專利名稱：一種運用改性沸石的固態發酵工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微生物固態發酵技術的新工藝。具體涉及將專用改性沸石作為惰性吸附 載體應用到微生物固態發酵工藝中的方法。
背景技術：
當前，許多工農業殘渣、城巿生活垃圾已成為人們的社會公害，對人類的生存環境均產 生不利的影響。固態發酵是解決這一難題的有效手段，現代固態發酵技術可以將這些材料進 行降解、修復、轉化為對人們有益或無害的物質。既無損于既定自然生態系統，又可以成功 解決環境問題，減輕資源危機。
在傳統固態發酵多限于傳統伺料的生產，多直接利用食物和纖維素原料，價格低廉。發 酵過程基本是自然富集發酵和強化菌種發酵。雖然操作強度低，投資設備小，但是勞動強度 大。傳統固態發酵的一個主要不足就在于碳源是它們的主要結構組成成分。在微生物生長過 程中，培養基被分解后，底物容易結塊，孔隙率隨之降低，結果造成底物的外形和物理特性 都發生了變化，降低了發酵過程中的傳質和傳熱。并且，傳統固態發酵做得到的最終產物黏
度較高，不易分離；還含有多余的蛋白污染物，如淀粉酶和纖維素酶等。
而在現代固態發酵中，釆用專用改性沸石應用于惰性載體固態發酵是對微生物發酵技術 的優化和改進。不僅能夠克服傳統固態發酵過程傳質和傳熱降低的缺點，還具有產物提取簡 便、不含蛋白污染物的特點，進一步還能做到重復利用。
發明內容
本發明的目的在于尋找一種可循環使用的固態發酵專用改性沸石，進而提供使用這種專 用改性沸石進行微生物面態發酵的工藝優化和改進。
為了實現上述目的，本發明是這樣進行的首先將一種常用沸石改性，這種料有較大的
比表面積。在工藝中它是一種生物膜，其實質是微生物以膜狀生長在專用改性沸石上。
專用改性沸石應用于微生物固態發酵，具有獨特的優點。通過此項發明實現將離子交換 吸附技術和生物固定膜技術與微生物固態發酵有機結合的工藝流程。沸石經過改性后，不僅 耐磨損能力和抗氧化能力大大增強，還能做到進行復疊循環，實現可逆的脫水和固氮作用。 并且在經無機酸處理后，晶格孔道中半徑大的陽離子被置換出來，因此固態載體的通道和孔 洞被拓寬，表面積明顯增加，吸附容量得以提高，還可以更多地固定有效菌，以作為微生物 發酵的的良好培養基。
沸石改性工藝流程為
紅輝沸石+氫氧化鈉-無機酸處理4過濾、洗滌—固定有效菌—干燥—發酵專用沸石。 第一步將沸石和10%氫氧化鈉溶液混合，反應混合物的組成符合所需制備發酵專用沸石的配比。處理后耐磨損能力以及抗氧化能力增強。
第二步經無機酸處理，用半徑小的分子，置換晶格孔道中半徑大的陽離子，如Na+、 Ca2+、 Mg"等，從而拓寬孔洞和通道，表面積明顯增大,大幅度提高了其吸附容量，同時孔洞堵塞消除, 沸石內部中心暴露，中心孔隙目數增多，提高其吸附性能。
第三步固定有效菌。
液態菌劑保存和運輸都很不方便,沸石是很好的生物過濾器，吸菌量大.并能增加細胞密 度和保持菌種存活力，可以作生物生長的培養基. 一些生物體有極性，因此在適當的PH條件 下，這些生物體與沸石穩定附著。
將液體菌劑吸附其上而制成固定菌劑材料，利用微生物固定化技術制備一種固態活菌沸 石.將大量微生物吸附到沸石上來提高處理效果。其工藝流程為沸石過網孔尺寸為0.420 分樣篩—121X:下滅菌15分鐘—25t:、 ph: 7-7. 5和菌液混合吸附—8小時內吸菌量基本達到 飽和爿風干。
根據發酵基質初始含水率，以基質含水率控制為依據確定基質、新型輔料的質量比，初 次發酵反應要加入酵素菌作為產生優勢微生物種群的誘導菌劑(以后均通過物料回流來實現 優勢發酵微生物菌群的循環利用)，使攪拌后的初始物料含水率在60%~70%。同時控制動態 好氧發酵裝置的通風量和攪拌頻率，進行好氧快速發酵處理。將該專用改性沸石用于固態好 氧發酵處理工藝中的具體步驟如下
第一步先確對發酵基質進行釆樣分析，然后確定投加兩種輔料和回流物料的比例對 含水率為75%、總有機質400-600g/kgDM(DM表示干物質，下同)的發酵基質，添加兩種輔料 分別為含水率為10.20%的木屑為發酵基質重量的8%，發酵專用改性沸石為發酵i質重量的 20%,使混合料初始含水率達60%為準。初次發酵時需稱量發酵基質重量的P/oo的酵素菌作為 誘導菌劑。再次發酵的回流比控制在10-40%之間。
第二步將發酵基質以及上述按比例稱量好的木屑、發酵專用改性沸石放入動態好氧發 酵倉內，然后撹拌，初次發酵則將上述酵素菌均勻噴灑在物料上；以后可直接與倉內保留的 回流物料進行充分混合，調整通風系統風量控制在300L/min， m3 ,定向攪拌，設定相應的 自動攪拌頻率為每隔12小時攪拌20分鐘，進行發酵處理。
第三步當發酵升溫到551C以上時，繼續按上述設定的攪拌頻率和通風量運行5天結東. 然后二級發酵，整個發酵周期為14天，55t:以上可維持4-5天，發酵完成時經檢測發酵基 質中蛔蟲卵10W滅活，倉內冊3濃度低于1. Omg/n^，發酵基質均勾，符合土地利用的相關 要求。
第四步進行過篩，將發酵專用改性沸石從無害化處理的發酵基質中分離，再次在第一 步的配料中作為發酵專用改性沸石循壞使用。 本發明具有下述優點
1.由于本發明找到的專用改性沸石呈多孔球型，比表面積大，比木屑類輔料的生物附著 能力更強。因此使用該專用改性沸石進行微生物固態發酵，反應結東得到的物料松散，輔料與物料易于分離，其表面微孔中附著的優勢微生物又可隨其一起作為回料利用。
2. 由于使用過程中專用改性沸石基本無損耗，可循環重復使用。而且價格便宜，以上海 地區的價格為例，僅相當于木片、木屑500元/噸的1/3左右。因此本發明的運行成本低廉, 經濟效益十分明顯。
3. 由于本發明的專用改性沸石具有很好的支撐作用，自身的微孔又可使堆體內通風更為 通暢，實驗證明，使用該輔料可使木屑量減少50%以上，因此可大大節省鼓風機送風時
間，從而使發酵過程中的耗電量降低為處理每噸發酵基質的耗電量為8kw h。
4. 沸石無毒無害，是可降解的環保型脫水劑。吸濕率達58%以上，是普通硅膠的兩倍。
5. 沸石生物膜厚度被控制在微薄層范圍內，為O.l咖。生物膜由表及里幾乎全是好氣層, 無厭氧層存在。發酵過程中基質中的氨和有機物等擴散到生物膜內為好氧菌利用。即使對低 濃度的有機物也具有較強的降解作用，填料上的好氧生物膜是在充分發揮傳質膜內生物反應 速度快、微生物代謝活力強、生物相豐富、微生物種類繁多等特點。
6. 沸石被粘質層包圍，表面張力較低，吸附能力較強。在好氧生物膜的吸附過程中，既有 分子間力產生的物理吸附,又有氨氮、有機物化學引力產生的化學吸附以及由菌膠團表面物質 產生的生物吸附。物理吸附除分子間力作用外,還有電荷的影響作用，最終發揮綜合吸附作用。 營養物質通過界面作用吸附在沸石表面，供給微生物的生長利用，而且許多絲狀真菌和酵母 分泌具有黏性的胞外多糖，也促進了這種吸附和生物反應的物質傳遞。
7. 由于本發明添加了專用改性沸石，與只采用木屑/木片等傳統輔料工藝相比，早期升 溫速度快，微生物發酵完畢時脫水和降溫更加迅速。因此，微生物發酵所需時間最大可縮短 到7天，比國內外同類工業化技術的周期縮短1/2 3/4,因此可大大提高工作效率，同時 也更適合于微生物固態發酵過程的自動控制。
8. 有利于微生物固態發酵產品減量化和提高反應設備的利用效率。從我們的實驗情況來 看，加入5%-10%的專用改性沸石，可將木屑減量一半以上，因此微生物發酵產品中木屑含量 大大降低，與發酵基質處理減量化的原則相符合，為后續發酵基質土地利用創造了良好條件。 此外，因木屑密度較專用改性沸石小，降低木屑比例、提高專用改性沸石用量，還有利于提 高微生物固態發酵反應設備的利用效率。
具體實施例方式
實施例l:首先對上海某農場蘋果渣的發酵基質進行采樣分析，發酵基質的基本性質為 含水率80%,總有機質550g/kgDM,大腸菌群值> 24， 000MPN/ 100gDM。然后添加含水率10% ~ 20%左右的木屑和發酵專用改性沸石兩種材料作為輔料，添加量分別為發酵基質重量的15%和 5%。將上述物料放入由通風系統與自動攪拌系統緊密配合的動態好氧發酵倉。控制回流物料 的重量為發酵基質重量的40%。然后雙向攪拌，使發酵優勢菌群均勾混合到物料體系中。開 啟空氣泵，通風量控制在300L/min,每隔12小時定向攪拌20分鐘，經過7天處理后出料， 物料重量減少43. 0%。檢測發酵基質中大腸菌群值〈30MPN/100gDM，蛔蟲卵100%滅活，發酵倉內冊3濃度低于1. 0mg/m3,發芽指數>60%,物料均勻，符合土地利用的相關要求。最后 進行過篩，將發酵專用改性沸石從無害化處理的發酵基質中分離，再次在配料中作為輔料循 環利用。
實施例2:取上海金山某酒廠酒糟100g，其干物質濃度6%,按l: 4比例調配改性沸石 和麥麩混合物，將混合物加入稻谷酒精糟中，拌勻，再加入干物質總量4%的硫酸氨，0.01 %的乳酸菌干粉，0.01%活性釀酒精干酵母，再按秸桿和麥麩重量加入纖維素酶6 p/g， 木聚糖酶3 P/g和果膠酶l P/g,按麥麩重量加入糖化酶50 P/g，酸性蛋白酶8 g,充分攪拌均勻，控制發酵料含水份在60%, 30- 35。C發酵l-4天，即得飼料產品。產品 粗蛋白質含量20. 54%,粗纖維降解率30%左右。
實施例3:取壓榨脫水后的薯渣100kg,按比例添加15%麩皮、15%改性沸石、1. 5% 硫酸銨、0. 75%過磷酸鈣，接種5%黑曲霉菌種、15%白地霉菌種，物料含水量68%，在 固態發酵機(中國農業機械化科學研究院提供)中進行發酵，發酵溫度28 3(TC，發酵50小 時后60 - 651C干燥5小時，制備得到蛋白飼料成品。檢驗生產的蛋白飼料產品與薯渣原料(經 過所述壓榨脫水步驟)，其中，粗蛋白含量的測定方法參照GB/T14771—1993,氨基酸含量 的測定方法參照GB/T18246-2000，維生素Bl含量的測定方法參照GB/T12390-1990，維生 素B2含量的測定方法參照GB/T12391—1990。檢驗結果，飼料產品蛋白含量增長60%以上， 其中各種氨基酸含量均較原料有所提高，營養價值提高，此外，蛋白飼料中的維生素B含量 與原料相比也有明顯提高。該飼料產品的安全性符合飼料標準，并且，產品顏色相對于原料 有明顯的改善，氣味芳香，物料疏松。
實施例4:取中藥廠黃薈藥渣，將烘干粉碎后的黃萃藥渣以2%的稀硫酸煮沸2h進行預 處理。將經預處理后的藥渣加水，其含水量60%。調至pH值為5，按發酵干物質的質量加入 15%的改性沸石、5%的玉米漿、2%的尿素混合均勾，制成發酵培養基。然后接種酵母茵液 體種，48小時后發酵成高蛋白菌體飼料。
權利要求
1.一種微生物固態發酵新材料，其特征在于在微生物發酵時，首先添加沸石吸附材料與廢棄物基質混合，沸石吸附材料同廢棄物基質一同發酵，發酵完成前將沸石吸附材料篩分出，沸石吸附材料可重復使用。
2. 根據權利要求l所述的沸石吸附材料,其特征在于運用簡單的工藝完成沸石改性為固態發 酵專用型，提高耐磨損能力以及抗氧化能力。工藝流程紅輝沸石+氫氧化鈉—無機酸處理—過濾、洗滌—固定有效菌—干燥—固態發 酵專用改性沸石。
3. 根據權利要求l所述的沸石吸附材料,其特征在于其表面微孔中附著的優勢微生物可隨其 一起作為回料利用。
全文摘要
一種用可復用材料與基質混合進行微生物固態發酵的新方法，涉及一種將惰性吸附材料用于微生物固態發酵技術的新工藝。本發明的是一種專用改性沸石，進行微生物固態發酵技術的優化和改進。首先沸石改性，隨后和有機廢棄物基質混合一同發酵，最后進行過篩，將專用改性沸石從的有機發酵基質中分離后循環使用。本發明的專用改性沸石附著性能好、發酵效率高、無自身損耗、能夠循環使用。得到的微生物發酵快速、微生物發酵處理設備的利用效率高、物料松散易分離，周期縮短1/3，運行成本低廉，經濟效益十分明顯，可廣泛應用于多種有機廢棄物微生物固態發酵。
文檔編號C12N11/00GK101314770SQ200710041580
公開日2008年12月3日 申請日期2007年6月1日 優先權日2007年6月1日
發明者偉 單 申請人:上海安世生物技術有限公司