CN110272305A - 一种植物源材料高温堆肥方法及其中使用的酵头 - Google Patents

一种植物源材料高温堆肥方法及其中使用的酵头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种植物源材料高温堆肥方法及其中使用的酵头。一种植物源材料高温堆肥酵头，酵头的原材料包括：第一植物源堆肥材料50～70重量份，第二植物源堆肥材料0重量份或15～30重量份，第三植物源堆肥材料5～10重量份，堆肥菌吸附剂10～15重量份，所述的堆肥菌吸附剂由堆肥超高温菌吸附剂和堆肥高温菌吸附剂组成，上述物料均按干物计。只要使用本发明高温酵头，均能使所有植物源废弃材料(例如作物秸秆、树枝、尾菜、蘑菇渣、糖渣、糠醛渣、酒渣、醋渣、中药渣等)在一个月之内达到完全腐熟，所获堆肥产品可以达到商品有机肥的行业标准，即有机质大于45％，氮磷钾总养分大于5％，水分小于30％，pH5.5～8.5。

Description

一种植物源材料高温堆肥方法及其中使用的酵头
技术领域
本发明属于固体堆肥发酵技术领域，涉及一种植物源材料高温堆肥方法及其中使用的酵头。
背景技术
植物源堆肥材料包括农作物秸秆、城市园林修剪枯枝落叶、中药渣、木署渣、酒渣、醋渣、糠醛渣、食用菌渣等，我国每年产生这些有机废弃物约20亿吨，如果做成商品有机肥或生物有机肥，将是一个巨大的资源。而且植物源材料不含或含量很低的重金属、抗生素、环境类激素等有毒有害物质，是生产绿色农产品甚至有机农产品最好的原材料。与动物源粪便相比，植物源材料因其纤维素、木质素含量高，需要的堆肥温度高和时间长，加大了企业生产成本。植物源材料分解速度最快的堆肥温度为65-75℃，因此如何激发堆肥微生物活动，使堆肥温度迅速上升至65-75℃，并维持更长的时间，是决定堆肥企业效益的关键。因此获得高质量的高温堆肥微生物的起爆剂(堆肥酵头)是其中的技术瓶颈。超高温微生物的最适生长温度为60-65℃，但是液体发酵扩繁这些高温微生物一般需要48小时以上的生长时间，如此长时间靠蒸汽维持几吨体积的发酵罐温度生产上就很难实现，这成为高温菌生产的限制因子。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种植物源材料高温堆肥酵头及其制备方法。
本发明的另一目的是提供利用该酵头进行植物源材料高温堆肥的方法。
本发明的目的可通过以下技术方案实现：
一种植物源材料高温堆肥酵头，酵头的原材料包括：第一植物源堆肥材料50～70重量份，第二植物源堆肥材料0重量份或15～30重量份，第三植物源堆肥材料5～10重量份，堆肥菌吸附剂10～15重量份，上述物料均按干物计；
所述的第一植物源堆肥材料选自作物秸秆、枯枝落叶、木署渣、食用菌菇渣中的任意一种或多种；
所述的第二植物源堆肥材料选自糠醛渣或糖渣中的任意一种或多种；
所述的第三植物源堆肥材料选自豆饼、菜饼或棉子饼中的任意一种或多种；
所述的堆肥菌吸附剂由堆肥超高温菌吸附剂和堆肥高温菌吸附剂组成；所述的堆肥超高温菌吸附剂是由麦麸吸附嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液制得；所述的堆肥高温菌吸附剂是由麦麸吸附堆肥真菌和堆肥芽孢杆菌发酵液制得。
其中,所述的堆肥超高温菌为保藏号为CGMCC No.14935的嗜热脂肪土芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)NJAU B5。
所述的嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液优选是将嗜热脂肪土芽孢杆菌接种于LB培养基，于65℃，160rpm发酵45～50小时获得的芽孢含量为5ⅹ109个/ml的菌液。
所述的堆肥超高温菌吸附剂是由每公斤麦麸吸附0.3～0.5升嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液制得。
所述的堆肥真菌选自保藏编号为CGMCC No.3309的烟曲霉(Aspergillusfumigatus)NJZ5。
所述的堆肥真菌发酵液优选通过以下方法制备：向PDA液体培养基中接入孢子悬液，至终浓度为1x107个/mL，于45℃、200rpm摇床振荡培养24h。
所述的堆肥芽孢杆菌选自保藏编号为CGMCC NO.3183的枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)NJN-6。
所述的堆肥芽孢杆菌发酵液通过以下方法制备：将堆肥芽孢杆菌接种到PDA培养液进行发酵生产，发酵生产条件为：pH为6.0～7.0，培养温度30～35℃，搅拌速度为180～300转/分钟，培养约48小时，当发酵液菌含量达到1010个/ml结束发酵得到堆肥芽孢杆菌发酵液。
所述的堆肥高温菌吸附剂优选是由每3公斤麦麸吸附1～2升堆肥真菌发酵液和1升堆肥芽孢杆菌发酵液制得。
所述的堆肥超高温菌吸附剂和堆肥高温菌吸附剂的质量比为0.8～1.5:1。
所述的酵头优选含超高温菌达到109个/克数量级，堆肥真菌达到109CFU/克数量级，其他芽孢杆菌达到109个/克数量级。
作为本发明所述的植物源材料高温堆肥酵头的进一步优选，所述的植物源材料高温堆肥酵头主要通过以下方法制备得到：
(1)含有第二植物源堆肥材料的情况：
将第一植物源堆肥材料、第二植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，在高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵，每2～5天翻堆一次，共翻堆4-7次顺利通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头；
(2)不含有第二植物源堆肥材料的情况：
将第一植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，在高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵，每2～5天翻堆一次，如此重复5～7次顺利通过堆肥的升温和高温期，整个升温和高温期间，每天测定堆温的同时测定堆肥的pH值，从高温堆肥的第二次翻堆起，如果堆肥的pH超过7.5，需要用酸性水溶液喷在堆肥材料上，以后毎天监测pH，需要时用上述方法调节堆肥pH，使之始终控制在5.5～7.5；接着经历5～10天的降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头。
其中，所有原材料均粉碎通过1cm筛，但不能过细，以便在发酵过程中有利于提供氧气。
本发明所述的植物源材料高温堆肥酵头的制备方法，包含以下方法：
将第一植物源堆肥材料、第二植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，在室温高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵；初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，每2～5天翻堆一次，共翻堆4-7次顺利通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头。
作为本发明所述的制备方法的优选，当堆温第一次达到75℃，结合翻堆调节堆肥含水量为48％～52％，进入后熟期堆肥含水量控制在小于30％。
本发明制备方法中，翻堆越彻底越好，以便给堆肥充分供氧。
按照本发明制备方法，只需15～20天就能顺利通过堆肥的升温和高温期。
本发明所述的植物源材料高温堆肥酵头在植物源材料高温堆肥中的应用。
一种植物源材料高温堆肥方法，以8～12wt％的量将所述的植物源材料高温堆肥酵头添加到有机物料中进行高温堆肥发酵；每2～3天翻堆一次,升温至70℃以上，如此重复5～7次通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期8～12天制备得到植物源材料高温堆肥。
作为所述的植物源材料高温堆肥方法的，在整个升温和高温期间，每天测定堆温的同时测定堆肥的pH值，当pH值超过7.5时，加10％的糠醛渣或15％的糖渣，或直接喷洒10％(V/W)的0.1mol/L的硫酸溶液，以便将堆肥的pH值始终控制在6.5～7.5。
有益效果：
本发明提供了以植物源材料为主体材料进行的固体高温发酵生产高温酵头，该酵头含超高温菌(嗜热土芽孢杆菌)达到2×109个/克，堆肥真菌达到1×109CFU/克，其他芽孢杆菌达到9×109个/克，生产商品有机肥时只需添加10％的酵头，就能使堆肥最高温度达到70～75℃，确保有机废弃物无害化处理和资源化利用。
结果表明，只要使用本发明高温酵头，均能使所有植物源废弃材料(例如作物秸秆、树枝、尾菜、蘑菇渣、糖渣、糠醛渣、酒渣、醋渣、中药渣等)在一个月之内达到完全腐熟，所获堆肥产品可以达到商品有机肥的行业标准，即有机质大于45％，氮磷钾总养分大于5％，水分小于30％，pH5.5～8.5。
附图说明
图1固体发酵制备酵头的堆温-时间关系图
图2高温堆肥发酵的堆温-时间关系图
生物材料保藏信息
NJAU B5，分类命名为嗜热脂肪土芽孢杆菌Geobacillus stearothermophilus，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期2017年11月20日，保藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏编号CGMCC No.14935。
NJZ5，分类命名为烟曲霉Aspergillus fumigatus，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期2009年09月22日，保藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏编号CGMCC No.3309。
NJN-6，分类命名为枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期2009年07月09日，保藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏编号CGMCC NO.3183。
具体实施方式
实施例1
由于嗜热脂肪土芽孢杆菌NJAU B5(CGMCCNo.14935)的最适和生长最快的温度为65℃，50～60℃下生长很慢，低于50℃就成为休眠芽孢，而工厂化生产的发酵罐(哪怕是100升规格的小发酵罐)液体扩繁很难长时间(48小时以上)维持这个高温(65℃)，因此，只能通过摇瓶在摇床控温(65℃)条件下进行液体菌种扩繁。具体步骤如下：准备好2个摇床，每个摇床能装4个1升的摇瓶，将LB液体培养基放入容量为1升的摇瓶中(每瓶装600ml液体培养基)，灭菌后接种高温菌后，将摇床(4个摇瓶/摇床)内的温度控制在65℃，160rpm培养48小时，获得芽孢含量为5×109个/ml的液体菌种，用15公斤固体麦麸吸附全部液体菌种(600ml×8个摇瓶＝4.8升)，制成堆肥超高温菌剂(20公斤左右/袋)，包装(无需抽真空包装，因为在室温下该高温菌不会萌发)。
堆肥真菌烟曲霉NJZ5(CGMCCNo.3309)在50℃时仍能保持较高的分解有机物质的能力，NJZ5发酵液的制备方法为：将活化的菌种接种到装有50mL固体PDA培养基的250mL的三角瓶中，45℃下培养3天后，无菌条件下加入10mL高温灭菌的0.9％的NaCl溶液，120rpm震荡约30min后，用两层无菌纱布过滤除去菌丝及孢子囊，并用血球计数板统计孢子悬液里面的孢子浓度；用250mL三角瓶，装入50mL PDA液体培养基，接入NJZ5孢子悬液至终浓度为1×107CFU/mL，于45℃、200rpm摇床振荡培养24h，即可。
堆肥芽孢杆菌NJN-6(CGMCC NO.3183)在55℃时仍能保持较高的分解有机物质的能力。所述的枯草芽孢杆菌NJN-6发酵液按照中国专利CN101659934A进行制备：将菌株NJN-6接种到PDA培养液进行发酵生产，发酵生产条件为：pH为7.0，培养温度35℃，搅拌速度为220转/分钟，获得密度为1010个/ml的枯草芽孢杆菌NJN-6菌液；其中，PDA培养液配制：以配制1L的量为例：200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，经过四层医用纱布过滤后向滤液中加20g蔗糖，定容至1000ml，pH值调至7.2～7.4，121℃灭菌20min。
用麦麸吸附堆肥真菌烟曲霉NJZ5发酵液和堆肥芽孢杆菌NJN-6发酵液，麦麸与NJZ5和NJN-6发酵液的质量体积比为3:1:1(公斤：升：升)，制成堆肥高温菌剂(20公斤左右/袋)，抽真空包装。
将20公斤的堆肥超高温菌剂(含水量25％)和20公斤的堆肥高温菌剂(含水量25％)与170公斤的固体有机物料混合物(50公斤木薯渣、50公斤蘑菇渣、50公斤糖渣、20公斤菜籽饼，均按干物计)和5公斤硫酸铵充分混匀后，加水使物料含水量达到60％，将该混合物尽量堆高后放在一个室温大于10℃的空间内，让其进行固体发酵。
从图1可看出，该堆肥开始升温至56℃时就不再升温了(物料好氧分解过程消耗氧气，限制了堆肥微生物的活性)，然后进行第一次翻堆(翻堆的目的是让堆肥物料充分曝氧)，翻堆后的温度下降至46℃，然后约36小时又升至65℃后，在后来的12小时内略有增加(68℃)，然后进行第二次翻堆，翻堆后的温度下降至55℃，然后约24小时又升至72℃，此后堆温又不上升了，然后进行第三次翻堆，翻堆后的温度下降至52℃，然后11小时升至75℃，然后6小时一直维持在75℃，达到该堆肥最高温度，以后又不再升高了，然后进行第四次翻堆，翻堆后的温度下降至38℃，约15小时后堆肥温度再度上升到73℃，此后的48小时内堆温一直维持在70℃以上，然后再进行第五次翻堆，翻堆后的温度下降至36℃，接着的升温只到了72℃，再也不能升至75或74℃，说明该堆肥物料已经顺利通过高温发酵阶段，接着就是后熟阶段(约5～7天)(图1)；该酵头含超高温菌(嗜热土芽孢杆菌)达到2×109个/克，堆肥真菌达到1×109CFU/克，其他芽孢杆菌达到9×109个/克。
表1第一次高温堆肥酵头制作
以该200公斤的发酵产物，再次作为酵头，扩大发酵2吨(扩大10倍)的有机物料(有机物料的组成还是与酵头原料组成相同)，其发酵温度变化规律完全与200公斤的堆肥发酵一致，最高温度达到74℃，同样物料顺利通过高温发酵阶段(图2)。
表2第二次制作酵头
以该酵头发酵有机物料的温度变化完全符合高温堆肥的温度变化规律，即每2～3天(48～72小时)翻堆一次、翻堆后升温至70℃以上再进行下一次翻堆，如此重复5～7次(15～20天)，就能拿顺利通过堆肥的升温和高温期，接着就是降温后熟期10天左右。在整个升温和高温期间，每天测定堆温的同时测定堆肥的pH值，当pH值超过7.5时，加堆体质量10％的糠醛渣(pH1～3)或15％的糖渣(pH3)，或直接喷洒10％(V/W)的0.1mol/L的硫酸溶液，以便将堆肥的pH值始终控制在7左右，从而避免堆肥过程中的氨挥发。本专利结果表明，只要使用这种高温酵头，均能使所有植物源废弃材料(例如作物秸秆、树枝、尾菜、蘑菇渣、糖渣、糠醛渣、酒渣、醋渣、中药渣等)在一个月之内达到完全腐熟，所获堆肥产品可以达到商品有机肥的行业标准，即有机质大于45％，氮磷钾总养分大于5％，水分小于30％，pH5.5～8.5。

Claims (16)

1.一种植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于酵头的原材料包括：第一植物源堆肥材料50～70重量份，第二植物源堆肥材料0重量份或15～30重量份，第三植物源堆肥材料5～10重量份，堆肥菌吸附剂10～15重量份，上述物料均按干物计；
所述的第一植物源堆肥材料选自作物秸秆、枯枝落叶、木署渣、食用菌菇渣中的任意一种或多种；
所述的第二植物源堆肥材料选自糠醛渣或糖渣中的任意一种或多种；
所述的第三植物源堆肥材料选自豆饼、菜饼或棉子饼中的任意一种或多种；
所述的堆肥菌吸附剂由堆肥超高温菌吸附剂和堆肥高温菌吸附剂组成；所述的堆肥超高温菌吸附剂是由麦麸吸附嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液制得；所述的堆肥高温菌吸附剂是由麦麸吸附堆肥真菌和堆肥芽孢杆菌发酵液制得。
2.根据权利要求1所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥超高温菌为保藏号为CGMCC No.14935的嗜热脂肪土芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)NJAU B5。
3.根据权利要求2所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液是将嗜热脂肪土芽孢杆菌接种于LB培养基，于65℃，160rpm发酵45～50小时获得的芽孢含量为5ⅹ109个/ml的菌液。
4.根据权利要求3所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥超高温菌吸附剂是由每公斤麦麸吸附0.3～0.5升嗜热脂肪土芽孢杆菌发酵液制得。
5.根据权利要求1所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥真菌选自保藏编号为CGMCC No.3309的烟曲霉(Aspergillus fumigatus)NJZ5。
6.根据权利要求5所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于堆肥真菌发酵液通过以下方法制备：向PDA液体培养基中接入孢子悬液，至终浓度为1x107CFU/mL，于45℃、200rpm摇床振荡培养24h。
7.根据权利要求1所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥芽孢杆菌选自保藏编号为CGMCC NO.3183的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)NJN-6。
8.根据权利要求7所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥芽孢杆菌发酵液通过以下方法制备：将堆肥芽孢杆菌接种到PDA培养液进行发酵生产，发酵生产条件为：pH为6.0～7.0，培养温度30～35℃，搅拌速度为180～300转/分钟，当发酵液菌含量达到1010个/ml结束发酵得到堆肥芽孢杆菌发酵液。
9.根据权利要求1所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的堆肥高温菌吸附剂是由每3公斤麦麸吸附1～2升堆肥真菌发酵液和1升堆肥芽孢杆菌发酵液制得。
10.根据权利要求1所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的酵头含超高温菌达到109个/克数量级，堆肥真菌达到109CFU/克数量级，其他芽孢杆菌达到109个/克数量级。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的植物源材料高温堆肥酵头，其特征在于所述的植物源材料高温堆肥酵头主要通过以下方法制备得到：
(1)含有第二植物源堆肥材料的情况：
将第一植物源堆肥材料、第二植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，在高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵，每2～5天翻堆一次，共翻堆4～7次顺利通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头；
(2)不含有第二植物源堆肥材料的情况：
将第一植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，在高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵，每2～5天翻堆一次，如此重复5～7次顺利通过堆肥的升温和高温期，整个升温和高温期间，每天测定堆温的同时测定堆肥的pH值，从高温堆肥的第二次翻堆起，如果堆肥的pH超过7.5，需要用酸性水溶液喷在堆肥材料上，以后毎天监测pH，需要时用上述方法调节堆肥pH，使之始终控制在5.5～7.5；接着经历5～10天的降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头。
12.权利要求1～10中任一项所述的植物源材料高温堆肥酵头的制备方法，其特征在于包含以下方法：
将第一植物源堆肥材料、第二植物源堆肥材料、第三植物源堆肥材料及堆肥菌吸附剂均粉碎过筛，充分混匀后添加水分，在室温高于10℃的环境中进行固体堆肥发酵；初始堆肥时物料含水量控制在60％～65％，每2～5天翻堆一次，共翻堆4～7次顺利通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期制得植物源材料高温堆肥酵头。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于当堆温第一次达到75℃，结合翻堆调节堆肥含水量为48％～52％，进入后熟期堆肥含水量控制在小于30％。
14.权利要求1～10中任一项所述的植物源材料高温堆肥酵头在植物源材料高温堆肥中的应用。
15.一种植物源材料高温堆肥方法，其特征在于以8～12wt％的量将权利要求1～6中任一项所述的植物源材料高温堆肥酵头添加到有机物料中进行高温堆肥发酵；每2～3天翻堆一次,升温至70℃以上，如此重复5～7次通过堆肥的升温和高温期，接着经历降温后熟期8～12天制备得到植物源材料高温堆肥。
16.根据权利要求15所述的植物源材料高温堆肥方法，其特征在于在整个升温和高温期间，每天测定堆温的同时测定堆肥的pH值，当pH值超过7.5时，加10％的糠醛渣或15％的糖渣，或直接喷洒10％(V/W)的0.1mol/L的硫酸溶液，以便将堆肥的pH值始终控制在6.5～7.5。
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