CN107245893A - 从烟草废弃物中提取纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其具体步骤为：步骤(1)接种载体的制备：固定化的载体置于盛有琼脂培养基的高压灭菌锅中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水清洗，清洗后将载体在白腐真菌发酵液中振荡培养，待用；步骤(2)发酵：盛有烟草废弃物的网箱置于已加入白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；步骤(4)：将步骤(3)的材料取出，烘干，得高纯度纤维素。相对于现有技术，该方法具有提取率高、提取周期短、成本低、环境污染少等优势。

Description

从烟草废弃物中提取纤维素的方法
技术领域
本发明属于生物化学技术领域，具体涉及一种从烟草废弃物中提取纤维素的方法。
背景技术
烟草中细胞壁物质由纤维素、半纤维素、木质素等物质构成，这些物质维持烟草细胞壁结构，约占烟草干物质重量的26％～35％，其中，纤维素约占干物质总重的13％～18％。木质素占烟叶总细胞壁物质的16％～24％，含量范围为3.5～7.5％。烟梗的木质素含量比烟叶高，在燃吸时杂气重，严重影响卷烟品质，在生产过程中很大部分的烟梗被作为烟草废弃物丢弃。我国烟草植物的种植面积和产量均世界首位，作为烟草生产大国，我们每年有近超过100万吨的烟叶、烟末、烟梗等下脚料被废弃。
目前经济效益的需求和当前环境污染的情况，烟草废弃物中如何有效利用，减低环境污染和提升生产效益是当前的关注重点。烟草废弃物中含有大量的纤维素，如何有效利用以解决目前的污染问题并为国民经济的健康发展做出巨大的功效，是急需解决的问题。
CN201110116236.8涉及一种微生物固态发酵法制备烟草薄片基础物料-烟梗纤维素的方法。本发明选择高产蛋白酶、果胶酶、木质素酶、淀粉酶等酶的微生物，以烟梗、烟末和碎烟叶为原料，制备微生物种子，所制备的微生物种子接种到烟梗中，进行固态发酵，发酵后的烟梗在缓冲液中浸泡并进行酶解，酶解后的烟梗，蛋白质、木质素、果胶质等大分子物质被降解成小分子物质，与烟梗中的纤维素类物质易于分离，再经搅拌打浆、过滤、分离得到水溶性浸出物及水不溶性的烟梗纤维素。该专利没有提及采用白腐真菌进行发酵的工艺。
CN201210399941.8利用固定化酶制剂结合醋酸菌发酵制备烟草提取物的方法，是用固定化酶制剂处理烟草提取物原料获得处理产物，再用醋酸菌发酵处理产物获得发酵产物，然后将发酵产物浓缩处理，即得烟草提取物。该专利没有提及采用白腐真菌进行发酵的工艺。
发明内容
根据目前的研发现状，本发明提供一种从烟草废弃物中提取纤维素的方法，该方法先通过发酵分解烟草废弃物中的木质纤维，然后模拟降水进行淋洗以去除发酵分解得到有机碎屑，减少有机碎屑附着带来的影响，从而加速了分解速率，大大缩短了生产周期。
一方面，本发明提供一种从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其具体步骤为：
步骤(1)接种载体的制备：固定化的载体置于盛有琼脂培养基的高压灭菌锅中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水清洗，清洗后将载体在白腐真菌发酵液中振荡培养，待用；
步骤(2)发酵：盛有烟草废弃物的网箱置于已加入白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；
步骤(4)：将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素；
其中，所述的白腐真菌发酵液的制备过程如下：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml；
土豆葡萄糖液体具体制备过程为土豆煮沸后进行过滤，滤液冷却后与葡萄糖混匀的液体；
所述琼脂培养基是指由土豆葡萄糖液体与琼脂制备的琼脂培养基。
所述水流模拟降雨淋洗是指淋洗的降水速率在0.25～4.0毫米/小时之间。优选为1.0～2毫米/小时之间。
所述烟草废弃物是指废弃的烟草、烟梗、烟叶下脚料、卷烟下脚料或其他卷烟生产过程中的大量副产品等。也可以是烟草。
进一步地，步骤(1)所述的固定化的载体以聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭为原料滴入氯化钙和硼酸溶液中交联反应制备而成的球体。采用质量分数为15％、3.5％的聚乙烯醇和海藻酸钠与质量分数0.2％的活性炭，搅拌均匀后，通过恒流泵以40r/min的速率将混合均匀的固定化原料滴入装有2％氯化钙饱和硼酸溶液的交联反应成型槽，立即形成球体凝胶，滴加完成后静止交联4h即得球状的固定化载体。
进一步地，所述球体的直径为1～5cm，优选为3cm。
进一步地，所述高压灭菌锅中温度为100～150℃，压力为1.2～1.5Pa。
进一步地，所述热蒸馏水的温度为50～70℃，优选为60℃。
进一步地，所述步骤(1)中振荡培养的时间为5～10天，优选为7天。
进一步地，步骤(2)发酵阶段的发酵温度为20～30℃，优选为25℃，发酵周期为7～16天，优选为10天，发酵pH为4～7，优选为6.5。
进一步地，所述步骤(2)中网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm。所述步骤(2)中烟草废弃物放置在网箱中的量为5公斤，发酵池中白腐真菌发酵液约为1.5L。
进一步地，步骤(3)所述淋洗阶段的淋洗时间为6～16小时，优选所述步骤(3)的淋洗时间为6～10小时。更优选为8小时。
进一步地，所述步骤(3)淋洗阶段流出的淋洗液通过过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗，实现重复利用和减少环境污染。所述过滤采用活性炭和砂石过滤。
进一步地，在步骤(4)之前，重复步骤(2)～(3)1～3次，每次重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用。
纤维素的含量达到89.9％。
在步骤(1)中，接种载体清洗后，保证球体表面无多的残留培养基，而孔隙内的培养基又保存完整，易于后期发酵菌的着床。
在步骤(2)中所述的发酵，土豆葡萄糖液具体制备过程为200g土豆煮沸30min后进行过滤，滤液冷却后与20g葡萄糖混匀后得到的液体。
在步骤(3)所述的淋洗阶段，细水模拟降雨淋洗能有效的减少纤维素的流失，大大提高提取率。网箱中添加的接种球，一方面可以增加摩擦力将有机碎屑更快去除；另一方面可以弥补因淋洗而损失的活性发酵菌。进一步地，添加的接种球为30个。具体时间参考淋洗的洗出液情况，洗出液为澄清状即可。淋洗过程中材料的混匀，通过将网箱进行翻转实现。
本发明使用的发酵-淋洗方法提取烟草废弃物中的纤维素、半纤维素、木质素、可溶性物质，并且提取过程中没有使用有机溶剂；使用的方法简单，节能环保，采用白腐真菌处理烟草废弃物，提取纤维素，纤维素的提取纯度高，提取纤维素的周期时间短，成本低，提取率高，污染少。将被废弃的烟草材料作为原料，极大扩大了农作物烟草废弃物的利用范围，解决目前烟草废弃物带来的污染问题，该方法的市场前景广阔。与目前单纯的水醇法、氧化还原法，提取效率更高，产生的三废更少。
具体实施方式
以下所述的是本发明的优选实施方式，本发明所保护的不限于以下优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说在此发明创造构思的基础上，做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。
所述烟草废弃物是指废弃的烟草、烟梗、烟叶下脚料、卷烟下脚料或其他卷烟生产过程中的大量副产品等。也可以是烟草。
实施例1
步骤(1)接种载体的制备：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体(200g土豆煮沸30min后进行过滤，滤液冷却后与20g葡萄糖混匀后得到的)混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml，待用；30个接种球体(直径为5cm)置于盛有由土豆葡萄糖液体与琼脂(质量比为5:1)制备的琼脂培养基的高压灭菌锅(温度为100℃，压力为1.2Pa)中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水(温度为70℃)清洗，保证球体表面无多的残留培养基，而孔隙内的培养基又保存完整，清洗后将载体在1L白腐真菌发酵液中振荡培养，振荡培养的时间为7天，待用；
步骤(2)发酵：盛有5公斤烟草废弃物的网箱(网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm)置于已加入1.5L白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；发酵温度为20℃，发酵周期为7天，发酵pH为4；
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，降水速率在0.25～0.5毫米/小时之间，淋洗时间为16小时，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；流出的淋洗液通过采用活性炭和砂石过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗；
步骤(4)：重复步骤(2)～(3)1次，重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用；将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素；纤维素的含量达到76.5％。
实施例2
步骤(1)接种载体的制备：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体(200g土豆煮沸30min后进行过滤，滤液冷却后与20g葡萄糖混匀后得到的)混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml，待用；30个接种球体(直径为3cm)置于盛有由土豆葡萄糖液体与琼脂(质量比为5:1)制备的琼脂培养基的高压灭菌锅(温度为150℃，压力为1.5Pa)中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水(温度为50℃)清洗，保证球体表面无多的残留培养基，而孔隙内的培养基又保存完整，清洗后将载体在1L白腐真菌发酵液中振荡培养，振荡培养的时间为10天，待用；
步骤(2)发酵：盛有5公斤烟草废弃物的网箱(网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm)置于已加入1.5L白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；发酵温度为25℃，发酵周期为10天，发酵pH为6.5；
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，降水速率在1～2毫米/小时之间，淋洗时间为8小时，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；流出的淋洗液通过采用活性炭和砂石过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗；
步骤(4)：重复步骤(2)～(3)2次，每次重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用；将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素；纤维素的含量达到89.9％。
实施例3
步骤(1)接种载体的制备：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体(200g土豆煮沸30min后进行过滤，滤液冷却后与20g葡萄糖混匀后得到的)混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml，待用；30个接种球体(直径为1cm)置于盛有由土豆葡萄糖液体与琼脂(质量比为5:1)制备的琼脂培养基的高压灭菌锅(温度为120℃，压力为1.2Pa)中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水(温度为60℃)清洗，保证球体表面无多的残留培养基，而孔隙内的培养基又保存完整，清洗后将载体在1L白腐真菌发酵液中振荡培养，振荡培养的时间为5天，待用；
步骤(2)发酵：盛有5公斤烟草废弃物的网箱(网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm)置于已加入1.5L白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；发酵温度为30℃，发酵周期为7天，发酵pH为7，
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，降水速率在3～4毫米/小时之间，淋洗时间为6小时，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；流出的淋洗液通过采用活性炭和砂石过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗；
步骤(4)：重复步骤(2)～(3)3次，每次重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用；将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素；纤维素的含量达到85.0％。
实施例4
步骤(1)接种载体的制备：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体(200g土豆煮沸30min后进行过滤，滤液冷却后与20g葡萄糖混匀后得到的)混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml，待用；30个接种球体(直径为5cm)置于盛有由土豆葡萄糖液体与琼脂(质量比为5:1)制备的琼脂培养基的高压灭菌锅(温度为100℃，压力为1.2Pa)中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水(温度为70℃)清洗，保证球体表面无多的残留培养基，而孔隙内的培养基又保存完整，清洗后将载体在1L白腐真菌发酵液中振荡培养，振荡培养的时间为10天，待用；
步骤(2)发酵：盛有5公斤烟草废弃物的网箱(网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm)置于已加入1.5L白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；发酵温度为30℃，发酵周期为12天，发酵pH为6，
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，降水速率在2.5～3.5毫米/小时之间，淋洗时间为12小时，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；流出的淋洗液通过采用活性炭和砂石过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗；
步骤(4)：重复步骤(2)～(3)2次，每次重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用；将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素；纤维素的含量达到88.1％。

Claims (10)

1.一种从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤(1)接种载体的制备：固定化的载体置于盛有琼脂培养基的高压灭菌锅中灭菌，冷却后将载体表面的琼脂用热蒸馏水清洗，清洗后将载体在白腐真菌发酵液中振荡培养，待用；
步骤(2)发酵：盛有烟草废弃物的网箱置于已加入白腐真菌发酵液的发酵池中浸没发酵；
步骤(3)淋洗阶段：将步骤(2)所述的装有发酵剩余物的网箱从发酵池中取出，加入步骤(1)制备的接种载体，水流模拟降雨淋洗，直至清洗液为澄清状，边淋洗边将网箱翻转；
步骤(4)：将步骤(3)清洗完成后剩余的材料取出，烘干，得高纯度纤维素。
2.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，所述的白腐真菌发酵液的制备过程如下：以烟草废弃物为液体发酵基质，将白腐真菌进行液体深层发酵后离心后，取上层清液，加入土豆葡萄糖液体混匀后制备得白腐真菌的土豆葡萄糖液体；测得白腐真菌发酵液中白腐真菌的酶活为3.0IU/ml；
所述土豆葡萄糖液体具体制备过程为土豆煮沸后进行过滤，滤液冷却后与葡萄糖混匀的液体；
所述琼脂培养基是指由土豆葡萄糖液体与琼脂制备的琼脂培养基。
3.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，所述水流模拟降雨淋洗是指淋洗的降水速率在0.25～4.0毫米/小时之间。
4.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，步骤(1)所述的固定化的载体以聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭为原料滴入氯化钙和硼酸溶液中交联反应制备而成的球体。
5.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，步骤(2)发酵阶段的发酵温度为20～30℃，发酵周期为7～16天，发酵pH为4～7，步骤(2)中所述网箱的体积为1m3，孔径为0.5～1mm；所述步骤(2)中烟草废弃物放置在网箱中的量为5公斤，发酵池中白腐真菌发酵液约为1.5L。
6.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，步骤(3)所述淋洗阶段的淋洗时间为6～16小时。
7.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，在步骤(4)之前，重复步骤(2)～(3)1～3次，每次重复前，需要将接种载体取出，将接种载体重复步骤(1)接种后再次利用。
8.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，步骤(1)所述球体的直径为1～5cm；所述高压灭菌锅中温度为100～150℃，压力为1.2～1.5Pa；所述热蒸馏水的温度为50～70℃；所述振荡培养的时间为5～10天。
9.根据权利要求1所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，所述步骤(3)淋洗阶段流出的淋洗液通过过滤滤出滤渣后的水重复用于淋洗。
10.根据权利要求3所述的从烟草废弃物中提取纤维素的方法，其特征在于，所述水流模拟降雨淋洗是指淋洗的降水速率在1～2毫米/小时之间。
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