一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法和系统

技术领域

本发明属于禽畜粪便无害化处理领域，更具体的说涉及一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法。

背景技术

近年来，伴随国民经济水平的提高，公众对高质量的肉、蛋、奶制品的需求逐渐上升，需求的增多间接促使大豆需求明显增加。然而，由于我国坚守“谷物基本自给、口粮绝对安全”的底线，因此在18亿亩的土地面积上无法大面积推广种植大豆等蛋白类作物，导致我国大豆进口数量持续增加，进口依存度高达70％，大豆进口需求刚性较强，受着国际政治形势和经济形势的制约，我国大豆进口受到多方面限制，严重威胁到了我国粮食安全。为此，必须开辟一条新的蛋白获取途径，来替代进口大豆，减少大豆的进口需求。

另外，由于大豆被深加工后，获得的豆粕主要用于禽畜养殖。养殖企业为了追求禽畜生长速度和高收益，一般在饲料中添加较高比例的豆粕，导致豆粕不能完全吸收就排泄出来，不仅造成蛋白资源的浪费还造成了环境污染。据统计，鸡粪便中粗蛋白含量高达28.8％，远超生猪饲料中13％-18％蛋白含量需求，而且有机物质高达68.3％,还含有丰富的维生素、无机盐等营养物质。猪的肠道比较长，对饲料吸收率相对较高，虽然干猪粪中粗蛋白仅含20％左右，但完全满足牛羊等反刍动物的蛋白需求含量，而且粪便中有机物质含量高达77％，质地细腻，含有大量的糖类，只要将其无害化处理，改变其适口性，完全可以用于反刍动物饲料。

禽畜粪便的排放已成为与工业废水、生活污水相并列的三大水污染源之一。如前所描述般禽畜对饲料吸收率有限，粪便中有大量未被消化吸收的有机物质，如不及时无害化处理将在一定条件下迅速腐烂发酵，分解产生H2S、NH3、胺、硫醇、苯酚、挥发性有机酸以及吲哚、粪臭素、乙醛等很多有毒有害物质，这些气体排放到大气中就会造成空气污染。另外粪便废水含有大量的氮、磷、粪渣等有机物质，这些物质通过地表流经污染地表水，也可以通过土壤渗透作用污染地下水，导致水体富营养化，影响水体的自净作用。而N、P等物质渗入地下水，也将会引起地下水中NO2-、NO3-浓度偏高，人类与禽畜长期大量饮用，可能诱发癌症或其他疾病。同时，粪便中大量的钠、钾等元素通过反聚造成土壤的微孔减少，使土壤的通透性降低，发生结板，粪便中的重金属元素、抗生素等药物残留会破坏土壤结构和微生物生态环境。除此之外，粪便中还还有大量的虫卵、大肠杆菌、粪球菌等有害物生物，有些还是人畜共患病的病源，危及人畜健康，随意堆积会滋生大量蚊蝇，造成禽畜生长减慢，产蛋肉量降低，发病率增高，增加了消毒和用药的费用，如此反复，形成恶性循环。所以，如现有技术中，将粪便主要转化为有机肥的做法不可取，对环境影响太大且时间久，形成恶性循环。

发明内容

本发明的目的在于提供一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法，快速将禽畜粪便无害化制备高营养价值的菌体蛋白饲料，用以解决我国蛋白资源匮乏及禽畜养殖粪便环境污染的双重问题。

本发明的另一目的在于提供一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的系统，结构简单紧凑，占地面积小，避免了大面积建设发酵池等问题。

本技术方案一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、粪便酸化，将粪便制备成浆料，并向浆料中加入酸性催化剂，然后进行静置，静置后对浆料进行预热；

S2、微波水解，将经过预热的浆料泵入微波消解反应器进行水解，杀死粪便中的虫卵和病原微生物，浆料中菌体蛋白失活，浆料中的蛋白被水解，抗生素被降解，纤维素晶体结构发生破坏，糖苷键锻裂形成多孔、蓬松的腐殖质结构，粪便中的水溶性重金属离子被吸附在腐殖质类空隙中，不易被生物吸收利用，降低重金属的生物有效性，重金属不易被生物吸收；

S3、发酵，向经过微波水解的浆料中加入灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌，在35～40℃温度下密封厌氧发酵65～75小时，将浆料中的无机氮转化为有机氮，获得含有酵母菌、乳酸菌极其代谢产物酒精与乳酸的发酵浆料；

S4、脱水，将发酵浆料进行脱水，脱水至含水率为42～45％的高湿物料，所述高湿物料全部作为浆料饲料供给养殖业，所述发酵浆料中脱出的水分循环至步骤S3中作为酵母菌和乳酸菌原料。

优选地，所述S1中，固液分离的方法为：

首先，向收集的粪便中加入酸性催化剂和水，充分搅拌至粪便呈浆料状态，浆料固液比为10～12:1～1.2；

然后，静置10～20分钟，浆料中不与酸性催化剂反应的不溶颗粒和浆料中存在的大密度灰分颗粒一起下沉至浆料底部，将上部的浆料进行预热后至微波消解反应器；底部的不溶物排出并清理，按比例添加至建材中。

优选地，所述S1中，预热的方法为：向浆料内充入高温蒸汽并搅拌，将浆料预热至95～100℃。

优选地，所述S2中，所述微波水解在常压下进行，水解温度为110～130℃。

优选地，微波水解时，产生挥发的催化剂、水蒸气、可凝气体和不凝有机气体经过冷凝，所述挥发的催化剂、水蒸气和可凝气体经过冷凝回流，不凝有机气体引入等离子处理设备进行燃烧无害处理。

优选地，所述S3中，发酵的方法为：首先，将经过微波水解的浆料进行冷却，冷却至40～42℃；

然后，将灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌同步加入冷却后的浆料内并与浆料充分混合，浆料、灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌质量比为200:20:1:1；酵母菌和乳酸菌的菌种先利用浆料中的氧气进行好氧繁殖，当氧气耗尽，则进行厌氧发酵，总发酵71～73小时。

优选地，在浆料冷却中，采用循环水冷却，冷却水中的热量由热泵机组交换升温至60～65℃，然后循环至S1中的与粪便混合制备浆料。

优选地，所述S4中，将高湿物料进行烘干至含水率10～15％的固体饲料并密封保存。

一种菌体蛋白，所述菌体蛋白采用前述方法制备获得。

一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的系统，包括依次设置的用于制备粪便浆料和对浆料进行预热的预热混料罐、用于对浆料进行微波消解的微波消解反应器、用于对浆料进行冷却和发酵的防腐冷却罐以及对浆料进行固液分离的干湿分离机；

所述微波消解反应器后部还连接有冷凝器，所述冷凝器对微波消解中产生的气体进行冷凝回流；所述防腐冷却罐外部设置有冷却夹层，所述冷却夹层内通入有循环水，所述循环水在防腐冷却罐内浆料高温作用下升温后，再由热泵机组交换至循环至热水储罐内，最后循环至预热混料罐内与粪便混合制备浆料；

所述预热混料罐上连接有储酸罐和热水储罐，所述预热混料罐顶部连接有连接所述微波消解反应器的浆料泵，底部设置有排料口。

本发明技术方案的一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法的有益效果是:

1、经过本方法，将禽畜粪便全部无害化为菌体蛋白饲料，全部添加至饲料中被重复利用，改变了现有技术中禽畜粪便或多或少转化为有机肥施加在地球表面，造成了土壤富营养化或土壤中钠钾离子流失而出现土壤板结的问题。

2、通过微波水解，由于高能电磁波与催化剂的共同作用，有效的杀死粪便中的虫卵和病原微生物，浆料中菌体蛋白失活，浆料中的蛋白被水解，抗生素被降解，纤维素晶体结构发生破坏，部分糖苷键锻裂，形成多孔、蓬松的腐殖质结构，粪便中的水溶性重金属离子被吸附在该腐殖质类空隙中，不易被生物吸收利用，从而降低、钝化了物料中重金属的生物有效性，避免重金属被生物吸收。

3、厌氧发酵过程中，通过酵母菌与乳酸菌进行厌氧发酵，可得到酒香较浓的发酵饲料，改变饲料的适口性。同时，该发酵饲料中含有大量的酵母菌和乳酸菌极其代谢产物酒精和乳酸等呈香物质，可以将粪便中大量的尿酸、尿素等无机氮转化为有机氮-菌体蛋白。同时秸秆粉的加入增加了发酵底物的碳源，在液体发酵时，发酵底物的营养物质传导要远远快于固态发酵，菌体得以快速分解、利用秸秆中糖份，将其转化为酒精和乳酸。本方法中秸秆粉为秸秆经过研磨获得，不需要经过其他处理，节省成本，简化了工艺过程，且很好的保留了秸秆中的纤维素和木质素，适合动物反刍。相对传统发酵方法，该发酵方法节约大量的时间，不仅将粪便中的有害物质进行消除和钝化，还充分利用了粪便中的无机氮，保存了粪便中的N、P、k、NA等各种营养元素营养物质，大大改善了禽畜粪便发酵饲料的适口性。

一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的系统的有益效果为：系统设备结构紧凑，占地面积小，通过微波水解和快速发酵，有效的避免了大面积建设发酵池等问题，成本低；处理过程绿色环保：处理过程无废水、固废及恶臭气体排放，而传统禽畜粪便处理方式往往产生氨气、硫化氢等恶臭气体和高浓度有机废水排放，不但造成营养元素流失还极易造成环境污染。

附图说明

图1为本发明技术方案的一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的系统的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书具体实施例和附图对本发明技术方案做进一步的说明。

本发明技术方案一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法，依次包括固液分离、微波水解、厌氧发酵和脱水步骤。

步骤一、粪便酸化，将粪便制备成浆料，并向浆料中加入酸性催化剂，然后进行静置，静置后对浆料进行预热。对粪便进行酸化，一方便尽量去除粪便中的骨料，另一方面为后续的水解提供一个酸性环境，促进水解程度和水解时间。

具体的固液分离的方法为：首先，将收集的粪便置于预热混料罐内，向预热混料罐内加入酸性催化剂和水，充分搅拌至粪便呈浆料状态，浆料固液比为10～12:1～1.2。浆料固液比最佳选为10:1。酸性催化剂为醋酸、乳酸、柠檬酸、草酸、盐酸中的一种或多种混合酸。酸性催化剂为液态，且浓度1％～4％。

然后，将混合的浆料静置10～20分钟。静置过程中，部分酸性催化剂与粪便浆料中的碳酸钙骨料反应，生成的二氧化碳气体在溢出的过程中，将密度较轻的有机物拖至浆料上方。同时，浆料中不与酸性催化剂反应的不溶颗粒和浆料中存在的大密度灰分颗粒一起下沉至浆料底部。预热后，将上部的浆料由预热混料罐顶部泵出并输入微波消解反应器。底部的不溶物由预热混料罐底部排出并经过冲洗消毒清理，按比例回添建材中，作为建材循环利用。

具体的预热的方法为：向预热混料罐内充入高温蒸汽并搅拌，将浆料预热至95～100℃。预热时可以通过利用天然气等加热制备高温蒸汽，以减少微波水解时的升温电耗，缩短升温时间，提高后续微波水解效率。

步骤二、微波水解：将经过预热的浆料泵入微波消解反应器进行水解。采用常压水解，水解温度为110～130℃，微波频率为500-5000MHz，微波时间30～70分钟。微波水解时，产生挥发的催化剂、水蒸气、可凝气体和不凝有机气体经过冷凝器，所述挥发的催化剂、水蒸气和可凝气体经过冷凝回流，不凝有机气体引入等离子处理设备进行燃烧无害处理，真正实现无废气废渣和废水排放。微波水解可禽畜粪便在30～60分钟内快速彻底无害化。

微波水解过程中，由于高能电磁波与催化剂的共同作用，畜粪便中大量的虫卵、病源微生物被彻底杀死，禽畜粪便中自身菌体蛋白失活并与其他未被禽畜吸收利用的蛋白一起被微波消解为密度较轻的有机物多肽、氨基酸等可溶性小分子物质。同时，粪便中的四环素类(TCs)、磺胺等抗生素热稳定性较差，尤其在酸性催化环境下快速受热分解，经测试，四环素和磺胺抗生素降解率分别可达到为99.8％和99％，抗生素分解效果极其显著。此外，禽畜粪便中的纤维素、半纤维素在电磁波和酸性催化剂的催化下晶体结构发生破坏，部分糖苷键锻裂，形成多孔、蓬松的腐殖质结构，粪便中的水溶性重金属离子被吸附在该腐殖质类空隙中，不易被生物吸收利用，从而降低、钝化了物料中重金属的生物有效性。

经实验，在微波消解反应器工作中输入能量60J/g，酸浓度3％时，四环素和磺胺抗生素降解率分别可达到为99.8％和99％，抗生素分解效果极其显著。

步骤三、发酵，向经过微波水解的浆料中加入灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌，在35～40℃温度下密封厌氧发酵65～75小时，将浆料中的无机氮转化为有机氮，获得含有酵母菌、乳酸菌极其代谢产物酒精与乳酸的发酵浆料。

具体的发酵的方法为：

首先，将经过微波水解的浆料泵入防腐冷却罐，冷却至40～42℃。然后，将灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌同步加入防腐冷却罐内并与浆料充分混合，浆料、灭菌秸秆粉、酵母菌和乳酸菌质量比为200:20:1:1。酵母菌和乳酸菌的菌种在防腐冷却罐内先利用防腐冷却罐内的氧气进行好氧繁殖，当防腐冷却罐内氧气耗尽，则进行厌氧发酵，总发酵71～73小时，最佳发酵时间为72小时。

当上述浆料经72h厌氧培养后，即可得到酒香较浓的发酵饲料。该发酵饲料中含有大量的酵母菌和乳酸菌极其代谢产物酒精和乳酸等呈香物质，不仅改善了禽畜粪便的适口性，同时可以将粪便中大量的尿酸、尿素等无机氮转化为有机氮-菌体蛋白。同时秸秆粉的加入增加了发酵底物的碳源，在液体发酵时，发酵底物的营养物质传导要远远快于固态发酵，菌体得以快速分解、利用秸秆中糖份，将其转化为酒精和乳酸。

相对传统发酵方法，上述发酵方法节约大量的时间，不仅将粪便中的有害物质进行消除和钝化，还充分利用了粪便中的无机氮，保存了粪便中的N、P、k、NA等各种营养元素营养物质，大大改善了禽畜粪便发酵饲料的适口性。发酵饲料中大量的酵母菌和乳酸菌等有益菌种及代谢产物酒精和乳酸能降低肠道的PH，以抑制大肠杆菌以及沙门氏菌等致病菌的繁殖生长，提高动物的免疫机能，有效预防各类细菌性和病毒性疾病，减少药物投用量，降低药费支出。

发酵前浆料冷却过程中，通过水冷方式对浆料进行冷却，加快冷却效率。所述防腐冷却罐外部设置有冷却夹层，所述冷却夹层内通入有循环水，采用循环水冷却，冷却水中的热量由热泵机组交换升温至60～65℃，然后循环至S1中的与粪便混合制备浆料。

步骤四、脱水，将发酵浆料置于干湿分离机中脱水至含水率为42～45％的高湿物料，所述高湿物料全部作为浆料饲料供给养殖业，所述干湿分离机脱出的水分循环至步骤三中作为酵母菌和乳酸菌原料，大大降低了菌剂的使用成本。高湿物料含水率最佳保持在45％。

为进步一便于蛋白饲料的保持、运输，可将所述高湿物料通过烘干机进行烘干至含水率10～15％的固体饲料并密封保存。

一种菌体蛋白，所述菌体蛋白采用前述方法制备获得。

如图1所示，一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的系统，包括依次设置的用于制备粪便浆料和对浆料进行预热的预热混料罐2、用于对浆料进行微波消解的微波消解反应器3、用于对浆料进行冷却和发酵的防腐冷却罐8以及对浆料进行固液分离的干湿分离机9。

所述微波消解反应器3后部还连接有冷凝器6，所述冷凝器6对微波消解中产生的气体进行冷凝回流。所述防腐冷却罐8外部设置有冷却夹层，所述冷却夹层内通入有循环水，所述循环水在防腐冷却罐8内浆料高温作用下升温后，通过循环管10循环至预热混料罐2内与粪便混合制备浆料。

所述预热混料罐2上连接有储酸罐4和热水储罐5，所述预热混料罐2顶部连接有连接所述微波消解反应器3的浆料泵，底部设置有排料口，浆料中的固体和产生的碳酸钙等不溶物质经过排料口排出。

综上，本发明技术方案的一种禽畜粪便无害化制备菌体蛋白饲料的方法还具有优点如下：

(1)无害化程度高、速度快，利用微波水解进行水解，对粪便中蛋白质等有机物及抗生素进行分解的同时，彻底杀死一切病源微生物。可将禽畜粪便在30～60分钟内快速彻底无害化，预处理的禽畜粪便中有害菌及虫卵数量为零，抗生素等药物讲解率>98％。而现有技术中传统好氧及厌氧堆肥等处理方式无法在此短时间内彻底将禽畜粪便无害化，产品中仍存在大量的虫卵和有害微生物和抗生素等药物残留。

2、重金属元素脱除钝化效果显著：由于禽畜粪便中大量的纤维素、半纤维素中糖苷键在电磁波和酸性催化剂的作用下被破坏，从而形成了多孔的腐殖质结构，极易吸附游离的重金属离子，使重金属元素不易被生物吸收利用，从而钝化了禽畜粪便中重金属元素的毒性和对生物机体的损害。

3、大幅缩短发酵周期：由于禽畜粪便采用微波水解处理，不仅杀死了粪便中的有害物生物，还使禽畜粪便中蛋白质及淀粉糖类快速消解为有益微生物可以直接吸收利用的多肽、氨基酸、葡萄糖等可溶性小分子物质，使发酵底物中可直接吸收利用的营养物质比例大幅度提高，同时使用液态发酵，营养物质及热量传导迅速，极大的缩短了发酵周期。本设备采用液态发酵周期仅需72h，而传统的禽畜粪便好氧和厌氧发酵基本周期都在168h以上。

4、无营养元素损失，盐类利用充分：相对其他禽畜粪便无害化处理方式本系统设备及利用方式，因采用微波水解后采用特定微生物厌氧发酵，无氨气及大量二氧化碳排出，营养元素损失少，盐分随发酵饲料一起进入动物体内得到循环利用，不会造成土壤板结等生态结构破坏。

5、处理过程绿色环保：处理过程无废水、固废及恶臭气体排放，而传统禽畜粪便处理方式往往产生氨气、硫化氢等恶臭气体和高浓度有机废水排放，不但造成营养元素流失还极易造成环境污染。

6、系统设备结构紧凑，占地面积小，通过微波水解和快速发酵，有效的避免了大面积建设发酵池等问题，成本低。

7、产品价值高、消费频次高，刚性需求、消费市场极大：相对传统的禽畜粪便无害化资源化利用方式，本方法所产出发酵饲料产品不仅解决了禽畜粪便环境污染问题，同时可解决我国蛋白质资源严重不足的问题，将大量的禽畜粪便与农作物秸秆转换为，价值更高，需求刚性更强，消费市场极大的发酵饲料产品，不仅不会受到化学肥料等产品的冲击，更加促进了我国绿色经济循环，完全区别于传统禽畜粪便处理产物——有机肥等产品。同时还为秸秆的处理寻求了新的途径，提高了秸秆的利用率。

本发明技术方案在上面结合实施例对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。