CN106906261A

CN106906261A - 一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法

Info

Publication number: CN106906261A
Application number: CN201710327091.3A
Authority: CN
Inventors: 杨越超; 王忠华
Original assignee: Shandong Agricultural University
Current assignee: Shandong Agricultural University
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-06-30

Abstract

本发明涉及一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法；是通过微生物对造纸黒液进行发酵，将造纸黑液中的木质素、半纤维素等大分子物质进行生物降解，将大分子物质分解为小分子活性物质，增加其活性基团的含量，提高其生物活性。相比未经生物发酵的造纸黒液来说，生化黄腐酸的提取率增加了10％‑25％。本发明解决了造纸厂废水处理的难题，不但为造纸企业节约了处理废水的资金，降低了生产成本，对环境也起到了保护作用。而且将造纸黒液进行资源化利用，生产出了高品质的生化黄腐酸，对植物起到了很好的刺激作用，对指导农业生产起到了重要作用，具有广泛的应用前景。

Description

一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法

技术领域

本发明涉及一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，属于废弃物资源化领域。

背景技术

黄腐酸(fulvic acid缩写FA)，它是腐植酸(humic acid缩写HA)的一个组分。相对于一般腐殖酸而言,黄腐酸具有以下特点：其缩合程度和碳含量较低，分子量较小，容易被生物吸收利用；含有较多的氧；结构上含有更多的羟基、羧基等活性基团，比一般腐殖酸的生理活性大；色泽较浅，水溶性较好，能溶于水、酸、碱溶液；絮凝极限高，缓冲容量大，pH值更接近中性，容易被生物吸收利用。因此,在实际应用上，黄腐酸表现出更高的生理活性。黄腐酸在工、农、医、牧等各个方面均有着广泛的用途。工业方面:主要是用于重金属污水处理，作为金属离子的吸附剂去除废水中的有害金属离子；农业方面：具有改善土壤质量、促进植物生长、抗旱、抗病、提高肥料利用率、对重金属及有机污染的土壤有修复功能等作用；医学方面：己经应用到临床上，黄腐酸有止血、治疗烧烫伤、抑制癌细胞生长等功能；畜牧业方面：黄腐酸添加剂可以促进动物生长发育、防治畜禽常见病等。

目前，国内外生产的黄腐酸大多为矿质黄腐酸，即从风化煤，褐煤，泥炭中提取，常用的提取方法为：碱溶酸析法、强酸法抽提法、硫酸乙醇法、硫酸丙酮法、离子交换树脂法。虽然矿质黄腐酸的提取原料风化煤的价格低廉，但是资源不可再生，且提取工艺相对复杂，需要使用大量化学试剂。再者，使用大量的强酸强碱不仅污染环境，而且容易破坏黄腐酸的活性基团，降低了黄腐酸的生物活性。

我国是纸制品生产和消费大国，造纸废水排放污染仅次于冶金、石化而居第三位。每年废水排放量已达36.7亿吨，约占全国重点统计企业废水排放总量的17.0％，而COD排放量约159.7万吨，占全国COD排放总量的32.4％。造纸黑液是造纸废水中最主要的污染源，约占整个造纸工业污染的90％，其含有难降解的木质素、半纤维素及其衍生物，是一种高碱性的复杂污染体系，易引起水体污染和生态环境的严重破坏，也严重影响了造纸工业的健康和持续发展。因此造纸工业急需解决的问题是治理黑液污染。目前，国内外采用的处理造纸黑液的常规方法主要有碱回收技术、酸析木素技术、电渗析法、湿式氧化法、絮凝沉降技术等。其中碱回收技术是国内大型造纸企业采用的最主要方法，但因为该技术存在设备投入较大，运营成本高的缺点。

一般黑液中有机物(木质素、半纤维素、糖、有机酸等)质量分数占65％-70％，无机物(碱类、硫化物等)质量分数占30％—35％，对环境的危害很大。其中木质素是造纸黑液的主要成分，它是以苯丙烷的衍生物为结构单元通过C—O键和C—C链连接而成的天然高分子化合物，具有超分子特性和高比表面积，含有大量的功能基团，如酚羟基、甲氧基、苄式羟基、羰基、羧基、乙烯基等，易于发生羟甲基化、磺化、羧基化、烷基化等各种化学反应。木质素是含量仅次于纤维素的较丰富的有机物质，如果不加以利用，实质上是对资源的一种浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法；通过向造纸黑液中添加特定微生物和酶类进行生物发酵来提取生化黄腐酸；本发明首先通过微生物对造纸黒液进行发酵，严格控制发酵条件，将造纸黑液中的木质素、半纤维素等大分子物质进行生物降解，将大分子物质分解为小分子活性物质，增加其活性基团的含量，提高其生物活性。相比未经生物发酵的造纸黒液来说，生化黄腐酸的提取率增加了10％-25％。本发明属于低成本，高产能，操作简便，且适合大批量生产的方法，拥有广阔的开发和应用前景。

一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，具体步骤如下：

将造纸黒液过滤，除去残渣。将造纸黒液pH值调至7-9后加入造纸黑液体积比1％-3％的菌酶混合液(活菌数为10¹⁰个/ml)发酵；再加入适量的尿素，并控制发酵液中碳氮比(C/N)为20～35:1，含水量50％～70％，温度20～65度，适量通风，供应微生物所需的O₂(氧气)，发酵10-30天。将发酵完成后的发酵混合液置于反应釜中，并向反应釜中加入浓度为0.1mol/L的NaOH溶液；所述发酵混合物和NaOH溶液的体积比为1：10-20；然后向反应釜中通氮气5-10min，赶走O₂，恒温反应4小时；发酵混合液遮光静置10小时；用10000r/min高速离心10-20min除去残渣，使用浓度为6mol/L的盐酸溶液调整离心液pH值至1-2，再用10000r/min高速离心10-20min，得到生化黄腐酸溶液。

优选的，所述发酵液中碳氮比(C/N)为30～35:1，含水量55％～60％，温度20～35度，发酵周期为12-16天。

所述的造纸黑液为碱法制浆得到的黒液，目前国内造纸工艺主要有亚硫酸盐法和碱法制浆，碱法制浆是目前最主要的化学制浆法，应用范围广泛，而且此类方法得到的黒液中木质素含量较高。

所述的菌酶混合物中至少含有一种菌或一种酶，其中菌类包括耐碱性白腐真菌，酵母菌或假单胞杆菌等；酶类包括木质素过氧化物酶，锰过氧化物酶或漆酶等。这些菌类和酶类可以通过现有技术得到，也可市购得到。

本发明的优点在于：

1.生产成本低，且操作简单。生产生化黄腐酸的原料为造纸黒液，实际是一种工业垃圾，几乎为零成本，发酵所需的菌类较少，花费较低。操作过程简单易行，只要按照本发明步骤操作，任何人都可以熟练掌握。菌酶混合物将造纸黑液中的木质素、半纤维素等大分子物质进行生物降解，将大分子物质分解为小分子活性物质，增加其活性基团的含量，提高其生物活性。

2.降低了环境污染，实现的废弃物资源化。造纸黒液如果不经处理，直接排放到环境中，很容易引起地表水及地下水的污染，将造纸黒液发酵后生产生化黄腐酸，不仅解决了环境问题，而且提取的黄腐酸又能促进农业生产。

3.造纸黒液可取代风化煤、褐煤等不可再生的矿质资源，生化黄腐酸比矿质黄腐酸有着更好的理化性质，它活性基团更多，而且还含有氨基酸、维生素等物质，对植物的刺激效果更好。

本发明解决了造纸厂废水处理的难题，不但为造纸企业节约了处理废水的资金，降低了生产成本，对环境也起到了保护作用。而且将造纸黒液进行资源化利用，生产出了高品质的生化黄腐酸，对植物起到了很好的刺激作用，对指导农业生产起到了重要作用，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图

图中，1是碱法制浆的得到的造纸黑液；2是将造纸黑液过滤并调酸度；3是将微生物和酶类加入造纸黑液；4是碱溶过程；5是高速离心；6是酸化过程；7是真空干燥得固体；8是产品包装入库。

具体实施方式

实施例1：

将造纸黒液进行过滤，除去残渣。将酸度调至pH为9，向造纸黒液中加入其体积比1％的菌酶混合液(黄孢原毛平革菌和彩绒革盖菌、丝孢酵母和木质素过氧化物酶)，加入适量的尿素提供氮源，并控制碳氮比(C/N)25:1。含水量控制在65％，温度控制在25度，并适量通风，供应微生物所需的氧气，发酵18天。取发酵混合物于反应釜中，加入浓度为0.1mol/L的NaOH溶液(NaOH溶液和发酵混合物的体积比1:10)，通入氮气5-10min，赶走O₂，恒温反应4小时，反应完成后遮光静置10小时，在10000r/min下离心10min除去残渣。将离心液用浓度为6mol/L的HCl调pH到1-2，静置，随后在10000r/min下离心10min，上清液即为生化黄腐酸溶液。经过大量试验证明，用该产品进行发芽试验，相比清水对照，玉米种子的发芽率提高了7.1％。苗期株高相对提高了16.2％。水稻种子的发芽率可相对提高7.9％，苗期株高相对提高了12.4％。通过液面喷施，相比清水对照，辣椒的产量可增加21.6％，番茄的产量可增加32.6％。

实施例2：

将造纸黒液进行过滤，除去残渣。将酸度调至pH为8，向造纸黒液中加入其体积比2％的菌酶混合液(黄孢原毛平革菌和变色栓菌，假单胞杆菌PKE117，漆酶)，加入适量的尿素提供氮源，并控制碳氮比(C/N)30:1。含水量控制在55％，温度控制在35度，并适量通风，供应微生物所需的氧气，发酵12天。取适量发酵后的造纸黒液于反应釜中，加入0.1mol/L的NaOH溶液(体积比1:10)，通入氮气5-10min，赶走O₂，恒温反应4小时。反应完成后遮光静置10小时，在10000r/min下离心10min除去残渣。将离心液用6mol/L的HCl调pH 1-2，静置，随后在10000r/min下离心10min，上清液即为黄腐酸溶液。经过大量试验证明，用该产品进行发芽试验，相比清水对照，玉米种子的发芽率提高了7.1％。苗期株高相对提高了16.2％。水稻种子的发芽率可相对提高7.9％，苗期株高相对提高了12.4％。通过液面喷施，相比清水对照，辣椒的产量可增加21.6％，番茄的产量可增加32.6％。

实施例3：

将造纸黒液进行过滤，除去残渣。将酸度调至pH为7，向造纸黒液中加入其体积比3％的菌酶混合液(黄孢原毛平革菌，丝孢酵母，假单胞杆菌PKE117，锰过氧化物酶)，加入适量的尿素提供氮源，并控制碳氮比(C/N)35:1。含水量控制在60％，温度控制在25度，并适量通风，供应微生物所需的氧气，发酵16天。取适量发酵后的造纸黒液于反应釜中，加入0.1mol/L的NaOH溶液(体积比1:10)，通入氮气5-10min，赶走O₂，盖紧盖子，恒温反应4小时。反应完成后遮光静置10小时，在10000r/min下离心10min除去残渣。将离心液用6mol/L的HCl调pH 1-2，静置，随后在10000r/min下离心10min，上清液即为黄腐酸溶液。经过大量试验证明，用该产品进行发芽试验，相比清水对照，玉米种子的发芽率提高了7.1％。苗期株高相对提高了16.2％。水稻种子的发芽率可相对提高7.9％，苗期株高相对提高了12.4％。通过液面喷施，相比清水对照，辣椒的产量可增加21.6％，番茄的产量可增加32.6％。

Claims

1.一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，其特征在于步骤如下：

将造纸黒液过滤，除去残渣；将造纸黒液pH值调至7-9后加入造纸黑液体积比1％-3％的菌酶混合液发酵；再加入适量的尿素，并控制发酵液中碳氮比为20～35:1，含水量50％～70％，温度20～65度，适量通风，供应微生物所需的O₂，发酵10-30天；将发酵完成后的发酵混合液置于反应釜中，并向反应釜中加入浓度为0.1mol/L的NaOH溶液；所述发酵混合物和NaOH溶液的体积比为1：10-20；然后向反应釜中通氮气5-10min，赶走O₂，恒温反应4小时；发酵混合液遮光静置10小时；用10000r/min高速离心10-20min除去残渣，调整离心液pH值至1-2，10000r/min高速离心10-20min，得到生化黄腐酸。

2.如权利要求1所述的一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，其特征在于所述菌酶混合液中活菌数为10¹⁰个/ml。

3.如权利要求1所述的一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，其特征在于所述控制发酵液中碳氮比为30～35：1，含水量55％～60％，温度20～35度，发酵周期为12-16天。

4.如权利要求1所述的一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，其特征在于所述的菌酶混合物中至少含有一种菌或一种酶。

5.如权利要求4所述的一种利用生物发酵从造纸黑液中提取生化黄腐酸的方法，其特征在于所述的菌类为耐碱性白腐真菌、酵母菌或假单胞杆菌；所述的酶类为木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶或漆酶。