一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統及方法
2023-05-18 06:21:36 1
專利名稱：一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統及方法
技術領域：
本發明涉及反芻動物營養研究技術領域，特別是涉及一種用於模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發酵的固相、液相、氣相三相分流式排放的連續發酵系統及其發酵方法。
背景技術：
反芻動物瘤胃的消化，主要依靠棲居在瘤胃中的各種微生物和原生動物對日糧中的各種成分的分解和發酵，研究證明，飼料中的乾物質約40% 80%在瘤胃中消化，其中 80%為碳水化合物；約有60% 80%的有機物，10% 100%的粗脂肪也在瘤胃中消化，而總能量的23% 87%也在瘤胃中消化。尤其是飼料中的粗纖維，約90%在瘤胃內發酵，僅約10%在大腸消化，半纖維素很少或未發現在瘤胃後消化的。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。目前，研究瘤胃的方法主要有三種，分別為體內法、半體內法和體外法。體內法是指在動物的左臁部瘤胃背囊處安裝永久性瘤胃瘻管，通過瘻管採集瘤胃內容物樣品進行微生物學研究或飼料營養價值的評定。體內法研究一直是測定飼料營養價值最常用的方法，但是它存在試驗周期長，環境條件不易控制等缺點，這使得該方法不適用於大規模的飼料評定，只能作為一種參比方法。半體內法主要是指尼龍袋法，該方法是直接將飼料樣品裝入尼龍袋中，通過瘤胃瘻管懸置於瘤胃中測定飼料營養成分的消化情況。該法被廣泛應用於評價飼料在瘤胃中的降解程度，但該法需要帶瘻管的反芻動物，其測定結果受多種外界因素影響，導致測定結果變異較大。體外法是指採集新鮮瘤胃食糜或瘤胃液， 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，相對於體內法、半體內法來說，體外法具有操作簡單、省時省力、環境條件容易控制、重複性好等特點，並且，它可以在較短時間內測定大量的飼料樣品。該法適合於實驗室的常規分析，這對於日趨複雜的現代反芻動物營養學研究來說顯得尤為重要。目前，典型的體外法主要有批次培養法和連續培養法。批次培養法是將微生物接種物和發酵底物一次性加入發酵容器裡，經一定時間培養後，在固定時間內結束培養，故又屬於靜態發酵，該法由於不能實現底物和產物的分離， 導致瘤胃發酵環境發生改變，因此不適合於長期體外模擬發酵試驗。批次培養法主要有兩階段法、產氣法和簡單消化法等。然而，體外連續培養法實現了底物(飼料)和緩衝液的連續進入和食糜(固相和液相)的連續排出，因而更加接近活體內瘤胃發酵情況，相比於批次培養法來說具有更準確的模擬瘤胃內環境的優點。目前國際上應用較廣的體外連續培養系統主要有單外流連續培養系統和雙外流連續培養系統。單外流是指消化食糜固相和液相均以相同速度外流的系統；而雙外流是將消化糜固相和液相外流速度分別加以控制的系統。單外流連續體外發酵裝置的典型代表的特點是把被測日糧放入尼龍袋中，再把尼龍袋放入發酵罐內供微生物降解，但該裝置沒有考慮瘤胃內的固相和液相外流速度不同的情況，而且產氣量的測定存在較大誤差。雙外流連續體外發酵裝置的典型代表為連續培養裝置，該裝置依靠發酵罐內的過濾膜保持固體外流速度和液體外流速度的不同，通過持續向發酵罐內通入C02維持發酵罐內的厭氧環境， 但是該裝置無法準確區分已發酵和剛投入的飼料，無法測定單一飼料的消化率。隨後，美國明尼蘇達大學的Harmah等人設計了一套連續培養裝置，該裝置雖然實現了氣、液、固相的分離，並採用了磁力攪拌系統和內部加熱方式，但是排出的固相食糜中液體居多，依然不能很好的將液相與固相分開，而且採用的是內加熱的方式，存在著加熱不勻的現象。目前，瘤胃模擬技術的應用範圍包括纖維素消化及其影響因素；非蛋白氮的應用；瘤胃微生物的新陳代謝及其影響因素；反芻動物飼料的營養價值評定；瘤胃發酵動力學研究；瘤胃微生物及其與宿主間的共生關係；極端情況(如高精料，高稀釋率)下瘤胃的發酵情況；藥物和能源開發研究(如產甲烷菌)等。活體外研究方法的優越性使得人們越來越重視瘤胃模擬技術的運用。但是，由於影響人工瘤胃模擬技術的因素很多，如PH，稀釋率，攪拌速率，飼餵量，飼餵頻率等。因此，控制好體外發酵條件對試驗結果的可靠性和科學性至關重要。而且人工瘤胃裝置需要長時間的連續工作，整個過程中需要實時補液，實時收集發酵時產生的氣體，持續攪拌，定時添加飼料，採集液體、固體樣品，因此工作繁重，需要佔用大量人力。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術中存在的問題，提供一種用於模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發酵的固相、液相、氣相三相分流式排放的連續發酵系統及其發酵方法。本發明的目的是通過下述技術方案予以實現的一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統，包括發酵罐體a、攪拌裝置b、排液閥C、排固裝置d、注射泵e、計算機f、CH4, CO2檢測儀j ；所述發酵罐體a由罐體體部3和發酵罐蓋2蓋合密封構成；該發酵罐體a外壁採用雙層結構，兩層之間夾有保溫水層7 ；在該發酵罐體a外壁的下側設有保溫水入口 10，上側設有保溫水出口 4 ；所述攪拌裝置b安裝在發酵罐蓋2上，置於罐體體部3內；在發酵罐體a的側壁上開設有溢流管14，用以排出溢流液；在溢流管14內設有濾筒12，在溢流管14 上向下方開設有溢流管支管13 ；發酵罐體a通過該溢流管支管13與排液閥c相連通；在發酵罐蓋2上還設有排氣口 17與排液閥c相連通；該發酵罐體a上部為圓柱形，底部為錐形， 圓柱形罐體的底部水平安裝有篩網8 ；在該底部錐形的底端開設有固相食糜出口 9，通過球閥與排固裝置d相通；在發酵罐體a上開設有緩衝液入口 11，通過該緩衝液入口 11與所述注射泵e相連通；在發酵罐蓋2上還設有檢氣口 18，用以與CH4、CO2檢測儀j相連通；在發酵罐蓋2上還設有進氣口 19和飼料入口 1 ；該進氣口 19用以向發酵罐體a內注入氣體；該飼料入口 1用以向發酵罐體a內投放飼料；在該發酵罐體a的側壁上開設有溫度探測口 5 和PH值探測口 6，分別插入溫度探頭i和pH探頭h ；所述攪拌裝置b包括電機21、聯軸器20和槳葉22 ；所述電機21通過聯軸器20 的傳動，帶動槳葉22轉動；所述排液閥C，用以排出流入的溢流液；
所述排固裝置d，用以排出流入的固相食糜；所述注射泵e，用以通過緩衝液入口 11向發酵罐體a內注入緩衝液；所述計算機f至少包括信號採集部分和程序控制部分；該信號採集部分與CH4、C02 檢測儀j、溫度探頭i和PH探頭h相連接，用以接收其採集獲得的信號數據；該程序控制裝置與攪拌裝置b、注射泵e和CH4、CO2檢測儀j相連接，用以控制其進行工作；所述CH4、CO2檢測儀j，用以檢測輸入氣體中CH4、CO2的含量。所述排液閥c由閥體31和閥蓋M蓋合密封構成；該排液閥c外壁採用雙層結構， 兩層之間夾有冷卻水層32 ；在該排液閥c外壁的下側設有冷卻水入口 29，上側設有冷卻水出口 23 ；在閥蓋M上設有進液口 26，用以與所述溢流管支管13相連通；在閥蓋M上還設有排液口 27 ；該排液口 27受置於排液閥c內的浮球槓桿30控制打開或關閉；在閥蓋M上還設有進氣口 25與發酵罐體a的排氣口 17相連通；在閥蓋M的底側還開設有排汙口 28。所述排固裝置d由閥體34和活塞33構成；閥體34上設有固相食糜入口 35，用以與所述發酵罐體a上的固相食糜出口 9相連通；在閥體34底側設有固相食糜出口 37 ；所述活塞33置於閥體34內，用以將排固裝置d內的固相食糜從固相食糜出口 37推出；在閥體 34上，固相食糜出口 37的上側還設有緩衝液入口 36。在所述CH4、0)2檢測儀j的前端還設置有氣體流量計g，用以對氣體的流量進行檢測；該氣體流量計g與所述計算機f的信號採集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數據發送給計算機f。所述發酵系統還設有五個閥門k、1、m、η、ο ；所述發酵罐體a的排氣口 18與氣體流量計g相連接；該氣體流量計g的輸出端經三通分成兩條支路，一條支路經閥門k與大氣相通，另一條支路在通過閥門1後又分為兩條支路；該閥門1後的兩條支路，一條與CH4、O)2 檢測儀j相連接，另一路再經過閥門m與三通相連；該三通的另外兩個通口，一個通口為N2 氣體輸入口，另一個通口則通過閥門ο與發酵罐體a的進氣口 19 ；在CH4、0)2檢測儀j的輸出端還設有閥門η ；所述閥門k、1、m、η、ο均與所述計算機f的程序控制部分相連接，受計算機f的控制。一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵方法，基於上述的發酵系統實現，該發酵方法包括如下步驟步驟1，設定發酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉速、注射泵注入緩衝液的頻率、液體稀釋率、CH4, CO2檢測儀的檢測間隔時間；步驟2，向發酵罐體內加入一定量的緩衝液，待發酵罐體內的溫度上升到所述發酵罐體保溫水的溫度後，接種與所加入緩衝液等體積的瘤胃液；步驟3，注射泵根據所設定的注入緩衝液的頻率，向發酵罐體內持續注入緩衝液；步驟4，向發酵罐體內加入飼料，並通入隊氣體以排出罐內剩餘的空氣後，將發酵罐體密封；步驟5，計算機實時監測發酵罐體內的溫度值和pH值，並通過CH4、0)2檢測儀按照設定的時間間隔檢測所產生發酵氣體中CH4、o)2的含量；步驟6，定時收集排液閥中的溢流液和排固裝置中的固相食糜；重複上述步驟3至步驟6，直至發酵反應結束。所述步驟1之前還設置有對發酵罐體氣密性進行檢測的步驟，該步驟如下
通過進氣口向發酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發酵罐體內的壓力狀況是否穩定。如果壓力狀況不穩定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩定。對於所述步驟4中，通入N2氣體以排出罐內剩餘的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門m、1，同時打開閥門O，向發酵罐體通入N2氣體；其次，排出發酵罐體內剩餘空氣後，關閉閥門O，並開啟閥門k。對於所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產生發酵氣體中CH4、0)2的含量的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門k、m、n，同時開啟閥門1，使所產生發酵氣體進入CH4、CO2檢測儀；
其次，關閉閥門m、1，同時開啟閥門k，關閉CH4、CO2檢測儀的進氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發酵氣體進行檢測，並將所檢測發酵氣體中CH4、o)2的含量發送給計算機；最後，開啟閥門m、n，向CH4、⑶2檢測儀通入N2氣體，待排出CH4、⑶2檢測儀中的被檢測發酵氣體後，關閉閥門m、η。本發明的有益效果是(1)解決了現有雙外流瘤胃模擬發酵裝置不能收集、計量發酵過程中產生的氣體的缺點。(2)該發酵系統可實現發酵罐內固相、液相、氣相的分別連續排放，而且固相、液相分離率高，只需通過相應計量手段就可實現排出的固相、液相、氣相精確計量。(3)自動化程度高，可實現發酵環境的自動監測和系統的自動控制。
圖1為固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統的結構示意圖；圖2為發酵罐體結構示意圖；圖3為攪拌裝置結構示意圖；圖4為排液閥結構示意圖；圖5為排固裝置結構示意圖；圖6為固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。圖1為本發明固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統的結構示意圖。如圖所示，該發酵系統包括發酵罐體a、攪拌裝置b、排液閥C、排固裝置d、注射泵e、計算機f、CH4、 CO2檢測儀j。所述發酵罐體a為整個發酵系統的核心反應裝置，其他各個裝置均用以協調發酵罐體a內的反應工作。圖2為發酵罐體的結構示意圖。參見圖1、圖2，該發酵罐體a由罐體體部3和發酵罐蓋2蓋合密封構成。該發酵罐體a外壁採用雙層結構，兩層之間夾有保溫水層7。在該發酵罐體a外壁的下側設有保溫水入口 10，上側設有保溫水出口 4。通過該保溫水入口 10和保溫水出口 4輸入輸出發酵罐體保溫水，以維持罐內發酵溫度的恆定。由於瘤胃發酵的反應溫度通常為39°C，因此該發酵罐體保溫水的溫度為39°C。該攪拌裝置 b安裝在發酵罐蓋2上，置於罐體體部3內。在發酵罐體a的側壁上開設有溢流管14，用以排出溢流液。在溢流管14內設有濾筒12，用以過濾溢流液。在溢流管14上向下方開設有溢流管支管13。發酵罐體a通過該溢流管支管13與排液閥c相連通。該溢流管支管13開設位置決定了發酵罐體a內的液面位置，當發酵罐體a內的液面超過溢流管支管13的開設位置時，罐內液體會自動通過溢流管支管13排到排液閥c內。另外，在發酵罐蓋2上還設有排氣口 17，用以與排液閥c相連通。該發酵罐體a上部為圓柱形，底部為錐形，圓柱形罐體的底部水平安裝有一篩網8，不同孔徑的篩網可以根據試驗的需要進行更換。當發酵罐體 a內的飼料在微生物的作用下，降解到一定細度時，即可穿過篩網8，積聚在發酵罐體a的底部。在該底部錐形的底端開設有固相食糜出口 9，通過一球閥與排固裝置d相通，球閥打開時，積聚在發酵罐體a底部的固相食糜在重力作用下流入排固裝置d中。在發酵罐體a上開設有緩衝液入口 11，通過該緩衝液入口 11與所述注射泵e相連通。在發酵罐蓋2上還設有檢氣口 18，用以與CH4、CO2檢測儀j相連通，輸出被檢氣體。除此之外，在發酵罐蓋2上還設有進氣口 19和飼料入口 1。該進氣口 19用以向發酵罐體a內注入氣體。該飼料入口 1用以向發酵罐體a內投放飼料。在該發酵罐體a的側壁上開設有溫度探測口 5和pH值探測口 6，分別插入溫度探頭i和pH探頭h，用以發酵罐體內的溫度值和pH值。圖3為攪拌裝置的結構示意圖。如圖所示，所述攪拌裝置b包括電機21、聯軸器 20和槳葉22。其中，電機21通過聯軸器20的傳動，帶動槳葉22轉動，以攪拌發酵罐體a 內的固相、液相成分均勻混合。所述排液閥C，用以排出流入的溢流液。所述排固裝置d，用以排出流入的固相食糜。所述注射泵e，用以通過緩衝液入口 11向發酵罐體a內注入緩衝液該注射泵e通過以恆定速度向發酵罐體a內注入緩衝液，以維持發酵罐體a內PH值在6-7之間。本系統中，所用緩衝液是依據反芻動物唾液成分配製而成的，其主要成分為每 IOOOml 緩衝液中含 NaHCO3 9. 8g ；Na2HPO4. 12H20 9. 3g ；NaClO. 47g ；KCl 0. 57g ；MgSO4. 7H20 0. 12g ；無水CaCl2O. 04g。因反芻動物在進行反芻活動中口腔會不斷分泌唾液注入瘤胃中， 維持瘤胃內酸鹼平衡，故本系統的緩衝液即模擬反芻動物分泌唾液，並通過以一定速率模擬唾液向瘤胃中注入的速率。所述計算機f為整個發酵系統的信號採集及程序控制裝置。該計算機f至少包括信號採集部分和程序控制部分兩部分。該信號採集部分與CH4、o)2檢測儀j、溫度探頭i和 PH探頭h相連接，用以接收其採集獲得的信號數據。該程序控制裝置與攪拌裝置b、注射泵 e和CH4、CO2檢測儀j相連接，用以控制其進行工作。所述CH4、CO2檢測儀j，用以檢測輸入氣體中CH4、CO2的含量。通過上述結構的瘤胃模擬發酵系統，可實現發酵罐體內發酵所產生的固相、液相和氣相產物可以高效分離，分別進入排固裝置、排液閥和CH4、CO2檢測儀。只需通過相應的計量手段就可實現反應排出的三相產物的精確計量，從而方便對不同飼料發酵反應效果進行深入研究。同時，由於設計有不斷對發酵罐體補入緩衝液的注射泵，從而解決了現有靜態發酵裝置不能實現連續發酵的缺點。並且，該系統整個控制過程全部可以由計算機進行高程度的自動化控制，可全程實現發酵環境的自動監測和系統的自動控制。
所述排液閥c置於低於發酵罐體a處。圖4為排液閥的結構示意圖。如圖所示，該排液閥c由閥體31和閥蓋M蓋合密封構成。該排液閥c外壁採用雙層結構，兩層之間夾有冷卻水層32。在該排液閥c外壁的下側設有冷卻水入口 29，上側設有冷卻水出口 23。通過該冷卻水入口四和冷卻水出口 23輸入輸出排液閥冷卻水，以維持排液閥內的溫度恆定， 從而迅速停止流入排液閥內溢流液的發酵反應。因為瘤胃內微生物在反應體系溫度等於或低於4°C時，會喪失活性，不能繼續分解飼料進行發酵，故為了能夠迅速停止流入溢流液的發酵反應，本實施例中該排液閥冷卻水的溫度設定為4°C。在閥蓋M上設有進液口 26，用以與所述溢流管支管13相連通。在閥蓋M上還設有排液口 27。該排液口 27受置於排液閥c內的浮球槓桿30控制打開或關閉。同時，為了保持排液閥c與發酵罐體a內的氣壓一致以能順暢排出溢流液，在閥蓋對上還設有進氣口 25與發酵罐體a的排氣口 17相連通。 另外，在閥蓋M的底側還開設有排汙口 28，用以排出流入排液閥c內的固相雜質。圖5為排固裝置的結構示意圖。如圖所示，該排固裝置d由閥體34和活塞33構成。閥體34上設有固相食糜入口 35，用以與所述發酵罐體a上的固相食糜出口 9相連通。 在閥體；34底側設有固相食糜出口 37。所述活塞33置於閥體34內，用以將排固裝置d內的固相食糜從固相食糜出口 37推出。由於發酵罐內i內的飼料在微生物的作用下不斷分解代謝，累積的代謝產物會改變發酵體系的酸鹼平衡，因此需要注入緩衝液來調節發酵體系的酸鹼平衡以維持瘤胃微生物生存的最適PH值。故在閥體34上，固相食糜出口 37的上側還設有緩衝液入口 36，以補充排出固相食糜時所帶出的液相成分。另外，本發明的發酵系統除了設置CH4、C02檢測儀j對發酵罐體a所發酵產生的氣體中CH4、0)2的含量進行檢測外，還在CH4、0)2檢測儀j的前端設置有氣體流量計g，用以對氣體的流量進行檢測。該氣體流量計g與所述計算機f的信號採集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數據發送給計算機f。為了更好的對所述CH4、CO2檢測儀j和氣體流量計g的氣體檢測工作進行自動化控制，在所述發酵系統中還設有五個閥門k、l、m、n、o。如圖1所示，所述發酵罐體a的排氣口 18與氣體流量計g相連接。該氣體流量計g的輸出端經三通分成兩條支路，一條支路經閥門k與大氣相通，另一條支路在通過閥門1後又分為兩條支路。該閥門1後的兩條支路， 一條與CH4、CO2檢測儀j相連接，另一路再經過閥門m與三通相連。該三通的另外兩個通口，一個通口為純隊氣體輸入口，另一個通口則通過閥門ο與發酵罐體a的進氣口 19。在 CH4, CO2檢測儀j的輸出端還設有閥門n，以控制CH4、CO2檢測儀j的排氣。所述閥門k、1、 m、n、o均與所述計算機f的程序控制部分相連接，受計算機f的控制對所述CH4、0)2檢測儀 j和氣體流量計g的氣體檢測工作進行自動化控制。上述結構的固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統在實際操作過程中是通過下述發酵方法進行控制的。圖6為該發酵方法的流程圖。如圖所示，該發酵方法包括如下步驟步驟1，設定發酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉速、注射泵注入緩衝液的頻率、液體稀釋率、CH4, CO2檢測儀的檢測間隔時間；所謂液體稀釋率是因反芻動物如牛、羊不斷的採食飼料和飲水進入瘤胃中被微生物發酵，故新注入的飼料和水會使瘤胃內原有的內容物濃度降低，新注入的飼料和水與瘤胃體積的比值即為液體稀釋率。
這裡，各個參數的設定值可以根據實驗需要進行調整。本實施例中，上述參數的設定值分別為發酵罐體保溫水的溫度為39°C、排液閥冷卻水的溫度為4°C、攪拌裝置的轉速為15rpm、注射泵注入緩衝液的頻率為200次/min、液體稀釋率為1. 2。步驟2，向發酵罐體內加入一定量的緩衝液，待發酵罐體內的溫度上升到所述發酵罐體保溫水的溫度後，接種與所加入緩衝液等體積的瘤胃液；這裡，由於是第一次向發酵罐體內一次性加入一定量的緩衝液，因此緩衝液可以通過注射泵e緩慢加入，也可以選擇通過飼料入口 1直接加入。而所加入的緩衝液的量可以根據實驗需要而定，本實施例中是向發酵罐體內加入500ml的緩衝液。步驟3，注射泵根據所設定的注入緩衝液的頻率，向發酵罐體內持續注入緩衝液；步驟4，向發酵罐體內加入飼料，並通入隊氣體以排出罐內剩餘的空氣後，將發酵罐體密封；這裡，飼料是通過飼料入口 1投入的，隊氣體是通過進氣口 19通入的。通入隊氣體的時間應當以罐內所剩餘的空氣狀況而定，本實施例中設定為通入IOs的隊氣體。完成上述步驟4後，該發酵罐體內即開始發酵反應。步驟5，計算機實時監測發酵罐體內的溫度值和pH值，並通過CH4、0)2檢測儀按照設定的時間間隔檢測所產生發酵氣體中CH4、o)2的含量；步驟6，定時收集排液閥中的溢流液和排固裝置中的固相食糜；重複上述步驟3至步驟6，直至發酵反應結束。通過上述發酵方法，實驗者可以實時監測發酵反應過程中發酵罐體內的溫度值、 PH值以及所產生發酵氣體中CH4、CO2的含量，並能夠定時收集反應所產生的液相、固相產物。整個反應過程全部由計算機進行自動控制。實驗者可以方便、全面的掌握整個反應過程的實驗數據。上述發酵過程可以通過定時的向發酵罐體內補充飼料和緩衝液等反應物，使得發酵罐體內的發酵反應可以持續不斷地進行下去，可以滿足長時間反應觀測的實驗需要。在本實施例中，設定為每隔12小時向發酵罐體內加入20g飼料，每隔8小時收集排液閥c中的溢流液和排固裝置d中的固相食糜，直至實驗結束。另外，該發酵方法在上述步驟1之前還設置有對發酵罐體氣密性進行檢測的步驟，該步驟如下通過進氣口 19向發酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發酵罐體內的壓力狀況是否穩定？如果壓力狀況不穩定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩定。通過這樣的預先檢查，可以保證整個發酵反應過程在理想的狀態下進行，所獲得的實驗數據不會因罐體氣密性問題而受到影響。另外，為了可以更好的對所述CH4、0)2檢測儀j和氣體流量計g的氣體檢測工作進行自動化控制，本發明的發酵方法中還設計有針對所述五個閥門k、l、m、n、o的具體控制流程，具體如下所述對於所述步驟4中，通入N2氣體以排出罐內剩餘的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門m、l，同時打開閥門0，向發酵罐體通入N2氣體，用N2替換出因加料時帶入的空氣；
其次，排出發酵罐體內剩餘空氣後，關閉閥門O，並開啟閥門k，使發酵時產生的氣體，經微量氣體流量計g計量後，從閥門k排出到大氣。由於微量氣體流量計g中氣體的流動方向是單向的，而且是不可逆的，這樣，就可以維持發酵罐體內的厭氧環境，以適於體外瘤胃模擬發酵的進行。對於所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產生發酵氣體中CH4、0)2的含量的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門k、m、η,同時開啟閥門1，使所產生發酵氣體進入CH4、CO2檢測儀；其次，關閉閥門m、1，同時開啟閥門k，關閉CH4、CO2檢測儀的進氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發酵氣體進行檢測，並將所檢測發酵氣體中CH4、o)2的含量發送給計算機；最後，開啟閥門m、n，向CH4、⑶2檢測儀通入N2氣體，待排出CH4、⑶2檢測儀中的被檢測發酵氣體後，關閉閥門m、η。這樣，可以通過N2氣體衝洗CH4、CO2檢測儀，使之不會殘留有被檢測發酵氣體，而影響下一次檢測數據的準確性。上述對五個閥門k、l、m、n、o的控制，均採用電腦程式自動控制的方式完成。這樣，可以大大提高整個系統的自動化程度，減輕了實驗人員的操作負擔，同時增加了檢測數據的準確性。本發明通過上述技術方案，提供一種用於模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發酵的固相、 液相、氣相三相分流式排放的自動化程度高的連續發酵的發酵系統及其發酵方法，解決了現有技術中存在的問題。本領域一般技術人員在此設計思想之下所作任何不具有創造性的改造，均應視為在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統，其特徵在於包括發酵罐體(a)、 攪拌裝置(b)、排液閥(C)、排固裝置(d)、注射泵(e)、計算機(f)、CH4、C02檢測儀(j)；所述發酵罐體(a)由罐體體部( 和發酵罐蓋( 蓋合密封構成；該發酵罐體(a)外壁採用雙層結構，兩層之間夾有保溫水層(7)；在該發酵罐體(a)外壁的下側設有保溫水入口(10)，上側設有保溫水出口(4)；所述攪拌裝置(b)安裝在發酵罐蓋( 上，置於罐體體部(3)內；在發酵罐體(a)的側壁上開設有溢流管(14)，用以排出溢流液；在溢流管(14)內設有濾筒(12)，在溢流管(14)上向下方開設有溢流管支管(1 ；發酵罐體(a)通過該溢流管支管(13)與排液閥(c)相連通；在發酵罐蓋(2)上還設有排氣口(17)與排液閥(c)相連通；該發酵罐體(a)上部為圓柱形，底部為錐形，圓柱形罐體的底部水平安裝有篩網(8)； 在該底部錐形的底端開設有固相食糜出口(9)，通過球閥與排固裝置(d)相通；在發酵罐體 (a)上開設有緩衝液入口(11)，通過該緩衝液入口(11)與所述注射泵(e)相連通；在發酵罐蓋⑵上還設有檢氣口(18)，用以與CH4、C02檢測儀(j)相連通；在發酵罐蓋⑵上還設有進氣口(19)和飼料入口(1)；該進氣口(19)用以向發酵罐體(a)內注入氣體；該飼料入口(1)用以向發酵罐體(a)內投放飼料；在該發酵罐體(a)的側壁上開設有溫度探測口(5) 和PH值探測口(6)，分別插入溫度探頭⑴和pH探頭(h)；所述攪拌裝置(b)包括電機、聯軸器OO)和槳葉02)；所述電機通過聯軸器OO)的傳動，帶動槳葉02)轉動；所述排液閥(c)，用以排出流入的溢流液； 所述排固裝置(d)，用以排出流入的固相食糜；所述注射泵(e)，用以通過緩衝液入口(11)向發酵罐體(a)內注入緩衝液； 所述計算機(f)至少包括信號採集部分和程序控制部分；該信號採集部分與014、0)2檢測儀(j)、溫度探頭(i)和PH探頭(h)相連接，用以接收其採集獲得的信號數據；該程序控制裝置與攪拌裝置(b)、注射泵(e)和CH4、C02檢測儀(j)相連接，用以控制其進行工作； 所述CH4、CO2檢測儀(j)，用以檢測輸入氣體中CH4、CO2的含量。
2.如權利要求1所述的發酵系統，其特徵在於所述排液閥(c)由閥體(31)和閥蓋 (24)蓋合密封構成；該排液閥(c)外壁採用雙層結構，兩層之間夾有冷卻水層(32)；在該排液閥(c)外壁的下側設有冷卻水入口(四)，上側設有冷卻水出口 ；在閥蓋04)上設有進液口( )，用以與所述溢流管支管(13)相連通；在閥蓋04)上還設有排液口 (XT)； 該排液口 (XT)受置於排液閥(c)內的浮球槓桿(30)控制打開或關閉；在閥蓋04)上還設有進氣口 0 與發酵罐體(a)的排氣口(17)相連通；在閥蓋04)的底側還開設有排汙口 (28)。
3.如權利要求1所述的發酵系統，其特徵在於所述排固裝置(d)由閥體(34)和活塞 (33)構成；閥體(34)上設有固相食糜入口(35)，用以與所述發酵罐體(a)上的固相食糜出口(9)相連通；在閥體(34)底側設有固相食糜出口(37)；所述活塞(33)置於閥體(34) 內，用以將排固裝置⑷內的固相食糜從固相食糜出口(37)推出；在閥體(34)上，固相食糜出口(37)的上側還設有緩衝液入口(36)。
4.如權利要求1所述的發酵系統，其特徵在於在所述CH4、C02檢測儀(j)的前端還設置有氣體流量計(g)，用以對氣體的流量進行檢測；該氣體流量計(g)與所述計算機(f)的信號採集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數據發送給計算機(f)。
5.如權利要求4所述的發酵系統，其特徵在於所述發酵系統還設有五個閥門(k)、 (1)、(m)、(η)、(ο)；所述發酵罐體(a)的排氣口 (18)與氣體流量計(g)相連接；該氣體流量計(g)的輸出端經三通分成兩條支路，一條支路經閥門(k)與大氣相通，另一條支路在通過閥門(1)後又分為兩條支路；該閥門(1)後的兩條支路，一條與CH4、C02檢測儀(j)相連接，另一路再經過閥門(m)與三通相連；該三通的另外兩個通口，一個通口為隊氣體輸入口，另一個通口則通過閥門(ο)與發酵罐體(a)的進氣口 (19)；在CH4、C02檢測儀(j)的輸出端還設有閥門(η)；所述閥門(k)、(1)、(m)、(η)、(ο)均與所述計算機(f)的程序控制部分相連接，受計算機(f)的控制。
6.一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵方法，基於權利要求1所述的發酵系統實現，其特徵在於該發酵方法包括如下步驟步驟1，設定發酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉速、注射泵注入緩衝液的頻率、液體稀釋率、CH4, CO2檢測儀的檢測間隔時間；步驟2，向發酵罐體內加入一定量的緩衝液，待發酵罐體內的溫度上升到所述發酵罐體保溫水的溫度後，接種與所加入緩衝液等體積的瘤胃液；步驟3，注射泵根據所設定的注入緩衝液的頻率，向發酵罐體內持續注入緩衝液； 步驟4，向發酵罐體內加入飼料，並通入隊氣體以排出罐內剩餘的空氣後，將發酵罐體密封；步驟5，計算機實時監測發酵罐體內的溫度值和pH值，並通過CH4、0)2檢測儀按照設定的時間間隔檢測所產生發酵氣體中CH4、0)2的含量；步驟6，定時收集排液閥中的溢流液和排固裝置中的固相食糜； 重複上述步驟3至步驟6，直至發酵反應結束。
7.如權利要求6所述的發酵方法，其特徵在於所述步驟1之前還設置有對發酵罐體氣密性進行檢測的步驟，該步驟如下通過進氣口向發酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發酵罐體內的壓力狀況是否穩定。如果壓力狀況不穩定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩定。
8.如權利要求6所述的發酵方法，基於權利要求5所述的發酵系統實現，其特徵在於 對於所述步驟4中，通入隊氣體以排出罐內剩餘的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門(m)、(1)，同時打開閥門(ο)，向發酵罐體通入N2氣體； 其次，排出發酵罐體內剩餘空氣後，關閉閥門(ο)，並開啟閥門(k)。
9.如權利要求6所述的發酵方法，基於權利要求5所述的發酵系統實現，其特徵在於 對於所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產生發酵氣體中CH4、0)2的含量的步驟具體通過以下閥門控制方法實現首先，關閉閥門(k)、(m)、(n)，同時開啟閥門(1)，使所產生發酵氣體進入CH4、CO2檢測儀；其次，關閉閥門(m)、⑴，同時開啟閥門(k)，關閉CH4、CO2檢測儀的進氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發酵氣體進行檢測，並將所檢測發酵氣體中CH4、0)2的含量發送給計算機； 最後，開啟閥門(m)、(η)，向CH4XO2檢測儀通入N2氣體，待排出CH4XO2檢測儀中的被檢測發酵氣體後，關閉閥門(m)、(η)。
全文摘要
本發明提供一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統，其特徵在於包括發酵罐體(a)、攪拌裝置(b)、排液閥(c)、排固裝置(d)、注射泵(e)、計算機(f)、CH4、CO2檢測儀(j)。通過該發酵系統，可實現發酵罐體內發酵所產生的固相、液相和氣相產物可以高效分離，分別進入排固裝置、排液閥和CH4、CO2檢測儀。通過相應的計量手段就可實現反應排出的三相產物的精確計量，從而方便對不同飼料發酵反應效果進行深入研究。同時，由於設計有不斷對發酵罐體補入緩衝液的注射泵，從而解決了現有靜態發酵裝置不能實現連續發酵的缺點。並且，該系統整個控制過程全部可以由計算機進行高程度的自動化控制。
文檔編號C12M1/00GK102286359SQ20111016759
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月21日 優先權日2010年12月28日
發明者卜登攀, 周凌雲, 姜雅慧, 安朋朋, 徐俊, 楊紅建, 沈維軍, 王加啟, 陳強 申請人:中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所