本發明涉及組分分離及土壤治理技術領域,特別涉及一種沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法。
背景技術:
沙柳屬灌木或小喬木,為沙漠植物;沙柳生長迅速,枝葉茂密,根系繁大,枝條叢生不怕沙壓,是固沙保土的主力樹種,主要分布在我國的內蒙古、河北、山西、陜西、甘肅、青海、四川等地。沙柳這種沙生灌木能像割韭菜一樣,具有“平茬復壯”的生物習性,三年成材,越砍越旺,這是沙柳的本性。這種本性決定了沙柳的巨大利用價值和環保價值。
沙柳作為中國沙荒地區造林面積最大的樹種,目前的利用局限于紙板、造紙、薪炭。
沙柳生物組分眾多。據檢測,沙柳含有的生物組分(質量分數)包括纖維素50.1%、半纖維素18.2%、木質素22.3%以及色素(如黃酮)、淀粉、蛋白、無機質等;而且沙柳屬于針葉木,其纖維特性非常優良。
黃酮是一大類天然色素家族,其最本質的生理功能為抗氧化作用。黃酮類化合物作為功能性成份的作用越來越重要,其對人類的主要作用有:抗腫瘤、抗過敏、抗病毒、增強免疫力、改善心腦血管、調節內分泌、延緩衰老等。黃酮中最為人知的是大豆異黃酮。沙柳是制備黃酮的優良原材料。
沙柳單一組分的分離、煉制、利用是沒有價值或者價值比較低的,只有堅持“多層級分離、多層次利用”的理念,才能真正發揮沙柳這一生物資源的價值所在。
另外,沙柳本身可以防風、固沙、保土,卻不能從根本上治理沙漠。
技術實現要素:
為了彌補現有技術的不足,本發明提供了一種可有效提取沙柳中黃酮類物質以及木質素、半纖維素、纖維素并獲得生物有機肥以及土壤營養液的沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法。
本發明的技術方案為:
一種沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法,包括步驟:
A黃酮的提取與精煉
A1)沙柳粉碎后置于汽爆罐中,向所述汽爆罐中通入惰性氣體將罐內空氣排凈后封口;繼續通入惰性氣體至罐內壓力至1-5 MPa,保壓20-120分鐘后噴放,得沙柳汽爆粉末;
A2)將所述沙柳汽爆粉末置于汽爆罐中,并加入沙柳汽爆粉末1-25倍體積的乙醇,通入惰性氣體,排凈罐內空氣后封口;繼續間歇性地向罐內通入惰性氣體,以維持罐內壓力為1-5 MPa,16-20℃下保壓20-180分鐘后噴放;
A3)將步驟A2)噴放后的漿狀物移至研磨磨中磨漿;
A4)固液分離,得濾渣一和濾液一;采用乙醇洗滌濾渣一,洗滌后的乙醇液與濾液一合并,得合并液一;
A5)脫除合并液一中的固相顆粒,脫除固相顆粒后的合并液依次經過超濾、反滲透膜分離去除分子量大于1000道爾頓以及小于300道爾頓的雜質成分,得到黃酮澄清液;
A6)蒸發除去所述黃酮澄清液中的溶媒乙醇,剩余物經干燥,得黃酮成品。
B半纖維素的提取與精煉
B1)將濾渣一置于蒸煮鍋內,加入1-20倍濾渣一質量的水,加入堿至堿液濃度為1%-10%,通入水蒸汽,待溫度升至60-100℃時停止通水蒸汽;通入惰性氣體,將蒸煮鍋內空氣排凈后封口;然后間歇性地通入惰性氣體和水蒸汽,以維持蒸煮鍋內溫度為70-100℃、壓力為0.5-1.5 MPa,保溫保壓10-120分鐘;
B2)將步驟B1)保溫保壓后所得混合物轉移至研磨磨中磨漿;
B3)固液分離得濾渣二和濾液二;
B4)向濾液二中加入濾液二1-10倍體積的乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀完全,過濾得濾渣三和濾液三;
B5)濾渣三采用稀堿液溶解后,加入乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀析出完全,過濾得濾渣四和濾液四;
B6)濾渣四干燥、粉碎,即得半纖維素成品。
C木質素的提取與精煉
C1)將濾渣二置于蒸煮鍋中,加入濾渣二質量1-20倍的水,向蒸煮鍋內通入惰性氣體,將濾渣攪勻后,加入加入復合蛋白酶,酶解10-80分鐘;隨后加入常溫型α-淀粉酶,酶解10-80分鐘;然后通入蒸汽升溫至60-70℃,保溫2-20分鐘,滅活酶的活性;所述復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成;所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌B5184分泌所得α-淀粉酶,所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃;
C2)滅酶后,向汽爆罐中加入乙醇至乙醇的質量分數為30%-80%,然后間歇性向汽爆罐內通入水蒸汽以及惰性氣體,以維持汽爆罐內溫度為80-120℃、壓力為0.5-2MPa,保溫保壓60-200分鐘后噴放;
C3)步驟C2)所得噴放漿狀物固液分離,得濾渣五和濾液五,采用體積分數40%-90%的乙醇洗滌濾渣五,乙醇洗液與濾液七合并,得合并液二;
C4)蒸除合并液二中的乙醇和水,剩余固形物經干燥、粉碎,得木質素成品。
D 纖維素的提取與精煉
D1)步驟C3)所得濾渣五用梯度濃度的堿液洗滌,以清除附在其表面的木質素、半纖維素,分離洗滌液與固渣,得濾渣六與濾液六;
D2)將濾渣六置于漂白罐,加入濾渣八1-10倍的水,然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為0.1%-0.5%,于50-80℃下保溫10-120分鐘;
D3)繼續加入雙氧水,至雙氧水的質量分數為2%-5%,進行漂白處理;
D4)用水洗滌漂白后的濾渣,分離洗液與濾渣,得濾渣七和濾液七;
D5)濾渣七經干燥、粉碎,得纖維素成品。
E生物有機肥和土壤營養液的制備
E1)合并上述工藝中的廢渣和廢液,并將合并后的廢渣和廢液移入發酵池,向發酵池內泵入預先活化培育的分泌常溫型α-淀粉酶的地衣芽孢桿菌B5184以及分泌纖維素酶的木霉菌液;不斷通入空氣、充分混合,25-35℃下發酵12-48小時;
E2)發酵完畢,固液分離,得濾渣八和濾液八;
E3)濾渣八繼續脫去水分后的濾餅移入發酵槽,每天將濾餅翻斗1-6遍,自然發酵10-60天,即得生物有機肥;
E4)調節濾液八的pH至6-8,即得土壤營養液。
作為優選方案,步驟A1)中沙柳粉碎過程隔絕空氣。黃酮易被氧化,隔絕空氣處理,可以保證黃酮的完整性。
作為優選方案,步驟C1)中,所述微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌B5184的獲取步驟具體為:將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器,設置微波功率為850-950W,脈沖頻率為2300MHz,微波處理20s,冷卻20s,依此往復25-35次;將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上,30℃條件下培養1-2天,由存活下來的菌落中篩選常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株,即得地衣芽孢桿菌B5184。
進一步的,地衣芽孢桿菌B5184擴大培養,從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。
進一步的,所述復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1:1-3;所述復合蛋白酶的加入量滿足每千克干基濾渣二400-800U;所述常溫型α-淀粉酶的加入量滿足每千克干基濾渣二300-700U。
作為優選方案,步驟D1)中所述梯度濃度的堿液的質量濃度梯次為10%、6%、3%和1%;所述堿液為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氫氧化鈣溶液或氨水中的一種。
作為優選方案,步驟E1)中,地衣芽孢桿菌B5184的初始密度為500-5000個細胞/升,木霉菌的初始密度為300-3000個細胞/升。
所述沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法所得生物有機肥和土壤營養液在沙漠土壤治理中的應用。
所述沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法所得生物有機肥和土壤營養液治理沙漠土壤的方法,包括步驟:
1)以50-300kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以50-70厘米的深度深翻;
2)深翻后1-5天內,用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;
3)沙層干后,再以50-300kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以20-40厘米的深度翻耕;隨后用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;
4)之后每月以30-200kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,并輪番以50-70厘米的深度以及20-40厘米的深度翻耕;翻耕后每隔3-30天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;
5)按照步驟4)實施1-5年,沙漠土壤即得到徹底治理。
作為優選方案,步驟4)實施0.5-1.5年內,翻耕后每隔3-7天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;步驟4)實施1.5-5年之間,翻耕后每隔10-30天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
本發明的有益效果為:
本發明由沙柳同時制備黃酮、半纖維素、木質素、纖維素等,而且通過低溫高壓、多次汽爆、生物酶解、有機溶媒等措施精煉出了高純度、高完整性、高質量的上述沙柳組分。工藝中產生的廢渣、廢水分別制備成了生物有機肥和土壤營養液,用于治理沙漠土壤,收到了很好的效果。
本發明在實施時,可以新建,也可以充分利用現有眾多的已經或頻臨倒閉的造紙制漿企業(尤其是制化學漿的企業),在其車間、設備、設施等基礎上稍加改造即可進行生產;投入小、周期短、易推廣。
具體實施方式
實施例1
一種沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法,包括步驟:
A黃酮的提取與精煉
A1)沙柳枝莖葉經除雜、揉絲、切段后干燥,干燥時采用熱風干燥,熱風倉內充滿氮氣;經過以上預處理的沙柳粉碎至40目(沙柳粉碎過程隔絕空氣)后置于汽爆罐中(沙柳粉末的加入量達到罐體體積的20%),向汽爆罐中通入氮氣將罐內空氣排凈后封口;繼續通入氮氣至罐內壓力至1.5 MPa,保壓80分鐘后噴放,得沙柳汽爆粉末;所得沙柳汽爆粉末裝入充滿氮氣的密封袋備用。
步驟A1)利用高壓氮氣在噴放過程中產生的由內而外的沖擊力沖破沙柳細胞壁,使沙柳細胞內容物全部“破壁而出”,利于下一步的組分分離及精煉;因為本發明需要制備黃酮類等產物,而黃酮成份只存在于細胞內,因而必須破壁。
A2)將沙柳汽爆粉末置于汽爆罐中,并加入沙柳汽爆粉末12倍體積的95%的乙醇,通入氮氣,排凈罐內空氣后封口;繼續間歇性地向罐內通入氮氣,以維持罐內壓力為2MPa,16-20℃下保壓70分鐘后噴放。
步驟A2)在汽爆分離過程中采用較低溫度以及氮氣環境,目的在于避免黃酮、纖維素等組分分子的分解、脫水、氧化、剝皮等反應,同時較低溫度下沙柳粉末中其它組分(蛋白質、木質素等)溶入乙醇的比例很低;采用高壓(通過空壓機通入氮氣實現)保證了黃酮與溶媒的充分接觸與溶出。
罐內的溫度由氮氣的溫度來控制。氮氣的儲存罐外設有夾層,內有低溫空氣,因而儲存罐內的氮氣溫度介于16-18℃。
A3)將步驟A2)噴放后的漿狀物移至膠體磨中磨漿25分鐘。用機械法繼續破解大分子之間的部分化學鍵,進一步增加了黃酮與溶媒的充分接觸與溶出。
A4)固液分離,得濾渣一和濾液一;采用95%的乙醇洗滌濾渣一2遍,洗滌后的乙醇液與濾液一合并,得合并液一。之所以洗滌后合并,是為了洗掉濾渣表面的黃酮,以增加黃酮得率。
濾液一即為溶出的黃酮、脂肪等,而濾渣一即為含有纖維素、木質素等組分的漿料。
A5)脫除合并液一中的固相顆粒,脫除固相顆粒后的合并液依次經過超濾、反滲透膜分離去除分子量大于1000道爾頓以及小于300道爾頓的雜質成分,得到黃酮澄清液。
A6)蒸發除去黃酮澄清液中的溶媒乙醇,剩余物經冷凍干燥,得黃酮成品。經檢測,所得黃酮的質量為沙柳干基質量的3.2%。
B半纖維素的提取與精煉
B1)將濾渣一置于蒸煮鍋內,加入10倍濾渣一質量的水,加入氫氧化鉀至堿液濃度為5%,通入水蒸汽,待溫度升至90℃時停止通水蒸汽;通入氮氣,將蒸煮鍋內空氣排凈后封口;然后間歇性地通入氮氣和水蒸汽,以維持蒸煮鍋內溫度為95℃、壓力為0.7MPa,保溫保壓100分鐘。
步驟B1)用稀氫氧化鉀溶液提取出半纖維素以及脫除灰分中的大部分硅質等無機鹽;采用較低蒸煮溫度(95℃)、較高鍋內壓力(0.7MPa)以及氮氣環境,目的在于保證半纖維素、纖維素、木質素等組分避免高溫、有氧條件下的分解、氧化、剝皮、酯化等反應,對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。
B2)將步驟B1)保溫保壓后所得混合物轉移至膠體磨中磨漿15分鐘。用機械法繼續破解大分子之間的部分化學鍵。
B3)固液分離得濾渣二和濾液二。濾渣二即為含有纖維素、木質素等成份的漿料,而濾液二則為半纖維素粗液。
B4)向濾液二中加入濾液二5倍體積的95%的乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀完全,過濾得濾渣三和濾液三。
濾渣三主要為半纖維素粗品,濾液三主要為乙醇和濾液二中的水相,濾液三中的乙醇全部回收使用。
B5)濾渣三采用稀氫氧化鉀溶液溶解后,加入95%的乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀析出完全,過濾得濾渣四和濾液四。該步驟為半纖維素的純化過程,醇沉法純化。
B6)濾渣四干燥、粉碎,即得半纖維素成品。經檢測,所得半纖維素成品的質量為沙柳干基質量的18.7%,純度為96.1%。
C木質素的提取與精煉
C1)將濾渣二置于蒸煮鍋中,加入濾渣二質量10倍的水,向蒸煮鍋內通入氮氣,將濾渣攪勻后,加入加入復合蛋白酶(500U/Kg干基濾渣二),酶解40分鐘;隨后加入常溫型α-淀粉酶(400U/Kg干基濾渣二),酶解30分鐘;然后通入蒸汽升溫至60℃,保溫10分鐘,滅活酶的活性。
其中,復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成,復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 1;該復合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質。
常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌B5184分泌所得α-淀粉酶;微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為:將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器,設置微波功率為900W,脈沖頻率為2300MHz,微波處理20s,冷卻20s,依此往復30次;將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上,30℃條件下培養1-2天,由存活下來的菌落中篩選常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株,即,地衣芽孢桿菌B5184。地衣芽孢桿菌B5184擴大培養,從而獲得常溫型α-淀粉酶;常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉,不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫(80-90℃)條件,因而減少了能耗也降低了對設備的要求,同時極大減少了副反應的發生。
此處用酶法可以柔和地將蛋白質、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進入濾液中,從而成功脫除蛋白質和淀粉;以保證木質素的純度。
C2)滅酶后,向汽爆罐中加入乙醇至乙醇的質量分數為60%,然后間歇性向汽爆罐內通入水蒸汽以及氮氣,以維持汽爆罐內溫度為110℃、壓力為1.5MPa,保溫保壓100分鐘后噴放。含乙醇的熱蒸汽全部由罩口進入乙醇回收系統。
C3)步驟C2)所得噴放漿狀物臥螺離心分離,得濾渣五和濾液五,采用體積分數60%的乙醇洗滌濾渣五,乙醇洗液與濾液七合并,得合并液二。
濾渣五即為含有纖維素的漿料,濾液五即為醇溶的木質素。
C4)蒸除合并液二中的乙醇和水,剩余固形物經干燥、粉碎,得木質素成品。經檢測,所得木質素的質量為沙柳干基質量的21.5%,純度為96.7%。
D 纖維素的提取與精煉
D1)步驟C3)所得濾渣五用梯度濃度的氫氧化鉀溶液(梯度濃度的氫氧化鉀的質量濃度梯次為10%、6%、3%和1%)洗滌,以清除附在其表面的木質素、半纖維素,分離洗滌液與固渣,得濾渣六與濾液六。
D2)將濾渣六置于漂白罐,加入濾渣八6倍的水,然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為0.3%,于60℃下保溫80分鐘。
該步驟并不主要為了漂白,而是用雙氧水在弱堿性條件下溶解殘存在溶解漿表面的半纖維素和木質素。
D3)繼續加入雙氧水,至雙氧水的質量分數為3%,進行漂白處理;
D4)用水洗滌漂白后的濾渣,分離洗液與濾渣,得濾渣七和濾液七;
D5)濾渣七經干燥、粉碎,得纖維素成品。經檢測,所得纖維素成品的質量為沙柳干基質量的47.8%,純度為96.9%。
E生物有機肥和土壤營養液的制備
E1)合并上述工藝中的廢渣和廢液,并將合并后的廢渣和廢液移入發酵池,向發酵池內泵入預先活化培育的分泌常溫型α-淀粉酶的地衣芽孢桿菌B5184(地衣芽孢桿菌B5184的初始密度為2000個細胞/升)以及分泌纖維素酶的木霉菌液(木霉菌的初始密度為1000個細胞/升);不斷通入空氣、充分混合,30℃下發酵24小時。
其中上述工藝的廢渣中含有蛋白、淀粉、纖維素、半纖維素、木質素及礦物質等,廢液含有蛋白、淀粉、微小纖維成份、低聚糖、有機酸、無機鹽等。
采用菌液分泌的淀粉酶、纖維素酶分解并轉化廢渣中的淀粉、糖原、纖維素等大分子轉變成小分子。
E2)發酵完畢,固液分離,得濾渣八和濾液八。
E3)濾渣八通過壓濾或擠漿繼續脫去水分后的濾餅移入發酵槽,每天將濾餅翻斗2遍,自然發酵30天,即得生物有機肥。
E4)調節濾液八的pH至6.8,即得土壤營養液。
實施例2
一種沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法,包括步驟:
A黃酮的提取與精煉
A1)沙柳枝莖葉經除雜、揉絲、切段后干燥,干燥時采用熱風干燥,熱風倉內充滿氮氣;經過以上預處理的沙柳粉碎至50目(沙柳粉碎過程隔絕空氣)后置于汽爆罐中(沙柳粉末的加入量達到罐體體積的25%),向汽爆罐中通入氮氣將罐內空氣排凈后封口;繼續通入氮氣至罐內壓力至2 MPa,保壓90分鐘后噴放,得沙柳汽爆粉末;所得沙柳汽爆粉末裝入充滿氮氣的密封袋備用。
步驟A1)利用高壓氮氣在噴放過程中產生的由內而外的沖擊力沖破沙柳細胞壁,使沙柳細胞內容物全部“破壁而出”,利于下一步的組分分離及精煉;因為本發明需要制備黃酮類等產物,而黃酮成份只存在于細胞內,因而必須破壁。
A2)將沙柳汽爆粉末置于汽爆罐中,并加入沙柳汽爆粉末15倍體積的95%的乙醇,通入氮氣,排凈罐內空氣后封口;繼續間歇性地向罐內通入氮氣,以維持罐內壓力為2.5 MPa,16-20℃下保壓80分鐘后噴放。
步驟A2)在汽爆分離過程中采用較低溫度以及氮氣環境,目的在于避免黃酮、纖維素等組分分子的分解、脫水、氧化、剝皮等反應,同時較低溫度下沙柳粉末中其它組分(蛋白質、木質素等)溶入乙醇的比例很低;采用高壓(通過空壓機通入氮氣實現)保證了黃酮與溶媒的充分接觸與溶出。
罐內的溫度由氮氣的溫度來控制。氮氣的儲存罐外設有夾層,內有低溫空氣,因而儲存罐內的氮氣溫度介于16-18℃。
A3)將步驟A2)噴放后的漿狀物移至中濃磨中磨漿30分鐘。用機械法繼續破解大分子之間的部分化學鍵,進一步增加了黃酮與溶媒的充分接觸與溶出。
A4)固液分離,得濾渣一和濾液一;采用95%的乙醇洗滌濾渣一,洗滌后的乙醇液與濾液一合并,得合并液一。之所以洗滌后合并,是為了洗掉濾渣表面的黃酮,以增加黃酮得率。
濾液一即為溶出的黃酮、脂肪等,而濾渣一即為含有纖維素、木質素等組分的漿料。
A5)脫除合并液一中的固相顆粒,脫除固相顆粒后的合并液依次經過超濾、反滲透膜分離去除分子量大于1000道爾頓以及小于300道爾頓的雜質成分,得到黃酮澄清液。
A6)蒸發除去黃酮澄清液中的溶媒乙醇,剩余物經干燥,得黃酮成品。經檢測,所得黃酮的質量為干基沙柳的3.05%。
B半纖維素的提取與精煉
B1)將濾渣一置于蒸煮鍋內,加入8倍濾渣一質量的水,加入氨水至堿液濃度為6%,通入水蒸汽,待溫度升至95℃時停止通水蒸汽;通入氮氣,將蒸煮鍋內空氣排凈后封口;然后間歇性地通入氮氣和水蒸汽,以維持蒸煮鍋內溫度為100℃、壓力為0.8 MPa,保溫保壓110分鐘。
步驟B1)用稀氨水提取出半纖維素以及脫除灰分中的大部分硅質等無機鹽;采用較低蒸煮溫度(100℃)、較高鍋內壓力(0.8MPa)以及氮氣環境,目的在于保證半纖維素、纖維素、木質素等組分避免高溫、有氧條件下的分解、氧化、剝皮、酯化等反應,對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。
B2)將步驟B1)保溫保壓后所得混合物轉移中濃磨中磨漿20分鐘。用機械法繼續破解大分子之間的部分化學鍵。
B3)固液分離得濾渣二和濾液二。濾渣二即為含有纖維素、木質素等成份的漿料,而濾液二則為半纖維素粗液。
B4)向濾液二中加入濾液二4倍體積的95%的乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀完全,過濾得濾渣三和濾液三。
濾渣三主要為半纖維素粗品,濾液三主要為乙醇和濾液二中的水相,濾液三中的乙醇全部回收使用。
B5)濾渣三采用稀氨水溶解后,加入95%的乙醇,攪拌均勻后,靜置至沉淀析出完全,過濾得濾渣四和濾液四。該步驟為半纖維素的純化過程,醇沉法純化。
B6)濾渣四干燥、粉碎,即得半纖維素成品。經檢測,所得半纖維素成品的質量為沙柳干基質量的18.3%,純度為96.3%。
C木質素的提取與精煉
C1)將濾渣二置于蒸煮鍋中,加入濾渣二質量1-20倍的水,向蒸煮鍋內通入氮氣,將濾渣攪勻后,加入加入復合蛋白酶(5500U/Kg干基濾渣二),酶解35分鐘;隨后加入常溫型α-淀粉酶(450U/Kg干基濾渣二),酶解25分鐘;然后通入蒸汽升溫至65℃,保溫12分鐘,滅活酶的活性。
其中,復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成,復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 2;該復合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質。
常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌B5184分泌所得α-淀粉酶;微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為:將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器,設置微波功率為900W,脈沖頻率為2300MHz,微波處理20s,冷卻20s,依此往復30次;將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上,30℃條件下培養1-2天,由存活下來的菌落中篩選常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株,即,地衣芽孢桿菌B5184。地衣芽孢桿菌B5184擴大培養,從而獲得常溫型α-淀粉酶;常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉,不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫(80-90℃)條件,因而減少了能耗也降低了對設備的要求,同時極大減少了副反應的發生。
此處用酶法可以柔和地將蛋白質、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進入濾液中,從而成功脫除蛋白質和淀粉;以保證木質素的純度。
C2)滅酶后,向汽爆罐中加入乙醇至乙醇的質量分數為55%,然后間歇性向汽爆罐內通入水蒸汽以及氮氣,以維持汽爆罐內溫度為105℃,壓力為1.7MPa,保溫保壓90分鐘后噴放。含乙醇的熱蒸汽全部由罩口進入乙醇回收系統。
C3)步驟C2)所得噴放漿狀物固液分離,得濾渣五和濾液五,采用體積分數55%的乙醇洗滌濾渣五,乙醇洗液與濾液七合并,得合并液二。
濾渣五即為含有纖維素的漿料,濾液五即為醇溶的木質素。
C4)蒸除合并液二中的乙醇和水,剩余固形物經干燥、粉碎,得木質素成品。經檢測,所得木質素成品的質量為沙柳干基質量的22.1%,純度為96.7%。
D 纖維素的提取與精煉
D1)步驟C3)所得濾渣五用梯度濃度的氨水(梯度濃度的氨水的質量濃度梯次為10%、6%、3%和1%)洗滌,以清除附在其表面的木質素、半纖維素,分離洗滌液與固渣,得濾渣六與濾液六。
D2)將濾渣六置于漂白罐,加入濾渣八5倍的水,然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為0.4%,于65℃下保溫70分鐘。
該步驟并不主要為了漂白,而是用雙氧水在弱堿性條件下溶解殘存在溶解漿表面的半纖維素和木質素。
D3)繼續加入雙氧水,至雙氧水的質量分數為4%,進行漂白處理;
D4)用水洗滌漂白后的濾渣,分離洗液與濾渣,得濾渣七和濾液七;
D5)濾渣七經干燥、粉碎,得纖維素成品。經檢測,所得纖維素成品的質量為沙柳干基質量的47.1%,純度為97.1%。
E生物有機肥和土壤營養液的制備
E1)合并上述工藝中的廢渣和廢液,并將合并后的廢渣和廢液移入發酵池,向發酵池內泵入預先活化培育的分泌常溫型α-淀粉酶的地衣芽孢桿菌B5184(地衣芽孢桿菌B5184的初始密度為2500個細胞/升)以及分泌纖維素酶的木霉菌液(木霉菌的初始密度為1500個細胞/升);不斷通入空氣、充分混合,室溫下發酵30小時。
其中上述工藝的廢渣中含有蛋白、淀粉、纖維素、半纖維素、木質素及礦物質等,廢液含有蛋白、淀粉、微小纖維成份、低聚糖、有機酸、無機鹽等。
采用菌液分泌的淀粉酶、纖維素酶分解并轉化廢渣中的淀粉、糖原、纖維素等大分子轉變成小分子。
E2)發酵完畢,固液分離,得濾渣八和濾液八。
E3)濾渣八繼續脫去水分后的濾餅移入發酵槽,每天將濾餅翻斗2遍,自然發酵21天,即得生物有機肥。
E4)調節濾液八的pH至6.5,即得土壤營養液。
應用實施例1
該應用實施例中的沙漠土壤為可流動性沙漠土壤,地下水位3米深。使用實施例1所得生物有機肥和土壤營養液治理以上沙漠土壤。
沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法所得生物有機肥和土壤營養液治理以上沙漠土壤的方法,包括步驟:
1)以200kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以60厘米的深度深翻。
2)深翻后3天內,用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
3)沙層干后,再以200kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以30厘米的深度翻耕;隨后用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;
4)之后每月以150kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,并輪番以60厘米的深度以及30厘米的深度翻耕;翻耕后采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
步驟4)實施1年內,翻耕后每隔3天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;步驟4)實施1年以后,翻耕后每隔12天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
5)按照步驟4)實施4年,沙漠土壤得到徹底治理;土壤有機質含量達到1.6%(相對土壤干基質量)、保墑性能也從根本上得到了改善;種植試驗表明,玉米畝產量平均475公斤、小麥畝產量407公斤,超過了中產田的標準。
應用實施例2
該應用實施例的治理對象為戈壁土壤,地下水位1.5米深。使用實施例2所得生物有機肥和土壤營養液治理以上戈壁土壤。
沙柳生物組分的分離、精煉及治理沙漠土壤的方法所得生物有機肥和土壤營養液治理以上戈壁土壤的方法,包括步驟:
1)以150kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以65厘米的深度深翻。
2)深翻后4天內,用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
3)沙層干后,再以100kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,以35厘米的深度翻耕;隨后用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;
4)之后每月以100kg/畝的標準將步驟E3)所得生物有機肥均攤到沙漠表層,并輪番以65厘米的深度以及35厘米的深度翻耕;翻耕后采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
步驟4)實施半年內,翻耕后每隔5天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌;步驟4)實施半年以后,翻耕后每隔15天采用步驟E4)所得土壤營養液澆灌。
5)按照步驟4)實施2年,戈壁土壤得到徹底治理;土壤有機質含量達到1.4%(相對土壤干基質量)、保墑性能也從根本上得到了改善;種植試驗表明,玉米畝產量平均590公斤、小麥畝產量507公斤,達到了高產田的標準。