專利名稱：一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反芻動物營養(yǎng)研究技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發(fā)酵的固相、液相、氣相三相分流式排放的連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)及其發(fā)酵方法。
背景技術(shù)：
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(fā)酵，研究證明，飼料中的干物質(zhì)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(jī)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(nèi)發(fā)酵，僅約10%在大腸消化，半纖維素很少或未發(fā)現(xiàn)在瘤胃后消化的。瘤胃作為一個生物發(fā)酵罐，應(yīng)當(dāng)具備適宜于種群復(fù)雜、數(shù)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(fā)生相應(yīng)變化。但是，微生物的生存環(huán)境，包括營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、酸堿度等又要求相對穩(wěn)定，因此，瘤胃內(nèi)各種環(huán)境因素又必須隨時處于嚴(yán)密的調(diào)控之中。目前，研究瘤胃的方法主要有三種，分別為體內(nèi)法、半體內(nèi)法和體外法。體內(nèi)法是指在動物的左臁部瘤胃背囊處安裝永久性瘤胃瘺管，通過瘺管采集瘤胃內(nèi)容物樣品進(jìn)行微生物學(xué)研究或飼料營養(yǎng)價值的評定。體內(nèi)法研究一直是測定飼料營養(yǎng)價值最常用的方法，但是它存在試驗(yàn)周期長，環(huán)境條件不易控制等缺點(diǎn)，這使得該方法不適用于大規(guī)模的飼料評定，只能作為一種參比方法。半體內(nèi)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，通過瘤胃瘺管懸置于瘤胃中測定飼料營養(yǎng)成分的消化情況。該法被廣泛應(yīng)用于評價飼料在瘤胃中的降解程度，但該法需要帶瘺管的反芻動物，其測定結(jié)果受多種外界因素影響，導(dǎo)致測定結(jié)果變異較大。體外法是指采集新鮮瘤胃食糜或瘤胃液， 在模擬瘤胃條件的裝置中進(jìn)行微生物培養(yǎng)，所以又稱人工瘤胃法，相對于體內(nèi)法、半體內(nèi)法來說，體外法具有操作簡單、省時省力、環(huán)境條件容易控制、重復(fù)性好等特點(diǎn)，并且，它可以在較短時間內(nèi)測定大量的飼料樣品。該法適合于實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)分析，這對于日趨復(fù)雜的現(xiàn)代反芻動物營養(yǎng)學(xué)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(yǎng)法和連續(xù)培養(yǎng)法。批次培養(yǎng)法是將微生物接種物和發(fā)酵底物一次性加入發(fā)酵容器里，經(jīng)一定時間培養(yǎng)后，在固定時間內(nèi)結(jié)束培養(yǎng)，故又屬于靜態(tài)發(fā)酵，該法由于不能實(shí)現(xiàn)底物和產(chǎn)物的分離， 導(dǎo)致瘤胃發(fā)酵環(huán)境發(fā)生改變，因此不適合于長期體外模擬發(fā)酵試驗(yàn)。批次培養(yǎng)法主要有兩階段法、產(chǎn)氣法和簡單消化法等。然而，體外連續(xù)培養(yǎng)法實(shí)現(xiàn)了底物(飼料)和緩沖液的連續(xù)進(jìn)入和食糜(固相和液相)的連續(xù)排出，因而更加接近活體內(nèi)瘤胃發(fā)酵情況，相比于批次培養(yǎng)法來說具有更準(zhǔn)確的模擬瘤胃內(nèi)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。目前國際上應(yīng)用較廣的體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)主要有單外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)和雙外流連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)。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(tǒng)；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(tǒng)。單外流連續(xù)體外發(fā)酵裝置的典型代表的特點(diǎn)是把被測日糧放入尼龍袋中，再把尼龍袋放入發(fā)酵罐內(nèi)供微生物降解，但該裝置沒有考慮瘤胃內(nèi)的固相和液相外流速度不同的情況，而且產(chǎn)氣量的測定存在較大誤差。雙外流連續(xù)體外發(fā)酵裝置的典型代表為連續(xù)培養(yǎng)裝置，該裝置依靠發(fā)酵罐內(nèi)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(xù)向發(fā)酵罐內(nèi)通入C02維持發(fā)酵罐內(nèi)的厭氧環(huán)境， 但是該裝置無法準(zhǔn)確區(qū)分已發(fā)酵和剛投入的飼料，無法測定單一飼料的消化率。隨后，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Harmah等人設(shè)計了一套連續(xù)培養(yǎng)裝置，該裝置雖然實(shí)現(xiàn)了氣、液、固相的分離，并采用了磁力攪拌系統(tǒng)和內(nèi)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，而且采用的是內(nèi)加熱的方式，存在著加熱不勻的現(xiàn)象。目前，瘤胃模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍包括纖維素消化及其影響因素；非蛋白氮的應(yīng)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(yǎng)價值評定；瘤胃發(fā)酵動力學(xué)研究；瘤胃微生物及其與宿主間的共生關(guān)系；極端情況(如高精料，高稀釋率)下瘤胃的發(fā)酵情況；藥物和能源開發(fā)研究(如產(chǎn)甲烷菌)等?；铙w外研究方法的優(yōu)越性使得人們越來越重視瘤胃模擬技術(shù)的運(yùn)用。但是，由于影響人工瘤胃模擬技術(shù)的因素很多，如PH，稀釋率，攪拌速率，飼喂量，飼喂頻率等。因此，控制好體外發(fā)酵條件對試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和科學(xué)性至關(guān)重要。而且人工瘤胃裝置需要長時間的連續(xù)工作，整個過程中需要實(shí)時補(bǔ)液，實(shí)時收集發(fā)酵時產(chǎn)生的氣體，持續(xù)攪拌，定時添加飼料，采集液體、固體樣品，因此工作繁重，需要占用大量人力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種用于模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發(fā)酵的固相、液相、氣相三相分流式排放的連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)及其發(fā)酵方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，包括發(fā)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(jī)f、CH4, CO2檢測儀j ；所述發(fā)酵罐體a由罐體體部3和發(fā)酵罐蓋2蓋合密封構(gòu)成；該發(fā)酵罐體a外壁采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間夾有保溫水層7 ；在該發(fā)酵罐體a外壁的下側(cè)設(shè)有保溫水入口 10，上側(cè)設(shè)有保溫水出口 4 ；所述攪拌裝置b安裝在發(fā)酵罐蓋2上，置于罐體體部3內(nèi)；在發(fā)酵罐體a的側(cè)壁上開設(shè)有溢流管14，用以排出溢流液；在溢流管14內(nèi)設(shè)有濾筒12，在溢流管14 上向下方開設(shè)有溢流管支管13 ；發(fā)酵罐體a通過該溢流管支管13與排液閥c相連通；在發(fā)酵罐蓋2上還設(shè)有排氣口 17與排液閥c相連通；該發(fā)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(wǎng)8 ；在該底部錐形的底端開設(shè)有固相食糜出口 9，通過球閥與排固裝置d相通；在發(fā)酵罐體a上開設(shè)有緩沖液入口 11，通過該緩沖液入口 11與所述注射泵e相連通；在發(fā)酵罐蓋2上還設(shè)有檢氣口 18，用以與CH4、CO2檢測儀j相連通；在發(fā)酵罐蓋2上還設(shè)有進(jìn)氣口 19和飼料入口 1 ；該進(jìn)氣口 19用以向發(fā)酵罐體a內(nèi)注入氣體；該飼料入口 1用以向發(fā)酵罐體a內(nèi)投放飼料；在該發(fā)酵罐體a的側(cè)壁上開設(shè)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(jī)21、聯(lián)軸器20和槳葉22 ；所述電機(jī)21通過聯(lián)軸器20 的傳動，帶動槳葉22轉(zhuǎn)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，用以通過緩沖液入口 11向發(fā)酵罐體a內(nèi)注入緩沖液；所述計算機(jī)f至少包括信號采集部分和程序控制部分；該信號采集部分與CH4、C02 檢測儀j、溫度探頭i和PH探頭h相連接，用以接收其采集獲得的信號數(shù)據(jù)；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(jìn)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(gòu)成；該排液閥c外壁采用雙層結(jié)構(gòu)， 兩層之間夾有冷卻水層32 ；在該排液閥c外壁的下側(cè)設(shè)有冷卻水入口 29，上側(cè)設(shè)有冷卻水出口 23 ；在閥蓋M上設(shè)有進(jìn)液口 26，用以與所述溢流管支管13相連通；在閥蓋M上還設(shè)有排液口 27 ；該排液口 27受置于排液閥c內(nèi)的浮球杠桿30控制打開或關(guān)閉；在閥蓋M上還設(shè)有進(jìn)氣口 25與發(fā)酵罐體a的排氣口 17相連通；在閥蓋M的底側(cè)還開設(shè)有排污口 28。所述排固裝置d由閥體34和活塞33構(gòu)成；閥體34上設(shè)有固相食糜入口 35，用以與所述發(fā)酵罐體a上的固相食糜出口 9相連通；在閥體34底側(cè)設(shè)有固相食糜出口 37 ；所述活塞33置于閥體34內(nèi)，用以將排固裝置d內(nèi)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(cè)還設(shè)有緩沖液入口 36。在所述CH4、0)2檢測儀j的前端還設(shè)置有氣體流量計g，用以對氣體的流量進(jìn)行檢測；該氣體流量計g與所述計算機(jī)f的信號采集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)f。所述發(fā)酵系統(tǒng)還設(shè)有五個閥門k、1、m、η、ο ；所述發(fā)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(jīng)三通分成兩條支路，一條支路經(jīng)閥門k與大氣相通，另一條支路在通過閥門1后又分為兩條支路；該閥門1后的兩條支路，一條與CH4、O)2 檢測儀j相連接，另一路再經(jīng)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(fā)酵罐體a的進(jìn)氣口 19 ；在CH4、0)2檢測儀j的輸出端還設(shè)有閥門η ；所述閥門k、1、m、η、ο均與所述計算機(jī)f的程序控制部分相連接，受計算機(jī)f的控制。一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵方法，基于上述的發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該發(fā)酵方法包括如下步驟步驟1，設(shè)定發(fā)酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉(zhuǎn)速、注射泵注入緩沖液的頻率、液體稀釋率、CH4, CO2檢測儀的檢測間隔時間；步驟2，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入一定量的緩沖液，待發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度上升到所述發(fā)酵罐體保溫水的溫度后，接種與所加入緩沖液等體積的瘤胃液；步驟3，注射泵根據(jù)所設(shè)定的注入緩沖液的頻率，向發(fā)酵罐體內(nèi)持續(xù)注入緩沖液；步驟4，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入飼料，并通入隊氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣后，將發(fā)酵罐體密封；步驟5，計算機(jī)實(shí)時監(jiān)測發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度值和pH值，并通過CH4、0)2檢測儀按照設(shè)定的時間間隔檢測所產(chǎn)生發(fā)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；重復(fù)上述步驟3至步驟6，直至發(fā)酵反應(yīng)結(jié)束。所述步驟1之前還設(shè)置有對發(fā)酵罐體氣密性進(jìn)行檢測的步驟，該步驟如下
通過進(jìn)氣口向發(fā)酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發(fā)酵罐體內(nèi)的壓力狀況是否穩(wěn)定。如果壓力狀況不穩(wěn)定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩(wěn)定。對于所述步驟4中，通入N2氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門m、1，同時打開閥門O，向發(fā)酵罐體通入N2氣體；其次，排出發(fā)酵罐體內(nèi)剩余空氣后，關(guān)閉閥門O，并開啟閥門k。對于所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產(chǎn)生發(fā)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(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門k、m、n，同時開啟閥門1，使所產(chǎn)生發(fā)酵氣體進(jìn)入CH4、CO2檢測儀；
其次，關(guān)閉閥門m、1，同時開啟閥門k，關(guān)閉CH4、CO2檢測儀的進(jìn)氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發(fā)酵氣體進(jìn)行檢測，并將所檢測發(fā)酵氣體中CH4、o)2的含量發(fā)送給計算機(jī)；最后，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(fā)酵氣體后，關(guān)閉閥門m、η。本發(fā)明的有益效果是(1)解決了現(xiàn)有雙外流瘤胃模擬發(fā)酵裝置不能收集、計量發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體的缺點(diǎn)。(2)該發(fā)酵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)固相、液相、氣相的分別連續(xù)排放，而且固相、液相分離率高，只需通過相應(yīng)計量手段就可實(shí)現(xiàn)排出的固相、液相、氣相精確計量。(3)自動化程度高，可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵環(huán)境的自動監(jiān)測和系統(tǒng)的自動控制。


圖1為固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為發(fā)酵罐體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為排液閥結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為排固裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為本發(fā)明固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該發(fā)酵系統(tǒng)包括發(fā)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(jī)f、CH4、 CO2檢測儀j。所述發(fā)酵罐體a為整個發(fā)酵系統(tǒng)的核心反應(yīng)裝置，其他各個裝置均用以協(xié)調(diào)發(fā)酵罐體a內(nèi)的反應(yīng)工作。圖2為發(fā)酵罐體的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖1、圖2，該發(fā)酵罐體a由罐體體部3和發(fā)酵罐蓋2蓋合密封構(gòu)成。該發(fā)酵罐體a外壁采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間夾有保溫水層7。在該發(fā)酵罐體a外壁的下側(cè)設(shè)有保溫水入口 10，上側(cè)設(shè)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(fā)酵罐體保溫水，以維持罐內(nèi)發(fā)酵溫度的恒定。由于瘤胃發(fā)酵的反應(yīng)溫度通常為39°C，因此該發(fā)酵罐體保溫水的溫度為39°C。該攪拌裝置 b安裝在發(fā)酵罐蓋2上，置于罐體體部3內(nèi)。在發(fā)酵罐體a的側(cè)壁上開設(shè)有溢流管14，用以排出溢流液。在溢流管14內(nèi)設(shè)有濾筒12，用以過濾溢流液。在溢流管14上向下方開設(shè)有溢流管支管13。發(fā)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(shè)位置決定了發(fā)酵罐體a內(nèi)的液面位置，當(dāng)發(fā)酵罐體a內(nèi)的液面超過溢流管支管13的開設(shè)位置時，罐內(nèi)液體會自動通過溢流管支管13排到排液閥c內(nèi)。另外，在發(fā)酵罐蓋2上還設(shè)有排氣口 17，用以與排液閥c相連通。該發(fā)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(wǎng)8，不同孔徑的篩網(wǎng)可以根據(jù)試驗(yàn)的需要進(jìn)行更換。當(dāng)發(fā)酵罐體 a內(nèi)的飼料在微生物的作用下，降解到一定細(xì)度時，即可穿過篩網(wǎng)8，積聚在發(fā)酵罐體a的底部。在該底部錐形的底端開設(shè)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(fā)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(fā)酵罐體a上開設(shè)有緩沖液入口 11，通過該緩沖液入口 11與所述注射泵e相連通。在發(fā)酵罐蓋2上還設(shè)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(fā)酵罐蓋2上還設(shè)有進(jìn)氣口 19和飼料入口 1。該進(jìn)氣口 19用以向發(fā)酵罐體a內(nèi)注入氣體。該飼料入口 1用以向發(fā)酵罐體a內(nèi)投放飼料。在該發(fā)酵罐體a的側(cè)壁上開設(shè)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(fā)酵罐體內(nèi)的溫度值和pH值。圖3為攪拌裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，所述攪拌裝置b包括電機(jī)21、聯(lián)軸器 20和槳葉22。其中，電機(jī)21通過聯(lián)軸器20的傳動，帶動槳葉22轉(zhuǎn)動，以攪拌發(fā)酵罐體a 內(nèi)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，用以通過緩沖液入口 11向發(fā)酵罐體a內(nèi)注入緩沖液該注射泵e通過以恒定速度向發(fā)酵罐體a內(nèi)注入緩沖液，以維持發(fā)酵罐體a內(nèi)PH值在6-7之間。本系統(tǒng)中，所用緩沖液是依據(jù)反芻動物唾液成分配制而成的，其主要成分為每 IOOOml 緩沖液中含 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(jìn)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(nèi)酸堿平衡，故本系統(tǒng)的緩沖液即模擬反芻動物分泌唾液，并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(jī)f為整個發(fā)酵系統(tǒng)的信號采集及程序控制裝置。該計算機(jī)f至少包括信號采集部分和程序控制部分兩部分。該信號采集部分與CH4、o)2檢測儀j、溫度探頭i和 PH探頭h相連接，用以接收其采集獲得的信號數(shù)據(jù)。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(jìn)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(jié)構(gòu)的瘤胃模擬發(fā)酵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐體內(nèi)發(fā)酵所產(chǎn)生的固相、液相和氣相產(chǎn)物可以高效分離，分別進(jìn)入排固裝置、排液閥和CH4、CO2檢測儀。只需通過相應(yīng)的計量手段就可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)排出的三相產(chǎn)物的精確計量，從而方便對不同飼料發(fā)酵反應(yīng)效果進(jìn)行深入研究。同時，由于設(shè)計有不斷對發(fā)酵罐體補(bǔ)入緩沖液的注射泵，從而解決了現(xiàn)有靜態(tài)發(fā)酵裝置不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵的缺點(diǎn)。并且，該系統(tǒng)整個控制過程全部可以由計算機(jī)進(jìn)行高程度的自動化控制，可全程實(shí)現(xiàn)發(fā)酵環(huán)境的自動監(jiān)測和系統(tǒng)的自動控制。
所述排液閥c置于低于發(fā)酵罐體a處。圖4為排液閥的結(jié)構(gòu)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(gòu)成。該排液閥c外壁采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間夾有冷卻水層32。在該排液閥c外壁的下側(cè)設(shè)有冷卻水入口 29，上側(cè)設(shè)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(nèi)的溫度恒定， 從而迅速停止流入排液閥內(nèi)溢流液的發(fā)酵反應(yīng)。因?yàn)榱鑫竷?nèi)微生物在反應(yīng)體系溫度等于或低于4°C時，會喪失活性，不能繼續(xù)分解飼料進(jìn)行發(fā)酵，故為了能夠迅速停止流入溢流液的發(fā)酵反應(yīng)，本實(shí)施例中該排液閥冷卻水的溫度設(shè)定為4°C。在閥蓋M上設(shè)有進(jìn)液口 26，用以與所述溢流管支管13相連通。在閥蓋M上還設(shè)有排液口 27。該排液口 27受置于排液閥c內(nèi)的浮球杠桿30控制打開或關(guān)閉。同時，為了保持排液閥c與發(fā)酵罐體a內(nèi)的氣壓一致以能順暢排出溢流液，在閥蓋對上還設(shè)有進(jìn)氣口 25與發(fā)酵罐體a的排氣口 17相連通。 另外，在閥蓋M的底側(cè)還開設(shè)有排污口 28，用以排出流入排液閥c內(nèi)的固相雜質(zhì)。圖5為排固裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該排固裝置d由閥體34和活塞33構(gòu)成。閥體34上設(shè)有固相食糜入口 35，用以與所述發(fā)酵罐體a上的固相食糜出口 9相連通。 在閥體；34底側(cè)設(shè)有固相食糜出口 37。所述活塞33置于閥體34內(nèi)，用以將排固裝置d內(nèi)的固相食糜從固相食糜出口 37推出。由于發(fā)酵罐內(nèi)i內(nèi)的飼料在微生物的作用下不斷分解代謝，累積的代謝產(chǎn)物會改變發(fā)酵體系的酸堿平衡，因此需要注入緩沖液來調(diào)節(jié)發(fā)酵體系的酸堿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(cè)還設(shè)有緩沖液入口 36，以補(bǔ)充排出固相食糜時所帶出的液相成分。另外，本發(fā)明的發(fā)酵系統(tǒng)除了設(shè)置CH4、C02檢測儀j對發(fā)酵罐體a所發(fā)酵產(chǎn)生的氣體中CH4、0)2的含量進(jìn)行檢測外，還在CH4、0)2檢測儀j的前端設(shè)置有氣體流量計g，用以對氣體的流量進(jìn)行檢測。該氣體流量計g與所述計算機(jī)f的信號采集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)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(jìn)行自動化控制，在所述發(fā)酵系統(tǒng)中還設(shè)有五個閥門k、l、m、n、o。如圖1所示，所述發(fā)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(jīng)三通分成兩條支路，一條支路經(jīng)閥門k與大氣相通，另一條支路在通過閥門1后又分為兩條支路。該閥門1后的兩條支路， 一條與CH4、CO2檢測儀j相連接，另一路再經(jīng)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(fā)酵罐體a的進(jìn)氣口 19。在 CH4, CO2檢測儀j的輸出端還設(shè)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(jī)f的程序控制部分相連接，受計算機(jī)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(jìn)行自動化控制。上述結(jié)構(gòu)的固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)在實(shí)際操作過程中是通過下述發(fā)酵方法進(jìn)行控制的。圖6為該發(fā)酵方法的流程圖。如圖所示，該發(fā)酵方法包括如下步驟步驟1，設(shè)定發(fā)酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉(zhuǎn)速、注射泵注入緩沖液的頻率、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、羊不斷的采食飼料和飲水進(jìn)入瘤胃中被微生物發(fā)酵，故新注入的飼料和水會使瘤胃內(nèi)原有的內(nèi)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。
這里，各個參數(shù)的設(shè)定值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)整。本實(shí)施例中，上述參數(shù)的設(shè)定值分別為發(fā)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(zhuǎn)速為15rpm、注射泵注入緩沖液的頻率為200次/min、液體稀釋率為1. 2。步驟2，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入一定量的緩沖液，待發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度上升到所述發(fā)酵罐體保溫水的溫度后，接種與所加入緩沖液等體積的瘤胃液；這里，由于是第一次向發(fā)酵罐體內(nèi)一次性加入一定量的緩沖液，因此緩沖液可以通過注射泵e緩慢加入，也可以選擇通過飼料入口 1直接加入。而所加入的緩沖液的量可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而定，本實(shí)施例中是向發(fā)酵罐體內(nèi)加入500ml的緩沖液。步驟3，注射泵根據(jù)所設(shè)定的注入緩沖液的頻率，向發(fā)酵罐體內(nèi)持續(xù)注入緩沖液；步驟4，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入飼料，并通入隊氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣后，將發(fā)酵罐體密封；這里，飼料是通過飼料入口 1投入的，隊氣體是通過進(jìn)氣口 19通入的。通入隊氣體的時間應(yīng)當(dāng)以罐內(nèi)所剩余的空氣狀況而定，本實(shí)施例中設(shè)定為通入IOs的隊氣體。完成上述步驟4后，該發(fā)酵罐體內(nèi)即開始發(fā)酵反應(yīng)。步驟5，計算機(jī)實(shí)時監(jiān)測發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度值和pH值，并通過CH4、0)2檢測儀按照設(shè)定的時間間隔檢測所產(chǎn)生發(fā)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；重復(fù)上述步驟3至步驟6，直至發(fā)酵反應(yīng)結(jié)束。通過上述發(fā)酵方法，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時監(jiān)測發(fā)酵反應(yīng)過程中發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度值、 PH值以及所產(chǎn)生發(fā)酵氣體中CH4、CO2的含量，并能夠定時收集反應(yīng)所產(chǎn)生的液相、固相產(chǎn)物。整個反應(yīng)過程全部由計算機(jī)進(jìn)行自動控制。實(shí)驗(yàn)者可以方便、全面的掌握整個反應(yīng)過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。上述發(fā)酵過程可以通過定時的向發(fā)酵罐體內(nèi)補(bǔ)充飼料和緩沖液等反應(yīng)物，使得發(fā)酵罐體內(nèi)的發(fā)酵反應(yīng)可以持續(xù)不斷地進(jìn)行下去，可以滿足長時間反應(yīng)觀測的實(shí)驗(yàn)需要。在本實(shí)施例中，設(shè)定為每隔12小時向發(fā)酵罐體內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)束。另外，該發(fā)酵方法在上述步驟1之前還設(shè)置有對發(fā)酵罐體氣密性進(jìn)行檢測的步驟，該步驟如下通過進(jìn)氣口 19向發(fā)酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發(fā)酵罐體內(nèi)的壓力狀況是否穩(wěn)定？如果壓力狀況不穩(wěn)定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩(wěn)定。通過這樣的預(yù)先檢查，可以保證整個發(fā)酵反應(yīng)過程在理想的狀態(tài)下進(jìn)行，所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jìn)行自動化控制，本發(fā)明的發(fā)酵方法中還設(shè)計有針對所述五個閥門k、l、m、n、o的具體控制流程，具體如下所述對于所述步驟4中，通入N2氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門m、l，同時打開閥門0，向發(fā)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(fā)酵罐體內(nèi)剩余空氣后，關(guān)閉閥門O，并開啟閥門k，使發(fā)酵時產(chǎn)生的氣體，經(jīng)微量氣體流量計g計量后，從閥門k排出到大氣。由于微量氣體流量計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(fā)酵罐體內(nèi)的厭氧環(huán)境，以適于體外瘤胃模擬發(fā)酵的進(jìn)行。對于所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產(chǎn)生發(fā)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(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門k、m、η,同時開啟閥門1，使所產(chǎn)生發(fā)酵氣體進(jìn)入CH4、CO2檢測儀；其次，關(guān)閉閥門m、1，同時開啟閥門k，關(guān)閉CH4、CO2檢測儀的進(jìn)氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發(fā)酵氣體進(jìn)行檢測，并將所檢測發(fā)酵氣體中CH4、o)2的含量發(fā)送給計算機(jī)；最后，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(fā)酵氣體后，關(guān)閉閥門m、η。這樣，可以通過N2氣體沖洗CH4、CO2檢測儀，使之不會殘留有被檢測發(fā)酵氣體，而影響下一次檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上述對五個閥門k、l、m、n、o的控制，均采用計算機(jī)程序自動控制的方式完成。這樣，可以大大提高整個系統(tǒng)的自動化程度，減輕了實(shí)驗(yàn)人員的操作負(fù)擔(dān)，同時增加了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，提供一種用于模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發(fā)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(xù)發(fā)酵的發(fā)酵系統(tǒng)及其發(fā)酵方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在此設(shè)計思想之下所作任何不具有創(chuàng)造性的改造，均應(yīng)視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)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(jī)(f)、CH4、C02檢測儀(j)；所述發(fā)酵罐體(a)由罐體體部( 和發(fā)酵罐蓋( 蓋合密封構(gòu)成；該發(fā)酵罐體(a)外壁采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間夾有保溫水層(7)；在該發(fā)酵罐體(a)外壁的下側(cè)設(shè)有保溫水入口(10)，上側(cè)設(shè)有保溫水出口(4)；所述攪拌裝置(b)安裝在發(fā)酵罐蓋( 上，置于罐體體部(3)內(nèi)；在發(fā)酵罐體(a)的側(cè)壁上開設(shè)有溢流管(14)，用以排出溢流液；在溢流管(14)內(nèi)設(shè)有濾筒(12)，在溢流管(14)上向下方開設(shè)有溢流管支管(1 ；發(fā)酵罐體(a)通過該溢流管支管(13)與排液閥(c)相連通；在發(fā)酵罐蓋(2)上還設(shè)有排氣口(17)與排液閥(c)相連通；該發(fā)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(wǎng)(8)； 在該底部錐形的底端開設(shè)有固相食糜出口(9)，通過球閥與排固裝置(d)相通；在發(fā)酵罐體 (a)上開設(shè)有緩沖液入口(11)，通過該緩沖液入口(11)與所述注射泵(e)相連通；在發(fā)酵罐蓋⑵上還設(shè)有檢氣口(18)，用以與CH4、C02檢測儀(j)相連通；在發(fā)酵罐蓋⑵上還設(shè)有進(jìn)氣口(19)和飼料入口(1)；該進(jìn)氣口(19)用以向發(fā)酵罐體(a)內(nèi)注入氣體；該飼料入口(1)用以向發(fā)酵罐體(a)內(nèi)投放飼料；在該發(fā)酵罐體(a)的側(cè)壁上開設(shè)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(jī)、聯(lián)軸器OO)和槳葉02)；所述電機(jī)通過聯(lián)軸器OO)的傳動，帶動槳葉02)轉(zhuǎn)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)，用以通過緩沖液入口(11)向發(fā)酵罐體(a)內(nèi)注入緩沖液； 所述計算機(jī)(f)至少包括信號采集部分和程序控制部分；該信號采集部分與014、0)2檢測儀(j)、溫度探頭(i)和PH探頭(h)相連接，用以接收其采集獲得的信號數(shù)據(jù)；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(jìn)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(quán)利要求1所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述排液閥(c)由閥體(31)和閥蓋 (24)蓋合密封構(gòu)成；該排液閥(c)外壁采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間夾有冷卻水層(32)；在該排液閥(c)外壁的下側(cè)設(shè)有冷卻水入口(四)，上側(cè)設(shè)有冷卻水出口 ；在閥蓋04)上設(shè)有進(jìn)液口( )，用以與所述溢流管支管(13)相連通；在閥蓋04)上還設(shè)有排液口 (XT)； 該排液口 (XT)受置于排液閥(c)內(nèi)的浮球杠桿(30)控制打開或關(guān)閉；在閥蓋04)上還設(shè)有進(jìn)氣口 0 與發(fā)酵罐體(a)的排氣口(17)相連通；在閥蓋04)的底側(cè)還開設(shè)有排污口 (28)。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述排固裝置(d)由閥體(34)和活塞 (33)構(gòu)成；閥體(34)上設(shè)有固相食糜入口(35)，用以與所述發(fā)酵罐體(a)上的固相食糜出口(9)相連通；在閥體(34)底側(cè)設(shè)有固相食糜出口(37)；所述活塞(33)置于閥體(34) 內(nèi)，用以將排固裝置⑷內(nèi)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(cè)還設(shè)有緩沖液入口(36)。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于在所述CH4、C02檢測儀(j)的前端還設(shè)置有氣體流量計(g)，用以對氣體的流量進(jìn)行檢測；該氣體流量計(g)與所述計算機(jī)(f)的信號采集部分相連接，用以將所檢測的氣體流量數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)(f)。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)酵系統(tǒng)還設(shè)有五個閥門(k)、 (1)、(m)、(η)、(ο)；所述發(fā)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(jīng)三通分成兩條支路，一條支路經(jīng)閥門(k)與大氣相通，另一條支路在通過閥門(1)后又分為兩條支路；該閥門(1)后的兩條支路，一條與CH4、C02檢測儀(j)相連接，另一路再經(jīng)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(fā)酵罐體(a)的進(jìn)氣口 (19)；在CH4、C02檢測儀(j)的輸出端還設(shè)有閥門(η)；所述閥門(k)、(1)、(m)、(η)、(ο)均與所述計算機(jī)(f)的程序控制部分相連接，受計算機(jī)(f)的控制。
6.一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵方法，基于權(quán)利要求1所述的發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于該發(fā)酵方法包括如下步驟步驟1，設(shè)定發(fā)酵罐體保溫水的溫度、排液閥冷卻水的溫度、攪拌裝置的轉(zhuǎn)速、注射泵注入緩沖液的頻率、液體稀釋率、CH4, CO2檢測儀的檢測間隔時間；步驟2，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入一定量的緩沖液，待發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度上升到所述發(fā)酵罐體保溫水的溫度后，接種與所加入緩沖液等體積的瘤胃液；步驟3，注射泵根據(jù)所設(shè)定的注入緩沖液的頻率，向發(fā)酵罐體內(nèi)持續(xù)注入緩沖液； 步驟4，向發(fā)酵罐體內(nèi)加入飼料，并通入隊氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣后，將發(fā)酵罐體密封；步驟5，計算機(jī)實(shí)時監(jiān)測發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度值和pH值，并通過CH4、0)2檢測儀按照設(shè)定的時間間隔檢測所產(chǎn)生發(fā)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； 重復(fù)上述步驟3至步驟6，直至發(fā)酵反應(yīng)結(jié)束。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)酵方法，其特征在于所述步驟1之前還設(shè)置有對發(fā)酵罐體氣密性進(jìn)行檢測的步驟，該步驟如下通過進(jìn)氣口向發(fā)酵罐體中注入一定壓力的隊氣體，檢測發(fā)酵罐體內(nèi)的壓力狀況是否穩(wěn)定。如果壓力狀況不穩(wěn)定，則檢查各個接口氣密性，直至壓力狀況穩(wěn)定。
8.如權(quán)利要求6所述的發(fā)酵方法，基于權(quán)利要求5所述的發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于 對于所述步驟4中，通入隊氣體以排出罐內(nèi)剩余的空氣的步驟具體通過以下閥門控制方法實(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門(m)、(1)，同時打開閥門(ο)，向發(fā)酵罐體通入N2氣體； 其次，排出發(fā)酵罐體內(nèi)剩余空氣后，關(guān)閉閥門(ο)，并開啟閥門(k)。
9.如權(quán)利要求6所述的發(fā)酵方法，基于權(quán)利要求5所述的發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于 對于所述步驟5中，通過CH4、0)2檢測儀檢測所產(chǎn)生發(fā)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(shí)現(xiàn)首先，關(guān)閉閥門(k)、(m)、(n)，同時開啟閥門(1)，使所產(chǎn)生發(fā)酵氣體進(jìn)入CH4、CO2檢測儀；其次，關(guān)閉閥門(m)、⑴，同時開啟閥門(k)，關(guān)閉CH4、CO2檢測儀的進(jìn)氣口，CH4、CO2檢測儀對已輸入的發(fā)酵氣體進(jìn)行檢測，并將所檢測發(fā)酵氣體中CH4、0)2的含量發(fā)送給計算機(jī)； 最后，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(fā)酵氣體后，關(guān)閉閥門(m)、(η)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)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(jī)(f)、CH4、CO2檢測儀(j)。通過該發(fā)酵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐體內(nèi)發(fā)酵所產(chǎn)生的固相、液相和氣相產(chǎn)物可以高效分離，分別進(jìn)入排固裝置、排液閥和CH4、CO2檢測儀。通過相應(yīng)的計量手段就可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)排出的三相產(chǎn)物的精確計量，從而方便對不同飼料發(fā)酵反應(yīng)效果進(jìn)行深入研究。同時，由于設(shè)計有不斷對發(fā)酵罐體補(bǔ)入緩沖液的注射泵，從而解決了現(xiàn)有靜態(tài)發(fā)酵裝置不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵的缺點(diǎn)。并且，該系統(tǒng)整個控制過程全部可以由計算機(jī)進(jìn)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(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者卜登攀, 周凌云, 姜雅慧, 安朋朋, 徐俊, 楊紅建, 沈維軍, 王加啟, 陳強(qiáng) 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所