CN114774303B - 一种预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂及其在草浆原料除硅制浆中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂及其在草浆原料除硅制浆中的应用，属于非木材原料制浆技术领域。本发明通过优化菌种组成及菌种比例，最终得出了预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂，包括短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，三种菌种相互协同，共同完成麦草秸秆在预处理阶段的脱硅处理，除硅率达到70％以上，最佳条件下除硅率可以达到90％以上。与传统的制浆方法相比，本发明增加了预处理工艺，在预处理阶段将草浆原料中的大部分硅除去，减少黑液中的硅含量，改善了传统制浆方法因黑液中硅含量过高而面临的硅干扰问题。
Description
技术领域
本发明属于非木材原料制浆技术领域，具体涉及一种预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂及其在草浆原料除硅制浆中的应用。
背景技术
非木材原料与木材原料相比，灰分含量高(灰分中60％以上是SiO2)，非木材原料中的SiO2在蒸煮过程中，会与氢氧化钠反应生成硅酸钠而进入黑液，导致碱回收系统一系列的问题而被称为“硅干扰”。中国2016年副产非木浆黑液约为880万吨(按1吨风干浆对应1.5吨黑液固形物计)，而非木浆特别是草浆黑液碱回收面临的最主要技术障碍在于较严重的硅干扰问题，碱回收系统运行效果较差。从近10年行业平均水平看，虽然我国非木浆黑液碱回收取得了长足的进步，但草浆厂黑液碱回收率仍然很难超过80％，吨碱回收成本在1000元以上，且能源自给率一般低于70％。相比之下，木浆厂黑液碱回收率一般高于95％，吨碱回收成本仅500元左右，一些厂家还可做到对外供电。解决非木浆黑液碱回收的硅干扰问题对我国非木浆黑液处理及回收工艺的发展具有重要意义。
非木材原料，如麦草、稻草、竹材等植物体内，在生长过程中都含有硅。上述非木材原料作为纸浆原料时，制浆系统中硅的来源主要有两种：一种是植物在生长过程中从土壤中吸收的硅；另外一种是夹杂在原料中的尘土、泥沙等形式的硅。其中，植物体内从土壤中吸收的硅，在植物体内合适的pH条件下形成无定形的硅胶(SiO2·nH2O)，广泛沉积在非木材原料纤维的细胞壁、细胞间隙和表皮细胞上。在制浆造纸过程中，硅元素经由蒸煮工段后被溶入到制浆黑液当中。
制浆黑液是一类特殊的生物质原料，具有含水高、含钠高、黏度大等属性，非木浆黑液还具有硅含量高的特性。麦草浆黑液固形物中硅含量以二氧化硅计算达到4％～8％，蔗渣、芦苇浆黑液固形物中二氧化硅含量约为2％～4％，而木浆黑液固形物中二氧化硅含量一般低于0.5％。
硅的存在对碱回收系统的黑液提取、蒸发、燃烧、苛化、白泥回收等环节均产生不利影响，具体表现在：(1)浆料滤水性差因而洗浆耗水量大，导致稀黑液浓度低、蒸发负荷高；(2)为避免蒸发器换热面析出硅垢，黑液出蒸发站浓度一般低于50％，加之膨胀效果差、含硅组分熔点较高，入炉燃烧往往需要辅助燃料以维持炉温使熔融物顺利流出；(3)白液澄清困难，白泥由于混入硅酸钙也不适宜煅烧回收。
对于预处理除硅，主要是蒸煮制浆之前以破坏含硅元素较多的植物组织为主，使其提前释放，减少其在黑液中的沉积量。如，麦草原料中的结合硅主要存在于原料的茎秆表皮及叶、节、梢中，经过备料净化麦草，叶、穗、沙石等杂质去除率为53.8％，黑液中的硅含量(以SiO2计)降低了30.2％，但是却损失了将近1/3的原料。在非木材原料制浆除硅中，最常采用的一般是蒸煮同步除硅工艺和黑液除硅工艺，而在蒸煮制浆之前的预处理除硅工艺却鲜有报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂及其在草浆原料除硅制浆中的应用。
本发明的技术方案如下：
一种预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂，包括短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌。
在本发明一种优选的技术方案中，所述微生物菌剂是由短小芽孢杆菌菌液、蜡样芽孢杆菌菌液和枯草芽孢杆菌菌液混匀后得到，其中，所述短小芽孢杆菌菌液的菌浓为3.0-10×109cfu/mL，蜡样芽孢杆菌菌液的菌浓为2.0-7.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的菌浓为4.0-10×109cfu/mL，所述微生物菌剂中三种菌液的质量比为1:1:1。
上述微生物菌剂的制备方法，包括如下步骤：
1)菌种活化：取短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，分别接种于液体培养基中活化培养；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，扩大培养得菌液；
3)复配：将扩大培养后的菌液混合，按比例复配得到微生物菌剂。
根据本发明优选的，步骤1)和步骤2)中所述液体培养基是指LB液体培养基。
根据本发明优选的，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为35～40℃、150-200rpm培养1～3天；进一步优选为37℃、150～180rpm培养1～3天。
上述微生物菌剂在草浆原料除硅制浆中的应用。
在本发明一种优选的技术方案中，所述草浆原料为麦草秸秆。
在本发明一种优选的技术方案中，所述微生物菌剂是在蒸煮制浆之前对草浆原料进行发酵预处理除硅。
本发明一种优选的技术方案，应用上述微生物菌剂制备麦草秸秆造纸浆料的方法，包括如下步骤：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆进行挤压与清洗，晾干后备用；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水和上述微生物菌剂，混合均匀，发酵降解1～3天；
(3)过滤：将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，高温蒸煮；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述麦草秸秆与水的质量比为1:15-25；进一步优选为1:20。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.005％-0.05％。
本申请微生物菌剂的加入量是在综合考虑菌剂的使用与降解效率基础上，发现上述范围的加入量，既可以节省菌剂的使用量，处理时间适中，降解效果适宜，虽然增加加入量可以加快降解，但是成本也比较高。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述发酵的条件为30～40℃降解2～3天；进一步优选为37℃降解2天。
本申请上述发酵温度及时间的选择，可以更好的保证硅元素的分离。
根据本发明优选的，步骤(4)中所述氢氧化钠加入量为麦草干重的0.5％～10％，所述蒽醌的加入量为麦草干重的0.005％～0.1％。
根据本发明优选的，步骤(4)中所述高温蒸煮的温度为150-200℃，时间为1-2h。
上述操作步骤未详细说明的，均按照本领域常规操作进行。
本发明的技术特点和有益效果：
1、对禾本科原料进行了大量研究后发现，禾秆皮层是超微结构复杂、硅等矿质元素高度密集的部位。硅是禾本科植物生活所必需的元素，在皮层中起着关键的作用，但是，硅也是造成黑液碱回收困难，进而造成环境严重污染的源头。秸秆作为禾本科之一，其皮层由酯结合态的ω-羟基化脂肪酸构成的角质单体和覆盖在角质单体上面的上表皮蜡质及贯穿其中的内表皮蜡质三部分组成，并含有部分结构蛋白。从组成成分上分析，至少需要有脂肪酶、果胶酶和蛋白酶三种酶的分泌来源菌株来发挥作用。本发明通过短小芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌和枯草芽孢杆菌三种菌的协同作用，分泌相应的酶来降解秸秆的表皮部分，促进硅元素释放。
2、本发明通过优化菌种组成及菌种比例，最终得出了预处理草浆原料脱硅的微生物菌剂，包括短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，三种菌种相互协同，共同完成麦草秸秆在预处理阶段的脱硅处理，除硅率达到70％以上，最佳条件下除硅率可以达到90％以上。
3、与传统的制浆方法相比(图1)，本发明增加了预处理工艺，在预处理阶段将草浆原料中的大部分硅除去，减少黑液中的硅含量，改善了传统制浆方法因黑液中硅含量过高而面临的硅干扰问题。本发明预处理工艺得到的发酵液可用于硅回收，产生附加效益。
附图说明
图1为传统制浆与本发明制浆的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但是本发明的保护范围并不仅限于此。实施例中涉及的药品及材料，若无特殊说明，均为普通市售产品；实施例中涉及的实验操作，若无特殊说明，均为本领域常规实验操作。
实施例中使用的具体菌种如下，理论上其他同种菌种也适用于本发明。
短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 20685；
短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10813；
地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10086；
粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 23439；
赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus sp.)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10478；
枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10028；
蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10184。
实施例中培养基的配制：(均为质量百分比)
YPD培养基的成分如下：酵母提取物1％，胰蛋白胨2％，葡萄糖2％，琼脂2％(液体培养基无需)；
LB培养基的成分如下：氯化钠1％，蛋白胨1％，酵母提取物0.5％，琼脂2％(液体培养基无需)。
地衣芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌和粪产芽孢杆菌的液体培养基为YPD液体培养基，短小芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌和枯草芽孢杆菌的液体培养基为LB液体培养基。
实施例1
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取蜡样芽孢杆菌、短小芽孢杆菌(CICC 20685)和枯草芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养1天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至LB液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养1天，所得短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述制备得到的微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水，水和麦草秸秆的质量比为20:1，再加入上述制备的微生物菌剂，所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.02％，混合均匀，37℃发酵降解48h；
(3)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草秸秆干重的5％，蒽醌的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，165℃高温蒸煮60min；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例2
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取蜡样芽孢杆菌、短小芽孢杆菌(CICC 20685)和枯草芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养2天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至LB液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养1天，所得短小芽孢杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述制备得到的微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水，水和麦草秸秆的质量比为20:1，再加入上述制备的微生物菌剂，所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.02％，混合均匀，37℃发酵降解48h；
(3)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草秸秆干重的8％，蒽醌的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，165℃高温蒸煮60min；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例3
一种用于麦草秸秆脱硅预处理的微生物菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取蜡样芽孢杆菌、短小芽孢杆菌(CICC 20685)和枯草芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养2天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至LB液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养2天，所得短小芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述制备得到的微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水，水和麦草秸秆的质量比为20:1，再加入上述制备的微生物菌剂，所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.02％，混合均匀，37℃发酵降解48h；
(3)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草秸秆干重的10％，蒽醌的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，165℃高温蒸煮60min；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例4
一种用于麦草秸秆脱硅预处理的微生物菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取蜡样芽孢杆菌、短小芽孢杆菌(CICC 10813)和枯草芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养2天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至LB液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养2天，所得短小芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述制备得到的微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水，水和麦草秸秆的质量比为20:1，再加入上述制备的微生物菌剂，所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.02％，混合均匀，37℃发酵降解48h；
(3)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草秸秆干重的10％，蒽醌的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，165℃高温蒸煮60min；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
对比例1
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为赖氨酸芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌和枯草芽孢杆菌，其中赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，三者按照质量比1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例2
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为地衣芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，其中地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，三者按照质量比1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例3
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，其中短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，地衣芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，三者按照质量比1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例4
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为短小芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌和粪产碱杆菌，其中短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，三者按照质量比1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例5
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为短小芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，其中短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，四者按照质量比1:1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述制备得到的微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例6
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为粪产碱杆菌、蜡样芽胞杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌，其中粪产碱杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL，地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，五者按照质量比1:1:1:1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例7
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为短小芽孢杆菌和蜡样芽胞杆菌，其中短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，两者按照质量比1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例8
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，其中短小芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，枯草芽胞杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，两者按照质量比1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例9
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，使用的菌株为蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，其中短枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，两者按照质量比1:1复配，得到微生物菌剂。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例1相同。
对比例10
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为3：1：1。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例2相同。
对比例11
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为1：2：2。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例2相同。
对比例12
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例1的不同之处在于，短小芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为1：1：3。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例2相同。
实施例5
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.005％，其它步骤与实施例3相同。
实施例6
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，其它步骤与实施例3相同。
实施例7
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.05％，其它步骤与实施例3相同。
实施例8
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，加入微生物菌剂后的发酵降解时间为24h，其它步骤与实施例3相同。
实施例9
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，加入微生物菌剂后的发酵降解时间为36h，其它步骤与实施例3相同。
实施例10
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，加入微生物菌剂后的发酵降解时间为60h，其它步骤与实施例3相同。
实施例11
一种用于麦草秸秆预处理脱硅的微生物菌剂，与实施例3完全相同。
将上述微生物菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例3的不同之处在于，加入微生物菌剂后的发酵降解时间为72h，其它步骤与实施例3相同。
对比例13
采用传统化学制浆法制备麦草秸秆造纸浆料，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)浸泡预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水，水和麦草秸秆的质量比为20:1，37℃浸泡48h，过滤；
(3)碱法制浆：将过滤后得到的麦草秸秆转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，165℃高温蒸煮60min；氢氧化钠的加入量为麦草干重的5％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.05％；
(3)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
结果分析：
对本发明实施例和对比例所得发酵滤液和黑液中的硅元素含量进行测定，并对本发明实施例和对比例所得麦草秸秆造纸浆料分别进行得浆率、白度和所制得纸张的抗张和撕裂指数检测。
其中，得浆率的计算公式：得浆率(％)＝m1/m，m1为麦草秸秆造纸浆料干重，m为原料干重；
白度以及纸张的抗张和撕裂指数分别使用白度测定仪、卧式纸张抗张强度测试仪和撕裂度测试仪检测，检测结果如下表1所示。
表1.本发明实施例和对比例的效果参数
实施例1-3采用本发明提供的微生物菌剂对麦草秸秆进行预处理脱硅，检测结果表明，所得发酵液中硅元素含量较高，预处理工艺的脱硅率达到75％以上，实施例3更是达到了91.31％；制浆黑液中硅元素含量降低到108mg/L以下，降低了黑液除硅的压力；由于经过脱硅预处理之后的麦草秸秆硅含量明显下降，对于后续秸秆制浆也产生了有益的影响，所得造纸浆料的得浆率高于41％，白度高于30％，抗张指数大于93N·m/g，撕裂指数大于6.95mN·m2/g，尤其是实施例3的黑液中硅元素含量37mg/L，得浆率、白度分别为45.5％、35.2％，效果最好。实施例4采用了同种不同株的短小芽孢杆菌，除硅效率虽有所下降，但除硅率仍能达到86.52％。以上结果表明，采用本发明提供的微生物菌剂进行麦草秸秆制浆，使硅元素在预处理阶段提前脱除，降低了硅元素在黑液中的含量，提高了造纸浆料的得浆率和白度，所制成纸张的机械性能也较优异，完全满足生产和使用需求。
对比例1将微生物菌剂中的短小芽孢杆菌替换为赖氨酸芽孢杆菌，对比例2将微生物菌剂中的短小芽孢杆菌替换为地衣芽孢杆菌，预处理工艺的除硅率明显下降，分别为51.01％和52.75％，造纸浆料的得浆率和白度以及纸张的抗张和撕裂指数均有不同程度的降低。对比例3将微生物菌剂中的蜡样芽胞杆菌替换为地衣芽孢杆菌，对比例4将微生物菌剂中的枯草芽孢杆菌替换为粪产碱杆菌，预处理工艺的除硅率也有不同程度的下降，分别为70.07％和69.15％。由以上结果可知，本发明微生物菌剂的菌种组成是预处理除硅工艺的最佳组合，改变微生物菌剂中的菌种种类，均达不到本发明的除硅效果。另外，通过分析对比例1-4的实验结果，当微生物菌剂中不含有短小芽孢杆菌时，麦草秸秆的除硅效果和制浆效果最差，推测短小芽孢杆菌是本发明微生物菌剂的比较关键的菌种。
对比例5-6均改变了微生物菌剂的菌种组成，增加了其他微生物菌种，但与实施例1相比，除硅效果和制浆效果均未得到提升，反而出现了下降的现象。对比例7的微生物菌剂中不含枯草芽孢杆菌，对比例8的微生物菌剂中不含蜡样芽孢杆菌，对比例9的微生物菌剂中不含短小芽孢杆菌，在发酵菌种浓度相同的条件下，麦草秸秆的除硅效果和制浆效果均差于实施例1，其中，实施例9的效果最差，也进一步验证了短小芽孢杆菌是本发明微生物菌剂的关键菌种。由对比例1-9可知，本发明由短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽胞杆菌组成的微生物菌剂是麦草秸秆预处理除硅的最佳菌种组合。
对比例10、11、12分别改变了微生物菌剂中短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽胞杆菌的菌种比例，其中，对比例10降低了枯草芽孢杆菌和蜡样芽胞杆菌的含量，对比例11和对比例12降低了短小芽孢杆菌的含量，结果表明，对比例10-12的麦草秸秆的除硅效果和制浆效果均差于实施例1，但是对比例10的除硅效果和制浆效果优于对比例11和对比例12，说明短小芽孢杆菌在麦草秸秆除硅中的关键作用，以及按照本发明的菌种比例，能够达到最优的除硅效果。
实施例5-7改变了微生物菌剂的接种量。当微生物菌剂的接种量为0.005％时(实施例4)，预处理除硅率为73.56％，除硅效果良好；当微生物菌剂的接种量为0.02％(实施例3)、0.01％(实施例5)、0.05％(实施例6)时，预处理阶段的除硅率得到了进一步提升，依次为91.31％、83.45％、89.95％，均能达到80％以上，其中，实施例3的除硅效果最好。
实施例8-11改变了预处理时的发酵时间。研究结果表明，发酵时间较短，导致硅元素脱除不彻底；发酵时间过长，菌体开始分解纤维素，造成纸张机械性能下降。
对比例13采用传统方法制浆，硅元素基本集中在黑液中，面临严重的“硅干扰”问题，且制备的纸浆和纸张机械性能较差。
Claims (12)
1.一种微生物菌剂，其特征在于，所述微生物菌剂是由短小芽孢杆菌菌液、蜡样芽孢杆菌菌液和枯草芽孢杆菌菌液混匀后得到，其中，所述短小芽孢杆菌菌液的菌浓为7.0-10×109cfu/mL，蜡样芽孢杆菌菌液的菌浓为7.0×109cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的菌浓为4.0-7.0×109cfu/mL，所述微生物菌剂中三种菌液的质量比为1:1:1；所述微生物菌剂用于预处理草浆原料脱硅；
所述短小芽孢杆菌为短小芽孢杆菌CICC 20685或短小芽孢杆菌CICC 10813；
所述蜡样芽孢杆菌为蜡样芽胞杆菌CICC 10184；
所述枯草芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌CICC 10028。
2.权利要求1所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)菌种活化：取短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，分别接种于液体培养基中活化培养；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，扩大培养得菌液；
3)复配：将扩大培养后的菌液混合，按比例复配得到微生物菌剂。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述液体培养基是指LB液体培养基。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为35～40℃、150-200rpm培养1～3天。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为37℃、150～180rpm培养1～3天。
6.权利要求1所述的微生物菌剂在草浆原料除硅制浆中的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述草浆原料为麦草秸秆。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述微生物菌剂是在蒸煮制浆之前对草浆原料进行发酵预处理除硅。
9.应用权利要求1所述的微生物菌剂制备麦草秸秆造纸浆料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆进行挤压与清洗，晾干后备用；
(2)微生物预处理：将除杂后的麦草秸秆送入降解池，加水和权利要求1所述的微生物菌剂，混合均匀，发酵降解1～3天；
(3)过滤：将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用或用于硅回收；
(4)碱法制浆：将步骤(3)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，高温蒸煮；
(5)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，满足以下条件之一项或多项：
a.步骤(1)中所述麦草秸秆与水的质量比为1:15-25；
b.步骤(2)中所述微生物菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.005％-0.05％；
c.步骤(2)中所述发酵的条件为30～40℃降解2～3天；
d.步骤(4)中所述氢氧化钠加入量为麦草干重的0.5％～10％，所述蒽醌的加入量为麦草干重的0.005％～0.1％；
e.步骤(4)中所述高温蒸煮的温度为150-200℃，时间为1-2h。
11.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述麦草秸秆与水的质量比为1:20。
12.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述发酵的条件为37℃降解2天。
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