CN1174127C

CN1174127C - 一种草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法

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Publication number: CN1174127C
Application number: CNB021088209A
Authority: CN
Inventors: 刘正初; 彭源德; 冯湘沅; 邓硕苹; 段盛文; 郑科
Original assignee: Institute of Bast Fiber Crops of CAAS
Current assignee: Institute of Bast Fiber Crops of CAAS
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2004-11-03
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: CN1450209A

Abstract

本发明涉及苎麻、亚麻、罗布麻、红麻韧皮、龙须草等草本植物纤维在工厂化条件下进行脱胶或制浆生产实用的一种高效菌剂制备方法。其技术路线为：菌(原)种制备→一级培养→二级培养接种→二级培养→真空包装→三级培养(工厂化条件下活化扩增)→生产用活化态菌悬液(产品)。采用本工艺流程及其相应的技术参数将已有高效菌株CXJZ95-198制备成“草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂”，提供给草本纤维脱胶及制浆企业用于工厂化条件下生产，以减少工厂制备菌种的困难。“草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂”用于工厂化条件下脱胶与制浆生产具有低耗、节能、高产、优质、污染轻等特点。与常规化学脱胶或制浆工艺比较，①工艺辅料减少50%以上；②动力能耗节省30%以上；③有效纤维制成率提高5个百分点；④工业综合废水的SS、COD_cr和BOD₅的浓度明显降低，可直接进入生物氧化处理且易于达标，废气、废渣和废汽排放量减少40%。

Description

一种草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法

一、适用范围

本发明涉及苎麻、亚麻、罗布麻、红麻韧皮、龙须草等草本植物纤维在工厂化条件下进行脱胶或制浆生产实用的一种高效菌剂制备方法。

二、国内外红麻脱胶生产工艺与研究现状

草本植物纤维在植物营养体生长发育过程中形成，单位土地面积的纤维产量比棉(生殖体发育过程中形成的纤维)和木材高，纤维品质比较好，再生速度比较快，因而，被国内外认为是纺织和造纸工业最具竞争力的纤维资源。这些纤维包裹于植物的韧皮部或叶片中，伴生有大量果胶、半纤维素、木质素等非纤维素物质，包理、包被于纤维细胞壁内外或镶嵌于纤维素分子之间。工厂化脱胶或制浆生产上历来采用以化学试剂蒸煮为中心的“化学试剂蒸煮法”来除去这些非纤维素物质以获得纯净纤维素纤维用做纺织或造纸原料。“化学试剂蒸煮法”是将化学试剂(氢氧化钠、亚硫酸盐等)配成一定浓度的溶液，然后把草本植物材料(生苎麻、红麻韧皮、龙须草等)浸泡其中并加热蒸煮数小时，用以除去非纤维素而提取纯净纤维的过程。该方法不仅消耗大量化工原料和能源，而且损伤纤维产量和品质、严重污染环境。

为了解决“化学试剂蒸煮法”进行草本纤维脱胶或制浆方法存在的诸多问题，国内外广泛开展了“微生物酶降解非纤维素”的方法研究。孙庆祥等在国内外率先研究形成了“苎麻细菌化学联合脱胶技术”(1985)，并在大规模生产应用中获得成功。刘正初等(1995)发明了“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”(专利号：ZL95 1 12564.8)。印度Bhattacharyya SK等(1981)研制成了用于处理黄麻的“真菌培养物”。1993年报道的生产应用试验结果表明：采用“真菌培养物”处理农民脱胶不符合质量要求的等外黄麻2-3天，可以使熟麻品质提高2-3个等级。Paul D等(1987)研制出“混合细菌培养物”，做过30克苎麻脱胶实验。1993年报道：用“混合细菌培养物”处理黄麻2-5天，可以完成脱胶但不损伤纤维。孟加拉Mohiuddin G等(1992)采用酶制剂处理脱胶质量不好的黄麻可以使其纺织产品提高1个等级。Shamsul Haque等(1999)采用Aspergillus sp.在29-30℃下处理等外黄麻10-12天，可以使纤维提高2个等级。这些研究结果表明，采用纯培养菌剂或从纯培养液中提取酶制剂来降解麻类韧皮中果胶、半纤维素、木质素的方法，不仅可以确保纤维产量和品质，而且可以降低生产成本、减轻环境污染。

三、拟解决的关键问题

在本所已有发明专利(专利号：ZL95 1 12564.8)，即已经获得苎麻脱胶高效菌株T85-260(国家菌种保藏中心编号：CGMCC95)的基础上，通过基因工程育种手段将该菌株改造成广谱型草本植物果胶、半纤维素、木质素降解菌CXJZ95-198，并研制成菌剂，提供给草本纤维脱胶及制浆企业用于工厂化条件下生产，以减少工厂制备菌种的困难。

四、技术方案

本发明拟采用的技术路线为：菌(原)种制备→一级培养→二级培养接种→二级培养→真空包装→三级培养(工厂化条件下活化扩增)→生产用活化态菌悬液(产品)。

(一)菌种改良采用质体DNA分子杂交获得一个食胡萝卜欧文氏杆菌突变株(本所编号：CXJZ95-198)。该突变菌株的特性之一是在低于4℃环境下保存30天和在60℃温水中保存60分钟，菌体死亡率达到100％。该突变菌株的特性之二是将菌体接种到草本植物纤维材料上以后，一旦完成其半纤维素的主要骨架成分——甘露聚糖的降解，即分泌出兰色色素物质(起指示剂作用)。

(二)菌(原)种制备取活化态典型CXJZ95-198菌落一个，在盛9ml无菌水的试管中分散后，按2％的比例接入改良肉汤培养液，35℃±1℃恒温条件下振荡(频率为：120rpm-180rpm)培养6h±1h。改良肉汤培养液的配方：魔芋粉(或葡萄糖)5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，牛肉膏5.0g/L，氯化钠5.0g/L，自然pH值。

(三)一级培养按2％取振荡培养菌悬液接入豆饼粉培养液，在普通搅拌通气式发酵罐中培养6h±0.5h。发酵罐培养条件是：35℃±1℃恒温，通压缩空气0.05dm³-0.50 dm³/1.min.，180rpm-280rpm搅拌。小批量生产时，用三角烧瓶在35℃±1℃下振荡(频率为：120rpm-180rpm)培养来替代发酵罐培养。豆饼粉培养液配方：豆饼粉(或无防腐剂面粉)2.0％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值。

(四)二级培养接种采用不锈钢和面机将一级培养菌悬液(5％±3％)与固态培养基(95％±3％)充分混匀。固态培养基中统糠(谷壳粉，风干重)与添加剂(溶液重)的配比为6比4。添加剂配方(对水而言)为：豆饼粉1％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值。

(五)二级培养将接种后的混合物均匀、分层平铺于具备通气装置的特制容器(同已申请发明专利的特制容器，申请号：01 1 45354.0)中，每层物料厚度为3cm-8cm，在35℃±1℃、相对湿度大于85％的环境下，按0.05dm³-0.50dm³/1.min.的比例通入压缩空气进行培养5.5h±0.5h。其活菌总量不低于10⁹cfu/g。

(六)包装同已申请发明专利的技术方案(即采用普通真空包装机和真空包装塑料袋包装。包装量为500g菌剂/包。保质期为12个月。其活性降低率小于20％。申请号：01 1 45354.0)。

(七)三级培养(工厂化条件下活化扩增) 在工厂化条件下进行，培养设备为3001通气搅拌式通用发酵罐。其接种量(二级培养固形物的重量与培养基重量之比，W/W)4％±1％；通气量0.05dm³-0.50dm³/1.min.；搅拌速率180rpm-280rpm；培养时间6.5h±0.5h。

五、实施例

(一)技术方案

1.菌种改良采用质体DNA分子杂交获得一个食胡萝卜欧文氏杆菌突变株(本所编号：CXJZ95-198)。该突变菌株的特性之一是在低于4℃环境下保存30天和在60℃温水中保存60分钟，菌体死亡率达到100％。该突变菌株的特性之二是将菌体接种到草本植物纤维材料上以后，一旦完成其半纤维素的主要骨架成分——甘露聚糖的降解，即分泌出兰色色素物质(起指示剂作用)。

2.菌(原)种制备取活化态典型CXJZ95-198菌落一个，在盛9ml无菌水的试管中分散后，按2％的比例接入改良肉汤培养液，35℃±1℃恒温条件下振荡(频率为：140rpm)培养6h。改良肉汤培养液的配方：魔芋粉(或葡萄糖)5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，牛肉膏5.0g/L，氯化钠5.0g/L，自然pH值。

3.一级培养按2％取振荡培养菌悬液接入豆饼粉培养液，在普通搅拌通气式发酵罐中培养6h。发酵罐培养条件是：35℃±1℃恒温，通压缩空气0.15dm³/1.min，280rpm搅拌。豆饼粉培养液配方：豆饼粉(或无防腐剂面粉)2.0％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值。

4.二级培养接种采用不锈钢和面机将一级培养菌悬液(5％)与固态培养基(95％)充分混匀。固态培养基中统糠(谷壳粉，风干重)与添加剂(溶液重)的配比为6比4。添加剂配方(对水而言)为：豆饼粉1％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值。

5.二级培养将接种后的混合物均匀、分层平铺于具备通气装置的特制容器(同已申请发明专利的特制容器，申请号：01 1 45354.0)中，每层物料厚度为5cm，在35℃±1℃、相对湿度大于85％的环境下，按0.15dm³/1.min.的比例通入压缩空气进行培养5.5h。其活菌总量不低于10⁹cfu/g。

6.包装同已申请发明专利的技术方案(即采用普通真空包装机和真空包装塑料袋包装。包装量为500g菌剂/包。保质期为12个月。其活性降低率小于20％。申请号：01 1 45354.0)。

7.三级培养(工厂化条件下活化扩增) 在工厂化条件下进行，培养设备为3001通气搅拌式通用发酵罐。其接种量(二级培养固形物的重量与培养基重量之比，W/W)4％；通气量0.15dm³/1.min.；搅拌速率250rpm；培养时间6.5h。

(二)生产规模

本实施例生产“草本纤维脱胶或制浆用高效菌剂”的规模为：300包-500包/批。

(三)实施效果

2001年9月-12月，用近3000包“草本纤维脱胶或制浆用高效菌剂”在湖南省湘西自治州花垣县造纸厂进行了工厂化应用试验，共用原料龙须草20多吨。试验结果(已通过湖南省科技厅组织的中试成果鉴定)表明：

1.利用“草本纤维脱胶或制浆用高效菌剂”降解草本植物非纤维素物质(果胶、半纤维素等)形成了一项的高新技术成果——高效节能清洁型龙须草生物制浆技术。该项成果在国内外造纸行业中居领先地位。

2.该项成果的工艺流程包括“龙须草原料→剪切→装料→接种→发酵→脱壳→打浆(半浆)→筛浆→洗浆→磨浆→制板→成品浆板”等工序。其主要技术参数是：①龙须草原料浸泡接种时间＝10min.-15min.；②发酵的温度＝35℃±4℃、时间≤8h；③脱壳时浴比≤1∶2.5、NaOH用量＝4％±0.5％、蒸汽压≤0.015mPa、蒸煮时间≤2h时。

3.该项成果能将不同等级的原料龙须草加工成品质指标介于针叶木浆与阔叶木浆之间的高档纸浆，并且适用于工厂化生产。

4.该项成果具有低耗、节能、高产、优质、污染轻等特点。与常规化学制浆工艺比较，①工艺辅料减少54.55％；②动力能耗节省33.80％；③细浆得率提高5个百分点；④工业综合废水工业废水水量为100m³/t，SS、COD_cr和BOD₅的浓度694mg/l、1181mg/1和317mg/l，可直接进入生物氧化处理且易于达标，废气、废渣和废汽排放量减少41.67％，机械噪音降低28.57％。

Claims

1.一种草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，其技术特征在于通过质粒转化获得一个高效菌株，然后按照一定技术方案将它制备成高效菌剂用于工厂化脱胶或制浆，其技术方案包括：原种制备即原种接种到改良肉汤中在35℃±1℃下振荡培养6h±1h→一级培养即活化菌悬液转接豆饼培养基在35℃±1℃下通气搅拌扩培6h±0.5h→二级培养接种即扩培菌悬液按5％±3％的比例与固态培养基混合→二级培养即在35℃±1℃和相对湿度大于85％的环境下通气培养5.5h±0.5h→真空包装→活化扩增即工厂化条件下通气搅拌培养6.5h±0.5h→生产用活化态菌悬液。

2.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“高效菌株”的特征在于采用质体DNA分子杂交获得一个食胡萝卜欧文氏杆菌突变株，编号：CXJZ95-198，在低于4℃环境下保存30天和在60℃温水中保存60分钟时菌体死亡率达到100％，接种到草本植物纤维材料上完成果胶、半纤维素等非纤维素主要骨架成分降解时分泌出蓝色色素。

3.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“原种制备”的特征在于取活化态典型CXJZ95-198菌落一个，在盛9ml无菌水的试管中分散后，按2％的比例接入改良肉汤培养液，35℃±1℃恒温条件和振荡频率120rpm-180rpm下培养6h±1h；改良肉汤培养液的配方：魔芋粉或葡萄糖5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，牛肉膏5.0g/L，氯化钠5.0g/L，自然pH值。

4.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“一级培养”的特征在于按2％取振荡培养菌悬液接入盛豆饼粉培养液的发酵罐，在35℃±1℃、通压缩空气0.05dm³-0.50dm³/l.min.、180rpm-280rpm搅拌培养6h±0.5h；豆饼粉培养液配方：豆饼粉或无防腐剂面粉2.0％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值；或者用三角烧瓶在35℃±1℃下振荡频率120rpm-180rpm培养6h±0.5h来替代发酵罐培养。

5.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“二级培养接种”的特征在于采用不锈钢和面机将一级培养菌悬液按5％±3％的比例与固态培养基充分混匀，固态培养基中统糠与添加剂的配比为6比4，添加剂配方为：豆饼粉1％，(NH₄)₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄.7H₂O0.05％，酵母汁0.05％，自然pH值。

6.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“二级培养”的特征在于将接种后的混合物均匀、分层平铺于具备通气装置的特制容器中，每层物料厚度为3cm-8cm，在35℃±1℃、相对湿度大于85％的环境下，按0.05dm³-0.50dm³/l.min.的比例通入压缩空气进行培养5.5h±0.5h，其活菌总量不低于10⁹cfu/g。

7.如权利要求1所述的草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法，“活化扩增”的特征在于工厂化条件下进行培养的设备为3001通气搅拌式通用发酵罐，接种量4％±1％，通气量0.05dm³-0.50dm³/l.min.，搅拌速率180rpm-280rpm，培养时间6.5h±0.5h。