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关于发酵过程中的温度问题详解

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发表于 2015-7-16 16:25:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 蒋春凤 于 2015-7-18 09:13 编辑

经常会接到用户的来电咨询,有些是问发酵中的温度的问题的,比如说典型的有以下几个问题:      ① 为什么他发酵糟渣的过程中,物料的温度不高?
     ② 为什么发酵糟渣刚开始几天温度较高,现在却没有温度了,表面更是冷的?
     ③ 为什么我发酵的统糠、啤酒糟、玉米秸秆米糠等发酵的温度非常高,里面很热,这会不会烧料呢,会不会损失营养呢?(注意这些物料都是比较疏松的)
     ④ 我是发酵鸡粪喂猪的,为什么我发酵的料没有什么温度呢,而为什么别的人发酵堆肥做有机肥的,他们的堆肥发酵温度非常高呵?
     ⑤ 为什么我发酵了10几天的发酵床垫料里面没有什么温度呢,我现在还没有进猪,翻了一下,也没有什么温度?
     ⑥ 发酵糟渣喂猪,是发酵温度高一些好,还是温度低一些好?
     ⑦ 我发酵糟渣含水量在30%~40%,料温非常高,含水量在50~60%时,温度却不高?这是为什么?

     回答这些问题前先把正确的结论公布一下,大家心里有个印象,再从下面的内容中寻找答案和理论,结论就是:
     好氧发酵温度高,厌氧发酵温度低;进入的空气越多,温度越高,反之温度越低;空气越多时,微生物繁殖越多,反之繁殖越少;菌体蛋白并非一定比植物蛋白好等等;由此再引申出以下结论:
     ① 以喂养动物为目的的发酵糟渣发酵中,应该尽量用厌氧发酵法(尽量压实压紧密封好),以避免产生高温高热的现象;以免损耗消化能代谢能,以及损失维生素等;
     ② 在发酵制作堆肥,以制作肥料为目的的发酵中,才需要采用好氧发酵,产生大量的热量和温度,来消耗掉物料中的能量,以免将来做肥料时,造成烧根;
     ③ 越是疏松的发酵物料如(啤酒糟统糠、麦麸米糠、带壳的酒糟秸秆……),越容易在物料内部藏有空气,越容易发酵产热,发酵温度也较高;对于这些物料,必须用力压实压紧(作有机肥除外);
     ④ 发酵床养猪中的垫料发酵目的是为了分解粪便,所以,是好氧发酵,必须注意让适当的空气进入垫料,才好充分分解粪便,但是夏天天气热,猪容易产生热应激,所以,夏天要注意少用点刨花、谷壳等粗料,多用点锯末等细料(但也不能全部用锯末),目的是适当控制进入垫料中的空气,避免发热量太大;
     ⑤ 微生物菌体蛋白不一定比植物蛋白好,因为菌体蛋白含有较难溶解的细胞壁,影响了菌体内部的细胞质蛋白的消化吸收,而植物细胞壁相对比较容易酶解,从而释放植物蛋白;所以,从这一点看,发酵糟渣应该以静悄悄的厌氧发酵和酶解反应为主,而不是追求大量繁殖微生物菌体,当然对鸡粪是例外;
     ⑥ 鸡粪本身含非蛋白氮比较多,真蛋白率比较少,所以,相对其他糟渣的发酵来讲,需要一定的好氧发酵,所以,可以实行二段发酵法,即先密封发酵几天后,再翻堆一次,进入一些空气,再密封继续进行发酵,目的是适当繁殖微生物菌体,让微生物来同化非蛋白氮,成为菌体蛋白,提高真蛋白率。
     ⑦ 发酵糟渣的开头几天,会把糟渣里面藏有的空气消耗掉,所以,头几天可能温度高一些,但在消耗掉了物料里面的空气后,则进入完全的厌氧发酵过程,温度自然会降下来;
     ⑧ 含水量在30~40%时,由于物料不能充分吸水膨胀软化,反而是体积膨胀了,比干的时候更加疏松了,物料颗粒间隙藏有大量的空气,所以,这个含水量情况下发酵产热比较大,含水又较少,所以料温会很高;而在含水量50~60%的情况下,物料充分吸水膨胀和软化,相互间粘结,通过压实后,物料颗粒间基本不存在空气,所以,本身发热较小,加上含水量大,水是比热系数比较大的蓄热的东西,所以,即使有一点热量也被水蓄积,不会产生过高的温度。
     ⑨ 如果一直有空气源源不断地进入物料中,进行持续的好氧发酵,则最终会把物料中所有的可利用的能量消耗殆尽,这对于做肥料来说是可以的(不会烧根),但对于发酵的目的是为了喂动物作饲料来说,则是灾难性的(能量是动物最重要的营养之一),是不好的。
     ⑩ 发酵产热还需要能量饲料的源源不断的供给,才能持续产热,这是能量守恒定律决定的。所以,发酵床如果不能源源不断地提供猪粪或其他能量,就不可能永远发热;


发酵料产热的基本原理
    在回答这些问题之前,有必要解释一下,微生物发酵过程中会产热的基本原理,了解了这些原理后,再回过头来看上面的问题就一目了然了,首先以下几个原理是最基本的原理:

1. 物料为什么大量发热的最基本原因是物料里面的微生物在大量繁殖(且必须是有空气参与)
温度大幅度升高只是一个表面现象,说明里面产生了强烈的微生物繁殖过程,所以说,反之如果没有发热,或发热不大,只能说明物料内部微生物的繁殖不旺盛,或者说没有繁殖;
     这一原理的结论就是,只有微生物在繁殖代谢了,才能产生热量,而且这种大量繁殖的现象只发生在物料中空气相对充足的好氧发酵情况下;厌氧发酵代谢活动弱一些,繁殖也少一些,所以相对产热也少一些,主要以酶解、产乳酸、分泌代谢产物、内源性分解酶分解物料大分子、适当的底物水平的磷酸化来获得能量并进行适当的繁殖为主的发酵过程。

1.1. 但事情要一分为二,在以下两种情况下,没有必要再繁殖微生物,当然也就没有必要让物料发热了:
如果发酵剂产品中已经含有数量巨大的微生物菌,则就没有必要继续繁殖扩大了,直接进行厌氧发酵就可以改善糟渣的营养和物理性状;
     不让糟渣发热的好处非常明显,就是糟渣中本来含有的消化能或代谢能不会损耗掉,而消化能、代谢能是养殖猪鸡中最重要的营养成分之一;第二个好处也非常明显,就是不破坏糟渣中的维生素,因为维生素是热敏性的东西,发热会破坏维生素的活性;
     活力99生酵剂中含有数量巨大的微生物群(最近一次在江西省饲料质量监督检验站检验的结果达到了2000亿/克以上),加上活力99独创的菌群协同共生关系,可以达到1+1>3的协同发酵效果,或者说在细胞数量上无形中增加了三倍,所以,菌数是足够的,根本没有必要再继续繁殖数量;利用活力99生酵剂中现有的微生物菌数量就可以达到非常好的发酵效果。
     所以使用活力99生酵剂发酵糟渣的菌数是充足的,只需要厌氧发酵即可,而厌氧发酵(即没有空气参与的发酵)产热量极少,关键在于物料在厌氧发酵中是否得到了改善;
⑵ 以酶解为主的发酵过程,也不需要空气参与,不需要繁殖微生物,当然也不需要发热
     我们知道,生物酶分解糟渣不需要空气的参与就可以有效分解大分子营养物质如蛋白质和淀粉及粗纤维等,粗饲料降解剂就是一种以酶分解功能为主的产品,用粗饲料降解剂发酵糟渣不需要高温,也没有必要繁殖微生物,粗饲料降解剂中含有辅助酶系统,含有微生物代谢过程中的成千上万种酶,可以有效对物料进行分解利用,以利动物消化吸收;
    当然,我们也在粗饲料降解剂这个产品中添加了部分发酵菌,从而有利于保存物料,对略有脏臭的物料进行改性改良。

1.2. 那么在用活力99生酵剂或粗饲料降解剂发酵糟渣时,在严格压紧压实密封好发酵时,显然物料里面含空气极少,没有空气的参与,微生物繁殖当然就极少,发热量也不大,那么,这又如何能达到发酵糟渣,改善糟渣营养和物理性状(例如使之柔软、提高消化率、提高消化能、灭菌、变得不臭、以及脱霉、脱毒等)的目的呢?
     这首先要求我们搞清楚我们发酵的目的是为了什么?我们发酵糟渣的目的是为了:
     ① 是为了分解蛋白质成为多肽、小肽、氨基酸;让动物更好消化吸收,并节省动物消化它们的所消耗的能量;
     ② 是为了分解粗纤维成为葡萄糖、低糖;从而也把不可利用的粗纤维变成了可利用的糖能量,从而提高了糟渣的可利用能量;
     ③ 是为了分解淀粉成为葡萄糖等小分子营养,以便更好地让动物消化,和增加可利用能量;
     ④ 把氨态氮如氨味吸收同化到菌体中,把硫化氢酸化和吸收同化,从而降低臭味;
     ⑤ 把微量元素螯合化以提高生物效价,把碳酸钙变成乳酸钙,提高补钙的效率;
     ⑥ 把植酸磷这些植物中普遍存在的抗营养因子分解成有利的有效磷,从而解除
     ⑦ 把霉菌毒素吸附降低其毒性(微生物细胞壁吸附作用),吸收到菌体降低毒性,霉菌自溶降低毒性,毒素分子改性降低毒性等,利用自然界自然存在的毒素分解酶分解毒素来降低毒性等发酵过程;
     ⑧ 对棉菜粕脱毒也具有上述第⑦条同样的原理,自然进化过程中,自然界往往形成了俗话说的“物物相克”“一物降一物”等道理,即很多情况下,发酵提供了一个物物相克的场所,充分利用了如菜粕本身存在的硫葡萄糖甙酶来分解毒素,同时,发酵微生物本身也具有同化、吸收、吸附、改性等作用。
    另外,前面已经讲过,活力99生酵剂中的微生物数量已经非常巨大,并不需要再繁殖扩大数量,可以直接厌氧发酵即可。
    只有那些微生物细胞数量不够的发酵剂产品,才需要翻料进入空气,先进行好氧发酵以提高菌的数量,例如堆肥发酵剂往往含菌量较少,(国家家农业部行业标准NY 609-2002都只规定堆肥发酵剂只需要达到0.5亿/克就合格),这是为什么呢?这与使用目的是用于肥料,而不是用于养殖业的目的有关,肥料不要求含有能量(有机肥含能量反而会烧根),所以,需要在堆肥发酵过程中把能量消耗掉,这就需要好氧发酵(有空气参与才能快速消耗能量和大量发热),反正是好氧发酵,而好氧发酵最微生物大量繁殖的最佳条件,所以,对有机肥发酵剂的菌数要求不高,因为反正在发酵过程中会大量增加数量,所使用的菌种也是好氧型的耐高温型的腐熟菌种。
    所以,以活力99生酵剂厌氧发酵糟渣时,完全可以达到以上8个目的,因为活力99不仅微生物数量巨大,而且发酵力极强,并能最大限度地分泌胞外酶来作用于底物,活力99生酵剂具有独特的无底物诱导(酶分泌)技术、独特的发酵助剂技术,所以,可以在完全厌氧的环境中,对物料进行最大限度的发酵改良,并最大限度地保留了糟渣原料的可利用能量。
    粗饲料降解剂则主要以发酵粗纤维含量相对较高的物料,这两种发酵剂各自主要发酵什么物料,有什么不同的功能,看这里:http://www.hl99cn.com/show.asp?newsid=1666&cateid=34

2、只有充分满足了微生物所需要的温度、含水量(湿度)、营养、渗透压环境的条件下,才能先生存繁殖,再产热:
任何微生物在环境中,都会竭尽所能地充分利用环境中的营养物质、氧气、温度条件、湿度条件,进行最大限度的生长繁殖,并想方设法排斥其他菌类的生长,这样才能在自然竞争中生存下来,这是自然进化的规律;但只有在满足了微生物生长所需要的营养、空气、温度、湿度条件进,才有可能生长繁殖;
     这一原理的结论就是,物料中必须存在微生物生长繁殖的必要条件,如温度、湿度、营养物质、氧气(空气)、还要加上适宜的渗透压环境(盐水中是不能生长的)、还要加上没有抗菌物质等必要条件;以上几个条件缺一不可,缺少任何一个条件,都不可能产热,或产热极慢,从而用人手感觉不到温度;
     例如有北方的用户在冬天0下温度条件下制作发酵床,也不采取任何提温措施,整个物料都处于0下温度下,当然不可能发酵起来,也不可能会有热量产生;
     再例如有人用酱油渣来发酵,总也感觉不到温度,这是因为其中含盐达到15%,渗透压环境非常高,根本不可能有微生物能生长;

3、必须有能量源源不断地供给,才能持续产热
微生物发酵产热的一个最基本的条件是,必须有能量物质的存在,才能产热,最好的能量物质是碳水化合物如葡萄糖、淀粉、其次是蛋白质(分解脱氨后产生碳骨架,生成碳水化合物)、其次是纤维素、其次是木质素(需要产木质素酶的微生物如木霉菌);
    越好的碳水化合物,产生的热量速度越快,温度上升越高,绝大多数微生物都是通过代谢过程中的三羧酸循环模式来分解能量物质的,并由此获取自己生长繁殖所需要的生物能量ATP(三磷酸腺苷),并释放出分解过程中产生的键能,以发热的形式释放出去,于是就产生了我们能感觉到的温度;
    1个分子葡萄糖经过三羧酸循环,如果在有氧气充分参与的情况下,则彻底被微生物氧化分解,可产生32~38个ATP能量,并放出6分子二氧化碳和大量热量;
    经常有人说,我的发酵床垫料中,开始制作的头几天,里面有热量 ,后来过了10天后,就冰凉的没有热了,其实这是因为垫料中那些很容易被微生物利用的能量物质(如葡萄糖、淀粉、脂肪、甚至纤维素)等等,都利用完了,剩下的是一些非常难以被利用的能量(如锯末中的木质素),则当然由于没有了好的能量物质,当然就不会发热了,即使有少量的发热,也会由于空气对流而感觉不到。

4、 在有氧气参与的条件下,微生物繁殖速度最快,发热量也越多,反之在无氧气参与的情况下,微生物繁殖慢,发热量也就越少;
    如前所述,在有氧充分参与时,1个葡萄糖分子经过糖酵解生成丙酮酸,再生产乙酰辅酶A,再进入三羧酸循环彻底氧化成二氧化碳,经过氧化磷酸化,产生38个ATP和大量热量;
    而如果在没有氧气的情况下,即在厌氧环境中,则微生物对葡萄糖的能量和利用只能通过底物水平的磷酸化过程,即葡萄糖经过酵解产生2分子丙酮酸、 2ATP、2NADH,丙酮酸再经过丙酮酸脱氢酶变成乳酸分子,这一过程中,微生物仅得到少量的能量,和释放微不足道的热量于环境中,葡萄糖中大量的能量得以保存于乳酸和菌体中;在这一过程中,葡萄糖能量的损失仅在5%以内;
    所以,我们多次强调,在发酵糟渣物料时,要尽量用力压实压紧物料,密封好进行发酵,只有这样,才能充分保存糟渣原料中的消化能,而消化能是养殖中最重要的营养之一;
    需要说明一下的是:尽管发酵中可能损失5%的消化能,但是由于物料得到了分解,动物在消化这些预先分解了的物料时,可以少消耗体内的能量来消化它们,所以,又节约了能量,所以,损失与节约相抵消了,最终实际上能量没有损失,例如猪在利用乳酸作为能量源时,效率要远远高于利用葡萄糖作为能量源,因为葡萄糖要经过整个的糖酵解过程变成丙酮酸,再经乙酰CoA,才能进入三羧循环得到ATP能量,而乳酸则可以通过丙酮酸脱羧酶,脱羧变成丙酮酸,再经乙酰CoA快速进入三羧酸循环得到ATP,所以,乳酸作为动物能量源,不仅提供能量的速度快,而且数量也多;
    而我们的发酵糟渣中,含乳酸是比较高的,这样在动物应激或发病时,最需要的是快速提供能量和维生素,乳酸可以快速及时地提供能量源,从而提高了抗病力,所以说发酵糟渣提高了动物的抗病力,这也是其中的一个道理(另外,还有免疫刺激、提高非特异性免疫功能、产生小肽增强抗病力、竞争性抑制病原菌、生物抗菌素的产生、调节肠道微生态平衡、降低肠道PH等其他道理);
    还需要说明一下的是,发酵糟渣由于分解了动物原来不能利用的粗纤维,变成了动物可以利用的葡萄糖,从而提高了可利用的能量,所以,最终发酵糟渣,反而是提高了原料的能量值,而之前的很多人,都想当然地认为发酵会降低物料的能量,这是不对的,只要严格密封得好,压实压紧,反而是可以提高能量的。

    所以,有人在使用发酵床时,使用了大量的锯末,而没有添加粗一些的垫料(如刨花,谷壳等),造成垫料通气性不好,里面的发热量则就比较小或不发热,此时翻耙一下垫料,进入空气,可以快速提高垫料温度。
    另外,在发酵堆肥作有机肥时,由于目的是为了充分腐熟,所以,最好采用好氧发酵的方式,如疏松堆放,不覆盖等,所以,发热量也是比较大的。
    发酵鸡粪作为猪饲料的操作中,往往采用二段发酵法,即密封发酵七天左右,再翻堆一次,再密封压实发酵,这样的目的是为了充分发酵鸡粪,因为鸡粪必竟是比较难发酵的东西。而如果发酵的目的是为了作有机肥,则就不要密封发酵了,堆放发酵即可,甚至还要加入秸秆让其疏松,容易进入空气来发酵。

5、 物料发热造成的温度上升的幅度,与物料中的含水量有极大的关系:
    这里有一个简单的道理,即水的比热比较大,水是一个蓄热性较强的东西,如果物料中含水量比较大,则微生物发酵所产生的一点点热量,往往会被水吸收于无形中,即根本感觉不到有温度,例如保健液的制作基本上是液体发酵,又是厌氧发酵方式 ,所以,靠发酵本身产生的热量是根本无法提高保健液的温度的,所以,保健液的制作必须人工创造一个温度在15度以上的室内环境,才能发酵制作成功;
     固体发酵虽然含水量偏少,但也是有区别的,例如含水量在20~40%左右的物料最容易发热,原因有两个:
    ① 一是因为这个含水量情况下,微生物有一定的活力,可以启动发酵,但是发酵所产生的热量却没有足够的水来吸收吸纳,加上固体物料中物质传递速度慢,热量散发不出去,所以,造成物料内部非常的热,温度可能上升到60度以上,非常烫手,造成烧料,维生素也有大量损失;
    ② 第二个重要原因是这个含水量情况下,物料变得非常疏松,甚至比不加水时还要疏松,因为物料吸水膨胀(却又不会充分吸水膨胀,保持一定的刚性),从而相互支撑,造成物料之间存在极大的空隙,里面藏有大量的空气,从而造成事实上的好氧发酵方式,如前所述,在有氧气存在时,微生物繁殖更快,发热量更大;

     而含水量在50—60%的情况下时,则正好相反,由于含水量大,物料充分吸水膨胀,并软化,物料之间相互粘结,反而形不成空隙,比较容易压实压紧,从而排除了物料里面存在空气的可能,从而造就一个绝对厌氧的发酵环境,加上水的蓄热性好,所以,这种含水量下的厌氧发酵产热量非常小;这个含水量往往是用手捏一把料,手指间有水印出来,但不滴出来的物料(这是一般情况下的测定方法,对于一些吸水性极好,粉碎得又细的秸秆料,则如果能捏出水来,含水量基本上已经是75%了),有水印出来,也说明物料含有自由水,如果此时进行发酵或酶解,效果是最好的。
    什么情况下会造成20~40%的含水量呢,这在使用发酵糟渣养殖户中会经常遇到这种含水量情况,例如养殖户在喂猪前,将60斤湿的发酵料+60斤干的自配全价饲料混合后喂猪,则混合后,含水量正好是30%左右,最容易发热,所以,建议养殖户,混合好料后,要及时喂完,不要留料,如果确实想在早上一次性混合好,留作一天的日粮用,则不如干脆再加点水,使含水量增加到50~60%的样子,即用手捏一把有水印出来为准,再用力压实压紧,放在容器中密封保存,注意一定要用容器密封保存,不能用地面打堆的方法保存;这样操作的话,哪怕用两天也是可以的。
     以上的经验,养殖户务必要记清楚,不能马虎;

6、 越是疏松的物料,越是容易发热;
    比如,疏松的物料有:麦麸、米糠统糠、啤酒糟、秸秆料、发酵床垫料中的刨花……,如果发酵配料中这些物料用量大,则非常容易发热,原因很简单,就是因为这些物料比较粗,相互之间会搭桥,形成物料内部有很大的空隙,藏了很多的空气在里面,如果加上密封不好,则外界空气也容易通过对流的方式进入物料中,前面讲了,越是有氧气参与的发酵,发酵越旺盛,从而加速发酵,自然发热量也大,
    如果您发酵的目的是为了喂畜禽动物的,则尽量不要让其发热,发热并不好,损失能量,损失维生素等,所以,遇到用这些物料时,要尽量用力压实压紧密封好进行发酵,要一层一层地压实,不要等加满了料才来压,同时,要用容器装料,不能用打堆的方式来装料发酵。

7、我们还必须明白一个道理,即并不是所有的发酵,发热量越大越好,这要看您的目的是为了什么?并非是温度越高越好,要适可而止;
     从前面可知:好氧发酵产热量大,厌氧发酵则产热量极少,所以,上面的问题也可以简单地归纳为:根本您的目的,是选择好氧发酵的方式,还是选择厌氧发酵的方式的问题。
① 如果发酵的目的是为了喂畜禽动物,则一定是采用厌氧发酵的方式,自然产热量就不大了;
     为什么要用厌氧方式来发酵,原因很简单,就是要尽可能地保存糟渣原料中的消化能,不要让这些能量发热损失掉了,同时,如果发热量大,温度高,还会造成热敏性的维生素的大量损失;
    当然,发酵鸡粪喂猪的发酵方法是一个例外,鸡粪本身含非蛋白氮比较多,真蛋白率比较少,所以,相对其他糟渣的发酵来讲,需要一定的好氧发酵,所以,可以实行二段发酵法,即先密封发酵几天后,再翻堆一次,进入一些空气,再密封继续进行发酵,目的是适当繁殖微生物菌体,让微生物来同化非蛋白氮,成为菌体蛋白,提高真蛋白率。
在发酵制作堆肥,以制作肥料为目的的发酵中,才需要采用好氧发酵,产生大量的热量和温度,来消耗掉物料中的能量,以免将来做肥料时,造成烧根;
     如果有源源不断的空气进入发酵料中,则最终可以把物料完全腐熟,全部消耗掉其中的能量,成为优质的有机肥。


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