一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及微生物发酵领域，具体涉及一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体及其制备方法。该方法包括以下步骤：1)选取材质相对均匀的天然木质纤维材料，并对其进行机械预处理；2)向高温高压反应釜内加入水，然后加入经步骤1)处理后的天然木质纤维材料；3)将步骤2)中的天然木质纤维材料和水共同加热加压至指定温度和指定压力以进行水热反应，并持续水热反应至指定时间；4)步骤3)的水热反应结束后，降低高温高压反应釜内的温度和压力，并取出水热处理后的天然木质纤维材料；5)将步骤4)所得的天然木质纤维材料洗净烘干即得。本发明专利技术提高了微生物固定效果，在微生物固定化中有重要意义，应用前景广阔。

Natural wood fiber carrier used for microorganism immobilization and preparation method thereof

The invention relates to the field of microbial fermentation, in particular to a natural wood fiber carrier used for microbial immobilization and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: 1) selecting natural lignocellulosic materials relatively homogeneous material, and its mechanical pretreatment; 2) adding water to the high temperature high pressure reactor, then adding the step 1) natural wood fiber material processing; 3) in step 2) in natural water and materials the common wood fiber heating pressurized to a specified temperature and pressure to specify the hydrothermal reaction, and hydrothermal reaction to the specified time; 4) step 3) the end of the hydrothermal reaction, reduce the high temperature high pressure reactor temperature and pressure, and remove the natural lignocellulosic materials after hydrothermal treatment; 5) will step 4) the natural lignocellulosic material washing and drying to obtain. The invention improves the microbial fixation effect and has important significance in microbial immobilization, and has wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体及其制备方法
本专利技术涉及微生物发酵
，特别是涉及一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体及其制备方法。
技术介绍
在基于微生物发酵的各种工艺中，游离态的微生物反应效率相对较低，且易受到基质中有害物质的抑制，时常成为制约工艺推广的关键因素之一。而微生物固定化是提高反应系统生物量、保护微生物免受有害组分冲击的常用方法，且更易于产物分离和工艺控制，已广泛应用于各类微生物发酵工艺。最常用的固定化方法是海藻酸钙等凝胶固定法，而凝胶载体在CO2存在时不稳定，使其在微生物乙醇发酵等相关工艺中的应用受到限制。微生物学领域近期研究表明，微生物细胞能够在多种天然载体表面进行吸附和固定。与人工合成载体相比，利用甘蔗渣、稻壳、丝瓜瓤等天然木质纤维载体固定微生物细胞，具有成本低、强度高、无毒害、可回用和孔隙度大等多种优势。例如，Sittijunda等利用菜籽秸秆等载体固定极端嗜热菌进行葡萄糖/木糖的乙醇发酵，发现与游离微生物相比，菜籽秸秆固定能有效提高乙醇产率和浓度。为了进一步提高天然载体对微生物的固定化效果、强化固定化微生物的代谢活性，相关领域的研究者提出了对天然载体进行人工改性，优化天然载体的理化性质和结构。已有研究表明，利用纤维素酶改性玉米秸秆作为微生物载体，能够破坏秸秆的光滑表面，增加载体粗糙度和孔隙度，从而更有效的提高固定酿酒酵母的生物量。Park等针对木材模拟凝胶作为酶固定化载体的研究发现，通过改变载体中木质素、半纤维素和纤维素含量与比例，能够调节载体的疏水性、孔隙度、介电常数等物理化学性质，从而改善固定化效果。可见，利用天然木质纤维载体的固定化技术是突破各种微生物发酵技术瓶颈的重要途径，而对载体的改性是提高生物固定化效果的关键。农作物秸秆等木质纤维废物既是典型的农业固体废物，也是极具开发潜力的生物质资源。针对秸秆等木质纤维废物的特殊结构和性质，本专利技术提出了一种基于水热溶解工艺技术的木质纤维载体改性技术及相应载体的制备方法，利用木质纤维废物在不同温度和不同停留时间的水热反应条件下，其木质素、半纤维素和纤维素等组分能够产生不同程度溶解的特性，实现未溶解固态载体的改性，以调节天然木质纤维载体的比表面积、孔隙度和孔径等物理化学性质，提高载体对微生物的固定化效果。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体及其制备方法，既能利用天然载体成本低、强度高、无毒害等特性，又能通过水热改性调节孔隙度和比表面积等理化参数，旨在提高和改善微生物发酵工艺中天然载体的微生物固定化效果。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体的制备方法，其包括以下步骤：1)选取材质相对均匀的天然木质纤维材料，并对其进行机械预处理；2)向高温高压反应釜内加入水，然后加入经步骤1)处理后的天然木质纤维材料；3)将步骤2)中的天然木质纤维材料和水共同加热加压至指定温度和指定压力以进行水热反应，并持续所述水热反应至指定时间；4)步骤3)所述的水热反应结束后，降低所述高温高压反应釜内的温度和压力，并取出水热处理后的天然木质纤维材料；5)将步骤4)所得的天然木质纤维材料洗净烘干，即得。优选的，步骤2)中，向所述高温高压反应釜内加入的天然木质纤维材料的总体积不大于高温高压反应釜有效容积的1/2，所加入的天然木质纤维材料和水的总体积为高温高压反应釜有效容积的1/3～2/3。优选的，所述高温高压反应釜可为标准产品或定制产品，其工作温度区间为160～250℃，工作压力区间为3～6MPa，其有效容积根据所制备的目标载体的量进行确定。其中，步骤1)所述天然木质纤维材料为木本或禾本植物的茎部或木质纤维废物；优选的，所述木本植物为杨树或松树，所述禾本植物为玉米。优选的，所述木质纤维废物为硬木或软木材料。其中，步骤1)所述机械预处理为：将所述天然木质纤维材料裁剪为边长0.5～4cm的立方体或直径1～4cm、高度1～4cm的圆柱体，清洗、烘干，即可。其中，步骤3)所述指定温度、指定压力和指定时间分别为160～250℃、3～6MPa和5～60min。其中，步骤5)所述烘干为在60～80℃下烘干24h以上至恒重。进一步的，本专利技术提供了一种所述方法的优选方案，其包括以下步骤：1)选取材质相对均匀的天然木质纤维材料，将其裁剪为边长1～3cm的立方体或直径1～3cm、高度1～3cm的圆柱体，用去离子水清洗并于60～80℃下烘干至恒重；2)向高温高压反应釜内加入水(优选蒸馏水或去离子水)，然后加入经步骤1)处理后的天然木质纤维材料，向所述高温高压反应釜内加入的天然木质纤维材料的总体积为高温高压反应釜有效容积的1/3，所加入的天然木质纤维材料和水的总体积为高温高压反应釜有效容积的1/2；3)将步骤2)中的天然木质纤维材料和水共同加热加压至200～210℃和4～5MPa以进行水热反应，并持续所述水热反应20～30min；4)步骤3)所述的水热反应结束后，通过水浴冷却降低所述高温高压反应釜内的温度和压力，至常温常压后打开所述高温高压反应釜，取出所述天然木质纤维材料；5)将步骤4)所得的天然木质纤维材料用去离子水洗净，并于60～80℃下烘干24h以上至恒重，即得水热改性后的天然木质纤维载体。本专利技术还提供了一种上述任一方法所制备的天然木质纤维载体。所述水热改性前后的天然木质纤维载体的理化特性，可通过孔隙度、孔径和比表面积等参数进行分析测定。本专利技术还提供了上述天然木质纤维载体在微生物固定化中的应用，所述微生物优选为啤酒酵母。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有以下有益效果：1)本专利技术所述制备方法采用木本植物如杨、松等植物茎的硬木或软木材料，以及禾本植物如玉米等的作物秸秆、芯棒或木质纤维废物作为载体原料，为废弃木质纤维的资源化利用提供了新途径。2)针对传统吸附载体与细胞之间结合力较弱、载体稳定性差等问题，本专利技术通过提供不同水热条件实现载体的改性，能够调整和优化载体孔隙度、孔径和比表面积等参数，以获得与目标微生物结合力强、固定化效果好的水热改性载体。3)利用改性的天然木质纤维载体，无需添加其他人工材料，既能为微生物生长提供一定能源物质，又能避免人工材料对微生物的毒害作用或不利影响。4)该天然木质纤维载体的制备方法操作简单、技术实用、成本低廉，改性及制备条件易于控制，改性载体产品对微生物无毒害、应用方便、机械强度适宜并可根据需要进行调整与优化。因此，本专利技术提供的天然木质纤维载体及其制备方法，既能利用天然载体成本低、强度高、无毒害等特性，又能通过水热改性调节孔隙度和比表面积等理化参数，提高和改善了微生物发酵工艺中天然载体的微生物固定化效果，在发酵、水处理等各种工艺的微生物固定化中发挥了重要作用。本专利技术采用水热法改性天然木质纤维废物制备微生物固定化载体，不但能够改变木质纤维多孔结构使其更易于微生物生长，而且能够利用天然载体吸附性缓冲有害物质的抑制作用，在微生物发酵等领域有广阔应用前景。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。实施例1一种用于固定啤酒酵母的天然木质纤维载体的制备方法，其以玉米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取材质相对均匀的天然木质纤维材料，并对其进行机械预处理；2)向高温高压反应釜内加入水，然后加入经步骤1)处理后的天然木质纤维材料；3)将步骤2)中的天然木质纤维材料和水共同加热加压至指定温度和指定压力以进行水热反应，并持续所述水热反应至指定时间；4)步骤3)所述的水热反应结束后，降低所述高温高压反应釜内的温度和压力，并取出水热处理后的天然木质纤维材料；5)将步骤4)所得的天然木质纤维材料洗净烘干，即得。

【技术特征摘要】
1.一种用于微生物固定化的天然木质纤维载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取材质相对均匀的天然木质纤维材料，并对其进行机械预处理；2)向高温高压反应釜内加入水，然后加入经步骤1)处理后的天然木质纤维材料；3)将步骤2)中的天然木质纤维材料和水共同加热加压至指定温度和指定压力以进行水热反应，并持续所述水热反应至指定时间；4)步骤3)所述的水热反应结束后，降低所述高温高压反应釜内的温度和压力，并取出水热处理后的天然木质纤维材料；5)将步骤4)所得的天然木质纤维材料洗净烘干，即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述天然木质纤维材料为木本或禾本植物的茎部或木质纤维废物；优选的，所述木本植物为杨树或松树，所述禾本植物为玉米。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述木质纤维废物为硬木或软木材料。4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤1)所述机械预处理为：将所述天然木质纤维材料裁剪为边长0.5～4cm的立方体或直径1～4cm、高度1～4cm的圆柱体，清洗、烘干，即可。5.根据权利要求1～4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤3)所述指定温度、指定压力和指定时间分别为160～250℃、3～6MPa和5～60min。6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵岩，徐颖杰，刘珊，谭豪波，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11