[go: up one dir, main page]

CN112566884B - 植物和土壤用营养组合物的制造方法 - Google Patents

植物和土壤用营养组合物的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112566884B
CN112566884B CN201980051179.4A CN201980051179A CN112566884B CN 112566884 B CN112566884 B CN 112566884B CN 201980051179 A CN201980051179 A CN 201980051179A CN 112566884 B CN112566884 B CN 112566884B
Authority
CN
China
Prior art keywords
oxygen
liquid component
animal waste
enriched air
pure oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980051179.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112566884A (zh
Inventor
苏希尔·K·巴拉
德文·K·胡珀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nvirokur Co ltd
Original Assignee
Nvirokur Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nvirokur Co ltd filed Critical Nvirokur Co ltd
Publication of CN112566884A publication Critical patent/CN112566884A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112566884B publication Critical patent/CN112566884B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/20—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation using specific microorganisms or substances, e.g. enzymes, for activating or stimulating the treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F3/00—Fertilisers from human or animal excrements, e.g. manure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/40—Treatment of liquids or slurries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/50—Treatments combining two or more different biological or biochemical treatments, e.g. anaerobic and aerobic treatment or vermicomposting and aerobic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/70—Controlling the treatment in response to process parameters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/90—Apparatus therefor
    • C05F17/964—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors
    • C05F17/971—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material
    • C05F17/979—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material the other material being gaseous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05G—MIXTURES OF FERTILISERS COVERED INDIVIDUALLY BY DIFFERENT SUBCLASSES OF CLASS C05; MIXTURES OF ONE OR MORE FERTILISERS WITH MATERIALS NOT HAVING A SPECIFIC FERTILISING ACTIVITY, e.g. PESTICIDES, SOIL-CONDITIONERS, WETTING AGENTS; FERTILISERS CHARACTERISED BY THEIR FORM
    • C05G5/00—Fertilisers characterised by their form
    • C05G5/20—Liquid fertilisers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Fertilizers (AREA)
  • Treatment Of Sludge (AREA)

Abstract

本发明公开了从动物粪便制造用于植物和土壤的组合物例如液体生物肥料和固体生物刺激物的方法。所述方法包括向动物粪便的液体级分递送纯氧或富氧空气，并且还包括对所述液体级分进行自热嗜热好氧生物反应。还公开了通过这些方法制造的用于提高合成肥料在常规农业中的有效性和/或用于有机农业的营养组合物。

Description

植物和土壤用营养组合物的制造方法
与相关申请的交叉引用
本申请要求2018年8月1日提交的美国临时申请号62/713,325的利益，所述临时申请的全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本发明总的来说涉及可用于促进植物生长和健康土壤结构的肥料和组合物。具体来说，公开了制造此类肥料和组合物的方法。
背景技术
在农业中使用两种主要类别的作物投入品：肥料和杀虫剂。肥料通常被描述为被添加以便提供植物生长必需的一种或多种营养物的天然或合成起源的任何有机或无机材料。肥料以不同比例提供植物生长所需或对植物生长有益的宏量营养物、中量营养物和微量营养物。
在上个世纪，合成的肥料和杀虫剂在农业中被广泛使用。现在已充分认识到合成肥料的使用对土壤的物理质量造成不利影响，降低了其支持植物生产力的能力。此外，正逐渐认识到这些化学品对环境和人类的不利影响(参见例如Weisenberger,D.D.，1993，“农用化学品的使用对人类健康的影响”(Human Health Effects of Agrichemical Use)，Hum.Pathol.24(6):571-576)。另外，大量研究已显示，随着土壤碳的降低，需要显著增加的化学肥料才能维持产量，同时估计仍有67％的种子潜力未实现(参见例如Mulvaney R.L.等，2009,J.Environ.Qual.38(6):2295-2314；Tollenaar,M.,1985,Proceedings of theConference on Physiology,Biochemistry and Chemistry Associated with MaximumYield Corn,Foundation for Agronomic Research and Potash and PhosphateInstitute.St.Louis,MO,11-12；NASS Crop Production 2017 Summary(U.S.D.A.2018))。因此，认识到合成的肥料和杀虫剂对土壤生态的通常有害的影响，这为扩大人们对包括使用天然和/或生物起源的肥料、土壤刺激物和杀虫剂在内的可持续和可再生作物生产的兴趣提供了动力。因此，在有机和常规农业领域两者中，对改善农业和作物保护的需求是显而易见的，并突出了对生物处理的需求，所述生物处理可以替代或补充常规合成肥料，或者可以与常规化学除草剂/杀虫剂相组合使用以最大化作物产量并同时维持土壤完整性。
被考虑作为合成肥料的替代物用于农业工业的一类材料是农业生物制剂，例如生物刺激物、生物肥料和生物杀虫剂。在农业工业中，生物肥料和生物刺激物用于通过固氮、解磷和通过合成生长促进物质的植物生长刺激的自然过程，向植物和土壤中添加营养物。可以预期生物肥料减少化学肥料和杀虫剂的使用，并且在常规农业中与杀虫剂组合使用以降低例如化学品诱导的对植物本身的胁迫。生物肥料中的微生物恢复土壤的自然营养物循环并建立土壤有机质。通过使用生物肥料可以生长出健康的植物，同时增强土壤的可持续性和健康。另外，被称为植物促生根际细菌(PGPR)的某些微生物通过经微生物及其副产物提供有机营养物，在富集土壤肥力和满足植物营养物需求方面极为有利。因此，生物肥料不包含任何对活性土壤有害的化学品。
除了对土壤和根际提供益处之外，PGPR可以以直接或间接的方式影响植物。例如，它们可以通过向植物提供营养物和激素而直接提高植物生长。已被发现增强植物生长的细菌的实例包括某些嗜温菌和嗜热菌，包括例如芽孢杆菌属(Bacillus)、脲芽孢杆菌属(Ureibacillus)、地芽孢杆菌属(Geobacillus)、短芽孢杆菌属(Brevibacillus)和类芽孢杆菌属(Paenibacillus)的嗜热成员，已知它们都在家禽粪便堆肥中普遍存在。据报道对植物生长有益的嗜温菌包括属于芽孢杆菌属(Bacillus)、沙雷氏菌属(Serratia)、固氮菌属(Azotobacter)、赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)的嗜温菌。
PGPR还能够通过微生物拮抗作用来控制病原细菌的数量，这通过与病原体竞争营养物、产生抗生素以及产生抗真菌代谢物来实现。除了拮抗作用之外，某些细菌-植物相互作用可以诱导一些机制，使植物可以更好地防御病原细菌、真菌和病毒。一种机制被称为诱导性系统抵抗(ISR)，而另一种机制被称为系统获得性抗性(SAR)(参见例如Vallad,G.E.和R.M.Goodman,2004,Crop Sci.44:1920–1934)。诱导性细菌在根部触发反应，产生在整个植物中传播的信号，从而导致防御机制的激活，例如植物细胞壁的增强、抗微生物植物抗毒素的产生以及病原体相关蛋白的合成。细菌的可以激活ISR或SAR的某些组分或代谢物包括脂多糖(LPS)、鞭毛、水杨酸和铁载体。因此，对于富含营养物和PGPR的生物肥料，仍存在着需求。
除了含有PGPR之外，生物肥料还可以含有其他类型的细菌、藻类、真菌或这些微生物的组合，并包括固氮微生物(例如固氮菌(Azotobacter)、梭菌(Clostridium)、鱼腥藻(Anabaena)、念珠藻(Nostoc)、根瘤菌(Rhizobium)、满江红鱼腥藻(Anabaena azollae)和固氮螺菌(Azospirillum))、解磷细菌和真菌(例如枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、条纹假单胞菌(Psuedomonas striata)、青霉属菌种(Penicillium sp.)，泡盛曲霉(Aspergillus awamori))、动员磷的真菌(例如球囊霉属菌种(Glomus sp.)、盾巨孢囊霉属菌种(Scutellospora sp.)、蜡蘑属菌种(Laccaria sp.)、豆马勃属菌种(Pisolithussp.)、牛肝菌属菌种(Boletus sp.)、鹅膏菌属菌种(Amanita sp.)和Pezizella ericae)以及硅酸盐和锌的增溶剂(例如芽孢杆菌属菌种(Bacillus sp))。然而，尽管与常规化学肥料相比生物肥料可能提高植物营养物的利用率并有助于土壤维护，但寻找成本效益高的方式来生产富含适合的有益微生物群体且没有微生物污染和其他污染物，并且可以与现有的施用方法和技术一起使用的生物肥料，仍然是工业上相对未满足的需求。
生物肥料和生物刺激物组合物的一个具体来源是动物废料。事实上，动物粪便以及特别是富含营养物和微生物的家禽粪便，关于其作为生物肥料的适用性一直是广泛研究的主题。通过学术研究和农场试验已充分确立，家禽粪便可以高成本效益地提供植物生长所需的全部宏量和微量营养物以及某些植物促生根际细菌。然而，这些益处取决于消除与鸡粪有关的植物和人类病原体。此外，由使用原始粪便引起的重大问题包括营养物流失和高土壤磷浸出的可能性提高，以及人类病原体向食物的传播。重要的是，美国生产者和农民两者都必须确保他们的基于粪便的生物肥料满足由FDA颁布的关于基于粪便的投入物的无限制使用的严格的安全法规。参见例如21C.F.R.§112.51(2016)。
不利地影响农业产业的另一个问题是杂草种子对田间的污染。此外，基于粪便的施用，特别是是原始粪便的施用，实际上可能造成杂草种子污染，因为未消化的杂草种子可能存在于动物废料中(参见Katovich J.等，“杂草种子在牲畜系统中的存活”(Weed SeedSurvival in Livestock Systems)，U.Minn.Extension Servs.&U.Wis.Extension，可以在https://www.extension.umn.edu/agriculture处获得)。杂草种子污染通常导致作物减产，促进了对增加化学除草剂施用的需求，这可能对植物和人类健康两者具有负面影响。杂草种子污染在不允许施用合成除草剂的有机农业产业中尤其成问题，迫使农民依靠机械松土机来控制杂草生长。由于已显示堆肥可以降低径流和土壤侵蚀的总量以及病原体和杂草种子污染的可能性，因此许多州现在要求在田间施用之前对家禽粪便进行堆肥，导致堆肥方法的进步。
堆肥可以被描述为有机材料的生物分解和稳定化。所述过程通过微生物活性产生热量，并产生稳定的、基本上不含病原体和杂草种子的终产品。随着产品的稳定，气味将减少并且病原体被消除，显示过程已执行完成。大多数堆肥在固相中进行。
堆肥的益处包括：(1)使土壤富含PGPR，(2)减少微生物和其他病原体并杀死杂草种子；(3)调理土壤，从而提高营养物的植物可及性；(4)潜在地减少径流和土壤侵蚀；(5)将挥发性氮稳定化在大的蛋白质粒子中，减少损失；以及(6)提高土壤的保水率。但是，所述过程耗时且劳动密集。此外，堆肥并不是没有重大障碍，其包括：(1)高效堆肥需要大的表面积；(2)为了充分堆肥以用于商业用途，需要重型设备来“翻转”肥堆；(3)难以维持一致、适当的碳氮比；(4)需要均匀加热；(5)笨重的终产品的运输；(6)产品及其施用缺乏一致性。另外，由于营养物在种植前大批施用，因此存在着营养物通过径流而流失的显著可能性。还存在着不一致的分解和不完全的病原体破坏的显著可能性。此外，在田间施用中营养物分布不均也是一个问题。最后，固体堆肥不能用于水培和滴灌。
对于这最后一个缺点来说，有机种植者和传统种植者两者都利用堆肥沥滤液(堆肥茶)作为液体肥料。所述沥滤液经过将充分堆肥的材料浸泡在水中，然后将固体与液体沥滤液分离开来生产。尽管这种液体材料可用于滴灌或叶面施用，但其生产仍然耗时且劳动密集，并且所述液体产品具有与固体堆肥相同的缺点，因为它仍可能含有病原生物体并且其营养物含量不一致。因此，堆肥茶中存在的任何残留病原生物体都存在病原体复制和污染的风险，因此在适用且严格的联邦健康与安全法规下可能无法通过检查。
一些有机肥料包括基于鱼和基于植物蛋白的肥料。鱼乳液产品通常从完整的咸水鱼和包括鱼骨、鱼鳞和鱼皮在内的残骸产品生产。将鱼磨成浆液，然后进行热处理以去除油和鱼粉。所述加工后残留的液体称为鱼乳液。将所述产品酸化以使其变得稳定并防止微生物生长。鱼水解物肥料通常从淡水鱼通过冷酶消化过程生产。尽管鱼肥料可以为植物和土壤微生物提供营养补充，但它们难以使用，这部分是由于它们的高酸度和在某些情况下基于油的组成，后者可能阻塞农业设备。基于植物蛋白的肥料通常通过富含蛋白质的植物材料例如大豆的水解来生产，并且对于例如生产纯素食产品的种植者和园艺家而言是有吸引力的替代方案。然而，由于它们的来源，这些产品可能昂贵。此外，上述肥料都不是天然生物制剂：必须向它们添加有益微生物。
可以利用分解不需要的有机质的好氧微生物从家禽粪便生产富含营养物的液体和固体生物肥料，例如在美国专利号9,688,584B2和国际专利申请公开号2017/112605 A1中描述的方法。然而，加工家禽粪便来生产生物肥料的现有方法存在许多缺点，包括有机质的不完全分解和生物反应器设备的过度起泡。后者导致气流的显著中断和随后的有机质不完全分解，这通常导致液体肥料产品堵塞喷雾器和其他田间施用设备，从而破坏耕作计划的运作并增加成本。
因此，在本领域中对用于制造生物来源的产品的更高效的方法，仍存在着需求，所述产品可以提供优异的植物营养和土壤调理，同时是安全、易于使用和成本效益高的。此类产品将为目前使用的合成产品例如磷酸氢二铵、磷酸二氢铵和尿素-硝酸铵提供高度有利的替代品，并将满足种植者对标准化和可靠性的要求。
发明内容
本文中描述了用于制造施用到植物和土壤的组合物的方法。具体来说，所述方法产生从动物废料例如家禽粪便制造的固体和液体组合物。一方面，本文中提供了一种从动物废料制造有机肥料产品的方法，所述方法包括下述步骤：将所述动物废料的pH调整到约5至约8，以产生稳定的动物废料组合物；将所述动物废料组合物的水分含量调整到至少约75重量％，以产生水性浆液；分离所述水性浆液的实质性固体组分和实质性液体组分；以及对所述实质性液体组分进行自热嗜热好氧生物反应。此外，所述自热嗜热好氧生物反应包括将纯氧或富氧空气递送到所述实质性液体组分，以将所述实质性液体组分在适合于嗜热细菌生长的好氧条件下维持第一时间段；以及将所述实质性液体组分在适合于嗜热细菌生长的温度下维持第二时间段。此外，在整个所述方法中，所述稳定的动物废料组合物、水性浆液和实质性液体组分被维持在约5至约8的pH。
在另一个实施方式中，所述方法还包括对所述实质性固体组分进行干燥，以将所述实质性固体组分的水分含量调整到低于约15％，以产生干燥的固体产品的步骤。在某些实施方式中，所述第一时间段和第二时间段基本上同时发生。在其他实施方式中，所述方法包括对所述稳定的动物废料组合物、水性浆液或所述稳定的动物废料组合物与水性浆液两者进行混合或斩拌。
在一个实施方式中，所述方法包括将纯氧或富氧空气递送到所述水性浆液持续第三时间段，以降低所述水性浆液中厌氧化合物的浓度。在另一个实施方式中，所述水性浆液包含至少约1百万分率的残余溶解氧浓度。在某些实施方式中，所述残余溶解氧浓度为至少约2百万分率。此外，所述厌氧化合物可能包括硫化氢。在某些实施方式中，所述纯氧或富氧空气通过经一个或多个孔眼级在约1微米至约3微米范围内的喷布器注入来递送。在另一个实施方式中，所述纯氧或富氧空气以约0.5CFM至约1.5CFM/1,000加仑的速率注入到所述实质性液体组分中。在另外的其他实施方式中，所述纯氧或富氧空气以约0.25CFM至约1.5CFM/10,000加仑的速率注入到所述水性浆液中。
在各种不同实施方式中，所述动物废料包含家禽粪便。例如，所述家禽粪便可以是鸡粪。此外，在某些情况下，所述动物废料的pH通过添加酸来调整。在某些情况下，在所述分离步骤之前将所述水性浆液加热到约50℃至约80℃之间。在其他实施方式中，所述自热嗜热好氧生物反应包括将所述实质性液体组分加热到至少约45℃的温度持续所述第二时间段。
在任何上述实施方式中，所述自热嗜热好氧生物反应中的好氧条件可以具有约2mg/l至约6mg/l之间的溶解氧水平。在某些实施方式中，在整个所述方法中，将所述稳定的动物废料组合物、水性浆液和实质性液体组分维持在约5.5至约7之间的pH。
在一个示例性实施方式中，在所述方法中，所述第三时间段为至少约15分钟。在其他实施方式中，所述第三时间段为至少约1小时。在上述方法中，在某些情况下所述第一时间段和第二时间段两者可以均为至少约1天。在另外的其他实施方式中，所述第一时间段和第二时间段两者均为至少约3天。
在另一个实施方式中，所述方法在所述自热好氧嗜热反应之前包括另外的步骤，所述步骤包括对所述实质性液体组分进行初始自热好氧嗜温反应，所述反应包括：(i)将纯氧或富氧空气递送到所述实质性液体组分，以将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的好氧条件下；并(ii)将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的温度下。在这个实施方式中，所述初始自热好氧嗜温反应被维持至少约1小时。在其他实施方式中，所述初始自热好氧嗜温反应被维持约1至3天。
在本发明的另一方面，本文中提供了一种施用到植物和土壤的液体肥料组合物，其中所述液体肥料组合物通过任何上述方法来生产。在某些实施方式中，所述组合物包含至少一种添加剂，其可以是宏量营养物或微量营养物。在其他实施方式中，所述组合物被配制成用于施用到植物正在或将在其中生长的土壤或培养基。在另外的其他实施方式中，所述组合物被配制成用于施用到种子或植物部分。在另外的其他实施方式中，它适合用于有机项目。在某些实施方式中，将所述组合物与合成或化学肥料混合，用于常规农业中。在其他实施方式中，将所述组合物与化学杀虫剂和/或化学除草剂混合，用于常规农业中。
本发明的另一方面描述了一种从动物废料制造营养组合物的方法，所述方法包括下述步骤：(a)将所述动物废料的pH调整到低于约7.5，以产生稳定的动物废料组合物；(b)将所述稳定的动物废料的水分含量调整到至少约80重量％，以产生水性动物废料组合物；(c)分离所述水性动物废料组合物的固体组分和液体组分；以及(d)对所述分离的液体组分进行自热嗜热好氧生物反应(ATAB)持续第一预定时间。在这种情况下，所述分离的液体组分的ATAB发生在一个或多个包含纯氧或富氧空气递送系统的生物反应器中。此外，所述递送系统将所述纯氧或富氧空气注入到所述分离的液体组分中，以将所述分离的液体组分维持在适合于嗜热细菌生长的好氧条件下；并将所述生物反应器中所述分离的液体组分的温度维持在约45℃至约75℃之间的温度下。此外，在整个所述方法中，所述稳定的动物废料组合物、水性动物废料组合物和分离的液体组分被维持在低于约7.5的pH。
在一个实施方式中，所述递送系统包含一个或多个孔眼级在约1微米至约3微米范围内的喷布器。在另一个实施方式中，所述纯氧或富氧空气以约0.5CFM至约1.5CFM/1,000加仑的速率注入到所述分离的液体组分中。在另外的其他实施方式中，所述第一预定时间为至少约1天。在另外的其他实施方式中，所述第一预定时间为至少约3天。
在其他各种不同实施方式中，所述方法包括将纯氧或富氧空气递送到所述水性动物废料组合物持续第二预定时间段。在这些实施方式的某些版本中，所述第二预定时间为至少约15分钟，并且纯氧或富氧空气的递送采用约0.25CFM至约1.5CFM/10,000加仑的速率。
在其他实施方式中，将所述生物反应器中所述分离的液体组分的温度维持在至少约60℃的温度持续所述预定时间段。在另外的其他实施方式中，所述生物反应器在所述第一预定时间段中包含低于约1英尺的泡沫水平。
在另一个实施方式中，所述方法包括在所述自热好氧嗜热反应之前进行的另外的步骤，所述步骤包括对所述实质性液体组分进行初始自热好氧嗜温反应，所述反应包括：(i)将纯氧或富氧空气递送到所述实质性液体组分，以将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的好氧条件下；并且(ii)将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的温度下。在这个实施方式中，所述初始自热好氧嗜温反应维持至少约1小时。在其他实施方式中，所述初始自热好氧嗜温反应维持约1至3天。
通过参考下面的附图、详细描述和实施例，本发明的其他特点和优点将会显而易见。
附图说明
图1是营养组合物生产方法的示例性实施方式的方框图。
图2A是示出了在递送环境空气的生物反应器中ATAB ORP的图。y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图2B是示出了在递送环境空气的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图2C是示出了在递送环境空气的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图2D是示出了在递送环境空气的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图2E是示出了在递送环境空气的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图3A是示出了在装备有纯氧递送系统的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图3B是示出了在装备有纯氧递送系统的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图3C是示出了在装备有纯氧递送系统的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图3D是示出了在装备有纯氧递送系统的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图3E是示出了在装备有纯氧递送系统的生物反应器中ATAB ORP的图。Y-轴在左侧描绘了以摄氏度为单位的温度并在右侧描绘了以毫伏为单位的ORP，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈表示随时间变化的温度，而三角形表示随时间变化的ORP。
图4是比较了在供应富氧空气相比于环境空气的生物反应器中ATAB动力学的图。Y-轴描绘了以华氏度为单位的温度，x-轴描绘了以小时为单位的时间。圆圈代表富氧空气运行，而“+”代表环境空气运行。
发明详述
本文中描述了一种生产用于植物和土壤的组合物的改进的方法。通过本公开的过程和方法生产的组合物包括从作为起始原料的动物粪便和相关废料生产的液体和固体产品两者。此外，本公开提供了一种富含微生物和营养物的生物刺激物/生物肥料产品的生产方法，所述产品是环境安全的，并与用于有机、常规和再生农业产业中的所有精准农业施用系统完全相容。进而，通过本文中描述的方法生产的组合物包括生物肥料和生物刺激物，它们与化学肥料相比允许增强营养物的循环利用和土壤碳源的再生。
在特定实施方式中，所述起始原料包含家禽粪便。本文中描述的方法包括从动物废料组合物分离液体级分，并通过将纯氧或富氧空气递送到液体料流或组分对该液体级分进行自热嗜热好氧生物反应(ATAB)。本发明人发现，将利用大气氧气源的常规通气或其他方法用纯氧或富氧源代替，减少了ATAB期间发泡的产生。这种额外的益处允许提高ATAB期间的氧利用率，从而减少蒸发，进而导致热损失减少、运行温度范围提高和更高的运行温度，从而增加有机质的分解，产生具有提高的稳定性和保质期并且在田间施用期间不太可能堵塞或阻塞喷洒设备的液体肥料产品。此外，在分离之前的初始混合和稳定化过程中将纯氧或富氧空气注入到所述动物废料组合物中，阻止了由微生物厌氧发酵形成的不想要化合物，包括通常在动物废料中存在的有毒和产生臭味的硫化氢的形成。适合用于本文的示例性动物废料是禽类粪便，尤其是家禽粪便。
禽类粪便倾向于具有非常高的氮、磷和其他营养物含量和稳固的植物生长所需的微生物群落，因此适合用于本发明的实施方式中。表1示出了来自于几种不同家禽物种的粪便中的典型营养物和微生物含量的比较。
表1.家禽粪便营养物分析(来源：Biol.&Agric.Eng.Dept.NC State University,Jan 1994；Agronomic Division,NC Dept of Agriculture&Consumer Services)
Figure BDA0002926613260000131
TKN，总凯氏氮(有机氮、氨和铵)
因此，来自于驯养禽类或家禽的粪便可能特别适合用于本发明的制造方法，因为它们倾向于保持在农场等中，使得货源丰富且方便。在特定实施方式中，所述家禽粪便选自鸡(包括小母鸡)、火鸡、鸭、鹅和珍珠鸡。
在优选实施方式中，在本发明的制造方法中使用的原始粪便包括鸡粪。养鸡场和其他家禽养殖场可能将家禽作为地面饲养的家禽(例如火鸡、肉鸡、肉鸡育种小母鸡)饲养，其中粪便由动物粪便或滴落物以及垫料、羽毛等组成。或者，家禽养殖场可能将家禽作为从地面抬高的笼养蛋鸡饲养，其中粪便主要由通过笼子掉落的粪便滴落物(粪便和尿酸)构成。在特定情况下，所述鸡粪选自蛋鸡、肉鸡和种鸡。在更特定实施方式中，所述粪便包含蛋鸡粪便。
鸡粪的典型组成示出在表2中(以总组合物的百分率或ppm进行分析)。水分含量可以从45％至70％水分不等。除了宏量和微量营养物之外，所述粪便含有多样化的微生物群体，它们具有成为PGPR的潜力，并且也具有致病特征。所述制造方法被设计成减少或消除病原生物体并培养包括PGPR在内的有益生物体。
表2.原始鸡粪营养物分析
<u>营养物</u> <u>平均值</u> <u>范围</u>
铵氮 0.88％ 0.29-1.59％
有机氮 1.89％ 0.66-2.96％
TKN 2.78％ 1.88-3.66％
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 2.03％ 1.33-2.93％
K 1.40％ 0.89-3.01％
硫 0.39％ 0.13-0.88％
钙 3.56％ 1.98-5.95％
镁 0.36％ 0.22-0.60％
钠 0.33％ 0.10-0.88％
铜 90ppm >20ppm-309ppm
铁 490ppm 314ppm-911ppm
锰 219ppm 100pm-493ppm
锌 288ppm 97ppm-553ppm
水分 51.93％ 31％-71％
总固体 49.04％ 69％-29％
pH 7.60 5.5-8.3
总碳 17.07％ 9.10％-29.20％
有机质 22.32％ 15％-30％
灰分 19.00％ 15-25％
氯 0.39％ 0.19％-0.80％
在某些实施方式中，所选的家禽粪便包含约17lb/吨至约71lb/吨之间(即以重量计约0.85％至约3.55％之间)的总凯氏氮(TKN)，其是有机氮、氨和铵的总量。在特定情况下，所述粪便包含约16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70或71lb/吨的TKN。
本发明的组合物通过一种组合了物理(例如机械、热)、化学和生物学特点的方法从所述动物废料生产，正如下文中详细描述的，所述方法减少或消除病原体，同时促进多种多样的微生物群体生长并产生那些微生物的代谢产物，它们一起发挥作用以促进植物和土壤健康。就此而言，本发明人在所述方法的各个不同阶段中控制时间、温度、氧化还原电位值和/或pH，并且可以改变所述组合物的微生物和生物化学概貌。此外，在所述方法的各个不同阶段使用纯的或富集的氧气源具有额外的益处，这包括防止过度发泡，提高氧气流以允许有机质的更完全的微生物介导的分解，消除引起臭味的污染物以及提高最终产品的稳定性和保质期。
尽管不希望受到理论束缚，但据信所述组合物中的代谢物充当植物代谢的前体构建砌块，并且可以增强调控功能和生长。一方面，所述组合物中的细菌可以产生化感物质，其可以包括例如铁载体、抗生素和酶。另一方面，用于植物次生代谢物合成的前体分子可以包括类黄酮、联合的酚和多酚化合物、萜类化合物、含氮生物碱和含硫化合物。
除非另有注明，否则本文中提到的所有百分率均为重量百分率(wt％)。
如果使用的话，范围被用作速记法，以避免不得不列出和描述所述范围内的每一个值。在适当时，可以选择所述范围内的任何值作为所述范围的上限值、下限值或终点。
术语“约”是指度量例如温度、重量、百分率、长度、浓度等的数值的变化，其由用于获得该度量的装置的典型误差率造成。在一个实施方式中，术语“约”意味着在所报告的数值的5％以内。
当在本文中使用时，词语的单数形式包括复数形式，反之亦然，除非上下文另有明确规定。因此，没有具体数目的指称通常包括相应项目的复数。同样地，术语“包括”和“或”都应该被解释为是包含性的，除非在上下文中明确禁止了这种解释。类似地，术语“实例”特别是在后面跟有术语名单时，仅仅是示例性和说明性的，并且不应被视为排他性或全面的。
术语“包含”旨在包括由术语“基本上由……组成”和“由……组成”所涵盖的实施方式。类似地，术语“基本上由……组成”旨在包括由术语“由……组成”所涵盖的实施方式。
当在本文中使用时，“动物废料”是指含有动物粪便的任何材料，包括其中配置有动物粪便的窝料、垫料或任何其他环境。在一种情况下，“动物废料”包含鸟类或禽类粪便，更特别是家禽粪便(例如鸡、火鸡、鸭、鹅、珍珠鸡)。具体来说，“动物废料”包括鸡粪，例如来自于肉鸡或蛋鸡的粪便。在其他情况下，“动物废料”可以是指来自于其他动物例如猪、牛、绵羊、山羊或本文中未具体列举的其他动物的废料。在又一种情况下，“动物废料”可以是指来自于两种或更多种动物例如两种或更多种家禽的废料的混合物。
术语“增强的有效性”、“改进的有效性”或“提高的有效性”在本文中可互换使用，是指生物刺激物、合成肥料、化学杀虫剂/除草剂和其他化合物改进植物健康、作物或种子产量、营养物摄取或效率、抗病性、土壤完整性、植物对胁迫(例如热、干旱、毒素)的响应、抗卷叶性等的增强的能力。例如，可以向生物刺激物、合成肥料或化学杀虫剂/除草剂添加添加剂或增补剂，其提供与不存在该添加剂情况下的等同生物刺激物、合成肥料或化学杀虫剂/除草剂相比“改进的有效性”。具体来说，通过本文中公开的方法生产的生物刺激物可以与合成的肥料或除草剂/杀虫剂混合，以提供与在不存在所述生物刺激物的情况下用所述合成的肥料或除草剂/杀虫剂处理的等同植物或根际相比，植物健康、作物或种子产量、营养物摄取或效率、抗病性、土壤完整性、植物对胁迫(例如热、干旱、毒素)的响应、抗卷叶性等的改善。上述植物和土壤性状可以由专业技术人员使用适合于此类测量的大量本领域标准技术客观地测量。
“家禽窝料”是指在家禽饲养设施中在其上饲养家禽的材料床。所述窝料可以包含填充物/垫料材料例如锯末或木材刨花和碎屑、家禽粪便、溢出的食物和羽毛。
“粪便浆液”是指粪便与任何液体例如尿液和/或水的混合物。因此，在一种情况下，粪便浆液可以在动物粪便与尿液接触时或在粪便与来自于外部来源的水混合时形成。术语浆液不打算暗示任何特定的水分和/或固体含量。
术语“自热嗜热好氧生物反应”或“ATAB”在本文中用于描述对动物粪便浆液的实质性液体组分进行的目的在于产生本发明的液体营养组合物的生物反应。正如下文描述的，所述术语是指一个放热过程，其中使动物废料浆液的分离的液体组分在预定时间段内经受高温(至少部分内源地产生)。有机质被原始废料中存在的微生物消耗，并且所述在微生物活动期间释放的热量维持嗜热温度。
就此而言，“生物反应”是一种生物学反应，即涉及生物体或源自于此类生物体的生物化学活性物质的化学过程。“自热”意味着所述生物反应产生其自身的热量。在本公开中，尽管热量可以从外部来源供应，但所述过程本身也内部产热。“嗜热”是指所述反应有利于嗜热微生物的存活、生长和/或活性。正如本领域中已知的，嗜热微生物是“喜热的”，正如在本文中详细描述的，其生长范围在45℃至80℃之间，更特别是50℃至70℃之间。“好氧”意味着所述生物反应在好氧条件下，特别是有利于好氧微生物即偏好(兼性)或需要(专性)氧气的微生物的条件下进行。
“厌氧”意味着有利于厌氧微生物的条件，所述厌氧微生物是兼性厌氧菌、耐氧或被氧气的存在损伤的微生物。“厌氧”化合物是由微生物在厌氧呼吸(发酵)期间产生的化合物。
当在本文中使用时，术语“纯氧”是指含有至少约96％氧气，通常氧气在约96％至约98％范围内的气体。
当在本文中使用时，术语“富氧空气”是指含有至少约30％氧气的空气或气体。
术语“环境空气”或“大气氧气”在本文中有时可互换使用，并且是指地球上存在的处于自然状态下的空气。专业技术人员可以容易地理解“环境空气”或“大气氧气”意味着含有约21％氧气的空气。
当在本文中使用时，术语“内源”是指从内部，例如从起始原料即动物废料的内部或从制造方法的组分即分离的液体组分的内部或从制造方法的产物即本文中描述的营养组合物的内部产生的物质或过程。组合物可能含有内源和外源(即添加的)组分两者。就此而言，术语“内源地包含”是指对所述组合物来说内源的而不是已添加的组分。
术语“生物防控剂”和“生物杀虫剂”在本文中可互换使用，是指源自于天然材料例如动物、植物、细菌和某些矿物的杀虫剂。例如，菜籽油和小苏打具有杀虫应用，并且被认为是生物杀虫剂。“生物杀虫剂”包括生物化学杀虫剂、微生物杀虫剂和植物内置式保护剂(PIP)。“生物化学杀虫剂”是通过非毒性机制控制害虫的天然存在的物质。“微生物杀虫剂”是含有微生物(例如细菌、真菌、病毒或原生动物)作为活性成分的杀虫剂。例如，在某些实施方式中，苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)亚种和菌株被用作“微生物杀虫剂”。苏云金芽孢杆菌(B.thuringiensis)产生蛋白质混合物，其取决于所使用的具体亚种或菌株和所产生的具体蛋白而靶向某些物种的昆虫幼虫。“PIP”是植物从添加到所述植物的遗传物质产生的杀虫物质。例如，在某些实施方式中，将苏云金芽孢杆菌(B.thuringiensis)杀虫蛋白的基因引入到植物基因组中，其可以被所述植物表达以产生该蛋白。
当在本文中使用时，“生物刺激物”至少含有基于碳的植物食物源，并且还可以包括其他物质，所述其他物质在施用到植物或根际时，刺激所述植物中现有的天然生物和化学过程，以增强和/或有益于营养物摄取、营养物效率、对非生物胁迫(例如干旱、热和盐碱土)的耐受性和/或作物品质。包含一种或多种主要营养物(例如氮、磷和/或钾)和至少一种活的微生物的“生物刺激物”也是生物肥料。其他的“生物刺激物”可能包含植物生长调节剂、有机酸(例如腐植酸和黄腐酸)和氨基酸/酶。
当在本文中使用时，术语“生物肥料”是指含有一种或多种主要营养物(例如氮、磷和/或钾)和活的微生物的物质，所述微生物在施用到种子、植物表面或土壤时定殖于根际或植物结构，并通过提高主要营养物的宿主植物可及性来促进生长。“生物肥料”包括但不限于植物促生根际细菌(PGPR)、堆肥/堆肥茶和某些真菌(例如菌根)。已发现可以增强植物生长的细菌的实例包括嗜温细菌和嗜热细菌两者。已显示出增强植物生长的具体的嗜热细菌包括例如芽孢杆菌属(Bacillus)、脲芽孢杆菌属(Ureibacillus)、地芽孢杆菌属(Geobacillus)、短芽孢杆菌属(Brevibacillus)和类芽孢杆菌属(Paenibacillus)的成员，已知它们都在家禽粪便堆肥中普遍存在。据报道对植物生长有益的嗜温菌包括属于芽孢杆菌属(Bacillus)、沙雷氏菌属(Serratia)、固氮菌属(Azotobacter)、赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)的嗜温菌。
术语“嗜温菌”在本文中用于指称在中等温度，通常为约20℃至约45℃之间的温度下生长最好的生物体。
术语“有机肥料”通常是指来自于天然来源的土壤改良剂，其确保至少最低百分率的氮、磷和钾肥。实例包括植物和动物副产物、岩粉、海草、接种剂和调理剂。如果此类肥料满足用于有机项目例如NOP的标准，它们也可以被称为已被注册、批准或列出用于此类项目。
“植物促生根际细菌”和“PGPR”在本文中可互换使用，是指定殖于植物根部并增强植物生长的土壤细菌。
“植物生长调节剂”和“PGR”在本文中可互换使用，是指用于植物中的细胞间通讯的化学信使(即激素)。目前在本领域中存在五类公认的植物激素或PGR：植物生长素类，赤霉素类，细胞分裂素类，脱落酸和乙烯。
术语“有机农业”在本文中用于指称通过应用低环境影响的技术来维持土壤和植物健康的生产系统，所述技术不使用可能影响最终产品、环境或人类健康的化学或合成产品。
术语“常规农业”在本文中用于指称包括使用合成的肥料、杀虫剂、除草剂、遗传修饰等的生产系统。
术语“再生农业”在本文中用于指称一种提高生物多样性、肥沃土壤、改善流域和增强生态系统服务的种植原理和实践的体系。
当在本文中使用时，术语“根际”是指植物根部附近的土壤区域，其中的化学和微生物学受到植物的生长、呼吸和营养物交换的影响。
当在本文中使用时，“土壤调理剂”是添加到土壤以改善土壤的物理、化学或生物学品质，特别是它为植物提供营养的能力的物质。土壤调理剂可用于改善贫瘠土壤或重建已被不适当的管理损坏的土壤。这种改善可以包括提高土壤有机质、改善土壤营养物分布情况和/或提高土壤微生物多样性。
在整个本说明书中引用了各种不同的出版物包括专利、公布的申请和学术文章。这些出版物中的每一者整体通过参考并入本文。
方法：
所述制造方法包括下述步骤：(1)准备起始原料(动物废料，在本文中也被称为“进料材料”)；(2)将所述准备的进料材料分离成实质性固体和实质性液体组分；(3)干燥所述实质性固体组分，以产生本发明的固体营养组合物；(4)对所述实质性液体组分进行自热嗜热好氧生物反应(ATAB)；和(5)对所述生物反应液体产物进行一个或多个另外的加工步骤，包括过滤、巴氏消毒和通过添加其他组分的配制。描绘了应用于蛋鸡粪的制造方法的示例性实施方式的示意图示出在图1中并描述在实施例1中。如果粪便作为例如来自于肉鸡的家禽窝料供应，则在上面概述的方法开始之前除去所述垫料。
正如上文提到的，本文中公开的制造方法可以包括氧气供应或递送系统，用于向所述方法中的各个不同步骤引入纯氧或富氧空气，其具有至少约30％，例如至少约30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或99.9％的氧浓度。适合的氧气供应系统可以安装在混合罐、生物反应器等中。此类氧气供应系统可以被安装以代替供应大气氧气(或环境空气)的典型的喷嘴混合器和通气装置。通常，大气氧气是氧含量为约21％的空气或气体，所述氧含量显著低于在本发明的方法中提供的氧气供应。纯氧或富氧空气可以被引入到所述浆液制备步骤、ATAB步骤和/或制造后的液体肥料储存罐中。此外，如果需要的话，纯氧或富氧空气可以在分离之前的储存期间注入到所述浆液中。
正如本领域技术人员应当理解的，气体可以通过各种不同的递送装置递送或注入到液体中，例如吸气机、文丘里泵、喷布器、鼓泡器、碳酸化器、管线或管道、罐/缸等。在特定实施方式中，所述气体递送装置是喷布器。适合与本文中公开的氧气供应系统一起使用的喷布器可以由任何本领域标准的塑料(例如聚乙烯或聚丙烯)或金属(例如不锈钢、钛、镍等)多孔结构构成。可以迫使加压气体(例如氧气)通过所述喷布器中的孔眼网络并进入水性混合物例如浆液或液体级分中。适合用于本发明的孔眼级在约0.1微米至约5微米的范围内，例如约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0微米；优选地在约1至3微米之间。在特定实施方式中，所述喷布器的孔眼尺寸为约1.5微米至约2.5微米。例如，在一个实施方式中，所述氧气供应系统包括2微米烧结不锈钢喷布器。
在所述准备步骤中，首先调整所述进料材料的水分含量和pH。水分含量通过添加液体来调整，以形成水性浆液，其具有足够的液体性以便可以例如通过泵送从一个容器经软管或管路流动到另一个容器。在某些实施方式中，所述水性浆液具有至少约80％的水分含量。更具体来说，所述浆液具有至少约81％、或至少约82％、或至少约83％、或至少约84％、或至少约85％、或至少约86％、或至少约87％、或至少约88％、或至少约89％、或至少约90％、或至少约91％、或至少约92％、或至少约93％、或至少约94％、或至少约95％、或至少约96％、或至少约97％、或至少约98％、或至少约99％的水分含量，并且应该理解约99％的水分是上限。在特定实施方式中，所述浆液具有约80％至约95％之间、甚至更特别地约84％至约87％之间或约80％至约92％之间的水分含量。
在准备期间，通过添加pH调节剂将所述进料材料和/或浆液的pH调整到中性或酸性，应当理解所述pH可以在水分调节之前或之后调节。可选地，所述pH和水分调节可以同时发生。通常，所述浆液需要被酸化。在特定实施方式中，将所述进料/浆液调整到约4至约8之间、或更特别地约5至约8之间、或甚至更特别地约5.5至约7.5之间的pH。在优选实施方式中，所述浆液的pH为约6.0、或约6.1、或约6.2、或约6.3、或约6.4、或约6.5、或约6.6、或约6.7、或约6.8、或约6.9、或约7.0、或约7.1、或约7.2、或约7.3、或约7.4、或约7.5。在某些实施方式中，将所述浆液调整到低于约8、更优选地低于约7.5的pH。原本非酸性(即碱性)进料的酸化对于使粪便中的天然氨稳定以变成非挥发性化合物例如柠檬酸铵来说是重要的。
通常使用酸来调整所述浆液的pH。在某些实施方式中，所述酸是有机酸，尽管无机酸也可以使用或者与有机酸组合。适合的有机酸包括但不限于甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、草酸(乙二酸)、乳酸(2-羟基丙酸)、苹果酸(2-羟基丁二酸)、柠檬酸(2-羟基丙烷-1,2,3-三甲酸)和苯甲酸。优选地，所述酸是常用于调整食品或饲料的pH的酸。优选的酸是柠檬酸。
也可能希望减少或阻止在氧剥夺条件下在微生物发酵期间产生的厌氧化合物的生产。这些不想要的化合物之一是硫化氢，其可以由有机质例如粪便的厌氧微生物分解产生。硫化氢是有毒、腐蚀性和可燃的，具有臭鸡蛋的特征性臭味。在所述液体肥料产品生产期间实质性减少或消除所述有毒且产生臭味的硫化氢，是非常合乎需要的。产生臭味的硫化氢可以被气态氧氧化。为此目的，浆液准备也可以包括递送氧气以产生更加好氧的环境，从而既防止厌氧污染物形成也氧化厌氧污染物。
在浆液或液体组分中，硫化氢解离成方程1所示的其离子形式：
H2S→2H++S-2 方程1
然后所述硫离子游离，以按照方程2与氧气反应：
2H2S+O2→2H2O+2S 方程2
硫化氢氧化的反应比在1.0左右。例如，每ppm的硫化氢需要1mg/kg(ppm)的氧气。在某些实施方式中，所述浆液或液体组分中的残余溶解氧为至少约0.5ppm，例如0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0或更高的ppm。在优选实施方式中，所述浆液或液体组分中的残余溶解氧水平为至少约1ppm，更优选为至少约2ppm。然而，典型的浆液混合罐向所述系统供应大气氧气以降低由微生物的厌氧代谢形成的化合物的生产。大气氧气源可能提供不足以消除硫化氢污染物的氧气。因此，需要更高效的氧气递送系统。
因此，为了在浆液准备期间氧化混合罐中的硫化氢和其他污染物，所述准备步骤可以包括用于将纯氧或富氧空气注入到所述浆液中的氧气供应或递送系统，其与现有的递送大气氧气的通气装置相比提供了氧气递送的实质性提高。所述氧气供应或递送系统可以包括用于将氧气递送或注入到所述浆液中的任何适合的手段，例如一个或多个喷布器、文丘里泵、鼓泡器、碳酸化器、管道等。在特定实施方式中，所述氧气供应或递送系统包括多个喷布器。在某些实施方式中，氧气以约0.1CFM至约3CFM/10,000加仑原料，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3.0CFM的速率递送到所述准备步骤的混合罐和/或直接注入到所述浆液中。在优选实施方式中，所述递送速率在约0.25CFM至约1.5CFM/10,000加仑原料之间。例如，在一个特定实施方式中，氧气以约0.5CFM/10,000加仑原料的速率递送到所述准备步骤的混合罐和/或直接注入到所述浆液中。因此，本文中公开的氧气供应或递送系统提高残余溶解氧含量以满足上述的所需阈值。
所述浆液准备系统被设计成在pH为4至8、优选为5至8的水性介质中并在高温下制备均匀浆液。在这个阶段升高温度是出于几个目的，包括(1)促进所述浆液的混合和流动性，(2)杀死病原体和/或杂草种子，和/或(3)促进所述进料中存在的嗜热和/或嗜温细菌的生长。温度可以通过本领域中已知的任何手段升高，包括但不限于所述混合罐的传导加热、使用热水调整水分含量或注入蒸汽，这仅仅是举几个例子。在某些实施方式中，将所述浆液钾通道至少约60℃、或至少约61℃、或至少约62℃、或至少约63℃、或至少约64℃、或至少约65℃、或至少约66℃、或至少约67℃、或至少约68℃、或至少约69℃、或至少约70℃。通常，所述温度不超过约80℃，或更具体来说它低约75℃或低于约70℃。在某些实施方式中，所述浆液的温度被维持在约65℃至约75℃之间。
将所述pH调整过的水性浆液在高温下维持足够的时间，以将所述粪便分解成细小粒子，将所述浆液充分均化用于进一步加工，杀死病原体和杂草种子，和/或活化本源嗜热(和/或嗜温)细菌。在某些实施方式中，将所述浆液在所述高温下保持至少约1小时直至约4小时，例如约1、1.5、2、2.5、3、3.5或4小时。通常，在此期间对所述浆液进行斩拌、混合和/或均化。在某些实施方式中，如上所概述的准备步骤与所述方法的后续步骤分隔开，以降低下游过程步骤可能被原始粪便污染的可能性。
在示例性实施方式中，所述浆液系统由装备有斩拌机/均质机(例如粉碎机或斩拌机泵)、氧气供应系统、pH和温度控制和用于尾气的生物过滤系统的罐(例如钢罐或不锈钢罐)构成。
示例性的过程由下述步骤构成：在所述罐中装入水，将其加热到65℃或更高，用柠檬酸将pH降低到8或更低，优选为5-8的范围。将所述斩拌机泵、氧气供应系统(例如通过喷布器)和尾气生物过滤系统打开，然后引入所述进料以确保水分含量为例如85至90％。这是一种分批操作，并且在各种不同情况下可以花费1至4小时来制造均匀浆液。所述操作确保所述粪便的每个粒子经受65℃或更高的温度持续至少1小时的时间段，以杀死基本上所有的病原体和杂草。此外，纯氧或富氧空气的注入减少或消除了由厌氧发酵产生的有毒且产生臭味的污染物例如硫化氢。
在某些实施方式中，将如上所述准备的动物废料浆液通过泵送，例如使用螺杆泵从浆液罐转移。螺杆泵是用于移动可能含有外来物质例如石头、羽毛、木屑等的浆液的特别适合的装置。所述转移管线可以被导入到振动筛中，其中所述筛可以以竖直轴向模式或水平横向模式中的任一者振动。所选的振动筛将具有适合的筛孔，以确保较大的材料被排除在所述浆液料流之外。在一个实施方式中，所述筛排除在任何维度上大于约1/8英寸的材料。
在某些实施方式中，将所述浆液料流导入到储存罐中，所述储存罐可以装备有pH和温度控制和/或搅拌系统。在特定实施方式中，所述储存罐也可以装备有氧气供应系统。在此类实施方式中，通过以约0.1CFM至约3CFM/10,000加仑浆液，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3.0CFM/10,000加仑浆液的速率注入纯氧或富氧空气，将所述浆液保持在好氧条件下。优选地，所述纯氧或富氧空气以约0.25CFM至约1.5CFM/10,000加仑浆液、更优选地约0.5CFM/10,000加仑浆液的速率递送到所述浆液。在某些实施方式中，氧气通过多个喷布器例如上文描述的喷布器递送。通过将所述浆液保持在好氧条件下，避免了厌氧化合物的形成。任选地，使所述尾气经历生物过滤或其他处理手段。离开所述储存罐的浆液料流被送往分离系统(例如离心机或带式压滤机)，用于所述方法的下一步骤。
在所述分离步骤中，将来自于储存罐的浆液料流泵入到固-液分离系统中，所述系统可以包括但不限于机械筛分或澄清。这个步骤的目的是减少不适合于随后的ATAB的固体例如纤维素和半纤维素材料。值得注意的是，在这个步骤中所述进料中存在的磷和钙的实质性部分倾向于与所述固体分离开。适合的分离系统包括离心、分级蒸馏、过滤(例如通过压滤机)、振动式分离机、沉降(例如重力沉降)等。在某些实施方式中，可以使用两步分离系统，例如离心步骤和随后的振动筛分离步骤。
在非限制性示例性实施方式中，所述方法利用提供连续机械分离的倾析式离心机。倾析式离心机的运行原理是基于重力分离。倾析式离心机通过使用连续旋转产生在正常重力的1000至4000倍之间的重力来提高沉降速率。在经受这种力时，密度较大的固体粒子向外压在旋转的离心杯壁上，而密度较低的液体相形成同心的内层。使用不同的隔渣板根据需要改变所述液体的深度。由所述固体粒子形成的沉降物通过以与所述离心杯不同的速度旋转的螺旋输送机连续移除。结果，所述固体逐渐从池中“犁”出并向堆积成圆锥形“海滩”。离心力压实所述固体并排出多余的液体。然后所述压实的固体从离心杯中排出。所述一个或多个澄清的液体相在位于所述离心杯相反端处的隔渣板上溢流。所述离心机外壳内的挡板将所述分离的相引导到正确的流路中，并防止任何交叉污染的风险。所述螺旋输送机的速度可以使用变频驱动器(VFD)自动调节，以适应固体载荷的变化。在某些实施方式中，可以向所述分离步骤添加聚合物以提高分离效率并产生更干燥的固体产物。适合的聚合物包括聚丙烯酰胺，例如阴离子、阳离子、非离子和两性离子聚丙烯酰胺。
因此，所述分离过程导致形成所述准备的动物废料浆液的实质性固体组分和实质性液体组分。专业技术人员应当理解，术语“实质性固体”意味着其中具有一定量液体的固体。在特定实施方式中，所述实质性固体组分可能含有例如约40％至约64％的水分，通常为约48％至约58％之间的水分，并且在本文中有时被称为“固体”、“饼”或“湿饼”。同样地，应当理解术语“实质性液体”意味着其中具有一定量或数量固体的液体。在特定实施方式中，所述实质性液体组分可能具有约2％至约15％之间的固体(即约85％至约98％之间的水分)，通常为约4％至约7％之间的固体，并且在本文中有时被称为“液体”、“液体组分”或“离心分离液”(在分离利用离心的情况下使用后者)。大约30％的原始进料保留在所述实质性液体组分中，并且约70％保留在所述饼中。
将来自于所述分离步骤的固体干燥到适合于随后的材料操控和包装的水分含量。在某些实施方式中，将来自于所述分离步骤的固体在低于约220℃的温度下并以每小时约900kg至约2,700kg(湿重)固体的速率干燥约5至15分钟，例如5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15分钟。优选地，在每小时约1,500至约2,000kg固体的速率下所述最高干燥温度为200℃至约220℃。在其他实施方式中，所述固体在约80℃至约230℃之间，例如80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃或230℃的温度下干燥。适合的干燥设备对于专业技术人员来说是已知的，并包括例如流化床干燥机、真空干燥机、急骤干燥机和旋转干燥机。例如，在一个特定实施方式中，可以使用流化床干燥机来干燥从所述分离步骤获得的固体组分。在某些实施方式中，将所述固体组分干燥到低于约20％的水分。在特定实施方式中，将所述固体干燥到低于约19％、或低于约18％、或低于约17％、或低于约16％、或低于约15％、或低于约14％、或低于约13％、或低于约12％、或低于约11％、或低于约10％的水分。在优选实施方式中，将所述固体组分干燥到低于12％的水分。例如，可以对具有约30％至约55％的水分含量的固体组分进行所述干燥步骤约3-5分钟，以将水分含量降低到约10％。所述干燥的固体在本文中有时被称为“干燥饼”。所述干燥的固体可用作生物刺激物，以增强对提高植物生长、对胁迫的抗性、营养物摄取和效率等有贡献的微生物组。
在某些实施方式中，所述制造方法包括造粒步骤，由此将所述固体材料制成适合于在农业和园艺施用撒播机中使用的产品。在此类实施方式中，将来自于所述分离步骤的固体组分进料到组合笼式粉碎机/急骤干燥机中，并在约65℃至约220℃的范围内、优选地约200℃至约220℃之间的温度下干燥。将所述固体降低到小于约0.5mm例如约0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.15mm、0.1mm、0.05mm或更小的一致的细度以及小于或等于约25％水分的水分含量。优选地，将所述固体降低到小于约0.2mm的一致的细度和等于或小于约20％水分的水分含量。例如，在一个特定实施方式中，将所述固体进料到组合笼式粉碎机/急骤干燥机中，以产生具有小于约0.177mm(约80目)的细度的材料。然后将所述干燥的固体送往针式混合机并与适合的粘合剂(例如糖蜜)混合。在某些实施方式中，将所述固体/粘合剂混合物粒化到适合于农业施用播撒机的颗粒尺寸，其是约1mm至约6mm，例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或6mm。优选地，所述用于农业施用播撒机的颗粒尺寸为约2mm至约4mm(约5-10目)。在其他实施方式中，将所述固体/粘合剂混合物粒化到适合于园艺施用播撒机的颗粒尺寸(即绿地级)，其是约0.1mm至约2mm，例如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm。优选地，所述用于园艺施用播撒机的绿地级颗粒尺寸为约0.6mm至约1.6mm(约12-30目)。将所述颗粒送往另一个干燥机进行最后干燥，在那里将所述颗粒干燥到低于约15％的水分，例如15％、14％、13％、12％、11％、10％或更低的水分；优选地，在这个阶段所述颗粒具有等于或低于约12％水分的水分含量。然后将所述干燥的颗粒冷却并进行尺寸筛分。
在某些实施方式中，所述制造方法是闭环系统，其中来自于所述系统的包括干燥机在内的任何或所有阶段的尾气和水蒸气被捕获并冷凝成富含营养物的液体形式。这种液体可以被重新整合到下文描述的液体制造方法中，例如整合到所述进料浆液、生物反应器或离开所述生物反应器的基础产物中。
下一个步骤涉及对所述实质性液体组分进行自热嗜热好氧生物反应(ATAB)。ATAB是一种放热过程，其中使所述具有细小悬浮固体的分离的液体组分在预定时间段中经受高温。有机质被所述原始废料中存在的微生物消耗，并且在所述微生物活动期间释放的热量维持嗜温和/或嗜热温度，从而分别有利于嗜温和嗜热微生物的生产。自热嗜热好氧生物反应产生含有宏量和微量营养物和PGPR的生物学稳定的产物。
在某些实施方式中，所述高温条件是约45℃至约80℃之间。更具体来说，所述高温条件是至少约46℃、或47℃、或48℃、或49℃、或50℃、或51℃、或52℃、或53℃、或54℃、或55℃、或56℃、或57℃、或58℃、或59℃、或60℃、或61℃、或62℃、或63℃、或64℃、或65℃、或66℃、或67℃、或68℃、或69℃、或70℃、或71℃、或72℃、或73℃、或74℃、或75℃、或76℃、或77℃、或78℃、或79℃。在特定实施方式中，所述高温条件是约45℃至约75℃之间，更特别是约45℃至约70℃之间，更特别是约50℃至约70℃之间，更特别是约50℃至约65℃之间，最特别是约55℃至约60℃之间。
通常，所述ATAB的温度逐渐升高到嗜温期，然后升高到嗜热期。本领域普通技术人员应当理解，所述嗜温期处于嗜温菌生长最好的温度范围(例如约20℃至约45℃)下。当温度升高到高于20℃至约40℃时，所述液体组分进入嗜温期，从而富集嗜温菌。在某些实施方式中，所述嗜温期温度在约30℃至约40℃之间，例如约30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃或40℃。在其他实施方式中，所述嗜温期温度为约35℃至约38℃。在此类实施方式中，将所述液体组分在嗜温期温度下维持1小时至几天的时间段，例如至少约1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、11小时、12小时、13小时、14小时、15小时、16小时、17小时、18小时、19小时、20小时、21小时、22小时、23小时、1天、2天、3天、4天或5天。在优选实施方式中，将所述液体组分在嗜温期温度下维持约1至4天、更优选地约1至3天的时间段。例如，在一个特定实施方式中，将所述液体组分在嗜温期温度下维持约3天。当温度继续升高时，所述液体组分进入嗜热期，从而富集嗜热菌。本领域普通技术人员应当理解，所述嗜热期处于嗜热菌生长最好的温度范围(例如约40℃至约80℃)下。在某些实施方式中，所述嗜热期温度在约45℃至约80℃之间，例如约45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃、60℃、61℃、62℃、63℃、64℃、65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃、71℃、72℃、73℃、74℃、75℃、76℃、77℃、78℃、79℃或80℃。在其他实施方式中，所述嗜热期温度为约50℃至约70℃。
在某些实施方式中，将所述液体组分在所述高温下维持几小时到几天的时间段。通常使用1天至18天之间的范围。在某些实施方式中，所述条件可以维持1、2、3、4、5、6、7、8、9或更多天。仅仅出于指导的目的，将所述生物反应在高温下维持较长的时间段例如3天或更多天，以确保病原生物体的适合的减少，例如以满足在作物的食用部分上使用的指导方针。然而，由于所述生物反应的长度影响所述生物反应产物的生物学和生物化学物质的含量，因此可以选择其他的时间例如几小时至1天或2天。在特定实施方式中，在适合于嗜热细菌的高温下维持后，将所述液体组分的温度逐渐降低到嗜温温度范围内，此时将它维持在嗜温期温度下直至如下所述将所述液体组分快速巴氏消毒或运行通过热交换器以快速降低温度，在许多情况下，任一者均会引起所述细菌产生芽胞。
在好氧嗜热条件下运行的一个挑战是当在高温条件下运行的同时通过满足或超过氧需求量来保持所述过程足够好氧。这是挑战的一个原因在于随着过程温度升高，残余溶解氧的饱和值下降。另一个挑战在于在逐渐升高的温度之内，所述嗜热微生物的活性提高，导致所述微生物的耗氧量增加。由于这些因素，在各种不同情况下，应该将更大量的氧气提供到所述含有生物质的溶液中。
正如在其内容整体并入本文的WO 2017/112605A1中所述，由于高的氧传递效率、独立控制氧传递的能力、优越的混合和降低的尾气生产，现有的生物反应器使用通气装置例如喷射通气机将大气氧气递送到所述生物反应器。然而，本发明人发现，大气氧气在生物反应器内部引起过量发泡，妨碍氧供应效率并引起空气供应的频繁关停。在某些情况下，例如，发泡水平超过几英尺，例如1、2、3、4、5、6、7、8英尺或更高。所述不充分的空气供应和反应中断进而导致不想要的有机质的不完全分解。更有甚者，悬浮在所述实质性液体料流中的未分解的固体的增加被证明是难以移除的，并频繁导致液体肥料在田间施用期间堵塞喷洒设备，从而中止田间操作。此外，存在于最终液体肥料产品中的未分解的固体降低稳定性和保质期。
因此，为了克服这些障碍，在特定实施方式中将纯氧或富氧空气递送到所述生物反应器，并以约0.1CFM至约5CFM/1,000加仑液体组分的速率注入或以其他方式递送到所述实质性液体组分中，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0CFM/1,000加仑液体组分。在优选实施方式中，将所述纯氧或富氧空气递送到所述生物反应器，并以约0.5CFM至约1.5CFM/1,000加仑液体组分的速率注入或以其他方式递送到所述实质性液体组分中，更优选地，所述速率为约1.0CFM/1,000加仑液体组分。
在特定实施方式中，使用多个如上所述的喷布器将纯氧或富氧空气递送到所述生物反应器。例如，在ATAB期间可以使用一个或多个2微米烧结不锈钢喷布器将纯氧或富氧空气注入到所述实质性液体组分中。将所述实质性液体组分保持在好氧条件下将培养并富集好氧的嗜温和嗜热细菌。在特定实施方式中，所述液体组分中有机质的初始分解由嗜温生物体进行，它们快速分解可溶且可容易降解的化合物。所述嗜温生物体产生的热量导致ATAB期间的温度快速升高，从而富集嗜热生物体，它们加速蛋白质、脂肪和复杂碳水化合物(例如纤维素和半纤维素)的分解。当这些高能化合物的供应变得枯竭时，所述液体组分的温度逐渐降低，这再次促进嗜温生物体，引起所述液体组分中的剩余有机质的最终的“调制”或熟化期。因此，用纯氧或富氧供应代替大气氧气供应实质性降低了在ATAB期间在所述生物反应器中产生的泡沫的量。泡沫的减少进而允许更高效的空气供应，更一致的生物反应器操作和更稳固的好氧环境，从而造成未分解的有机质的实质性减少和更稳定且成本效益更高的终产物。
本文中描述的ATAB条件允许生长和富集用作PGPR的几种嗜热和嗜温微生物。可以从所述实质性液体组分分离的有益嗜热和嗜温微生物包括但不限于芽孢杆菌属菌种(Bacillus sp.)(例如伊斯隆恩西斯芽孢杆菌(B.isronensis)菌株B3W22,小木偶形芽孢杆菌(B.kokeshiiformis)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)菌株DSM 13、副地衣芽孢杆菌(B.paralicheniformis)、副地衣芽孢杆菌(B.paralicheniformis)菌株KJ-16)、棒状杆菌属菌种(Corynebacterium sp.)(例如有效棒状杆菌(C.efficiens)菌株YS-314)、海源菌属菌种(Idiomarina sp.)(例如印度洋海源菌(I.indica)菌株SW104)、大洋芽孢杆菌属菌种(Oceanobacillus sp.)(例如淤泥大洋芽孢杆菌(O.caeni)菌株S-11)、土壤芽孢杆菌属菌种(Solibacillus sp.)(例如耐银土壤芽孢杆菌(S.silvestris)菌株HR3-23)、芽孢八叠球菌属菌种(Sporosarcina sp.)(例如朝鲜芽孢八叠球菌(S.koreensis)菌株F73、浅黄色芽孢八叠球菌(S.luteola)菌株NBRC105378、纽约芽孢八叠球菌(S.newyorkensis)菌株6062、耐热芽孢八叠球菌(S.thermotolerans)菌株CCUG 53480)和脲芽孢杆菌属菌种(Ureibacillus sp.)(例如嗜热球形脲芽孢杆菌(U.thermosphaericus))。
在某些实施方式中，本文中公开的纯氧或富氧供应将ATAB期间所述生物反应器中的泡沫产生与在ATAB期间利用大气氧气供应的生物反应器相比降低至少约25％。在其他实施方式中，所述泡沫的产生被降低至少约50％。在更优选实施方式中，所述泡沫的产生被降低至少约75％或更多，例如约75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％或更多。在某些实施方式中，所述生物反应器中的泡沫水平低于约2英尺。在更优选实施方式中，所述生物反应器中的气泡水平低于约1英尺，例如12in.、11in.、10in.、9in.、8in.、7in.、6in.、5in.、4in.、3in.、2in.、1in.、0.5in.或更低。例如，在示例性实施方式中，所述泡沫水平为约6英寸。
在一种情况下，配置良好的氧气供应系统应该将溶解氧水平维持在约1mg/L至约8mg/L之间，例如约1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1.、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9.或8.0mg/L。在优选实施方式中，所述氧气供应系统应该将溶解氧水平维持在约2mg/L至约6mg/L之间，更优选地约3mg/L至约4mg/L之间。在某些实施方式中，所述生物反应的充氧根据氧化还原电位(ORP)来度量。通常，所述生物反应的ORP被维持在约-580mV至约+10mV之间。更特别地，它被维持在-250mV至-50mV之间的范围内。
为了监测所述ATAB的温度、pH和充氧参数，所述生物反应器可以装备有自动控制器以控制这些参数。在某些实施方式中，所述生物反应器装备有可编程逻辑控制器(PLC)，其通过调节通往所述生物反应器的氧气空气供应和pH调节器的进料速率，有效地控制pH、ORP和其他参数。事实上，氧气向本文中公开的任何方法步骤的递送可以以这种方式使用PLC来控制。
来自于所述浆液准备罐和浆液储存罐的尾气含有二氧化碳、空气、氨和水蒸气；而来自于所述生物反应器的尾气含有贫氧空气、二氧化碳和水蒸气。在某些实施方式中，这些尾气被导向生物过滤器。当应用于空气过滤和纯化时，生物过滤器利用微生物来除去不想要的元素。所述尾气流过填充床，并且污染物转移到所述填充材料表面上的薄生物膜中。包括细菌和真菌在内的微生物被固定化在所述生物膜中并降解所述污染物。
来自于所述生物反应器的产物料流被导入到接收容器中，并且可以在该阶段用作终产物或经历进一步加工。这种组合物在本文中有时被称为“基础组合物”或“基础产物”。在某些实施方式中，所述用于基础组合物的接收容器装备有搅拌系统，其将所述液体料流的胶体状组分维持在均匀悬液中。
所述初始加热步骤和在所述ATAB中应用的热和其他条件有效地实质性或完全消除了人类致病生物体以及杂草和种子，留下有益的好氧嗜热菌和嗜温菌。然而在某些实施方式中，对所述基础组合物进行第二次热处理，其目的是进一步降低微生物载量，使得可以根据需要用外源微生物增补所述组合物，例如在定制产品中。这个在本文中取决于处理的时间和温度被称为“巴氏消毒”或“快速巴氏消毒”的步骤包括将所述液体组合物加热到约65℃至约100℃之间的温度持续约5分钟至约60分钟之间的时间。在某些实施方式中，所述基础组合物被加热到至少70℃、或至少75℃、或至少80℃、或至少85℃、或至少90℃、或至少95℃。在某些实施方式中，所述基础组合物被加热至少10分钟、或至少15分钟、或至少20分钟、或至少25分钟、或至少30分钟、或至少35分钟、或至少40分钟、或至少45分钟、或至少50分钟、或至少55分钟，注意所述加热时间通常与加热温度成反比。在某些实施方式中，将所述组合物加热到约95℃持续约30至45分钟分钟。
所述液体组合物还可以经历一个或多个过滤步骤，以除去悬浮的固体。通过这种过滤过程留下的固体可以返回到所述制造方法系统，例如返回到好氧生物反应器。
过滤可以涉及各种不同的过滤尺寸。在某些实施方式中，所述过滤尺寸是100目(149微米)或更小。更特别地，所述过滤尺寸是120目(125微米)或更小、或140目(105微米)或更小、或170目(88微米)或更小、或200目(74微米)或更小、或230目(63微米)或更小、或270目(53微米)或更小、或325目(44微米)或更小、或400目(37微米)或更小。在特定实施方式中，所述过滤尺寸是170目(88微米)、或200目(74微米)、或230目(63微米)、或270目(53微米)。在某些实施方式中，可以使用过滤步骤的组合，例如170目然后是200目，或200目然后是270目过滤。
过滤通常使用振动筛例如不锈钢目筛、鼓筛、盘式离心机、压力过滤容器、带压机或其组合来进行。过滤通常在冷却到环境空气温度即低于约28℃-30℃的产物上进行。
所述基础产物也可以被进一步配制以产生用于特定目的的产品，其在本文中有时被称为“配方产品”、“配方组合物”等。在某些实施方式中，添加剂包括宏量营养物例如氮和钾。通过添加宏量营养物例如氮和钾配制的产品有时被称为“配制到等级”，正如本领域技术人员将会认识到的。在包含从鸡粪制备的液体营养组合物的示例性实施方式中，所述基础组合物被配制成含有约1.5％至约3％的氮和约1％的钾，以产生适合用于有机或常规农业产业的生物肥料产品。对于仅仅常规农业使用来说，示例性实施方式可以包括将基础组合物配制成含有约7％的氮、约22％的磷和约5％的锌，用作底肥以优化植物生长和发育。
在其他实施方式中，添加剂根据需要或期望包括一种或多种微量营养物。尽管所述基础组合物正如下文详细描述的已经含有广范围的微量营养物和其他有益物质，但用此类添加剂配制所述组合物有时是有益的。适合用于有机和常规农业两者的添加剂包括但不限于血粉、种子粉(例如大豆分离物)、骨粉、羽毛粉、腐殖质(腐植酸、黄腐酸、胡敏素)、微生物接种剂、糖类、微粉化的磷酸岩和硫酸镁，仅仅举出几个例子。对于仅仅常规农业来说，适合的添加剂还可以包括但不限于尿素、硝酸铵、UAN——尿素和硝酸铵、多磷酸铵、硫酸铵和微生物接种剂。适合添加到所述基础产物的其他材料对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
在某些实施方式中，所述添加到基础组合物的材料仅被批准用于常规农业。在其他实施方式中，所述添加到基础组合物的材料本身被批准用于有机农业项目例如USDANOP，并且因此可用于常规、有机或再生农业项目。在特定实施方式中，氮以硝酸钠、特别是被批准用于有机农业项目的智利硝酸钠的形式添加。在其他实施方式中，钾作为硫酸钾添加。在另外的其他实施方式中，钾作为氯化钾、硫酸镁钾和/或硝酸钾添加。
所述基础组合物可以在其离开生物反应器后并在其完成包装之前的任何时间调配。在一个实施方式中，所述产物在任何后续的加工步骤之前用宏量营养物调配。在这个实施方式中，将所述产物料流导入配方产品接收容器，在那里添加所述宏量营养物。如果需要，其他材料可以在此时添加。所述配方产品接收器可以装备有搅拌系统，以确保所述制剂维持适合的均匀性。
对于作用技术人员来说，显然上文描述的后续加工步骤即巴氏消毒、过滤和配制可以单个地或组合地并以任何顺序进行。因此，例如，一个实施方式包括配制到等级、巴氏消毒、两种水平的过滤和二次配制步骤。另一个实施方式不包括巴氏消毒和一种或两种水平的过滤。取决于最终组合物的所需性质，其他组合也是适合的。
在包装和/或储存之前，调整所述液体组合物的最终pH以增强稳定性，可能是有益的。因此，在某些实施方式中，可以使用如上所述的适合的pH调节剂将所述终产物调整到约4至约8之间、或约4.5至约8之间、或约5至约8之间、或约5.5至约7.5之间、或约6至约7.5之间、或约5.5至约7.0之间、或约6.5至约7.0之间的pH。在特定实施方式中，所述pH调节剂是有机酸例如柠檬酸。
在特定实施方式中，ATAB后的加工包括一个或多个下述步骤。对于有机农业来说，可以通过添加硝酸钠和硫酸钾将所述基础组合物配制到等级为1.5-0-3或3-0-3(N-P-K)。或者，对于常规农业来说，可以通过添加硫酸钾将所述基础组合物配制到等级为0-0-6-2S(N-P-K)。接下来用柠檬酸将所述组合物的pH调整到5.5，然后以每分钟约40加仑的速率冲洗通过振动筛。所述振动筛安装有200目不锈钢筛网。然后将所述过滤的产物泵过筒式过滤器。所述筒式过滤器的典型运行参数包括下述一者或多者：(1)最高40PSI的压差；(2)29.5℃(85℉)或更低的入口温度；和(3)最高40PSI的容器外壳压力。在某些实施方式中，对所述组合物进行一个过滤步骤。在其他实施方式中，在所述方法中包括超过一个过滤步骤。
在某些实施方式中，将所述液体组合物或配方产品导入储存罐，所述储存罐可以装备有pH和温度控制和/或搅拌系统。在特定实施方式中，所述储存罐也可以装备有氧气供应系统。在此类实施方式中，通过以约0.1CFM至约3CFM/10,000加仑液体，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3.0CFM/10,000加仑液体的速率注入纯氧或富氧空气，将所述ATAB后的液体产物保持在好氧条件下。优选地，所述纯氧或富氧空气以约0.25CFM至约1.5CFM/10,000加仑液体，更优选地约0.5CFM/10,000加仑液体的速率递送到所述ATAB后的液体产物。在某些实施方式中，氧气通过多个喷布器例如上文描述的喷布器来递送。通过将所述ATAB后的液体产物(即所述液体组合物或配方产品)保持在好氧条件下，避免了厌氧化合物的形成。
所述最终产品的包装可以包括将所述产品分发到容器中，所述材料可以从所述容器倾倒出来。在某些实施方式中，填充过的容器可以用膜盖(“通气盖”，例如来自于W.L.Gore,Elkton,MD)密封，以允许空气在所述容器的顶部空间中流通。这些膜可以是疏水的并具有足够小的孔眼，即使在容器完全倒置的情况下材料也不会泄漏。此外，所述孔眼可以适当小(例如0.2微米)，以消除容器内含物的微生物污染风险。
具体实施方式
为了更详细地描述本发明，提供了下面的实施例。它们旨在说明而不是限制本发明。
实施例1.从鸡粪生产肥料/营养组合物的方法
图1中描绘了本文中描述的用于从鸡粪生产液体和固体组合物的生产方法的实施方式。图1中描绘的生产方法产生无病原体产品，其保留了蛋鸡粪便中存在的大量和中量营养物以及微量营养物。此外，本文中描述的方法从所述产品中除去了潜在有问题的磷和硫化氢。
如图1中所示，所述方法始于10，此时将原始鸡粪在有盖活底拖车中从农场直接运输到所述地点。卡车在所述地点卸货到混合罐中，并与柠檬酸15和水混合以形成均匀浆液。柠檬酸结合原始粪便中的天然有机氨。
所述方法中的下一步涉及进料材料20的准备。在这个步骤中，将所述储存的浆液与足够的水25混合，以将所述浆液的水分水平提高到约84％至约87％水分的水分范围。所述混合罐安装有2微米烧结不锈钢喷布器用于递送纯氧。在混合期间，将纯氧22(>96％)以0.5CFM/10,000加仑浆液的速率注入到所述浆液中。然后将所述浆液用水蒸气30加热到65℃持续至少1小时以将粪便分解成细小粒子，并充分均化成浆液用于进一步加工。另外，所述步骤包括杀死原始粪便中存在的潜在地对人类和/或植物有害的任何病原体以及活化本源嗜温和嗜热细菌两者。在特定实施方式中，所述制造方法的这一部分与系统的其余部分分隔开，以降低加工过的肥料材料被原始粪便污染的风险。用于进料材料20准备的混合罐加工参数示出在表3中。
表3.混合罐加工参数
Figure BDA0002926613260000401
Figure BDA0002926613260000411
HZ，赫兹；HP，马力；CPS，厘泊；PSI，磅每平方英寸；CFM，立方英尺每分钟
然后将所述浆液送往离心机35，而来自于鸡饲料的碎片、牡蛎壳和其他砂砾被移除40。在优选实施方式中，离心机35是倾析离心机。适合用于分离固体和液体级分的离心机参数示出在表4中。离心机35将所述浆液分离成两个料流——液体料流和固体料流。将固体料流43干燥到约12％(或更低的)水分，并用于生产干燥肥料产品(“干燥配方”)。液体料流45被送往好氧生物反应器50。在另一个实施方式中，在两步分离方法中首先将所述浆液送往离心机35，然后送往振动式分离机(SWECO,Florence,KY,USA)。
表4.离心机参数
Figure BDA0002926613260000412
RPM，转每分钟
在液体料流45被进料到好氧生物反应器50后，培养本源微生物。在所述温育期间，将纯氧51(>96％)以1.0CFM/1,000加仑的速率注入到所述液体料流中。所述微生物将进料的有机组分代谢成初级和次级代谢副产物，包括但不限于植物生长因子、脂类和脂肪酸、酚类、羧酸/有机酸、核苷、胺、糖、多元醇和糖醇以及其他化合物。取决于老化程度，将所述液体进料在好氧生物反应器50中，在温和搅拌下(例如每小时发生6次完全翻转)保留最少1天到最多约8天，并且均匀的最低温度为55℃。纯氧代替大气或环境氧气的注入导致泡沫水平小于6英寸。所述好氧生物反应器过程参数提供在表5中。
表5.生物反应器过程参数
Figure BDA0002926613260000421
CFM，立方英尺每分钟；GPH，加仑每小时；PSI，磅每平方英寸；Hz，赫兹；ORP，氧化还原电位；PLC，可编程逻辑控制器
来自于好氧生物反应器50的液体产物以两种方式中的任一种来管理。第一种是标准产品过程，而第二种是特殊产品过程。两种产品都用补充的氮(例如硝酸钠、血粉或水解的油菜籽)和钾(例如硫酸钾)配制52(初次配制)，并直接过滤到储存罐中或包装70。对于标准产品过程62来说，将所述配方液体产物过滤63并转移到储存罐70中。所述配方标准产品储存在轻度好氧条件和约45℃(即产品进入嗜温状态时的温度)至约15-20℃(即室温)范围内的温度下。对于特殊产品来说，将配方液体产物快速巴氏消毒55，通过一个或两个过滤步骤过滤60，然后为特殊用途例如用定制微生物进一步配制(二次配制)65。然后将所述特殊产品转移到储存罐中或包装70。在储存70期间，将纯氧72(>96％)以0.5CFM/10,000加仑的速率注入到所述配方液体产物或二次配方中。
将液体产物用振动式不锈钢筛网过滤，然后用筒式过滤容器装置过滤，其运行参数包括27加仑每分钟(GPM)入口流速，84磅每平方英寸(PSI)，0压差和27℃。在此类实施方式中，所述筒式过滤器的额定值为100目，绝对额定值为99.9％。对于图1中描绘的特定实施方式来说，将所述配方液体产物(标准产品或巴氏消毒步骤55之后的特殊产品)在进行必要的改良的情况下完全均化，然后冷却到环境温度(即约15-20℃)。例如，所述改良包括硝酸钠和硫酸钾。用柠檬酸将所述均化产物的pH滴定到5.50，然后以约40加仑每分钟的速率冲过振动式不锈钢目筛。所述振动筛安装有200目不锈钢筛网。然后将所述过滤过的产物通过筒式过滤器泵向具有大约275加仑装载量的接收容器或6,500加仑储存罐。所述筒式容器的运行参数包括最高约40磅每平方英寸(PSI)的压差，最高约85℉(约29.5℃)的入口温度和最高约40PSI的容器外壳压力。用于巴氏消毒55和过滤63、60的参数概述在表6中。
表6.生物反应器后的下游加工
Figure BDA0002926613260000441
对于储存70来说，将储存容器维持在轻度好氧条件和约6.5至约7.0的pH。将所述储存罐的顶部空间用无菌空气吹扫并搅拌，以确保空气的充分混合。尽管所述产品在这些条件下无限期稳定，但所述储存也充当熟化阶段，其中嗜温细菌将配体和纤维素材料转变成对植物有用的化合物。在批量运输或包装70之前应用第三个过滤步骤。将瓶子用薄膜盖密封，以允许空气在所述容器的顶部空间中流通。所述膜是疏水性的，具有尺寸非常小(小于约2微米)的孔眼，使得即使在容器完全倒置的情况下材料也不会泄漏。所述孔眼的小尺寸也显著降低来自于环境的微生物污染的可能性。用于储存和过滤的某些情况的储存参数示出在表7中。
表7.储存参数
Figure BDA0002926613260000442
HP，马力；RPM，转每分钟；QC，质量控制
在某些实施方式中，包括质量控制措施以降低病原体重新出现的风险。例如，上述肥料生产方法是封闭系统，以防止被原始粪便意外污染。在这种情况下，质量控制包括三个主要质量保证步骤：1)将原始粪便存放在封闭罐中，远离所述制造方法的其余部分；2)将产品从配制/快速巴氏消毒步骤直接运输到储存，没有暴露；3)将批量包装(手提袋/罐)和瓶子放置在远离粪便存放的区域。
实施例2.ATAB期间的生物反应器动力学
在ATAB期间有机质分解的速率受到生物反应器中发泡增加的不利影响，所述发泡干扰氧气供应。在ATAB期间液体料流的氧气供应不足进而使可用氧气更少，并降低有机质分解的效率。氧化还原电位(ORP)可用于度量氧气递送的效率，氧气递送导致所述液体料流中化合物的氧化增加和ORP值的降低。因此，ORP可用于度量生物反应器中的有机质分解动力学。
为了比较纯氧相比于大气氧气的ATAB动力学，将利用纯氧递送的生物反应器与例如环境空气的生物反应器进行比较。在装备有2微米烧结不锈钢喷布器，以1.0CFM/1,000加仑的速率向液体料流注入纯氧的生物反应器中，进行了5次80-90小时的分开的ATAB(参见3A-3E)。为了进行比较，在装备有喷射通气装置，向液体料流供应环境空气的生物反应器中，进行了5次80-90小时的分开的ATAB(参见图2A-2E)。如图2A-E和3A-E中所示，与递送纯氧的生物反应器相比，在递送环境空气的生物反应器中随时间的平均反应速率明显更低。因此，与环境空气相比，使用纯氧的递送实现了有机质分解速率的提高。
在另一个试验中，对利用纯氧递送的生物反应器中的三次分开的运行与供应环境空气的生物反应器中的三次运行进行比较。对于这项研究来说，所有进料粪便来源于同一地点。首先，将所述进料材料用水均质化(即剧烈混合和浸泡)以将水分提高到约87％至88％之间的水平，并使用直接水蒸气注入将温度升高到至少65℃持续最少1小时。向得到的浆液添加柠檬酸以将pH降低到6.5。
在下一步中，将所述浆液在倾析式离心中分离。在每一批次中离心条件一致，并且产生可比的离心分离液。所述倾析式离心机以20-25GPM的输入速度运行，并产生水分含量在94％至96％之间、pH在6.5至6.7之间的离心分离液。
然后将所述离心分离液在好氧生物反应器中加工，使用每小时15-17x的翻转率，并将pH控制在6.9至7.0之间。在环境空气运行中，向生物反应器供应24至36CFM之间的环境空气。对于富氧运行来说，向生物反应器供应约3至6CFM之间的纯气态氧。对于所有6次运行来说，在生物反应器中使用约12,500至约13,000加仑液体之间的相近的液体体积。在生物反应器中的最少停留时间是55℃下72小时。
结果概述在图4中。与供应环境空气的运行相比，所有三次富氧运行达到了更高的生物反应器温度。
实施例3.ATAB期间生物反应器的泡沫产生
对在利用大气氧气递送的生物反应器中进行的ATAB期间产生的泡沫水平与在使用本文中所公开的纯氧或富氧递送系统的生物反应器中产生的泡沫水平进行比较。对两种不同的生物反应器氧递送系统执行了液体肥料生产方法。在过程A中，生产方法如实施例1中所述来进行。顺序使用两个生物反应器来促进所述ATAB。过程A中的每个生物反应器装备有2微米烧结不锈钢喷布器，其以1.0CFM/1,000加仑的速率将纯氧注入到液体料流中。在过程B中，每个所述生物反应器装备有喷射通气装置以向液体料流供应环境空气。如表8中所示，与环境空气递送相比，纯氧的递送显著降低了生物反应器中的泡沫水平。
表8.生物反应器泡沫水平
Figure BDA0002926613260000471
实施例4.ATAB期间液体料流中的嗜热菌和嗜温菌的鉴定
在ATAB期间液体料流中存在的嗜热菌和嗜温菌的身份，通过在峰值生长条件下取样生物反应器中的液体料流材料来确定。将所述样品用胰酶大豆培养基连续稀释，并将750uL的每个稀释样品分发到其上倾倒有20mL融化的胰酶大豆琼脂的无菌皮氏培养皿中。将所述皮氏培养皿各自在环境温度或55℃下温育18小时。从皮氏培养皿直接挑取菌落。对于每个菌落，按照本领域的标准技术提取16S rRNA并测序。通过在测序日期进行BLAST搜索来鉴定微生物。结果概述在表9中。
Figure BDA0002926613260000481
Figure BDA0002926613260000491
本发明不限于本文中描述和示例的实施方式。它可以在权利要求书的范围内进行改变和修改。

Claims (36)

1.一种从动物废料制造有机肥料产品的方法，所述方法包括：
（a）将所述动物废料的pH调整到5至8，以产生稳定的动物废料组合物；
（b）将所述动物废料组合物的水分含量调整到至少75重量%，以产生水性浆液；
（c）分离所述水性浆液的实质性固体组分和实质性液体组分；以及
（d）对所述实质性液体组分进行自热嗜热好氧生物反应，所述反应包括：（i）向所述实质性液体组分递送纯氧或富氧空气，以将所述实质性液体组分在适合于嗜热细菌生长的好氧条件下维持第一时间段；和（ii）将所述实质性液体组分在适合于嗜热细菌生长的温度下维持第二时间段；并且
其中所述纯氧或富氧空气含有至少30%的氧气，以及其中在整个所述方法中将所述稳定的动物废料组合物、所述水性浆液和所述实质性液体组分维持在5至8的pH。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
（e）对所述实质性固体组分进行干燥，以将所述实质性固体组分的水分含量调整到低于15%，以产生干燥的固体产品。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一时间段和所述第二时间段基本上同时发生。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其还包括对所述稳定的动物废料组合物、所述水性浆液、或所述稳定的动物废料组合物与所述水性浆液两者进行混合或斩拌。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括向所述水性浆液递送纯氧或富氧空气持续第三时间段，以降低所述水性浆液中的厌氧化合物浓度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述水性浆液包含至少1百万分率的残余溶解氧浓度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述残余溶解氧浓度为至少2百万分率。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述厌氧化合物包含硫化氢。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纯氧或富氧空气通过经一个或多个孔眼级在1微米至3微米范围内的喷布器注入被递送。
10. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纯氧或富氧空气以0.5 CFM/1,000加仑至1.5 CFM/1,000加仑的速率被注入到所述实质性液体组分中。
11. 根据权利要求5所述的方法，其中所述纯氧或富氧空气以0.25 CFM/10,000加仑至1.5 CFM/10,000加仑的速率被注入到所述水性浆液中。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤（b）包括将所述动物废料组合物的水分含量调整到80重量%至92重量%之间，以产生水性浆液。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述动物废料包含家禽粪便。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述家禽粪便是鸡粪。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述动物废料的pH通过添加酸来调整。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述分离步骤之前将所述水性浆液加热到50℃至80℃之间。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述自热嗜热好氧生物反应包括将所述实质性液体组分加热到至少45℃的温度持续所述第二时间段。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述自热嗜热好氧生物反应中的好氧条件包括2 mg/l至8 mg/l之间的溶解氧水平。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中在整个所述方法中将所述稳定的动物废料组合物、所述水性浆液和所述实质性液体组分维持在5.5至7之间的pH。
20.根据权利要求5所述的方法，其中所述第三时间段为至少15分钟。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第三时间段为至少1小时。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一时间段和所述第二时间段两者均为至少1天。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一时间段和所述第二时间段两者均为至少3天。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括：
在步骤（d）之前，对所述实质性液体组分进行初始自热好氧嗜温反应，所述反应包括（i）将纯氧或富氧空气递送到所述实质性液体组分，以将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的好氧条件下；和（ii）将所述实质性液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的温度下；并且
其中所述初始自热好氧嗜温反应维持至少1小时。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述初始自热好氧嗜温反应维持1至3天。
26.一种用于从动物废料制造营养组合物的方法，所述方法包括：
（a）将所述动物废料的pH调整到低于7.5，以产生稳定的动物废料组合物；
（b）将所述稳定的动物废料的水分含量调整到至少80重量%，以产生水性动物废料组合物；
（c）分离所述水性动物废料组合物的固体组分和液体组分；以及
（d）对所述分离的液体组分进行自热嗜热好氧生物反应（ATAB）持续第一预定时间，其中：
（i）所述分离的液体组分的ATAB在一个或多个包含纯氧或富氧空气递送系统的生物反应器中发生，其中所述纯氧或富氧空气含有至少30%的氧气；
（ii）所述递送系统将所述纯氧或富氧空气注入到所述分离的液体组分中，以将所述分离的液体组分维持在适合于嗜热细菌生长的好氧条件下；并且
（iii）将所述生物反应器中所述分离的液体组分的温度维持在45℃至75℃之间的温度下；并且
其中在整个所述方法中将所述稳定的动物废料组合物、所述水性动物废料组合物和所述分离的液体组分维持在低于7.5的pH。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述递送系统包含一个或多个孔眼级在1微米至3微米范围内的喷布器。
28. 根据权利要求26所述的方法，其中所述纯氧或富氧空气以0.5 CFM/1,000加仑至1.5 CFM/1,000加仑的速率被注入到所述分离的液体组分中。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一预定时间为至少1天。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一预定时间为至少3天。
31.根据权利要求26所述的方法，其还包括将纯氧或富氧空气递送到所述水性动物废料组合物持续第二预定时间段。
32. 根据权利要求31所述的方法，其中所述第二预定时间为至少15分钟，并且所述纯氧或富氧空气的递送以0.25 CFM/10,000加仑至1.5 CFM/10,000加仑的速率进行。
33.根据权利要求26所述的方法，其中将所述生物反应器中所述分离的液体组分的温度维持在至少60℃持续预定时间段。
34.根据权利要求26-33中的任一项所述的方法，其中所述生物反应器在所述第一预定时间段内包含低于1英尺的泡沫水平。
35. 根据权利要求26所述的方法，其还包括：
在步骤（d）之前，对所述液体组分进行初始自热好氧嗜温反应，所述反应包括：（i）将纯氧或富氧空气递送到所述液体组分，以将所述液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的好氧条件下；和（ii）将所述液体组分维持在适合于嗜温细菌生长的温度下；并且
其中所述初始自热好氧嗜温反应维持至少1小时。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述初始自热好氧嗜温反应维持1至3天。
CN201980051179.4A 2018-08-01 2019-07-30 植物和土壤用营养组合物的制造方法 Active CN112566884B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862713325P 2018-08-01 2018-08-01
US62/713,325 2018-08-01
PCT/US2019/044200 WO2020028403A1 (en) 2018-08-01 2019-07-30 Process for manufacturing nutritional compositions for plants and soils

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112566884A CN112566884A (zh) 2021-03-26
CN112566884B true CN112566884B (zh) 2022-12-06

Family

ID=67734800

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980051179.4A Active CN112566884B (zh) 2018-08-01 2019-07-30 植物和土壤用营养组合物的制造方法

Country Status (10)

Country Link
US (1) US12037297B2 (zh)
EP (1) EP3830060A1 (zh)
JP (1) JP2021533067A (zh)
CN (1) CN112566884B (zh)
AU (1) AU2019315926A1 (zh)
BR (1) BR112021001574A2 (zh)
CA (1) CA3107751A1 (zh)
IL (1) IL280381A (zh)
MX (1) MX2021001306A (zh)
WO (1) WO2020028403A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110172413A (zh) * 2019-03-21 2019-08-27 内蒙古和美科盛生物技术有限公司 一种用于制备液体生物肥的复合益生菌剂及其应用
CA3190129A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-24 Luc Roy Process for treating livestock waste to produce fertilizers
WO2022124110A1 (ja) * 2020-12-08 2022-06-16 一般社団法人夢源 液肥の製造方法
US20240400468A1 (en) 2021-07-28 2024-12-05 Envirokure, Incorporated Bionutritional Compositions for Plants and Soils
CN113897308B (zh) * 2021-09-16 2023-08-15 华中农业大学 类芽孢杆菌及其在鸡粪好氧堆肥方面的应用
WO2024263998A1 (en) * 2023-06-22 2024-12-26 Sensei Ag Holdings, Inc. Sprayable substances for photosynthesis enhancement

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1084762A (en) * 1976-04-26 1980-09-02 Thomas L. Coulthard Thermophilic aerobic digestion process for producing animal nutrients and other digested products
US4983298A (en) * 1989-02-21 1991-01-08 Leonhard Fuchs Process for the disinfection and aerobic stabilization of sewage sludge
JP2004187602A (ja) * 2002-12-12 2004-07-08 Kawai Hiryo Kk 培土原料の製造方法
CN101066798A (zh) * 2007-06-14 2007-11-07 南开大学 微污染原水富氧生物预处理除污染工艺
CN107175313A (zh) * 2017-05-24 2017-09-19 安徽工程大学 一种富氧消失模泡沫白模
CN207567125U (zh) * 2017-04-03 2018-07-03 柳汉世 家畜粪尿的液体肥料化设备系统

Family Cites Families (57)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3718451A (en) 1971-07-07 1973-02-27 H Baumann Method of making fertilizer from chicken manure
AT326157B (de) 1972-09-26 1975-11-25 Kratzer Beat Dr Pharm Verfahren zur herstellung eines matürlichen düngemittels und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
US3966450A (en) 1974-08-12 1976-06-29 Fmc Corporation Animal waste odor treatment
US3939280A (en) 1974-08-30 1976-02-17 General Environmental Systems Co., Inc. Process for treating animal waste
US4311511A (en) 1976-07-07 1982-01-19 Gernot Graefe Method for producing high-grade fertilizer
DE2723753A1 (de) 1977-05-26 1978-12-07 Degussa Verfahren zur desodorierung von guelle und zur entfernung von schadgasen
US4459149A (en) 1982-09-24 1984-07-10 Moran Edward F Process for treating humus materials
GB2199820B (en) * 1986-11-25 1990-10-10 Boc Group Plc Method of composting
JP2610176B2 (ja) 1988-09-27 1997-05-14 井上 敏 有機肥料製造装置
CA2025031A1 (en) 1989-11-06 1991-05-07 Elmo C. Robinson Method and apparatus for producing organic based fertilizer in continuous process
JP2585868B2 (ja) 1990-02-13 1997-02-26 俊雄 増田 有機中性液状肥料の製造方法
JP3173810B2 (ja) 1991-03-28 2001-06-04 井上 敏 有機肥料の製造方法
AU6553394A (en) 1993-04-06 1994-10-24 William E. Bandurski Method to produce a substitute for peat moss
US5730772A (en) 1996-12-13 1998-03-24 Creekwood Farms Incorporated High nitrogen dried poultry manure fertilizer
CA2221407A1 (en) * 1997-11-18 1999-05-18 Soprin Ads Aerobic bioreactor for treating aqueous wastes at high organic and solids loadings
GB9804954D0 (en) 1998-03-09 1998-05-06 Lammas Resources Limited Method of carrying out a bioreaction
US6364926B1 (en) 1999-04-30 2002-04-02 Precision Laboratories, Inc. Concentrated liquid adjuvant and fertilizer
NZ511288A (en) 1999-11-17 2003-05-30 H & H Eco Systems Inc Method for accelerated remediation & method of using an apparatus therefor
US20080274887A1 (en) 2000-03-22 2008-11-06 Livingston David W Solid moss control composition
US6264715B1 (en) 2000-05-22 2001-07-24 Salem Organic Soils, Inc. Method for making soil conditioner
US6764661B1 (en) 2000-06-27 2004-07-20 Avantec Technologies, Inc. Device for producing an aqueous chlorine dioxide solution
US6730224B2 (en) 2000-06-29 2004-05-04 Board Of Trustees Of Southern Illinois University Advanced aerobic thermophilic methods and systems for treating organic materials
EP1330154B1 (en) 2000-10-16 2008-01-23 Infarm A/S A method of reducing emission of ammonia from animal manure, a plant for performing the method and a use of such plant
US7263515B1 (en) 2001-06-18 2007-08-28 I2 Technologies Us, Inc. Content enhancement in an electronic marketplace
US6893479B2 (en) 2002-08-19 2005-05-17 Council Of Scientific & Industrial Research Integrated method for production of carrageenan and liquid fertilizer from fresh seaweeds
US20040065127A1 (en) 2002-10-07 2004-04-08 Connell Larry V. Method of dewatering and preparing organic waste material for conversion into fertilizers
KR100547281B1 (ko) 2002-10-21 2006-01-26 주식회사 타오 슬러리 형태 유기성 폐기물의 처리법과 장치
US20040265266A1 (en) 2003-04-25 2004-12-30 Michael Augustus Champ Use of magnesium hydroxide and calcium compounds with and without a carrier medium to treat animal waste: to reduce air emissions (including ammonia volatilization) from, retain nutrients from, and manage phosphorous solubility of decaying animal litter, manure, and animal excretions and waste in CAFOs and animal enclousures; to reduce farm nutrient runoff; to extract and bind waste nutrients for fertilizer use; and to reduce air emission of waste-based fertilizers and animal bedding
US20050039508A1 (en) 2003-05-27 2005-02-24 Burnham Jeffrey C. Organic recycling with metal addition
US20050193790A1 (en) 2004-01-08 2005-09-08 Hartman To B.H.S., Inc. Method for treating biological waste
US7662205B2 (en) 2005-03-09 2010-02-16 Vitag Corporation Processes to beneficiate heat-dried biosolid pellets
WO2007012322A1 (de) * 2005-07-29 2007-02-01 Schaell Paul Verfahren und anlage zur anaeroben behandlung von zellstoffhaltigen abfällen
US20070039362A1 (en) 2005-08-17 2007-02-22 Macura Dragan M Progressive digestion process for producing fertilizer
US20110303157A1 (en) 2005-10-28 2011-12-15 Laubenstein Joseph W Methods of Treating Waste from a Chicken House using Short Paper Fibers
WO2009055793A1 (en) 2007-10-25 2009-04-30 Landmark Structures I, Lp System and method for anaerobic digestion of biomasses
WO2009086307A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Core Intellectual Properties Holdings, Llc Methods and systems for biomass recycling and energy production
US8246711B2 (en) 2008-01-28 2012-08-21 John Marler Fertilizers and methods for using biotic science to feed soils
US20090193863A1 (en) 2008-02-05 2009-08-06 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Agriculture Process for Removing and Recovering Phosphorus from Animal Waste
US8673046B1 (en) 2008-02-05 2014-03-18 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Agriculture Process for removing and recovering phosphorus from animal waste
US20110079060A1 (en) 2008-04-15 2011-04-07 Rcra Clean Energy Solutions, Inc. Methods of reducing greenhouse emissions from animal manure
US20100303551A1 (en) 2009-05-28 2010-12-02 Yun-Feng Chang Decontamination of sediments through particle size reduction and stabilization treatment
WO2011060126A2 (en) 2009-11-13 2011-05-19 Erth Solutions, Inc. Low-carbon fertilizers and processes for producing the same
EA014222B1 (ru) * 2010-01-11 2010-10-29 Виктор Валентинович МОХОВ Биоорганический препарат для обработки растений (варианты)
CA2826025C (en) 2011-02-17 2019-05-21 Anaergia Inc. Organics and nutrient recovery from anaerobic digester residues
AU2012278906B2 (en) * 2011-07-01 2015-01-22 Anaeco Limited Method and apparatus for the introduction of fluids
US20130019645A1 (en) 2011-07-21 2013-01-24 BioStar Systems Organic liquid fertilizer and process of making
WO2013028776A1 (en) 2011-08-22 2013-02-28 Envirokure, Incorporated Method for treating animal waste
MY167600A (en) 2011-12-12 2018-09-20 Garry Robert Nunn Process, apparatus and system for treatment of animal effluent
WO2014107791A1 (en) 2013-01-14 2014-07-17 1867239 Ontario Corp. Method of aerobic treatment of poultry manure and apparatus for producing organic fertilizer
KR101536000B1 (ko) * 2013-08-28 2015-07-10 차상화 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치
US9688584B2 (en) 2014-02-17 2017-06-27 Envirokure, Incorporated Process for manufacturing liquid and solid organic fertilizer from animal waste
CA2874890A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-12 Laurel Zaseybida Bio-available mineral fertilizer and derivative applications, including product processes
KR101516280B1 (ko) * 2015-03-20 2015-05-06 노영수 휴대용 반려동물 인공호흡장치
EP3390324A1 (en) * 2015-12-20 2018-10-24 Envirokure Incorporated Fertilizer compositions for plants and soils
US10577248B2 (en) * 2016-05-24 2020-03-03 Harper Biotech LLC Methods and systems for large scale carbon dioxide utilization from Lake Kivu via a CO2 industrial utilization hub integrated with electric power production and optional cryo-energy storage
CN106986720A (zh) 2017-03-22 2017-07-28 湖南永清水务有限公司 利用处理畜禽养殖废水产生的废渣生产土壤改良剂的方法
CN108046856A (zh) * 2018-01-16 2018-05-18 北京东方好地科技有限公司 生产生物腐植酸肥料的装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1084762A (en) * 1976-04-26 1980-09-02 Thomas L. Coulthard Thermophilic aerobic digestion process for producing animal nutrients and other digested products
US4983298A (en) * 1989-02-21 1991-01-08 Leonhard Fuchs Process for the disinfection and aerobic stabilization of sewage sludge
JP2004187602A (ja) * 2002-12-12 2004-07-08 Kawai Hiryo Kk 培土原料の製造方法
CN101066798A (zh) * 2007-06-14 2007-11-07 南开大学 微污染原水富氧生物预处理除污染工艺
CN207567125U (zh) * 2017-04-03 2018-07-03 柳汉世 家畜粪尿的液体肥料化设备系统
CN107175313A (zh) * 2017-05-24 2017-09-19 安徽工程大学 一种富氧消失模泡沫白模

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
机械化养猪场粪便的收集和处理(下);安国邦;《粮油加工与食品机械》;19800925(第11期);第4-11页 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3830060A1 (en) 2021-06-09
US20210331987A1 (en) 2021-10-28
US12037297B2 (en) 2024-07-16
MX2021001306A (es) 2021-06-23
BR112021001574A2 (pt) 2021-04-20
WO2020028403A1 (en) 2020-02-06
CN112566884A (zh) 2021-03-26
JP2021533067A (ja) 2021-12-02
IL280381A (en) 2021-03-01
CA3107751A1 (en) 2020-02-06
AU2019315926A1 (en) 2021-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112566884B (zh) 植物和土壤用营养组合物的制造方法
US10618851B2 (en) Process for manufacturing liquid and solid organic fertilizer from animal manure
US11866329B2 (en) Biochars, biochar extracts and biochar extracts having soluble signaling compounds and method for capturing material extracted from biochar
Larney et al. The role of composting in recycling manure nutrients
US11426350B1 (en) Reducing the environmental impact of farming using biochar
Saeid et al. Fertlizers: need for new strategies
US20140051574A1 (en) Biofertilizers and bioherbicides
US20240400468A1 (en) Bionutritional Compositions for Plants and Soils
US11097241B2 (en) Biochars, biochar extracts and biochar extracts having soluble signaling compounds and method for capturing material extracted from biochar
Kostic et al. Animal manure and environment
CN115066409A (zh) 用于植物和土壤的生物营养组合物的高效制造方法
KR100897832B1 (ko) 가축 분뇨 처리 방법
Elnasikh et al. Potentiality of organic manures in supporting sustainable agriculture in Sudan
Shakywal et al. Role of Organic Manure for Improving Soil Health
Yuan et al. Vermicomposting Food and Organic Wastes
KR20130066802A (ko) 음폐수 활용을 통한 가축분뇨의 ｐｈ조절 및 액비화 방법
Vladeva et al. Composting of substrates under controlled conditions
CN111574310A (zh) 有机肥组成物制造方法
WO2012118365A1 (en) A method of producing a bacterial inoculum using the rumen of a ruminant animal
Depaz Composting–Waste Alternatives
HUP0700748A2 (en) Process for treattlent of agricultural liquid ,anure
KR20130066801A (ko) 1차 호기처리 공정을 통한 가축분뇨 액비화 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant