菌酶協同發酵飼料生產工藝及設備研究進展
菌酶協同發酵飼料屬于飼料的一種，因其富含活菌，且微生物在生長過程中需要適宜的理化環境，與常規飼料相比水分含量也較高，因此發酵飼料的生產工藝及設備更為復雜且多樣化。本文梳理了常見的幾種發酵飼料生產工藝，針對不同應用的需求提出了生產線建設方案，并對工藝設備的發展趨勢進行了展望。
1. 菌酶協同發酵飼料的定義
2018年1月1日北京生物飼料產業技術創新戰略聯盟發布的團體標準《生物飼料產品分類》（T/CSWSL 001-2018），全面系統地規定了生物飼料產品的術語、定義方法及分類體系。生物飼料是使用農業部飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關法規允許使用的飼料原料和添加劑，通過發酵工程、酶工程、蛋白質工程和基因工程等生物工程技術開發的飼料產品總稱，包括發酵飼料、酶解飼料、菌酶協同發酵飼料和生物飼料添加劑等。同年7月農業農村部印發的《農業綠色發展技術導則（2018-2030）》將發酵飼料應用技術作為重點研發和集成示范的指導方向。
菌酶協同發酵飼料作為生物飼料的一大類，是指使用農業部飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關法規允許使用的飼料原料、酶制劑和微生物，通過發酵工程和酶工程技術協同作用生產的單一飼料和混合飼料。
2. 菌酶協同發酵飼料的產品種類及其生產工藝
2.1 菌酶協同發酵單一飼料
菌酶協同發酵單一飼料是指僅以一種主要飼料原料作為底物，接種微生物進行發酵獲得的飼料產品，常見的發酵單一飼料包括發酵豆粕、發酵玉米、發酵酒糟、發酵秸稈等。其中發酵豆粕因能有效降低豆粕中的抗營養因子，并累積多種有益的微生物代謝產物，極大地提高豆粕的營養價值和生物學效價而得到畜牧業的認可，但因其受價格波動影響較大、烘干成本高且利潤相對較低等因素制約，不適用于在中小飼料企業推廣。此外，近年來以低質工農業副產物為原料的發酵技術不斷推陳出新，根據某一原料的特性開發出具有特定差異化功能的發酵產品，如膳食纖維、發酵構樹等，實現對常規原料短缺的補充，并降低飼養成本。在非常規原料的使用中，必須對其進行安全性評估，杜絕一味追求低廉的成本以次充好。
2.2 菌酶協同發酵混合飼料
菌酶協同發酵混合飼料是指以多種飼料原料作為底物進行發酵得到的發酵飼料。在選擇發酵基料時，既要考慮動物日常所需營養物質種類及含量，如能量、氨基酸、維生素、微量元素等，同時應顧及微生物生長所需的碳氮比、pH、水分、可發酵碳水化合物、滲透壓等。與單一飼料相比，發酵混合飼料營養更均衡，與全價配合飼料營養組成更接近，同時合理的碳氮比更利于發酵菌劑的生長代謝。此外不同原料由于其理化特性不同，互相配伍后可彌補單一飼料在流散性、適口性等方面的不足。發酵混合飼料的發展降低了某一特定原料的制約性，在實際應用中更利于非常規原料的功能發掘和價值體現，此外為高水分的鮮基物料在發酵飼料中的應用提供了可能。
2.3 菌酶協同發酵飼料生產工藝
菌酶協同發酵飼料的生產工藝根據發酵菌劑對氧氣的需求分為好氧發酵、厭氧發酵及兼性厭氧發酵三大類。好氧發酵常用的發酵菌種為曲霉菌、芽孢桿菌、酵母菌等好氧或兼性厭氧菌，具有設備投資少、包裝成本低等優點，常用于酒糟、豆粕等單一原料的發酵。好氧發酵工藝占地面積大，需經常翻拋，發酵均一度和穩定性較差，易受環境微生物污染。
厭氧發酵常用發酵菌種為乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌等。與好氧發酵工藝相比，設備投資相對較大，但生產效率高，可用于各種單一或混合原料發酵，適用范圍更廣；發酵終產品均勻度良好，產品質量穩定，染菌概率低。除上述兩種典型的生產工藝外，還有將二者結合的好氧/厭氧異步發酵技術，目前基本處于研發階段。
根據含水量的不同，生物飼料生產工藝還可分為固態和液態兩大類，液態發酵技術主要用于酶制劑等飼料添加劑的生產，部分用于酶解飼料的開發，這一類產品往往需要后期烘干，適合高附加值的產品開發。發酵飼料的生產主要還是以固態發酵的工藝形式進行生產。
3. 菌酶協同發酵飼料生產常見問題及注意事項
菌酶協同發酵飼料采用固態發酵工藝，所以設備必須具備能夠提供微生物穩定生長繁殖的條件才能保證產品質量和生產效率。根據物料的周轉形式將固態發酵分為靜態式發酵和動態式發酵兩種。靜態式發酵的優點是操作方便、場地簡單、產量大等；缺點是微生物發酵時所需熱量、氧氣等必須的營養物質傳遞困難，產品質量不穩定。動態式發酵是通過固定的容器進行發酵，在一定程度上能夠實現自動化、產品品質穩定等，但設備一般造價較高、難于維護。
3.1 靜態式固態發酵
根據物料布設方式的不同靜態式固態發酵分為：平地堆放式發酵、池式發酵、槽式發酵和呼吸袋式發酵等。平地堆放式發酵一般發酵物料堆放量：200-400 kg/m2、堆放高度：0.5-0.8m，場地面積根據實際情況可進行調整。由于平地堆放式發酵的方法具有節省場地、技術要求低、簡便易行的特點，所以這種工藝是目前我國中小型發酵飼料生產企業應用最多的方式。但生產過程中在物料裝卸、搬運、翻料等工序完全需要人工操作，機械化程度低、易被雜菌污染影響產品品質。
池式發酵是將物料置于水泥砌面的地坑中進行固態發酵。地坑四壁做防水處理、呈長條狀、深度一般為：1m左右、寬度一般為：2-5m。這種方法利于保溫、減少了人為污染的幾率、易于微生物的繁殖和代謝產物的積累。但是這種方式機械化程度較低、工人勞動強度大、地坑的修建和物料的周轉也十分繁瑣，所以這種工藝只適用于產量不大的飼料廠，我國的飼料生產企業目前較少采用這種工藝。
槽式發酵結合了平地堆放式和池式發酵兩者的優點。利用在地面砌墻規劃成若干條發酵槽，墻高1.2-1.5m，墻體間隔為2.0-2.5m，長度為15-30m。這種工藝與上述兩種工藝相比發酵生產條件有了較大的改善，尤其是大槽發酵利用了兩平行的墻體形成的發酵區間，墻體上可安裝翻料、布料設備，能夠實現一些簡易的機械化操作。但由于技術的限制，這些設備需要工人現場操控，在一定程度上也會影響發酵環境。此外每批物料發酵結束后發酵槽底層的物料很難處理、易霉變、成品物料的搬運勞動強度依然很高。
呼吸袋式發酵是目前市場上新興的比較受歡迎的生產工藝，以上三種生產工藝都是先做產品然后包裝，工藝繁瑣且各個工序中物料都有被雜菌污染的可能。呼吸袋式發酵是采用先包裝后發酵的移動式固態發酵技術，呼吸袋上的單向呼吸閥不僅具有隔絕外界氣體及雜菌進入發酵體系的功能，還具有釋放內部環境氣體維持體系壓力，防止微生物產氣破包等功能。獨立的包裝使得每包產品相當于獨立的發酵罐即使在發酵高峰期，物料產生的溫度梯度差異也不超過3℃。這種工藝具有操作簡便、產品穩定性強等特點。
3.2 動態式固態發酵
動態式固態發酵是將物料放在機械動力的容器中，能夠實現物料間斷或連續的運動狀態，由電氣控制物料的傳熱、傳質及周轉、自動化程度相對較高、成品品質較好。但這種機械結構相對復雜、設備的滅菌消毒比較困難。目前我國常見的動態式固態發酵設備有皮帶式和車陣式兩種。
皮帶式發酵設備是將物料放置于透氣的尼龍材質皮帶上料層高度為300-400mm，由鏈輪機構拖動皮帶緩慢運動，將物料直接由混合接種端送到后續工段，物料在輸送的同時完成發酵過程、可節省場地空間。此設備具有運行穩定可靠、動力結構簡單、發酵環境穩定、規模擴展方便、投資不高等優點。但由于皮帶式發酵是連續生產所以應變能力差，一旦設備出現故障會使整個生產線停止。
車陣式發酵設備是將物料置于若干規格相同的杉木等透氣材料的容器中，容積一般為1-2.5m3。能通過電氣控制實現物料的翻料、分配和輸送，每個容器上都安裝了監測設備，并由廠房內部的設備實現發酵環境的調控。該設備具有靈活性好、應變能力高、發酵環境穩定、產量高等優點。但依然存在制作維護成本高、控制復雜、容器消毒困難等問題。
4. 發酵飼料生產線方案
與常規飼料相比，生產過程中生物飼料的水分較高，因此生產線設計應具備高效混合、不堵料、易清理等特點。生物飼料開發國家工程研究中心根據飼料企業已有的生產設備及不同產品工藝方案，將發酵飼料生產線主要設計為三個方案。
4.1 常規飼料企業新增發酵飼料生產線
適用于已具備原料粉碎、配料系統的飼料企業和養殖企業，主要包括投料系統、固液混合系統、濕料包裝系統以及菌種擴繁系統等。設備投入低，占地面積較小，設計產能年產10000噸，可以根據是否自用預留噸包發酵打包口，節約包裝成本。該套設備可以實現菌種的恒溫擴繁和菌液定量批次出料，生產的發酵飼料混合均勻度良好，殘留少且方便清理，適用范圍廣。
4.2 發酵飼料企業新建標準化生產線
在4.1方案的基礎上添加原料粉碎及配料系統，此外針對具有地方特色及成本優勢的鮮基物料，可選擇性加裝濕料粉碎及傳送系統。許多研究表明構樹、西蘭花、鮮酒糟等濕基物料可有效提高畜產品品質，但高水分物料難以進入傳統飼料體系一直制約著相關產業的發展，該方案的濕料粉碎機組和傳送設備可有效解決這一難點。
4.3 發酵飼料企業全套生產線
方案三是包含配料、烘干系統的全套發酵飼料機組。單日產能濕基發酵飼料30-40噸，烘干發酵飼料30-40噸，月產能2000噸發酵飼料。可包含厭氧呼吸袋式、槽式/箱桶式等多種發酵形式。適用于發酵飼料新廠的建設及中大型飼料生產企業，相比前兩種方案設備投入較大、產能更高。
5. 發酵飼料生產工藝及設備發展趨勢
5.1 亟待解決的問題
5.1.1 如何保證設備的經濟實用，刺激用戶大規模使用
某些地源區域性較強（豆渣等糟渣類、構樹等綠植類）產量較少，適合小規模生產的飼料資源，故需要考慮設備簡單、經濟、實用等要求，以促進發酵技術在中小企業與養殖場的使用。
5.1.2 如何保證設備運行良好，保證發酵飼料質量與安全
根據不同原料發酵特點、發酵關鍵技術、關鍵發酵設備，提出發酵工藝與設備操作要點，保證用戶發酵飼料品質與安全。
5.1.3 如何針對不同類型的發酵飼料配套相對應的生產設備
由于飼料原料、發酵工藝、發酵設備等差異較大，需要根據不同發酵工藝條件，對發酵飼料生產的設備進行配套，以完善生產設備的性能，保證不同原料的發酵飼料品質穩定、高效。
5.1.4 如何提高設備的機械化、自動化
對于工廠化發酵企業，需要實現機械化、自動化，以提高產能；而對于小規模生產企業也需要提高機械化程度，以節約生產成本，保證產品質量。
5.2 發展趨勢
隨著市場需求的不斷發展和研究的深入，行業必將對產品品質及生產效率提出更高的要求。目前相關生產企業和研究單位已經研制出一系列新型發酵飼料加工設備，如框架式發酵設備、調質式連續混合接種設備、內置攪拌流化干燥設備等。
進行實時反饋控制是實現無人化生產、提高生產效率的關鍵技術手段，采用PLC集成控制能夠更科學的調控發酵過程中的工藝參數。通過濕度、溫度、酸堿度等傳感器采集物料參數，并根據預定程序，控制電氣設備進行生產調控。混合、接種、發酵等車間各工段設備均能夠達到高效無人化生產，使得系統整體具備很高的自動化程度，大大降低了能耗和生產成本，經濟、社會效益十分顯著。新工藝與新設備的相互促進必將為我國生物飼料的應用與推廣提供更好的技術支持。
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