連續式秸稈發酵飼料制備機的研制與試驗
為解決目前秸稈飼料轉化技術周期長、占用空間大等問題，基于優先分解部分半纖維素的體外發酵工藝，研制了一種適用于農作物秸稈的連續式秸稈發酵飼料制備機，以實現秸稈發酵飼料的快速高效生產。該文分別以玉米、水稻和小麥3 種秸稈為原料、以木質纖維素分解菌復合系MC1 為發酵劑，進行了周期為3 d 的、連續梯度發酵試驗，對機器進行性能檢測及相應的改進。通過試驗發現以玉米秸稈為原料時，機器運行效果最佳。發酵3 d 后，玉米秸稈變得松散柔軟，半纖維素少量分解，纖維素和木質素基本不分解。該機操作簡、使用方便，發酵過程中能耗低，周期短，可實現秸稈發酵飼料的連續批次生產，生產效率高。
1主要結構及工作原理
1.1 設計要求
連續式秸稈發酵飼料制備機的基本要求是：
1）以鍘短（粉碎、揉搓變短）的干秸稈為原料；
2）3～5 d 分解期、連續批次生產，縮短貯存時間，減少貯存空間；
3）發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）創造厭氧生長為主、間歇好氧的條件，促進木質纖維素分解菌的生長繁殖；
5）以自身發熱升溫為主、加熱為輔，保持發酵物料的溫度于50~60℃，耗電量低；
6）操作簡單，農戶可隨用隨制；
7）制造成本低、適合普通農戶使用。
1.2 總體結構
連續式秸稈發酵飼料制備機由端板1、入料口2、上蓋板3、U 型筒4、主軸5、側出料口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、電機及傳動13 等構成；兩側的端板1、U 型板4、上蓋板3 和主軸5 構成一個發酵室，梯度隔板9 將整個發酵室隔成3 個單獨的發酵倉，其結構如圖1 所示。
如圖1 示，連續式秸稈發酵飼料制備機由梯度隔板9在發酵室內等間隔布置，可按照發酵周期要求設置相應數量的隔板。發酵室尺寸均（ 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、可調節高度。主軸5 上安裝有按螺旋式排列4 種結構不同的槳葉，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，可在環境溫度較低的情況下保持發酵室內發酵物的溫度。為了控制攪拌時出料量不至于過大，將側出料口6 安裝在U 型筒出料端的側面、沿著物料斜向上運動的方向，側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。出料口側壁上裝有插板，用以調整出料口開度來調整出料量。排氣扇7 安裝在一側的端板1 上，在發酵溫度、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
設備工作原理如圖1 所示。
第1 批原料自入料口2 喂入發酵室①，發酵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，物料自發酵室①撥入發酵室②。與此同時，喂入第2 批原料。第1 批原料發酵48 h、第2 批原料發酵24 h 時，重復以上操作，發酵室②的物料撥入發酵室③，發酵室①的撥入發酵室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酵室內，發酵時間均相差1 d，形成時間梯度。
按既定的發酵工藝天數確定梯度隔板的數量，發酵天數n、則安裝n-1 塊梯度隔板。發酵n 天后出第1 批料，并喂入與出料量等同的新原料。以后，每天進出料，實現秸稈發酵飼料的連續生產。
設定加溫板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，為分解菌體生長創造適宜的溫度條件；觀察口11 在攪拌時打開，使氧氣進入發酵秸稈中，保證分解菌株生長所需的供氧量，從而促進秸稈的分解發酵。
影響發酵試驗的因素有接種量、氮源添加量、發酵時間、料層厚度和發酵溫度等，為了利用秸稈生化降解時產生的熱量來提高料堆的溫度、而不會全部散發到環境中，減少加熱器耗電；經試驗證明，秸稈發酵料堆厚度在600 mm以上發酵中保溫效果明顯，發酵中物料的厚度不應小于600 mm。在自體發酵溫度不足時，利用加溫板10輔助加熱。
1.4 設備主要技術指標
設備主要技術指標如表1 所示。
1.5 工作要求
1）由于秸稈的蓬松性，為了保證設備的穩定運轉，在喂料中應盡量保證送料速度均勻，以免堵塞。
2）梯度板的高度可根據實際裝料量上下調整，以控制設備內物料的裝載量。一般情況，梯度板的高度與各個發酵室內裝料高度接近。
2材料與方法
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
由中國農業大學培育、篩選的以優先分解半纖維素為特色的木質纖維素分解菌復合系MC1，甘油冷凍保存。用蛋白胨纖維素培養液(peptone cellulose solution，PCS 培養基）活化并擴大培養后備用。
2.1.3 培養基地及其他
蛋白胨peptone、NaCl，自來水。其中蛋白胨peptone生產廠家為北京雙旋微生物培養基制品廠。
2.2 方法
2.2.1 工藝流程
針對干秸稈水分低、營養成分有限的缺點，用一種區別于傳統秸稈微貯技術的體外半纖維素分解發酵技術，將玉米秸稈進行發酵飼料生產試驗。試驗的工藝流程如圖2。
2.2.2 原料預處理
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。取干秸稈質量1/500 的蛋白胨，加水制成1%（蛋白胨與水質量比）的蛋白胨水溶液；并將預先活化好的木質纖維素分解菌復合系MC1（MC1 容積與干秸稈質量比為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。
農作物秸稈是貧氮原料，碳氮比超出適宜的發酵范圍，這會影響微生物的繁殖和生長。蛋白胨為PSC 培養基中主要氮源，加入蛋白胨可增加秸稈中氮的含量，促進微生物的快速生長和繁殖。
將發酵原料喂入連續式秸稈發酵飼料制備機，根據試驗方法、以不同的秸稈為原料，對連續式秸稈發酵飼料制備機進行測試試驗，測試其裝料、溫度、運轉、攪拌及主軸及槳葉桿結構，根據試驗結果調整連續式秸稈發酵飼料制備機的局部結構、以滿足設計要求。
2.3 試驗設計
2.3.1 不同秸稈的飼料化效果試驗
調節梯度隔板的高度，將發酵飼料制備機分成3 個完全獨立的發酵室，通過測定秸稈堆體核心溫度及觀察秸稈的質地來評價該設備對水稻、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。固態發酵中溫度的升高及維持主要是靠微生物代謝有機物產生的熱量實現的，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熱，堆體溫度升高緩慢，達到分解菌生長謝所需的適宜溫度所需時間較長。因此發酵初期，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 設備運轉試驗
設備攪拌軸最初采用減速比1/17 擺線針輪減速機，電機功率為4 kW、輸出扭矩416 N·m，裝1 個發酵室的玉米秸稈50 kg。裝料時電機啟動未出現異常，在物料裝料發酵24 h 后，電機再次啟動時有異響、電機噪聲明顯增大、難以啟動。
經過調整后，設備采用擺線針輪減速機、輸出轉速為轉速（10 r/min）、電機功率為5.5 kW。3 個發酵倉均裝滿料（約150 kg），設備可正常運轉。
電機的負載在75%～100%的額定負載之間，即負載率為75%～100%時，電機的效率與功率因數相對來說都比較高，且電機的容量也得到了較充分的利用，異步電動機的最大效率大約在額定負載的75%處，而功率因素卻在額定負載附近最高。
該電機型號Y132S-4，其額定數據PN 為5.5 kW，IN為11.6 A，nN 為1 440 r/min，效率ηN 為85.5%，功率因數cosφN 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 次測量平均值進行計算。根據楊文斌等介紹的電機負載率的測定根據依據，測試電機負載率。
式中，I0 為電機空載定子線電流，A；cosφN 為電動機額定功率因數，可由電機產品目錄或銘牌上查得；IN 為電動機額定電流，A，可由電機產品目錄或銘牌上查得。K 為系數，取值4.2。
式中，P2為實際輸出功率，kW；I1 為實際負載下實測電機定子線電流，A；PN 為電動機額定功率，kW。則電機負載率為81.84%；運轉中，瞬時最大電流達到10.2 A，最大負載率達到85.93%。
2.3.3 攪拌試驗
在設備上分別安裝壁厚8 mm，直徑為24 和30 mm的不銹鋼材質的主軸槳葉桿，3 個發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秸稈的承受能力。
2.3.4 壓塊玉米秸稈的連續發酵試驗
以每批50 kg 壓塊玉米秸稈為原料，按照1.3 中所述進行操作，連續排出發酵3 d 的秸稈。發酵過程中約24 h攪拌一次、使氧氣進入秸稈內、保證微生物菌群生長需氧，每次攪拌時間為5 min；密閉發酵。發酵周期3 d。
2.4 檢測指標及測定方法
測試運行中設備的性能指標：負載率、噪聲、粉塵、小時耗電量、批生產率等；
測試原料和產品的品質指標：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）和酸性洗滌木質素（ADL）：按照Van Soest 等推薦的動物營養與飼料科學領域國際通用方法進行測定。
灰分：在550℃條件下持續灰化飼料樣品4 h，降溫至100℃轉移至干燥器中冷卻至室溫后進行灰分稱質量。
3結果與分析
3.1 不同秸稈的飼料化效果
圖3 是實測的3 種物料的發酵溫度變化情況。玉米秸稈發酵48 h 后溫度達到50℃，并保持穩定。在發酵前期，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生和外部的補給。而攪拌對玉米秸稈的容積密度影響不大，因此能持續高溫。
發酵過程中，稻草、小麥秸稈的色澤和質地均未改變，仍呈原料狀態；玉米壓塊秸稈，發酵后色澤深于原料、呈褐色狀，質地變得松散柔軟。
試驗結果表明水稻、小麥和玉米3 種秸稈中，壓塊玉米秸稈最適合用該設備進行飼料化。
3.2 設備運轉結果
設備運轉試驗證明：經過發酵后秸稈需要的啟動電流和啟動扭矩增大；調大的電動機經運行的負載率處于合理范圍且負載率不過大（≤90%）。通過試驗對連續式秸稈發酵飼料制備機技術性能指標進行了測定，結果見表2。
測試結果表明該設備達到了對一般飼料機械標準對噪聲、粉塵的要求，同時達到了設計的產量要求，可按照設計要求進行玉米秸稈的發酵試驗、并能夠應用該設備進行秸稈發酵飼料的小規模生產。
3.3 攪拌試驗結果
在水稻的發酵中，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，經水稻纏繞的痕跡明顯。在小麥的發酵中，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，其他同水稻發酵。小麥秸稈攪拌中偶有啟動困難。在米的發酵中，未出現折斷，但出現不同程度的彎曲變形。
試驗結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現：以稻草桿（切碎后長度＜3 cm）制成的發酵試驗原料在攪拌中極易纏繞、成團現象明顯，在擋板的阻擋下形成直徑約350 mm 的團，槳葉桿變形角度達到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等阻礙攪拌的現象，物料隨槳葉桿旋轉效果明顯。經加粗為不銹鋼材質、直徑為30 mm、壁厚8 mm，無斷桿現象、亦無明顯彎曲現象。
3.4 壓塊玉米秸稈的連續發酵試驗結果
發酵前后秸稈成分的變化見表3。試驗結果表明所試驗的玉米秸稈經過周期為3 d、溫度介于50～60℃的穩定發酵后，所得發酵產物呈褐色、氣味香甜；與發酵前相比，秸稈中半纖維素降解11.03%；纖維素基本不降解。
3.5 討論
該設備為臥式的攪拌、傳動結構，主軸動力配備大、能耗高，發酵量有限，即效價比（配置功率與發酵量比）較大，目前可作為試驗擴大機型或用于小型家庭養殖，難以在產業化模式中推廣使用。
課題組以臥式發酵為主體、采用立式攪拌形式進行試驗機型的探索。發酵器采用了臥式長槽結構發酵床作為產業化試驗模型，在發酵器兩側槽體上裝移動式翻拌設備實現攪拌，這樣不僅能進行分段翻拌，采用的立式傳動結構也能大大降低能耗，而通過有效增加發酵池長度、也能實現大規模發酵。
所采用的發酵槽為深度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，其攪拌量是臥式結構的3.4 倍。
對比證明：同產量下臥式攪拌結構的主軸動力配備、能耗均高于立式攪拌結構3 倍以上，應盡量采用立式結構進行攪拌，節能、降低生產成本。
4結論
1）連續式秸稈發酵飼料制備機可按照常溫（或適當加溫）下優先分解半纖維素的工藝要求，加工發酵飼料，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構，主軸動力配備大、能耗高，盡量采用立式結構進行攪拌，節能、降低生產成本。
3）玉米壓塊秸稈在接菌劑條件下，發酵中升溫和保溫效果好、發酵中一直保溫在50～60℃之間發，發酵后呈褐色狀、氣味香甜，可用于秸稈發酵飼料的制備；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分解發酵。
4）以半纖維素分解為特色的分解菌復合系為接種劑、在連續式秸稈梯度發酵飼料制備機上，對壓塊玉米秸稈進行了周期的中溫、連續梯度發酵分解發酵試驗，所試驗的玉米秸稈發酵溫度保持在50～60℃，3 d 后半纖維素分解了11.03%。纖維素基本不講解。
與發酵前秸稈相比，發酵3 d 的秸稈的消化率能否提高，提高多少；產品的營養價值和動物生產試驗效果等均有待做進一步試驗證明。
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