CN101314770A - 一种运用改性沸石的固态发酵工艺 - Google Patents

Abstract

一种用可复用材料与基质混合进行微生物固态发酵的新方法，涉及一种将惰性吸附材料用于微生物固态发酵技术的新工艺。本发明的是一种专用改性沸石，进行微生物固态发酵技术的优化和改进。首先沸石改性，随后和有机废弃物基质混合一同发酵，最后进行过筛，将专用改性沸石从的有机发酵基质中分离后循环使用。本发明的专用改性沸石附着性能好、发酵效率高、无自身损耗、能够循环使用。得到的微生物发酵快速、微生物发酵处理设备的利用效率高、物料松散易分离，周期缩短1/3，运行成本低廉，经济效益十分明显，可广泛应用于多种有机废弃物微生物固态发酵。

Description

一种运用改性沸石的固态发酵工艺

技术领域

本发明涉及一种微生物固态发酵技术的新工艺。具体涉及将专用改性沸石作为惰性吸附载体应用到微生物固态发酵工艺中的方法。

背景技术

当前，许多工农业残渣、城市生活垃圾已成为人们的社会公害，对人类的生存环境均产生不利的影响。固态发酵是解决这一难题的有效手段，现代固态发酵技术可以将这些材料进行降解、修复、转化为对人们有益或无害的物质。既无损于既定自然生态系统，又可以成功解决环境问题，减轻资源危机。

在传统固态发酵多限于传统饲料的生产，多直接利用食物和纤维素原料，价格低廉。发酵过程基本是自然富集发酵和强化菌种发酵。虽然操作强度低，投资设备小，但是劳动强度大。传统固态发酵的一个主要不足就在于碳源是它们的主要结构组成成分。在微生物生长过程中，培养基被分解后，底物容易结块，孔隙率随之降低，结果造成底物的外形和物理特性都发生了变化，降低了发酵过程中的传质和传热。并且，传统固态发酵做得到的最终产物黏度较高，不易分离；还含有多余的蛋白污染物，如淀粉酶和纤维素酶等。

而在现代固态发酵中，采用专用改性沸石应用于惰性载体固态发酵是对微生物发酵技术的优化和改进。不仅能够克服传统固态发酵过程传质和传热降低的缺点，还具有产物提取简便、不含蛋白污染物的特点，进一步还能做到重复利用。

发明内容

本发明的目的在于寻找一种可循环使用的固态发酵专用改性沸石，进而提供使用这种专用改性沸石进行微生物固态发酵的工艺优化和改进。

为了实现上述目的，本发明是这样进行的：首先将一种常用沸石改性，这种料有较大的比表面积。在工艺中它是一种生物膜，其实质是微生物以膜状生长在专用改性沸石上。

专用改性沸石应用于微生物固态发酵，具有独特的优点。通过此项发明实现将离子交换吸附技术和生物固定膜技术与微生物固态发酵有机结合的工艺流程。沸石经过改性后，不仅耐磨损能力和抗氧化能力大大增强，还能做到进行复叠循环，实现可逆的脱水和固氮作用。并且在经无机酸处理后，晶格孔道中半径大的阳离子被置换出来，因此固态载体的通道和孔洞被拓宽，表面积明显增加，吸附容量得以提高，还可以更多地固定有效菌，以作为微生物发酵的的良好培养基。

沸石改性工艺流程为：

红辉沸石+氢氧化钠→无机酸处理→过滤、洗涤→固定有效菌→干燥→发酵专用沸石。

第一步将沸石和10％氢氧化钠溶液混合，反应混合物的组成符合所需制备发酵专用沸石的配比。处理后耐磨损能力以及抗氧化能力增强。

第二步经无机酸处理，用半径小的分子，置换晶格孔道中半径大的阳离子，如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等，从而拓宽孔洞和通道，表面积明显增大，大幅度提高了其吸附容量，同时孔洞堵塞消除，沸石内部中心暴露，中心孔隙目数增多，提高其吸附性能。

第三步固定有效菌。

液态菌剂保存和运输都很不方便，沸石是很好的生物过滤器，吸菌量大.并能增加细胞密度和保持菌种存活力，可以作生物生长的培养基.一些生物体有极性，因此在适当的pH条件下，这些生物体与沸石稳定附着。

将液体菌剂吸附其上而制成固定菌剂材料，利用微生物固定化技术制备一种固态活菌沸石.将大量微生物吸附到沸石上来提高处理效果。其工艺流程为：沸石过网孔尺寸为0.420分样筛→121℃下灭菌15分钟→25℃、ph：7-7.5和菌液混合吸附→8小时内吸菌量基本达到饱和→风干。

根据发酵基质初始含水率，以基质含水率控制为依据确定基质、新型辅料的质量比，初次发酵反应要加入酵素菌作为产生优势微生物种群的诱导菌剂(以后均通过物料回流来实现优势发酵微生物菌群的循环利用)，使搅拌后的初始物料含水率在60％～70％。同时控制动态好氧发酵装置的通风量和搅拌频率，进行好氧快速发酵处理。将该专用改性沸石用于固态好氧发酵处理工艺中的具体步骤如下：

第一步：先确对发酵基质进行采样分析，然后确定投加两种辅料和回流物料的比例：对含水率为75％、总有机质400-600g/kgDM(DM表示干物质，下同)的发酵基质，添加两种辅料分别为：含水率为10.20％的木屑为发酵基质重量的8％，发酵专用改性沸石为发酵基质重量的20％，使混合料初始含水率达60％为准。初次发酵时需称量发酵基质重量的1‰的酵素菌作为诱导菌剂。再次发酵的回流比控制在10-40％之间。

第二步：将发酵基质以及上述按比例称量好的木屑、发酵专用改性沸石放入动态好氧发酵仓内，然后搅拌，初次发酵则将上述酵素菌均匀喷洒在物料上；以后可直接与仓内保留的回流物料进行充分混合，调整通风系统风量控制在300L/min·m³，定向搅拌，设定相应的自动搅拌频率为每隔12小时搅拌20分钟，进行发酵处理。

第三步：当发酵升温到55℃以上时，继续按上述设定的搅拌频率和通风量运行5天结束.然后二级发酵，整个发酵周期为14天，55℃以上可维持4～5天，发酵完成时经检测发酵基质中蛔虫卵100％灭活，仓内NH₃浓度低于1.0mg/m³，发酵基质均匀，符合土地利用的相关要求。

第四步：进行过筛，将发酵专用改性沸石从无害化处理的发酵基质中分离，再次在第一步的配料中作为发酵专用改性沸石循坏使用。

本发明具有下述优点：

1.由于本发明找到的专用改性沸石呈多孔球型，比表面积大，比木屑类辅料的生物附着能力更强。因此使用该专用改性沸石进行微生物固态发酵，反应结束得到的物料松散，辅料与物料易于分离，其表面微孔中附着的优势微生物又可随其一起作为回料利用。

2.由于使用过程中专用改性沸石基本无损耗，可循环重复使用。而且价格便宜，以上海地区的价格为例，仅相当于木片、木屑500元/吨的1/3左右。因此本发明的运行成本低廉，经济效益十分明显。

3.由于本发明的专用改性沸石具有很好的支撑作用，自身的微孔又可使堆体内通风更为通畅，实验证明，使用该辅料可使木屑量减少50％以上，因此可大大节省鼓风机送风时间，从而使发酵过程中的耗电量降低为处理每吨发酵基质的耗电量为8kw·h。

4.沸石无毒无害，是可降解的环保型脱水剂。吸湿率达58％以上，是普通硅胶的两倍。

5.沸石生物膜厚度被控制在微薄层范围内，为0.1mm。生物膜由表及里几乎全是好气层，无厌氧层存在。发酵过程中基质中的氨和有机物等扩散到生物膜内为好氧菌利用。即使对低浓度的有机物也具有较强的降解作用，填料上的好氧生物膜是在充分发挥传质膜内生物反应速度快、微生物代谢活力强、生物相丰富、微生物种类繁多等特点。

6.沸石被粘质层包围，表面张力较低，吸附能力较强。在好氧生物膜的吸附过程中，既有分子间力产生的物理吸附，又有氨氮、有机物化学引力产生的化学吸附以及由菌胶团表面物质产生的生物吸附。物理吸附除分子间力作用外，还有电荷的影响作用，最终发挥综合吸附作用。营养物质通过界面作用吸附在沸石表面，供给微生物的生长利用，而且许多丝状真菌和酵母分泌具有黏性的胞外多糖，也促进了这种吸附和生物反应的物质传递。

7.由于本发明添加了专用改性沸石，与只采用木屑/木片等传统辅料工艺相比，早期升温速度快，微生物发酵完毕时脱水和降温更加迅速。因此，微生物发酵所需时间最大可缩短到7天，比国内外同类工业化技术的周期缩短1/2～3/4，因此可大大提高工作效率，同时也更适合于微生物固态发酵过程的自动控制。

8.有利于微生物固态发酵产品减量化和提高反应设备的利用效率。从我们的实验情况来看，加入5％-10％的专用改性沸石，可将木屑减量一半以上，因此微生物发酵产品中木屑含量大大降低，与发酵基质处理减量化的原则相符合，为后续发酵基质土地利用创造了良好条件。此外，因木屑密度较专用改性沸石小，降低木屑比例、提高专用改性沸石用量，还有利于提高微生物固态发酵反应设备的利用效率。

具体实施方式

实施例1：首先对上海某农场苹果渣的发酵基质进行采样分析，发酵基质的基本性质为：含水率80％，总有机质550g/kgDM，大肠菌群值≥24,000MPN/100gDM。然后添加含水率10％～20％左右的木屑和发酵专用改性沸石两种材料作为辅料，添加量分别为发酵基质重量的15％和5％。将上述物料放入由通风系统与自动搅拌系统紧密配合的动态好氧发酵仓。控制回流物料的重量为发酵基质重量的40％。然后双向搅拌，使发酵优势菌群均匀混合到物料体系中。开启空气泵，通风量控制在300L/min，每隔12小时定向搅拌20分钟，经过7天处理后出料，物料重量减少43.0％。检测发酵基质中大肠菌群值＜30MPN/100gDM，蛔虫卵100％灭活，发酵仓内NH₃浓度低于1.0mg/m³，发芽指数＞60％，物料均匀，符合土地利用的相关要求。最后进行过筛，将发酵专用改性沸石从无害化处理的发酵基质中分离，再次在配料中作为辅料循环利用。

实施例2：取上海金山某酒厂酒糟100g，其干物质浓度6％，按1∶4比例调配改性沸石和麦麸混合物，将混合物加入稻谷酒精糟中，拌匀，再加入干物质总量4％的硫酸氨，0.01％的乳酸菌干粉，0.01％活性酿酒精干酵母，再按秸杆和麦麸重量加入纤维素酶6μ/g，木聚糖酶3μ/g和果胶酶1μ/g，按麦麸重量加入糖化酶50μ/g，酸性蛋白酶8μ/g，充分搅拌均匀，控制发酵料含水份在60％，30～35℃发酵1～4天，即得饲料产品。产品粗蛋白质含量20.54％，粗纤维降解率30％左右。

实施例3：取压榨脱水后的薯渣100kg，按比例添加15％麸皮、15％改性沸石、1.5％硫酸铵、0.75％过磷酸钙，接种5％黑曲霉菌种、15％白地霉菌种，物料含水量68％，在固态发酵机(中国农业机械化科学研究院提供)中进行发酵，发酵温度28～30℃，发酵50小时后60～65℃干燥5小时，制备得到蛋白饲料成品。检验生产的蛋白饲料产品与薯渣原料(经过所述压榨脱水步骤)，其中，粗蛋白含量的测定方法参照GB/T14771-1993，氨基酸含量的测定方法参照GB/T18246-2000，维生素B1含量的测定方法参照GB/T12390-1990，维生素B2含量的测定方法参照GB/T12391-1990。检验结果，饲料产品蛋白含量增长60％以上，其中各种氨基酸含量均较原料有所提高，营养价值提高，此外，蛋白饲料中的维生素B含量与原料相比也有明显提高。该饲料产品的安全性符合饲料标准，并且，产品颜色相对于原料有明显的改善，气味芳香，物料疏松。

实施例4：取中药厂黄芩药渣，将烘干粉碎后的黄芩药渣以2％的稀硫酸煮沸2h进行预处理。将经预处理后的药渣加水，其含水量60％。调至pH值为5，按发酵干物质的质量加入15％的改性沸石、5％的玉米浆、2％的尿素混合均匀，制成发酵培养基。然后接种酵母茵液体种，48小时后发酵成高蛋白菌体饲料。

Claims (3)

1.一种微生物固态发酵新材料，其特征在于：在微生物发酵时，首先添加沸石吸附材料与废弃物基质混合，沸石吸附材料同废弃物基质一同发酵，发酵完成前将沸石吸附材料筛分出，沸石吸附材料可重复使用。

2.根据权利要求1所述的沸石吸附材料，其特征在于运用简单的工艺完成沸石改性为固态发酵专用型，提高耐磨损能力以及抗氧化能力。

工艺流程：红辉沸石+氢氧化钠→无机酸处理→过滤、洗涤→固定有效菌→干燥→固态发酵专用改性沸石。

3.根据权利要求1所述的沸石吸附材料，其特征在于其表面微孔中附着的优势微生物可随其一起作为回料利用。