CN100513522C - 用植物废弃物生产土壤调节剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农业能源领域，具体涉及一种利用植物废弃物生产土壤调节剂的方法。其方法具体是：将植物废弃物粉碎后通过常规的酶水解或者酸水解得到水解产物，用水解产物发酵培养高产油脂的微生物，得到大量的菌体；水解残渣接种内生菌或益生菌，待用；按常规方法从培养得到的菌体中提取油脂后，得到菌体残渣；菌体残渣与接种内生菌或者益生菌的秸秆水解残渣复配，得到土壤调节剂。本方法利用植物废弃物生产土壤调节剂，能充分利用秸秆成分实现资源效益最大化，有广阔的市场空间。

Description

用植物废弃物生产土壤调节剂的方法
技术领域
本发明涉及农业能源领域，具体涉及一种利用植物废弃物生产土壤调节剂的方法。
背景技术
小麦，水稻，玉米，薯类，油料，棉花，甘蔗和其他农作物在收获籽实后剩余的部分统称秸秆，光合作用的产物有一半左右存在于秸秆中。例如，生产一公斤稻米可产生1.5公斤稻草，一公斤小麦可产生1.5公斤麦秸，1公斤玉米可产生4公斤玉米秸秆。据***环境规划署(UNEP)统计，世界上种植的各种农作物每年所产生的秸秆多达17亿吨。近几年，随着我国农村经济发展和农民收入增加，农村居民用能结构正在发生着明显的变化，煤油气电等商品能源得到越来越普遍的应用。秸秆的大量剩余，导致了一系列的环境和社会问题。每到夏秋两季，村村点火，处处冒烟的现象十分普遍。据调查，目前我国秸秆利用率约为33％，其中经过技术处理后利用的仅约占2.6％，秸秆就地焚烧不仅造成大量资源和能源浪费，环境污染也不容忽视，因此，开展秸秆的能源高效转化利用技术研究和能源产品开发成为亟待解决的农业能源和环境问题，对保障国家能源安全，国民经济可持续发展和保护环境具有重要意义。
微生物柴油不能生产的关键原因是生产成本高，秸杆水解后的残渣，微生物提取油脂后的菌体不能充分利用。而生物柴油企业规模效益很重要，如果规模太小，企业很难获得利润，当企业产量达到10万吨以上规模，水解残渣和菌体细胞将达到20万吨以上。这部分生物质如果作为垃圾处理，将有很高的成本。
生物柴油是指直接或间接来源于生物产品，可以作为柴油机燃料的物质，包括动植物油的裂化产物或动植物油与短链醇经酯交换反应得到的脂肪酸酯等。目前国内外有许多相关生物柴油的专利，然而，成本问题是限制生物柴油广泛使用的最主要问题。只有降低成本，生物柴油才具有广泛的商业化应用前景。
产油微生物具有资源丰富，油脂含量高，生长周期短，碳源利用谱广，能在各种培养条件下生长等特点。微生物油脂生产工艺简单，高值化潜力大，有利于进行工业化规模生产和开发。目前研究用于生产微生物油脂的菌种主要有藻类，酵母和霉菌。具体如下：
在各种藻类中，金藻纲，黄藻纲，硅藻纲，隐藻纲和甲藻纲中藻类都能产生高含量多不饱和脂肪酸。常见产油酵母有：浅白色隐球酵母，弯隐球酵母，斯达氏油脂酵母，出芽丝孢酵母，产油油脂酵母，胶粘红酵母，类红冬孢酵母等。常见产油霉菌有：土霉菌，紫癜麦角菌，高粱褶孢黑粉菌，高山被孢霉，深黄被孢霉。
最近，美国国家可再生能源实验室(NREL)的报告特别指出微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向。大部分微生物油脂的脂肪酸组成和一般植物油相近，以C16和C18系脂肪酸，如油酸，棕榈酸，亚油酸和硬脂酸为主。微生物油脂发酵周期短，不受场地，季节，气候变化等的影响，一年四季除设备维修外，都可连续生产，而且产油微生物菌种资源丰富，能利用和转化各种农林废弃木质纤维素原材料，对农业大国具有特殊的意义。因此，利用微生物转化法获得油脂具有非常大的发展潜力。
利用微生物油脂生产生物柴油国内外也进行了部分研究，清华大学吴庆余、缪晓玲通过异养转化细胞工程技术获得了脂类含量高达细胞干重55％的异养藻细胞，并进一步进行藻类脂肪酸的甲酯化过程获得了高品质的生物柴油。然而成本问题是限制了微生物柴油的工业化生产，微藻属于低等植物，其基因工程改造技术远没酵母和细菌等成熟，微藻进行高密度培养的技术难题也非常明显。
如果利用微生物转化废弃物木质纤维素资源可降低成本，也有利于环境保护和社会经济可持续发展，如Hill于2006年提出了废弃生物质资源生产生物柴油可以大大降低生物柴油成本的观点，但是国内外尚无文献报道农林废弃物生产生物柴油的相关技术；特别是综合利用秸秆，用微生物秸秆生产生物柴油的同时生产土壤调节剂，这个工艺方法目前尚无人报道，也无专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用植物废弃物生产土壤调节剂的方法。
本发明所说的利用植物废弃物生产土壤调节剂的方法，是：
(1)将植物废弃物粉碎后通过常规的酶水解或者酸水解得到水解产物，用水解产物发酵培养高产油脂的微生物，得到大量的菌体；水解残渣接种内生菌或益生菌，待用；
(2)按常规方法从培养得到的菌体中提取油脂后，得到菌体残渣；
(3)菌体残渣与接种内生菌或者益生菌的秸杆水解残渣复配，得到土壤调节剂。
所说的高产油脂微生物，是指在适宜条件下，某些微生物产生并储存的油脂占其生物总量的20％以上，具有这样表型的菌株称为高产油脂微生物。已知的高产油脂微生物包括但不限于表1所列菌种：
表1  产油脂微生物目录
 
菌种名称 拉丁名 ATCC编号
浅白色隐球酵母 Cryptococcus albidus 10665
斯达氏油脂酵母 Lipomyces starkeyi 12659
 
胶粘红酵母 Rhodotorula glutinis 10659
圆红冬孢酵母 Rhodosporidium toruloides 10788
土曲霉 Aspergillus terreus 10029
高山被孢霉 Mortierell alpina 16266
拉曼被孢霉 Mortierella ramanniana 34194
深黄被孢霉 Mortierella isabellina 201898
小克银汉霉 Cunninghamella sp 11585
嗜热毛壳菌 Chaetomium thermophile 58420
拟盘多毛孢 Pestalotiopsis sp 90291
拟茎点霉 Phomopsis sp 201398
无孢菌群 Mycelia sterlia 20349
交链孢霉 Altemaria sp 11785
里氏木霉 Trichoderma reesei 46480
所说的植物内生菌是指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的真菌或细菌，被感染的宿主植物(至少是暂时)不表现出外在症状。如：拟茎点霉，枝顶孢霉属的A.coenophialum，A.lolii，小孢拟盘多毛孢，头孢霉，刺盘孢菌，黄色蠕形霉等等(拉丁名及保藏号见表2)。
所说的植物益生菌是指对植物生长、抗病起有益作用的微生物。如：哈茨木霉、绿色木霉、康氏木霉、木素木霉、钩木霉、长枝木霉、多孢木霉及绿粘帚霉。芽孢杆菌、假单胞菌、欧氏杆菌，枯草芽孢杆菌QST713，巴氏杆菌等等(拉丁名及保藏号见表2)。
表2  部分内生菌、益生菌目录
 
菌种名称 拉丁名 美国模式菌株保藏中心(ATCC)索取编号
康氏木霉 Trichoderma koningii 201709
哈茨木霉 T.harzianum 56678
绿色木霉 T.viride 20476
木素木霉 T.lignorum 38500
钩木霉 T.hamatum 204435
长枝木霉 T.longibrachiat um 18648
多孢木霉 T.polysporum 60004
绿粘帚霉 T.virens 204067
 
枯草芽孢杆菌 B.subtilis 33677
巴氏杆菌 Pasteurella sp 13360
假单胞菌 Pseudomonas spp 10197
欧氏杆菌 Erwinia sp 11417
黄蓝状菌 Talaromyces flavus 36960
刺盘孢菌 Colletotrichumgloeosporioides 58696
头孢霉 Cephalosporium sp 204432
茎点霉 Phoma sp 24635
小孢拟盘多毛孢 Pestalotiopsis microspora 26275
枝顶孢霉 Acremonium sp 11550
------ A.coenophialum 62374
------ A.lolii MYA-3408
所说的植物废弃物是农业或林业的村植物废弃物，优选农作物废弃物，最好是秸秆。
本方法利用植物废弃物转化为生物柴油，以玉米秸秆为例，每7吨秸秆理论可生产一吨菌油，表明利用木质纤维素生产微生物油脂具有很可观的潜在经济效益。我国农林废弃物资源丰富，仅农作物秸秆每年产量近十亿吨，如果全用于生产微生物柴油，将大大缓解甚至完全解决中国目前面临的能源危机问题。接种了植物内生菌或益生菌的秸秆残渣，以及提取油脂后的菌体残渣，是很好的土壤调节剂，可以疏松土壤，改善土壤结构，提供土壤有机氮源，从而增加有机质，对土壤理化性状均有很好的改善作用，可以解决我国土壤肥力下降的严重问题，而目前秸秆利用方面，尚无用其水解产物生产微生物柴油同时生产土壤调节剂，因此本方法与现有技术相比，能充分利用秸秆成分实现资源效益最大化，既能源解决我国能源紧张问题，同时又获得土壤调节产品，有广阔的市场空间。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明，其后所用相同试剂如无特殊说明，均以首次标明的内容相同。
实施例1：
将玉米秸秆经过适当粉碎，添加营养盐，用里氏木霉(Trichoderma reesei)ATCC46480在25℃固体培养3天，添加胶黏红酵母(Rhodotorula glutinis)ATCC 10659，培养3天，收获，用有机溶剂萃取油脂，在酸碱催化下和甲醇进行交换反应，产生脂肪酸甲酯(即生物柴油)，产品生产固体废弃物接种植物内生菌或益生菌(如益生菌康氏木霉(Trichoderma koningii)ATCC201709)20-25℃培养3天，经过混合，使产品中微生物含量，营养物质含量均匀，成为土壤调节剂，用于改善土壤有机质、氮肥水平、增加土壤微生物数量。
实施例2：
将水稻秸秆经过适当粉碎，用微生物纤维素酶、半纤维素酶、木质素水解酶等直接水解秸秆，水解液添加营养盐灭菌后接种高产油的胶黏红酵母ATCC 10659，发酵培养3天，收获酵母菌体，用有机溶剂萃取油脂，在酸碱催化下和甲醇进行交换反应，产生脂肪酸甲酯(即生物柴油)。秸秆酶解固体废弃物接种植物内生菌(拟茎点霉(Phomopsis sp)ATCC 201398)，25℃培养3天，和酵母菌萃取后干菌体经过调配，成为土壤调节剂，用于改善土壤有机质、氮肥水平、增加土壤微生物数量。
实施例3：
将杨树落叶或者枝条经过粉碎，接种高产纤维素酶、同时也高产木质素水解酶，并高产油脂的植物内生菌如嗜热毛壳菌(Chaetomium thermophile)ATCC 58420、拟茎点霉(Phomopsis sp)ATCC 301398、拟盘多毛孢(Pestalotiopsis sp)ATCC 90291等微生物，固体发酵10天或液体通气搅拌发酵5天，有机溶剂萃取油脂，在酸碱催化下和甲醇进行交换反应，产生脂肪酸甲酯(即生物柴油)。固体废弃物再次接种拟茎点霉ATCC 201398、毛壳菌ATCC58420和拟盘多毛孢ATCC 90291等菌种，25℃培养3天，经过调配，成为土壤调节剂，用于改善土壤有机质、氮肥水平、增加土壤微生物数量。
本发明不限于这些公开的实施方案，本发明将覆盖在专利书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变型和等效变化。

Claims (2)

1、一种利用植物废弃物生产生物柴油和土壤调节剂的方法，其步骤是：
(1)将植物废弃物粉碎后通过常规的酶水解或者酸水解得到水解产物，用水解产物发酵培养高产油脂的微生物，得到大量的菌体；水解残渣接种内生菌或益生菌或它们的组合，待用；
(2)按常规方法从培养得到的菌体中提取油脂，提取的油脂再通过甲酯化得到生物柴油；
(3)菌体残渣与接种内生菌或者益生菌的植物废弃物水解残渣复配，得到土壤调节剂。
2、如权利要求1所说的方法，其特征在于，其中所说的植物废弃物是秸秆。
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加快微生物油脂研究为生物柴油产业提供廉价原料. 赵宗保.中国生物工程杂志，第25卷第2期. 2005
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