CN116289285A - 一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法 - Google Patents
一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种α‑MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法,即调解秸秆C/N和含水率,然后接种娄彻氏链霉菌、添加α‑MnO2,物料发酵2‑6d,然后加入氢氧化钠溶液,调节含水率,80‑120℃条件下蒸煮1‑3h,获得解离秸秆纤维;本申请通过添加金属氧化物耦合木质素降解菌定向促进木质素的降解,提高了秸秆纤维的拆解效率,促进纤维的软化性和渗透性,降低了制浆过程的能耗和提高了纸张的使用性能,且还能较少钠碱等污染物的产生和排放,改善纸张性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物制浆技术领域,尤其涉及一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法。
背景技术
纤维素拆解是造纸的重要环节,在不同的纤维拆解技术中,生物发酵是现如今降解木质素,拆解秸秆纤维研究较多的方法。专利CN102517946A公开了一种利用黑腐菌降解秸秆木质素的纸浆生产办法,过程中不用任何化学品,无污染、能耗低、成本仅为现用的化学法制浆成本的40%。专利CN113957737A采用木质素酶、果胶酶、打浆酶等一系列生物酶对秸秆进行预处理,打浆后再结合生物菌处理、两次研磨处理和摩擦分丝处理,获得无菌无污染的纸浆浆料。生物发酵能够部分降解秸秆中的纤维素半纤维和木质素,使秸秆表面疏松,促进纤维的软化性和渗透性,促进秸秆纤维的拆解,降低打浆能耗。然而这些传统生物发酵过程中木质素降解的速率慢,降解周期需要10天以上,拆解时效性低,菌剂培养困难,故而影响了生物降解纤维素方法在工业造纸中的应用。
目前利用金属氧化物催化生物发酵降解秸秆纤维中的木质素尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是改善传统生物发酵过程中木质素降解的速率慢,拆解效果差的缺点,从而提出了一种金属氧化物耦合菌剂发酵提高秸秆纤维解离的方法,利用α-MnO2的催化作用,使生物发酵过程中对秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解速率更快,解离效果更好。
为了实现上述目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵提高秸秆纤维解离率的方法,其具体步骤如下:
(a)备料:将农作物秸秆粉碎至3-5cm,添加水和氮素,将碳氮比调节至20-60(优选25-30),将含水率调至50-65%;
(b)生物发酵:对物料进行接种娄彻氏链霉菌,并添加α-MnO2催化剂,堆垛,使物料进行2-6d的充分有氧发酵,获得发酵物料;
娄彻氏链霉菌的接种量为5×106CFU/g(以秸秆干重计),α-MnO2的添加量为秸秆干重的0.1%;
(c)秸秆纤维拆解:向步骤(b)获得的发酵物料中添加质量浓度为0.4-0.8%的氢氧化钠溶液,所加入的氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量为秸秆干重的1-2%;在80-120℃条件下蒸煮1-3h,以拆解秸秆纤维,使秸秆纤维的拆解参数符合国标GBT13023-2008瓦楞芯原纸的要求,获得解离秸秆纤维。
优选的,上述农作物秸秆可以选择包括水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆中的一种或多种。
其次,本申请还提供了利用利用上述解离秸秆纤维制浆抄纸的方法,即将步骤(c)获得的解离物料进行机械打浆并抄纸,打浆浓度1%,纸页紧度约150g/m3,打浆时间20-60min;
本步骤使用常规方式进行制浆抄纸,如文献“秸秆纤维基抑草地膜的制备及性能研究,张悦,2019”中所公开的方法;所使用设备均为市售产品。如实施例中使用打浆瓦力打浆机,型号AT-WL,山东安尼麦特仪器有限公;纸页快速成型器,型号AY-CZ-3,购自山东安尼麦特仪器有限公司。
本申请通过添加α-MnO2强化娄彻氏链霉菌降解秸秆中的木质素,显著缩短秸秆纤维解离所需要的发酵时间,相比于现有的技术,本发明的有益效果为:
1、本发明中,通过添加金属氧化物耦合木质素降解菌定向促进木质素的降解,提高了秸秆纤维的拆解效率,促进纤维的软化性和渗透性,降低了制浆过程的能耗和提高了纸张的使用性能。
2、本发明中,因为金属氧化物的添加,提高了发酵效率,促进了纤维的拆解,达到相同品质纸浆所需的生物发酵时间会大大缩短,以至于后期碱处理中,氢氧化钠的使用量降低,减少了污染物的产生。
附图说明
图1为实施例1-4不同的生物发酵条件对裂断长的影响检测结果。
图2为实施例1-4不同的生物发酵条件对环压指数的影响检测结果。
图3为实施例1-4不同的生物发酵条件对秸秆三素去除率的影响检测结果。
具体实施方式
以下实施例使用的娄彻氏链霉菌由江苏省农业科学院保藏,该娄彻氏链霉菌为常规菌株,如文献“娄彻氏链霉菌好氧发酵改善秸秆流变性能的研究_靳晓晨”所公开报道。
实施例1
先将小麦秸秆粉碎至3-5cm(以下实施例同),然后调节物料的含水率至60%,并添加尿素调节物料碳氮比为28,(本实施例不额外添加菌剂)堆垛进行有氧发酵(发酵过程中堆垛内温约55℃),生物发酵时间为3d,再添加质量浓度为0.8%的氢氧化钠溶液,所加入的氢氧化钠溶液中,氢氧化钠的添加量为秸秆干重的2%;100℃蒸煮1h,打浆抄纸,打浆浓度1%,纸页紧度约150g/m3,打浆时间为30min。
本实施例使用的打浆设备为:瓦力打浆机,AT-WL,山东安尼麦特仪器有限公;抄纸设备为:纸页快速成型器,AY-CZ-3,山东安尼麦特仪器有限公司(以下实施例同)。
实施例2
先将小麦秸秆粉碎至3-5cm,含水率调至60%,并添加尿素调碳氮比为28,而后向物料中接种娄彻氏链霉菌,接种量为5×106CFU/g(秸秆干重),堆垛有氧发酵(发酵过程中堆垛内温约55℃)3d,再添加浓度为0.8%的氢氧化钠溶液(所加入氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量为秸秆干重的2%),100℃蒸煮1h,打浆抄纸,打浆浓度1%,纸页紧度约150g/m3(参数同实施例1),打浆时间为30min。
实施例3
先将秸秆的含水率调至60%,并添加尿素调碳氮比为28,添加氧化锰,(本实施例不额外添加菌剂)堆垛进行生物发酵3d(发酵过程中堆垛内温约55℃),再添加浓度为0.8%的氢氧化钠溶液(所加入氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量为秸秆干重的2%);100℃蒸煮1h,打浆抄纸,打浆浓度1%,纸页紧度约150g/m3(参数同实施例1),打浆时间为30min。
本实施例中使用的氧化锰购自湖南大吉锰业有限公司,其中α-二氧化锰的质量含量为75%;以α-二氧化锰计,本实施例所加入氧化锰的质量为秸秆干重的0.1%。
实施例4
1)先将小麦秸秆粉碎至3-5cm,将物料的含水率调至60%,并添加尿素调节物料碳氮比为28;而后对物料接种娄彻氏链霉菌,接种量为5×106CFU/g(以秸秆干重计),再添加氧化锰,堆垛进行有氧发酵3d(发酵过程中堆垛内温约55℃);再添加质量浓度为0.8%的氢氧化钠溶液(所加入氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量占秸秆干重的2%);100℃蒸煮1h;
本实施例中使用的氧化锰购自湖南大吉锰业有限公司,其中α-二氧化锰的质量含量为75%;以α-二氧化锰计,本实施例所加入氧化锰的质量为秸秆干重的0.1%。在具体实施中还可以使用其他含有α-二氧化锰的锰氧化物,只要确保所加入的α-二氧化锰含量为秸秆干重的0.1%,均可实现发明之目的。
2)打浆抄纸,打浆浓度1%,纸页紧度约150g/m3(瓦力打浆机,AT-WL,山东安尼麦特仪器有限公;纸页快速成型器,AY-CZ-3,山东安尼麦特仪器有限公司),打浆时间为30min。
在具体实施中,可以使用其他浓度的氢氧化钠溶液,只要确保氢氧化钠添加量在秸秆干物质量1-2%的范围内,均可实现发明目的。
对实施例1-4打浆抄纸后获得的纸片进行检测,结果如下:
1、裂断长度检测
对实施例1-4打浆抄纸后获得的纸片裂断长度进行检测,检测方法参考GBT12914-2018(纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法)检测结果如图1所示。
从图1中可以看出实施例1不添加菌剂和α-MnO2,裂断长为2.06km,实施例2添加娄彻氏链霉菌后其裂断长为2.68km,实施例3添加α-MnO2后其裂断长为2.71km,实施例4添加α-MnO2强化娄彻氏链霉菌后裂断长为3.94km。生物发酵过程中α-MnO2和娄彻氏链霉菌的添加均能促进秸秆纤维的解离,提高裂断长,α-MnO2能够促进娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离,提高秸秆纤维间的交织力,提高裂断长。
2、环压指数检测
对实施例1-4打浆抄纸后获得的纸片环压指数进行检测,检测方法参考GBT2679.8-2016(纸和纸板环压强度的测定),检测结果如图2所示。从图2中可以看出实施例1不添加菌剂和α-MnO2,环压强度为14.23N·m/g,实施例2添加娄彻氏链霉菌后其环压强度为18.17N·m/g,实施例3添加α-MnO2后其环压强度为20.18N·m/g,实施例4添加α-MnO2强化娄彻氏链霉菌后环压强度为17.28N·m/g。生物发酵过程中α-MnO2和娄彻氏链霉菌的添加均能促进秸秆纤维的解离,提高环压指数,α-MnO2能够促进娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离,其纤维挺度有所下降,因此其环压指数稍微有所下降。
3、三素(半纤维素、纤维素、木质素)检测
对实施例1-4打浆抄纸后获得的纸片环压指数进行检测,检测方法参考GBT2679.8-2016(纸和纸板环压强度的测定),检测结果如图3所示。图3展现了实施例1-4中不同的生物发酵条件对秸秆三素去除率的影响。实施例1未接菌发酵的半纤维素、纤维素和木质素的去除率为14.22%,19.00%和21.86%。实施例2/3接菌和添加α-MnO2发酵后三素的去除率均有所增加。实施例4添加α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵,能够进一步提高秸秆中三素的去除率,分别是17.64%,23.37%,27.73%,这个结果说明秸秆纤维充分拆解,与裂断长的结果一致。
加催化剂同样可以提高木质素的去除率,提高发酵效率,缩短发酵时间。接种菌剂生物发酵联合α-MnO2催化剂可以大大提高秸秆纤维的解离效率,减少后处理中氢氧化钠的使用,减少污染物的生成。在达到成纸产品标准的前提下降低打浆制浆的能耗,改善纸张性能、提高设备的生产能力。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例,并不是全部的实施例。但本发明的实际实现并不受限于上述内容的限制,只要采用或在此基础上改用本发明思路和方案用于其他场合的,均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法,其特征在于,具体步骤如下:
a)将农作物秸秆粉碎至3-5cm,调节C/N至20-60,含水率至50-65%;
b)对物料接种娄彻氏链霉菌,并添加α-MnO2催化剂,堆垛有氧发酵2-6d,获得发酵物料;
c)向发酵物料中添加氢氧化钠溶液,所加入的氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量为秸秆干重的1-2%;于80-120℃处理1-3h,即获得解离秸秆纤维。
2.根据权利要求1所述α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法,其特征在于,所述农作物秸秆包括水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法,其特征在于,步骤b)中,以秸秆干重计,娄彻氏链霉菌的接种量为5×106 CFU/g,α-MnO2的添加量为0.1% 。
4.根据权利要求1所述α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法,其特征在于,步骤c)所加入氢氧化钠质量浓度为0.4-0.8%。
5.一种利用权利要求1-4任一方法获得的解离秸秆纤维造纸的方法,其特征在于,具体步骤如下:利用所述解离秸秆纤维进行机械打浆并抄纸,打浆浓度1%,打浆时间20-60 min。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202310170860.9A Pending CN116289285A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种α-MnO2强化娄彻氏链霉菌发酵促进秸秆纤维解离的方法 |
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4087318A (en) * | 1974-03-14 | 1978-05-02 | Mo Och Domsjo Aktiebolag | Oxygen-alkali delignification of lignocellulosic material in the presence of a manganese compound |
WO2006016596A1 (ja) * | 2004-08-12 | 2006-02-16 | Oji Paper Co., Ltd. | リグノセルロース材料からの繊維成分の製造およびその利用 |
CN109135313A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-01-04 | 江苏省农业科学院 | 一种抑草秸秆生物质基降解地膜及应用 |
CN112608170A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-06 | 东北农业大学 | 一种通过阶段处理提高堆肥腐殖酸含量的方法 |
CN115537938A (zh) * | 2022-10-24 | 2022-12-30 | 江苏省农业科学院 | 一种高长径比秸秆纤维的制备方法及其在针刺成型秸秆毯中的应用 |
-
2023
- 2023-02-27 CN CN202310170860.9A patent/CN116289285A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4087318A (en) * | 1974-03-14 | 1978-05-02 | Mo Och Domsjo Aktiebolag | Oxygen-alkali delignification of lignocellulosic material in the presence of a manganese compound |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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王楠等: ""添加金属(氢)氧化物对木质素腐殖化作用的影响机理"", 《农业环境科学学报》, 20 November 2019 (2019-11-20), pages 2528 - 2535 * |
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