專利名稱：一種運用改性沸石的固態(tài)發(fā)酵工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微生物固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的新工藝。具體涉及將專用改性沸石作為惰性吸附 載體應(yīng)用到微生物固態(tài)發(fā)酵工藝中的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，許多工農(nóng)業(yè)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(huán)境均產(chǎn) 生不利的影響。固態(tài)發(fā)酵是解決這一難題的有效手段，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以將這些材料進 行降解、修復(fù)、轉(zhuǎn)化為對人們有益或無害的物質(zhì)。既無損于既定自然生態(tài)系統(tǒng)，又可以成功 解決環(huán)境問題，減輕資源危機。
在傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵多限于傳統(tǒng)伺料的生產(chǎn)，多直接利用食物和纖維素原料，價格低廉。發(fā) 酵過程基本是自然富集發(fā)酵和強化菌種發(fā)酵。雖然操作強度低，投資設(shè)備小，但是勞動強度 大。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的一個主要不足就在于碳源是它們的主要結(jié)構(gòu)組成成分。在微生物生長過 程中，培養(yǎng)基被分解后，底物容易結(jié)塊，孔隙率隨之降低，結(jié)果造成底物的外形和物理特性 都發(fā)生了變化，降低了發(fā)酵過程中的傳質(zhì)和傳熱。并且，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵做得到的最終產(chǎn)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(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵中，釆用專用改性沸石應(yīng)用于惰性載體固態(tài)發(fā)酵是對微生物發(fā)酵技術(shù) 的優(yōu)化和改進。不僅能夠克服傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵過程傳質(zhì)和傳熱降低的缺點，還具有產(chǎn)物提取簡 便、不含蛋白污染物的特點，進一步還能做到重復(fù)利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于尋找一種可循環(huán)使用的固態(tài)發(fā)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(tài)發(fā)酵的工藝優(yōu)化和改進。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)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(zhì)是微生物以膜狀生長在專用改性沸石上。
專用改性沸石應(yīng)用于微生物固態(tài)發(fā)酵，具有獨特的優(yōu)點。通過此項發(fā)明實現(xiàn)將離子交換 吸附技術(shù)和生物固定膜技術(shù)與微生物固態(tài)發(fā)酵有機結(jié)合的工藝流程。沸石經(jīng)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(fù)疊循環(huán)，實現(xiàn)可逆的脫水和固氮作用。 并且在經(jīng)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(tài)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(fā)酵的的良好培養(yǎng)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(fā)酵專用沸石。 第一步將沸石和10%氫氧化鈉溶液混合，反應(yīng)混合物的組成符合所需制備發(fā)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(jīng)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(nèi)部中心暴露，中心孔隙目數(shù)增多，提高其吸附性能。
第三步固定有效菌。
液態(tài)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(yǎng)基. 一些生物體有極性，因此在適當(dāng)?shù)腜H條件 下，這些生物體與沸石穩(wěn)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(shù)制備一種固態(tài)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(wǎng)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(nèi)吸菌量基本達到 飽和爿風(fēng)干。
根據(jù)發(fā)酵基質(zhì)初始含水率，以基質(zhì)含水率控制為依據(jù)確定基質(zhì)、新型輔料的質(zhì)量比，初 次發(fā)酵反應(yīng)要加入酵素菌作為產(chǎn)生優(yōu)勢微生物種群的誘導(dǎo)菌劑(以后均通過物料回流來實現(xiàn) 優(yōu)勢發(fā)酵微生物菌群的循環(huán)利用)，使攪拌后的初始物料含水率在60%~70%。同時控制動態(tài) 好氧發(fā)酵裝置的通風(fēng)量和攪拌頻率，進行好氧快速發(fā)酵處理。將該專用改性沸石用于固態(tài)好 氧發(fā)酵處理工藝中的具體步驟如下
第一步先確對發(fā)酵基質(zhì)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(zhì)400-600g/kgDM(DM表示干物質(zhì)，下同)的發(fā)酵基質(zhì)，添加兩種輔料 分別為含水率為10.20%的木屑為發(fā)酵基質(zhì)重量的8%，發(fā)酵專用改性沸石為發(fā)酵i質(zhì)重量的 20%,使混合料初始含水率達60%為準。初次發(fā)酵時需稱量發(fā)酵基質(zhì)重量的P/oo的酵素菌作為 誘導(dǎo)菌劑。再次發(fā)酵的回流比控制在10-40%之間。
第二步將發(fā)酵基質(zhì)以及上述按比例稱量好的木屑、發(fā)酵專用改性沸石放入動態(tài)好氧發(fā) 酵倉內(nèi)，然后撹拌，初次發(fā)酵則將上述酵素菌均勻噴灑在物料上；以后可直接與倉內(nèi)保留的 回流物料進行充分混合，調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量控制在300L/min， m3 ,定向攪拌，設(shè)定相應(yīng)的 自動攪拌頻率為每隔12小時攪拌20分鐘，進行發(fā)酵處理。
第三步當(dāng)發(fā)酵升溫到551C以上時，繼續(xù)按上述設(shè)定的攪拌頻率和通風(fēng)量運行5天結(jié)東. 然后二級發(fā)酵，整個發(fā)酵周期為14天，55t:以上可維持4-5天，發(fā)酵完成時經(jīng)檢測發(fā)酵基 質(zhì)中蛔蟲卵10W滅活，倉內(nèi)冊3濃度低于1. Omg/n^，發(fā)酵基質(zhì)均勾，符合土地利用的相關(guān) 要求。
第四步進行過篩，將發(fā)酵專用改性沸石從無害化處理的發(fā)酵基質(zhì)中分離，再次在第一 步的配料中作為發(fā)酵專用改性沸石循壞使用。 本發(fā)明具有下述優(yōu)點
1.由于本發(fā)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(tài)發(fā)酵，反應(yīng)結(jié)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(yōu)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(huán)重復(fù)使用。而且價格便宜，以上海 地區(qū)的價格為例，僅相當(dāng)于木片、木屑500元/噸的1/3左右。因此本發(fā)明的運行成本低廉, 經(jīng)濟效益十分明顯。
3. 由于本發(fā)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(nèi)通風(fēng)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(jié)省鼓風(fēng)機送風(fēng)時
間，從而使發(fā)酵過程中的耗電量降低為處理每噸發(fā)酵基質(zhì)的耗電量為8kw h。
4. 沸石無毒無害，是可降解的環(huán)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(nèi)，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(fā)酵過程中基質(zhì)中的氨和有機物等擴散到生物膜內(nèi)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(fā)揮傳質(zhì)膜內(nèi)生物反應(yīng) 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(zhì)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(chǎn)生的物理吸附,又有氨氮、有機物化學(xué)引力產(chǎn)生的化學(xué)吸附以及由菌膠團表面物質(zhì) 產(chǎn)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(fā)揮綜合吸附作用。 營養(yǎng)物質(zhì)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(yīng)的物質(zhì)傳遞。
7. 由于本發(fā)明添加了專用改性沸石，與只采用木屑/木片等傳統(tǒng)輔料工藝相比，早期升 溫速度快，微生物發(fā)酵完畢時脫水和降溫更加迅速。因此，微生物發(fā)酵所需時間最大可縮短 到7天，比國內(nèi)外同類工業(yè)化技術(shù)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(tài)發(fā)酵過程的自動控制。
8. 有利于微生物固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品減量化和提高反應(yīng)設(shè)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(fā)酵產(chǎn)品中木屑含量 大大降低，與發(fā)酵基質(zhì)處理減量化的原則相符合，為后續(xù)發(fā)酵基質(zhì)土地利用創(chuàng)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(tài)發(fā)酵反應(yīng)設(shè)備的利用效率。
具體實施例方式
實施例l:首先對上海某農(nóng)場蘋果渣的發(fā)酵基質(zhì)進行采樣分析，發(fā)酵基質(zhì)的基本性質(zhì)為 含水率80%,總有機質(zhì)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(fā)酵專用改性沸石兩種材料作為輔料，添加量分別為發(fā)酵基質(zhì)重量的15%和 5%。將上述物料放入由通風(fēng)系統(tǒng)與自動攪拌系統(tǒng)緊密配合的動態(tài)好氧發(fā)酵倉?？刂苹亓魑锪?的重量為發(fā)酵基質(zhì)重量的40%。然后雙向攪拌，使發(fā)酵優(yōu)勢菌群均勾混合到物料體系中。開 啟空氣泵，通風(fēng)量控制在300L/min,每隔12小時定向攪拌20分鐘，經(jīng)過7天處理后出料， 物料重量減少43. 0%。檢測發(fā)酵基質(zhì)中大腸菌群值〈30MPN/100gDM，蛔蟲卵100%滅活，發(fā)酵倉內(nèi)冊3濃度低于1. 0mg/m3,發(fā)芽指數(shù)>60%,物料均勻，符合土地利用的相關(guān)要求。最后 進行過篩，將發(fā)酵專用改性沸石從無害化處理的發(fā)酵基質(zhì)中分離，再次在配料中作為輔料循 環(huán)利用。
實施例2:取上海金山某酒廠酒糟100g，其干物質(zhì)濃度6%,按l: 4比例調(diào)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(zhì)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(fā)酵料含水份在60%, 30- 35。C發(fā)酵l-4天，即得飼料產(chǎn)品。產(chǎn)品 粗蛋白質(zhì)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(tài)發(fā)酵機(中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院提供)中進行發(fā)酵，發(fā)酵溫度28 3(TC，發(fā)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(chǎn)的蛋白飼料產(chǎn)品與薯渣原料(經(jīng) 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(jié)果，飼料產(chǎn)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(yǎng)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(chǎn)品的安全性符合飼料標準，并且，產(chǎn)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(yù) 處理。將經(jīng)預(yù)處理后的藥渣加水，其含水量60%。調(diào)至pH值為5，按發(fā)酵干物質(zhì)的質(zhì)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(fā)酵培養(yǎng)基。然后接種酵母茵液 體種，48小時后發(fā)酵成高蛋白菌體飼料。
權(quán)利要求
1.一種微生物固態(tài)發(fā)酵新材料，其特征在于在微生物發(fā)酵時，首先添加沸石吸附材料與廢棄物基質(zhì)混合，沸石吸附材料同廢棄物基質(zhì)一同發(fā)酵，發(fā)酵完成前將沸石吸附材料篩分出，沸石吸附材料可重復(fù)使用。
2. 根據(jù)權(quán)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(tài)發(fā) 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(tài)發(fā) 酵專用改性沸石。
3. 根據(jù)權(quán)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(yōu)勢微生物可隨其 一起作為回料利用。
全文摘要
一種用可復(fù)用材料與基質(zhì)混合進行微生物固態(tài)發(fā)酵的新方法，涉及一種將惰性吸附材料用于微生物固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的新工藝。本發(fā)明的是一種專用改性沸石，進行微生物固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)化和改進。首先沸石改性，隨后和有機廢棄物基質(zhì)混合一同發(fā)酵，最后進行過篩，將專用改性沸石從的有機發(fā)酵基質(zhì)中分離后循環(huán)使用。本發(fā)明的專用改性沸石附著性能好、發(fā)酵效率高、無自身損耗、能夠循環(huán)使用。得到的微生物發(fā)酵快速、微生物發(fā)酵處理設(shè)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(jīng)濟效益十分明顯，可廣泛應(yīng)用于多種有機廢棄物微生物固態(tài)發(fā)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(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者偉 單 申請人:上海安世生物技術(shù)有限公司