吳德勝,劉廷發(fā),譚榮英,李鵬(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)
基于棉稈的全混日糧制備工藝技術(shù)研究
吳德勝,劉廷發(fā),譚榮英,李鵬
(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)
針對(duì)我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速、飼料需求量日益增加、人畜爭(zhēng)糧局面不斷發(fā)展的現(xiàn)狀,研究以先進(jìn)的微生物技術(shù)為基礎(chǔ),利用破碎后的棉稈等粗飼料作為發(fā)酵主體,玉米粉等作為能量飼料,添加一定量的水和微生物菌劑,采用厭氧發(fā)酵技術(shù)制備反芻動(dòng)物全混合日糧(TMR)的工藝方案。同時(shí)開發(fā)出一組用于棉稈資源飼料化利用的新設(shè)備、新技術(shù),為解決我國養(yǎng)殖行業(yè)飼料來源過度依賴糧食,秸稈資源長期閑置、處理困難等問題提供了有效的解決辦法。
棉稈;全混日糧;工藝方案;設(shè)備
近年來,隨著我國畜牧業(yè)尤其是反芻動(dòng)物養(yǎng)殖規(guī)?;难该桶l(fā)展,對(duì)于飼料的需求量逐年升高,由于目前飼料行業(yè)對(duì)于糧食的過度依賴,導(dǎo)致出現(xiàn)了人畜爭(zhēng)糧和飼料成本奇高的局面。因此,黨中央和國務(wù)院已把“利用農(nóng)作物秸稈開發(fā)節(jié)糧型飼料發(fā)展畜牧生產(chǎn)”定為我國今后飼料和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向。我國農(nóng)作物秸稈資源非常豐富,每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量可達(dá)8億t以上[1],然而,目前農(nóng)作物秸稈中僅有不足10%用于飼料加工,其余的大部分秸稈被用作燒柴做飯,或在田間直接焚燒,不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi),而且污染環(huán)境。
我國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國,具有豐富的棉花秸稈資源。棉稈作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品,是非常寶貴的生物資源,與其他農(nóng)作物秸稈相比,棉稈含有較多的粗蛋白[2],具有較高的飼用價(jià)值。然而,棉稈中同時(shí)含有較多的纖維素、木質(zhì)素等,適口性較差,動(dòng)物對(duì)其消化率率不高,而且棉稈中含有具有毒性的游離棉酚,極大地限制了其飼料化應(yīng)用。實(shí)踐證明:通過科學(xué)的發(fā)酵工藝加工處理棉稈來制作飼料,可以使粗蛋白水平提高5%,纖維素降解6.8%,同時(shí)棉酚含量可降低到40mg/kg左右,降解率達(dá)到49%[3],不僅降低了有毒物質(zhì)對(duì)棉稈飼料化利用的限制,更提高了其本身的營養(yǎng)價(jià)值。加大棉稈的飼料化利用,既能充分利用現(xiàn)有豐富的秸稈資源,避免秸稈焚燒等對(duì)環(huán)境造成的污染,同時(shí)又節(jié)省飼料糧食,對(duì)于促進(jìn)我國畜牧行業(yè)健康發(fā)展、緩解飼料過度用糧局面具有積極意義。
秸稈資源轉(zhuǎn)化為飼料的具體方法按照加工原理不同,可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法[4]。其中生物處理法以其安全可靠、環(huán)保無污染、設(shè)備能耗較低等特點(diǎn),成為目前秸稈飼料化利用的研究重點(diǎn)。
本工藝方案以先進(jìn)的微生物技術(shù)為基礎(chǔ),利用破碎后的棉稈等粗飼料作為發(fā)酵主體,膨脹玉米等作為能量飼料,添加一定量的水和微生物菌劑,采用厭氧發(fā)酵技術(shù)制備反芻動(dòng)物全混日糧(TMR)。其工藝路線如圖1所示。
按照TMR營養(yǎng)要求,將破碎后的棉稈(長度<5cm)、膨脹加工后的玉米、菌劑和水按照一定比例混合均勻后形成發(fā)酵物料,通過緩存輸送裝置輸送至壓捆打包設(shè)備中進(jìn)行打包操作,物料經(jīng)過打包密封后形成厭氧環(huán)境,在常溫條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵過程主要包括:通過微生物的自身生長繁殖和代謝活動(dòng),將物料中所含有的不易被動(dòng)物消化吸收的纖維素、半纖維素等物質(zhì)有效降解為小分子糖類,如葡萄糖、果糖等;經(jīng)過特殊的微生物轉(zhuǎn)化,合成多種氨基酸、菌體蛋白、脂肪酸及維生素等生理活性物質(zhì),產(chǎn)生醇、酸、酯等風(fēng)味物質(zhì),改善秸稈的適口性和營養(yǎng)價(jià)值,滿足畜禽動(dòng)物對(duì)能量和各種營養(yǎng)物質(zhì)的需要;棉稈中含有的有害物質(zhì)棉酚在微生物的作用下被降解脫毒,保證了飼養(yǎng)過程的安全。
利用本工藝方案在厭氧條件下制備的反芻動(dòng)物全價(jià)飼料營養(yǎng)均衡,改善了動(dòng)物采食的適口性,能夠促進(jìn)動(dòng)物對(duì)飼料的消化吸收,有利于提高反芻動(dòng)物的肉奶產(chǎn)量。生產(chǎn)過程綠色無污染,有效提高了棉桿的利用價(jià)值,拓寬了反芻動(dòng)物粗飼料來源,節(jié)省了養(yǎng)殖飼料成本。
圖1 棉稈飼料化工藝流程圖
2.1 收割粉碎系統(tǒng)
棉花秸稈是一種木質(zhì)化程度較高、韌皮纖維豐富的硬秸稈,在進(jìn)行飼料化利用之前,需要先經(jīng)過揉搓粉碎,使秸稈長度≤5cm,才能進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理。人工收獲棉花秸稈因勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,目前已逐漸被機(jī)械化收獲所取代。棉花秸稈機(jī)械收獲模式主要有兩種,一種為先使用棉稈拔取鋪條機(jī)將棉花秸稈連根拔出、順序鋪放后,再采用棉稈撿拾收獲機(jī)進(jìn)行撿拾、打捆、裝運(yùn)等后續(xù)操作的兩段式收獲法,另一種為使用棉稈聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行低茬收割、強(qiáng)制輸送、揉搓切碎、自動(dòng)卸料等全部收獲工作的一段式收獲法;一段式收獲方法因其工序簡單、操作簡便,收獲不受季節(jié)限制等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多用戶的認(rèn)可。國內(nèi)新疆中收農(nóng)牧機(jī)械公司研制的9LRZ2.7自走式青黃貯秸稈收獲機(jī)[5](圖2所示),可用于收獲麥秸、豆秸、棉稈、葵花稈、玉米秸稈和人工草場(chǎng)飼草等,該機(jī)型采用的新型揉切粉碎方式,與傳統(tǒng)的鍘切方式相比降低了動(dòng)力消耗,解決了作物秸稈揉搓效果差的問題,提高了秸稈破節(jié)率,保證了標(biāo)準(zhǔn)草長率等主要參數(shù)[6],其秸稈揉搓切碎功能能夠滿足棉稈資源飼料化利用對(duì)棉稈物理特性的要求。
圖2 9LRZ-2.7自走式青黃貯秸稈收獲機(jī)
2.2 精料膨脹加工系統(tǒng)
TMR中的精飼料主要以谷物和添加劑為主。我國精飼料多以玉米為主,其中含70%~75%的淀粉,是全混日糧中能量的主要來源,而玉米的淀粉分子聚集成致密的淀粉粒結(jié)構(gòu),含有抗酸、抗酶的晶體結(jié)構(gòu),不易于被消化酶消化,影響了動(dòng)物的吸收利用,進(jìn)而增加養(yǎng)殖成本。通過加熱(60~80℃)可以使玉米中的淀粉粒膨脹爆裂,變成一種塑性的熔融物質(zhì),在水中溶脹,形成均勻的糊狀溶液,稱為淀粉的變性或糊化。淀粉經(jīng)過糊化后,便能夠被酶充分水解,進(jìn)而被動(dòng)物消化吸收[7]。目前,常用的玉米淀粉糊化方法包括蒸汽壓片法和膨脹加工法等。
蒸汽壓片法是指先將谷物經(jīng)過蒸汽調(diào)質(zhì),使其膨脹、軟化,并調(diào)整含水率后,通過一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)壓輥,碾壓成特定密度的谷物片的加工方法,雖然蒸汽壓片可以增加淀粉的糊化度,使玉米淀粉的消化率提高,但是使用蒸汽壓片法加工玉米的最適壓片密度較小,反芻動(dòng)物食用后易引起瘤胃臌氣和酸中毒,同時(shí)蒸汽壓片法需要進(jìn)行后續(xù)烘干,能耗較大,經(jīng)濟(jì)性較低;膨脹加工法是指先利用調(diào)質(zhì)器將粉碎后的玉米等進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,再使用膨脹器對(duì)調(diào)制后的原料進(jìn)行膨脹加工,最后經(jīng)過冷卻制成膨脹飼料的加工方法,其主要工作原理是通過對(duì)谷物施以高溫高壓然后減壓,利用物料本身的膨脹特性和其內(nèi)部水分的瞬時(shí)蒸發(fā)(閃蒸),引起物料的組織結(jié)構(gòu)和理化性能發(fā)生改變,使物料膨脹。精飼料經(jīng)過膨脹加工后淀粉糊化度可提高至60%以上,玉米淀粉的消化率能夠提高10%~20%,并能顯著增加過瘤胃蛋白含量,而且膨脹產(chǎn)品密度比較適中,顆粒結(jié)構(gòu)松散,比表面積大,增加了動(dòng)物腸道消化酶或微生物作用的機(jī)會(huì),同時(shí)幾乎不影響中性洗滌纖維的消化率。原料經(jīng)過高溫高壓膨脹后,能有效滅菌去毒,擴(kuò)展了原料資源。與蒸汽壓片加工工藝相比,膨脹加工的淀粉糊化度更高,更適于加工玉米、高粱等飼用谷物;其產(chǎn)品流動(dòng)性好、密度高,適于工廠化生產(chǎn);膨脹加工后含水率較低,無需干燥,能耗更低。目前膨脹加工法已廣泛被歐美(特別是歐洲)飼料廠用于加工反芻動(dòng)物飼料[8]。
國內(nèi)外許多飼料設(shè)備制造廠商均推出了精料膨脹加工設(shè)備,這其中具有代表性的有奧地利的ANDRITZ公司、德國的KAHL公司以及國內(nèi)的中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院中機(jī)華豐(北京)科技有限公司。國內(nèi)中機(jī)華豐公司研發(fā)的EPS系列膨脹器和配套逆流冷卻系統(tǒng)對(duì)精飼料進(jìn)行膨脹加工,能夠?qū)崿F(xiàn)精飼料快速熟化、冷卻,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。圖3所示為該公司研發(fā)生產(chǎn)的EPS系列膨脹器。
圖3 中機(jī)華豐(北京)科技有限公司生產(chǎn)的EPS系列膨脹器
2.3 配料計(jì)量混合設(shè)備的選擇
棉稈經(jīng)收獲設(shè)備收獲后(收獲時(shí)粉碎過程已完成),或經(jīng)人工收獲并經(jīng)過揉搓切割后,與膨脹玉米、水和菌液等按一定比例計(jì)量并混合均勻,計(jì)量的準(zhǔn)確性以及混合的均勻度對(duì)于后續(xù)厭氧發(fā)酵過程能否正常進(jìn)行有很大的影響,因此必須選擇適合的配料計(jì)量混合設(shè)備,以保證棉稈資源飼料化利用的順利進(jìn)行。
TMR攪拌設(shè)備能夠?qū)⒕暳稀⒏刹?、青貯料等不同形狀、比重、重量的飼料按比例計(jì)量并均勻混合,其具有如下特點(diǎn):對(duì)日糧各組分進(jìn)行精確計(jì)量、混合、剪切和揉搓,改善了飼料的適口性;降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率;低質(zhì)飼料可以被消化吸收,提高飼料利用率;使日糧營養(yǎng)均衡,提高肉奶產(chǎn)量。
使用TMR攪拌設(shè)備對(duì)棉稈、玉米等進(jìn)行計(jì)量混合后能夠完全滿足后續(xù)厭氧發(fā)酵對(duì)物料組成成分比例和均勻性的要求。同時(shí)TMR攪拌設(shè)備還可以用于養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)日糧各組成成分進(jìn)行攪拌、切割、混合和飼喂等操作,避免因棉花秸稈收獲的季節(jié)性而帶來的設(shè)備閑置問題。國內(nèi)外具有代表性的TMR攪拌設(shè)備生產(chǎn)廠家有意大利的STORTI公司、法國的KUHN公司以及國內(nèi)的華德牧草機(jī)械有限責(zé)任公司和中機(jī)華豐(北京)科技有限公司。圖4所示為中機(jī)華豐公司以及KUHN公司研發(fā)的TMR攪拌喂料車。
圖4 兩款TMR攪拌喂料車
TMR攪拌設(shè)備的配置可參考如下:
方案:按照每天生產(chǎn)80t發(fā)酵飼料計(jì)算,一般TMR攪拌設(shè)備批量工作混合周期節(jié)拍為上料:混合:卸料=10min:10min:10min,每0.5h可生產(chǎn)一批,以每天生產(chǎn)10h計(jì),發(fā)酵飼料容重約為0.35t/m3,則需要配置容積為18m3的TMR攪拌設(shè)備1臺(tái)。
2.4 粗精飼料上料系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)一般TMR攪拌設(shè)備批量工作混合周期節(jié)拍計(jì)算,上料階段10min內(nèi)需將15m3的棉桿和精飼料依次輸送到TMR攪拌設(shè)備內(nèi),如果要采用刮板或皮帶等輸送設(shè)備,小時(shí)產(chǎn)量要在90m3以上,設(shè)備投資太大,同時(shí)仍然要配人工投料,無法降低勞動(dòng)強(qiáng)度;因此,可以選用裝載機(jī)上料,靈活、方便快捷,勞動(dòng)強(qiáng)度低。
2.5 菌液添加系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
棉稈厭氧發(fā)酵制備反芻動(dòng)物全混日糧,含水率應(yīng)控制在60%左右。棉稈在不同階段收獲的含水率變化較大,針對(duì)新疆地區(qū),南疆和北疆又有所不同;南疆一般人工收獲,從秋天12月份開始到3月份結(jié)束,秋天的含水率一般在23%~24%,1、2、3月份的含水率一般在18%;北疆一般采用機(jī)收,大多在12月份開始40d內(nèi)完成,棉稈的含水率一般在38%。因此,在加工制備反芻動(dòng)物全混日糧過程中要根據(jù)情況加水調(diào)節(jié)物料濕度。
按棉稈發(fā)酵制備羊TMR計(jì)算:一般頭只日均采食飼料2kg,其中精飼料0.4kg,粗飼料1.6kg(棉稈70%、青貯20%、苜蓿10%);精飼料含水率12%,青貯含水率65%,機(jī)收棉稈含水38%,苜蓿干草含水量14%。厭氧發(fā)酵控制含水率在60%,按上述配方計(jì)算需要加水1.23kg。
本方案設(shè)計(jì)批次產(chǎn)量4t、每小時(shí)加工兩批,含水率60%,按上述配方物料與添加水的重量比為2:1.23,則水添加量要達(dá)到40%,即批次水的添加量為1.6t,添加時(shí)間按4min計(jì)算,進(jìn)水流量應(yīng)在25m3/h以上;普通自來水一般按水流速度1.5m/s(壓力2kg)計(jì)算,通徑DN25(1”管)水管的供水流量為7~8m3/h,直聯(lián)到TMR攪拌機(jī)不能滿足供水要求;因此應(yīng)設(shè)計(jì)流量25m3/h以上的供水系統(tǒng),配套容量為3m3的水箱及水泵,通過稱重及控制系統(tǒng)完成批次配方加水量,滿足生產(chǎn)實(shí)際工藝要求。
本工藝所采用的發(fā)酵菌劑為水溶性液體,可將菌劑根據(jù)批量配方添加量一次添加到水箱里,通過加水系統(tǒng)一起將菌劑添加到混合系統(tǒng)里,實(shí)現(xiàn)菌劑的添加。
2.6 緩存輸料工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型
圖 5 有機(jī)質(zhì)緩沖喂料機(jī)
壓捆打包系統(tǒng)工作時(shí),需要連續(xù)穩(wěn)定地喂料,由于TMR攪拌設(shè)備的工作特點(diǎn),物料每隔半小時(shí)卸料一次,無法滿足壓捆打包系統(tǒng)對(duì)于物料連續(xù)性的工作要求,需要選用相應(yīng)的緩存輸料設(shè)備進(jìn)行來料暫存、穩(wěn)定輸料的操作。因國內(nèi)目前尚無相應(yīng)的設(shè)備可供選擇,中機(jī)華豐(北京)科技有限公司根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)制造了有機(jī)質(zhì)緩沖喂料機(jī)(如圖5所示)。該設(shè)備最高可容納9m3的物料,同時(shí)能夠不間斷地向外輸送物料,既能在較短時(shí)間內(nèi)接收上游設(shè)備傳來的大量物料,又能向下游設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定地輸出物料,將上下游設(shè)備不同的生產(chǎn)節(jié)拍有機(jī)地連接起來,確保了生產(chǎn)過程的持續(xù)性和整體性。
2.7 壓捆打包系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)厭氧發(fā)酵條件要求,以及物料自身的特點(diǎn),配料混合后的成品含水率約為60%,密度0.35t/m3,且含有大量長纖維,整體較為蓬松,流動(dòng)性差,采用傳統(tǒng)的糧食包裝常規(guī)自動(dòng)打包難以實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn),故采用全混日糧專用壓捆打包系統(tǒng),可有效解決因物料特性決定的打包難的問題,自動(dòng)化程度高,勞動(dòng)強(qiáng)度低。
圖6 全混日糧專用壓捆打包系統(tǒng)
該系統(tǒng)儲(chǔ)料輸送機(jī)接收緩存來料的同時(shí)將物料由中間輸送機(jī)均勻喂入到液壓壓捆機(jī),在微電腦的控制下實(shí)現(xiàn)每捆50kg的壓捆工序,在壓捆機(jī)的卸料口人工套袋,料捆被推送到塑料包裝袋內(nèi)后,人工扎包;為避免長途運(yùn)輸時(shí)塑料袋破碎,在塑料袋外套1編織袋,編織袋采用人工縫包機(jī)封包。圖6為選用的全混日糧專用壓捆打包系統(tǒng)以及打包完成后的成品。
目前,棉稈資源作為飼料利用較為普遍的工藝路線為棉花秸稈經(jīng)由田間切割打捆后,運(yùn)輸回養(yǎng)殖場(chǎng)或飼料加工廠,通過切割、粉碎、浸泡,并與其他種類的飼料混合后飼養(yǎng)動(dòng)物或?qū)ν怃N售。其中,棉稈的收割、撿拾、打捆和方捆裝車分別由人工或機(jī)械完成,人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高,不適合大規(guī)模棉稈收獲作業(yè)。而使用機(jī)械作業(yè)則需分別購置相應(yīng)的收割、撿拾、打捆和裝車設(shè)備,投資成本較高,而且,在撿拾打捆以及裝車過程中,棉稈植株上營養(yǎng)價(jià)值較高的棉桃殼、細(xì)枝莖和棉葉等部分容易脫落,造成了不必要的資源浪費(fèi)和營養(yǎng)損失。同時(shí),由于棉稈中的粗纖維和木質(zhì)素含量較高,適口性較差,在喂養(yǎng)之前,需要粉碎至直徑1cm以下,對(duì)粉碎及篩分設(shè)備的性能要求較高,切割粉碎后還需要經(jīng)過長時(shí)間的浸泡,使秸稈軟化,才能進(jìn)行飼喂,浸泡方法處理棉花秸稈不僅耗時(shí)較長,且需要大量水資源,不適合規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)和飼料加工廠的大量生產(chǎn)需求。
表1 基于棉稈的全混日糧制備成本分析
與傳統(tǒng)的工藝方案相比,本工藝方案所采用的收割粉碎方法只需一臺(tái)設(shè)備即可,勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)率高,適合大規(guī)模種植的棉花秸稈收獲;經(jīng)過壓縮打包后降低了體積,利于儲(chǔ)運(yùn);混合精飼料和其他微量元素,包含動(dòng)物日常所需的全部營養(yǎng);加入的菌劑在厭氧環(huán)境下能夠降低棉稈中含有的有害物質(zhì)棉酚,并能使秸稈纖維軟化,提高了消化率。使用該工藝技術(shù)制備全混日糧,按照目前常規(guī)市場(chǎng)行情,針對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營過程進(jìn)行的成本分析如表1所示。
經(jīng)計(jì)算,使用棉稈制備全混合日糧每噸料成本為568.18元,屬于市場(chǎng)可接受范圍。在當(dāng)前粗飼料短缺的大背景下,完全可針對(duì)棉桿采取厭氧制備全混日糧工藝技術(shù)進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。
我國含有豐富的棉花秸稈資源,通過微生物分解技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為價(jià)格低廉且營養(yǎng)豐富的飼料,不僅對(duì)節(jié)糧型畜牧業(yè)發(fā)展、拓寬養(yǎng)殖飼料來源具有積極的促進(jìn)作用,同時(shí)減輕了因棉稈大量堆積、焚燒等對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響,對(duì)保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展都有非常重要的意義。然而,我國現(xiàn)有的秸稈飼料化生物處理技術(shù)與國外相比尚有一定的差距,今后要加強(qiáng)高效生物發(fā)酵菌的培育與篩選,加強(qiáng)對(duì)秸稈處理專用設(shè)備和技術(shù)的研究與開發(fā)等工作,盡快提高我國的農(nóng)作物秸稈開發(fā)利用水平。
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Research on Preparation Process Technology of TMR (Total Mixed Rations) Based on Cotton Straw
WU De-sheng, LIU Ting-fa, TAN Rong-ying, LI Peng
(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083)
Research on preparation process technology of TMR(Total Mixed Rations) based on advanced microbiological technology, crushed cotton stalks and other roughage as the main fermentation material, expanded corn flour as the energy feed and adding water and microorganism in order to carry out anaerobic fermentation. At the same time, developed a set of new equipment, new technology for cotton stalk feed resources utilization, provides an effective solution to the problem of sources of feed ingredients excessively dependent on grain, straw resources idle for a long time and difficult to deal with.
Cotton straw; TMR; Process scheme; Equipment
S816.34
A
1004-4264(2017)02-0050-05
10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.02.013
2016-07-27
現(xiàn)代節(jié)能高效設(shè)施園藝裝備研制與產(chǎn)業(yè)化示范(2014BAD08B00)。
吳德勝(1963-),男,研究員。