CN113087560A - 液态有机质肥料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种液态有机质肥料的制备方法，其包括：提供第一溶液；调整第一溶液至第一pH值；加入醣化酵素酶于第一溶液中以反应形成醣化溶液；将醣化溶液与优选的酵母菌混合以形成第一混合物；使第一混合物于第一温度下在反应槽中发酵第一时间以生成酿造酒液；对酿造酒液进行蒸馏，分离酒精之后，以获得液态酒醪；以及添加氮、磷以及钾于该液态酒醪中以形成液态有机质肥料。

Description

液态有机质肥料及其制备方法

技术领域

本发明关于一种肥料及其制备方法，更具体地，是关于一种液态有机质肥 料及其制备方法。

背景技术

肥料是一种或多种植物成长发育所必需的营养元素，约30％～50％的作物产 量增加可归因于天然或无机化学合成的商业肥料。肥料通常直接用于土壤，或 喷洒于叶片。市面上出售的肥料种类及品牌极多，依成分可分为无机肥料和有 机质肥料，其中无机肥料是通过土壤中有机质的分解、转化、间接供作物吸收， 相较于无机肥料，有机质肥料能为农作物提供全面营养，增加和更新土壤有机 质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，且其肥效长。

有机质肥料依状态主要可分为液态有机质肥料和固态有机质肥料，液态有 机质肥料由于肥分已转化成植物可利用的型态，可被植物迅速吸收利用而具有 “实时反应”的特性，因此常用于提高有机农业作物的产量及质量。以下表1为 固态有机质肥料与液态有机质肥料的差异性说明。

表1

液态有机质肥料依制造过程的不同，又可分为淋洗液态肥料、萃取液态肥 料及发酵液态肥料。淋洗液态肥料是堆肥资材在堆肥过程中阶段性的淋洗取出 液，由于其成分不稳定，利用性较差；萃取液态肥料则是腐熟完全的堆肥经水 萃取后所得到，如堆肥液、发酵工业废液，所含养分较稳定且病原菌较少，利 用性较高；发酵液态肥料是各有机材料依一定比例与水混合，进行液态发酵一 段时间后的液体肥料。

然而，不论以何种方式制造，由于中国有机质肥料生产企业规模以中小型 为主，生产成本较高，批量产品质量控制不稳定，尤其是利用有机堆肥生产的 产品更是如此。因此在有机质肥料市场，中国台湾还有很大的发展空间。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明提供一种能够有效提升液态有机质肥料的制备速 度、降低生产成本、较为简易且绿色环保的液态有机质肥料制备方法及利用此 方法制备的液态有机质肥料。

本发明的一目的在于提供一种液态有机质肥料的制备方法，其包括：提供 第一溶液；调整第一溶液至第一pH值；加入醣化酵素酶于第一溶液中以反应 形成醣化溶液；将醣化溶液与优选的酵母菌混合以形成第一混合物；使第一混 合物于第一温度下在反应槽中发酵第一时间以生成酿造酒液；对酿造酒液进行 蒸馏，分离出酒精，以获得液态酒醪；以及添加氮、磷以及钾于该液态酒醪中 以形成液态有机质肥料。

较佳地，第一混合物中的该酵母菌占0.1～0.6重量％。

较佳地，第一时间为20至100小时。

较佳地，第一溶液包括水，以及糖、淀粉原料或其组合。

较佳地，酵母菌为马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)。

较佳地，第一pH值为4.0～5.5。

较佳地，第一温度为约35～40℃。

较佳地，第一溶液的糖度为5.0～15.0Bx。

较佳地，氮、磷以及钾的添加量分别为以液态酒醪为基础的约1wt.％至5 wt.％。

本发明的另一目的在于提供一种以上述方法制得的液态有机质肥料。

本发明的液态有机质肥料制备方法能够有效提升液态有机质肥料的制备速 度、降低生产成本、较为简易且可以使制酒产生的附属产物被再次利用进而增 加收益，而所制得的液态有机质肥料制备与传统肥料相比较有明显较佳的肥效。

附图说明

结合附图参照以下详细说明将使本发明对于所述技术领域中具有通常知识 者而言变得更加显而易见，其中：

图1为根据本发明实施例的液态有机质肥料的制备方法的示意性流程图；

图2为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪 的基础成分检验报告；

图3为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪 的胜肽成分分析报告；

图4和图5为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液 态酒醪中的游离胺基酸报告；

图6为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪 中的检验报告；

图7为对一般叶菜类分别施予根据本发明实施例的液态有机质肥料与传统 肥料后的照片；以及

图8为对草莓分别施予根据本发明实施例的液态有机质肥料与传统肥料后 的照片。

附图标记说明

10…液态有机质肥料的制备方法

S101～S113…步骤

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明的液态有机质肥料的制备方法，为使 其便于理解，下述实施例中的相同组件系以相同的符号标示来说明。

本文中所述的任一数值范围旨在包含涵盖所述范围内的具有相同数值精度 的所有子范围。举例而言，范围“1.0至10.0”旨在包括所述最小值1.0及所述 最大值10.0以及所述最小值1.0与所述最大值10.0之间(即，等于或大于1.0的 最小值及等于或小于10.0的最大值的值)的所有子范围，例如，1.1至8.6。本 文中所述的任一最大数值限制旨在包含涵盖其中的所有较低数值限制，且本说 明书中所述的任一最小数值限制旨在包含涵盖其中的所有较高数值限制。

本文中所用的“液态酒醪”系指发酵完成后的酿造酒液在经过蒸馏程序分 离出期望产物(即蒸馏酒)之后剩下的液态残余物。

图1为根据本发明实施例的液态有机质肥料的制备方法10的示意性流程 图。如图1所示，根据本发明实施例的液态有机质肥料的制备方法10包括：提 供第一溶液的步骤S101；调整第一溶液至第一pH值的步骤S103；加入醣化酵 素酶于第一溶液中以反应形成醣化溶液的步骤S105；将醣化溶液与酵母菌混合 以形成第一混合物的步骤S107；使第一混合物于第一温度下在反应槽中发酵第 一时间以生成酿造酒液的步骤S109；对酿造酒液进行蒸馏以获得液态酒醪的步 骤S111；以及添加氮、磷以及钾于液态酒醪中以形成液态有机质肥料的步骤 S113。

在步骤S101中，第一溶液的糖度(Degrees Brix，符号°Bx)可为5.0～15.0， 较佳地为8.0～12.0，更佳地为8.8。当糖度超过15.0Bx时，于后续步骤中加入 的酵母菌可能会因为渗透压的关系发生脱水以及死亡的现象。第一溶液可包括 水，以及糖、淀粉原料或其组合。淀粉原料的实例可包括但不限于米淀粉、小 麦淀粉、麦芽淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉、甘藷淀粉、芋头淀粉等。第一溶液 可同时包括糖以及淀粉原料，只要最后要转换成葡萄糖的糖度在上述范围内即 可。在第一溶液中包括有淀粉原料情况下，第一溶液需先经搅拌(糊化步骤)至 淀粉原料溶解后，再加入淀粉液化酶(液化步骤)使第一溶液的黏稠度降低以利 后续反应的进行。在第一溶液仅包括糖以及水的情况下，不需进行糊化步骤以 及液化步骤，只需将糖的重量：水的体积的比例调整至1：5～1：15，较佳地为 1：8～1：12，更佳地为1：10的范围内，使糖度在5.0Bx～15.0Bx之间即可， 基于相同原则，在第一溶液仅包括淀粉以及水的情况下，淀粉的重量：水的体 积的比例可为1：5～1：15，较佳地为1：8～1：12，更佳地为1：10的范围内。 在一实施例中，于糖、淀粉原料或其组合完全溶解于水中之后可进一步进行将 第一溶液升温至90～98℃约30分钟的灭菌步骤，此步骤可消除相关杂菌以避免 该些杂菌于后续发酵反应中消耗糖甚至产生快速酸化现象，进而导致酒精转化 效果降低，甚至反应失败的可能。

于步骤S103中，将得自步骤S101之第一溶液调整至第一pH值。此步骤 包括先将步骤S101提供的第一溶液快速降温至58～63℃后，再将第一溶液的 pH值调整至可使后续步骤中所用的酵母菌维持优化反应的状态的pH值的两阶 段步骤。举例而言，当后续步骤中所用的酵母菌为马克斯克鲁维酵母时，第一 pH值可为4.0～5.5。第一pH值可透过PID自适性酸碱度调适系统进行制程监 测并适时加入食用纯碱来调节。在透过PID自适性酸碱度调适系统检测确认第 一溶液的pH值在4.0～5.5的范围内后，可接著进行加入醣化酵素酶于第一溶液 中以反应形成醣化溶液的步骤S105。

在步骤S105中，向第一溶液加入醣化酵素酶，并在温度为50～65℃的恒温 条件下低速搅拌约30分钟，使第一溶液内的多醣结构溶液转换为单醣体。 50～65℃的温度会使步骤S105中的反应在醣化反应槽内产生正气压，避免外部 杂菌趁机侵入，有效提升后续酵母菌的反应条件。待自上述步骤S105获得的醣 化溶液降温至38～40℃后，进行将醣化溶液与酵母菌混合以形成第一混合物的 步骤S107。

于步骤S107中，与醣化溶液混合以形成第一混合物的酵母菌占第一混合物 0.06～0.1重量％。此步骤中所用的酵母菌可为国内菌种库中可提供以生产酒精 的菌种或是商业上可得的可生产酒精的菌种。在一实施例中，所用的酵母菌为 利用国内菌种库提供的不同特性菌种中筛选出7株耐高温酵母菌株，并对其在 高温条件下的酒精发酵性能进行了分析比较后，所挑出的耐高温能力和酒精发 酵能力最强，且在40℃发酵72小时的条件下酒精产量显著高于其他耐高温酵 母的马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)。为了避免外界杂菌侵入，此 步骤可在与外部大气隔离的洁净管路中一次完成，并于混合后将第一混合物送 置由PID控制技术调控的强制气体对流恒温室的反应槽中，以进行步骤S109 的发酵反应。

步骤S109为使第一混合物于第一温度下在反应槽中发酵第一时间以生成 酿造酒液的步骤，此步骤包括初期有氧发酵以及后期厌氧发酵两阶段的发酵反 应。于初期有氧发酵的发酵反应中，酵母菌系在有氧反应下进行酵母菌繁殖， 此时会消耗若干醣及氧气，因此，为引进洁净氧气供酵母菌快速繁殖，于初期 有氧发酵的发酵反应中可进行慢速搅拌。后期厌氧发酵的发酵反应系酵母菌在 厌氧反应下，将醣转换为酒精的发酵反应，此时第一混合物会释放大量的二氧 化碳及热量，为使酵母菌维持优化反应的状态，此时可将依据所用的酵母菌种 类来调整温度。举例而言，在使用之酵母菌为马克斯克鲁维酵母的情况下，可 将温度控制在35～40℃。进一步地，由于二氧化碳会溶于水，导致第一混合物 酸化，而若二氧化碳完全排出反应槽，会使反应槽产生负压，易使外部空气导 入，影响厌氧反应。故本发明以定压排放法，让二氧化碳在反应槽内维持一定 的正压力(约10～13公分水柱或约7.5～8毫米汞柱)，避免因压力过高，造成二 氧化碳大量溶于第一混合物中，导致第一混合物急速酸化现象。同时，此阶段 产生的二氧化碳气体还可透过回收装置，经清洗洁净后压缩为液态再利用。如 此一来不仅可避免二氧化碳大量排放于大气环境中造成污染，也可增加制程边 际效益。在一实施例中，为维持本案酵母菌的最佳反应条件，可以PID自适性 酸碱度调适系统进行监测并适时加入食用纯碱以调节发酵液的酸碱度，使发酵 反应条件维持在优化状态。

于后期厌氧发酵的发酵反应中，由于第一混合物中的酵母菌的凝聚作用， 使得反应槽底部的酵母菌的细胞密度增大，导致发酵速度加快，发酵过程中产 生的二氧化碳量增多，同时由于第一混合物的液柱高度产生的静压作用，也使 二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化，因此反应槽内第一混合物的密度也呈现 梯度变化，此时透过反应槽外设置的强制气流温度控制装置，可以控制发酵各 阶段温度。在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及反应槽上部降 温产生的温差(1～2℃)等交互作用下，将导致反应槽内的第一混合物产生强烈 的自然对流，增强了酵母菌与第一混合物中的其他成分的接触，促进了酵母菌 的代谢，使发酵速度加快，且反应槽越高对流越强。因此后期厌氧发酵的发酵 反应可透过强烈对流，在不需另外搅拌的情形下，提高酵母菌的发酵能力，加 快发酵速度，进而将发酵周期缩短为20至100小时，较佳地为72小时以生成 酒精浓度在10％以上的酿造酒液。

接着，实施对酿造酒液进行蒸馏以获得液态酒醪的步骤S111，此步骤的目 的主要是将后续可用作为蒸馏酒的部分分离出去，留下作为附属产物的液态残 余物，也就是本发明中的液态酒醪来作为液态有机质肥料的基底材料。本发明 的液态酒醪中内含约10种植物生长所需的胺基酸，为此，当能对植物生长提供 所需的营养元素。最后，在步骤S113中加入氮、磷以及钾于液态酒醪中，以进 一步有效提供不同植物生长所需的营养源，从而完成本发明的液态有机质肥料 的制备。

在加氮、磷以及钾于液态酒醪中以形成液态有机质肥料的步骤S113中，氮、 磷以及钾的添加量可分别为以液态酒醪为基础约1wt.％至5wt.％。

以下提供实例以充分说明根据本发明实施例的含氮肥料制备方法制得的含 氮肥料的优点。

实例

A.液态酒醪的制备

a.取100g的淀粉与砂糖两者混合或个别单一品项原料以及1000ml的纯 水混合后，升温至55～60℃并于持温状态下搅拌10分钟来促使糖完全溶于水中 以形成第一溶液，并将第一溶液升温至90～98℃约30分钟以进行灭菌，此时第 一溶液的糖度为8.8Bx。

b.于第一溶液快速降温至58～63℃后，再以PID自适性酸碱度调适系统进 行监测并适时加入食用纯碱以将第一溶液的pH值调整至4.0～5.5。

c.向第一溶液加入醣化酵素酶，添加的糖化酵素酶与糖的重量比为 0.6:100，并在温度为50～65℃的恒温条件下低速搅拌约30分钟以反应形成醣化 溶液。

d.待醣化溶液降温至38～40℃后，将醣化溶液与寄存编号为BCRC 21499 的马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)以100：0.1～0.6的重量比例混合 以形成第一混合物。

e.使第一混合物于35℃下在反应槽中发酵72小时以获得酿造酒液，此过 程中反应槽内正压力维持在约7.5～8毫米汞柱，最后对酿造酒液进行蒸馏，取 得液态酒醪。

委托食品工业发展研究所以及中兴大学对所得的液态酒醪进行检验之后可 获得如图2至图6所示的分析报告。

图2为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪 的基础成分检验报告，图3为用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基 底材料的液态酒醪的胜肽成分分析报告，图4和图5为用作为根据本发明实施 例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪中的游离胺基酸报告，而图6为用 作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪中的检验报 告。

由图2可看出用作为根据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液 态酒醪中包含0.1g/ml的灰分(也就是矿质肥料)；由图4及图5可看出用作为根 据本发明实施例的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪中包括磷丝胺酸、牛 磺酸、天门冬胺酸、酥胺酸、丝胺酸、麸胺酸、丙胺酸、γ-胺基丁酸、鸟 胺酸以及离胺酸等10种植物生长所需的胺基酸，且含量为100g的液态酒醪中 即包含有2.16mg的游离胺基酸；而由图6可以看出用作为根据本发明实施例 的液态有机质肥料的基底材料的液态酒醪中包括有91.2％的有机质，但是氮、 磷以及钾的含量较少。

B.液态有机质肥料的制备

本发明实例采取以下表2中所列的因子搭配稀释倍数进行实验设计，以上 述步骤A制得的液态酒醪作为基底材料制备液态有机质肥料。

表2

依照以上表2所列的因子以及稀释倍数，利用如以下表3所列的组合制备 液态有机质肥料1～9。

表3

将表3所列的液态有机质肥料1～9以每隔7天施予皇宫菜之后，对三个不 同生长区域的作物进行评估，每区抽样6株，针对生长情形与一般种植的生长 状况相比较，给予0～5分并求其平均值，其结果如以下表4所示，其中p1、p2 以及p3为不同生长区域的编号。

表4

液态有机质肥料No.	p1	p2	p3	MSD	S/N比
						1	2.0	1.7	1.85	3.43	-5.35
2	1.7	1.55	1.65	2.67	-4.26
						3	1.1	0.9	1	1.01	-0.04
4	0.7	0.9	0.8	0.64	1.93
						5	1.55	1.45	1.65	2.40	-3.80
6	1.9	2.1	2	4.00	-6.02
						7	1.6	1.8	1.7	2.89	-4.60
8	0.6	0.65	0.65	0.40	3.97
						9	2.7	2.3	2.6	6.44	-8.08

参照表2整理表4的结果，可得到如下所示的表5的S/N比反应表。

表5

对应于表2，表5中的水平值I表示1wt％或稀释200倍，水平值II表示3 wt％或稀释500倍，而水平值III表示5wt％或稀释800倍。表5中所列数值为 相应因子以及水平值的组合的平均值，举例而言，表5中的-3.22表示表4中氮 肥1wt％的组合的S/N比的平均，也就是液态有机质肥料1、2以及3的S/N比 的平均，而表5中的1.96表示表4中稀释800倍的组合的S/N比的平均，也就 是液态有机质肥料3、4以及8的S/N比的平均。表5中的“最大-最小”为该栏数值的最大减最小，举例而言，“磷肥”栏的“最大-最小”为-2.67-(-4.72)＝2.05。 由表5可以看出，在氮肥添加量为5wt.％、磷肥添加量为5wt.％且钾肥添加量 为3wt.％，并以800倍稀释使用时，本发明的液态有机质肥料的效果最好。

将氮肥添加量为5wt.％、磷肥添加量为5wt.％且钾肥添加量为3wt.％的 本发明的液态有机质肥料以800倍稀释后施用于一般叶菜类植物以及草莓之 后，观察其生长状况，并与施用传统肥料的一般叶菜类植物以及草莓进行比较， 其结果如图7以及图8所示。

图7为对一般叶菜类分别施予根据本发明实施例的液态有机质肥料与传统 肥料后的照片。图8系为对草莓分别施予根据本发明实施例的液态有机质肥料 与传统肥料后的照片。图7以及图8分别以施予根据本发明实施例的液态有机 质肥料的一般叶菜类或草莓作为实验组，以施予传统肥料的一般叶菜类或草莓 作为对照组的比较照片。由图7以及图8可以清楚看出，根据本发明实施例的 液态有机质肥料与传统肥料相比较有明显较佳的肥效。

根据以上实例可以清楚看出本发明的液态有机质肥料制备方法能够有效提 升液态有机质肥料的制备速度、降低生产成本、较为简易且可以使制酒产生的 附属产物被再次利用进而增加收益，而所制得的液态有机质肥料制备与传统肥 料相比较有明显较佳的肥效。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴， 而对其进行的等效修改或变更，均应包括于后附的权利要求中。

Claims (10)

1.一种液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，其包括：

提供第一溶液；

调整所述第一溶液至第一pH值；

加入醣化酵素酶于所述第一溶液中以反应形成醣化溶液；

将所述醣化溶液与酵母菌混合以形成第一混合物；

使所述第一混合物于第一温度下在反应槽中发酵第一时间以生成酿造酒液；

对所述酿造酒液进行蒸馏并分离出酒精以获得液态酒醪；以及

添加氮、磷以及钾于所述液态酒醪中以形成液态有机质肥料。

2.如权利要求1所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，在所述第一混合物中，所述醣化溶液与所述酵母菌的重量比为100：0.1～0.6。

3.如权利要求1所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述第一时间为20至100小时。

4.如权利要求1所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述第一溶液包括水，以及糖、淀粉原料或其组合。

5.如权利要求1所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述酵母菌为马克斯克鲁维酵母。

6.如权利要求5所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述第一pH值为4.0～5.5。

7.如权利要求5所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述第一温度为35～40℃。

8.如权利要求5所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，所述第一溶液的糖度为5.0～15.0Bx。

9.如权利要求1所述的液态有机质肥料的制备方法，其特征在于，氮、磷以及钾的添加量分别为以所述液态酒醪为基础的1wt.％至5wt.％。

10.一种液态有机质肥料，其特征在于，其由如权利要求1至9中的任一项所述的液态有机质肥料的制备方法所制得。

Images