智能仿生瘤胃發酵器的製作方法

2023-06-02 07:00:31 4

專利名稱：智能仿生瘤胃發酵器的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物發酵技術領域，具體涉及一種智能仿生瘤胃發
酵器。
背景技術：
反芻動物消化道結構比較特殊，其最突出的特點是具有四個胃瘤胃、網胃、 瓣胃和皺胃，其中瘤胃在消化過程中起著特別重要的作用。瘤胃中有大量微生物， 主要包括細菌、原蟲和真菌三大類。瘤胃微生物對詞料在瘤胃中的消化起著重要 作用，這一消化過程稱為瘤胃發酵。反芻動物利用的大部分營養物質是瘤胃發酵
的終產物。研究表明，反芻動物採食乾物質的40 80%在瘤胃中消化，其中約有 70 90。/。的碳水化合物(Maynard等，1975)， 60 95%的粗纖維，10 100%的粗 脂肪都在瘤胃中消化(Church， 1976)[i]，瘤胃中消化的能量佔總消化能的23 87% (Thomas等，1981)。由此可見，瘤胃發酵在反芻動物營養中佔有舉足輕重的位
置["]c
反芻動物的瘤胃是一個微生物種群複雜、密度大、調控嚴格的微生態發酵體 系，飼糧被棲居在瘤胃中的各種菌群、原蟲和真菌進行發酵、降解，發酵菌質富 含許多複雜和未知的生物活性物質，其代謝產物被宿主動物吸收、轉化後作為代 謝所需的營養物和調節物。瘤胃微生物在皺胃被鹽酸殺死，是宿主動物的優質安 全的蛋白質來源，同時其有益菌代謝產物--菌質也含有多種活性物質，參與反芻 動物的營養代謝。因而國內外許多動物營養學家、生理學家、生化學家和微生物 學家都非常重視對瘤胃發酵的研究，有關權威專家還提出應創建"瘤胃學"，這 是當前研究熱點之一。
瘤胃作為一個生物發酵罐，應當具備適宜於種群複雜、數量巨大的瘤胃微生 物在其中生長繁殖的條件，這些條件隨著微生物的生長繁殖會發生相應變化。但 是微生物的生存環境，包括營養物質、溫度、酸鹼度等又要求相對穩定，因此， 瘤胃內各種環境因素又必須隨時處於嚴密的調控之中。
研究瘤胃發酵的方法主要有三種，分別為體內法、半體內法和體外法。體內 法是研究瘤胃微生物代謝和評定飼料營養價值最直接的方法。但方法複雜，費時費力，測定費用高，不適合大規模飼料評定，因此不宜作為評定詞料營養價值的 常規方法，而只能是一種參比方法。半體內法主要指尼龍袋法。Quin(1938)、 Zinn (1981)、 Madsen(1985) 、 Lorensi (1992)和Khazaal (1995)進行j此類實驗， 結果表明尼龍袋法可以較好地估測飼料在體內的降解率。雖然尼龍袋法與體內法 相比，比較簡單易行，但此方法需要帶瘻管的反芻動物，且其測定結果受多種因 素影響，致使測定結果變異較大。體外法即指採集新鮮瘤胃食糜或瘤胃液體，在 模擬瘤胃條件的裝置中進行微生物培養，所以又稱人工瘤胃法(Johnson， 1963 )。 體外法與體內法和半體內法相比，具有操作簡便，成本低，環境條件易控制，重 復性好等特點，是一種極有潛力的研究瘤胃發酵的方法。
鑑於瘤胃是一個非常複雜的動態系統，很難在活體動物身上進行研究。即使 使用瘤胃瘻管，也難以真正搞清楚飼料營養物質在瘤胃內發酵、流通、微生物攝 取和吸收等動態變化規律，使得研究具有一定的局限性，因此體外人工瘤胃技術 應運而生。人工瘤胃是模擬瘤胃生理功能的體外模擬系統，是反芻動物體外營養 模擬技術現代化發展的標誌。
人工瘤胃技術主要有兩大類短期人工瘤胃技術和長期人工瘤胃技術。從兩 級離體消化法(Tillery和Terry， 1963)到產氣量法(Menk等，1979)以及酶解法等， 都是批次培養即短期人工瘤胃技術。長期人工瘤胃技術即體外連續培養技術可以 保持幾個星期的穩定發酵，是研究瘤胃發酵和評定動態降解率的很好的實驗室方 法(馮仰廉，2004)。體外連續培養系統(Continuous culture system CCS)是一種接 近於活體內瘤胃發酵的系統，分為單外流(Single- flow)和雙外流(Dua1—flow)型連 續培養系統兩種。單外流連續培養系統以Rusteic系統(Czerkawski和 Breckenridge, 1977)為代表。雙外流連續培養系統以美國Minnesota大學(Marshall. D.Stem )和West Virginia大學(William. H. Hoover)為代表。中國農業大學動物科 技學院(孟慶翔，1999)利用國家自然科學基金的資助，也自行研製了一套雙外流 連續培養系統。這些設備僅限於實驗室少量樣品的研究工作。目前人工瘤胃技術 的應用範圍包括研究纖維素的消化和影響它的因素、研究非蛋白氮的利用、研究 瘤胃微生物的新陳代謝及其影響因素、研究瘤胃微生物之間及其與宿主之間的共 生關係、評定反芻動物飼料的營養價值、研究瘤胃發酵的動力學過程、研究極端 情況(如高精料、高稀釋率)下瘤胃的發酵狀況和藥物研究和能源開發研究(如產甲 烷菌)等。
現在各種體外人工瘤胃發酵技術越來越得到人們的重視，但是目前國內外尚 無工廠規模化體外培養瘤胃有益菌群，製備各種菌質的生產設備。這是因為體外 人工發酵過程中受到多種因素的幹擾，常會引起人工瘤胃發酵器中各種發酵條件 發生較大改變，而使發酵質量得不到保證，因此必須對體外人工瘤胃發酵條件進行智能化控制，以保證發酵條件的穩定。如(1)溫度，(2)基礎壓力，(3)適 宜pH， (4)發酵內容物的混合，(5)培養液稀釋率，(6)排空等，需根據不同
目標產品的工藝要求，能夠調整設定不同的發酵條件參數。

發明內容
本發明的目的是提供一種智能仿生瘤胃發酵器，該發酵器能根據發 酵條件進行智能化控制，以保證發酵條件的穩定。
本發明從仿生學角度，模擬反芻動物瘤胃微生態環境，主體結構採用不鏽鋼 材料以及微電腦自動控制技術，調控智能仿生瘤胃發酵器相關厭氧發酵工作條 件。所說的智能仿生瘤胃發酵器，由發酵罐，氣、液動力輔助系統、功能控
制系統組成；
發酵罐，包括罐蓋和罐體，罐體由內罐和外罐構成；
內罐用於發酵培養，內罐底層裝有網格盤側孔直噴式氣動攪拌器；
外罐設有加熱裝置和進、出水口，用於水浴式加熱內罐培養物料和預熱延伸 至內罐的培養液輸送管和氣管；外罐外側壁裝有浴水水位管、水溫控制表以及連 接內外罐的溢液管，溢液管與罐外溢流瓶相通，溢流瓶瓶蓋處設有液滿報警器； 浴水的水位和溫度由功能控制系統調控；
罐蓋上設置有自動逸氣閥、壓力表、pH探頭、溫度表、取樣管，其中pH 探頭、溫度表、取樣管延伸至內罐培養液中，培養液輸送管通過外罐水浴區延伸 至內罐上方，氣管通過外罐水浴區、內罐口延伸至內罐底，與網格盤側孔直噴式 氣動攪拌器相接；設置在發酵罐上的各種探頭將發酵參數信息傳送至功能控制系 統；
氣動力輔助系統中，空壓泵、C02和N2鋼瓶均與發酵罐內的氣管相通，並
設有斷氣報警器，空壓泵上聯有循環氣緩衝冷凝瓶和水氣分離器以保護空壓機， 冷凝瓶口設有氧化閥，用於有氧氧化反應；輸氣管道中均設有若干電磁閥和可調 式流量表，氣動力輔助系統受功能控制系統的控制，用於智能化調配氣體流向、 控制流量，實現對發酵罐中氣量的控制；罐內氣體通過發酵氣回流管與空壓機相 連，實行氣體內部循環，保持厭氧狀態。
液動力輔助系統包括鹼液、培養液儲箱，自動供液瓶及供液管道，其中鹼液、 培養液儲箱分別與相應的自動供液瓶的一端相連，與鹼液自動供液瓶的另一端連 接的鹼液輸送管道延伸至發酵罐內罐上方形成鹼液滴管；與培養液自動供液瓶的另一端連接的培養液輸送管道通過外罐的水浴區延伸至內罐上方形成培養液滴 管；輸液管道上均設有若干電磁閥和可調式流量表，液動力輔助系統受功能控制 系統的控制，用於智能化調配液體流向、控制流量，實現對發酵罐中物料的控制；
功能控制系統與發酵罐、氣、液動力輔助系統相連，用於接受發酵參數信 息，並通過微電腦控制器智能化控制整個發酵系統的運行；包括溫度、pH、工 作時間控制器、蜂鳴報警器、輸液、輸氣等功能的自動控制。
利用本發明的智能仿生瘤胃發酵器進行發酵時，培養物料溫度通過控制水浴 溫度實現，並採用網格盤側孔直噴式氣動攪拌器攪拌物料。通過自動調壓閥對發 酵罐內壓實行自動調節，罐內氣體通過發酵氣回流管與空壓機相連，實行氣體內 部循環，保持厭氧狀態。從仿生角度對發酵罐培養物料實行液體稀釋和溢流排空。
一般情況下，主要工作參數分別為溫度39.0±0.2〔(微電腦溫度控制儀控 制)，pH6.3士0.1 (pH自動控制儀控制)，壓力2.66士1.33Kpa (壓力自動調節閥控 制)，培養液稀釋率3。/。/h (流量器調控)，氣動攪拌lmin靜息14min (微電腦定 時器結合空壓機工作)，發酵時間任意時間(微電腦定時器)，同時分別充入 C02、 N2，保持厭氧，補充非蛋白氮，也可進行富氧氧化反應。壓力、'氣體排空、 培養液溢流等方面均採用自動化監控裝置。根據不同生產目的，可工廠規模化制 備不同的特定菌質，是綠色功能性微生態飼料添加劑生產的關鍵設備。
本發明通過外罐水浴及溫熱氣攪拌方式解決了瘤胃菌群對溫度敏感，對大量 培養物料的加熱難的問題。通過對壓力、pH的自動調控使發酵條件保持穩定。 採用網格盤側孔直噴式氣動攪拌方式代替常見的機械攪拌，提高了發酵罐密閉性 能，保持較好的厭氧環境，同時能有效控制攪拌強度。根據仿生學特點，通過流 量計調控培養液合適的稀釋率，可促進微生物蛋白的合成，改善微生物繁殖性能。 通過自動溢液系統實行人工瘤胃培養內容物的排空，這是長時間穩定發酵的重要 環節。通過微電腦技術可將體外人工發酵條件的變化幅度自動控制在最小範圍 內，以保證發酵質量的穩定。體外人工發酵罐主體結構的製作採用304#不鏽鋼 材料，能達到防鏽、耐酸鹼、牢固的效果。體外人工發酵罐的總體結構設計可滿 足工廠規模化流水線生產對發酵容積，即，生產效率的要求以及安全生產的要求。 智能仿生瘤胃發酵器罐蓋打開後，採用了保險卡自動鎖定裝置固定罐蓋，有效地 保證了生產安全性，可防止意外傷害。
本發明的智能仿生瘤胃發酵器從仿生學角度模擬反芻動物瘤胃微生態環境， 科學合理地設定厭氧型菌群體外培養的最適條件參數，使微生物繁育活動處於活 躍、高效的狀態。由於採用了先進的微電腦技術、氣動、液動等自動化控制技術，使智能仿生瘤胃發酵器的整個發酵工作過程保持平穩、高效、安全的狀態，率先 實現了厭氧型細菌群智能化、仿生化、工廠化的規模生產。
本發明的智能仿生瘤胃發酵器作為一種生物發酵的新型設備，可廣泛應用於 生物、醫學、製藥、化工等領域的工廠規模化生產。也可應用於相關領域的科研 工作。


圖1是發酵罐結構示意圖 圖2是發酵罐罐蓋示意圖
圖3智能仿生瘤胃發酵器組成及工作流程示意圖
l-起吊器；2-罐蓋；3-拉手；4-定位壓塊；5-進水閥；6-水溫控制表；7-內罐；8-外罐；9-氣管；10-內罐支架；ll-培養液管；12-基腳；13-放水閥；14-電加熱器； 15-液壓缸基架；16-溢液管；17-鹼液滴管；18-發酵氣回流管；19-液壓缸；20-
吊臂支架；21-吊臂轉套；22-液壓缸上支架；23-吊臂；24罐蓋支撐缸；25-自動 調壓閥；26-pH探頭；27-取樣管；28-溫度表；29-壓力表；30-放氣閥。
具體實施例方式
在本發明中所使用的術語，除非有另外說明， 一般具有本領域普通技術人員 通常理解的含義。
下面結合附圖一步詳細地描述本發明。應理解，這些實施例只是為了舉例說 明本發明，而非以任何方式限制本發明的範圍。
實施例l
如圖l-圖3所示，本發明的智能仿生瘤胃發酵器，由發酵罐，氣、液動力輔 助系統、功能控制系統組成。 一個具體的發酵罐結構如圖1、圖2所示，包括內 罐7、外罐8和罐蓋2，其中發酵罐工作容量分別為0.1和1噸。內罐7置於外 罐內的內罐支架10上，內罐7的的上部通過定位壓塊4固定於外罐8內；內罐 7內底層裝有網格盤側孔直噴式氣動攪拌器，可根據工藝要求無級式調節培養液 攪拌強度，攪拌工作時間周期通過時間控制器任意調節， 一般可為工作攪拌1 min，靜息14 min.，罐內氣體通過發酵氣回流管18經循環氣緩衝冷凝瓶和水氣 分離器與空壓機(參見工藝流程圖)相連，空壓機作為動力並同時補充C02、
8N2，實行氣體內部循環，保持厭氧狀態。當內部氣壓超過2.66土1.33Kpa範圍， 罐蓋裝有自動逸氣閥30，將自動排氣和關閉。罐蓋2上裝有壓力表29、自動調 壓閥25，並分別向培養液中插入pH探頭26、溫度表28、取樣管27，此外罐蓋 內側還附有培養液滴管和鹼液滴管17，外部分別設有各自的流量表。通過各種 探頭可將培養液中的各種信息傳入微電腦，實行智能化調控。
外罐8上有進水口 5和出水口 13，底部裝有電加熱棒14，用於水浴式加熱 內罐培養物料，螺旋式培養液輸送管11和氣管9自外罐內底部向上延伸至內罐 7，實現預熱培養液和攪拌氣，外罐外側壁裝有浴水水位指示劑(位於罐體背側)、 水溫控制表6以及連接內外罐的溢液管16，溢液管與溢流瓶相通，其瓶蓋處設 有液滿報警器。為了使罐體能穩定放置或固定，在罐體底部外有基腳12。
罐蓋2中心設有球柄式起吊器1通過吊臂23與油壓泵(參見工藝流程圖) 相聯，由油壓泵提供動力，液動式控制罐蓋的開啟與關閉。當罐蓋開啟後，罐蓋 保險卡將自動鎖定，關閉時保險卡自動脫開，以保證工作安全。罐蓋2上還設有 拉手3。本實施例中，罐蓋2的開閉由液壓控制，具體結構是，在罐體外側上部 設置有吊臂支架20，吊臂23通過吊臂轉套21與吊臂支架20連接；吊臂23的 一端與罐蓋2中心的起吊器1相連，另一端與通過液壓缸上支架22和液壓缸19 相連，液壓缸19的基部固定於罐體下部的液壓缸基架15上；在吊臂23和罐蓋 2間還有罐蓋支撐缸24。
氣、液動力輔助系統
分別設有空壓泵、C02和N2鋼瓶均與攪拌氣管相通，設有斷氣報警器，
並聯有循環氣冷凝瓶和水氣分離器以保護空壓機，冷凝瓶口設有氧化閥，可用於 有氧氧化反應，此外還設有鹼液、培養液儲箱，分別由電磁泵將液體輸送至各自 的自動供液瓶，與瓶中液位傳感器相聯，兩液均分別通往內外罐。自動供液瓶高 度可由氣缸調節，油壓泵提供動力。在相應各管道系統中均設有若干電磁閥，智 能化調配液、氣流向，可調式流量表控制流量。
功能控制系統
電器控制櫃面板分別裝有相關功能的微電腦控制器智能化控制整個發酵系統的 運行，包括溫度、pH、工作時間控制器、蜂鳴報警器、輸液、輸氣等功能的自動 控制。此外還設有電壓表、電流表、氣動、液動控制、各種功能手動按鈕、各種 信號燈、降溫風扇等。
實施例2:智能仿生瘤胃發酵器操作流程
參照圖31、 開機前檢査事項
1) 鹼液、培養液儲箱加入足夠量。
2) 冷凝瓶密閉，冷卻水保持基本量。
3) 溢流瓶密閉，清潔無液。
4) C02、 N2鋼瓶內氣量充足。
5) 自動調壓閥氣體過濾水保持基本量。
6) 整機狀況正常。
2、 開機操作程序
1) 控制櫃總電源。
2) 罐體內加入適量熱浴用水，至水位管正常位置。
3) 啟動溫控儀，調定溫控值，啟動電加熱。
4) 溫控穩定後
a啟動油壓泵，打開罐蓋，檢查罐蓋保險卡是否自動鎖定，內罐加入培養液、 菌液及物料。
b啟動空壓機，調定氣體攪拌強度，調定氣體攪拌工作周期。
c接通C02、 N2鋼瓶氣體，分別調定氣流量。
d啟動油壓泵轉換開關，關閉罐蓋時，罐蓋保險卡同時自動脫開。
5) 啟動油壓泵，將自動供液瓶升至規定高度，啟動磁力泵，使培養液、鹼液供 給調定在正常工作狀態；
6) 啟動pH自動控制儀，調定工作參數。
7) 啟動相關報警系統
8) 調定自動調壓閥，以保持罐體內正常工作壓力。
9) 調定自動溢液閥，處於正常工作狀態。
10) 檢查關閉罐蓋取樣口開關。
11) 檢查控制櫃各儀表、開關、指示燈正常工作。
3、 關機操作程序
1) 到達發酵工作終點時間，工作時間警報器自動報警。
2) 除溫控系統繼續工作外，其它系統停止工作。
3) 啟動油壓泵轉換開關，打開罐蓋，檢査罐蓋保險卡是否自動鎖定。4) 啟氣體攪拌系統持續工作，啟動吸料泵工作，定量出料。
5) 保留50%菌液進入下一輪發酵工作周期。
4、 有氧氧化反應操作程序
1) 關閉C02、 N2鋼瓶閥門，打開氧化閥。
2) .啟動空壓機及網格盤側孔直噴式氣動攪拌系統工作。
3) 按照特定工藝要求，調定溫控系統等其它系統。
4) 調定氧化反應工作時間報警系統。
5) 到達氧化反應工作終點時間，工作時間警報器自動報警。
6) 智能仿生瘤胃發酵器相關系統停止工作。
7) 啟動油壓泵轉換開關，打開罐蓋，檢査罐蓋保險卡是否自動鎖定。
8) 啟氣體攪拌系統持續工作，啟動吸料泵工作，出料。
5、 注意事項
1、 智能仿生瘤胃發酵器電壓220V。
2、 氣缸節流閥經調試後，不得隨意變動。
3、 若停止生產-a須及時清理儲液箱及管道系統中的鹼液、培養液。 b停機後需將pH儀探頭保護套旋上。
c拆卸內罐時需將罐蓋處pH儀探頭杆、溫度表探頭杆縮回，以免損壞。
4、 停機後需放盡空壓機內餘氣，並按常規進行定期保養。
5、 注意保護罐蓋密封圈，以免損壞。
1權利要求
1、一種智能仿生瘤胃發酵器，其特徵在於，由發酵罐，氣、液動力輔助系統、功能控制系統組成；發酵罐，包括罐蓋和罐體，罐體由內罐和外罐構成；內罐用於發酵培養，內罐底層裝有網格盤側孔直噴式氣動攪拌器；外罐設有加熱裝置和進、出水口，用於水浴式加熱內罐培養物料和預熱延伸至內罐的培養液輸送管和氣管；外罐外側壁裝有浴水水位管、水溫控制表以及連接內外罐的溢液管，溢液管與罐外溢流瓶相通，溢流瓶瓶蓋處設有液滿報警器；浴水的水位和溫度由功能控制系統調控；罐蓋上設置有自動調壓閥、壓力表、pH探頭、溫度表、取樣管，其中pH探頭、溫度表、取樣管延伸至內罐培養液中，培養液輸送管通過外罐水浴區延伸至內罐上方，氣管通過外罐水浴區、內罐口延伸至內罐底，與網格盤側孔直噴式氣動攪拌器相接；設置在發酵罐上的各種探頭將發酵參數信息傳送至功能控制系統；氣動力輔助系統中，空壓泵、CO2和N2鋼瓶均與發酵罐內的氣管相通，並設有斷氣報警器，空壓泵上聯有循環氣冷凝瓶和水氣分離器以保護空壓機，冷凝瓶口設有氧化閥，用於有氧氧化反應；輸氣管道中均設有若干電磁閥和可調式流量表，氣動力輔助系統受功能控制系統的控制，用於智能化調配氣體流向、控制流量，實現對發酵罐中氣量的控制；罐內氣體通過發酵氣回流管與空壓機相連，實行氣體內部循環，保持厭氧狀態。液動力輔助系統包括鹼液、培養液儲箱，自動供液瓶及供液管道，其中鹼液、培養液儲箱分別與相應的自動供液瓶的一端相連，與鹼液自動供液瓶的另一端連接的鹼液輸送管道延伸至發酵罐內罐上方形成鹼液滴管；與培養液自動供液瓶的另一端連接的培養液輸送管道通過外罐的水浴區延伸至內罐上方形成培養液滴管；輸液管道上均設有若干電磁閥和可調式流量表，液動力輔助系統受功能控制系統的控制，用於智能化調配液體流向、控制流量，實現對發酵罐中物料的控制；功能控制系統與發酵罐、氣、液動力輔助系統相連，用於接受發酵參數信息，並通過微電腦控制器智能化控制整個發酵系統的運行；包括溫度、pH、工作時間控制器、蜂鳴報警器、輸液、輸氣等功能的自動控制。
2、 根據權利要求1所說的智能仿生瘤胃發酵器，其特徵在於，罐蓋 中心設有球柄式起吊器通過吊臂與油壓泵相聯，液動式控制罐蓋的開啟與關閉； 當罐蓋開啟後，罐蓋保險卡將自動鎖定，關閉時保險卡自動脫開，以保證工作安全。
3、 根據權利要求2所說的智能仿生瘤胃發酵器，其特徵在於，液動 力輔助系統中，自動供液瓶中有液位傳感器，功能控制系統依據液位傳感器信息 控制電磁泵將相應儲液箱中的液體輸送至自動供液瓶；自動供液瓶高度由油壓泵 調節控制。
4、 根據權利要求1所說的智能仿生瘤胃發酵器，其特徵在於，功能 控制系統的開關柜上設有電壓表、電流表、氣動、液動控制、各種功能的智能化 控制及手動按鈕、各種信號燈和降溫風扇。
全文摘要
本發明涉及一種智能仿生瘤胃發酵器。所說的智能仿生瘤胃發酵器，由內罐，外罐、氣、液動力輔助系統、功能控制系統組成；內罐用於發酵培養；外罐用於水浴加熱內罐；氣、液動力輔助系統用於補充調控發酵過程的物料和氣量；功能控制系統組成用於實時監測發酵參數的變化，實現發酵條件的自動化控制。本發明從仿生學角度模擬反芻動物瘤胃微生態環境，科學合理地設定厭氧型菌群體外培養的最適條件參數，使微生物繁育活動處於活躍、高效的狀態。由於採用了先進的微電腦技術、氣動、液動等自動化控制技術，使智能仿生瘤胃發酵器的整個發酵工作過程保持平穩、高效、安全的狀態，率先實現了厭氧型細菌群智能化、仿生化、工廠化的規模生產。
文檔編號C12M1/02GK101565673SQ20091002684
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月2日 優先權日2009年6月2日
發明者孫鎮平 申請人:揚州大學