菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝及設(shè)備研究進展

2020-05-28 16:07:01 點擊：

菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料屬于飼料的一種，因其富含活菌，且微生物在生長過程中需要適宜的理化環(huán)境，與常規(guī)飼料相比水分含量也較高，因此發(fā)酵飼料的生產(chǎn)工藝及設(shè)備更為復(fù)雜且多樣化。本文梳理了常見的幾種發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝，針對不同應(yīng)用的需求提出了生產(chǎn)線建設(shè)方案，并對工藝設(shè)備的發(fā)展趨勢進行了展望。

1. 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的定義

2018年1月1日北京生物飼料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的團體標(biāo)準(zhǔn)《生物飼料產(chǎn)品分類》（T/CSWSL 001-2018），全面系統(tǒng)地規(guī)定了生物飼料產(chǎn)品的術(shù)語、定義方法及分類體系。生物飼料是使用農(nóng)業(yè)部飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關(guān)法規(guī)允許使用的飼料原料和添加劑，通過發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和基因工程等生物工程技術(shù)開發(fā)的飼料產(chǎn)品總稱，包括發(fā)酵飼料、酶解飼料、菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料和生物飼料添加劑等。同年7月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（2018-2030）》將發(fā)酵飼料應(yīng)用技術(shù)作為重點研發(fā)和集成示范的指導(dǎo)方向。

菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料作為生物飼料的一大類，是指使用農(nóng)業(yè)部飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關(guān)法規(guī)允許使用的飼料原料、酶制劑和微生物，通過發(fā)酵工程和酶工程技術(shù)協(xié)同作用生產(chǎn)的單一飼料和混合飼料。

2. 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的產(chǎn)品種類及其生產(chǎn)工藝

2.1 菌酶協(xié)同發(fā)酵單一飼料

菌酶協(xié)同發(fā)酵單一飼料是指僅以一種主要飼料原料作為底物，接種微生物進行發(fā)酵獲得的飼料產(chǎn)品，常見的發(fā)酵單一飼料包括發(fā)酵豆粕、發(fā)酵玉米、發(fā)酵酒糟、發(fā)酵秸稈等。其中發(fā)酵豆粕因能有效降低豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，并累積多種有益的微生物代謝產(chǎn)物，極大地提高豆粕的營養(yǎng)價值和生物學(xué)效價而得到畜牧業(yè)的認可，但因其受價格波動影響較大、烘干成本高且利潤相對較低等因素制約，不適用于在中小飼料企業(yè)推廣。此外，近年來以低質(zhì)工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物為原料的發(fā)酵技術(shù)不斷推陳出新，根據(jù)某一原料的特性開發(fā)出具有特定差異化功能的發(fā)酵產(chǎn)品，如膳食纖維、發(fā)酵構(gòu)樹等，實現(xiàn)對常規(guī)原料短缺的補充，并降低飼養(yǎng)成本。在非常規(guī)原料的使用中，必須對其進行安全性評估，杜絕一味追求低廉的成本以次充好。

2.2 菌酶協(xié)同發(fā)酵混合飼料

菌酶協(xié)同發(fā)酵混合飼料是指以多種飼料原料作為底物進行發(fā)酵得到的發(fā)酵飼料。在選擇發(fā)酵基料時，既要考慮動物日常所需營養(yǎng)物質(zhì)種類及含量，如能量、氨基酸、維生素、微量元素等，同時應(yīng)顧及微生物生長所需的碳氮比、pH、水分、可發(fā)酵碳水化合物、滲透壓等。與單一飼料相比，發(fā)酵混合飼料營養(yǎng)更均衡，與全價配合飼料營養(yǎng)組成更接近，同時合理的碳氮比更利于發(fā)酵菌劑的生長代謝。此外不同原料由于其理化特性不同，互相配伍后可彌補單一飼料在流散性、適口性等方面的不足。發(fā)酵混合飼料的發(fā)展降低了某一特定原料的制約性，在實際應(yīng)用中更利于非常規(guī)原料的功能發(fā)掘和價值體現(xiàn)，此外為高水分的鮮基物料在發(fā)酵飼料中的應(yīng)用提供了可能。

2.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝

菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的生產(chǎn)工藝根據(jù)發(fā)酵菌劑對氧氣的需求分為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵及兼性厭氧發(fā)酵三大類。好氧發(fā)酵常用的發(fā)酵菌種為曲霉菌、芽孢桿菌、酵母菌等好氧或兼性厭氧菌，具有設(shè)備投資少、包裝成本低等優(yōu)點，常用于酒糟、豆粕等單一原料的發(fā)酵。好氧發(fā)酵工藝占地面積大，需經(jīng)常翻拋，發(fā)酵均一度和穩(wěn)定性較差，易受環(huán)境微生物污染。

厭氧發(fā)酵常用發(fā)酵菌種為乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌等。與好氧發(fā)酵工藝相比，設(shè)備投資相對較大，但生產(chǎn)效率高，可用于各種單一或混合原料發(fā)酵，適用范圍更廣；發(fā)酵終產(chǎn)品均勻度良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，染菌概率低。除上述兩種典型的生產(chǎn)工藝外，還有將二者結(jié)合的好氧/厭氧異步發(fā)酵技術(shù)，目前基本處于研發(fā)階段。

根據(jù)含水量的不同，生物飼料生產(chǎn)工藝還可分為固態(tài)和液態(tài)兩大類，液態(tài)發(fā)酵技術(shù)主要用于酶制劑等飼料添加劑的生產(chǎn)，部分用于酶解飼料的開發(fā)，這一類產(chǎn)品往往需要后期烘干，適合高附加值的產(chǎn)品開發(fā)。發(fā)酵飼料的生產(chǎn)主要還是以固態(tài)發(fā)酵的工藝形式進行生產(chǎn)。

3. 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料生產(chǎn)常見問題及注意事項

菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料采用固態(tài)發(fā)酵工藝，所以設(shè)備必須具備能夠提供微生物穩(wěn)定生長繁殖的條件才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。根據(jù)物料的周轉(zhuǎn)形式將固態(tài)發(fā)酵分為靜態(tài)式發(fā)酵和動態(tài)式發(fā)酵兩種。靜態(tài)式發(fā)酵的優(yōu)點是操作方便、場地簡單、產(chǎn)量大等；缺點是微生物發(fā)酵時所需熱量、氧氣等必須的營養(yǎng)物質(zhì)傳遞困難，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。動態(tài)式發(fā)酵是通過固定的容器進行發(fā)酵，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定等，但設(shè)備一般造價較高、難于維護。

3.1 靜態(tài)式固態(tài)發(fā)酵

根據(jù)物料布設(shè)方式的不同靜態(tài)式固態(tài)發(fā)酵分為：平地堆放式發(fā)酵、池式發(fā)酵、槽式發(fā)酵和呼吸袋式發(fā)酵等。平地堆放式發(fā)酵一般發(fā)酵物料堆放量：200-400 kg/m2、堆放高度：0.5-0.8m，場地面積根據(jù)實際情況可進行調(diào)整。由于平地堆放式發(fā)酵的方法具有節(jié)省場地、技術(shù)要求低、簡便易行的特點，所以這種工藝是目前我國中小型發(fā)酵飼料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用最多的方式。但生產(chǎn)過程中在物料裝卸、搬運、翻料等工序完全需要人工操作，機械化程度低、易被雜菌污染影響產(chǎn)品品質(zhì)。

池式發(fā)酵是將物料置于水泥砌面的地坑中進行固態(tài)發(fā)酵。地坑四壁做防水處理、呈長條狀、深度一般為：1m左右、寬度一般為：2-5m。這種方法利于保溫、減少了人為污染的幾率、易于微生物的繁殖和代謝產(chǎn)物的積累。但是這種方式機械化程度較低、工人勞動強度大、地坑的修建和物料的周轉(zhuǎn)也十分繁瑣，所以這種工藝只適用于產(chǎn)量不大的飼料廠，我國的飼料生產(chǎn)企業(yè)目前較少采用這種工藝。

槽式發(fā)酵結(jié)合了平地堆放式和池式發(fā)酵兩者的優(yōu)點。利用在地面砌墻規(guī)劃成若干條發(fā)酵槽，墻高1.2-1.5m，墻體間隔為2.0-2.5m，長度為15-30m。這種工藝與上述兩種工藝相比發(fā)酵生產(chǎn)條件有了較大的改善，尤其是大槽發(fā)酵利用了兩平行的墻體形成的發(fā)酵區(qū)間，墻體上可安裝翻料、布料設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)一些簡易的機械化操作。但由于技術(shù)的限制，這些設(shè)備需要工人現(xiàn)場操控，在一定程度上也會影響發(fā)酵環(huán)境。此外每批物料發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵槽底層的物料很難處理、易霉變、成品物料的搬運勞動強度依然很高。

呼吸袋式發(fā)酵是目前市場上新興的比較受歡迎的生產(chǎn)工藝，以上三種生產(chǎn)工藝都是先做產(chǎn)品然后包裝，工藝繁瑣且各個工序中物料都有被雜菌污染的可能。呼吸袋式發(fā)酵是采用先包裝后發(fā)酵的移動式固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，呼吸袋上的單向呼吸閥不僅具有隔絕外界氣體及雜菌進入發(fā)酵體系的功能，還具有釋放內(nèi)部環(huán)境氣體維持體系壓力，防止微生物產(chǎn)氣破包等功能。獨立的包裝使得每包產(chǎn)品相當(dāng)于獨立的發(fā)酵罐即使在發(fā)酵高峰期，物料產(chǎn)生的溫度梯度差異也不超過3℃。這種工藝具有操作簡便、產(chǎn)品穩(wěn)定性強等特點。

3.2 動態(tài)式固態(tài)發(fā)酵

動態(tài)式固態(tài)發(fā)酵是將物料放在機械動力的容器中，能夠?qū)崿F(xiàn)物料間斷或連續(xù)的運動狀態(tài)，由電氣控制物料的傳熱、傳質(zhì)及周轉(zhuǎn)、自動化程度相對較高、成品品質(zhì)較好。但這種機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、設(shè)備的滅菌消毒比較困難。目前我國常見的動態(tài)式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備有皮帶式和車陣式兩種。

皮帶式發(fā)酵設(shè)備是將物料放置于透氣的尼龍材質(zhì)皮帶上料層高度為300-400mm，由鏈輪機構(gòu)拖動皮帶緩慢運動，將物料直接由混合接種端送到后續(xù)工段，物料在輸送的同時完成發(fā)酵過程、可節(jié)省場地空間。此設(shè)備具有運行穩(wěn)定可靠、動力結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)酵環(huán)境穩(wěn)定、規(guī)模擴展方便、投資不高等優(yōu)點。但由于皮帶式發(fā)酵是連續(xù)生產(chǎn)所以應(yīng)變能力差，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障會使整個生產(chǎn)線停止。

車陣式發(fā)酵設(shè)備是將物料置于若干規(guī)格相同的杉木等透氣材料的容器中，容積一般為1-2.5m3。能通過電氣控制實現(xiàn)物料的翻料、分配和輸送，每個容器上都安裝了監(jiān)測設(shè)備，并由廠房內(nèi)部的設(shè)備實現(xiàn)發(fā)酵環(huán)境的調(diào)控。該設(shè)備具有靈活性好、應(yīng)變能力高、發(fā)酵環(huán)境穩(wěn)定、產(chǎn)量高等優(yōu)點。但依然存在制作維護成本高、控制復(fù)雜、容器消毒困難等問題。

4. 發(fā)酵飼料生產(chǎn)線方案

與常規(guī)飼料相比，生產(chǎn)過程中生物飼料的水分較高，因此生產(chǎn)線設(shè)計應(yīng)具備高效混合、不堵料、易清理等特點。生物飼料開發(fā)國家工程研究中心根據(jù)飼料企業(yè)已有的生產(chǎn)設(shè)備及不同產(chǎn)品工藝方案，將發(fā)酵飼料生產(chǎn)線主要設(shè)計為三個方案。

4.1 常規(guī)飼料企業(yè)新增發(fā)酵飼料生產(chǎn)線

適用于已具備原料粉碎、配料系統(tǒng)的飼料企業(yè)和養(yǎng)殖企業(yè)，主要包括投料系統(tǒng)、固液混合系統(tǒng)、濕料包裝系統(tǒng)以及菌種擴繁系統(tǒng)等。設(shè)備投入低，占地面積較小，設(shè)計產(chǎn)能年產(chǎn)10000噸，可以根據(jù)是否自用預(yù)留噸包發(fā)酵打包口，節(jié)約包裝成本。該套設(shè)備可以實現(xiàn)菌種的恒溫擴繁和菌液定量批次出料，生產(chǎn)的發(fā)酵飼料混合均勻度良好，殘留少且方便清理，適用范圍廣。

4.2 發(fā)酵飼料企業(yè)新建標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線

在4.1方案的基礎(chǔ)上添加原料粉碎及配料系統(tǒng)，此外針對具有地方特色及成本優(yōu)勢的鮮基物料，可選擇性加裝濕料粉碎及傳送系統(tǒng)。許多研究表明構(gòu)樹、西蘭花、鮮酒糟等濕基物料可有效提高畜產(chǎn)品品質(zhì)，但高水分物料難以進入傳統(tǒng)飼料體系一直制約著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，該方案的濕料粉碎機組和傳送設(shè)備可有效解決這一難點。

4.3 發(fā)酵飼料企業(yè)全套生產(chǎn)線

方案三是包含配料、烘干系統(tǒng)的全套發(fā)酵飼料機組。單日產(chǎn)能濕基發(fā)酵飼料30-40噸，烘干發(fā)酵飼料30-40噸，月產(chǎn)能2000噸發(fā)酵飼料。可包含厭氧呼吸袋式、槽式/箱桶式等多種發(fā)酵形式。適用于發(fā)酵飼料新廠的建設(shè)及中大型飼料生產(chǎn)企業(yè)，相比前兩種方案設(shè)備投入較大、產(chǎn)能更高。

5. 發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝及設(shè)備發(fā)展趨勢

5.1 亟待解決的問題

5.1.1 如何保證設(shè)備的經(jīng)濟實用，刺激用戶大規(guī)模使用

某些地源區(qū)域性較強（豆渣等糟渣類、構(gòu)樹等綠植類）產(chǎn)量較少，適合小規(guī)模生產(chǎn)的飼料資源，故需要考慮設(shè)備簡單、經(jīng)濟、實用等要求，以促進發(fā)酵技術(shù)在中小企業(yè)與養(yǎng)殖場的使用。

5.1.2 如何保證設(shè)備運行良好，保證發(fā)酵飼料質(zhì)量與安全

根據(jù)不同原料發(fā)酵特點、發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵發(fā)酵設(shè)備，提出發(fā)酵工藝與設(shè)備操作要點，保證用戶發(fā)酵飼料品質(zhì)與安全。

5.1.3 如何針對不同類型的發(fā)酵飼料配套相對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備

由于飼料原料、發(fā)酵工藝、發(fā)酵設(shè)備等差異較大，需要根據(jù)不同發(fā)酵工藝條件，對發(fā)酵飼料生產(chǎn)的設(shè)備進行配套，以完善生產(chǎn)設(shè)備的性能，保證不同原料的發(fā)酵飼料品質(zhì)穩(wěn)定、高效。

5.1.4 如何提高設(shè)備的機械化、自動化

對于工廠化發(fā)酵企業(yè)，需要實現(xiàn)機械化、自動化，以提高產(chǎn)能；而對于小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)也需要提高機械化程度，以節(jié)約生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

5.2 發(fā)展趨勢

隨著市場需求的不斷發(fā)展和研究的深入，行業(yè)必將對產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)效率提出更高的要求。目前相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)和研究單位已經(jīng)研制出一系列新型發(fā)酵飼料加工設(shè)備，如框架式發(fā)酵設(shè)備、調(diào)質(zhì)式連續(xù)混合接種設(shè)備、內(nèi)置攪拌流化干燥設(shè)備等。

進行實時反饋控制是實現(xiàn)無人化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)手段，采用PLC集成控制能夠更科學(xué)的調(diào)控發(fā)酵過程中的工藝參數(shù)。通過濕度、溫度、酸堿度等傳感器采集物料參數(shù)，并根據(jù)預(yù)定程序，控制電氣設(shè)備進行生產(chǎn)調(diào)控。混合、接種、發(fā)酵等車間各工段設(shè)備均能夠達到高效無人化生產(chǎn)，使得系統(tǒng)整體具備很高的自動化程度，大大降低了能耗和生產(chǎn)成本，經(jīng)濟、社會效益十分顯著。新工藝與新設(shè)備的相互促進必將為我國生物飼料的應(yīng)用與推廣提供更好的技術(shù)支持。

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菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝及設(shè)備研究進展

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