CN112239378B - 一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法 - Google Patents

一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于农作物综合利用技术领域，涉及一种利用秸秆提取生化黄腐酸和天然纤维的方法，特别涉及一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法。稻草秸秆经过切割撕碎、生物发酵、萃取等步骤制得生化黄腐酸有机肥料并获得优质天然纤维产物。生化黄腐酸有机肥料是性能优异的土壤肥料，优质天然植物纤维可供用于造纸磨浆、制造天然植物板材及可降解地膜等。

Description

一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维 的方法
技术领域
本发明属于农作物综合利用技术领域，涉及一种利用秸秆提取生化黄腐酸和天然纤维的方法，特别涉及一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法。
技术背景
目前全国水稻，玉米，小麦等秸秆年产值可达到8亿吨，其中4亿吨是通过焚烧来进行处理，带来了严重的环境污染和安全隐患问题，从能源角度讲也是一种资源的浪费；对稻草秸秆的处理为深埋地下，不但分解效率低下，而且土壤腐殖质含量增长不明显且极易造成病虫害的加剧。如何对秸秆进行有效的综合利用已经成为一个重大课题。
黄腐酸是一种腐殖酸，是一种成分非常复杂的有机物质，根据构成结构大小将腐殖酸分为黑腐酸棕腐酸以及黄腐酸三种，其中以分子量最小溶解度最高的黄腐酸应用价值最高，本质为芳香族羟基羧酸类物质是一种天然植物生长调节剂，能促进植物生长、强壮植株根系，对抗旱有重要作用，且能提高能力，增产和改善品质、改良土壤的板结，以黄腐酸代替化学合成肥料还可减少土壤中重金属的含量和农药的残留，提高作物安全性。
农作物秸秆的主要成分为木质素、综纤维素等有机质，既是优良的有机肥制造原料，也是造纸纸浆及制造板材等用途的基本原料。目前，已经有研究团队对农作物秸秆进行生化处理，但处理工艺不足以将秸秆进行充分有效的利用，且部分处理工艺仅停留在实验室阶段，成本高昂、工序繁琐且得率低无法投入到工业化生产中。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种针对稻草秸秆的高效回收利用方法，对稻草秸秆进行有效生物发酵制备出生化黄腐酸肥料和优质天然纤维,既减轻农业上对稻草秸秆的处理压力，又生产出优质有机肥原料，对于食品生产的质量安全更为有益。
本发明采取如下技术方案：
一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法，步骤如下：
1)将稻草秸秆进行撕碎处理至5～10cm小段，打包成300～350kg/m3的稻草包。
2)发酵处理
a.配制发酵用复合菌液，第一组菌液包括黄孢原毛平革菌、哈茨木霉、康宁木霉(康氏木霉)、绿色木霉、酿酒酵母、产朊假丝酵母，第二组菌液包括解淀粉芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌，菌数大于等于108个/ml，喷淋前混合两组菌液，
b.用灭菌后的水配制含尿素、磷酸二铵各1％-1.5％的喷淋液并用硫酸调整pH至4～4.5，
c.将a步骤的复合菌液与b步骤的喷淋液充分混合后，喷淋接种在步骤1)的稻草包上，接种后的稻草秆含水量不得低于65％；
d.将c步骤的稻草包在密闭发酵仓内进行发酵，料温至少升至55℃，待升至最高温度即升温期结束后，保持120h完成发酵，期间温度降低值应为总上升期数值的1/2(±5℃)。
3)萃取处理
a.配制pH 12～12.5的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾1-2:1-2:1：1萃取液；
b.将经过充分发酵的稻草秸秆、菌液混合物投入萃取设备中，按照料液比1:10，在60℃-65℃条件下萃取2.5h，使以黄腐酸为主的腐殖酸以及水溶性碳水化合物、蛋白质、氨基酸、糖酸类物质等天然有机质被萃取至萃取液中。
4)制得优质天然纤维
经上述萃取处理后获得剩余高纤维素含量物质，即优质天然植物纤维。
5)制得生化黄腐酸
调整步骤3)后的萃取液pH为6，经多重级膜过滤装置过滤后，进入蒸发器蒸发浓缩，最终经喷雾干燥器制得天然有机肥粉末，有机质含量≧90％，腐殖酸含量≧80％、黄腐酸含量≧75％。
本发明中，可以通过撕碎机将回收得来的稻草秸秆进行撕碎处理至5～10cm小段，打包机打包装袋并保证每包密实度为300～350kg/m3，随后对打包好的稻草秸秆于发酵仓内进行臭氧蒸汽联合灭菌等待接种发酵；
制备发酵所需复合菌液，本发明配置的混合菌液菌种区别于传统菌种功能，传统菌种分解稻草秸秆主要以分解纤维素为主，且多种菌种间存在相互拮抗作用，本发明菌种则以分解秸秆中木质素为主，保证萃取黄腐酸后生产的纤维素可以达到生产纸浆的要求，且各种菌种间不存在相互影响的情况；
用提前灭菌后的水配制含尿素、磷酸二铵各1％的喷淋液并用硫酸调整pH至4～4.5以保证菌种生存环境，之后与菌液充分混合喷淋接种在打包好的稻草秸秆上，要求接种后的稻草秸秆含水量不得低于65％；
发酵期间发酵仓密闭，仅保留少量通气孔并提供增氧装置，发酵期间由发酵仓智能控制系统保证发酵期间仓内环境的稳定并由中控室记录详细数据，重点控制物料含水与氧气并监测温度等各项数据指标，料温至少升至55℃，待升至最高温度即升温期结束后，保持120h完成发酵，期间温度降低值应为总上升期数值的1/2(±5℃)；
配制pH12～12.5的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾1-2:1-2:1：1萃取液，将经过充分发酵的稻草秸秆、菌液混合物通过配套多层往复萃取设备，按照料液比1:10使以黄腐酸为主的腐殖酸以及水溶性碳水化合物、蛋白质、氨基酸、糖酸类物质等天然有机质被萃取至萃取液中且使其在60℃-65℃条件下萃取2.5h，并获得稻草秸秆发酵萃取后剩余高纤维素含量物质，即优质天然植物纤维可供用于造纸磨浆、制造天然植物板材及可降解地膜等；
调整萃取后的黄腐酸、有机质溶液pH为6，经多重级膜过滤装置过滤后，进入蒸发器蒸发浓缩，最终经喷雾干燥器制得天然有机肥粉，有机质含量≧90％腐殖酸含量≧80％、黄腐酸含量≧75％。
本发明的有益效果如下：
通过生物发酵，从稻草秸秆中提取优质天然植物纤维用于造纸磨浆、制造天然植物板材及可降解地膜等，获得高含量高品质的生化黄腐酸有机肥料。
具体实施方式
现对本发明中的技术方案进行清楚完整的描述，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，并非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均在本发明保护的范围内。
实施例1：
实施步骤：
第一步，将1.5t回收稻草秸秆经过撕碎机撕碎至10cm小段。将打包好的草捆堆放至发酵仓中灭菌。同时准备发酵菌液配方如下：
取纯净水270L分别装入1个120L菌液培养容器和5个30L菌液培养容器，通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对6个菌液培养容器进行消杀；称取2700g马铃薯浸出粉、5400g葡萄糖、27g氯霉素按照与水比例为0.01:0.02：0.0001：1的比例分别配制培养基并调值PH 5～5.5，将第一组菌液黄孢原毛平革菌接种至120L菌液培养容器，哈茨木霉、康宁木霉(康氏木霉)、绿色木霉、酿酒酵母、产朊假丝酵母分别接种至30L菌液培养容器，控制培养温度为25～30℃，培养4～6天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
在第一组菌液开始培养的第4天，取纯净水30L分别装入2个15L菌液培养容器通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对2个菌液培养容器进行消杀；称取150g蛋白胨、150g酵母浸膏、600g葡萄糖按照与水比例为0.005:0.005:0.02:1的比例非别配制培养基并调pH值为4～4.5，将第二组菌液解淀粉芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌分别接种至15L菌液培养容器，控制培养温度为30～35℃，培养1～2天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
菌液培养完毕后，在喷淋前将第一组菌液与第二组菌液混合均匀。
第二步，配制含尿素、磷酸二铵各1％的喷淋液2760kg加入上述菌液300kg通过静态混合器将其充分混匀后喷淋至发酵室内的草堆上。测得喷淋前草捆含水8.8％，即喷淋后草捆含水70％。室内补氧循环并启动保湿器开始发酵。发酵期间由发酵仓智能控制系统保证发酵期间仓内环境的稳定并由中控室记录详细数据，于65h后草捆中心检测温度升至最高，最高温为64.2℃，之后保持发酵室工作120h完成发酵并出草。
第三步，将经过发酵处理后的稻草秸秆置于含有萃取液的逆流萃取设备中处理2.5h萃取以黄腐酸为主的有机质，获得黄腐酸有机肥萃取液与高纯度天然纤维。其中萃取液为pH12.3的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾2:2:1:1溶液。
第四步，对获得的黄腐酸等有机质混合溶液精化处理，先经过两道膜过滤装置纯化，后于蒸发装置中除去大量多余水分，最后喷雾干燥制得有机质含量≧92％腐殖酸含量≧86％、黄腐酸含量≧79％的有机肥粉末。
实施例2：
实施步骤：
第一步，将2t回收稻草秸秆经过撕碎机撕碎至10cm小段。将打包好的草捆堆放至发酵仓中灭菌。同时准备发酵菌液配方如下：
取纯净水360L分别装入1个160L菌液培养容器和5个40L菌液培养容器，通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对6个菌液培养容器进行消杀；称取3600g马铃薯浸出粉、7200g葡萄糖、36g氯霉素按照与水比例为0.01:0.02：0.0001：1的比例分别配制培养基并调值pH5-5.5，将第一组菌液黄孢原毛平革菌接种至160L菌液培养容器，哈茨木霉、康宁木霉(康氏木霉)、绿色木霉、酿酒酵母、产朊假丝酵母分别接种至40L菌液培养容器，控制培养温度为25～30℃，培养4～6天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
在第一组菌液开始培养的第4天，取纯净水40L分别装入2个20L菌液培养容器通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对2个菌液培养容器进行消杀；称取200g蛋白胨、200g酵母浸膏、800g葡萄糖按照与水比例为0.005:0.005:0.02:1的比例非别配制培养基并调pH值为4～4.5，将第二组菌液解淀粉芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌分别接种至20L菌液培养容器，控制培养温度为30～35℃，培养1～2天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
菌液培养完毕后，在喷淋前将第一组菌液与第二组菌液混合均匀。
第二步，配制含尿素、磷酸二铵各1％的喷淋液4840kg加入上述菌液400kg通过静态混合器将其充分混匀后喷淋至发酵室内的草堆上。测得喷淋前草捆含水9.5％，即喷淋后草捆含水75％。室内补氧循环并启动保湿器开始发酵。发酵期间由发酵仓智能控制系统保证发酵期间仓内环境的稳定并由中控室记录详细数据，于62h后草捆中心检测温度升至最高，最高温为64.5℃，之后保持发酵室工作120h完成发酵并出草。
第三步，将经过发酵处理后的稻草秸秆置于含有萃取液的逆流萃取设备中处理2.5h萃取以黄腐酸为主的有机质，获得黄腐酸有机肥萃取液与高纯度天然纤维。其中萃取液为pH12.3的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾2:2:1:1溶液。
第四步，对获得的黄腐酸等有机质混合溶液精化处理，先经过两道膜过滤装置纯化，后于蒸发装置中除去大量多余水分，最后喷雾干燥制得有机质含量≧90％腐殖酸含量≧83％、黄腐酸含量≧76％的有机肥粉末。
实施例3：
实施步骤：
第一步，将1t回收稻草秸秆经过撕碎机撕碎至10cm小段。将打包好的草捆堆放至发酵仓中灭菌。同时准备发酵菌液配方如下：
取纯净水180L分别装入1个80L菌液培养容器和5个20L菌液培养容器，通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对6个菌液培养容器进行消杀；称取1800g马铃薯浸出粉、3600g葡萄糖、18g氯霉素按照与水比例为0.01:0.02：0.0001：1的比例分别配制培养基并调值pH5～5.5，将第一组菌液黄孢原毛平革菌接种至80L菌液培养容器，哈茨木霉、康宁木霉(康氏木霉)、绿色木霉、酿酒酵母、产朊假丝酵母分别接种至20L菌液培养容器，控制培养温度为25～30℃，培养4～6天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
在第一组菌液开始培养的第4天，取纯净水20L分别装入2个10L菌液培养容器通过臭氧灭菌、高温沸腾灭菌方式对2个菌液培养容器进行消杀；称取100g蛋白胨、100g酵母浸膏、400g葡萄糖按照与水比例为0.005:0.005:0.02:1的比例非别配制培养基并调pH值为4～4.5，将第二组菌液解淀粉芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌分别接种至10L菌液培养容器，控制培养温度为30-35℃，培养1～2天，培养生成高浓度高密度的活菌菌悬液，菌数大于等于108个/ml；
菌液培养完毕后，在喷淋前将第一组菌液与第二组菌液混合均匀。
第二步，配制含尿素、磷酸二铵各1.5％的喷淋液1394kg加入上述菌液200kg通过静态混合器将其充分混匀后喷淋至发酵室内的草堆上。测得喷淋前草捆含水9.2％，即喷淋后草捆含水65％。室内补氧循环并启动保湿器开始发酵。发酵期间由发酵仓智能控制系统保证发酵期间仓内环境的稳定并由中控室记录详细数据，于58h后草捆中心检测温度升至最高，最高温为63.5℃，之后保持发酵室工作120h完成发酵并出草。
第三步，将经过发酵处理后的稻草秸秆置于含有萃取液的逆流萃取设备中处理2.5h萃取以黄腐酸为主的有机质，获得黄腐酸有机肥萃取液与高纯度天然纤维。其中萃取液为pH12.3的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾2:2:1:1溶液。
第四步，对获得的黄腐酸等有机质混合溶液精化处理，先经过两道膜过滤装置纯化，后于蒸发装置中除去大量多余水分，最后喷雾干燥制得有机质含量≧94％腐殖酸含量≧84％、黄腐酸含量≧77％的有机肥粉末。

Claims (1)

1.一种高效利用稻草秸秆生产生化黄腐酸肥料及优质天然纤维的方法，其特征在于，步骤如下：
1)将稻草秸秆进行撕碎处理至5～10cm小段，打包成300～350kg/m3的稻草包；
2)发酵处理
a.配制发酵用复合菌液，第一组菌液包括黄孢原毛平革菌、哈茨木霉、康宁木霉、绿色木霉、酿酒酵母、产朊假丝酵母，第二组菌液包括解淀粉芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌，菌数大于等于108个/ml，喷淋前混合两组菌液，
b.用灭菌后的水配制含尿素、磷酸二铵各1％-1.5％的喷淋液并用硫酸调整pH至4～4.5，
c.将a步骤的复合菌液与b步骤的喷淋液充分混合后，喷淋接种在步骤1)的稻草包上，接种后的稻草秆含水量不得低于65％，
d.将c步骤的稻草包在密闭发酵仓内进行发酵，发酵仓内进行循环补氧并启动保湿器，由发酵仓智能控制系统保证发酵仓内环境的稳定并由中控室记录详细数据，料温至少升至55℃，待升至最高温度即升温期结束后，保持120h完成发酵，期间温度降低值应为总上升期数值的1/2；
3)萃取处理
a.配制pH 12～12.5的氢氧化钾、氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钾1-2:1-2:1：1萃取液，
b.将经过充分发酵的稻草秸秆、菌液混合物投入含有萃取液的逆流萃取设备中，按照料液比1:10，在60℃-65℃条件下萃取2.5h，使以黄腐酸为主的腐殖酸以及水溶性碳水化合物、蛋白质、氨基酸、糖酸类物质被萃取至萃取液中；
4)制得优质天然纤维
经萃取处理后获得剩余高纤维素含量物质，即优质天然植物纤维；
5)制得生化黄腐酸
调整步骤3)后的萃取液pH为6，经多重级膜过滤装置过滤后，进入蒸发器蒸发浓缩，最终经喷雾干燥器制得天然有机肥粉末。
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