大型白酒糟固态发酵生产生物饲料工艺过程控制技术

杨健 李家勇

摘要    本文介绍了利用固态发酵技术将酿酒白酒糟工业化生产成生物饲料工艺过程控制技术，主要从设备选型及生产的工艺参数控制上进行了介绍及阐述，并对工业生产过程中存在的问题进行了分析，以期为提高酿酒白酒糟的附加值提供技术参考。

关键词    白酒糟;生物饲料;固态发酵;工艺控制技术

中图分类号    TS264.22         文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）20-0218-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    The process control technology of industrial production of bio-feed from distiller′s grains by solid-state fermentation was introduced.The selection of equipment and the control of process parameters were mainly introduced and elaborated.The existing problems in the industrial production process were explained，in order to provide technical references for improving the added value of distiller′s grains.

Key words    distiller′s grain;bio-feed;solid-state fermentation;process control technology

固态发酵（Solid State Fermentation，SSF）技术是指培养基呈固态、固态基质含水率高但没有明显自由水流动状态下进行的一种或多种微生物发酵的过程，微生物在固态基质上正常繁殖并利用基质作为营养或填充物，改善固体基质特性，提高固体基质利用价值，生产高附加值产品[1]。有资料显示，中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，畜禽粪便、农作物秸秆、蔬菜废弃物总量超过50亿t[2]，高含水固体废弃物诸如餐厨垃圾、粮食加工副产物等更是不计其数，而近年来农业废弃物的资源化利用向能源化、基质化、饲料化和材料化利用等几个方面迅速发展[3]，废弃物中含有的重要营养物质如淀粉、脂类、蛋白质等作为动物饲料的主要成分，可以缓解我国蛋白饲料供不应求的局面。

现以酿酒白酒糟为例，根据不完全统计，贵州省仁怀市2016年生产白酒3.3亿L，产生酒糟约90万t，目前白酒糟处理主要包括酒糟生产饲料、酒糟作燃料、酒糟生产有机肥[4]等方式。就饲料应用来讲，多是直接饲喂动物（肉牛、猪等），一部分直接高温干燥制作酒糟粉，产品附加值低、处理方式粗放、产品质量差，直接影响环境及动物健康，此种处理方式未能从根本上实现白酒糟资源的综合利用。利用固态发酵技术，通过酵母固体高密度培养、厌氧代谢、酵母自溶水解等现代微生物技术发酵白酒糟制备生物发酵饲料，最大限度地消除酒糟中的抗营养因子，改变培养基中植物蛋白的物理特性，将不易消化的大分子物质小分子化，改善蛋白质的品质，提高小分子营养物质的含量及消化利用率，使处理后的产品具有营养和保健的双重功效。

本文从酱香型白酒糟生产生物饲料的工业生产实践，阐述大型白酒糟固态发酵生产饲料工艺环节的过程控制难点及措施，对固态发酵生产加工过程中仍存在的问题进行了分析，以期为固态发酵制备生物饲料工业化应用提供参考。

1    醬香型白酒糟特点及成分

仁怀市茅台镇各酿酒厂采用传统酿酒工艺，于每年重阳节前后集中烤酒丢糟，将白酒糟作为生产原料的企业需在此期间囤积足够全年生产所需的原料量。酱香型酒糟初始含水率为60%左右，其主要成分及含量见表1。

从表1可以看出，茅台镇酱香型酒糟粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉等指标含量较高，营养成分丰富，含有较多的可利用物质，具有开发价值[5]，非常适合加工成饲料。

2    酱香型白酒糟固态发酵生产生物饲料工艺过程控制技术

酱香型白酒糟制生物饲料工艺采用专利技术，以新鲜的白酒糟为基料，加入复合酶，并接种枯草芽孢杆菌、酿酒酵母，经配料、混合、恒温发酵及酶解、烘干及制成成品[6]。由工艺及酱香型酒糟原料特性共同确定了生产加工路线及特殊的设备方案，固态发酵技术和设备在饲料工业中应用的主要工艺流程涉及菌种扩大培养、原料预处理、接种发酵、干燥包装等[7]，本文论及的生产流转控制过程涉及原料预处理、接种、发酵、低温烘干、粉碎包装等环节，力求达到生产过程连续化、规模化、智能化的要求，生产富含生物活性物质的高品质饲料。

2.1    酒糟原料的集中存放

酱香型酒糟丢糟期间，以酒糟为原料的生产企业必须在此期间收购、堆储足够用于全年饲料生产的原料量。以年产5万t生物饲料规模的企业为例，按生产经验考虑1%的干物质损耗，约2.5 t酒糟原料产出1 t生物饲料产品，则需收储约13万t酒糟，总量约为23.6万m3。

自卸车将酒糟运至糟场卸料，再由铲车进行归拢、挖机堆高，在保证安全操作的情况下，挖机可实现酒糟原料堆高约3 m，堆糟场占地面积为7.87万m2。

由于酒糟原料含水率高，富含营养物质，自然堆放时极易霉变，因而需对原糟进行压实、表面喷药并附膜等保鲜措施。酒糟原料在堆压过程中，底部渗出大量的糟液，需对糟液进行收集，采用物理或生化方法及时进行处理，避免出现糟液腐败发臭、蚊蝇滋生现象。

2.2    酒糟原料预处理

酒糟原料属高湿高黏易结团物料，输送特性差，为改善酒糟原料的输送特性及物料松散特性，在发酵前采用烘干工艺进行预脱水。原料含水率越低，输送环节卡、堵现象越少，透气性也越好，利于后段固态发酵及低温烘干操作。经生产试验验证得知，在保证菌种正常生化作用所需最低含水量的情况下原料可预脱水至45%。

原料预烘干脱水工艺段满足发酵批次用料要求，烘干产能不低于25 t/h，烘干期间的糟料温度不超过60 ℃、烘干强度不低于3.5 t水/h。

可采用滚筒烘干机作为预处理阶段主机设备，铲车喂料，强制下料斗与刮板输送机配合为烘干机供料。与酒糟接触部位的材质使用不锈钢;主机设备内部设置防黏及自清扫装置改善原料在主机设备内部黏附、固结现象;外排废气、除尘等治理按相应环保要求进行治理后达标排放。

2.3    混料及接种

掺混并接种的菌剂有复合酶0.5%～1.5%、枯草芽孢杆菌0.2‰～1.0‰、酿酒酵母0.4‰～1.0‰等，菌剂按照原料投加量的干基量比例进行投加。其中酿酒酵母需热水活化后计量使用。原料酒糟由皮带秤连续计量，在混料机中酒糟原料与液体菌剂、粉体菌剂连续搅拌、掺混，并连续出料。为保证掺混效果，活化后的液体菌剂宜喷洒接种;其他粉剂菌剂先预混后再与酒糟原料掺混，保证酒糟与菌剂混合均匀，混合均匀度系数≥0.85，混合均匀度变异系数CV值≤15%（CV=样本标准差/样本平均值）。

对于工业生产来讲，混料与接种环节需计量配料，应设配料系统，自动按比例配料。粉体菌剂间歇式操作，混合机采用螺带式或浆叶式混合机。酒糟原料与菌剂连续混合并连续进出料，混合机应兼顾均匀混合效果及物料输送功能，可使用犁刀式混料机。

2.4    发酵

发酵是生物饲料生产中最关键的工艺环节，同时工控条件也最苛刻，控湿、控温、通风补氧、避免杂菌污染等过程贯穿整个发酵阶段。传统固态发酵借鉴有机肥生产加工设备，工艺控制条件差，产品品质不稳定，杂菌及毒素极易超标。酿酒行业，萨拉丁式的麦芽发芽设备，处理量大，几乎封闭的空间能够高效实现控湿、控温及补氧条件，可应用于白酒糟固态发酵生产生物饲料行业。

发酵主机设备及设施参照大麦发芽行业进行针对性非标研制，每批次投料400 t酒糟原料，单个圆形发酵箱直径达30 m，固定式通风筛板将发酵箱分隔为上下2层，筛板上原料堆高可达0.9～1.2 m，筛板下层空间作为风机等压室对筛板上堆料进行均匀控温及补氧。上层空间设置有绕中心轴转动的一体机设备，一体机设备具有铺料、出料、翻料等功能。发酵箱顶吊不锈钢薄板顶，防止湿热酸性气体直接腐蚀顶部钢梁。发酵箱及设备外形如图1所示。

2.4.1    车间控温。发酵周期72 h，分为2个阶段，第一阶段菌剂在适宜温度下大量生长扩培，第二阶段菌剂在高温状态下自溶。每个阶段保持一段时间的规定温度，保证菌剂充分改良酒糟原料。

本身菌剂以酒糟为基质进行生化反应放出大量的热量，受外界冬、夏季条件影响，发酵器两阶段温度失常现象频繁。酒糟发酵期间对物料温度进行测定，超温时，鼓入自然风或冷却风;反之，鼓入热风，辅助其升温;酒糟原料温度探测系统由5支均布于半径r=15 m处圆周处多点测温传感器组成，可测量不同料层高度物料的温度，从而分析评估酒糟原料立体发酵情况，由程序控制温度调节设备的启停。

温度调节设备由冷热源供应、高压风机、散热器、表冷器、配套管道阀门等组成，酒糟物料温度由冷风或热风进行调节控制。

2.4.2    控湿、通风、补氧。发酵期间保证菌剂扩培所需要的湿度及氧气条件，根据发酵箱內测定的空气湿度进行自动补水。一体机机架横梁上设有喷淋雾化器，喷淋装置与自来水供水管道相连。就白酒糟固态发酵来讲，原料自身含水率超过45%，无需额外补充水分。

补氧通过鼓入新风实现。一般来讲，在发酵料温调节时，一体机翻料设备将酒糟原料自下而上翻动，冷热风穿透料层，与菌剂充分接触，满足其代谢需要。

2.4.3    一体机等设备。发酵箱采用顶部溜管下料，底部设中心出料装置，而酒糟原料进入发酵箱后的圆形摊铺及归拢出料则是由一体机设备实现。一体机绕中心支撑装置顺着发酵箱圈梁上的轨道作圆周运动，一体机上横螺旋正转或反转实现酒糟原料径向摊铺或收拢，而横梁上均布的竖向螺旋将原料自下而上搅拌翻动起到补氧、控温效果。

一体机设备的强弱电线缆及信号气从等压室接入中心支撑装置中的电滑环，这种做法可以实现一体机连续顺时针或逆时针旋转，避免了动力等明线缆因一体机旋转而发生缠绕使一体机反转归位的弊端，提高了工艺效率及操控难度。

一体机设备中与酒糟原料接触的设备材质宜采用不锈钢，横螺旋、竖螺旋的叶片、转轴、轴承等采用不锈钢。筛板材质不锈钢，冲长圆形孔，漏料少同时风阻低。

筛板支撑、一体机横梁等与酒糟原料非直接接触部分材质可使用性价比较高的碳钢热浸锌。

2.5    湿料缓存

酒糟原料发酵结束后，其含水率仍在43%左右，通常含水率超过30%、流动性差的物料不宜采用筒仓方案来匹配前后工艺段的产能差异，高湿高黏原料极易受自身重力挤压结拱并架桥而难以下料，对工业生产线来讲，原料供应不畅，是制约生产控制的最大障碍。

发酵出料量60～90 t/h，而目前路德生物公司在用的国内最大卧式沸腾流化床烘干设备处理量为8～10 t/h，按年产5 万t产品设计规模，共配备沸腾流化床2台，总处理量为16～20 t，前后工段产能悬殊。实际生产时，设置裤衩形暂存斗，斗容50～60 m3，斗下设变频调速螺旋输送机，配合发酵箱出料，为低温烘干工段稳定并定量给料。

2.6    低温烘干设备

烘干是白酒糟生产饲料的关键工艺环节，可起到原料体积减量、长时间存放的效果，同时酒糟原料发酵后，微生物菌剂扩培及工艺自溶，使饲料原料中富含多肽、甘露聚糖、细胞内容物等生物活性成分。因此，发酵酒糟烘干时应选择合适的烘干设备及烘干方式。

2.6.1    主机设备。兼顾烘干产能及生物活性保留，可选用多段进风并控温的卧室沸腾流化床作为烘干主机。流化床分下床体、中床体、上床体三部分，下床体与中床体由通风筛板隔开，下床体设多个布风椎体，椎体外联鼓风供热系统，中床体用于酒糟原料流化脱水空间，上床体设计成扩大段，分离出粒径超过设计值的物料颗粒。

沸腾流化床采用鼓引风系统，鼓风系统考虑沿程压力损失、局部压力损失、筛板压力损失及酒糟原料沸腾压力损失。引风系统考虑收尘系统阻力、沿程及局部压力损失，并保证工况下，床内处于-15 00～0 Pa的负压状态。流化床进料端设置打散器，改善初始湿料流化沸腾效果差的问题。

2.6.2    除尘系统。低温烘干系统的除尘工艺由重力沉降方式与离心分离方式构成，具体是由流化床扩大段、旋风除尘器组、沉降室等部分组成，系统除尘工艺实现外排废气含尘量≤30 mg/Nm3。

2.6.3    低温操作。流化床设多个分区分别送风并控温，利用酒糟原料烘干操作时含水率、物料温度、烘干时间三者之间的变化规律，保证酒糟原料在烘干脱水期间物料温度不超过60 ℃。烘干后的原料应冷却至35 ℃以下。具体流化床分区及风温设置如表2所示。

2.7    粉碎及包装

酒糟原料烘干后，经粉碎后包装成成品，该工艺段设待粉碎料仓及待包装料仓，工艺段上单体设备均采用机械输送设备衔接。烘干料流动性差，在待粉碎料仓及待包装料仓上设置空气炮。

粉碎及包装设备宜一用一备，粉碎机选用锤片式，锤片宜采用碳化钨材质，以提高耐磨性及硬度。

成品粉料粒径分布广，堆积密度小，包装设备采用有斗秤提高包装速度及包装精度。

3    酱香型白酒糟固态发酵制生物饲料仍存在的问题

酱香型白酒糟制生物饲料虽已实现了工业级转化，但仍存在以下问题：一是酱香型酒糟原料种类及性状不稳定，有捆沙糟、不同烤制次数的碎沙糟等，工艺设备需提高其适应性;二是酒糟原材料堆场必不可少，同时占地面积过大，酒糟堆码、保鲜成本大，在有限土地资源条件下，着力提高酒糟堆码高度及堆码效率;三是酒糟场大量糟液需处置，COD值高达200 g/L，應有经济合理的糟液处理措施;四是流化床旋风除尘器壳体离心分离段磨损穿孔，旋风除尘器更换难度极大;五是发酵白酒糟产品附加值低，工艺线设备及控制冗长，降生产成本压力大。

4    展望

利用固态发酵技术将酱香型酒糟处理生成生物饲料，实现了工业化、规模化生产，作为酿酒废弃物资源化利用的有效手段，在减少了环境污染的同时，将酒糟作为新的原材料进行资源化利用，变废为宝，其经济效益和社会效益显著。本文从工业应用出发阐述了酒糟固态发酵工艺控制过程，为酒糟饲料化利用提供了技术参考。接下来，应进一步优化生产线，解决酒糟利用出现的新问题，并着力降低生产运营成本，提高酒糟原料产品附加值，提高酒糟饲料的市场竞争力。

5    参考文献

[1] THOMASV L，LARROCHE C，PANDEY A.Current developments in solid-state fermentation[J].Biochem Eng J，2013，81（4）：146-161.

[2] 孙永明，李国学，张夫道，等.中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J].农业工程学报，2005，21（8）：169-173.

[3] 刘振东，李贵春，杨晓梅，等.我国农业废弃物资源化利用现状与发展趋势分析[J].安徽农业科学，2012，40（26）：13068-13070.

[4] 李红.酒糟综合利用技术研究进展[J].中国资源综合利用，2016，34（12）：36-39.

[5] 李青.贵州省白酒酒糟综合利用的探讨[J].酿酒科技，2014（10）：92-93.

[6] 季光明，梁运祥，黄郴，等.一种酶解白酒糟高肽饲料及生产方法：中国，CN201310667644.1[P].2014-04-02.

[7] 沈桂宇.固态发酵技术设备及在饲料工业中的应用研究进展[J].饲料工业，2015，36（8）：58-60.