为解决目前秸秆饲料转化技术周期长、占用空间大等问题，基于优先分解部分半纤维素的体外发酵工艺，研制了一种适用于农作物秸秆的连续式秸秆发酵饲料制备机，以实现秸秆发酵饲料的快速高效生产。该文分别以玉米、水稻和小麦3 种秸秆为原料、以木质纤维素分解菌复合系MC1 为发酵剂，进行了周期为3 d 的、连续梯度发酵试验，对机器进行性能检测及相应的改进。通过试验发现以玉米秸秆为原料时，机器运行效果最佳。发酵3 d 后，玉米秸秆变得松散柔软，半纤维素少量分解，纤维素和木质素基本不分解。该机操作简、使用方便，发酵过程中能耗低，周期短，可实现秸秆发酵饲料的连续批次生产，生产效率高。

1.1 设计要求

连续式秸秆发酵饲料制备机的基本要求是：

1）以铡短（粉碎、揉搓变短）的干秸秆为原料；

2）3～5 d 分解期、连续批次生产，缩短贮存时间，减少贮存空间；

3）发酵过程主要降解秸秆中的半纤维素，纤维素不降解或少量降解；

4）创造厌氧生长为主、间歇好氧的条件，促进木质纤维素分解菌的生长繁殖；

5）以自身发热升温为主、加热为辅，保持发酵物料的温度于50~60℃，耗电量低；

6）操作简单，农户可随用随制；

7）制造成本低、适合普通农户使用。

1.2 总体结构

连续式秸秆发酵饲料制备机由端板1、入料口2、上盖板3、U 型筒4、主轴5、侧出料口6、排气扇7、清液口8、梯度隔板9、加温板10、观察口11、不同形式的桨叶杆12-1、12-2、12-3、12-4、电机及传动13 等构成；两侧的端板1、U 型板4、上盖板3 和主轴5 构成一个发酵室，梯度隔板9 将整个发酵室隔成3 个单独的发酵仓，其结构如图1 所示。

如图1 示，连续式秸秆发酵饲料制备机由梯度隔板9在发酵室内等间隔布置，可按照发酵周期要求设置相应数量的隔板。发酵室尺寸均（ 长×宽×高） 为：800 mm×740 mm×940 mm。梯度隔板9 分为上下2 块，下块位于U 型筒底部、与U 型筒固定，上块位于U 型筒上部、与下块板连接、可调节高度。主轴5 上安装有按螺旋式排列4 种结构不同的桨叶，分别是杆式桨叶12-1、叶片式桨叶12-2、弯板式桨叶12-3 和折板式桨叶12-4。

加温板10 为硅橡胶电热板，可在环境温度较低的情况下保持发酵室内发酵物的温度。为了控制搅拌时出料量不至于过大，将侧出料口6 安装在U 型筒出料端的侧面、沿着物料斜向上运动的方向，侧出料口的下板略低于主轴中心，从而形成一个较小的出料范围，在搅拌的过程中出料口及附近的物料在末端桨叶的推动下顺势排出。出料口侧壁上装有插板，用以调整出料口开度来调整出料量。排气扇7 安装在一侧的端板1 上，在发酵温度、湿度超过工艺要求后，可将其打开以排潮、降温。

1.3 工作原理

设备工作原理如图1 所示。

第1 批原料自入料口2 喂入发酵室①，发酵24 h 后，搅拌5 min，在螺旋排列的桨叶12-1、12-2、12-3 搅拌下和折板式桨叶12-4 推动下，物料自发酵室①拨入发酵室②。与此同时，喂入第2 批原料。第1 批原料发酵48 h、第2 批原料发酵24 h 时，重复以上操作，发酵室②的物料拨入发酵室③，发酵室①的拨入发酵室②，以此类推。从入料口到出料口，不同批次的物料依次分布于不同的发酵室内，发酵时间均相差1 d，形成时间梯度。

按既定的发酵工艺天数确定梯度隔板的数量，发酵天数n、则安装n-1 块梯度隔板。发酵n 天后出第1 批料，并喂入与出料量等同的新原料。以后，每天进出料，实现秸秆发酵饲料的连续生产。

设定加温板10 的温度下限与上限，辅助加热，使秸秆温度迅速升高至50～60℃之间，为分解菌体生长创造适宜的温度条件；观察口11 在搅拌时打开，使氧气进入发酵秸秆中，保证分解菌株生长所需的供氧量，从而促进秸秆的分解发酵。

影响发酵试验的因素有接种量、氮源添加量、发酵时间、料层厚度和发酵温度等，为了利用秸秆生化降解时产生的热量来提高料堆的温度、而不会全部散发到环境中，减少加热器耗电；经试验证明，秸秆发酵料堆厚度在600 mm以上发酵中保温效果明显，发酵中物料的厚度不应小于600 mm。在自体发酵温度不足时，利用加温板10辅助加热。

1.4 设备主要技术指标

设备主要技术指标如表1 所示。

1.5 工作要求

1）由于秸秆的蓬松性，为了保证设备的稳定运转，在喂料中应尽量保证送料速度均匀，以免堵塞。

2）梯度板的高度可根据实际装料量上下调整，以控制设备内物料的装载量。一般情况，梯度板的高度与各个发酵室内装料高度接近。

2.1 材料

2.1.1 原料

压块玉米秸秆：30 mm×30 mm×30 mm，单块平均密度250 g/cm³，质量含水率约10.1%。水稻秸秆和小麦秸秆：切碎至2～3 cm。

2.1.2 接种剂

由中国农业大学培育、筛选的以优先分解半纤维素为特色的木质纤维素分解菌复合系MC1，甘油冷冻保存。用蛋白胨纤维素培养液(peptone cellulose solution，PCS 培养基）活化并扩大培养后备用。

2.1.3 培养基地及其他

蛋白胨peptone、NaCl，自来水。其中蛋白胨peptone生产厂家为北京双旋微生物培养基制品厂。

2.2 方法

2.2.1 工艺流程

针对干秸秆水分低、营养成分有限的缺点，用一种区别于传统秸秆微贮技术的体外半纤维素分解发酵技术，将玉米秸秆进行发酵饲料生产试验。试验的工艺流程如图2。

2.2.2 原料预处理

将1 批压块玉米秸秆或切碎的玉米、水稻秸秆投入不锈钢容器中，待用。取干秸秆质量1/500 的蛋白胨，加水制成1%（蛋白胨与水质量比）的蛋白胨水溶液；并将预先活化好的木质纤维素分解菌复合系MC1（MC1 容积与干秸秆质量比为1:25）加入其中，混合均匀；之后加水稀释为1:1（溶液容积与干秸秆质量比）的含菌蛋白胨水溶液；喷洒到干秸秆表面并搅拌均匀。

农作物秸秆是贫氮原料，碳氮比超出适宜的发酵范围，这会影响微生物的繁殖和生长。蛋白胨为PSC 培养基中主要氮源，加入蛋白胨可增加秸秆中氮的含量，促进微生物的快速生长和繁殖。

将发酵原料喂入连续式秸秆发酵饲料制备机，根据试验方法、以不同的秸秆为原料，对连续式秸秆发酵饲料制备机进行测试试验，测试其装料、温度、运转、搅拌及主轴及桨叶杆结构，根据试验结果调整连续式秸秆发酵饲料制备机的局部结构、以满足设计要求。

2.3 试验设计

2.3.1 不同秸秆的饲料化效果试验

调节梯度隔板的高度，将发酵饲料制备机分成3 个完全独立的发酵室，通过测定秸秆堆体核心温度及观察秸秆的质地来评价该设备对水稻、小麦和玉米3 种秸秆的饲化效果。将3 种秸秆分别装入不同的发酵室中，装料高度720 mm、装料体积均为0.38 m³。每24 h 搅拌一次，时间为5 min 。相同容积下发酵原料量分别为玉米秸秆100.8 kg、稻草杆56.8 kg、小麦秸秆50.0 kg。压块玉米秸秆、稻草、小麦秸秆的填充密度分别为0.265、0.149、0.131 g/cm³。固态发酵中温度的升高及维持主要是靠微生物代谢有机物产生的热量实现的，因此在一定程度上温度可反映微生物的生长情况。秸秆容积密度低，堆体孔隙度大，散热快，如果只靠微生物代谢产热，堆体温度升高缓慢，达到分解菌生长谢所需的适宜温度所需时间较长。因此发酵初期，打开加温板，加快堆体温度的升高速度。将温度计置于秸秆堆体的核心，每24 h 记录一次。

2.3.2 设备运转试验

设备搅拌轴最初采用减速比1/17 摆线针轮减速机，电机功率为4 kW、输出扭矩416 N·m，装1 个发酵室的玉米秸秆50 kg。装料时电机启动未出现异常，在物料装料发酵24 h 后，电机再次启动时有异响、电机噪声明显增大、难以启动。

经过调整后，设备采用摆线针轮减速机、输出转速为转速（10 r/min）、电机功率为5.5 kW。3 个发酵仓均装满料（约150 kg），设备可正常运转。

电机的负载在75%～100%的额定负载之间，即负载率为75%～100%时，电机的效率与功率因数相对来说都比较高，且电机的容量也得到了较充分的利用，异步电动机的最大效率大约在额定负载的75%处，而功率因素却在额定负载附近最高。

该电机型号Y132S-4，其额定数据P_N 为5.5 kW，I_N为11.6 A，n_N 为1 440 r/min，效率η_N 为85.5%，功率因数cosφ_N 为0.84。用钳形表实测定子电流测试：3 次启动后定子电流I₁ 分别为9.8、9.9 和10.1 A，取3 次测量平均值进行计算。根据杨文斌等介绍的电机负载率的测定根据依据，测试电机负载率。

式中，I₀ 为电机空载定子线电流，A；cosφ_N 为电动机额定功率因数，可由电机产品目录或铭牌上查得；I_N 为电动机额定电流，A，可由电机产品目录或铭牌上查得。K 为系数，取值4.2。

式中，P₂为实际输出功率，kW；I₁ 为实际负载下实测电机定子线电流，A；P_N 为电动机额定功率，kW。则电机负载率为81.84%；运转中，瞬时最大电流达到10.2 A，最大负载率达到85.93%。

2.3.3 搅拌试验

在设备上分别安装壁厚8 mm，直径为24 和30 mm的不锈钢材质的主轴桨叶杆，3 个发酵室中分别装入切碎的水稻、小麦秸秆和压块玉米秸秆，装料量同2.3.1。观察桨叶杆对不同性质秸秆的承受能力。

2.3.4 压块玉米秸秆的连续发酵试验

以每批50 kg 压块玉米秸秆为原料，按照1.3 中所述进行操作，连续排出发酵3 d 的秸秆。发酵过程中约24 h搅拌一次、使氧气进入秸秆内、保证微生物菌群生长需氧，每次搅拌时间为5 min；密闭发酵。发酵周期3 d。

2.4 检测指标及测定方法

测试运行中设备的性能指标：负载率、噪声、粉尘、小时耗电量、批生产率等；

测试原料和产品的品质指标：水分、粒度、纤维素含量、半纤维素含量。中性洗涤纤维（NDF）、酸性涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL）：按照Van Soest 等推荐的动物营养与饲料科学领域国际通用方法进行测定。

灰分：在550℃条件下持续灰化饲料样品4 h，降温至100℃转移至干燥器中冷却至室温后进行灰分称质量。

3.1 不同秸秆的饲料化效果

图3 是实测的3 种物料的发酵温度变化情况。玉米秸秆发酵48 h 后温度达到50℃，并保持稳定。在发酵前期，稻草、小麦秸秆温度有上升趋势，48 h 后温度下降。

分析其原因为随搅拌次数的增加，小麦秸秆和稻草的容积密度逐渐降低，容积密度越低，热量散失越快，48 h后热量的散失大于自身的产生和外部的补给。而搅拌对玉米秸秆的容积密度影响不大，因此能持续高温。

发酵过程中，稻草、小麦秸秆的色泽和质地均未改变，仍呈原料状态；玉米压块秸秆，发酵后色泽深于原料、呈褐色状，质地变得松散柔软。

试验结果表明水稻、小麦和玉米3 种秸秆中，压块玉米秸秆最适合用该设备进行饲料化。

3.2 设备运转结果

设备运转试验证明：经过发酵后秸秆需要的启动电流和启动扭矩增大；调大的电动机经运行的负载率处于合理范围且负载率不过大（≤90%）。通过试验对连续式秸秆发酵饲料制备机技术性能指标进行了测定，结果见表2。

测试结果表明该设备达到了对一般饲料机械标准对噪声、粉尘的要求，同时达到了设计的产量要求，可按照设计要求进行玉米秸秆的发酵试验、并能够应用该设备进行秸秆发酵饲料的小规模生产。

3.3 搅拌试验结果

在水稻的发酵中，24 h 后的搅拌中桨叶杆折断2 根，48 h 后的搅拌中桨叶杆折断2 根，折断形式是自主轴连接根部切断，其他桨叶杆均有不同程度的弯曲变形，经水稻缠绕的痕迹明显。在小麦的发酵中，24 h 后的搅拌中桨叶杆折断1 根，48 h 后的搅拌中桨叶杆折断2 根，其他同水稻发酵。小麦秸秆搅拌中偶有启动困难。在米的发酵中，未出现折断，但出现不同程度的弯曲变形。

试验结果表明玉米秸秆试验中，桨叶杆距U 型筒筒壁的间隙15 mm 较佳；稻草秆、小麦秸秆试验中，桨叶杆距U 型筒筒壁的间隙28 mm 以上较佳。在3 种秸秆的搅拌试验中发现：以稻草杆（切碎后长度＜3 cm）制成的发酵试验原料在搅拌中极易缠绕、成团现象明显，在挡板的阻挡下形成直径约350 mm 的团，桨叶杆变形角度达到30°以上。压块玉米秸秆和小麦秸秆（切碎后长度＜2 cm），搅拌中无明显缠绕或成团等阻碍搅拌的现象，物料随桨叶杆旋转效果明显。经加粗为不锈钢材质、直径为30 mm、壁厚8 mm，无断杆现象、亦无明显弯曲现象。

3.4 压块玉米秸秆的连续发酵试验结果

发酵前后秸秆成分的变化见表3。试验结果表明所试验的玉米秸秆经过周期为3 d、温度介于50～60℃的稳定发酵后，所得发酵产物呈褐色、气味香甜；与发酵前相比，秸秆中半纤维素降解11.03%；纤维素基本不降解。

3.5 讨论

该设备为卧式的搅拌、传动结构，主轴动力配备大、能耗高，发酵量有限，即效价比（配置功率与发酵量比）较大，目前可作为试验扩大机型或用于小型家庭养殖，难以在产业化模式中推广使用。

课题组以卧式发酵为主体、采用立式搅拌形式进行试验机型的探索。发酵器采用了卧式长槽结构发酵床作为产业化试验模型，在发酵器两侧槽体上装移动式翻拌设备实现搅拌，这样不仅能进行分段翻拌，采用的立式传动结构也能大大降低能耗，而通过有效增加发酵池长度、也能实现大规模发酵。

所采用的发酵槽为深度1.3 m、宽度2 m、翻拌长度0.5 m 的水泥长槽，进行多次搅拌试验。平均每次启动搅拌物料体积约为2.6 m³，配置功率5.5 kW，其搅拌量是卧式结构的3.4 倍。

对比证明：同产量下卧式搅拌结构的主轴动力配备、能耗均高于立式搅拌结构3 倍以上，应尽量采用立式结构进行搅拌，节能、降低生产成本。

1）连续式秸秆发酵饲料制备机可按照常温（或适当加温）下优先分解半纤维素的工艺要求，加工发酵饲料，具有即用即制、操作简单的特点，同时解决了秸秆储藏的问题。

2）同功率下卧式传动结构，主轴动力配备大、能耗高，尽量采用立式结构进行搅拌，节能、降低生产成本。

3）玉米压块秸秆在接菌剂条件下，发酵中升温和保温效果好、发酵中一直保温在50～60℃之间发，发酵后呈褐色状、气味香甜，可用于秸秆发酵饲料的制备；小麦和水稻秸秆在接菌剂条件下、分解菌生长数量较少、升温不明显，呈原材料色泽，气味不香，在该实验方法下难以实现分解发酵。

4）以半纤维素分解为特色的分解菌复合系为接种剂、在连续式秸秆梯度发酵饲料制备机上，对压块玉米秸秆进行了周期的中温、连续梯度发酵分解发酵试验，所试验的玉米秸秆发酵温度保持在50～60℃，3 d 后半纤维素分解了11.03%。纤维素基本不讲解。

与发酵前秸秆相比，发酵3 d 的秸秆的消化率能否提高，提高多少；产品的营养价值和动物生产试验效果等均有待做进一步试验证明。