一種模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐的製作方法

2023-06-02 07:00:11 4

專利名稱：一種模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐的製作方法
技術領域：
本發明涉及動物營養實驗室常用的一種發酵罐，特別是涉及一種用於模擬牛羊等反芻動物瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐。
在反芻動物營養和消化代謝研究中，通常使用模擬瘤胃發酵的連續培養實驗裝置進行飼料的營養價值評定和確定動物營養物質需要量的研究。一種公知的連續培養實驗裝置，是美國明尼蘇達大學於20世紀80年代所研製的(見Hannah等，刊於Animal Feed Science and Technology，1986，Vol.1651-62)。該實驗裝置的關鍵部分是發酵罐。它具有自動加熱、自動攪拌、固相和液相外流速度控制等功能。在模擬瘤胃發酵研究方面，該裝置可以根據需要調節和設定主要生理參數，提供在特定生理條件下的瘤胃發酵特性模擬研究。在該發酵罐中，用於加熱的電熱絲、恆溫控制探頭、液相過濾篩網等均安裝在一個容積僅為1L的發酵罐內，發酵內容物的攪拌採用了磁力攪拌系統。該設計的主要缺點表現在(1)電熱管對培養內容物直接加熱，對某些溫度敏感型微生物的生長具有不利影響；(2)控制液相外流速度的濾網佔據發酵罐有效空間，致使發酵內容物無法均勻攪拌；(3)磁力攪拌器正常攪拌速度大大高於瘤胃蠕動速度，難以真實模擬瘤胃發酵過程；(4)液相網篩位於發酵罐內，拆裝更換極為困難。
本發明的目的是要提供一種新的雙外流型實驗室發酵罐，它應具有發酵內容物攪拌均勻，受熱一致，攪拌速度與瘤胃蠕動速度相匹配，液相網篩拆裝更換方便的特點。
為達到上述目的所採取的技術方案包括罐體1、置於罐體1內部的攪拌器2、與攪拌器2相接的電機17、加熱裝置、加料口9、無氧氣體進口18、人工唾液引管10、固相外流管7，其特徵在於，在罐體1的側壁設有一個向外突出的管狀突出體4，該管狀突出體4與罐體1相通，該管狀突出體4內裝有濾網5；加熱裝置為水浴鍋3，罐體1置於水浴鍋3中。
上述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，其攪拌器2設有上下兩組扇葉，上組扇葉14垂直且帶有條狀孔，下組扇葉15與罐體1的底面呈夾角；罐體1的材料為不鏽鋼，在罐體上設有透明的窺視窗；水浴鍋3中設有微型循環泵21；水浴鍋3中設有大小兩種功率的電熱管；電機17為減速電機。
本發明的雙外流型實驗室發酵罐採用了獨立罐體進行外加熱系統的設計方案。在罐體側壁附加一個管狀突出體，液相外流物的過濾網設在其中。罐體內安裝攪拌系統，罐頂部安裝加入飼料的加料口、人工唾液引管，罐體下部有無氧二氧化碳氣體注入口等。攪拌系統是一個貫穿於罐體上下具有兩組扇葉的攪拌器，其上端固定在罐的頂蓋上，底端插入罐底的一個特製不鏽鋼底座上。攪拌器的驅動由減速電機完成。
上述技術方案的實施，解決了現有雙外流型實驗室發酵罐存在的關鍵技術問題。其優點主要體現在以下幾方面(1)移於罐外的加熱系統，使發酵內容物被間接加熱，即使對發酵內容物中溫度敏感型的微生物來說，也不會因為局部溫度過高而影響其生長。(2)負責液相外流速度控制的濾網部分被移至罐體外部的管狀突出體內，管狀突出體與罐體合為一體，不僅沒有影響液相外流部分的功能，而且在拆裝液相網篩時不涉及加料口、攪拌器、人工唾液引管等裝置，所以使液相網篩的拆裝清理極為方便；(3)使用減速電機驅動的攪拌器之攪拌速度非常接近瘤胃的蠕動速度，可以充分模擬瘤胃發酵過程，保持了瘤胃原蟲和細菌數量、瘤胃pH、揮發性脂肪酸含量及微生物合成效率等指標與活體內瘤胃試驗結果相比的良好重現性；(4)由於加熱系統及液相外流速度控制的濾網的外移，使攪拌器的扇葉可貫穿於罐體上下左右，加上攪拌器軸心的固定，使扇葉轉動時軸心不偏離，兩組扇葉能夠有效地保證整罐發酵液攪拌均勻一致。另外，本發明的模擬瘤胃發酵的雙外流實驗室發酵罐還具有意想不到的效果(1)兩組扇葉的攪拌器使發酵內容物表面不易產生過多泡沫，因而避免了泡沫堵塞固相外流出口的現象發生；(2)由恆溫水浴鍋在罐外對發酵內容物集中加熱，水浴鍋內溫水經微型循環泵強制循環，使瘤胃發酵液所受溫度恆定，置於同一水浴鍋中的不同發酵罐間的溫度差異範圍＜0.1℃。


圖1為本發明所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐結構示意圖。
圖中1.罐體 2.攪拌器 3.水浴鍋 4.管狀突出體 5.濾網 6.液相外流管 7.固相外流管 8.罐蓋 9.加料口 10.人工唾液引管 11.攪拌器軸承 12.攪拌軸 13.懸臂 14.上組扇葉 15.下組扇葉 16.攪拌軸底座 17.電機 18.無氧氣體進口 19.大功率電熱管 20.小功率電熱管 21.微循環泵下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的說明如
圖1所示，發酵罐包括罐體(1)、置於罐體(1)內部的攪拌器(2)和對罐體(1)進行加熱的水浴鍋(3)。罐體(1)為1-2L的不鏽鋼材質罐，內徑為12.5cm，高30cm，其一側設有一個體積為100-150ml的管狀突出體(4)，管狀突出體(4)高15cm，在其下半部位有一1×6cm的孔隙與罐體直接相通，上口有膠塞密封。管狀突出體(4)的腔內裝有筒狀不鏽鋼濾網(5)，它的下側恰好堵在突出體與罐體相通的孔隙上。濾網的網眼直徑為50-80微米，通過該濾網濾過的發酵內容物液體部分通過密閉的液相外流管(6)由附屬設備恆流泵定量吸走。在罐體的管狀突出體(4)的對側，安裝一直徑為2cm的固相外流管(7)。由於罐體不透明，在罐體固相外流物出口與筒狀突出體間的外表面留出一個橢圓形窺視窗，再用透明度好的聚乙烯塑料密封，使操作者容易觀察到發酵罐內部的運行情況。罐體上部為罐蓋(8)，其上安裝加料口(9)和人工唾液引管(10)。攪拌器(2)包括攪拌器軸承(11)、攪拌軸(12)、懸臂(13)、上組扇葉(14)、下組扇葉(15)和攪拌軸底座(16)等。攪拌軸(12)通過安裝在罐蓋(8)中心部位的軸承(11)固定在罐蓋(8)上。攪拌軸(12)的上端與10-30轉/分的減速電機(17)相連，下端為半球狀，直接插入罐底中心的攪拌軸底座(16)的凹窩內，完全避免了攪拌器由於擺動碰壁可能引起的停止攪拌現象發生。攪拌軸上2/3部位安裝一懸臂(13)，其長度較罐體內徑小10mm，用於平衡固定上組扇葉(14)。上組扇葉為兩片，每片均為長方形，中間部位有兩個條形空隙，以減少攪拌時的阻力。上組扇葉在攪拌軸上的安裝部位恰好是使其轉動平面位於發酵內容物液面之下，以避免發酵內容物表面產生泡沫。攪拌器下組扇葉(15)也為大小相同的兩片，直接固定在攪拌軸上。上下兩組扇葉在水平面上的投影呈交叉狀。下組扇葉的葉面與罐底平面呈60°角，其下緣緊貼發酵罐的底面，轉動時使可能沉於底部的發酵內容物都能全部攪拌起來，形成的物流衝向上組扇葉(14)，被其帶走，周而復始，保證發酵內容物沒有任何沉積。在罐體的管狀突出體(4)的下面，安裝有一長5cm、直徑0.5cm的不鏽鋼管，作為無氧氣體二氧化碳進口(18)，外部通過耐壓膠管與高壓二氧化碳鋼瓶相接，內端通向發酵內容物，以保持發酵內容物的厭氧環境。罐體被固定在水浴鍋(3)中，發酵內容物的加熱由水浴鍋的大功率電熱管(19)和小功率電熱管(20)完成。大功率電熱管(19)的功率為2000瓦，小功率電熱管(20)的功率為800瓦。大功率電熱管通過與時間繼電器相聯使發酵內容物快速加熱至39℃，然後由小功率電熱管通過與控溫儀聯接實施溫度補償來維持發酵物質的恆溫。水浴鍋中加熱介質是水。為了保證水浴鍋各處加熱均勻，在水浴鍋一角安裝了一個量程為2米的微型循環泵(21)，用於溫水的強制循環。
模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐的工作方式如下首先開啟水浴鍋的大功率加熱管(19)使發酵罐快速加熱並由小電熱管(20)恆溫至39℃，將待發酵的飼料與瘤胃液一道通過加料口(9)裝入已預熱的發酵罐中，通過微型循環泵(21)的工作，保持溫水在水浴鍋內的連續循環。開啟高壓二氧化碳氣體鋼瓶，使二氧化碳通過發酵罐上的二氧化碳氣體進口(18)以每分鐘100-200ml的速度進入發酵內容物，以保持發酵過程的厭氧環境。利用恆流泵通過罐蓋(8)上的人工唾液引管(10)向發酵罐內導入人工唾液，以維持發酵液6.8-7.2的pH條件。幾乎在瘤胃微生物對飼料進行發酵的開始，啟動與攪拌器相接的電機(17)。通過攪拌軸(12)的傳動，攪拌器的上組扇葉(14)和下組扇葉(15)開始工作，使發酵內容物的攪拌速度與瘤胃蠕動速度保持一致。通過設定人工唾液進入量和液相發酵內容物的外流量多少，可以達到所要求的液相和固相內容物外流速度。在大多數情況下，液相和固相內容物的外流速度分別設定為每小時10％和5％，這樣可以維持發酵罐內的發酵過程與動物瘤胃內的狀況相類似。在發酵過程中，通過罐體上的窺視窗可以隨時觀察到發酵罐內部的運行情況，以便及時根據需要進行調整。
利用本發明的模擬瘤胃發酵的雙外流實驗室發酵罐進行了實驗，對比了本發明與公知的設備及反芻動物瘤胃的發酵參數，結果列於表1。通過比較可以看出，本發明的雙外流實驗室發酵罐在蠕動或攪拌速度、厭氧狀況、總揮發性脂肪酸含量等指標上較公知的設備更好，而十分接近反芻動物瘤胃發酵的情況。所以，本發明能夠更準確地模擬瘤胃發酵過程。
表1 本發明與公知的設備及反芻動物瘤胃發酵參數的對比項目 公知設備 反芻動物瘤胃本發明設備溫度(℃) 39 37-40 39pH 6.85.0-7.0 6.4-7.2蠕動或攪拌速度(次數/分) 65 3-5 4厭氧狀況 一般 高度良好氨態氮含量(mg/100ml) 12.2-17.3 9.8-12 6.9-15.0細菌數量(×109/ml) - 10-100 8-152原蟲數量(×103/ml) - 1-100 2-54總揮發性脂肪酸含量(毫摩爾) 154-16775-150 68-128乙酸比例(％) 60-66 60-75 58-66丙酸含量(％) 19-22 15-20 22-25丁酸含量(％) 9-12 6-129-14戊酸含量(％) 2.5-2.81.1-1.2 0.8-2有機物質消化率(％) 56-60 53-59 55-6權利要求
1.一種模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐包括罐體(1)、置於罐體(1)內部的攪拌器(2)、與攪拌器(2)相接的電機(17)、加熱裝置、加料口(9)、無氧氣體進口(18)、人工唾液引管(10)、固相外流管(7)，其特徵在於，在罐體(1)的側壁設有一個向外突出的管狀突出體(4)，該管狀突出體(4)與罐體(1)相通，該管狀突出體(4)內裝有濾網(5)；加熱裝置為水浴鍋(3)，罐體(1)置於水浴鍋(3)中。
2.根據權利要求1所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，其攪拌器(2)設有上下兩組扇葉，上組扇葉(14)垂直且帶有條狀孔，下組扇葉(15)與罐體(1)的底面呈夾角。
3.根據權利要求1所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，罐體(1)的材料為不鏽鋼，在罐體上設有透明的窺視窗。
4.根據權利要求1所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，水浴鍋(3)中設有微型循環泵(21)。
5.根據權利要求1所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，水浴鍋(3)中設有大小兩種功率的電熱管。
6.根據權利要求1所述的模擬瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐，其特徵在於，電機(17)為減速電機。
全文摘要
本發明公開了一種用於模擬牛羊等反芻動物瘤胃發酵的雙外流型實驗室發酵罐。技術方案包括罐體1、攪拌器2、電機17、加熱裝置、加料口9、無氧氣體進口18、人工唾液引管10、固相外流管7,特徵是,在罐體1的側壁設有一個向外突出且與罐體內部相通、其內裝有濾網5的管狀突出體4;加熱裝置為水浴鍋3。本發明具有發酵內容物攪拌均勻,受熱一致,模擬效果好,液相網篩拆裝更換方便等優點。
文檔編號C12M1/02GK1370826SQ0110446
公開日2002年9月25日 申請日期2001年2月27日 優先權日2001年2月27日
發明者孟慶翔, 賈鳳山, 夏兆剛, 肖訓軍, 閔曉梅, 高巍, 趙遵陽, 常影, 張騫 申請人:中國農業大學