一種秸稈降解複合菌劑及其在乙醇生產預處理中的應用的製作方法

2023-07-05 10:39:01

專利名稱：一種秸稈降解複合菌劑及其在乙醇生產預處理中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及微生物發酵及環保技術領域，尤其是一種秸稈降解複合菌劑及其在乙醇生產預處理中的應用
背景技術：
產業革命後的200多年，人類社會經歷了前所未有的大發展，社會生產力和科技水平都得到了極大的提升，然而這種巨大發展的背後卻是伴隨著石油、煤、天然氣等化石燃料的大量消耗，這些資源儲量有限，屬於不可再生能源，而且化石燃料的燃燒正在影響全球氣候變化，嚴重地威脅著人類的生存環境，鑑於能源和環境問題已成為全球關注的焦點，開發潔淨的可再生能源已成了緊迫的課題。微生物發酵生產燃料乙醇作為一種可再生能源， 已經引起了人們的高度重視。現階段，國內外燃料乙醇的大規模生產都是以糖質和澱粉質農作物如甘蔗、糖蜜、 木薯、玉米為原料。在我國，則主要以玉米、陳化的小麥和稻穀為原料，這對於我國本來食物就相對匱乏的國情而言無疑又是一個沉重的負擔，而與之相對的是以農作物秸稈為代表的木質纖維素類生物質資源十分豐富，年產量高達7 X IO8噸，這些物質大部分未能被有效利用，既浪費了資源，又造成了環境汙染。若能採用適宜的技術將這些秸稈類生物質資源轉化為乙醇將帶來不可估量的價值。目前，秸稈預處理的方法主要有物理預處理法、化學預處理法和生物預處理法，例如蒸汽爆破法、稀酸法、鹼處理法等。物理和化學方法對設備的要求較高，能耗較大，且存在運行成高、對環境影響大的缺陷；相比之下，生物預處理法能耗小，對環境友好，但存在降解效率低的缺點。所以，培育新型秸稈高效降解複合菌劑極為重要。秸稈的主要成分包括纖維素、半纖維素和木質素，三者相互纏繞所形成的結構使得這些生物質難以降解，這是將纖維素加工為燃料所面臨的唯一的、也是最為重要的障礙。 因此秸稈類生物質的預處理是生產乙醇的關鍵因素，預處理的目的就是破壞或去除纖維素、半纖維素和木質素之間的複雜結構，改進酶與纖維素生物質有效接觸並發生生化反應， 提高酶水解速率和得糖率。秸稈預處理水平的提高無疑會極大的促進燃料乙醇的生產。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種秸稈降解複合菌劑及其在乙醇生產預處理中的應用，通過微生物協同降解實現對秸稈的預處理，提高了秸稈乙醇的生產效率，實現廢棄物循環再利用，節約土地資源，消除事故隱患。本發明的技術方案一種秸稈降解複合菌劑，由I號菌劑和II號菌劑混合組成，I號菌劑由黃孢原毛平革菌、芽孢桿菌和鏈黴菌中的一種或兩種以上任意比例的混合物組成，II號菌劑由木黴、 青黴、麴黴和放線菌中的一種或兩種以上任意比例的混合物組成，在I號菌劑和II號菌劑混合物中，I號菌劑所佔質量百分比為50-70%，II號菌劑為餘量。
一種所述秸稈降解複合菌劑的製備方法，將各單株菌分別接種在培養基中，培養基組成蛋白腖log、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸餾水1000ml，調節pH 7. 4，在40°C溫度條件下的搖床中，以轉數為170rpm下振蕩培養36-7池，然後稀釋形成菌液，使每毫升菌液中菌個數為2億個，即2億/ml，按照I號菌劑和II號菌劑的成分比例分別進行混合，製得I號菌劑和II號菌劑，最後將I號菌劑和II號菌劑混合製得秸稈降解複合菌劑。一種所述秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用，包括以下步驟
1)將秸稈粉碎至粒徑為0. 5-0. 8cm的秸稈碎末；2)用質量百分比濃度為0. 1-1%的氨水溶液，浸泡秸稈Μ-4 !進行淨化處理，取出後擠壓至無水流出；3)向淨化處理後的秸稈中加入營養液，製成發酵底物；4)向發酵底物中噴入秸稈高效降解複合菌劑，發酵處理2天後得到發酵產物，將發酵產物過濾，水洗至中性，即可得到用於乙醇生產的預處理產物。所述營養液由硫酸錳、硫酸鎂、氯化鈣、硫酸亞鐵和水組成，各組分的重量百分比為硫酸錳0.5%、硫酸鎂0.5%、氯化鈣0. 1%、硫酸亞鐵0. 1%，其餘為水，營養液的pH為 7. 4。所述營養液的加入量為淨化處理後的秸稈質量的25-40%。所述秸稈降解複合菌劑與發酵底物的質量比為1 3-7，其中複合菌劑的菌落濃度為 lX 107-7X 108cfu/mlo本發明的優點和有益效果是1.本發明採用氨水淨化處理秸稈粉末，氨水浸泡處理秸稈有助於木質素的去除， 在處理0. 5-0. 8cm秸稈時，有效的打破了木質素對纖維素、半纖維素的包裹作用，增加了纖維素和半纖維素的酶觸面積，提高了預處理效率；此外，用氨水處理可以為後續處理過程中的微生物生長提供銨鹽類營養成分。2.本發明採用微生物菌劑協同發酵降解作物秸稈，不同微生物在降解中分泌互補性酶，在代謝中使底物得到充分降解，從而提高工業發酵過程的效率；單一微生物發酵會有產酶不完全的現象，即所產生的酶是降解所需酶系統中的部分酶，發生降解不完全的現象。3.本發明所需設備簡單，工藝簡便，且不會造成附加的環境危害，實現了秸稈乙醇生產中的高效預處理，提高生物質資源利用效率，解決了農作物秸稈難於降解、再利用的難題，具有極其深遠的社會意義和經濟價值。


圖1為實施例1、2、3中產物還原糖得率變化曲線。圖2為實施例1、2、3中底物木質素降解率變化曲線。
具體實施例方式本發明通過以下實施例進一步詳述，但本實施例所敘述的技術內容是說明性的， 而不是限定性的，不應依此來局限本發明的保護範圍。以下實施例所涉及的I號菌劑中的黃孢原毛平革菌、芽孢桿菌和鏈黴菌、II號菌劑中的木黴、青黴、麴黴和放線菌的生產廠家為天津工業微生物研究所。
實施例1 —種秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用方法，包括以下步驟1)將稻草秸稈經粉碎設備粉碎至粒徑0. 8cm形成秸稈碎末；2)用配置成0. 1 %的氨水溶液，將秸稈碎末浸泡其中4 淨化處理，取出後擠壓至無水流出；3)向淨化處理過的秸稈中加入其質量40%的營養液，製成發酵底物；向發酵底物中噴入木質素降解菌和纖維素降解菌菌液，菌液與發酵底物質量比為1 3，其中培養液中菌體濃度為1 X 107cfu/ml ；4)發酵處理2天得到發酵產物，將發酵產物過濾，水洗至中性，即得到預處理產物。該實施例中，所述營養液的組分及重量比為硫酸錳0. 5%、硫酸鎂0. 5%、氯化鈣 0. 1%、硫酸亞鐵0. 1%，其餘為水，pH為7.4。複合菌劑中，I號菌劑中各組分的質量份額為黃孢原毛平革菌35份、芽孢桿菌30 份、鏈黴菌35份；II號菌劑中各組分的質量份額為木黴30份、青黴25份、放線菌45份； 複合菌劑中I號菌劑的質量份額為70份，II號菌劑的質量份額為30份。所述秸稈降解複合菌劑的製備方法將各單株菌分別接種在培養基中，培養基組成蛋白腖log、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸餾水1000ml，調節pH 7. 4，在40°C溫度條件下的搖床中，以轉數為170rpm下振蕩培養36_7池，然後稀釋形成菌液，使每毫升菌液中菌個數為2 億個，即2億/ml，按照I號菌劑和II號菌劑的成分比例分別進行混合，製得I號菌劑和II 號菌劑，最後將I號菌劑和II號菌劑混合製得秸稈降解複合菌劑。圖1、圖2顯示經過前期氨水淨化處理和之後的複合菌劑發酵，所處理底物的木質素降解率為43%，產物中還原糖得率可達到53%，所述還原糖得率為產物中還原糖含量與底物中纖維素和半纖維素含量的比值。實施例2 —種秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用方法，包括以下步驟1)將稻草秸稈經粉碎設備粉碎至粒徑0. 8cm形成秸稈碎末；2)用配置成0. 5%的氨水溶液，將秸稈碎末浸泡其中3 淨化處理，取出後擠壓至無水流出；3)向淨化處理過的秸稈中加入其質量30%的營養液，製成發酵底物；向發酵底物中噴入木質素降解菌和纖維素降解菌菌液，菌液與發酵底物質量比為1 5，其中培養液中菌體濃度為7X107cfu/ml ；4)發酵處理2天得到發酵產物，將發酵產物過濾，水洗至中性，即得到預處理產物。該實施例中，所述營養液與實施例1相同。複合菌劑中，I號菌劑中各組分的質量份額為黃孢原毛平革菌30份、芽孢桿菌35 份、鏈黴菌35份；II號菌劑中各組分的質量份額為木黴25份、青黴25份、麴黴20份、放線菌30份；複合菌劑中I號菌劑的質量份額為60份，II號菌劑的質量份額為40份。所述秸稈降解複合菌劑的製備方法與實施例1相同。圖1、圖2顯示經過前期氨水淨化處理和之後的複合菌劑發酵，所處理底物的木質素降解率為52%，產物中還原糖得率可達到64%。實施例3 一種秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用方法，包括以下步驟1)將稻草秸稈經粉碎設備粉碎至粒徑0. 5cm形成秸稈碎末；2)用配置成1. 0%的氨水溶液，將秸稈碎末浸泡其中24h淨化處理，取出後擠壓至無水流出；3)向淨化處理過的秸稈中加入其質量25%的營養液，製成發酵底物；向發酵底物中噴入木質素降解菌和纖維素降解菌菌液，菌液與發酵底物質量比為1 7，其中培養液中菌體濃度為7X108cfu/ml ；4)發酵處理2天得到發酵產物，將發酵產物過濾，水洗至中性，即得到預處理產物。該實施例中，所述營養液與實施例1相同。複合菌劑中，I號菌劑中各組分的質量份額為黃孢原毛平革菌40份、芽孢桿菌30 份、鏈黴菌30份；II號菌劑中各組分的質量份額為木黴35份、麴黴25份、放線菌40份； 複合菌劑中I號菌劑的質量份額為50份，II號菌劑的質量份額為50份。所述秸稈降解複合菌劑的製備方法與實施例1相同。圖1、圖2顯示經過前期氨水淨化處理和之後的複合菌劑發酵，所處理底物的木質素降解率為58%，產物中還原糖得率可達到72%。
權利要求
1.一種秸稈降解複合菌劑，其特徵在於由I號菌劑和II號菌劑混合組成，I號菌劑由黃孢原毛平革菌、芽孢桿菌和鏈黴菌中的一種或兩種以上任意比例的混合物組成，II號菌劑由木黴、青黴、麴黴和放線菌中的一種或兩種以上任意比例的混合物組成，在I號菌劑和 II號菌劑混合物中，I號菌劑所佔質量百分比為50-70%，II號菌劑為餘量。
2.一種如權利要求1所述秸稈降解複合菌劑的製備方法，其特徵在於將各單株菌分別接種在培養基中，培養基組成蛋白腖10g、酵母粉5g、NaCl 5g、蒸餾水1000ml，調節pH 7. 4，在40°C溫度條件下的搖床中，以轉數為170rpm下振蕩培養36-7池，然後稀釋形成菌液，使每毫升菌液中菌個數為2億個，即2億/ml，按照I號菌劑和II號菌劑的成分比例分別進行混合，製得I號菌劑和II號菌劑，最後將I號菌劑和II號菌劑混合製得秸稈降解複合菌劑。
3.—種如權利要求1所述秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用，其特徵在於包括以下步驟1)將秸稈粉碎至粒徑為0.5-0. 8cm的秸稈碎末；2)用質量百分比濃度為0.1-1%的氨水溶液，浸泡秸稈對_4 !進行淨化處理，取出後擠壓至無水流出；3)向淨化處理後的秸稈中加入營養液，製成發酵底物；4)向發酵底物中噴入秸稈高效降解複合菌劑，發酵處理2天後得到發酵產物，將發酵產物過濾，水洗至中性，即可得到用於乙醇生產的預處理產物。
4.根據權利要求3所述秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用，其特徵在於所述營養液由硫酸錳、硫酸鎂、氯化鈣、硫酸亞鐵和水組成，各組分的重量百分比為硫酸錳0. 5%、硫酸鎂0. 5%、氯化鈣0. 1 %、硫酸亞鐵0. 1 %，其餘為水，營養液的pH為7. 4。
5.根據權利要求3所述秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用，其特徵在於所述營養液的加入量為淨化處理後的秸稈質量的25-40%。
6.根據權利要求3所述秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用，其特徵在於所述秸稈降解複合菌劑與發酵底物的質量比為1 3-7，其中複合菌劑的菌落濃度為 lX 107-7X 108cfu/mlo
全文摘要
一種秸稈降解複合菌劑，由I號菌劑和II號菌劑混合組成，I號菌劑包括黃孢原毛平革菌、芽孢桿菌和鏈黴菌，II號菌劑包括木黴、青黴、麴黴和放線菌；該秸稈高效降解複合菌劑在乙醇生產預處理中的應用方法將粉碎的秸稈用氨水浸泡進行淨化處理，加入營養液，製成發酵底物，噴入秸稈高效降解複合菌劑，發酵處理2天後，過濾後水洗至中性，即可得到用於乙醇生產的預處理產物。本發明的優點是採用氨水浸泡處理秸稈有助於木質素的去除，增加纖維素和半纖維素的酶觸面積，提高預處理效率；採用微生物菌劑協同發酵降解秸稈，不同微生物在降解中分泌互補性酶，使底物充分降解，提高生物質資源利用率；工藝簡單、便於實施，且不會造成環境危害。
文檔編號C12N1/14GK102424808SQ201110441198
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者劉樂, 李維尊, 江洋, 王雁南, 鞠美庭 申請人:南開大學