一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳氮比製備微生物培養基的方法
2023-07-26 17:52:31
專利名稱：一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳氮比製備微生物培養基的方法
技術領域：
本發明屬於生物質預處理領域，特別涉及一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳氮比 來製備微生物培養基的方法。
背景技術：
經過半個多世紀的發展，發酵行業已經獲得了長足的進展，現在已經成為國 民經濟中的舉足輕重的行業。發酵可以分為兩種基本的形式液態發酵和固態發 酵。液態發酵從上世紀40年代開始出現後，獲得了重大的進展，到現在已非常 成熟，成為發酵行業的主要形式。但是一般的液體發酵要求培養基是可溶性的或 者具有較小的顆粒直徑，從目前來看葡萄糖是發酵行業的重要原料。因為葡萄糖
來源於糧食作物，因此液體發酵面臨"與人爭糧"的問題。固態發酵(Solid-state fermentation, SSF)是指培養基呈固態，雖然含水豐富，但在沒有或幾乎沒有 自由流動水的狀態下進行的一種或多種微生物發酵過程。固態發酵可以利用以往 液態發酵難以利用的農副產品，如麥麩、豆粕、果殼、秸稈等作為培養基來發酵 生產高附加值的產品。在這些原料中，由於具有豐富的營養和合適的顆粒結構， 麥麩是使用廣泛、發酵效果優良的培養基。但是即使作為糧食加工的副產品，麥 麩的價格也是隨著糧食的價格增長而增長，有時其售價幾乎和小麥的價格相同。 大量使用麥麩作為固態發酵的培養基難以充分發揮固態發酵產品價格低廉的優 勢。為此，研究者將秸稈類生物質進行適當的預處理後用於替代麥麩用作固態發 酵的培養基，比如汽爆玉米秸稈和汽爆小麥秸稈就用於纖維素酶、半纖維素酶的 生產，並獲得了一定的成功。但是，通過微生物學的基本知識可知， 一個合適的 微生物培養基需要有合適的碳氮比。只有培養基中的碳氮比在一定的範圍，微生 物才能充分利用培養基中的養分，否則的話會導致某種營養成分成為發酵的限制 性因素。這個比例對於一般的培養基而iT應該在100/0. 5-2之間，而對於產胺基酸、蛋白質而言的培養基而言往往需要在100/10 20之間。不管是秸稈還是汽 爆秸稈，其中碳元素的含量都是遠高於氮源素的含量。很難達到合適的碳氮比。 培養基優化的報導也多次證明這個結論，在以秸稈或汽爆為主要培養基的情況 下，必須在培養基中添加一定量的麩皮和無機氮源來增加調節培養基中的碳氮 比。例如以汽爆玉米秸稈為主要培養基固態發酵纖維素酶時，需要添加25%的麥 麩，才可以達到較好的發酵效果。這就在某種程度上增加了培養基的成本。除了 典型的固態發酵，汽爆秸稈也被嘗試用於沼氣發酵等厭氧微生物培養過程，但是 由於汽爆秸稈的碳氮比偏高，其產氣速率和產氣量都較差。
發明內容
本發明的目的就是為了解決秸稈類生物質在作為微生物培養基時氮含量較 低，而必須在培養基中添加大量麥麩等高價培養基的問題，通過在秸稈蒸汽爆碎 預處理過程中添加一定比例的具有強酸根的銨鹽來增加汽爆秸稈中的含氮量。本
發明的目的是通過以下手段實現 '
1. 以普通汽爆秸稈為主要培養基，以具有強酸根的銨鹽種類為影響因素，
用單因素實驗為考察手段，選擇微生物所偏好的具有強酸根的銨鹽；
2. 將農作物秸稈用切草機切割為3 10cm的小段，測定秸稈的含水量，計 算將秸稈的含水量調節為30 60%所需的用水量，將選中的銨鹽根據含氮量以 1-5%的比例加入到水中溶解後噴灑到切碎的秸稈中，溼潤0 24h;
3. 將溼潤後的秸稈裝入汽爆罐中，通入飽和蒸汽使壓力到0.8-2.0MPa，維 持壓力0 20min後，將汽爆罐中的物料爆出， 一般而言所需的壓力較不加銨鹽 時降低0.2 0.3MPa;
4. 汽爆獲得的汽爆秸稈測定含氮量後直接用做微生物培養基。
本發明的特點
1. 本發明通過汽爆過程外加銨鹽增加了汽爆秸稈的含氮量，外加氮源幾乎 全部轉移到汽爆秸稈中而無明顯損失，利用所得到的高含氮量的汽爆秸稈做培養
基時可以大幅度降低麥麩等輔料的使用，降低培養基的成本；
2. 由於銨鹽為弱酸性，在汽爆過程中有一定的催化作用，在同樣條件下可 以增加汽爆的爆碎作用，因而可以在較低的汽爆強度下進行預處理，從而降低汽 爆的操作成本；
3. 低強度汽爆可以降低發酵抑制物的產生量，對於某些微生物菌株可以取
消培養基脫毒流程。
具體實施方式
實施例1
本發明實施例的流程如下
用單因素實驗考察氯化銨、硫酸銨、硫酸氫銨和硝酸鈸對於綠色木黴發酵的
影響。結果顯示綠色木黴的生長更偏好硫酸銨。將玉米秸稈用切草機切為3-5cm 的小段，測定其含水量，用含10%硫酸鈸自來水調節其含水量為50%，將其按照 每500kg/m3的比例裝入5m3的工業汽爆罐中，通入飽和蒸汽使其壓力升至1.4 MPa，壓力到達設定值後立即開啟汽爆罐下部的球閥將玉米秸稈爆出獲得汽爆玉 米秸稈。測得其含氮量為2. 98%。汽爆玉米秸稈乾燥後，按照乾重加入10%的麥 麩後，加入總乾重0.6%的硫酸鎂和0.3%的磷酸二氫鉀，調節含水量為75%。攪 拌均勻後121 。C下滅菌鄰rain，放涼後接入綠色木黴種子液發酵，在氣相雙動 態固態發酵反應器中培養。5天後，濾紙酶活達到80 FPA/g幹曲。 實施例2
本發明實施例的流程如下
用單因素實驗考察氯化銨、硫酸銨、硫酸氫銨和硝酸銨對於綠色木黴發酵的
影響。結果顯示斜臥青黴的生長更偏好氯化銨。將玉米秸稈用切草機切為3-5cm 的小段，測定其含水量，用含13.5%氯化銨自來水調節其含水量為50%，將其按 照每500kg/V的比例裝入5W的工業汽爆罐中，'通入飽和蒸汽使其壓力升至1.4 MPa，壓力到達設定值後立即開啟汽爆罐下部的球閥將玉米秸稈爆出獲得汽爆玉 米秸稈。測得其含氮量為3. 12%。汽爆玉米秸稈按照乾重加入5 %的麥麩後，加 入總乾重0.6%的硫酸鎂和0.3%的磷酸二氫鉀，調節含水量為75%。攪拌均勻後 121 。C下滅菌40min，放涼後接入斜臥青黴種子液發酵，在氣相雙動態固態發酵 反應器中'培養。5天後，p-葡萄糖苷酶活達到65. 2 IU/g幹曲。 實施例3
本發明實施例的流程如下
用單因素實驗考察氯化銨、硫酸銨、硫酸氫銨和硝酸銨對於綠色木黴發酵的 影響。結果顯示厭氧微生物的生長更偏好氯化銨。將玉米秸稈用切草機切為
3-5cm的小段，測定其含水量，用含7.0%氯化銨自來水調節其含水量為50%，將
其按照每500kg/m3的比例裝入5m'的工業汽爆罐中，通入飽和蒸汽使其壓力升至 1.5 MPa，壓力到達設定值後立即開啟汽爆罐下部的球閥將玉米秸稈爆出獲得汽 爆玉米秸稈。測得其含氮量為3. 02%。所得汽爆玉米秸稈用作沼氣發酵的培養基。 接入30%馴化好的接種物，按25IU/g幹秸稈加入纖維素酶液，調整固液比為1:6， pH7.0，攪拌均勻後向反應器內通氮氣5min除去厭氧反應器中的氧氣，連接集 氣瓶，於50 。C恆溫條件下進行靜置培養每天攪拌4次。經過25天的培養甲 垸產量為153ml/g汽爆秸稈，較普通汽爆秸稈的甲烷產量增加了 1.7倍。
權利要求
1、一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養基的方法，包含以下步驟(1)以普通汽爆秸稈為主要培養基，以具有強酸根的銨鹽種類為影響因素，用單因素實驗為考察手段，選擇出最適合所培養微生物發酵的銨鹽；(2)將秸稈用切草機切割為3～10cm的小段，用選定銨鹽的水溶液調節秸稈的含水量和含氮量；(3)將溼潤後的秸稈裝入汽爆罐中，通入飽和蒸汽，維壓一定時間後將汽爆罐中的物料爆出。
2、 如權利要求1所述的一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養基的方法，其特徵在於所述的秸稈包括玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、茅草、 蘆葦、高粱秸稈和花生秧.。
3、 如權利要求1所述的一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養 基的方法，其特徵在於所述的帶有強酸根的銨鹽包括氯化銨、硫酸鈸、硫酸氫銨 和硝酸銨。
4、 如權利要求1所述的一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養 基的方法，其特徵在於所述的秸稈含水量為30 60%，含氮量為1 5%。
5、 如權利要求1所述的一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養 基的方法，其特徵在於所述的秸稈溼潤時間為0 2牝，蒸汽壓力為0.8 2. OMPa，維壓時間為0 20min。
全文摘要
本發明涉及一種銨鹽汽爆降低汽爆秸稈碳/氮比製備微生物培養基的方法，特徵在於根據菌種的培養基優化結果選擇最適於微生物發酵的銨鹽，用此銨鹽的水溶液調節秸稈的含水量為30-60％，含氮量為1-5％，秸稈經充分潤溼後在低於正常汽爆壓力條件下汽爆處理，獲得銨鹽汽爆秸稈。本發明通過汽爆預處理使汽爆秸稈的含氮量增加100％以上，既有效地降低了培養基中其他氮源的需求又降低了汽爆能耗，而且低汽爆壓力還減少了發酵抑制物的產生。
文檔編號C12P1/00GK101338323SQ20081011820
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月7日 優先權日2008年8月7日
發明者李宏強, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所