纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法
阅读说明：本技术 纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法 (Method for preparing biochemical fulvic acid by fermenting rice straws with cellulose degradation composite bacterial system ) 是由 郑洪立 游垲 刘玉环 付桂明 葛风茹 宋琨燕 巫小丹 杨子祥 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法,对水稻秸秆进行清理除杂、粉碎、干燥、挤压膨化,再由枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉组成的纤维素降解复合菌系对水稻秸秆进行连续式发酵。本发明基于水稻秸秆结构特性的挤压膨化处理,提高纤维素的可接触性；通过复合菌系连续液体发酵,优化发酵工艺条件；在此基础上,非加热的超声波辅助技术强化发酵,实现发酵底物高效转化,得到富含黄腐酸的发酵产物,强化连续发酵过程菌种之间协同作用,预防菌种退化,较固态发酵大大缩短发酵周期。本发明创新了水稻秸秆资源化利用模式,提高了其发酵产生化黄腐酸的效率,降低了生产成本,保护了环境,实用性很强,易于规模化。(The invention discloses a method for preparing biochemical fulvic acid by fermenting rice straws with a cellulose degradation composite bacterial system. The invention improves the accessibility of the cellulose based on the extrusion and expansion treatment of the structural characteristics of the rice straws; the fermentation process conditions are optimized through continuous liquid fermentation of a compound strain; on the basis, the non-heating ultrasonic wave auxiliary technology strengthens fermentation, realizes the high-efficiency conversion of fermentation substrates, obtains fermentation products rich in fulvic acid, strengthens the synergistic effect among strains in the continuous fermentation process, prevents the strain degeneration, and greatly shortens the fermentation period compared with solid state fermentation. The invention innovates the rice straw resource utilization mode, improves the efficiency of producing the biochemical fulvic acid by fermenting the rice straw, reduces the production cost, protects the environment, has strong practicability and is easy for large-scale production.)
技术领域
本发明涉及农业生物技术领域，具体涉及纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法。
背景技术
水稻是我国重要的粮食作物，在粮食生产中占有极为重要的地位。水稻种植过程中产生大量的秸秆，水稻秸秆乃稻谷收获后留下的“废弃物”，也是一种重要的农业资源，可用于生产饲料、纸巾、生物质能源、有机肥原等。我国水稻种植种植面积大，达3000万公顷，水稻秸秆产生量大，年产约2亿吨。当前，机械还田是水稻秸秆的主要利用方式，但存在能耗高，处理效果差等问题，严重制约了水稻秸秆的资源化利用。水稻收获后留茬高度一般在40～50cm左右，由于田间稻茬高、湿度大，所以在种植下茬作物时，稻茬容易缠绕耕整地机具作业部件，影响工作性能和作业效率；同时，水稻秸秆埋茬还田效果差，腐烂周期长，难以发挥其有机质的利用效率。在现实农业生产中，为了节约农时和成本，方便下茬作物的种植，人们大多采取就地焚烧的方法来处理水稻秸秆。这样一来，不仅浪费了资源，而且造成了严重的环境污染，不利于环境保护，更不利于农业的可持续发展。因此，研究创新水稻秸秆资源化利用技术非常迫切且十分必要。
水稻秸秆纤维素含量约30％，半纤维素含量约25％，木质素含量约10％，水稻秸秆还含有氮、磷、钾、钙、镁、锌、铁、铜等元素。而纤维素、半纤维素、木质素、氮、磷、钾、钙、镁、锌、铁、铜等均为重要资源，广泛应用于农业、建筑、化工等领域。通过大力开发水稻秸秆资源化利用技术，回收利用水稻秸秆中纤维素、半纤维素、木质素、氮、磷、钾、钙、镁、锌、铁、铜等，实现水稻秸秆变废为宝，使其真正成为一项重要的可利用资源，必将大大减少其环境污染。发展水稻秸秆资源化利用技术是我国积极应对农业面源污染严峻挑战的国家需求。开发水稻秸秆资源化利用技术，既可实现废弃物水稻秸秆高效资源化，回收资源，变废为宝，又可保护环境。因此，开发水稻秸秆资源化利用技术意义重大。
发明内容
针对水稻秸秆焚烧环境污染严重和资源流失的问题。本发明的目的在于提供一种水稻秸秆资源化利用方法，通过建立水稻秸秆预处理方法、高效纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法，非加热的超声波辅助技术强化水稻秸秆发酵，实现水稻秸秆生物转化，得到生化黄腐酸产品，该方法水稻秸秆发酵转化效率高、从废弃物中回收资源、保护环境、减少资源浪费。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法，按以下步骤：
(1)水稻秸秆经清理除杂后，水稻秸秆粉碎机粉碎，日处理水稻秸秆量4～10吨，秸秆粉碎后粉末大小控制在2～8毫米，粉碎后调节粉末含水率至20％～40％；再对水稻秸秆粉末进行挤压膨化处理，挤压膨化条件：温度100～140℃，模孔间隙3～6毫米，螺杆转速50～100转/分钟，螺杆端部与模板之间的距离10～20毫米；
(2)膨化后水稻秸秆复合菌系连续式发酵，保种培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克。活化培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克。发酵制种培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆10～40克，硫酸铵0.2～2克，硝酸钠0.5～3克，磷酸氢二钾0.1～0.6克，磷酸二氢钠0.05～0.5克，一水氯化钙0.05～0.3克，七水硫酸亚铁0.01～0.2克，七水硫酸镁0.1～0.5克。发酵培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆100～200克，硫酸铵0.2～2克，硝酸钠0.5～3克，磷酸氢二钾0.1～0.6克，磷酸二氢钠0.05～0.5克，一水氯化钙0.05～0.3克，七水硫酸亚铁0.01～0.2克，七水硫酸镁0.1～0.5克。发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量5％～15％，按比例接种，发酵菌种：高效纤维素降解复合菌系，发酵罐中黄腐酸含量达到8％～16％时开始连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度32～40℃，pH5.8～6.8，转速80～160转/分钟。连续发酵时采用非加热的超声波辅助技术促进水稻秸秆发酵。
本发明步骤(2)中所述的高效纤维素降解复合菌系为枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉。
本发明步骤(2)中所述的按比例接种，即枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉之比为5～1:2～1:4～1:10～2。
本发明步骤(2)中所述的非加热的超声波辅助技术，即发酵开始每隔5～8天超声处理发酵液，超声条件：超声功率240～450瓦，超声时间20～36分钟，一个超声波循环的工作时间/间歇时间10～25秒/5秒。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明建立纤维素降解复合菌系发酵水稻秸秆制备生化黄腐酸的方法，开发了水稻秸秆资源化方法，通过连续发酵生物转化，实现水稻秸秆资源化，大大提高水稻秸秆资源化效率，达到回收资源且保护环境的目的，整个资源化过程环境友好，是一种实用性很强且满足工业化需求的新方法。
(2)本发明在连续式发酵过程中结合非加热的超声波辅助技术进行辅助，实现发酵底物高效转化得到富含黄腐酸的发酵产物，强化了连续发酵过程菌种之间协同作用，预防了菌种退化，较固态发酵大大缩短发酵周期。
(3)本发明对水稻秸秆进行挤压膨化，提高菌种对纤维素的可接触性。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例所用到葡萄糖、琼脂等试剂药品和马铃薯均为市售，枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌、黑曲霉由本实验室自主分离筛选并保藏。
以下实施例所用的水稻秸秆收集于南昌市郊水稻大田。
实施例1。
水稻秸秆经清理除杂后，水稻秸秆粉碎机粉碎，日处理水稻秸秆量4吨，秸秆粉碎后粉末大小控制在2毫米，粉碎后调节粉末含水率至20％。再对水稻秸秆粉末进行挤压膨化处理，挤压膨化条件：温度100℃，模孔间隙3毫米，螺杆转速50转/分钟，螺杆端部与模板之间的距离10毫米，得到膨化物。膨化后水稻秸秆复合菌系连续式发酵，保种培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克。活化培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克。发酵制种培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆10克，硫酸铵0.2克，硝酸钠0.5克，磷酸氢二钾0.1克，磷酸二氢钠0.05克，一水氯化钙0.05克，七水硫酸亚铁0.01克，七水硫酸镁0.1克。发酵培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆100克，硫酸铵0.2克，硝酸钠0.5克，磷酸氢二钾0.1克，磷酸二氢钠0.05克，一水氯化钙0.05克，七水硫酸亚铁0.01克，七水硫酸镁0.1克。发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量5％，按5:2:4:10比例接种，发酵菌种：枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉，发酵罐中黄腐酸含量达到8％时开始连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度32℃，pH5.8，转速80转/分钟。非加热的超声波辅助技术强化发酵，即发酵开始每隔5天超声处理发酵液，超声条件：超声功率240瓦，超声时间20分钟，一个超声波循环的工作时间/间歇时间10秒/5秒。连续发酵3个月，测定黄腐酸产量，结果见表1。
实施例2。
水稻秸秆经清理除杂后，水稻秸秆粉碎机粉碎，日处理水稻秸秆量10吨，秸秆粉碎后粉末大小控制在8毫米，粉碎后调节粉末含水率至40％。再对水稻秸秆粉末进行挤压膨化处理，挤压膨化条件：温度140℃，模孔间隙6毫米，螺杆转速100转/分钟，螺杆端部与模板之间的距离20毫米，得到膨化物。膨化后水稻秸秆复合菌系连续式发酵，保种培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克。活化培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克。发酵制种培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆40克，硫酸铵2克，硝酸钠3克，磷酸氢二钾0.6克，磷酸二氢钠0.5克，一水氯化钙0.3克，七水硫酸亚铁0.2克，七水硫酸镁0.5克。发酵培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆200克，硫酸铵2克，硝酸钠3克，磷酸氢二钾0.6克，磷酸二氢钠0.5克，一水氯化钙0.3克，七水硫酸亚铁0.2克，七水硫酸镁0.5克。发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量15％，按1:1:1:2比例接种，发酵菌种：枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉，发酵罐中黄腐酸含量达到16％时开始连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度40℃，pH6.8，转速160转/分钟。非加热的超声波辅助技术强化发酵，即发酵开始每隔8天超声处理发酵液，超声条件：超声功率450瓦，超声时间36分钟，一个超声波循环的工作时间/间歇时间25秒/5秒。连续发酵3个月，测定黄腐酸产量，结果见表1。
实施例3。
水稻秸秆经清理除杂后，水稻秸秆粉碎机粉碎，日处理水稻秸秆量7吨，秸秆粉碎后粉末大小控制在5毫米，粉碎后调节粉末含水率至30％。再对水稻秸秆粉末进行挤压膨化处理，挤压膨化条件：温度120℃，模孔间隙6毫米，螺杆转速75转/分钟，螺杆端部与模板之间的距离15毫米，得到膨化物。膨化后水稻秸秆复合菌系连续式发酵，保种培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克。活化培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克。发酵制种培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆30克，硫酸铵1克，硝酸钠1.5克，磷酸氢二钾0.3克，磷酸二氢钠0.3克，一水氯化钙0.15克，七水硫酸亚铁0.1克，七水硫酸镁0.3克。发酵培养基组成(/升)：挤压膨化的水稻秸秆150克，硫酸铵0.1克，硝酸钠0.2克，磷酸氢二钾0.3克，磷酸二氢钠0.25克，一水氯化钙0.25克，七水硫酸亚铁0.1克，七水硫酸镁0.3克。发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量10％，按3:1.5:2.5:6比例接种，发酵菌种：枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉，发酵罐中黄腐酸含量达到12％时开始连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度36℃，pH6.3，转速120转/分钟。非加热的超声波辅助技术强化发酵，即发酵开始每隔8天超声处理发酵液，超声条件：超声功率360瓦，超声时间28分钟，一个超声波循环的工作时间/间歇时间20秒/5秒。连续发酵3个月，测定黄腐酸产量，结果见表1。
对比例1。
保种培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克。活化培养基组成(/升)：马铃薯200克，葡萄糖20克。发酵制种培养基组成(/升)：水稻秸秆30克，硫酸铵1克，硝酸钠1.5克，磷酸氢二钾0.3克，磷酸二氢钠0.3克，一水氯化钙0.15克，七水硫酸亚铁0.1克，七水硫酸镁0.3克。发酵培养基组成(/升)：水稻秸秆150克，硫酸铵0.1克，硝酸钠0.2克，磷酸氢二钾0.3克，磷酸二氢钠0.25克，一水氯化钙0.25克，七水硫酸亚铁0.1克，七水硫酸镁0.3克。发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量10％，发酵菌种：枯草芽孢杆菌，连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度36℃，pH6.3，转速120转/分钟。连续发酵3个月，测定黄腐酸产量，结果见表1。
对比例2。
水稻秸秆750克，发酵罐体积10升，工作体积5升，接种量10％，按3:1.5:2.5:6比例接种，发酵菌种：枯草芽孢杆菌、链霉菌、里氏木霉菌和黑曲霉，连续发酵，发酵液体积维持在5升，发酵温度36℃，pH6.3，转速120转/分钟。连续发酵3个月，测定黄腐酸产量，结果见表1。
表1实施例及对比结果
实施例
黄腐酸产量(公斤)
实施例1
12
实施例2
9
实施例3
18
对比例1
0.5
对比例2
0.2
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