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為解決目前秸稈飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)周期長、占用空間大等問題，基于優(yōu)先分解部分半纖維素的體外發(fā)酵工藝，研制了一種適用于農(nóng)作物秸稈的連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)，以實現(xiàn)秸稈發(fā)酵飼料的快速高效生產(chǎn)。該文分別以玉米、水稻和小麥3 種秸稈為原料、以木質(zhì)纖維素分解菌復(fù)合系MC1 為發(fā)酵劑，進(jìn)行了周期為3 d 的、連續(xù)梯度發(fā)酵試驗，對機(jī)器進(jìn)行性能檢測及相應(yīng)的改進(jìn)。通過試驗發(fā)現(xiàn)以玉米秸稈為原料時，機(jī)器運行效果最佳。發(fā)酵3 d 后，玉米秸稈變得松散柔軟，半纖維素少量分解，纖維素和木質(zhì)素基本不分解。該機(jī)操作簡、使用方便，發(fā)酵過程中能耗低，周期短，可實現(xiàn)秸稈發(fā)酵飼料的連續(xù)批次生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。

1.1 設(shè)計要求

連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)的基本要求是：

1）以鍘短（粉碎、揉搓變短）的干秸稈為原料；

2）3～5 d 分解期、連續(xù)批次生產(chǎn)，縮短貯存時間，減少貯存空間；

3）發(fā)酵過程主要降解秸稈中的半纖維素，纖維素不降解或少量降解；

4）創(chuàng)造厭氧生長為主、間歇好氧的條件，促進(jìn)木質(zhì)纖維素分解菌的生長繁殖；

5）以自身發(fā)熱升溫為主、加熱為輔，保持發(fā)酵物料的溫度于50~60℃，耗電量低；

6）操作簡單，農(nóng)戶可隨用隨制；

7）制造成本低、適合普通農(nóng)戶使用。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)由端板1、入料口2、上蓋板3、U 型筒4、主軸5、側(cè)出料口6、排氣扇7、清液口8、梯度隔板9、加溫板10、觀察口11、不同形式的槳葉桿12-1、12-2、12-3、12-4、電機(jī)及傳動13 等構(gòu)成；兩側(cè)的端板1、U 型板4、上蓋板3 和主軸5 構(gòu)成一個發(fā)酵室，梯度隔板9 將整個發(fā)酵室隔成3 個單獨的發(fā)酵倉，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 示，連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)由梯度隔板9在發(fā)酵室內(nèi)等間隔布置，可按照發(fā)酵周期要求設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的隔板。發(fā)酵室尺寸均（ 長×寬×高） 為：800 mm×740 mm×940 mm。梯度隔板9 分為上下2 塊，下塊位于U 型筒底部、與U 型筒固定，上塊位于U 型筒上部、與下塊板連接、可調(diào)節(jié)高度。主軸5 上安裝有按螺旋式排列4 種結(jié)構(gòu)不同的槳葉，分別是桿式槳葉12-1、葉片式槳葉12-2、彎板式槳葉12-3 和折板式槳葉12-4。

加溫板10 為硅橡膠電熱板，可在環(huán)境溫度較低的情況下保持發(fā)酵室內(nèi)發(fā)酵物的溫度。為了控制攪拌時出料量不至于過大，將側(cè)出料口6 安裝在U 型筒出料端的側(cè)面、沿著物料斜向上運動的方向，側(cè)出料口的下板略低于主軸中心，從而形成一個較小的出料范圍，在攪拌的過程中出料口及附近的物料在末端槳葉的推動下順勢排出。出料口側(cè)壁上裝有插板，用以調(diào)整出料口開度來調(diào)整出料量。排氣扇7 安裝在一側(cè)的端板1 上，在發(fā)酵溫度、濕度超過工藝要求后，可將其打開以排潮、降溫。

1.3 工作原理

設(shè)備工作原理如圖1 所示。

第1 批原料自入料口2 喂入發(fā)酵室①，發(fā)酵24 h 后，攪拌5 min，在螺旋排列的槳葉12-1、12-2、12-3 攪拌下和折板式槳葉12-4 推動下，物料自發(fā)酵室①撥入發(fā)酵室②。與此同時，喂入第2 批原料。第1 批原料發(fā)酵48 h、第2 批原料發(fā)酵24 h 時，重復(fù)以上操作，發(fā)酵室②的物料撥入發(fā)酵室③，發(fā)酵室①的撥入發(fā)酵室②，以此類推。從入料口到出料口，不同批次的物料依次分布于不同的發(fā)酵室內(nèi)，發(fā)酵時間均相差1 d，形成時間梯度。

按既定的發(fā)酵工藝天數(shù)確定梯度隔板的數(shù)量，發(fā)酵天數(shù)n、則安裝n-1 塊梯度隔板。發(fā)酵n 天后出第1 批料，并喂入與出料量等同的新原料。以后，每天進(jìn)出料，實現(xiàn)秸稈發(fā)酵飼料的連續(xù)生產(chǎn)。

設(shè)定加溫板10 的溫度下限與上限，輔助加熱，使秸稈溫度迅速升高至50～60℃之間，為分解菌體生長創(chuàng)造適宜的溫度條件；觀察口11 在攪拌時打開，使氧氣進(jìn)入發(fā)酵秸稈中，保證分解菌株生長所需的供氧量，從而促進(jìn)秸稈的分解發(fā)酵。

影響發(fā)酵試驗的因素有接種量、氮源添加量、發(fā)酵時間、料層厚度和發(fā)酵溫度等，為了利用秸稈生化降解時產(chǎn)生的熱量來提高料堆的溫度、而不會全部散發(fā)到環(huán)境中，減少加熱器耗電；經(jīng)試驗證明，秸稈發(fā)酵料堆厚度在600 mm以上發(fā)酵中保溫效果明顯，發(fā)酵中物料的厚度不應(yīng)小于600 mm。在自體發(fā)酵溫度不足時，利用加溫板10輔助加熱。

1.4 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

1.5 工作要求

1）由于秸稈的蓬松性，為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，在喂料中應(yīng)盡量保證送料速度均勻，以免堵塞。

2）梯度板的高度可根據(jù)實際裝料量上下調(diào)整，以控制設(shè)備內(nèi)物料的裝載量。一般情況，梯度板的高度與各個發(fā)酵室內(nèi)裝料高度接近。

2.1 材料

2.1.1 原料

壓塊玉米秸稈：30 mm×30 mm×30 mm，單塊平均密度250 g/cm³，質(zhì)量含水率約10.1%。水稻秸稈和小麥秸稈：切碎至2～3 cm。

2.1.2 接種劑

由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)培育、篩選的以優(yōu)先分解半纖維素為特色的木質(zhì)纖維素分解菌復(fù)合系MC1，甘油冷凍保存。用蛋白胨纖維素培養(yǎng)液(peptone cellulose solution，PCS 培養(yǎng)基）活化并擴(kuò)大培養(yǎng)后備用。

2.1.3 培養(yǎng)基地及其他

蛋白胨peptone、NaCl，自來水。其中蛋白胨peptone生產(chǎn)廠家為北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠。

2.2 方法

2.2.1 工藝流程

針對干秸稈水分低、營養(yǎng)成分有限的缺點，用一種區(qū)別于傳統(tǒng)秸稈微貯技術(shù)的體外半纖維素分解發(fā)酵技術(shù)，將玉米秸稈進(jìn)行發(fā)酵飼料生產(chǎn)試驗。試驗的工藝流程如圖2。

2.2.2 原料預(yù)處理

將1 批壓塊玉米秸稈或切碎的玉米、水稻秸稈投入不銹鋼容器中，待用。取干秸稈質(zhì)量1/500 的蛋白胨，加水制成1%（蛋白胨與水質(zhì)量比）的蛋白胨水溶液；并將預(yù)先活化好的木質(zhì)纖維素分解菌復(fù)合系MC1（MC1 容積與干秸稈質(zhì)量比為1:25）加入其中，混合均勻；之后加水稀釋為1:1（溶液容積與干秸稈質(zhì)量比）的含菌蛋白胨水溶液；噴灑到干秸稈表面并攪拌均勻。

農(nóng)作物秸稈是貧氮原料，碳氮比超出適宜的發(fā)酵范圍，這會影響微生物的繁殖和生長。蛋白胨為PSC 培養(yǎng)基中主要氮源，加入蛋白胨可增加秸稈中氮的含量，促進(jìn)微生物的快速生長和繁殖。

將發(fā)酵原料喂入連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)，根據(jù)試驗方法、以不同的秸稈為原料，對連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)進(jìn)行測試試驗，測試其裝料、溫度、運轉(zhuǎn)、攪拌及主軸及槳葉桿結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)的局部結(jié)構(gòu)、以滿足設(shè)計要求。

2.3 試驗設(shè)計

2.3.1 不同秸稈的飼料化效果試驗

調(diào)節(jié)梯度隔板的高度，將發(fā)酵飼料制備機(jī)分成3 個完全獨立的發(fā)酵室，通過測定秸稈堆體核心溫度及觀察秸稈的質(zhì)地來評價該設(shè)備對水稻、小麥和玉米3 種秸稈的飼化效果。將3 種秸稈分別裝入不同的發(fā)酵室中，裝料高度720 mm、裝料體積均為0.38 m³。每24 h 攪拌一次，時間為5 min 。相同容積下發(fā)酵原料量分別為玉米秸稈100.8 kg、稻草桿56.8 kg、小麥秸稈50.0 kg。壓塊玉米秸稈、稻草、小麥秸稈的填充密度分別為0.265、0.149、0.131 g/cm³。固態(tài)發(fā)酵中溫度的升高及維持主要是靠微生物代謝有機(jī)物產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)的，因此在一定程度上溫度可反映微生物的生長情況。秸稈容積密度低，堆體孔隙度大，散熱快，如果只靠微生物代謝產(chǎn)熱，堆體溫度升高緩慢，達(dá)到分解菌生長謝所需的適宜溫度所需時間較長。因此發(fā)酵初期，打開加溫板，加快堆體溫度的升高速度。將溫度計置于秸稈堆體的核心，每24 h 記錄一次。

2.3.2 設(shè)備運轉(zhuǎn)試驗

設(shè)備攪拌軸最初采用減速比1/17 擺線針輪減速機(jī)，電機(jī)功率為4 kW、輸出扭矩416 N·m，裝1 個發(fā)酵室的玉米秸稈50 kg。裝料時電機(jī)啟動未出現(xiàn)異常，在物料裝料發(fā)酵24 h 后，電機(jī)再次啟動時有異響、電機(jī)噪聲明顯增大、難以啟動。

經(jīng)過調(diào)整后，設(shè)備采用擺線針輪減速機(jī)、輸出轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速（10 r/min）、電機(jī)功率為5.5 kW。3 個發(fā)酵倉均裝滿料（約150 kg），設(shè)備可正常運轉(zhuǎn)。

電機(jī)的負(fù)載在75%～100%的額定負(fù)載之間，即負(fù)載率為75%～100%時，電機(jī)的效率與功率因數(shù)相對來說都比較高，且電機(jī)的容量也得到了較充分的利用，異步電動機(jī)的最大效率大約在額定負(fù)載的75%處，而功率因素卻在額定負(fù)載附近最高。

該電機(jī)型號Y132S-4，其額定數(shù)據(jù)P_N 為5.5 kW，I_N為11.6 A，n_N 為1 440 r/min，效率η_N 為85.5%，功率因數(shù)cosφ_N 為0.84。用鉗形表實測定子電流測試：3 次啟動后定子電流I₁ 分別為9.8、9.9 和10.1 A，取3 次測量平均值進(jìn)行計算。根據(jù)楊文斌等介紹的電機(jī)負(fù)載率的測定根據(jù)依據(jù)，測試電機(jī)負(fù)載率。

式中，I₀ 為電機(jī)空載定子線電流，A；cosφ_N 為電動機(jī)額定功率因數(shù)，可由電機(jī)產(chǎn)品目錄或銘牌上查得；I_N 為電動機(jī)額定電流，A，可由電機(jī)產(chǎn)品目錄或銘牌上查得。K 為系數(shù)，取值4.2。

式中，P₂為實際輸出功率，kW；I₁ 為實際負(fù)載下實測電機(jī)定子線電流，A；P_N 為電動機(jī)額定功率，kW。則電機(jī)負(fù)載率為81.84%；運轉(zhuǎn)中，瞬時最大電流達(dá)到10.2 A，最大負(fù)載率達(dá)到85.93%。

2.3.3 攪拌試驗

在設(shè)備上分別安裝壁厚8 mm，直徑為24 和30 mm的不銹鋼材質(zhì)的主軸槳葉桿，3 個發(fā)酵室中分別裝入切碎的水稻、小麥秸稈和壓塊玉米秸稈，裝料量同2.3.1。觀察槳葉桿對不同性質(zhì)秸稈的承受能力。

2.3.4 壓塊玉米秸稈的連續(xù)發(fā)酵試驗

以每批50 kg 壓塊玉米秸稈為原料，按照1.3 中所述進(jìn)行操作，連續(xù)排出發(fā)酵3 d 的秸稈。發(fā)酵過程中約24 h攪拌一次、使氧氣進(jìn)入秸稈內(nèi)、保證微生物菌群生長需氧，每次攪拌時間為5 min；密閉發(fā)酵。發(fā)酵周期3 d。

2.4 檢測指標(biāo)及測定方法

測試運行中設(shè)備的性能指標(biāo)：負(fù)載率、噪聲、粉塵、小時耗電量、批生產(chǎn)率等；

測試原料和產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)：水分、粒度、纖維素含量、半纖維素含量。中性洗滌纖維（NDF）、酸性滌纖維（ADF）和酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）：按照Van Soest 等推薦的動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)領(lǐng)域國際通用方法進(jìn)行測定。

灰分：在550℃條件下持續(xù)灰化飼料樣品4 h，降溫至100℃轉(zhuǎn)移至干燥器中冷卻至室溫后進(jìn)行灰分稱質(zhì)量。

3.1 不同秸稈的飼料化效果

圖3 是實測的3 種物料的發(fā)酵溫度變化情況。玉米秸稈發(fā)酵48 h 后溫度達(dá)到50℃，并保持穩(wěn)定。在發(fā)酵前期，稻草、小麥秸稈溫度有上升趨勢，48 h 后溫度下降。

分析其原因為隨攪拌次數(shù)的增加，小麥秸稈和稻草的容積密度逐漸降低，容積密度越低，熱量散失越快，48 h后熱量的散失大于自身的產(chǎn)生和外部的補(bǔ)給。而攪拌對玉米秸稈的容積密度影響不大，因此能持續(xù)高溫。

發(fā)酵過程中，稻草、小麥秸稈的色澤和質(zhì)地均未改變，仍呈原料狀態(tài)；玉米壓塊秸稈，發(fā)酵后色澤深于原料、呈褐色狀，質(zhì)地變得松散柔軟。

試驗結(jié)果表明水稻、小麥和玉米3 種秸稈中，壓塊玉米秸稈最適合用該設(shè)備進(jìn)行飼料化。

3.2 設(shè)備運轉(zhuǎn)結(jié)果

設(shè)備運轉(zhuǎn)試驗證明：經(jīng)過發(fā)酵后秸稈需要的啟動電流和啟動扭矩增大；調(diào)大的電動機(jī)經(jīng)運行的負(fù)載率處于合理范圍且負(fù)載率不過大（≤90%）。通過試驗對連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了測定，結(jié)果見表2。

測試結(jié)果表明該設(shè)備達(dá)到了對一般飼料機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)對噪聲、粉塵的要求，同時達(dá)到了設(shè)計的產(chǎn)量要求，可按照設(shè)計要求進(jìn)行玉米秸稈的發(fā)酵試驗、并能夠應(yīng)用該設(shè)備進(jìn)行秸稈發(fā)酵飼料的小規(guī)模生產(chǎn)。

3.3 攪拌試驗結(jié)果

在水稻的發(fā)酵中，24 h 后的攪拌中槳葉桿折斷2 根，48 h 后的攪拌中槳葉桿折斷2 根，折斷形式是自主軸連接根部切斷，其他槳葉桿均有不同程度的彎曲變形，經(jīng)水稻纏繞的痕跡明顯。在小麥的發(fā)酵中，24 h 后的攪拌中槳葉桿折斷1 根，48 h 后的攪拌中槳葉桿折斷2 根，其他同水稻發(fā)酵。小麥秸稈攪拌中偶有啟動困難。在米的發(fā)酵中，未出現(xiàn)折斷，但出現(xiàn)不同程度的彎曲變形。

試驗結(jié)果表明玉米秸稈試驗中，槳葉桿距U 型筒筒壁的間隙15 mm 較佳；稻草稈、小麥秸稈試驗中，槳葉桿距U 型筒筒壁的間隙28 mm 以上較佳。在3 種秸稈的攪拌試驗中發(fā)現(xiàn)：以稻草桿（切碎后長度＜3 cm）制成的發(fā)酵試驗原料在攪拌中極易纏繞、成團(tuán)現(xiàn)象明顯，在擋板的阻擋下形成直徑約350 mm 的團(tuán)，槳葉桿變形角度達(dá)到30°以上。壓塊玉米秸稈和小麥秸稈（切碎后長度＜2 cm），攪拌中無明顯纏繞或成團(tuán)等阻礙攪拌的現(xiàn)象，物料隨槳葉桿旋轉(zhuǎn)效果明顯。經(jīng)加粗為不銹鋼材質(zhì)、直徑為30 mm、壁厚8 mm，無斷桿現(xiàn)象、亦無明顯彎曲現(xiàn)象。

3.4 壓塊玉米秸稈的連續(xù)發(fā)酵試驗結(jié)果

發(fā)酵前后秸稈成分的變化見表3。試驗結(jié)果表明所試驗的玉米秸稈經(jīng)過周期為3 d、溫度介于50～60℃的穩(wěn)定發(fā)酵后，所得發(fā)酵產(chǎn)物呈褐色、氣味香甜；與發(fā)酵前相比，秸稈中半纖維素降解11.03%；纖維素基本不降解。

3.5 討論

該設(shè)備為臥式的攪拌、傳動結(jié)構(gòu)，主軸動力配備大、能耗高，發(fā)酵量有限，即效價比（配置功率與發(fā)酵量比）較大，目前可作為試驗擴(kuò)大機(jī)型或用于小型家庭養(yǎng)殖，難以在產(chǎn)業(yè)化模式中推廣使用。

課題組以臥式發(fā)酵為主體、采用立式攪拌形式進(jìn)行試驗機(jī)型的探索。發(fā)酵器采用了臥式長槽結(jié)構(gòu)發(fā)酵床作為產(chǎn)業(yè)化試驗?zāi)Ｐ停诎l(fā)酵器兩側(cè)槽體上裝移動式翻拌設(shè)備實現(xiàn)攪拌，這樣不僅能進(jìn)行分段翻拌，采用的立式傳動結(jié)構(gòu)也能大大降低能耗，而通過有效增加發(fā)酵池長度、也能實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)酵。

所采用的發(fā)酵槽為深度1.3 m、寬度2 m、翻拌長度0.5 m 的水泥長槽，進(jìn)行多次攪拌試驗。平均每次啟動攪拌物料體積約為2.6 m³，配置功率5.5 kW，其攪拌量是臥式結(jié)構(gòu)的3.4 倍。

對比證明：同產(chǎn)量下臥式攪拌結(jié)構(gòu)的主軸動力配備、能耗均高于立式攪拌結(jié)構(gòu)3 倍以上，應(yīng)盡量采用立式結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌，節(jié)能、降低生產(chǎn)成本。

1）連續(xù)式秸稈發(fā)酵飼料制備機(jī)可按照常溫（或適當(dāng)加溫）下優(yōu)先分解半纖維素的工藝要求，加工發(fā)酵飼料，具有即用即制、操作簡單的特點，同時解決了秸稈儲藏的問題。

2）同功率下臥式傳動結(jié)構(gòu)，主軸動力配備大、能耗高，盡量采用立式結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌，節(jié)能、降低生產(chǎn)成本。

3）玉米壓塊秸稈在接菌劑條件下，發(fā)酵中升溫和保溫效果好、發(fā)酵中一直保溫在50～60℃之間發(fā)，發(fā)酵后呈褐色狀、氣味香甜，可用于秸稈發(fā)酵飼料的制備；小麥和水稻秸稈在接菌劑條件下、分解菌生長數(shù)量較少、升溫不明顯，呈原材料色澤，氣味不香，在該實驗方法下難以實現(xiàn)分解發(fā)酵。

4）以半纖維素分解為特色的分解菌復(fù)合系為接種劑、在連續(xù)式秸稈梯度發(fā)酵飼料制備機(jī)上，對壓塊玉米秸稈進(jìn)行了周期的中溫、連續(xù)梯度發(fā)酵分解發(fā)酵試驗，所試驗的玉米秸稈發(fā)酵溫度保持在50～60℃，3 d 后半纖維素分解了11.03%。纖維素基本不講解。

與發(fā)酵前秸稈相比，發(fā)酵3 d 的秸稈的消化率能否提高，提高多少；產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和動物生產(chǎn)試驗效果等均有待做進(jìn)一步試驗證明。