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菌酶协同发酵饲料生产工艺及设备研究进展

发布时间:2020-09-15 05:14

酶协同发酵饲料属于饲料的一种,因其富含活菌,且微生物在生长过程中需要适宜的理化环境,与常规饲料相比水分含量也较高,因此发酵饲料的生产工艺及设备更为复杂且多样化。本文梳理了常见的几种发酵饲料生产工艺,针对不同应用的需求提出了生产线建设方案,并对工艺设备的发展趋势进行了展望。


1. 菌酶协同发酵饲料的定义


2018年1月1日北京生物饲料产业技术创新战略联盟发布的团体标准《生物饲料产品分类》(T/CSWSL 001-2018),全面系统地规定了生物饲料产品的术语定义方法及分类体系。生物饲料是使用农业部饲料原料目录和饲料添加剂品种目录等国家相关法规允许使用的饲料原料和添加剂,通过发酵工程、酶工程、蛋白质工程和基因工程等生物工程技术开发的饲料产品总称,包括发酵饲料、酶解饲料、菌酶协同发酵饲料和生物饲料添加剂等。同年7月农业农村部印发的《农业绿色发展技术导则(2018-2030)》将发酵饲料应用技术作为重点研发和集成示范的指导方向。
菌酶协同发酵饲料作为生物饲料的一大类,是指使用农业部饲料原料目录和饲料添加剂品种目录等国家相关法规允许使用的饲料原料、酶制剂和微生物,通过发酵工程和酶工程技术协同作用生产的单一饲料和混合饲料。



2. 菌酶协同发酵饲料的产品种类及其生产工艺

2.1 菌酶协同发酵单一饲料


菌酶协同发酵单一饲料是指仅以一种主要饲料原料作为底物,接种微生物进行发酵获得的饲料产品,常见的发酵单一饲料包括发酵豆粕、发酵玉米、发酵酒糟、发酵秸秆等。其中发酵豆粕因能有效降低豆粕中的抗营养因子并累积多种有益的微生物代谢产物,极大地提高豆粕的营养价值和生物学效价而得到畜牧业的认可,但因其受价格波动影响较大、烘干成本高且利润相对较低等因素制约,不适用于在中小饲料企业推广。此外,近年来以低质工农业副产物为原料的发酵技术不断推陈出新,根据某一原料的特性开发出具有特定差异化功能的发酵产品,如膳食纤维、发酵构树等,实现对常规原料短缺的补充,并降低饲养成本。在非常规原料的使用中,必须对其进行安全性评估,杜绝一味追求低廉的成本以次充好。



2.2 菌酶协同发酵混合饲料


菌酶协同发酵混合饲料是指以多种饲料原料作为底物进行发酵得到的发酵饲料。在选择发酵基料时,既要考虑动物日常所需营养物质种类及含量,如能量、氨基酸、维生素、微量元素等,同时应顾及微生物生长所需的碳氮比、pH、水分、可发酵碳水化合物、渗透压等。与单一饲料相比,发酵混合饲料营养更均衡,与全价配合饲料营养组成更接近,同时合理的碳氮比更利于发酵菌剂的生长代谢。此外不同原料由于其理化特性不同,互相配伍后可弥补单一饲料在流散性、适口性等方面的不足。发酵混合饲料的发展降低了某一特定原料的制约性,在实际应用中更利于非常规原料的功能发掘和价值体现,此外为高水分的鲜基物料在发酵饲料中的应用提供了可能。


2.3 菌酶协同发酵饲料生产工艺


菌酶协同发酵饲料的生产工艺根据发酵菌剂对氧气的需求分为好氧发酵、厌氧发酵及兼性厌氧发酵三大类。好氧发酵常用的发酵菌种为曲霉菌、芽孢杆菌、酵母菌等好氧或兼性厌氧菌,具有设备投资少、包装成本低等优点,常用于酒糟、豆粕等单一原料的发酵。好氧发酵工艺占地面积大,需经常翻抛,发酵均一度和稳定性较差,易受环境微生物污染。
厌氧发酵常用发酵菌种为乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌等。与好氧发酵工艺相比,设备投资相对较大,但生产效率高,可用于各种单一或混合原料发酵,适用范围更广;发酵终产品均匀度良好,产品质量稳定,染菌概率低。除上述两种典型的生产工艺外,还有将二者结合的好氧/厌氧异步发酵技术,目前基本处于研发阶段。
根据含水量的不同,生物饲料生产工艺还可分为固态和液态两大类,液态发酵技术主要用于酶制剂等饲料添加剂的生产,部分用于酶解饲料的开发,这一类产品往往需要后期烘干,适合高附加值的产品开发。发酵饲料的生产主要还是以固态发酵的工艺形式进行生产。


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3. 菌酶协同发酵饲料生产常见问题及注意事项


菌酶协同发酵饲料采用固态发酵工艺所以设备必须具备能够提供微生物稳定生长繁殖的条件才能保证产品质量和生产效率。根据物料的周转形式将固态发酵分为静态式发酵和动态式发酵两种。静态式发酵的优点是操作方便、场地简单、产量大等;缺点是微生物发酵时所需热量、氧气等必须的营养物质传递困难,产品质量不稳定。动态式发酵是通过固定的容器进行发酵,在一定程度上能够实现自动化、产品品质稳定等,但设备一般造价较高、难于维护。



3.1 静态式固态发酵


根据物料布设方式的不同静态式固态发酵分为:平地堆放式发酵、池式发酵、槽式发酵和呼吸袋式发酵等。平地堆放式发酵一般发酵物料堆放量:200-400 kg/m2、堆放高度:0.5-0.8m,场地面积根据实际情况可进行调整。由于平地堆放式发酵的方法具有节省场地、技术要求低、简便易行的特点,所以这种工艺是目前我国中小型发酵饲料生产企业应用最多的方式。但生产过程中物料装卸、搬运、翻料等工序完全需要人工操作,机械化程度低、易被杂菌污染影响产品品质。
池式发酵是将物料置于水泥砌面的地坑中进行固态发酵。地坑四壁做防水处理、呈长条状、深度一般为:1m左右、宽度一般为:2-5m。这种方法利于保温、减少了人为污染的几率、易于微生物的繁殖和代谢产物的积累。但是这种方式机械化程度较低、工人劳动强度大、地坑的修建和物料的周转也十分繁琐,所以这种工艺只适用于产量不大的饲料厂,我国的饲料生产企业目前较少采用这种工艺。
槽式发酵结合了平地堆放式和池式发酵两者的优点。利用在地面砌墙规划成若干条发酵槽,墙高1.2-1.5m,墙体间隔为2.0-2.5m,长度为15-30m。这种工艺与上述两种工艺相比发酵生产条件有了较大的改善,尤其是大槽发酵利用了两平行的墙体形成的发酵区间,墙体上可安装翻料、布料设备,能够实现一些简易的机械化操作。但由于技术的限制,这些设备需要工人现场操控,在一定程度上也会影响发酵环境。此外每批物料发酵结束后发酵槽底层的物料很难处理、易霉变、成品物料的搬运劳动强度依然很高。
呼吸袋式发酵是目前市场上新兴的比较受欢迎的生产工艺以上三种生产工艺都是先做产品然后包装,工艺繁琐且各个工序中物料都有被杂菌污染的可能。呼吸袋式发酵是采用先包装后发酵的移动式固态发酵技术,呼吸袋上的单向呼吸阀不仅具有隔绝外界气体及杂菌进入发酵体系的功能,还具有释放内部环境气体维持体系压力,防止微生物产气破包等功能。独立的包装使得每包产品相当于独立的发酵罐即使在发酵高峰期,物料产生的温度梯度差异也不超过3℃。这种工艺具有操作简便、产品稳定性强等特点。



3.2 动态式固态发酵


动态式固态发酵是将物料放在机械动力的容器中,能够实现物料间断或连续的运动状态,由电气控制物料的传热、传质及周转、自动化程度相对较高、成品品质较好。但这种机械结构相对复杂、设备的灭菌消毒比较困难。目前我国常见的动态式固态发酵设备有皮带式和车阵式两种。
皮带式发酵设备是将物料放置于透气的尼龙材质皮带上料层高度为300-400mm,由链轮机构拖动皮带缓慢运动,将物料直接由混合接种端送到后续工段,物料在输送的同时完成发酵过程、可节省场地空间。此设备具有运行稳定可靠、动力结构简单、发酵环境稳定、规模扩展方便、投资不高等优点。但由于皮带式发酵是连续生产所以应变能力差,一旦设备出现故障会使整个生产线停止。
车阵式发酵设备是将物料置于若干规格相同的杉木等透气材料的容器中,容积一般为1-2.5m3。能通过电气控制实现物料的翻料、分配和输送,每个容器上都安装了监测设备,并由厂房内部的设备实现发酵环境的调控。该设备具有灵活性好、应变能力高、发酵环境稳定、产量高等优点。但依然存在制作维护成本高、控制复杂、容器消毒困难等问题。



4. 发酵饲料生产线方案


与常规饲料相比,生产过程中生物饲料的水分较高,因此生产线设计应具备高效混合、不堵料、易清理等特点。生物饲料开发国家工程研究中心根据饲料企业已有的生产设备及不同产品工艺方案,将发酵饲料生产线主要设计为三个方案。


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4.1 常规饲料企业新增发酵饲料生产线


适用于已具备原料粉碎、配料系统的饲料企业和养殖企业,主要包括投料系统、固液混合系统、湿料包装系统以及菌种扩繁系统等。设备投入低,占地面积较小,设计产能年产10000吨,可以根据是否自用预留吨包发酵打包口,节约包装成本。该套设备可以实现菌种的恒温扩繁和菌液定量批次出料,生产的发酵饲料混合均匀度良好,残留少且方便清理,适用范围广。


 

4.2 发酵饲料企业新建标准化生产线


在4.1方案的基础上添加原料粉碎及配料系统,此外针对具有地方特色及成本优势的鲜基物料,可选择性加装湿料粉碎及传送系统。许多研究表明构树、西兰花、鲜酒糟等湿基物料可有效提高畜产品品质,但高水分物料难以进入传统饲料体系一直制约着相关产业的发展,该方案的湿料粉碎机组和传送设备可有效解决这一难点。


4.3 发酵饲料企业全套生产线


方案三是包含配料、烘干系统的全套发酵饲料机组。单日产能湿基发酵饲料30-40吨,烘干发酵饲料30-40吨,月产能2000吨发酵饲料。可包含厌氧呼吸袋式、槽式/箱桶式等多种发酵形式。适用于发酵饲料新厂的建设及中大型饲料生产企业,相比前两种方案设备投入较大、产能更高。



5. 发酵饲料生产工艺及设备发展趋势

5.1 亟待解决的问题

5.1.1 如何保证设备的经济实用,刺激用户大规模使用


某些地源区域性较强(豆渣等糟渣类、构树等绿植类)产量较少,适合小规模生产的饲料资源,故需要考虑设备简单、经济、实用等要求,以促进发酵技术在中小企业与养殖场的使用。


5.1.2 如何保证设备运行良好,保证发酵饲料质量与安全


根据不同原料发酵特点、发酵关键技术、关键发酵设备,提出发酵工艺与设备操作要点,保证用户发酵饲料品质与安全。


5.1.3 如何针对不同类型的发酵饲料配套相对应的生产设备


由于饲料原料、发酵工艺、发酵设备等差异较大,需要根据不同发酵工艺条件,对发酵饲料生产的设备进行配套,以完善生产设备的性能,保证不同原料的发酵饲料品质稳定、高效。


5.1.4 如何提高设备的机械化、自动化


对于工厂化发酵企业,需要实现机械化、自动化,以提高产能;而对于小规模生产企业也需要提高机械化程度,以节约生产成本,保证产品质量。



5.2 发展趋势


随着市场需求的不断发展和研究的深入,行业必将对产品品质及生产效率提出更高的要求。目前相关生产企业和研究单位已经研制出一系列新型发酵饲料加工设备,如框架式发酵设备、调质式连续混合接种设备、内置搅拌流化干燥设备等。
进行实时反馈控制是实现无人化生产、提高生产效率的关键技术手段,采用PLC集成控制能够更科学的调控发酵过程中的工艺参数。通过湿度、温度、酸碱度等传感器采集物料参数,并根据预定程序,控制电气设备进行生产调控。混合、接种、发酵等车间各工段设备均能够达到高效无人化生产,使得系统整体具备很高的自动化程度,大大降低了能耗和生产成本,经济、社会效益十分显著。新工艺与新设备的相互促进必将为我国生物饲料的应用与推广提供更好的技术支持。
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