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植物饼渣液体有机肥生产关键技术进展
摘 要：以植物饼渣为主要原料,运用生物技术和物理化学方法相应设计了生产液体有机肥完整的工艺流程.笔者主要介绍了目标营养元素的确定、水解条件的优化、蛋白酶产生菌种的培育以及大量营养元素强化等技术,针对各种控制方法,阐述了其原理、应用条件及研究进展情况,提出了低成本规模化制作植物液体有机肥的新思路,为有机肥料的资源化利用提供了参考.
关键词：植物饼渣；液体有机肥；水解条件；蛋白酶产生菌
中图分类号：S-1 文献标志码：A 论文编号：casb17070016
Key Production Technology of Liquid Organic Fertilizer from Vegetable Oil Residue:Research Progress
Wang Benming, Jiang Guanheng, Lang Wenpei, Yang Hongguang, Wang Lijie, Yu Haitao(Weifang Academy of Agricultural Sciences/Weifang laboratory of Soilless Cultivation Substrates,Weifang 261061, Shandong, China)
Abstract: Based on vegetable oil residue, the whole process of producing liquid organic fertilizer was designedby using biotechnology and physical-chemistry method. The research mainly introduced some technologies,including the determination of the target nutrient elements, the optimization of the hydrolysis conditions, thecultivation of the protease strains and the enhancement of the nutrient elements etc. The paper also expoundedthe principles, application conditions and research progress of the control methods, and proposed a new waywhich was low-cost for large-scale production of liquid organic fertilizer. The results can provide references forthe resource utilization of organic manure.
Key words: Vegetable Oil Residue; Liquid Organic Fertilizer; Hydrolysis Condition; Proteinase Strain
0 引言
液体有机肥是指液态化的有机肥料.真正意义上的液体有机肥不含任何化学合成成分,养分来源于动植物体或天然矿物,生产加工使用生物技术和物理方法,主要用于有机农产品生产的中后期追肥[1].
目前商品液体有机肥种类极少,生产原料主要是深海鱼类,少数是动物加工下脚料,氮素成分主要是蛋白类物质或铵态氮、硝态氮,成本较高[2].用化学方法提取有机成分配制或添加化学肥料发酵加工的有机肥料都不是真正意义上的液体有机肥料,不能用于有机农产品生产[3].植物油料饼渣（以下简称植物饼渣）作为肥料使用主要用于固态有机肥料生产,用于液体肥料生产鲜见报道.植物饼渣是优质的肥料原料,不仅NPK 及中微量元素含量丰富,结构更符合作物要求,而且资源丰富、可持续,原料成本更低[4].笔者结合开展的研究就使用植物饼渣生产液体有机肥要重点解决4 个方面的技术问题和一个工艺设计问题做如下讨论.
1 氮素营养目标成分的确定与控制方法
1.1 氮素营养目标成分的确定
植物饼渣是以氮素养分为主的原料,在蛋白质、铵态氮、硝态氮之间选择哪种氮素形态作为氮素目标营养成分,不仅涉及生产的工艺,而且对作物的吸收利用至关重要[5].目前市场鱼类液体有机肥产品主要以蛋白质态为主,畜禽加工下脚料类产品则以铵硝态氮成分为主[6].比较多肽、氨基酸、铵硝态氮的成分特性和植物对氮素吸收利用的特点,权衡对植物饼渣进行生物加工处理的成本因素,以氨基酸为氮素主要目标成分最为合适,其中保留适量的多肽类和铵硝态氮素成分,形成中、短、速效结合,以短速效为主的成分结构,既能快速满足作物的氮素需求,又不会因大量施入肥料对作物造成伤害.
1.2 生物技术控制法
为满足有机农产品生产的要求,应用生物技术的加工方法是最好的途径.通过对植物饼渣中蛋白质进行水解,将蛋白质态有机氮转化为水溶性的有机氮和速效氮.作为肥料产品蛋白质水解不宜用酶解,鉴于植物饼渣蛋白质、油脂、纤维素含量较高,发酵菌种宜选用富含地衣芽孢杆菌、酵母菌、枯草芽孢杆菌的混菌[7].试验发现,用禽类、犬类肠胃消化液半厌氧定向诱导培养的发酵菌效果较好.
1.3 腐熟度的控制法
腐熟度影响着发酵的进程和底物有效成分的转化比率,同时决定了营养成分的结构.相同条件下影响腐熟度的主要是发酵时间.判断腐熟度的标准有外观法、化学参数法、生物学参数法、光谱法等,实践中应以种子发芽指数为标准,比较各种方法的对应关系,形成时间控制腐熟度的数量指标.
1.4 发酵条件控制
植物饼渣的发酵主要是蛋白质的发酵,脂肪类、纤维木质素类自然进行.控制发酵条件主要是激发蛋白酶产生菌和蛋白酶的活性,促进蛋白质的水解进程.影响蛋白质水解的因素主要是温度、氧饱和度、酸碱度、固含量.研究表明,动物菌源半厌氧发酵,温度以40~50℃,搅拌后底物氧饱和度10%~20%,初始酸碱度pH 7~8,固含率20%~40%转化效率最高[8].
1.5 辅料使用控制
试验表明,在粘性较大的饼渣中添加稻壳、珍珠岩等可有效提高底物氧含量,减少臭气的产生.适量添加淀粉等碳水化合物可有效加快蛋白质水解进程.及时进行固液分离,补充新的发酵材料和水分,可减少游离铵态氮和硝态氮的含量.调整发酵产物的成分可通过调整发酵底物的构成实现.
2 蛋白酶产生菌种的选育使用
2.1 菌源的选择
产生蛋白酶的菌种较多,但主要的是地衣芽孢杆菌和酵母菌.试验发现,动物胃肠中此类菌种含量较多且种类丰富,尤其是生长期较长的动物更佳[9].考虑其他成分发酵菌的要求、每种动物的消化能力以及肥料对温度的要求,以动物体温40℃以上的禽类和犬类肠胃消化液作为菌源更为合适.
2.2 菌种的驯化
菌种都有专一性的特点,不同的发酵底物和发酵条件要求不同的混菌结构.为提高菌种的适应性和优势必须对菌种进行驯化培养.驯化的目标因素主要是底物,其次是发酵条件[10].驯化过程可分阶段逐步完成,在此基础上逐渐扩大接种菌量.
2.3 菌种的比较
不同的菌源具有不同的菌种组成及数量结构,对不同的发酵底物具有明显的嗜好差异[11].对于生产使用的具体原料要进行菌种适应性比较和良种筛选.菌种优劣通过其在一定条件下的蛋白质水解转化效率来判断,设定时间的蛋白质水解度是衡量指标.
2.4 菌种的培育使用
优势菌种和发酵条件确定后,还要对菌种材料进行进一步的培育扩繁,以进一步提高菌种的适应性和优势菌种数量上的优势.培育方法采取驯化培养的方式,从发酵底物和发酵条件两个方面开展诱导驯化[12].在此基础上逐步对菌种扩大繁殖,直至达到生产需要的用菌量.
2.5 菌种的保持利用
生产加工的过程也是强化优势菌种的过程.液体肥的生产过程不需对底物菌种灭活,保持利用菌种非常重要.可利用每次加工分离的固体物作为菌种保持材料,按照消化效率每次只添加等量的新的原料材料,保证每次发酵过程都有较高的优势菌种基数.
3 发酵条件的优化与调整
3.1 pH值
不同菌源的菌种对pH值的要求略有差异,需要开展实验室检验.试验发现,整个发酵过程呈现酸化趋势,起始pH值偏碱性更有利于发酵效率的提高[13].研究证明,起始在pH 8~9 之间,终点在pH 7 左右时,对发酵最有利.植物原料起始pH 值整体呈酸性,pH 值的调整是调碱.可与添加材料的使用结合起来,尤其是碱性高钾材料的使用,如草木灰、窑灰的利用.
3.2 温度
温度对菌种的活性和菌种的选择影响最大,因而也是影响发酵效率和产物成分的主要因素[14].蛋白酶产生菌的最适温度大多在50℃左右；脂肪、淀粉、糖类分解酶产生菌的适宜温度偏低,在35~40℃；纤维、木质素类则偏高,在55~60℃.兼顾各菌种活性,驯化及发酵加工的温度控制在40~50℃之间为宜[15].液体有机肥生产加工温度的保持主要靠外来能源.
3.3 含水率
底物含水率同时反映着底物固含量,是影响发酵效率和产物浓度水平的重要指标.植物饼渣类原料胶类物质含量较高,含水率过高会阻碍氧在底物中的传导.不同原料适应的含水率水平不尽相同,细粉、粘稠类饼渣适宜含水率偏低,颗粒、散状类适宜含水率偏高,具体指标可通过试验确定.但为保持产物较高的养分含量水平,生产中一般控制在60%~80%.
3.4 供氧量
供氧水平决定了发酵的方式和原料的降解过程,作为以肥料为产物的发酵,采取转化率更高的半厌氧发酵更为合适,间歇式的供氧方式,保持底物氧含量8%~15%的水平[16].粘稠度大的饼渣要在底物中添加适量分散性材料,并通过搅拌以提高底物各部分氧含量的均衡性.
3.5 C/N、C/P
碳是微生物的唯一能源,适当的C/N、C/P 有利于保持菌种的活性.一般认为：有机物C/N在10左右,有机物被微生物分解速度最大.植物饼渣C/N、C/P 一般都较低,为提高发酵效率可补充适量的高碳物质[17].补碳可与改进透气性结合实施,如添加适量的稻壳、谷糠、麸皮等[18].
4 养分含量的提升与营养结构调整
4.1 营养结构设计
液体有机肥一般作为追肥使用（含根际追肥和根外追肥）,对应作物中后期生理特点和营养规律,理想的营养结构是高钾中氮或高钾高氮,因作物补充一定量的中微量元素.同时提供一定数量具有促根护根、增强抗性的腐殖酸等功能性营养物质.
4.2 原料结构调整法
提高和改善有机液体肥的营养结构,主要是靠调整原料的构成实现.一般情况下,高氮饼渣加工的液体有机肥含氮量较高,磷钾亦然.因此,生产高氮液体有机肥宜使用大豆饼、花生饼等,生产高磷液体有机肥宜使用菜籽饼、蓖麻饼、芝麻饼等.
4.3 重复、叠加法
重复发酵法是将发酵提取液再次进入发酵过程以强化液体养分浓度的方法.如将上轮发酵分离液体代替部分水分再次进入发酵过程,或将沼液等其他发酵液代替水分进入发酵过程.叠加法是将不同肥料加工工艺重复使用的方法.如将浸提的草木灰上清液替代水分进入发酵过程的方法.
4.4 添加法
受饼渣天然特点的影响,钾素成分含量整体偏低,大幅提高液体有机肥钾的含量只能通过添加的方法.草木灰是最好的钾素添加原料.酸碱度等功能性调整也主要是通过添加的办法解决.为降低成本和质量安全风险,添加材料不宜过多,提倡一料多用.如钙镁磷肥、石灰氮、草木灰等,既是碱性调理剂,又是肥料提升剂,石灰氮还兼具菌种灭活的功能[19].
5 生产工艺流程的设计
5.1 发酵设备的选用
液体有机肥的加工发酵设备是核心.目前有液体发酵和固体发酵两种设备.考虑饼渣的特点和商品肥料较高养分含量的要求,选用固体发酵设备采取固体发酵工艺较为合适.设备要具备自动搅拌和温控能力,一般应兼具在位灭菌、酸碱调节、水分调节、供氧（气）等功能[20].
5.2 原料的预处理
包括原材料的搜集筛选、物理去杂、干料浸泡、组配填装、灭菌消毒等.原料选择以当地符合有机液体肥生产要求的大宗饼渣资源为主,根据目标产品定位进行原料结构的搭配.除一般性去杂、浸泡、组配外,对生料饼渣还要结合灭菌进行蒸煮处理.对细粘饼渣还要添加一定比例的粗料,以提高底物的透气性.
5.3 饼渣发酵
包括添加菌种、启动发酵、条件控制、适时出料等.将足量的菌种加入降温后的发酵底物,启动搅拌、温度控制等程序发酵即开始.受发酵底物C/N 的限制,温度需要借助外能.发酵过程在自动控制下进行,各项指标按照试验结果设置,酸碱度等调整材料要符合有机农产品生产的要求,达到腐熟指标后及时出料转入下一流程.
5.4 后续加工
包括固液分离、指标调整、研磨搅拌、精细加工等.固液分离要兼顾填充物的再利用和菌种的保护利用,应采取离心分离的方式.养分、理化指标的调整以底物、发酵过程调整为主,后续只根据目标肥料指标、功能、性能要求做微调矫正.研磨搅拌是将各种添加物通过胶体磨作均质处理,同时将固形物粒径研磨至一定粒径之下.精细加工可进一步改善肥料性能,形成诸如叶面肥、特定植物专用肥等.
6 结论与讨论
以植物油料饼渣为主要原料,运用生物技术与物理化学方法相结合的方式设计制作了液体有机肥生产的完整工艺流程.生产制作的核心技术是蛋白质水解技术,涉及了一系列氮素营养目标成分的确定与控制方法、水解条件的优化,蛋白酶产生菌种的培育以及大量营养元素强化等技术,研究了液体有机肥发酵参数（如温度、酸碱度）的交互效应及最佳组合,优化了液体有机肥生产工艺,提高肥料质量,减少生产成本.
关键技术论文范文结:
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3、农村新技术杂志
4、现造技术论文