CN113151098B - 一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂及其应用 - Google Patents
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂及其应用。本发明的耐碱复合微生物预处理菌剂包括地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，各菌株菌液质量比为(1～3):(1～3):(1～2):(1～3):(1～3)，在麦草秸秆的生物预处理中，各菌种间互利共生协同增效，共同促进纤维素、半纤维素和木质素的高效降解。本发明采用的是生物预处理化学制浆法制浆，利用耐碱复合微生物预处理菌剂进行生物预处理制浆，避免了大量化学制剂的使用，减少了传统化学制浆工艺中废水的排放，降低了企业的生产成本，技术先进，同时兼具环保性。
Description
技术领域
本发明属于制浆技术领域，具体涉及一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂及其应用。
背景技术
随着我国国内用纸需求量的日益增加，国内造纸工业出现木材原料短缺的情况，急需可替代生产日常用纸的原料。非木材纤维原料在我国具有来源广、产量高、价格低廉等优点，若充分被制浆造纸工业利用，可缓解木材原料短缺带来的压力。
造纸分为两个工艺阶段，一是制浆，二是抄纸，制浆是把植物原料中的纤维分离出来，经洗涤、筛选、破碎、浓缩制成浆料；抄纸则是把浆料稀释、流送、网筛、压榨、成型、烘干制成纸张，其中制浆为造纸工艺中的重要环节，决定了纸张的质量。
目前，传统的制浆方法主要为化学制浆法，而化学制浆法在制浆过程中产生大量含残余木质素和化学物质的废液，正是造纸污染的罪魁祸首。因此，解决或改善制浆造纸工业的废水污染，研制开发无污染或低污染制浆造纸的技术已经迫在眉睫。
非木材纤维原料中的麦草在北方储量丰富，通常被遗弃或焚烧，未得到充分的利用。为了麦草资源的充分利用，以其作为制浆原料，既能减少遗弃或焚烧带来的环境污染，又能增加制浆造纸行业的原料供给。
中国专利文献CN107938411A(申请号201711054381.1)公开了一种木质素脱除制浆剂和植物纤维木质素脱除制浆方法，所述木质素脱除制浆剂，包括复合生物酶剂、复合微生物菌剂和化学辅剂，所述复合生物酶剂包括漆酶、木质素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、葡聚糖苷酶、脂肪氧化酶和辅酶，所述复合微生物菌剂包括白腐菌、子囊菌、康氏木霉和绿色木霉，所述化学辅剂包括磷酸二铵、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、十二烷基苯磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚；将含水量为20-30％的植物纤维初料与木质素脱除制浆剂混合反应，固液分离得到植物纤维粗料，进行蒸汽灭菌和搓磨，即得到造纸浆料。
中国专利文献CN108442162A(申请号201810338110.7)公开了一种农作物秸秆生物制浆方法，是将切段后的农作物秸秆采用复合生物酶制剂进行生物酶一次处理，得到农作物秸秆粗浆，进行研磨分丝处理，得到农作物秸秆研磨浆，再进行微生物菌剂二次处理，得到农作物秸秆细浆，将农作物秸秆细浆进行漂白处理，得到造纸浆料；所述复合生物酶制剂包括木素过氧化物酶、木聚糖酶、漆酶、果胶酶和打浆酶，所述复合微生物菌剂包括厌氧芽孢杆菌、射脉菌、褐腐菌和多孔菌。
上述现有技术均采用了生物制浆法，生物制浆法是以生物分解为主，物理破解为辅的创新制浆技术。虽然生物制浆法是一种清洁环保的制浆工艺，但是生物分解中所使用到的酶或微生物限制了生物制浆法的工业化推广。首先，生物分解使用的酶成本较高，重复利用率较低，且在生物分解中使用单一酶的分解效果不理想，需要使用复合酶制剂，进一步提高了生物制浆法的生产成本；其次，生物分解使用的微生物繁殖时的环境条件难以控制，容易被杂菌污染而达不到生物降解的目的；而且，现行的制浆造纸行业中多采用化学制浆法，其生产车间、生产设备均与化学制浆法相适应，若直接将生产工艺由化学制浆法整体替换为生物制浆法，对于制浆造纸企业来说成本太高，不符合实际生产要求。
生物预处理化学制浆是在化学制浆基础上逐渐发展起来的，是在化学制浆之前先对原料进行微生物或者酶预处理。与化学制浆法相比，生物预处理化学制浆法更加清洁环保，可以降低化学制浆过程的化学药品用量，降低磨浆能耗，减少废水的排放。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂及其应用。
本发明的技术方案如下：
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，包括地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)、赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sp.)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)；
所述耐碱复合微生物预处理菌剂是先将所述各菌株分别培养成菌液，再将地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液以质量比(1～3):(1～3):(1～2):(1～3):(1～3)复配得到。
根据本发明优选的，所述地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×109cfu/mL～1.0×1011cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL～5.0×1010cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL～5.0×1011cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL～1.0×1011cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为1.0×109cfu/mL～5.0×1010cfu/mL。
根据本发明优选的，所述耐碱复合微生物预处理菌剂中地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为2:2:2:2:2或1:3:2:3:1或2:1:1:3:3或3:2:2:1:1。
本发明的耐碱复合微生物预处理菌剂中，地衣芽孢杆菌和粪产碱杆菌主要对秸秆中的半纤维素和木质素进行分离和对麦草表面的角质层进行降解；枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌主要进行对秸秆中的半纤维进行降解。
上述用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂的制备方法，包括如下步骤：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，分别接种于液体培养基中活化培养；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，扩大培养得菌液；
3)复配：将扩大培养后的菌液混合，按比例复配得到碱性复合微生物预处理菌剂。
根据本发明优选的，步骤1)和步骤2)中所述液体培养基是指：地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌的液体培养基为YPD液体培养基，枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌的液体培养基为LB液体培养基。
根据本发明优选的，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为35～40℃、150-200rpm培养1～3天；进一步优选为37℃、150～180rpm培养1～3天。
上述耐碱复合微生物预处理菌剂在麦草秸秆制浆中的应用。
根据本发明优选的，所述应用包括如下步骤：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆进行挤压与清洗，晾干后备用；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，再加入碳酸氢钠固体粉末，混合均匀，浸泡润涨1～2天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入上述耐碱复合微生物预处理菌剂，混合均匀，发酵降解1～5天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，混合均匀，继续发酵1～2天；
(5)过滤：将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1～1.5％，优选为1.25％。
本申请中碳酸氢钠固体粉末的加入量是由适宜菌体生长的细胞渗透压计算所得。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.01％-0.5％。
本申请耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量是在综合考虑菌剂的使用与降解效率基础上，发现上述范围的加入量，既可以节省菌剂的使用量，处理时间适中，降解效果适宜，虽然增加加入量可以加快降解，但是成本也比较高。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述发酵的条件为30～40℃降解2～4天；进一步优选为37℃降解2～3天。
本申请上述发酵温度及时间的选择，可以更好的保证木质素的分离。
根据本发明优选的，步骤(4)中所述鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.005％～0.1％。
本申请所述鼠李糖脂的作用是提高耐碱复合微生物预处理菌剂的处理效率。
根据本发明优选的，步骤(6)中所述氢氧化钠加入量为麦草干重的0.5％～10％，所述蒽醌的加入量为麦草干重的0.005％～0.1％。
上述操作步骤未详细说明的，均按照本领域常规操作进行。
本发明的技术特点：
针对生物预处理化学制浆工艺，本发明提供了一种用于生物预处理的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂包括地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，先将各菌株分别培养成菌液，再将地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液以质量比为(1～3):(1～3):(1～2):(1～3):(1～3)复配得到；各菌株在菌剂中的作用如下：
地衣芽孢杆菌：可以产碱性纤维素酶、碱性半纤维素酶、碱性蛋白酶和碱性果胶酶，可以高效降解麦草秸秆中的木质纤维素，并产生抗菌活性物质抑制致病菌的生长；
粪产碱杆菌：可以产碱性纤维素酶和半纤维素酶，可以有效的降解麦草秸秆中的木质纤维素；
赖氨酸芽孢杆菌：可以产碱性半纤维素酶，可以降解麦草秸秆中的木质纤维素；
枯草芽孢杆菌：可以产淀粉酶和蛋白酶，可抑制其它致病菌的生长；
蜡样芽孢杆菌：可以产碱性纤维素酶，可以降解麦草秸秆中的木质纤维素；
本发明中的复合微生物预处理菌剂为麦草秸秆生物预处理提供了丰富的复合酶体系，其他次级代谢产物可以有效抑制致病菌的生长，防止杂菌污染。
有益效果：
1、本发明提供了一种耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂包括以下组分：地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，耐碱复合微生物预处理菌剂中各菌株菌液质量比为(1～3):(1～3):(1～2):(1～3):(1～3)，在麦草秸秆的生物预处理中，各菌种间互利共生协同增效，共同促进纤维素、半纤维素和木质素的高效降解。
2、本发明采用的是生物预处理化学制浆法制浆，在实际生产中不需要大规模改造制浆造纸生产车间及生产设备，只需在原有生产车间的基础上增加一个生物预处理车间，该技术设计思路清晰，适应性和普遍性强，产业化推广程度高；利用耐碱复合微生物预处理菌剂进行生物预处理制浆，避免了大量化学制剂的使用，减少了传统化学制浆工艺中废水的排放，降低了企业的生产成本，技术先进，同时兼具环保性，符合国家节能减排战略。
附图说明
图1为制浆工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中涉及的试剂及药品，若无特殊说明，均为普通市售产品；实施例中涉及的实验操作及步骤，若无特殊说明，均按照本领常规操作进行。
实施例中涉及的微生物：
地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10086；
粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 23439；
赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus sp.)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10478；
枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10028；
蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)：购自中国工业微生物保藏管理中心，菌种编号：CICC 10184。
实施例中培养基的配制：(均为质量百分比)
完全培养基的成分如下：氯化钠1％，酵母浸膏1％，麦芽汁1％，牛肉膏1％，蛋白胨1％，琼脂2％(液体培养基无需)，pH 9.0；
YPD培养基的成分如下：酵母提取物1％，胰蛋白胨2％，葡萄糖2％，琼脂2％(液体培养基无需)；
LB培养基的成分如下：氯化钠1％，蛋白胨1％，酵母提取物0.5％，琼脂2％(液体培养基无需)。
实施例1
耐碱复合微生物预处理菌剂中菌种组成的确定：
(1)获取菌源：收集麦草秸秆废弃物和耕地土壤样品，使用0.85％的生理盐水浸泡2-3天，使样品中微生物充分分散到液体环境中；
(2)富集培养：吸取一定体积步骤(1)的含菌液体转接到完全培养基(液体)中培养2-3天，培养温度为37℃，180rpm；
(3)稀释涂布：梯度稀释后吸取200μL稀释菌液均匀涂布到完全培养基(固体)上，培养1-2天，培养温度为37℃；
(4)液体转接：分别挑取单个不同菌落转接至完全培养基(液体)中，培养2-3天，培养温度为37℃，180rpm；
(5)划线纯化：将步骤(4)菌液划线至完全培养基(固体)上，培养1-2天，培养温度为37℃；
(6)液体扩培：将步骤(5)纯化培养的单菌落转接至完全培养基(液体)中，培养2-3天，培养温度为37℃，180rpm；
(7)甘油保菌：使用终浓度为30％的甘油进行存贮，-80℃保藏；
(8)送样鉴定，确定菌株名称；
(9)碱性酶定性复筛：分别配制pH为9的纤维素酶定性平板、木聚糖酶定性平板、甘露聚糖酶定性平板、果胶酶定性平板、淀粉酶定性平板进行复筛，择优选择确定其中的地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌共五种菌组成复合微生物预处理菌剂。
本发明在确定了耐碱复合微生物预处理菌剂的菌种组成之后，采用相同种属的现有菌种组成复合微生物预处理菌剂进行麦草秸秆制浆生物预处理，制浆效果良好，说明使用现有菌种也可以实现本发明的技术效果。其中，本发明实施例中使用的菌株为：地衣芽胞杆菌的菌种编号：CICC 10086；粪产碱杆菌的菌种编号：CICC 23439；赖氨酸芽胞杆菌的菌种编号：CICC 10478；枯草芽胞杆菌的菌种编号：CICC 10028；蜡样芽胞杆菌的菌种编号：CICC 10184；均购自中国工业微生物保藏管理中心。
实施例2
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌接种于YPD液体培养基中，取枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养1天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养1天，所得地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为3.0×109cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×109cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为4.0×109cfu/mL4；
3)复配：将扩大培养后的地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为2:2:2:2:2复配，得到耐碱复合微生物预处理菌剂。
将上述制备得到的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，制浆流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，以麦草秸秆全部浸润于水中为宜，再加入碳酸氢钠固体粉末，碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1.25％，混合均匀，浸泡润涨1天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入上述制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.02％，混合均匀，37℃发酵降解2天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.005％，混合均匀，继续发酵1天；
(5)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的10％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.01％，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例3
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌接种于YPD液体培养基中，取枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养1天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养2天，所得地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为9.0×109cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为8.0×1010cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为1:3:2:3:1复配，得到耐碱复合微生物预处理菌剂。
将上述制备得到的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，以麦草秸秆全部浸润于水中为宜，再加入碳酸氢钠固体粉末，碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1.25％，混合均匀，浸泡润涨2天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入上述制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.01％，混合均匀，37℃发酵降解2天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.01％，混合均匀，继续发酵1天；
(5)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的0.50％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.005％，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例4
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌接种于YPD液体培养基中，取枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养1天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养2天，所得地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为9.0×109cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为8.0×1010cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为7.0×109cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为2:1:1:3:3复配，得到耐碱复合微生物预处理菌剂。
将上述制备得到的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，以麦草秸秆全部浸润于水中为宜，再加入碳酸氢钠固体粉末，碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1.25％，混合均匀，浸泡润涨1天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入上述制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.05％，混合均匀，37℃发酵降解3天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.1％，混合均匀，继续发酵2天；
(5)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的1％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.1％，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
实施例5
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，其制备方法步骤如下：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌接种于YPD液体培养基中，取枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌接种于LB液体培养基中，37℃、180rpm活化培养1天；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，37℃、180rpm扩大培养3天，所得地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为9.0×1010cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为2.0×1010cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×1011cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为9.0×1010cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为1.0×1010cfu/mL；
3)复配：将扩大培养后的地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液按照质量比为3:2:2:1:1复配，得到耐碱复合微生物预处理菌剂。
将上述制备得到的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，以麦草秸秆全部浸润于水中为宜，再加入碳酸氢钠固体粉末，碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1.25％，混合均匀，浸泡润涨2天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入上述制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.1％，混合均匀，37℃发酵降解3天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.05％，混合均匀，继续发酵2天；
(5)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的5％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.050％，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
对比例1
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为3:6:6:1:1。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例2
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比为3:2:2:6:6。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例3
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂不含蜡样芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例4
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂不含枯草芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例5
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂不含赖氨酸芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例6
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂不含粪产碱杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例7
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂不含地衣芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例8
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂仅含地衣芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例9
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂仅含粪产碱杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例10
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂仅含赖氨酸芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例11
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂仅含枯草芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例12
一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，与实施例5的不同之处在于，耐碱复合微生物预处理菌剂仅含蜡样芽孢杆菌。
将上述耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，步骤与实施例5相同。
对比例13
采用化学制浆法制备麦草秸秆造纸浆料，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碱法制浆：将清洗后的麦草秸秆转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，高温蒸煮；氢氧化钠的加入量为麦草干重的5％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.05％；
(3)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
对比例14
将实施例5制备的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)微生物预处理：将清洗后的麦草秸秆送入降解池，加入实施例5制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.1％，混合均匀，37℃发酵降解3天；
(3)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.05％，混合均匀，继续发酵2天；
(4)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(5)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的5％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.050％，高温蒸煮；
(6)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
对比例15
将实施例5制备得到的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，具体步骤如下：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆使用螺旋挤压机进行挤压处理，对处理后的秸秆进行清洗，去除麦草秸秆上的杂质，清洗后晒干；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，以麦草秸秆全部浸润于水中为宜，再加入碳酸氢钠固体粉末，碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1.25％，混合均匀，浸泡润涨2天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入实施例5制备的耐碱复合微生物预处理菌剂，所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.1％，混合均匀，37℃发酵降解3天；
(4)过滤：使用滤网将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(5)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，氢氧化钠的加入量为麦草干重的5％，蒽醌的加入量为麦草干重的0.050％，高温蒸煮；
(6)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
对比例16
将实施例5制备的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，制浆步骤与实施例5的不同之处在于：以表面活性剂槐糖脂替代表面活性剂鼠李糖脂，其他步骤均与实施例5相同。
对比例17
将实施例5制备的耐碱复合微生物预处理菌剂应用于麦草秸秆制浆，制浆步骤与实施例5的不同之处在于：以表面活性剂脂肽替代表面活性剂鼠李糖脂，其他步骤均与实施例5相同。
结果分析：
对本发明实施例和对比例所得麦草秸秆造纸浆料分别进行得浆率、白度和所制得纸张的抗张、环压、撕裂和耐破指数检测。
其中，得浆率的计算公式：得浆率(％)＝m1/m，m1为麦草秸秆造纸浆料干重，m为原料干重；
白度以及纸张的抗张、环压、撕裂和耐破指数分别使用白度测定仪、卧式纸张抗张强度测试仪、环压强度测试仪、撕裂度测试仪、卧式纸张抗张强度测试仪检测，检测结果如下表1所示。
表1.本发明的实施例和对比例制得的纸浆及纸张性能
由实施例2-5可以看出，本发明提供的耐碱复合微生物预处理菌剂对麦草秸秆进行生物预处理，所得造纸浆料的得浆率高于40％，白度高于30％，抗张指数大于79.60N·m/g，环压指数高于10.92N·m/g，撕裂指数大于3.50mN·m2/g，耐破指数大于3.515kPa·m2/g，且实施例5的得浆率、白度分别为45.5％、35.2％，效果较好。表明本发明提供的复合生物菌剂生物制浆的方法在得浆率和白度上满足需求，所制成纸张的机械性能也较优异。
由对比例1和对比例2可知，改变耐碱复合微生物预处理菌剂中地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌菌液的质量比，尤其是降低了地衣芽孢杆菌在耐碱复合微生物预处理菌剂中的质量比，菌种之间的协同作用降低，导致制备的纸浆和纸张性能下降。
由对比例3～7可知，改变耐碱复合微生物预处理菌剂中的菌种种类，减少其中的一种菌种，均达不到五种菌种协同作用的效果，尤其是当耐碱复合微生物预处理菌剂中不含有地衣芽孢杆菌时，麦草秸秆的制浆效果最差。通过对比例8～12进一步验证了耐碱复合微生物预处理菌剂中五种菌株的协同增效作用。
由对比例13可知，通过对比本发明的微生物预处理化学制浆法(实施例5)和单纯的化学制浆法(对比例13)，发现本发明的微生物预处理化学制浆法的制浆效果更好，且避免了大量化学制剂的使用。
由对比例14和对比例15可知，本发明采用碳酸氢钠润涨和表面活性剂增效，结合本发明的耐碱复合微生物预处理菌剂，进一步提高了本发明麦草秸秆制浆的处理效果。
由对比例16和对比例17可知，同样是生物型表面活性剂，相对于槐糖脂和脂肽，本发明采用的鼠李糖脂对于麦草秸秆的制浆效果更好。本发明采用生物型表面活性剂鼠李糖脂作为增效剂，促进耐碱复合微生物预处理菌剂对麦草秸秆的降解作用，具有绿色、无毒、可降解的优良特性。
Claims (8)
1.一种用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂，包括地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)CICC 10086、粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)CICC23439、赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sp.)CICC 10478、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)CICC 10028和蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)CICC 10184；
所述耐碱复合微生物预处理菌剂是先将各菌株分别培养成菌液，再将地衣芽孢杆菌菌液、粪产碱杆菌菌液、赖氨酸芽孢杆菌菌液、枯草芽孢杆菌菌液和蜡样芽孢杆菌菌液以质量比2 : 2 : 2 : 2 : 2或1 : 3 : 2 : 3 : 1或2 : 1 : 1 : 3 : 3或3 : 2 : 2 : 1 : 1复配得到；
所述地衣芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0×109cfu/mL ~ 1.0×1011cfu/mL，粪产碱杆菌菌液的活菌数为2.0 × 109cfu/mL ~ 5.0 × 1010cfu/mL，赖氨酸芽孢杆菌菌液的活菌数为1.0 × 1010cfu/mL ~ 5.0 × 1011cfu/mL，枯草芽孢杆菌菌液的活菌数为2.0 ×109cfu/mL ~ 1.0 × 1011cfu/mL，蜡样芽胞杆菌菌液的活菌数为1.0 × 109cfu/mL ~ 5.0× 1010cfu/mL。
2.权利要求1所述的用于麦草秸秆制浆的耐碱复合微生物预处理菌剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)菌种活化：取地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，分别接种于液体培养基中活化培养；
2)菌液培养：将步骤1)活化培养后的菌液转移至相应的液体培养基中，扩大培养得菌液；
3)复配：将扩大培养后的菌液混合，按比例复配得到碱性复合微生物预处理菌剂。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述液体培养基是指：地衣芽孢杆菌、粪产碱杆菌和赖氨酸芽孢杆菌的液体培养基为YPD液体培养基，枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌的液体培养基为LB液体培养基。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为35~40℃、150-200rpm培养1~3天。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述培养的条件为37℃、150~180rpm培养1~3天。
6.权利要求1所述的耐碱复合微生物预处理菌剂在麦草秸秆制浆中的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用包括如下步骤：
(1)挤压与清洗：将麦草秸秆进行挤压与清洗，晾干后备用；
(2)碳酸氢钠润涨：将晾干后的麦草秸秆转移至润涨槽中，加水浸润，再加入碳酸氢钠固体粉末，混合均匀，浸泡润涨1~2天；
(3)微生物预处理：将润涨后的麦草秸秆送入降解池，加入权利要求1所述的耐碱复合微生物预处理菌剂，混合均匀，发酵降解1~5天；
(4)表面活性剂增效：向降解池中加入鼠李糖脂，混合均匀，继续发酵1~2天；
(5)过滤：将降解池中物料过滤后所得滤液排出至贮备罐，贮备罐中的滤液可继续投入降解池以循环利用；
(6)碱法制浆：将步骤(5)过滤得到的纸浆原料转移至制浆池中，加水搅拌，再加入氢氧化钠和蒽醌，高温蒸煮；
(7)打浆：将高温蒸煮后的浆料转移至筛浆机，收集符合抄纸条件的纤维，铺入打浆机进行打浆，打浆度在40±2停止打浆，得到麦草秸秆造纸浆料。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，满足以下条件之一项或多项：
i.步骤(2)中所述碳酸氢钠固体粉末的加入量为加水质量的1~1.5%；
ii. 步骤(3)中所述耐碱复合微生物预处理菌剂的加入量为麦草秸秆干重的0.01%-0.5%；
iii. 步骤(3)中所述发酵的条件为30~40℃降解2~4天；
iv. 步骤(4)中所述鼠李糖脂的加入量为麦草干重的0.005%～0.1%；
v. 步骤(6)中所述氢氧化钠加入量为麦草干重的0.5%～10%，所述蒽醌的加入量为麦草干重的0.005%～0.1%。
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