱为氢氧化钠、碳酸钠中的一种或两种。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的一种利用废弃硅藻土生产聚谷氨酸肥料增效剂的方法，其特征是，所述步骤(3)中带式干燥工艺条件为：加热区温度为130～150℃，进样速度为20～30L/h，履带速度为20～30cm/min。
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