微生物固態發酵飼料生產加工工藝與實踐

史小華，許 建，張瑞文，臧 薇，彭君建*，閭宏先，徐登科，車晨曦

（1.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇 揚州 225009；2.國家飼料加工裝備工程技術研究中心，江蘇 揚州 225009；3.江蘇豐尚油脂工程技術有限公司，江蘇 揚州 225009）

近年，新冠疫情、戰爭沖突、極端氣候等因素導致了糧食大面積減產，聯合國世界糧食計劃署宣布，人類或將面臨二戰后最大的糧食危機，而這絕非危言聳聽！據統計，盡管我國糧食產量長期穩定在6 億t 以上，但進口量同樣維持高位，去年我國糧食進口量達1.6 億t，糧食產量與進口量總和共8.5億t，創歷史新高。飼料工業中動物日糧配方的設計早期受美國技術理念影響，逐漸適應以玉米、豆粕作為動物飼料的主要原料，養殖端飼料年消耗糧食量近4.5億t，其中的糧食成分占我國糧食產量與進口量總和的40%以上，“人畜爭糧”矛盾加劇，對糧食安全提出了非常大的挑戰。

漁業資源的下降和能源價格上漲，使魚粉的產量和成本形成了前所未有的壓力。因此，魚粉作為一種資源依賴性產品的供應必然是呈量降、價升的趨勢。而水產養殖量的不斷增長，導致對魚粉的需求呈增加的趨勢。中國作為世界第一水產養殖大國，同時又是一個魚粉生產小國，將面臨著一個極其嚴峻的挑戰。

自2020年7月1日起，飼料生產企業停止生產含有促生長類藥物添加劑（中藥類除外）的商品飼料，標志著我國全面禁止飼料中添加抗生素。但是無抗養殖大幅增加了養殖成本，對畜禽的健康也帶來了新的挑戰。因此，開發綠色、安全、新型的替抗飼料已迫在眉睫，微生物發酵飼料為緩解行業發展矛盾提供了可行性的研究方向。

1 微生物發酵飼料的特點

微生物發酵飼料是指在人為可控制的條件下，以植物性農副產品為主要原料，通過有益微生物的代謝作用，降解部分多糖、蛋白質和脂肪等大分子物質，生成有機酸、可溶性多肽等小分子物質，形成營養豐富、適口性好、活菌含量高的生物飼料，其有效成分包括極易吸收的有益微生物菌體蛋白、酶類、生物活性小肽類、氨基酸、有機酸、活性益生菌等。通過發酵處理的飼料，不僅可以改善飼料品質、提高飼料的消化利用率，還能通過調節動物體內的微生態平衡，達到促生長、抗腹瀉、增強機體免疫力等作用[1]。微生物發酵飼料特點如下。

1.1 改善動物胃腸道微生態環境

發酵飼料的原料中存在抗營養因子，而微生物可以通過自身的代謝活動，將飼料原料中的抗營養物質分解和轉化。同時，有益微生物的大量繁殖可抑制有害微生物的生長，起到抑制病原菌生長的作用，進而改善畜禽胃腸道微生態環境。

1.2 補充營養成分，提高飼料利用率，改善飼料的適口性

飼料原料經發酵后能產生多種不飽和脂肪酸和芳香酸，具有特殊的芳香味和良好的適口性，同時大分子物質被降解成易吸收消化的小分子物質，降低了粗纖維和粗脂肪的含量，可明顯提高動物采食量，使動物能夠最大限度地利用飼料，促進營養物質的消化吸收，進而提高飼料的消化率。

1.3 提高營養物質的含量和價值

飼料原料經過微生物的代謝不僅可提高其粗蛋白、粗脂肪及多糖等營養物質的含量，同時還會產生淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、維生素、小肽、菌體蛋白和游離氨基酸等多種有益活性代謝產物，能顯著提高飼料的營養價值[2]。

1.4 防止有害物質產生

微生物發酵飼料不含任何抗生素，無毒副作用，有益菌可降低畜禽舍內氨氣、硫化氫等有毒氣體的濃度，凈化畜禽養殖環境。此外，直接飼用微生態制劑，有益菌在腸道內能形成致密性膜菌群，形成生物屏障，可防止畜禽對有害物質和廢物的吸收。

2 微生物固態發酵飼料加工工藝

固態發酵（solid state fermentation，SSF）是指在沒有或者幾乎沒有游離水存在的情況下，在有一定濕度的水不溶性固態基質中，一種或多種微生物的生物反應過程。固態基質類似于微生物的棲息地，不僅為微生物的生長提供固定的位置，還為其提供了碳源、氮源、無機鹽、水分等營養物質，可以維持微生物正常的生長和代謝活動。固態發酵歷史悠久，但產業化發展相對緩慢，不過因其獨特的優越性、代謝產物豐富、能耗低、不易發生大面積污染等特點，愈來愈受到行業關注。我國微生物發酵飼料的生產以固態發酵工藝為主，加工工藝見圖1。

圖1 固態發酵加工工藝

微生物固態發酵飼料加工工藝一般由原料接收及清理工段、粉碎工段、配料混合工段、滅菌冷卻工段、菌種的活化與擴繁、接種發酵工段、烘干工段、二次混合工段、打包工段等工段及輔助系統組成。不同的廠家由于發酵需求不同，對上述工段會進行局部的優化或裁剪。其中微生物固態發酵飼料加工過程如下：

首先，原料經計量后輸送至相應的緩沖罐中。原料需要通過粉碎機粉碎能達到發酵的粒度要求。

其次，所有原料在進入發酵之前可進行滅菌處理，以殺死所有異物細菌。然后將原料冷卻至室溫，并將其轉移至間歇混合器與液體細菌培養物混合?；旌虾笪锪纤趾繛?5%～40%。

再次，將接種混合后的物料送到發酵區。接種后，發酵料被輸送到發酵設備上。在發酵過程中需要根據物料的發酵特性適當增加攪拌裝置。經過一定時間發酵后，將發酵物料排出，輸送到干燥區。然后將發酵的物料通過逐步干燥至相對較低的溫度。

最后，將干燥的產品冷卻至室溫。干燥冷卻后的發酵產品根據實際需求，運輸到粉碎機中粉碎至特定粒度大小，最后將其轉移到成品緩沖倉，然后進行計量和包裝。

另外，可以根據實際需求添加其他營養素，提高最終產品的商業和營養價值。

固態發酵是發酵飼料生產環節中最重要的工序，直接決定產品的品質和產量。筆者從發酵工藝中的核心發酵裝備出發，重點闡述不同發酵方式對發酵品質的影響，以期為飼料生產企業、專業發酵公司在進行發酵項目建設和設備的選擇提供一定幫助。

固態發酵按照培養基質的運動狀態，可分為靜態固體發酵和動態固體發酵。靜態固體發酵培養基質處于靜止狀態，動態固體發酵培養基處于間斷或連續的運動狀態。

2.1 靜態固態發酵

常見的靜態發酵有平地堆放式、池式、槽式、呼吸袋式、桶式、圓盤式等形式。

2.1.1 平地堆放式固態發酵

平地堆放式發酵（見圖2）的發酵過程：將物料與菌種混合后，堆放在平地上，物料堆放高度一般為0.7～1.0 m。隨著發酵的進行，堆體溫度會升高，需要利用翻拋設備對物料翻拋，讓堆體中間部位和底部物料翻轉到上部，降低發酵溫度以及增加與氧氣的接觸。發酵過程主要控制發酵時間和發酵溫度，發酵時間完成后即完成發酵作業。

圖2 堆放式固態發酵

平地堆放式發酵的優點：只要有足夠空間就能進行發酵作業，技術要求低、簡便易行。另外，堆放式發酵存在以下不足之處：①開放式的發酵環境，外界雜菌極易帶入車間，給產品品質帶來不穩定性；②發酵過程粗放，沒有過程控制，產品品質不穩定；③物料周轉如裝卸、搬運、翻料等則完全需要人工作業，生產勞動強度極大。該發酵方式不合適工業化的生產模式，且產品品質也不能滿足日益提高的市場需求，平地堆放式發酵方式逐漸被淘汰[3]。

2.1.2 池式固態發酵

池式發酵（見圖3）方法是在地面上挖建水泥地坑，深度通常為1 m左右，寬度為2～5 m，呈長條狀，地坑四壁做防水處理。將物料與菌種混合后轉移到地坑內進行發酵。池式發酵可以形成相對封閉的環境，減少了人為污染，同時利于保溫，容易營造穩定的發酵環境，發酵物料的品質相對可以保證[4]。

圖3 池式固態發酵

池式發酵存在的主要缺點：①發酵池底層的物料仍然很難處理，殘留不易清理，易霉變；②地坑的修建繁瑣，且四周墻壁存在腐蝕問題，水泥塊會剝落，摻雜異物，影響產品質量；③物料轉運工作完全靠人工，搬運非常困難，工人操作的勞動強度依然很大。這種方式只適用于產量不大的工況要求，目前我國的飼料生產企業應用較少[5]。

2.1.3 桶式發酵

桶式發酵（見圖4）是將物料置于塑料桶中進行固態發酵。塑料桶頂端側壁設有透氣口，通過氣管伸進盛水的純凈水瓶中，通過純凈水瓶內的pH的測試間接反饋桶內發酵物料發酵狀態。這種方法減少了人為污染，利于保溫，容易產生穩定的發酵環境，對于發酵品質穩定性提供了部分必要條件。

圖4 桶式固態發酵

桶式發酵存在的主要缺點：①發酵過程的溫度控制比較困難，不能對發酵物料進行翻拋降溫處理；②由于發酵物料黏性變大，發酵物料出桶作業比較困難，且多個桶裝物料的搬運困難，工人操作的勞動強度依然很大。此方式只適用于產量不大的工況的發酵方式，目前我國的飼料生產企業應用較少。

2.1.4 袋式發酵

袋式發酵（見圖5）是將接種后的物料通過打包系統裝入具有呼吸閥的塑料袋中，然后將呼吸袋放置在恒溫房中進行發酵。這種方法減少了人為污染，利于保溫，容易產生穩定的發酵環境。

圖5 袋式固態發酵

袋式發酵存在的主要缺點：①雖然將發酵袋置于恒溫房內，提供一個相對穩定的發酵環境，但發酵袋內的溫度場會有差異，且不能進行翻拋降溫處理；②呼吸袋為消耗品，成本偏高；③發酵物料轉運可以借助叉車，勞動強度大大降低，但自動化程度尚需進一步提升。這種方式只適用于產量不大的生產工況。該工藝投資少、見效快、工藝靈活，可以與飼料廠實現無縫對接，目前應用比較廣泛[5]。

2.1.5 槽式發酵

槽式發酵（見圖6）借鑒了平地堆放式和池式發酵的優點。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15～50m。這種方法使發酵生產條件有了較大的改善，尤其是大槽發酵利用兩個平行的墻體形成發酵區間，墻體上可安裝布料、翻料、出料、覆膜設備，實現了機械化操作，提升了發酵裝備的水平。

圖6 槽式固態發酵

槽式發酵存在的主要缺點：①采用上下兩層加風道，土建投資高；②無法實現連續生產；③輸送距離遠，進料輸送的能耗高，物料黏度高時出料困難；④設備死角多，風道易積灰、發霉，難以清洗；⑤槽式發酵的進料機、出料機和翻料機相互獨立，所有配套控制無法通用，占地面積太大。但由于技術的限制，這些設備需要工人現場操控，一定程度上影響了發酵環境。目前我國的飼料生產企業及專業化發酵公司有部分應用[6]。

2.1.6 圓盤發酵

圓盤發酵（見圖7）的工作原理，是采用中心進料，發酵物料通過溜管送到中心筒邊上，再通過絞龍把物料從中間分布到圓周方向。通過絞龍組件的升降，把物料在高度方向布滿。圓周方向物料是通過旋轉平臺帶動上面升降絞龍、中心進料來布滿。出料則是通過打開中心旋轉筒體上的出料門，絞龍正轉把物料由發酵機邊緣向中心推動。出料口在中心筒體的下面，把物料推進中心筒體后，自由落體到發酵機中心筒出料口相連的輸送設備上。布料由下到上布滿發酵機，出料由上至下排出物料，進入后續干燥。

圓盤發酵實現了機械化操作，提升了發酵裝備的水平。圓盤厭氧發酵機具有以下不足：①無法實現連續發酵，只能進行批次發酵，會造成后續設備的選型加大，整個生產線能耗大大增高，經濟性差；②無法實現先進先出，無法實現好氧發酵，上面還需要密封蓋機構，整體結構復雜，維護成本高；③發酵不均勻，好氧發酵時的料層低、產量低，翻料時物料和空氣接觸不徹底，發酵不均勻；④圓盤類發酵設備從設備底部向上進料，從設備底部出料；對于發酵周期短的物料，其出料時間占整個發酵周期比例較長，影響發酵的品質。目前，我國的飼料生產企業及專業化發酵公司有部分應用。

2.2 動態固態發酵

動態式固態發酵的發酵基質處于運動狀態，可以使發酵物料在各處的位置環境一致，發酵產生的熱量可以及時排出，具有較高的生產效率，機械化、自動化程度比較高，產品品質穩定。目前我國常見的動態式固態發酵設備有皮帶式、車陣式和履帶式等形式。

2.2.1 皮帶式發酵

皮帶式發酵（見圖8）是最早出現的一種連續式動態發酵形式，物料與菌種混合后通過輸送設備將物料放置于透氣的尼龍材質皮帶上，料層高度為300～400 mm，皮帶通過鏈輪機構拖動緩慢運動，將物料由混合接種端送到后續工段，物料在輸送過程中完成發酵過程。為節省場地空間，皮帶由上往下可分成若干層，設備內部通常有加溫、排風、監測等部件[7]。

圖8 皮帶式發酵設備

皮帶式發酵的優點：①連續發酵，且可以做到先進先出，為發酵品質穩定提供了基礎必要的可能；②結構簡單，運行穩定可靠，內部環境調節設備使發酵環境穩定，規模擴展方便，投資相對不高。但也存在以下不足：①由于皮帶式發酵是連續生產，應變能力差，一旦出現故障會使整個生產線停止。②皮帶輸送易產生漏料等現象。目前皮帶式連續發酵應用較少。

2.2.2 車陣式發酵

車陣式發酵（見圖9）是一種改良后的連續發酵設備，將物料置于若干規格相同的特制容器中，容積為1～2.5 m3，容器置于軌道上，若干容器組成若干發酵隊列，加上分配道和返回隊列，由往復機構實現容器的循環往復運動。通過電氣控制實現物料的分配、翻料和輸送，每個容器上安裝監測設備，整個車陣置于恒溫廠房內，實現了環境控制[8]。

圖9 車陣式發酵設備

車陣式發酵具有設備靈活、應變能力好、發酵環境穩定、產量高的特點。同時車陣式發酵也存在制作維護成本較高、控制復雜、死角多、易發霉、難以清洗容器和消毒困難等缺點[9]。目前，我國的飼料生產企業及專業化發酵公司有部分應用。

2.2.3 履帶式發酵

履帶式發酵（見圖10）的工作過程：接種后的物料由進料口進入撒料器，均勻落入發酵箱體內部，通過輸送鏈帶動履帶板轉動，勻速地將物料向前運輸，料層內部布有翻料裝置，將物料進行松動散熱，發酵所需氣體從箱體上部吸風口進入，從另一側的風口排出，提供發酵所需的氣體，物料在密閉的箱體內部完成整個發酵過程；箱體頂部裝有噴嘴噴淋消毒液配合殺菌燈使用，殺滅細菌[10]。

圖10 履帶式發酵床

履帶式發酵設備特點：①自動化程度高：先進先出，且為自動進出料，自動翻料和溫控，連續生產，極大減少了人工，提高了系統穩定性。②好/厭氧發酵：適應組合菌種發酵，可同時進行好氧和厭氧發酵；③安全衛生：發酵在密閉環境進行，杜絕粉塵外溢和雜菌污染，可實現自動翻料和溫控，確保發酵產品的穩定性；④運維便捷：有兩套動力總成，根據發酵的時長和清洗時間的差異，配用不同轉速的動力，通過電機-離合器-齒輪箱傳動實現不同工作模式下的差異化運轉，發酵時主電機轉速慢，可帶動另一端輔助電機跟轉，清洗時主電機停止，輔助電機開始工作，此時通過離合器自動將主電機脫開不跟轉，帶動輸送鏈快速運轉，頂部噴嘴打開持續沖洗履帶板，節約沖洗時間，同時打開側面噴嘴沖洗箱體側板，清洗用水通過淌水斗流出，實現自動清洗。⑤占地面積?。毫Ⅲw式布局工藝，占地面積小，土建投資少，整個生產線的產能均衡，節約了投資成本[11]。

基于以上特點，履帶式發酵符合綠色、環保、智能化和規?；陌l展方向，已經在我國的飼料生產企業及專業化發酵公司得到實踐和驗證。

3 總 結

從我國飼料行業的發展趨勢和市場需求的緊迫性分析，發酵飼料對于緩解飼料資源緊缺的現狀有著重要的現實意義，在全球低碳經濟迅速發展的環境下，在發酵加工裝備綠色節能環保智能化等方面提出了更高的要求。作為系統解決方案供應商將持續加強對生物發酵技術的工藝及核心設備研究，開發出優質高效的工藝及設備，以推動微生物發酵飼料加工水平的繼續提升，實現發酵飼料更加安全、規范和穩健地發展。