复合微生物发酵制备缓释增效褐藻脲铵氮肥的方法与流程

本发明属于农业肥料领域，具体涉及一种复合微生物发酵制备缓释增效褐藻脲铵氮肥的方法。

背景技术：

我国的氮肥生产量和消费量均居世界首位，但肥料利用率低是却制约我国农业发展的一大瓶颈。数据表示，2011年我国氮肥施用量2400万吨，因肥料利用率低，氮肥通过挥发、淋溶和径流等途径损失数量巨大，直接损失肥料约1000万吨，折合人民币约340亿元。同时，随之带来土壤肥力下降、农作物品质降低、环境污染严重等后果。因此提高肥料利用率，降低肥料流失，受到国内外农业工作者广泛的关注。

按原理和工艺的不同，长效氮肥(或缓效氮肥)可粗分为两大类：包膜类和非包膜类。聚合物包膜肥料是典型的也是目前国际公认的控效肥料，这类肥料的基本特点是其养分释放具有较好的调控性，但存在生产成本较高，工艺较为复杂，长效性不稳定等问题；改性(型)肥料是一类非包膜肥料，它通过采取某种制造手段，或加入某种添加剂，或加入某种载体，改变水溶性肥料的性质，从而达到控制或延缓肥料中养分释放的目的。但依然存在添加剂容易被分解，容易流失的问题。

以上两种缓释原理都是利用化学技术包覆或者化学添加，都具有一定的化学残留与污染，区别于以上两类缓释原技术，本发明涉及的是一种更加绿色的新型的生物缓释氮肥。众所周知，微生物具有调节土壤理化性质，改良土壤的作用，对氮肥的缓释增效作用却关注很少，本发明发现将自主筛选的巨大芽孢杆菌YIC～BM1与脲铵氮肥相结合，表现出明显的缓控释作用，明显减少了氮肥的施用量，提高了肥料的利用率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种复合微生物发酵制备缓释增效褐藻脲铵氮肥的方法，通过复合微生物分级发酵、细碎、反击式造粒、低温烘干等先进技术将褐藻提取物、复合功能菌种与脲铵氮肥有机结合，使肥料具有缓释增效，提质增产的功效。生产工艺稳定可控，绿色环保，适于规模化生产；本发明还提供一种专用破碎设备用于将尿素颗粒破碎为尿素微粒，以提高破碎效率和质量，为后续工艺提供技术保障。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种复合微生物发酵制备缓释增效褐藻脲铵氮肥的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

先将尿素颗粒用作为破碎设备的细碎机破碎为尿素微粒；将尿素微粒、铵态氮肥、褐藻复合微生物菌剂按照质量比20～70:20～70:1～10混合均匀，经辊压机辊压成型为片状，降至常温；采用反击式造粒方式进行造粒；

所述铵态氮肥是氯化铵、硝铵磷、硫酸铵和碳酸氢铵中的一种或任意比例的两种以上；

其中褐藻复合微生物菌剂按照以下步骤制备而成：

1)制备产品A：将新鲜的褐藻洗净、除杂，浸泡12-48h后，磨浆，转入发酵罐内，110-150℃灭菌15-30min，冷却至20-35℃得到产品A；

2)制备种子液：将蜡样芽孢杆菌活化与扩培，制备蜡样芽孢杆菌种子液X；将巨大芽孢杆菌活化与扩培，制备巨大芽孢杆菌种子液Y；将解淀粉芽孢杆菌活化与扩培，制备解淀粉芽孢杆菌种子液Z；

3)制备产品B：将种子液X接种到产品A中，种子液X用量为产品A质量的10％-20％，发酵温度为30-37℃，用酸碱调节剂调节反应的pH值为5-8，溶氧控制在10-40％，转速为100-250r/min，通气量在500-2000L/min，发酵罐压应维持在0.02-0.08Mpa，发酵时间为8-24h，得到产品B；

4)制备产品C：调整产品B的pH至4.0～5.5，并将发酵罐内温度冷却至0℃～5℃，保存2～5天，然后将温度恢复至20℃～35℃，得到产品C；

5)制备产品D：将种子液Y接种到产品C中，种子液Y用量为产品C质量的10％-20％，发酵温度为30-34℃，用酸碱调节剂调节反应的pH值为5-8，溶氧控制在10-40％，转速为100-250r/min，通气量在500-2000L/min，发酵罐压应维持在0.02-0.08Mpa，发酵时间为8-24h，得到产品D；

6)制备产品E：调整产品D的pH至4.0～5.5，并将发酵罐内温度冷却至0℃～5℃，保存2～7天，然后将温度恢复至25℃～35℃，得到产品E；

7)制备产品F：将种子液Z接种到产品E中，种子液Z用量为产品E质量的10％-20％，发酵温度为30-34℃，用酸碱调节剂调节反应的pH值为5-8，溶氧控制在10-40％，转速为100-250r/min，通气量在500-2000L/min，发酵罐压应维持在0.02-0.08Mpa，发酵时间为8-24h，得到产品F；

8)制备产品G：调整产品F的pH至4.0～5.5，并将发酵罐内温度冷却至0℃～5℃，保存2～7天，然后将温度恢复至25℃～35℃，得到产品G；将G干燥得到褐藻复合微生物菌剂。

步骤2)中的蜡样芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：豆粕粉20g，酵母膏6g，褐藻酸钠1.2g，牛胆盐0.05g，磷酸二氢钾0.04g，氯化钠0.2g，硫酸镁0.2g，甘露醇9.5g，水1000mL，调节pH6.8-7.0，扩培条件为：33℃培养20h。

步骤2)中的巨大芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：红薯粉22g，褐藻酸钠0.03g，玉米浆5g，蛋白胨11g，二氧化锰0.02g，磷酸二氢钾0.02g，硫酸亚铁0.2g，水1000mL，调节pH7.2-7.5，扩培条件为：31℃培养20h。

步骤2)中的解淀粉芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：淀粉20g，豆粕40g，酵母膏6g，磷酸二氢钾2.0g，乙酸钠5.0g,硫酸锰0.5g，硫酸镁0.5g，碳酸钙0.3g，水1000ml，调节pH6.8-7.0，扩培条件为：35℃培养24h。

步骤3)至步骤8)中的酸碱调节剂为柠檬酸，草酸，醋酸，磷酸氢二钾，碳酸钠，醋酸钠中的一种或几种。

步骤1)中的褐藻为铜藻、海带、褐藻、鼠尾藻和马尾藻中的一种或者任意比例的两种以上。

所述巨大芽孢杆菌是巨大芽孢杆菌YIC～BM1，保藏号为CGMCC No.12156。

所述的作为破碎设备的细碎机为三轴细碎机，所述的三轴细碎机包括设有加料口和出料口的机壳，机壳包括前壁板和后壁板，互相平行设置并且高度一致的第一破碎辊和第二破碎辊的辊轴前后端分别通过轴承机构安装在所述前壁板和后壁板上，它还包括电机和与电机相连接的减速机，减速机的动力输出端与第一破碎辊的辊轴后方伸出端相连接，第一破碎辊的辊轴后方伸出端还连接有位于所述后壁板外侧的联动传动机构，该联动传动机构还与第二破碎辊的辊轴后方伸出端相连接，其特征在于：所述细碎机还包括设置在第一破碎辊和第二破碎辊中间位置正下方并与第一破碎辊和第二破碎辊相平行的调节辊；该调节辊的辊轴通过前后各一个轴承座安装在所述前壁板和后壁板上；调节辊的辊轴前方伸出端通过第二传动机构与第一破碎辊或第二破碎辊的辊轴前方伸出端相连接；所述前壁板和后壁板上分别开设有上下走向的滑槽，所述滑槽中安装有走向与滑槽走向一致的丝杠，所述丝杠上安装有丝母；用于支撑调节辊的辊轴的前后各一个轴承座分别与所述前壁板和后壁板上的丝母相连接。

本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明自主筛选的菌种具有较强的生存能力，其生长代谢能够抑制脲酶的产生和硝化细菌的繁殖，从而减缓尿素的氨化作用与铵态氮的硝化作用，使得氮素营养缓慢释放从而达到缓控释的作用，提高了肥料的利用率。该工艺相对于化学缓控技术更加环保，更加长效。

2、本发明还将褐藻与脲铵氮肥有机结合，褐藻被离解产生的褐藻酸钠具有很强的保水保肥的功效，其分子结构含有大量的羧基能够跟铵根离子结合从而进一步加强了脲铵氮肥的缓控释作用。

3、本发明的产品富含多种对有益微生物，菌种之间发挥协同作用，提高环境适应能力，能够在土壤中大量繁殖，有效提升土壤中的微生物含量，起到缓冲土壤酸碱度，增强植物抗性，改良土壤环境的作用。

4、本发明采用物理辊压，反击式造粒、低温烘干等温和工艺，整个过程绿色环保，避免了高温和化学试剂对微生物和褐藻提取物的侵蚀破坏，最大限度的保证了细菌存活率和褐藻提取物的生物活性，还可以有效降低缩二脲的含量，降低其对作物的毒害作用。

5、本发明的产品富含多种对有益微生物，菌种之间发挥协同作用，提高环境适应能力，能够在土壤中大量繁殖，有效提升土壤中的微生物含量，起到缓冲土壤酸碱度，增强植物抗性，改良土壤环境的作用。

6、本发明破碎设备具有以下特点：经过第一破碎辊和第二破碎辊之间的块状物料受挤压以及击打作用破碎，达到破碎细度的物料经调节辊与第一破碎辊和第二破碎辊之间的间隙落下，并经出料口排出，未达到破碎细度的物料在调节辊的驱动下返回到第一破碎辊和第二破碎辊之间重复破碎。在破碎腔室内对大颗粒物料反复破碎，一次性出料达到细度要求，提高了操作效率并减少了设备投资。另外，用于支撑调节辊的辊轴的两个轴承座可升降，用以调节述调节辊的高度位置，从而调整破碎机出料颗粒的大小。基于这种设计，可通过调整调节辊的高度满足不同破碎细度的要求。本破碎机的关键是设置在第一破碎辊和第二破碎辊正下方以及出料口正上方的调节辊，该调节辊具备三个功能，第一、转动状态下驱动大颗粒物料向上运动返回到挤压破碎腔室中；第二、它与第一破碎辊和第二破碎辊构成左右两条落料缝隙，只有满足细度要求的粉碎细料才能通过所述缝隙；第三、它与第一破碎辊和第二破碎辊构成挤压破碎三辊机构，三者协同实施物料挤压和击打。

附图说明

图1是显微观察YIC～BM1菌株的革兰氏染色及聚集成团现象图。

图2基于16SrDNA序列构建的YIC～BM1菌株系统发育树示意图。

图3是不同温度对YIC～BM1菌株产酶的影响的示意图。

图4是不同pH对YIC～BM1菌株产酶的影响示意图。

图5是本发明三轴细碎机整体外形及破碎辊位置示意图。

图6是本发明三轴细碎机的内部结构示意图。

具体实施方式

结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1：

1)制备产品A：将新鲜的海带和马尾藻(质量比为1:1)洗净、除杂，浸泡20h后，磨浆，转入发酵罐内，110℃灭菌30min，冷却至20℃得到产品A；

2)制备种子液：将蜡样芽孢杆菌活化与扩培，制备蜡样芽孢杆菌种子液X；将巨大芽孢杆菌活化与扩培，制备巨大芽孢杆菌种子液Y；将解淀粉芽孢杆菌活化与扩培，制备解淀粉芽孢杆菌种子液Z；

所述的蜡样芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：豆粕粉20g，酵母膏6g，褐藻酸钠1.2g，牛胆盐0.05g，磷酸二氢钾0.04g，氯化钠0.2g，硫酸镁0.2g，甘露醇9.5g，水1000mL，调节pH6.8-7.0，扩培条件为：33℃培养20h。

所述的巨大芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：红薯粉22g，褐藻酸钠0.03g，玉米浆5g，蛋白胨11g，二氧化锰0.02g，磷酸二氢钾0.02g，硫酸亚铁0.2g，水1000mL，调节pH7.2-7.5，扩培条件为：31℃培养20h。

所述的解淀粉芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：淀粉20g，豆粕40g，酵母膏6g，磷酸二氢钾2.0g，乙酸钠5.0g,硫酸锰0.5g，硫酸镁0.5g，碳酸钙0.3g，水1000ml，调节pH6.8-7.0，扩培条件为：35℃培养24h。

3)制备产品B：将种子液X接种到产品A中，种子液X用量为产品A质量的10％，发酵温度为32℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为6.8，溶氧控制在20％，转速为200r/min，通气量在800L/min，发酵罐压应维持在0.04Mpa，发酵时间为22h，得到产品B；

4)制备产品C：调整产品B的pH至4.5，并将发酵罐内温度冷却至4℃，保存3天，然后将温度恢复至20℃，得到产品C；

5)制备产品D：将种子液Y接种到产品C中，种子液Y用量为产品C质量的12％，发酵温度为34℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为7.0，溶氧控制在30％，转速为180r/min，通气量在750L/min，发酵罐压应维持在0.03Mpa，发酵时间为18h，得到产品D；

6)制备产品E：调整产品D的pH至4.5，并将发酵罐内温度冷却至3℃，保存2天，然后将温度恢复至25℃，得到产品E；

7)制备产品F：将种子液Z接种到产品E中，种子液Z用量为产品E质量的10％，发酵温度为30℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为7.2，溶氧控制在25％，转速为200r/min，通气量在900L/min，发酵罐压应维持在0.03Mpa，发酵时间为18h，得到产品F；

8)制备产品G：调整产品F的pH至5.0，并将发酵罐内温度冷却至5℃，保存2天，然后将温度恢复至35℃，得到产品G；将G干燥得到褐藻复合功能菌剂。

9)将尿素颗粒用复合肥专用三轴细碎机破碎为30-40目的尿素微粒。将尿素微粒、氯化铵、褐藻复合功能菌剂按照质量比45:45:10混合均匀，经辊压机辊压成型为片状，降至常温；采用反击式造粒方式进行造粒得成品。

实施例2：

1)制备产品A：将新鲜的铜藻洗净、除杂，浸泡24h后，磨浆，转入发酵罐内，120℃灭菌15min，冷却至20℃得到产品A；

2)制备种子液：操作方法与实施例1相同。

3)制备产品B：将种子液X接种到产品A中，种子液X用量为产品A质量的12％，发酵温度为32℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为6.6，溶氧控制在25％，转速为180r/min，通气量在850L/min，发酵罐压应维持在0.03Mpa，发酵时间为21h，得到产品B；

4)制备产品C：调整产品B的pH至4.5，并将发酵罐内温度冷却至4℃，保存1天，然后将温度恢复至25℃，得到产品C；

5)制备产品D：将种子液Y接种到产品C中，种子液Y用量为产品C质量的10％，发酵温度为34℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为7.0，溶氧控制在30％，转速为200r/min，通气量在800L/min，发酵罐压应维持在0.04Mpa，发酵时间为20h，得到产品D；

6)制备产品E：调整产品D的pH至5.0，并将发酵罐内温度冷却至5℃，保存3天，然后将温度恢复至25℃，得到产品E；

7)制备产品F：将种子液Z接种到产品E中，种子液Z用量为产品E质量的15％，发酵温度为30℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为6.8，溶氧控制在30％，转速为200r/min，通气量在750L/min，发酵罐压应维持在0.03Mpa，发酵时间为24h，得到产品F；

8)制备产品G：调整产品F的pH至4.5，并将发酵罐内温度冷却至5℃，保存2天，然后将温度恢复至25℃，得到产品G；将G干燥得到褐藻复合功能菌剂。

9)将尿素颗粒用复合肥专用三轴细碎机破碎为30-40目的尿素微粒。将尿素微粒、硫酸铵、褐藻复合功能菌剂按照质量比45:45:10混合均匀，经辊压机辊压成型为片状，降至常温；采用反击式造粒方式进行造粒得成品。

对比例1：

只采用单一菌种发酵。

1)制备产品A：将新鲜的鼠尾藻洗净、除杂，浸泡30h后，磨浆，转入发酵罐内，120℃灭菌20min，冷却至30℃得到产品A；

2)制备种子液：将蜡样芽孢杆菌活化与扩培，制备蜡样芽孢杆菌种子液X；

所述的蜡样芽孢杆菌活化与扩培的培养基配方为：豆粕粉20g，酵母膏6g，褐藻酸钠1.2g，牛胆盐0.05g，磷酸二氢钾0.04g，氯化钠0.2g，硫酸镁0.2g，甘露醇9.5g，水1000mL，调节pH6.8-7.0，扩培条件为：33℃培养20h。

3)制备产品B：将种子液X接种到产品A中，种子液X用量为产品A质量的10％，发酵温度为32℃，用柠檬酸和氨水调节反应的pH值为6.8，溶氧控制在20％，转速为200r/min，通气量在800L/min，发酵罐压应维持在0.04Mpa，发酵时间为22h，得到产品B；

4)制备产品C：调整产品B的pH至4.5，并将发酵罐内温度冷却至4℃，保存3天，然后将温度恢复至20℃，得到产品C；将C干燥得到褐藻复合功能菌剂。

5)将尿素颗粒用复合肥专用三轴细碎机破碎为30-40目的尿素微粒。将尿素微粒、氯化铵、褐藻复合功能菌剂按照质量比45:45:10混合均匀，经辊压机辊压成型为片状，降至常温；采用反击式造粒方式进行造粒得成品。

对比例2：

褐藻不经过微生物发酵制备的产品。

制备产品A：将新鲜的海带和马尾藻(质量比为1:1)洗净、除杂，浸泡20h后，磨浆，转入发酵罐内，110℃浸提30min，冷却至20℃得到产品A,将A干燥制备褐藻浸粉B；

2)将尿素颗粒用复合肥专用三轴细碎机破碎为30-40目的尿素微粒。将尿素微粒、氯化铵、褐藻浸粉B按照质量比45:45:10混合均匀，经辊压机辊压成型为片状，降至常温；采用反击式造粒方式进行造粒得成品。

产品指标检测结果见表1。

表1：产品检测结果

结果表明：区别于传统的脲铵氮肥，本发明制备的产品中不仅含有高含量的有效活菌，而且含有高含量的褐藻提取物，包括褐藻酸和褐藻寡糖；同时降低了缩二脲的含量。

复合分级发酵的活菌数以及褐藻提取物的含量高于单一菌种的发酵；褐藻经过发酵后褐藻活性物质的含量大幅提高。

将产品对春小麦做了相应的肥效对比实验。

实验方法：所有处理肥料均一次性施入，均匀撒于小区表面，深翻上下土20cm左右，机械播种，出苗后重新确定小区位置。麦田的常规管理均同常规。化学除草、除虫、合理灌溉、保证充足水分，在P、K同一水平上进行比较。结果如表2所示(以传统脲铵氮肥作为对照组)

表2：春小麦施肥对比实验结果

实验表明，使用实施例1样品的春小麦，提高了农作物产量，实现了10％的增收，而且增强了农作物的抗寒性。可显著提高土壤中微生物的含量，有效调节土壤的pH值，降低了土壤容重，有效改良了土壤性能。

由对比试验的数据也可以看出，褐藻不经过发酵，肥效体现不明显，经过发酵处理后肥效表现显著。

所述巨大芽孢杆菌YIC～BM1的保藏号为CGMCC No.12156；保藏单位名称是：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心；保藏单位地址是：北京市朝阳区北辰西路1号院3号；保藏日期：2016年3月2日；拉丁文分类命名为：Bacillus megaterium。

所述巨大芽孢杆菌YIC～BM1的生物特性如下：

纤维素培养基：羟甲基纤维素钠15g，硝酸铵1g，硫酸镁1g，磷酸二氢钾2g，琼脂20g，蒸馏水1000ml。

液体发酵培养基：羟甲基纤维素钠10g，蛋白胨3g，酵母粉0.5g，硝酸铵2g，硫酸镁0.3g，磷酸二氢钾2g，氯化钙0.3g，蒸馏水1000ml，pH7.0-7.4。

YIC～BM1菌株在纤维素培养基平板上生长48h后，菌落圆形，白色，表面平整。显微镜观察菌株为革兰氏阳性，杆状，能运动，产芽孢。生长温度范围20～40℃，PH范围6-10，NaCl浓度范围0～20％，菌株最适生长温度37℃，最适生长pH 7.5。触酶，氧化酶，半乳糖苷酶阳性，吲哚，VP实验阴性，不还原硝酸；能够利用葡萄糖，甘露糖，乳糖，棉子糖，蔗糖，阿拉伯糖，木糖，甘露醇，山梨醇。根据其生理生化特征，将该菌株鉴定为巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium。

图1看出，YIC～BM1菌株为革兰氏阳性菌；

图2看出，YIC～BM1菌株的亲缘关系与巨大芽孢杆菌最近；

图3看出，YIC～BM1菌株的最适产酶温度为35℃；

图4看出，YIC～BM1菌株的最佳产酶pH为6.0。

本发明采用的三轴细碎机包括机架1和安装在机架1上的机壳3，其中机壳3上端一侧设置有加料口4，下端设置有出料口6，如图5所示。

结合图5和图6，所述机壳3包括前壁板和后壁板，互相平行设置并且高度一致的第一破碎辊2和第二破碎辊5的辊轴前后端分别通过轴承机构安装在所述前壁板和后壁板上。

本发明的三轴细碎机还包括安装在机架1上的电机8和与电机8相连接的减速机9。减速机9的动力输出端通过第一传动机构10与第一破碎辊2的辊轴后方伸出端相连接。第一破碎辊2的辊轴后方伸出端还连接有位于所述后壁板外侧的联动传动机构11，该联动传动机构11还与第二破碎辊5的辊轴后方伸出端相连接。

减速机9通过第一传动机构10(比如皮带传动机构)驱动第一破碎辊2转动，第一破碎辊2的辊轴通过联动传动机构11驱动第二破碎辊5同步转动。其中联动传动机构11可以是互相啮合的齿轮联动机构，也可以是皮带联动机构。

所述第一破碎辊2和第二破碎辊5上分别设有根部与破碎辊表面相固定的若干根击打柱12。每一破碎辊上的击打柱长短交错布置。

本发明的三轴细碎机还包括设置在第一破碎辊2和第二破碎辊5中间位置正下方并与第一破碎辊2和第二破碎辊5相平行的调节辊7，该调节辊7的辊轴通过前后各一个轴承座安装在所述前壁板和后壁板上。调节辊7的辊轴前方伸出端通过第二传动机构13第一破碎辊2或第二破碎辊5的辊轴前方伸出端相连接。

所述“后方伸出端”和“前方伸出端”中的“伸出”指从前壁板或后壁板向外伸出。

所述调节辊7表面设置有若干个均匀布置的凸起包或者凸起柱。

所述前壁板和后壁板上分别开设有上下走向的滑槽，所述滑槽中安装有走向与滑槽走向一致的丝杠，所述丝杠上安装有丝母。用于支撑调节辊7的辊轴的前后各一个轴承座分别与所述前壁板和后壁板上的丝母相连接。

转动所述丝杠，丝母携带用于支撑调节辊7的辊轴的两个轴承座升降，用以调节述调节辊7的高度位置，从而调整破碎机出料颗粒的大小。

第二传动机构13优选皮带传动机构，并且在该机构中设置皮带张紧轮。当调节辊7的高度发生变化时依靠张紧轮保持皮带合适的张紧度。

经过第一破碎辊2和第二破碎辊5之间的块状物料受挤压以及击打作用破碎，达到破碎细度的物料经调节辊7与第一破碎辊2和第二破碎辊5之间的间隙落下，并经出料口6排出，未达到破碎细度的物料在调节辊7的驱动下返回到第一破碎辊2和第二破碎辊5之间重复破碎。

本发明所述的反击式造粒方式是指采用公开号为“CN 102775255”的中国专利“复混肥反击造粒机及使用该反击造粒机的复混肥生产线”所公布的造粒设备进行造粒。