[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及微生物发酵技术领域，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。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明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，本发明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，本发明提供了一种所述方法的优选方案，其包括以下步骤：