利用动物废毛制造可用做有机肥的产物的方法
阅读说明：本技术 利用动物废毛制造可用做有机肥的产物的方法 (Method for producing product capable of being used as organic fertilizer by using animal waste hair ) 是由 张郁欣 蓝伟伦 陈昌成 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用动物废毛制造可用做有机肥的产物的方法,主要是收集由动物毛或禽类羽毛集成的原料,利用pH值9以上的碱液溶解形成溶解液,再以弱酸性的酸液缓入中和,过滤筛除未溶物即可得用做有机肥的第一产物；再通过离心沉降、除水等过程,能进一步取得可用做有机肥的其他种类产物,能依需求有效地使用,不仅帮助于提升动物原料的附加经济价值,更能促进植物生长、抗日照、改善土壤等功效。(The invention discloses a method for preparing a product capable of being used as an organic fertilizer by utilizing waste animal hair, which is mainly characterized by collecting raw materials integrated by animal hair or poultry feather, dissolving the raw materials by utilizing alkali liquor with the pH value of more than 9 to form a dissolved solution, slowly neutralizing the dissolved solution by utilizing weak acidic acid liquor, filtering and screening undissolved substances to obtain a first product capable of being used as the organic fertilizer; and through the processes of centrifugal sedimentation, water removal and the like, other products which can be used as organic fertilizers can be further obtained and can be effectively used according to requirements, so that the method not only helps to improve the additional economic value of animal raw materials, but also has the effects of promoting plant growth, resisting sunlight, improving soil and the like.)
技术领域
本发明涉及农作营养物的制备及动物废弃原料的再利用，特别是一种能将含角蛋白的工业废弃动物原料制备成可用做有机质肥料、营养剂或防晒剂等的产物及方法，以助于节省工业废弃物空间、成本，以及促进植物生长与改善土壤。
背景技术
近百年来，人类致力追求进步和繁荣，无节制地利用大自然，诸如土地过度开发、各种生态环境的污染、水资源匮乏等，甚至于在集约农业中，大量使用化学肥料，造成土壤盐害、酸化，使人类生存环境恶化，农业生产也随的产生问题，已引起全球性的殷忧；因此近年来，改善农业环境和永续经济的推广，是各国政府施政的重点和目标。
然而，市面上往往少见性能好且价格低的有机肥料，适合土壤微生物生长、能增加土壤沃度的有机肥料的价格往往高于化学肥料，而难以广泛的利用。至于使用牲畜粪便堆肥，不同堆肥的氮、磷、钾养分含量比例难以预测，一般直接施用下，作物生长会因养分不均造成生长不良，且大多农作物种植者不会养殖大量牲畜，难以自产堆肥使用。
此外，在气候暖化，气候型态多变的农产地，作物容易受阳光的高温及高日射量造成日烧灼伤，形成能让植物病原菌入侵的孔洞、伤口，将大大影响产量和质量；目前农业上多是使用碳酸钙类资材混和树酯，将混合剂喷于作物表面，作为防治烈日灼烧的抗UV保护剂，但此方法在果实收获后至贩卖前，尚需以干刷方式进行果实表面粉层的清理，倘若粉层覆盖较厚，为清理粉层尚需增加毛刷数或干刷次数，将促使果实表面因机械伤害而发酵影响保质，亦影响商品价值。
因此，提高有机肥料质量及降低制备成本，一直是相关领域业者研究的重点；已知如有中国专利公告第100384790号提出的尿素缓释肥及其制备方法，虽其揭示有利用动物角蛋白制备肥料的特点，但依其制备过程不乏有不足之处，例如水洗至中性的过程，同时也造成大量水溶性氨基酸流失，即大量浪费了可供植物利用的养分，而最后生成的角蛋白粉，难以短时间被土壤中微生物降解，还必须施加化肥"尿素"来加速分解，造成应用上的不便。
有鉴于此，本发明人致力研究动物废弃原料的有效再利用，增益附加价值，经不断实验与研究，终完成有本发明。
发明内容
本发明主要目的在于能将含角蛋白的工业废弃动物原料再利用，节省工业废弃物空间、改善环境，且藉由再利用低成本制备成可用做有机肥的产物，所得产物于有机肥的利用，可包含直接利用或是再配制利用的方式，作为有机肥料、营养剂或防晒剂等能促进植物生长、改善土壤或抗光害等功效的应用。
本发明主要是利用工业废弃的动物毛发或禽类羽毛，经水解处理后，除可做为富含氨基酸的营养源供植物直接利用，利用带芳香族的氨基酸有助于吸光，能吸收过滤对生物有害的紫外线(UVB、UVC)。
本发明利用动物废毛制造可用做有机肥的产物的方法，主要实行的步骤如下：
(a)收集由动物毛或禽类羽毛集成的原料；动物毛诸如毛发、羊毛、猪毛、牛毛等，禽类羽毛诸如鸡、鸭、鹅、水鸟等的羽毛或绒毛，实务上以选用家禽羽毛为优，经清水冲洗血水、脱水、烘干、消毒等预处理过程后，即可利用此些含角蛋白组成蛋白质的废毛作为原料，制备成具经济价值的有机肥。
(b)将上述原料进行水解，是将其置入pH值9以上的碱液中，利用碱反应破坏动物纤维的蛋白质结构，打断离子键和破坏双硫键，使蛋白质水解成多肽；其中，碱液可使用氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，但以氢氧化钾为佳，得到肥料三要素中的钾成分；水解反应的溶解度随加热温度升高，但温度需控制于85℃以下，以避免蛋白质热变性；水解反应时，因羽毛密度低，不易为碱液浸覆，故配合持续搅拌0.5～4小时，使90％以上的原料溶解，形成溶解液。
(c)将弱酸性的酸液缓入搅拌的上述溶解液中，使该溶解液的酸碱性中和至适用于农作物的pH值5.0～9.0；其中，酸液可选用磷酸、甲酸、乙酸、硫酸或盐酸，但以磷酸为佳，除能获得磷酸中有机成分外，还能得到磷酸盐，为肥料三要素之一；中和处理时，是将调制成弱酸的酸液逐滴的缓入持续搅拌的溶解液中，搅拌的转速以100～300rpm为佳，避免蛋白质因剧烈酸碱反应造成不可逆的变性，产生凝固物。
(d)以20～50目的筛孔(孔径大小相当是介于0.3～0.85mm之间)筛除中和后溶解液中的未溶解物(未溶解的羽毛、其他固态杂质等)，收集滤液即得到羽毛角蛋白溶液，是本发明可用做有机肥的第一产物，其分子量分布较广，适用性亦广，诸如可用做有机肥料、营养剂或防晒剂等产品，但较佳是可直接用做施肥的肥料或营养剂，是为角蛋白氨基酸速效肥。
依上述步骤所得的第一产物，于本发明还可进一步将其进行离心沉降处理，分别收集沉降后的上清液与沉淀物；其中，所收集的上清液为角蛋白肽溶液，是本发明可用做有机肥的第二产物，其亲水性佳且分子量小，为多肽，相较于分子量较广的第一产物，第二产物除具有相同的功用外，更具优秀的抗日照能力，因此适于作为奈米营养剂与防晒剂，喷洒于作物上，不仅能供作物吸收生长，更能形成透明具抗UV性预防烈日照射的膜层，不会阻碍植物行光合作用和呼吸作用，且不影响开花授粉；而所收集的沉淀物为角蛋白沉淀物，是本发明可用做有机肥的第三产物，由于其较疏水性且分子量大，因此主要的功用是可施用于土壤做长效肥。
依上述步骤所得的第一产物或第二产物，于本发明还可进一步将其进行除水处理，藉由浓缩与干燥的过程，形成不同的保存方式；于此程序中，主要是将液态的第一产物或第二产物经过浓缩处理及干燥处理，减少水分体积形成粉末化，浓缩处理主要可采用旋转减压浓缩的方式，而干燥处理则可采用喷雾干燥或冷冻干燥的方式，除去该第一产物或第二产物中的水分形成粉末，收集粉末即得到固态角蛋白粉，是本发明可用做有机肥的第四产物，由于第四产物具良好的水回溶性，适用性广，可回溶直接利用，或是与其他肥料作配比使用，配制成有机肥料、营养剂、防晒剂等能满足各种需求的产品。
于上述步骤中，所选用的原料与碱液的重量比以1：5～1:20为佳；而该碱液是可采用固态碱调制而成，以浓度2～10％(水中固态碱含量)的氢氧化钾溶液为优选；而水解反应的温度，以60～80℃较佳，溶解率可高达98％。
经实际分析，本发明所得可用做有机肥或农作物防晒剂的富含角蛋白的各产物能包含有机质15～20％、全氮2～4％、全磷酐0.8～2.8％、全氧化钾1～5％等有助于农作生长、改善土壤的成分；而以第二产物角蛋白肽溶液为例，经UV-Vis光谱仪检测，其所形成透明膜层的吸亮度，检测吸收值(Abs)，测得于UV紫外线波长320nmu以下的吸收值为4，于UV紫外线波长340nm～320nm的吸收值为1-4；另外，第一产物角蛋白溶液是第二产物及第三产物的混合物，同样具有稍弱于第二产物的吸光效果，而第四产物是为第一产物或第二产物的干燥物(粉末)，回溶后同样具有等同于第一产物或第二产物的吸光效果。
为使本发明的上述目的、功效及特征可获致更具体的了解，兹以较佳实施例并配合流程图说明如下：
附图说明
图1为本发明制备流程的方块示意图。
符号说明：
S01～S06 步骤
A1 第一产物
A2 第二产物
A3 第三产物
A4 第四产物
B 滤除物
具体实施方式
于本发明中，为了有效利用工业废弃动物原料提升附加价值，高效量产与低成本是基本诉求的特点，使用的设备能满足整体流程所需，其反应槽、离心、过滤机能结合于一体，每批次可投入200公斤以上的羽毛材料，通过药剂与温度控制以虽短反应时间，无须用多数设备来响应制程，机构简单且清洁维护方便，搭配自动化控制系统，更可减少人事成本。主要设备是有一反应槽，其中设有可相对转动的内槽，且该内槽上开设有复数筛孔(尺寸约20～50目，孔径约0.3～0.85mm)，另配设有提供加热升温的温控系统及驱动内槽转动的驱动系统。
本发明方法于作业时，如图1所示，是先进行步骤S01，备料及预处理的相关作业。其中，备料选用的原料，是可由动物毛或禽类毛的集合，又以屠宰后的家禽羽毛为优，如鸭羽毛、鹅羽毛、鸡羽毛，其中含有充足的动物纤维，能成为具经济价值的有机肥；从屠宰场或农场等场所收集废弃的原料(动物废毛)后，经清水冲洗血水、脱水、烘干、消毒等预处理的步骤，即为带少许皮角质、粪便、土砂的原料。
随后，进行步骤S02的碱处理，是先于反应槽中配制相应的碱液，原料相对于碱液的重量比例为5～20％，调制碱液所用的碱需为水溶性的，浓度可控于2～10％(水中固态碱的含量)，通常使用氢氧化钠或氢氧化钾，但优选为氢氧化钾，能藉此使制成产物含有钾成分；配制的碱液的pH值须大于8，但较佳是预设于9以上(一般情况下动物纤维在pH值8的碱性溶液中即会损伤，pH值12的碱溶液会强烈的破坏纤维结构)，以打断离子键和破坏双硫键，使蛋白质水解成多肽。
于碱液配制完成后，将适当比例的原料投入碱液中(投入内槽)，加热至一反应温度并驱动内槽旋转形成持续搅拌，让原料能充分浸泡于碱液中进行水解反应，维持0.5～4小时，让90％以上的原料溶解，形成溶解液；其中，溶解度随反应温度提高，溶解时间也随之缩短，但反应温度需控制于85℃以下，以避免蛋白质热变性，最佳温度可控于60℃～80℃，解率最高可达98％，使原料的溶解更为彻底。
以羽毛类的原料来说，由于羽毛表面覆含固醇(sterol)和三磷酸脂(triphosphate ester)，故羽毛具有拨水性，且羽毛密度低、体积大、中间的羽梗硬，不容易浸泡于液面下，因此在进行水解时，可采一次式投入或连续式投入的方式进行；一次式投入是将定量的原料及碱液，依序投入反应槽，经30分钟蒸煮破坏外层角质软化后，搅拌使将羽毛压低于碱液液面，恒温浸泡0.5～4小时；连续式投入则是将羽毛分成少量多次的连续投入恒温的碱液中，并持续搅拌，直至羽毛浸泡于碱液中溶解。
于原料溶解一定时间后(溶解90％以上)，进行步骤S03中和处理，是将弱酸性的酸液缓慢地加入持续搅拌的溶解液中，使溶解液中和至pH值5.0～9.0；于此中和步骤S03，主要是利用酸将溶解液中和至适用于植物的酸碱范围，pH值5.0以上、9.0以下，可使用常见的酸，如甲酸、乙酸、硫酸、盐酸、磷酸，但优选为磷酸，利用磷酸除能获得有机成分外，还存在磷酸盐，为肥料三要素之一。于实际操作时，是将酸液调成弱酸，以弱酸逐滴的加入搅拌的溶解液中，以降低pH值，搅拌的转速以100～300rpm为佳，避免蛋白质因剧烈的强酸强碱中和造成不可逆的变性，产生凝固物。
于中和完成后，进行步骤S04过滤处理，利用反应槽中内槽开设的筛孔(20～50目)，筛除中和后溶解液中的未溶解物(诸如前述未溶解的原料、凝固物等固态杂质等)；于筛除前述的滤除物B后，所得的过滤液即羽毛角蛋白溶液，是本发明可用做有机肥的第一产物A1，其分子量分布较广，适用性也较为广泛，诸如可直接或再制利用于有机肥料、营养剂或防晒剂等产品，实务上可直接做肥料使用，为角蛋白氨基酸速效肥。
上述所得的该第一产物A1，除可做为速效肥直接利用，于本发明中可进一步处理得到更多可用做有机肥的产物；如图所示，是进行步骤S05，将所得的第一产物进行离心沉降处理分别收集沉降后的上清液与沉淀物，所收集的上清液为角蛋白肽溶液，是本发明可用做有机肥的第二产物A2，亲水性佳且分子量小，为多肽，具有更优秀的抗日晒效果，实务上适于作为奈米营养剂与防晒剂，喷洒于作物上，形成透明的膜层，具抗UV性预防烈日照射，不仅能提供作物营养，且不会阻碍植物行光合作用和呼吸作用、不影响开花授粉；而所收集的沉淀物为角蛋白沉淀物，是本发明可用做有机肥的第三产物A3，较疏水性且分子量大，实务上多是施用于土壤做长效肥。
另外，前述所得的该第一产物A1及该第二产物A2，于本发明亦可进一步除水处理得到其他可用做有机肥的产物，以不同的形态提供产物的保存；如图所示，是进行步骤S06，将液态的第一产物或第二产物经过浓缩处理及干燥处理等除水处理的过程，减少水分体积形成粉末化，浓缩处理主要可采用旋转减压浓缩的方式，而干燥处理则可采用喷雾干燥或冷冻干燥的方式，除去该第一产物或第二产物中的水分形成粉末，收集粉末即得到固态角蛋白粉，是本发明可用做有机肥的第四产物A4，其具良好的水回溶性，便于保存或是与其他肥料作配比使用，实务上可回溶直接利用，或是经配制成适用于特定需求的农作有机肥产品。
以下，例举几个本发明较佳的实施例：
实施例一：
步骤S01，备料及预处理，从养鸭农场和经当地法规程序，进行脱毛、清洗、干燥、消毒后，所收集的羽毛为原料。
步骤S02，进行碱处理过程，在反应槽中加入1公升的5.6％(1mol/L)氢氧化钾溶液，连续注入鸭羽毛原料200克，加入羽毛原料的同时经由搅拌使羽毛表面被氢氧化钾溶液润湿；加热溶液并恒温80℃，持续搅拌约2小时，使90％以上羽毛溶解，形成溶解液。
步骤S03，进行中和处理，配置0.1M磷酸溶液，逐滴的加入步骤S02所得的搅拌的溶解液中，中和碱性溶液至pH 8。
步骤S04，进行过滤处理，以30目筛孔的筛网抽气过滤溶解液，滤除大于筛孔的滤除物B(未溶物原料、固体杂质等)，所得的溶解液即为第一产物A1(角蛋白溶解液)，可做为角蛋白氨基酸速效肥。
步骤S05，进行离心沉降处理，将第一产物A1以常规的方法离心，可得上清液和沉淀物，上清液为第二产物A2(角蛋白肽溶液)，可做为速效肥，沉淀物为第三产物A3(角蛋白)，可做为长效肥。
步骤S06，进行除水处理；先使用旋转减压浓缩机，水浴温度为80℃，使溶剂(第一产物A1或第二产物A2)水的体积减少50％；再以一般的冻干机进行干燥，冷凝温度为-40℃～-50℃，真空值为5～6mTorr，棚板温度为10℃～20℃，所得的粉末为第四产物A4(角蛋白粉)，具水溶性，遇水可回溶分散，可做为角蛋白固态肥，亦可混入其他植物生长调节剂或肥料搭配使用。
实施例二：
步骤S01，备料及预处理，从养鸡农场和经当地法规程序，进行脱毛、清洗、干燥、消毒后，所收集的羽毛为原料。
步骤S02，进行碱处理过程，在反应槽中置入鸡羽毛原料200克，然后再加入2公升的8.4％氢氧化钾溶液。加入氢氧化钾溶液的同时经由搅拌使羽毛表面被氢氧化钾溶液润湿；加热溶液并恒温80℃，持续搅拌约0.5小时，使90％以上羽毛溶解，形成溶解液。
步骤S03，进行中和处理，配置0.1M磷酸溶液，逐滴的加入步骤S02所得的搅拌的溶解液中，中和碱性溶液至pH 7。
步骤S04，进行过滤处理，以30目筛孔的筛网抽气过滤溶解液，滤除大于筛孔的滤除物B(未溶物原料、固体杂质等)，所得的溶解液即为第一产物A1(角蛋白溶解液)，可做为角蛋白氨基酸速效肥。
步骤S05，进行离心沉降处理，将第一产物A1以常规的方法离心，可得上清液和沉淀物，上清液为第二产物A2(角蛋白肽溶液)，可做为速效肥，沉淀物为第三产物A3(角蛋白)，可做为长效肥。
步骤S06，进行除水处理；先使用旋转减压浓缩机，水浴温度为80℃，使溶剂(第一产物A1或第二产物A2)水的体积减少50％；再以一般的冻干机进行干燥，冷凝温度为-40℃～-50℃，真空值为5～6mTorr，棚板温度为10℃～20℃，所得的粉末为第四产物A4(角蛋白粉)，具水溶性，遇水可回溶分散，可做为角蛋白固态肥，亦可混入其他植物生长调节剂或肥料搭配使用。
依本发明上述的操作过程，可从工业废弃动物原料中获得多种富含角蛋白等有机物质的产物，以利于直接利用做为有机肥，或是混入其他调节剂或肥料使用，让利用废料低成本制备的产物能再利用至农作植物，促进植物生长和改善土壤，极大程度能提高废弃动物原料的附加价值，是助于提升产业经济效益的发明，爰依法的提出申请。
以上所述的实施内容，仅为本发明的较佳实施例说明，举凡依本发明技术手段所作的延伸、修饰、简单改变或等效置换者，亦皆应落入本发明的专利申请范围。
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