一种微生物共培养预处理玉米秸秆制备粘胶纤维的系统的制作方法
【专利摘要】一种微生物共培养预处理玉米秸秆制备粘胶纤维的系统，包含了以经过玉米秸秆穰叶和皮分离后的玉米秸秆皮为原料，通过特殊设备发酵实现生物质降解的瘤胃微生物和瘤胃微生物降解物或代谢产物利用微生物共培养，降解秸秆皮中半纤维素和不稳定纤素，通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸秆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在绝氧环境下进行连续的蒸煮脱除木质素及纤维素的染色或漂白，离心后纤维素浆粕在含一定水分情况下直接进行粘胶纤维的溶解纺丝，或在干燥情况下熔融纺丝制备粘胶纤维。生物预处理降低后续蒸煮脱木素的药剂使用，进而降低污染；绝氧蒸煮将极大降低浆液氧化变黑，进而降低污染；同时最大化保持了原有纤维的特性。
【专利说明】
一种微生物共培养预处理玉米秸秆制备粘胶纤维的系统
技术领域
[0001]本发明涉及生物质制备粘胶纤维方法，尤其是涉及利用微生物共培养预处理绝氧条件下连续制备玉米秸杆粘胶纤维的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，出现多种以玉米秸杆为原料，利用生物方法制备生物质生物质粘胶纤维的方法。有的直接利用化学制备浆柏制浆再制备粘胶纤维，但污染严重;有的选择酶制剂预处理生物质后制备粘胶纤维，但是酶制剂成本过高;有的选用稀酸预处理，同样污染严重；有的选择耗氧微生物预处理玉米秸杆，由于耗氧发酵产率较低;有的选用厌氧微生物发酵，但使用批次发酵设备，预处理周期长;有的虽经过厌氧处理，但不是连续制浆及纺丝，在开放环境下制备还需处理大量黑液。以玉米秸杆为原料，需要能耗低，时间短，效率高的生物预处理系统，连续制备出高品质的粘胶纤维并大幅度降低黑液污染。
【发明内容】
[0003]针对存在的上述问题，所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，包含了以玉米秸杆为底物，通过特殊设备发酵实现生物质降解瘤胃微生物和瘤胃微生物降解物或代谢产物利用微生物共培养预处理玉米秸杆，进而降低制浆和制备粘胶纤维污染，其特点，以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，使用瘤胃微生物同瘤胃微生物降解物或代谢产物利用菌厌氧共培养，降解秸杆皮中半纤维素和不稳定纤素，通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在绝氧环境下进行连续的蒸煮脱除木质素和纤维素的染色或漂白，离心后纤维素浆柏在含一定水分情况下直接进行粘胶纤维的溶解纺丝，或在干燥情况下熔融纺丝制备粘胶纤维。
[0004]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，玉米秸杆经过穰叶和皮分离机分离的玉米秸杆皮切成30mm?40mm的片，振动分离木质素含量较高的秸杆结后，粉碎成3?1mm颗粒，粘胶纤维的纤维长度需求在卜3mm，由于采用生物预处理，化学药剂使用较少，对纤维破坏较小，秸杆皮粉碎的优选尺寸为3?5mm，用不含氧气水浸泡秸杆祛除细胞内氧气，供后续微生物发酵，作为底物使用，去除氧剂氧气有多种方法，用加氢祛氧水效果最优，因主要是良好的还原条件，保证瘤胃真菌的存活。
[0005]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，共培养微生物实现了瘤胃微生物最大降解效能，超出单一瘤胃真菌或细菌培养降解秸杆效果，共培养微生物属于共生关系，与瘤胃微生物共培养的微生物的或是代谢产物抑制对方有害菌产生，或是利用瘤胃微生物代谢产物促进瘤胃微生物生长，保持系统稳定；可以有多种方式，选取与反刍动物牛瘤胃分离出的瘤胃真菌共培养瘤胃细菌，优选:产琥珀酸拟杆菌，拉丁名称:Fibrobacter succinogenes；选取与反当动物瘤胃真菌产共培养酵母菌菌，优选:热带假丝酵母CICC 1426拉丁名称:Candida tropicalis;选取与反当动物瘤胃真菌共培养产丁醇菌，优选:丙酮丁醇梭菌CICC 8012，拉丁名称:Clostridium acetobutylicum;选取与反刍动物瘤胃真菌共培养产乳酸菌，优选:乳酸片球菌CICC 10146，拉丁名称:Ped1coccus acidilactic;选取反刍动物瘤胃真菌和产丁酸醇菌共培养，丁酸梭菌优选:CICC 20036拉丁名称:Clostridium butyricum;降解玉米稻杆皮中不稳定纤维素和半纤维素，生成部分单体和高结晶木质纤维素，瘤胃真菌为可以从多种反刍动物瘤胃内分离出，可分离的品种已经公知，优选牛的瘤胃真菌Neocal limastix frontal is单中心菌体，多鞭毛游动孢子，丰富的丝壮假根，牛的瘤胃体积较大，其瘤胃真菌正适合较大体积设备发酵，共培养菌种菌在中国工业微生物菌种保藏中心购买的，预处理除了降解秸杆皮中不稳定的生物质，还可以制备部分发酵产物，提高了效益，发酵产物抵消生物预处理成本，部分有机酸发酵还可以用于碱液的中和。
[0006]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统并经过原位膜分离装置分离，不产生拮抗作用，发酵时间为12?48小时，完成玉米秸杆皮的预处理，优选时间30小时，共培养微生物只有在连续的产物培养和产物分离装置中才能达到最佳的降解效果，否者微生物酶活会有一个数量级的降低。
[0007]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的助剂同样为祛除氧气溶液。
[0008]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体，纤维素进入下一道封闭无氧的除砂工段，随后进入打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在绝氧环境下通过陶瓷膜浓缩，由于没有氧气与药剂脱除下的木质素反应，液体颜色较浅。
[0009]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维保持原色情况下进入下一道工序染色工段或不染色，采用原色制备粘胶纤维或原色基础上直接染色将减少漂白工艺，进而降低环境污染;分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维在绝氧情况下漂白，以满足其他需要。
[0010]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，原色染色的玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有10%?30%水分，优选20%情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝，不用完全干燥，节约能源，同时绝氧连续纺丝，纤维原有性能得到保护。
[0011]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，包含了以玉米秸杆为底物，通过特殊设备发酵实现生物质降解微生物和瘤胃微生物降解物或代谢产物利用微生物共培养预处理玉米秸杆，其特点，漂白玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有10%?30%水分情况下，优选20%进入溶解浆工序直接溶解纺丝制备粘胶纤维，由于溶剂纺丝还需要使用碱液，不完全干燥浆柏自己纺丝，降低用于干燥的能源，纤维原有性能得到保护。
[0012]所述的，一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，其特点，原色染色或漂白的浆柏离心烘干后直接进行熔融纺丝制备粘胶纤维。
[0013]与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是:
1.瘤胃微生物共培养高效低成本降解玉米秸杆中的半纤维素和不稳定纤维素，降低后续蒸煮脱木素的药剂使用，进而降低污染；
2.在厌氧条件下降解秸杆，同时保证了绝氧条件，为后续绝氧连续蒸煮创造了条件，绝氧蒸煮将极大降低浆液氧化变黑，全过程绝氧，连续封闭运行，避免氧化变黑，再漂白工艺，从机理上减少黑夜产生，进而降低污染；
3.蒸煮条件的降低，同时最大化保持了纤维原有的特性；
4.瘤胃微生物对秸杆纤维不稳定成分的降解将刻蚀纤维，使纤维吸潮率提高，进而能够制备高性能的粘胶纤维；
5.采用了纤维的原色染色工艺，直接纤维原色染色，免除了漂白工艺，降低了对环境的影响。
【附图说明】
[0014]下面结合附图对本发明作进一步说明:
图1 一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统简图。
【具体实施方式】
[0015]为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
[0016]实施例1
以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，选取从反刍动物牛瘤胃分离出的瘤胃瘤胃真菌 Neocal limastix frontal is和瘤胃细菌 Fibrobac ter succinogenes 共培养，降解秸杆皮中半纤维素和不稳定纤素;将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统膜分离装置分离，不产生拮抗作用，发酵时间为48小时，完成玉米秸杆皮的预处理，降解玉米秸杆皮中不稳定纤维素和半纤维素，生成部分单体和高结晶木质纤维素;通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素;在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的药剂剂同样为祛除氧气溶液，在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体;纤维素进入下一道封闭无氧的除砂工段，随后进入打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在绝氧环境下99°C通过陶瓷膜浓缩，浓缩液用于后续工业利用，COD值100，减少玉米秸杆传统制浆污染;在绝氧环境下进行连续的蒸煮脱除木质素;分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维保持原色情况下进入下一道工序工段，纤维素含量393%;原色的玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有10%水分情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝，干断裂强度3 2.5cN/dtex，干断裂伸长率316%.湿断裂强度兰1.50~肚61，回潮率达到15%以上。
[0017]实施例2
以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，使用瘤胃微生物同瘤胃微生物降解物或代谢产物利用菌厌氧共培养，降解秸杆皮中半纤维素和不稳定纤素;选取反刍动物瘤胃真菌Neocal limastiX frontal is和产乙醇菌Candida tropical is共培养;降解玉米秸杆皮中不稳定纤维素和半纤维素;将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统膜分离装置分离，不产生拮抗作用，发酵时间为36小时，完成玉米秸杆皮的预处理;通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的助剂同样为祛除氧气溶液，在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体，纤维素进入下一道封闭无氧的除砂工段，随后进入打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在绝氧环境下，100°C通过陶瓷膜浓缩，浓缩液用于后续工业利用;连续的蒸煮脱除木质素和纤维素的染色均是在绝氧环境下进行的;COD值120，减少玉米秸杆传统制浆污染，纤维素含量393%;分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维保持原色情况下进入下一道工序染色工段;原色染色的玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有20%水分情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝制备粘胶纤维，干断裂强度兰2.6cN/dtex，干断裂伸长率316.5%.湿断裂强度兰1.5cN/dtex，回潮率达至Ij 16%以上。
[0018]实施例3
以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，选取反刍动物瘤胃真菌Neocallimastix frontal is和产乳酸细菌 Ped1coccus acidi lactic共培养；降解玉米稻杆皮中不稳定纤维素和半纤维素，生成部分单体和高结晶木质纤维素;将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统膜分离装置分离，不产生拮抗作用，发酵时间为12小时，完成玉米秸杆皮的预处理。通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的助剂同样为祛除氧气溶液，在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体，纤维素进入下一道封闭无氧的除砂工段，随后进入打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在绝氧环境下通过IlOtC陶瓷膜浓缩，浓缩液用于后续工业利用，COD值160，减少玉米秸杆传统制浆污染，纤维素含量395%;连续的蒸煮脱除木质素和纤维素的漂白均是在绝氧环境下进行的，离心后纤维素浆柏在含有25%水分情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝，干断裂强度3 2.7cN/dtex，干断裂伸长率3 17%.湿断裂强度3 1.6cN/dtex，回潮率达到18%。
[0019]实施例4
以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，选取反刍动物瘤胃真菌Neocallimastix frontal is和产丁醇菌Clostridium acetobutylicum 共培养；降解玉米稻杆皮中不稳定纤维素和半纤维素，生成部分单体和高结晶木质纤维素;将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统膜分离装置分离，不产生拮抗作用，发酵时间为40小时，完成玉米秸杆皮的预处理。通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的助剂同样为祛除氧气溶液，在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体，纤维素进入下一道封闭无氧的除砂工段，随后进入打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在绝氧环境下120°C通过陶瓷膜浓缩，浓缩液用于后续工业利用;COD值200，减少玉米秸杆传统制浆污染，纤维素含量393.5%;连续的蒸煮脱除木质素和纤维素的漂白均是在绝氧环境下进行的，在干燥情况下熔融纺丝制备粘胶纤维，干断裂强度3 2.65cN/dtex， 干断裂伸长率兰17%.湿断裂强度兰1.70~肚61，回潮率16%以上。
【主权项】
1.一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统，包含了以玉米秸杆为底物，通过特殊设备发酵实现生物质降解瘤胃微生物和瘤胃微生物降解物或代谢产物利用微生物共培养预处理玉米秸杆，进而实现制浆和制备粘胶纤维，其特征在于:以进行玉米秸杆穰叶和皮分离后的玉米秸杆皮为原料，使用瘤胃微生物同瘤胃微生物降解物或代谢产物利用菌厌氧共培养，降解秸杆皮中半纤维素和不稳定纤素，通过调控可以原位分离发酵产物，实现玉米秸杆皮生物预处理，剩余的高结晶木质纤维素，在绝氧环境下进行连续的蒸煮脱除木质素及纤维素的染色或漂白，离心后纤维素浆柏在含一定水分情况下直接进行粘胶纤维的溶解纺丝，或在干燥情况下熔融纺丝制备粘胶纤维。2.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:玉米秸杆经过穰叶和皮分离机分离的玉米秸杆皮切成30mm?40mm的片，振动分离木质素含量较高的秸杆结后，粉碎成3~10毫米颗粒，用不含氧气水浸泡秸杆祛除细胞内氧气，供后续微生物发酵，作为底物使用。3.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:共培养微生物可以有多种方式，选取从反刍动物牛瘤胃分离出的瘤胃真菌和瘤胃细菌共培养;选取反刍动物瘤胃真菌和产乙醇菌共培养;选取反刍动物瘤胃真菌和产丁醇菌共培养;选取反刍动物瘤胃真菌和产乳酸细菌共培养;选取反刍动物瘤胃真菌和产丁酸醇菌共培养;降解玉米秸杆皮中不稳定纤维素和半纤维素，生成部分单体和高结晶木质纤维素。4.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:将驯化后的共培养微生物和祛除氧气的秸杆皮在一种厌氧连续培养系统中进行发酵，发酵产物通过连续培养系统并经过原位膜分离装置分离，不产生拮抗作用，实现共生，发酵时间为12?48小时，完成玉米秸杆皮的预处理。5.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:在厌氧发酵后的木质纤维素，在全封闭环境无氧条件下进入绝氧的连续蒸煮系统，蒸煮脱木质素使用的药剂同样为祛除氧气溶液，药剂使用较传统硫酸盐蒸煮法减少10%?30%。6.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:在全密封条件下分离纤维素和连续蒸煮残液体，α纤维素含量91%?99.3%，纤维素进入下一道封闭绝氧的除砂工段，随后进入全封闭绝氧打浆设备，通过打浆控制纤维素聚合度，蒸煮残液体在90°0120°(:，绝氧环境下通过陶瓷膜浓缩。7.根据权利要求1所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维，保持原色情况下进入下一道工序染色工段或不染色;分离出的部分玉米秸杆纤维素纤维在绝氧情况下漂白。8.根据权利要求1、7所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:原色染色的玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有10%?30%水分情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝。9.根据权利要求1、7所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:漂白玉米秸杆纤维浆柏在绝氧情况下离心，在含有10%?30%水分情况下进入溶解浆工序直接溶解纺丝制备粘胶纤维。10.根据权利要求1、7所述一种微生物共培养预处理玉米秸杆制备粘胶纤维的系统其特征在于:原色染色或漂白的浆柏离心烘干后直接进行熔融纺丝制备粘胶纤维。
【文档编号】D01D5/08GK106087089SQ201610684324
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月18日 公开号201610684324.0, CN 106087089 A, CN 106087089A, CN 201610684324, CN-A-106087089, CN106087089 A, CN106087089A, CN201610684324, CN201610684324.0
【发明人】侯哲生, 郑勇, 王文刚, 佟金, 石敏, 马云海, 连建伟, 王九刚, 刘发现, 梁嗣超, 张金翠, 王德林, 陈 胜, 任露泉, 殷敬华
【申请人】吉林中之林农业科技有限公司