一种秸秆制备黄腐酸的方法与流程

本发明属于秸秆资源利用
技术领域：
，更具体地说，涉及一种秸秆制备黄腐酸的方法。
背景技术：
：我国秸秆资源丰富，但多年以来一直未得到有效利用，焚烧秸秆带来大气污染已被命令禁止，当前主流的秸秆处理模式为堆放田间腐烂、沼气发电或收集制作生物质燃料。但堆放田头完全浪费，沼气发电几乎没有能够收回成本的案例，生物质燃料则同样最终产生为热能和电能，利润不足，不具有生态效应，容易带来二次污染。无论何种方法都没有高效利用秸秆和产出价值；黄腐酸是腐殖酸中分子量较小的组分，能够溶于水，黄腐酸具有多个官能基团，能够结合氨基酸、金属离子和抗酸碱冲击，对植物生长发育有明显的促进作用，能够充当土壤的缓冲调节剂，抗土壤干旱盐碱化，因此近年来，黄腐酸作为一种高价值的有机肥料，得到了国家和政府的大力支持发展。现有技术中秸秆制作出来的黄腐酸浓度较低，成本较为昂贵，且秸秆的利用率不高。针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号cn200610162041.6，公开日为2009年6月10日，该专利公开了一种利用微生物固体-半固体发酵工艺生产生化黄腐酸的方法，尤其是一种农副产品加工废料经微生物多菌种固体-半固体混合发酵后，转化成生化黄腐酸菌肥的生产工艺。本发明采用菌种选育技术，选育出了能够高效转化果渣成为生化黄腐酸的各类生产菌种，根据黄腐酸生成的过程，设计出适合黄腐酸生产的固体-半固体发酵工艺。该专利的不足之处在于：最终制成的黄腐酸浓度较低，以糖碳链为基础制备的黄腐酸在使用性能上较低，且制备工艺复杂，成本较高。又如中国专利申请号cn201110058374.5，公开日为2012年12月5日，该专利公开了利用稻草生产生化黄腐酸的方法，包括1)配备稻草秸杆和养分；2)稻草秸杆软化处理：3)第一阶段微生物发酵；4)第二阶段微生物发酵：5)制备黄腐酸。本发明方法是以稻草秸秆为原料，筛选高效菌群组合，采用机械软化处理—两段式微生物发酵工艺进行深度发酵，将稻草中的大分子碳水化合物降解成小分子活性黄腐酸类化合物。采用机械破碎处理解决了稻草生物降解中特殊屏障结构的保护作用；同时，通过两段式发酵有效解决了不同菌群对空气的需求差异，有助优势菌群的培养，大大缩短了发酵周期，加强了发酵深度，大大提高了发酵效率和黄腐酸收率。该专利的不足之处在于：原料成本较高，步骤较多工艺复杂，粗放式发酵无法采用全自动化生产，采用酸碱提取后易造成二次污染。技术实现要素：1、要解决的问题针对现有技术中秸秆利用率不高、制备黄腐酸成本较高的问题，本发明提供一种秸秆制备黄腐酸的方法。本发明能高效高价值生态利用秸秆资源，且采用秸秆制备黄腐酸成本较低，周期短，可实现自动化生产，黄腐酸的转化率可达到秸秆：黄腐酸的比值接近于8:3，具有较高的推广价值，并且适合大规模的制备。2、技术方案为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。一种秸秆制备黄腐酸的方法，包括以下步骤：(1)制备hfm菌种液：放线菌秸秆培养基经灭菌处理后接种自主筛选驯化的耐热链霉菌(streptomycesthermotolerans)实验室菌种代号hfm，37℃摇床震荡培养20小时，得到hfm菌种液；(2)制备复合细菌菌液：在lb培养基中分别接种八个自主筛选和驯化的细菌菌种，37℃摇床培养24小时，得到不同的细菌菌种液；将八种不同的细菌菌种液混合配制成复合细菌菌种液；(3)制备hfm秸秆发酵液：配制秸秆发酵培养液，秸秆发酵培养液经灭菌后接种hfm菌种液，培养得到hfm秸秆发酵液；(4)生物黄腐酸混合溶液的发酵：将步骤(3)制得的hfm秸秆发酵液经灭菌处理后，接种复合细菌菌种液，曝气培养，得到hfm秸秆裂解液，再向hfm秸秆裂解液中加入尿素，ph6.0～6.5，继续曝气培养，得到生物黄腐酸混合液；(5)过滤和浓缩：将步骤(4)制得的生物黄腐酸混合液经滤网过滤，过滤后的生物黄腐酸混合液经过蒸馏浓缩，获得黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶。更进一步的，所述步骤(1)中放线菌秸秆培养基包括如下质量百分比的各组分：60～100目过筛秸秆粉0.3～0.4％，硫酸镁0.05～0.1％，磷酸二氢钾0.18～0.2％，硫酸铵0.2～0.25％，硫酸亚铁0.005～0.01％，其余质量为水。更进一步的，所述步骤(2)中八个自主筛选和驯化的细菌菌种包括(bacillusparalicheniformis)，尚无中文名，实验室菌种代号为xm1；暹罗芽孢杆菌(bacillussiamensis)，实验室菌种代号为xm4；乳酸细杆菌(microbacteriumlacticum)，实验室菌种代号为zz1；酪酸梭状芽胞杆菌(clostridiumbutyricum)，实验室菌种代号为clr1；球状红球菌(rhodococcusgloberulus)，实验室菌种代号为se-6；腐生性葡萄球菌(staphylococcussaprophyticussubsp.bovis)，实验室菌种代号为em-5；无色杆菌属(achromobactermarplatensis)，实验室菌种代号为jia；产碱菌属(advenellakashmirensis)，实验室菌种代号为em1-6。更进一步的，八种不同的细菌菌种液等比例混合配制成复合细菌菌种液。更进一步的，所述步骤(3)中秸秆发酵培养液包括如下质量百分比的各原料：60～100目过筛秸秆粉4.8～5％，硫酸镁0.05～0.1％，磷酸二氢钾0.18～0.2％，硫酸铵0.2～0.25％，硫酸亚铁0.005～0.01％，其余质量为水。更进一步的，按照hfm菌种液：秸秆发酵培养液＝1:1000在秸秆发酵培养液内接种hfm菌种液，经培养得到hfm秸秆发酵液。更进一步的，所述步骤(4)中按照复合细菌菌液：hfm秸秆发酵液＝1:1000在hfm秸秆发酵液内接种复合细菌菌液，经曝气培养，得到hfm秸秆裂解液。更进一步的，所述hfm秸秆裂解液内加入尿素的含量为hfm秸秆裂解液中木质素含量的1/12～1/10。更进一步的，所述步骤(5)中生物黄腐酸混合液经过250目滤网压榨过滤。更进一步的，过滤后的生物黄腐酸混合液再一次通过微滤膜除去残余细菌。3、有益效果相比于现有技术，本发明的有益效果为：(1)本发明在放线菌秸秆培养基内接种耐热链霉菌，链霉菌对培养基内的秸秆粉末进行生物发酵，且链霉菌本身具有较好的拮抗作用，能够有效抑制放线菌秸秆培养基内杂菌的影响；进而再对hfm秸秆发酵液灭菌后接种复合细菌菌液，灭菌处理能够对hfm菌丝的活性起到抑制作用；复合细菌菌液中的多种细菌对hfm秸秆发酵液进行生物裂解，再使用尿素作为分子桥梁，经曝气培养，促进复合细菌菌液中的多种细菌对黄腐酸的生化合成，得到的生物黄腐酸混合液经过滤蒸馏浓缩得到黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶；整体的制备方法成本较低，黄腐酸的转化率可达到秸秆：黄腐酸的比值接近于8:3；产物针对性强，秸秆的利用率也有所提高；(2)本发明将八种不同的细菌菌种液采用等比例混合制备成复合细菌菌种液，等比例的配合使得复合细菌菌种液成分均匀，具有较高的使用效果；这八种细菌的主要作用都是分解秸秆中复杂的碳链物质和含氮物质化合成自身物质，不断合成、不断分解，最后形成生物的腐殖质；(3)本发明将制备好的生物黄腐酸混合溶液经过250目的滤网进行过滤，使得能够出去未分解的秸秆残渣与菌块，过滤后的生物黄腐酸混合溶液较为纯净；并且通过微滤膜进行更进一步的过滤，除去残余的细菌或其它物质，经过两层过滤，黄腐酸的浓度在1.56％～1.86％之间，浓度较高，具有较高的使用价值。附图说明图1为本发明的流程示意图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。实施例1一种秸秆制备黄腐酸的方法，包括以下步骤：(1)制备hfm菌种液：放线菌秸秆培养基经灭菌处理后接种自主筛选驯化的耐热链霉菌(streptomycesthermotolerans)实验室菌种代号hfm，37℃摇床震荡培养20小时，得到hfm菌种液；优选的，放线菌秸秆培养基包括如下质量百分比的各组分：60～100目过筛秸秆粉0.3～0.4％，硫酸镁0.05～0.1％，磷酸二氢钾0.18～0.2％，硫酸铵0.2～0.25％，硫酸亚铁0.005～0.01％，其余质量为水，该放线菌秸秆培养基组分简单且营养物质全面，在进行接种自主筛选驯化的耐热链霉菌时，链霉菌对放线菌秸秆培养基内的秸秆粉末进行生物发酵，且链霉菌本身具有较好的拮抗作用，能够有效抑制放线菌秸秆培养基内杂菌的影响；(2)制备复合细菌菌液：在lb培养基中分别接种八个自主筛选和驯化的细菌菌种，37℃摇床培养24小时，得到不同的细菌菌种液；将八种不同的细菌菌种液混合配制成复合细菌菌种液；所述八个自主筛选和驯化的细菌菌种包括(bacillusparalicheniformis)，尚无中文名，实验室菌种代号为xm1；暹罗芽孢杆菌(bacillussiamensis)，实验室菌种代号为xm4；乳酸细杆菌(microbacteriumlacticum)，实验室菌种代号为zz1；酪酸梭状芽胞杆菌(clostridiumbutyricum)，实验室菌种代号为clr1；球状红球菌(rhodococcusgloberulus)，实验室菌种代号为se-6；腐生性葡萄球菌(staphylococcussaprophyticussubsp.bovis)，实验室菌种代号为em-5；无色杆菌属(achromobactermarplatensis)，实验室菌种代号为jia；产碱菌属(advenellakashmirensis)，实验室菌种代号为em1-6；且更进一步的，八种不同的细菌菌种液采用等比例混合制备成复合细菌菌种液，等比例的配合使得复合细菌菌种液成分均匀，具有较高的使用效果；这八种细菌制备的复合细菌菌种液的主要作用都是分解秸秆中复杂的碳链物质和含氮物质化合成自身物质，不断合成、不断分解最后形成生物的腐殖质；所述lb培养基为常规培养基，lb培养基包括胰蛋白胨10g/l、酵母提取物5g/l、氯化钠10g/l；(3)制备hfm秸秆发酵液：配制秸秆发酵培养液，秸秆发酵培养液经灭菌后接种hfm菌种液，51℃培养12小时得到hfm秸秆发酵液；优选的，所述秸秆发酵培养液包括如下质量百分比的各原料：60～100目过筛秸秆粉4.8～5％，硫酸镁0.05～0.1％，磷酸二氢钾0.18～0.2％，硫酸铵0.2～0.25％，硫酸亚铁0.005～0.01％，其余质量为水；原料简单且营养物质全面；(4)生物黄腐酸混合溶液的发酵：将步骤(3)制得的hfm秸秆发酵液经灭菌处理后，接种复合细菌菌种液，24～40℃环境中曝气培养2～3天后，得到hfm秸秆裂解液；再向hfm秸秆裂解液中加入尿素，尿素作为分子桥梁，促进复合细菌菌液中的多种细菌对黄腐酸的生化合成；ph6.0～6.5，继续曝气培养4～5天，得到生物黄腐酸混合液；优选的，所述hfm秸秆发酵液经过巴氏灭菌，巴氏灭菌法是将缓和原料加热至68～70℃，并保持此温度30min以后急速冷却到4～5℃进行杀菌的一种方式，因为一般细菌的致死点均为温度68℃与时间30min以下，所以将混合原料经此法处理后，可杀灭其中的致病性细菌和绝大多数非致病性细菌；混合原料加热后突然冷却，急剧的热与冷变化也可以促使细菌的死亡；使得能够有效抑制hfm菌丝的活性，使得hfm秸秆发酵液内无杂菌的干扰；(5)过滤和浓缩：将步骤(4)制得的生物黄腐酸混合液经滤网过滤，过滤后的生物黄腐酸混合液经过蒸馏浓缩，获得黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶。优选的，将生物黄腐酸混合液通过250目滤网压榨过滤，除去未分解的秸秆残渣和菌块，过滤后的生物黄腐酸混合溶液较为纯净；然后通过微滤膜(0.1微米)除去残余细菌，经过两层过滤，所得溶液黄腐酸浓度在1.56％～1.86％；再经过反渗透ro膜(0.001微米)浓缩至5％左右，最后经过蒸馏浓缩，获得黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶；黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶最终浓度较高，具有较高的使用价值。采用上述方法制得的黄腐酸浓度较高，且秸秆的转化率较高，可达到转化率为秸秆：黄腐酸的比值接近于8:3，所得未浓缩前生物黄腐酸混合液中黄腐酸浓度在1.56％～1.86％之间，相比于以往利用秸秆制备黄腐酸成本较为昂贵、黄腐酸浓度低的问题，本发明提供了一种秸秆制备黄腐酸的方法，大大提高了秸秆的利用率与转化率，且所需的原料成本较低，制备步骤较为简单，周期短，设计合理，可实现全自动化生产。实施例2基本同实施例1，优选的，在步骤(3)中按照hfm菌种液：秸秆发酵培养液＝1:1000在秸秆发酵培养液内接种hfm菌种液，这样的比例设置能够使得在短期过程中发酵过程好且又节约hfm菌种液；经51℃培养12小时得到hfm秸秆发酵液；所述步骤(4)中按照复合细菌菌液：hfm秸秆发酵液＝1:1000在hfm秸秆发酵液内接种复合细菌菌液，这样的比例设置能够使得在短期过程中发酵过称好且又避免了复合细菌菌液的浪费情况；24～40℃环境中曝气培养2～3天后，得到hfm秸秆裂解液；所述hfm秸秆裂解液内加入尿素的含量为hfm秸秆裂解液中木质素含量的1/12～1/10，所述尿素的加入量经过发明人反复多次实验验证，在保证不浪费尿素的同时又能不影响黄腐酸的产量；且除了秸秆外，任何含木质素高的原料都可以按照本发明所述的方法制备黄腐酸。实施例3基本同实施例2，本实施例中采用玉米秸秆进行黄腐酸的制备，初始玉米秸秆的使用量为45g/l，将秸秆进行粉碎成粉末，然后经60目滤网进行过筛，再进行如下步骤的配制：(1)制备hfm菌种液：放线菌秸秆培养基包括如下质量百分比的各组分：60目过筛秸秆粉0.4％，硫酸镁0.1％，磷酸二氢钾0.2％，硫酸铵0.2％，硫酸亚铁0.005％，其余质量为水，该培养基经121℃，20min灭菌，灭菌后接种自主筛选驯化的耐热链霉菌(streptomycesthermotolerans)实验室菌种代号hfm，37℃摇床震荡培养20小时，得到hfm菌种液；(2)制备复合细菌菌液：在lb培养基中分别接种八个自主筛选和驯化的细菌菌种包括(bacillusparalicheniformis)，尚无中文名，实验室菌种代号为xm1；暹罗芽孢杆菌(bacillussiamensis)，实验室菌种代号为xm4；乳酸细杆菌(microbacteriumlacticum)，实验室菌种代号为zz1；酪酸梭状芽胞杆菌(clostridiumbutyricum)，实验室菌种代号为clr1；球状红球菌(rhodococcusgloberulus)，实验室菌种代号为se-6；腐生性葡萄球菌(staphylococcussaprophyticussubsp.bovis)，实验室菌种代号为em-5；无色杆菌属(achromobactermarplatensis)，实验室菌种代号为jia；产碱菌属(advenellakashmirensis)，实验室菌种代号为em1-6，37℃摇床培养24小时，得到不同的细菌菌种液，将八种不同的细菌菌种液按照等比例混合配制成复合细菌菌种液；所述lb培养基为常规培养基，lb培养基包括胰蛋白胨10g/l、酵母提取物5g/l、氯化钠10g/l；(3)制备hfm秸秆发酵液：配制秸秆发酵培养液，所述秸秆发酵培养液包括如下质量百分比的各原料：60目过筛秸秆粉5％，硫酸镁0.1％，磷酸二氢钾0.2％，硫酸铵0.2％，硫酸亚铁0.01％，其余质量为水；秸秆发酵培养液经121℃，20min灭菌后中按照hfm菌种液：秸秆发酵培养液＝1:1000在秸秆发酵培养液内接种hfm菌种液，51℃培养12小时得到hfm秸秆发酵液；(4)生物黄腐酸混合溶液的发酵：将步骤(3)制得的hfm秸秆发酵液经灭菌处理后，按照复合细菌菌液：hfm秸秆发酵液＝1:1000在hfm秸秆发酵液内接种复合细菌菌液，28℃环境中曝气培养2天后，得到hfm秸秆裂解液；再向hfm秸秆裂解液中加入尿素，尿素的加入量为0.6g/l，尿素作为分子桥梁，促进复合细菌菌液中的多种细菌对黄腐酸的生化合成；ph6.0～6.5，28℃环境中继续曝气培养7天，得到生物黄腐酸混合液；(7)过滤和浓缩：此时将步骤(6)中生化反应完成后的液体经250目滤网压榨过滤，除去未分解的秸秆残渣和菌块，过滤后的生物黄腐酸混合溶液较为纯净；然后通过微滤膜(0.1微米)除去残余细菌，经过两层过滤，所得溶液黄腐酸浓度在1.56％～1.86％；再经过反渗透ro膜(0.001微米)浓缩至5％左右，最后经过蒸馏浓缩，获得黄腐酸浓缩液或黄腐酸结晶。在步骤(6)中，对hfm秸秆裂解液中加入尿素后7天中的黄腐酸含量抽样测定结果如下表1：天数1234567黄腐酸浓度0.356％0.433％1.262％1.496％1.565％1.616％1.613％表1根据测定结果可看出，采取本方案发酵的秸秆黄腐酸发酵液，其在第6天后浓度停止增长，故该方案发酵黄腐酸的在28℃时，最适收获时间是第6～7天；黄腐酸的制备周期较短，适合大规模的应用。实施例4基本同实施例3，采用本发明所述的秸秆制备黄腐酸的方法对玉米秸秆进行黄腐酸的发酵制作，最终的黄腐酸产品浓缩至20％浓度，再稀释成不同浓度，配合常规氮磷钾化肥试验，氮、磷、钾的浓度分别为3mmol/l，0.6mmol/l和2.67mmol/l，在4种试验作物中使用的效果如下表2：表2根据表中数据可以看出，本黄腐酸产品对于生菜、白菜、莴笋的生长均有较大提升，其中对白菜提升最大，其次是生菜、莴笋，而对茼蒿的生长提升作用不大，对于白菜和生菜，200稀释倍数的黄腐酸明显好于350稀释倍数组和500稀释倍数组，对茼蒿来说，200稀释倍数组和350稀释倍数组差异不大，但明显好于500倍组；采用本发明所述的秸秆制备黄腐酸的方法可操作性强且黄腐酸的转化率非常高，具有较高的使用价值。本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。当前第1页12