专利名称：一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统及方法
技术领域：
本发明涉及反刍动物营养研究技术领域，特别是涉及一种用于模拟牛、羊等反刍动物瘤胃发酵的固相、液相、气相三相分流式排放的连续发酵系统及其发酵方法。
背景技术：
反刍动物瘤胃的消化，主要依靠栖居在瘤胃中的各种微生物和原生动物对日粮中的各种成分的分解和发酵，研究证明，饲料中的干物质约40% 80%在瘤胃中消化，其中 80%为碳水化合物；约有60% 80%的有机物，10% 100%的粗脂肪也在瘤胃中消化，而总能量的23% 87%也在瘤胃中消化。尤其是饲料中的粗纤维，约90%在瘤胃内发酵，仅约10%在大肠消化，半纤维素很少或未发现在瘤胃后消化的。瘤胃作为一个生物发酵罐，应当具备适宜于种群复杂、数量巨大的瘤胃微生物在其中生长繁殖的条件，这些条件随着微生物的生长繁殖会发生相应变化。但是，微生物的生存环境，包括营养物质、温度、酸碱度等又要求相对稳定，因此，瘤胃内各种环境因素又必须随时处于严密的调控之中。目前，研究瘤胃的方法主要有三种，分别为体内法、半体内法和体外法。体内法是指在动物的左臁部瘤胃背囊处安装永久性瘤胃瘘管，通过瘘管采集瘤胃内容物样品进行微生物学研究或饲料营养价值的评定。体内法研究一直是测定饲料营养价值最常用的方法，但是它存在试验周期长，环境条件不易控制等缺点，这使得该方法不适用于大规模的饲料评定，只能作为一种参比方法。半体内法主要是指尼龙袋法，该方法是直接将饲料样品装入尼龙袋中，通过瘤胃瘘管悬置于瘤胃中测定饲料营养成分的消化情况。该法被广泛应用于评价饲料在瘤胃中的降解程度，但该法需要带瘘管的反刍动物，其测定结果受多种外界因素影响，导致测定结果变异较大。体外法是指采集新鲜瘤胃食糜或瘤胃液， 在模拟瘤胃条件的装置中进行微生物培养，所以又称人工瘤胃法，相对于体内法、半体内法来说，体外法具有操作简单、省时省力、环境条件容易控制、重复性好等特点，并且，它可以在较短时间内测定大量的饲料样品。该法适合于实验室的常规分析，这对于日趋复杂的现代反刍动物营养学研究来说显得尤为重要。目前，典型的体外法主要有批次培养法和连续培养法。批次培养法是将微生物接种物和发酵底物一次性加入发酵容器里，经一定时间培养后，在固定时间内结束培养，故又属于静态发酵，该法由于不能实现底物和产物的分离， 导致瘤胃发酵环境发生改变，因此不适合于长期体外模拟发酵试验。批次培养法主要有两阶段法、产气法和简单消化法等。然而，体外连续培养法实现了底物(饲料)和缓冲液的连续进入和食糜(固相和液相)的连续排出，因而更加接近活体内瘤胃发酵情况，相比于批次培养法来说具有更准确的模拟瘤胃内环境的优点。目前国际上应用较广的体外连续培养系统主要有单外流连续培养系统和双外流连续培养系统。单外流是指消化食糜固相和液相均以相同速度外流的系统；而双外流是将消化糜固相和液相外流速度分别加以控制的系统。单外流连续体外发酵装置的典型代表的特点是把被测日粮放入尼龙袋中，再把尼龙袋放入发酵罐内供微生物降解，但该装置没有考虑瘤胃内的固相和液相外流速度不同的情况，而且产气量的测定存在较大误差。双外流连续体外发酵装置的典型代表为连续培养装置，该装置依靠发酵罐内的过滤膜保持固体外流速度和液体外流速度的不同，通过持续向发酵罐内通入C02维持发酵罐内的厌氧环境， 但是该装置无法准确区分已发酵和刚投入的饲料，无法测定单一饲料的消化率。随后，美国明尼苏达大学的Harmah等人设计了一套连续培养装置，该装置虽然实现了气、液、固相的分离，并采用了磁力搅拌系统和内部加热方式，但是排出的固相食糜中液体居多，依然不能很好的将液相与固相分开，而且采用的是内加热的方式，存在着加热不勻的现象。目前，瘤胃模拟技术的应用范围包括纤维素消化及其影响因素；非蛋白氮的应用；瘤胃微生物的新陈代谢及其影响因素；反刍动物饲料的营养价值评定；瘤胃发酵动力学研究；瘤胃微生物及其与宿主间的共生关系；极端情况(如高精料，高稀释率)下瘤胃的发酵情况；药物和能源开发研究(如产甲烷菌)等。活体外研究方法的优越性使得人们越来越重视瘤胃模拟技术的运用。但是，由于影响人工瘤胃模拟技术的因素很多，如PH，稀释率，搅拌速率，饲喂量，饲喂频率等。因此，控制好体外发酵条件对试验结果的可靠性和科学性至关重要。而且人工瘤胃装置需要长时间的连续工作，整个过程中需要实时补液，实时收集发酵时产生的气体，持续搅拌，定时添加饲料，采集液体、固体样品，因此工作繁重，需要占用大量人力。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种用于模拟牛、羊等反刍动物瘤胃发酵的固相、液相、气相三相分流式排放的连续发酵系统及其发酵方法。本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统，包括发酵罐体a、搅拌装置b、排液阀C、排固装置d、注射泵e、计算机f、CH4, CO2检测仪j ；所述发酵罐体a由罐体体部3和发酵罐盖2盖合密封构成；该发酵罐体a外壁采用双层结构，两层之间夹有保温水层7 ；在该发酵罐体a外壁的下侧设有保温水入口 10，上侧设有保温水出口 4 ；所述搅拌装置b安装在发酵罐盖2上，置于罐体体部3内；在发酵罐体a的侧壁上开设有溢流管14，用以排出溢流液；在溢流管14内设有滤筒12，在溢流管14 上向下方开设有溢流管支管13 ；发酵罐体a通过该溢流管支管13与排液阀c相连通；在发酵罐盖2上还设有排气口 17与排液阀c相连通；该发酵罐体a上部为圆柱形，底部为锥形， 圆柱形罐体的底部水平安装有筛网8 ；在该底部锥形的底端开设有固相食糜出口 9，通过球阀与排固装置d相通；在发酵罐体a上开设有缓冲液入口 11，通过该缓冲液入口 11与所述注射泵e相连通；在发酵罐盖2上还设有检气口 18，用以与CH4、CO2检测仪j相连通；在发酵罐盖2上还设有进气口 19和饲料入口 1 ；该进气口 19用以向发酵罐体a内注入气体；该饲料入口 1用以向发酵罐体a内投放饲料；在该发酵罐体a的侧壁上开设有温度探测口 5 和PH值探测口 6，分别插入温度探头i和pH探头h ；所述搅拌装置b包括电机21、联轴器20和桨叶22 ；所述电机21通过联轴器20 的传动，带动桨叶22转动；所述排液阀C，用以排出流入的溢流液；
所述排固装置d，用以排出流入的固相食糜；所述注射泵e，用以通过缓冲液入口 11向发酵罐体a内注入缓冲液；所述计算机f至少包括信号采集部分和程序控制部分；该信号采集部分与CH4、C02 检测仪j、温度探头i和PH探头h相连接，用以接收其采集获得的信号数据；该程序控制装置与搅拌装置b、注射泵e和CH4、CO2检测仪j相连接，用以控制其进行工作；所述CH4、CO2检测仪j，用以检测输入气体中CH4、CO2的含量。所述排液阀c由阀体31和阀盖M盖合密封构成；该排液阀c外壁采用双层结构， 两层之间夹有冷却水层32 ；在该排液阀c外壁的下侧设有冷却水入口 29，上侧设有冷却水出口 23 ；在阀盖M上设有进液口 26，用以与所述溢流管支管13相连通；在阀盖M上还设有排液口 27 ；该排液口 27受置于排液阀c内的浮球杠杆30控制打开或关闭；在阀盖M上还设有进气口 25与发酵罐体a的排气口 17相连通；在阀盖M的底侧还开设有排污口 28。所述排固装置d由阀体34和活塞33构成；阀体34上设有固相食糜入口 35，用以与所述发酵罐体a上的固相食糜出口 9相连通；在阀体34底侧设有固相食糜出口 37 ；所述活塞33置于阀体34内，用以将排固装置d内的固相食糜从固相食糜出口 37推出；在阀体 34上，固相食糜出口 37的上侧还设有缓冲液入口 36。在所述CH4、0)2检测仪j的前端还设置有气体流量计g，用以对气体的流量进行检测；该气体流量计g与所述计算机f的信号采集部分相连接，用以将所检测的气体流量数据发送给计算机f。所述发酵系统还设有五个阀门k、1、m、η、ο ；所述发酵罐体a的排气口 18与气体流量计g相连接；该气体流量计g的输出端经三通分成两条支路，一条支路经阀门k与大气相通，另一条支路在通过阀门1后又分为两条支路；该阀门1后的两条支路，一条与CH4、O)2 检测仪j相连接，另一路再经过阀门m与三通相连；该三通的另外两个通口，一个通口为N2 气体输入口，另一个通口则通过阀门ο与发酵罐体a的进气口 19 ；在CH4、0)2检测仪j的输出端还设有阀门η ；所述阀门k、1、m、η、ο均与所述计算机f的程序控制部分相连接，受计算机f的控制。一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵方法，基于上述的发酵系统实现，该发酵方法包括如下步骤步骤1，设定发酵罐体保温水的温度、排液阀冷却水的温度、搅拌装置的转速、注射泵注入缓冲液的频率、液体稀释率、CH4, CO2检测仪的检测间隔时间；步骤2，向发酵罐体内加入一定量的缓冲液，待发酵罐体内的温度上升到所述发酵罐体保温水的温度后，接种与所加入缓冲液等体积的瘤胃液；步骤3，注射泵根据所设定的注入缓冲液的频率，向发酵罐体内持续注入缓冲液；步骤4，向发酵罐体内加入饲料，并通入队气体以排出罐内剩余的空气后，将发酵罐体密封；步骤5，计算机实时监测发酵罐体内的温度值和pH值，并通过CH4、0)2检测仪按照设定的时间间隔检测所产生发酵气体中CH4、o)2的含量；步骤6，定时收集排液阀中的溢流液和排固装置中的固相食糜；重复上述步骤3至步骤6，直至发酵反应结束。所述步骤1之前还设置有对发酵罐体气密性进行检测的步骤，该步骤如下
通过进气口向发酵罐体中注入一定压力的队气体，检测发酵罐体内的压力状况是否稳定。如果压力状况不稳定，则检查各个接口气密性，直至压力状况稳定。对于所述步骤4中，通入N2气体以排出罐内剩余的空气的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门m、1，同时打开阀门O，向发酵罐体通入N2气体；其次，排出发酵罐体内剩余空气后，关闭阀门O，并开启阀门k。对于所述步骤5中，通过CH4、0)2检测仪检测所产生发酵气体中CH4、0)2的含量的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门k、m、n，同时开启阀门1，使所产生发酵气体进入CH4、CO2检测仪；
其次，关闭阀门m、1，同时开启阀门k，关闭CH4、CO2检测仪的进气口，CH4、CO2检测仪对已输入的发酵气体进行检测，并将所检测发酵气体中CH4、o)2的含量发送给计算机；最后，开启阀门m、n，向CH4、⑶2检测仪通入N2气体，待排出CH4、⑶2检测仪中的被检测发酵气体后，关闭阀门m、η。本发明的有益效果是(1)解决了现有双外流瘤胃模拟发酵装置不能收集、计量发酵过程中产生的气体的缺点。(2)该发酵系统可实现发酵罐内固相、液相、气相的分别连续排放，而且固相、液相分离率高，只需通过相应计量手段就可实现排出的固相、液相、气相精确计量。(3)自动化程度高，可实现发酵环境的自动监测和系统的自动控制。
图1为固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统的结构示意图；图2为发酵罐体结构示意图；图3为搅拌装置结构示意图；图4为排液阀结构示意图；图5为排固装置结构示意图；图6为固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。图1为本发明固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统的结构示意图。如图所示，该发酵系统包括发酵罐体a、搅拌装置b、排液阀C、排固装置d、注射泵e、计算机f、CH4、 CO2检测仪j。所述发酵罐体a为整个发酵系统的核心反应装置，其他各个装置均用以协调发酵罐体a内的反应工作。图2为发酵罐体的结构示意图。参见图1、图2，该发酵罐体a由罐体体部3和发酵罐盖2盖合密封构成。该发酵罐体a外壁采用双层结构，两层之间夹有保温水层7。在该发酵罐体a外壁的下侧设有保温水入口 10，上侧设有保温水出口 4。通过该保温水入口 10和保温水出口 4输入输出发酵罐体保温水，以维持罐内发酵温度的恒定。由于瘤胃发酵的反应温度通常为39°C，因此该发酵罐体保温水的温度为39°C。该搅拌装置 b安装在发酵罐盖2上，置于罐体体部3内。在发酵罐体a的侧壁上开设有溢流管14，用以排出溢流液。在溢流管14内设有滤筒12，用以过滤溢流液。在溢流管14上向下方开设有溢流管支管13。发酵罐体a通过该溢流管支管13与排液阀c相连通。该溢流管支管13开设位置决定了发酵罐体a内的液面位置，当发酵罐体a内的液面超过溢流管支管13的开设位置时，罐内液体会自动通过溢流管支管13排到排液阀c内。另外，在发酵罐盖2上还设有排气口 17，用以与排液阀c相连通。该发酵罐体a上部为圆柱形，底部为锥形，圆柱形罐体的底部水平安装有一筛网8，不同孔径的筛网可以根据试验的需要进行更换。当发酵罐体 a内的饲料在微生物的作用下，降解到一定细度时，即可穿过筛网8，积聚在发酵罐体a的底部。在该底部锥形的底端开设有固相食糜出口 9，通过一球阀与排固装置d相通，球阀打开时，积聚在发酵罐体a底部的固相食糜在重力作用下流入排固装置d中。在发酵罐体a上开设有缓冲液入口 11，通过该缓冲液入口 11与所述注射泵e相连通。在发酵罐盖2上还设有检气口 18，用以与CH4、CO2检测仪j相连通，输出被检气体。除此之外，在发酵罐盖2上还设有进气口 19和饲料入口 1。该进气口 19用以向发酵罐体a内注入气体。该饲料入口 1用以向发酵罐体a内投放饲料。在该发酵罐体a的侧壁上开设有温度探测口 5和pH值探测口 6，分别插入温度探头i和pH探头h，用以发酵罐体内的温度值和pH值。图3为搅拌装置的结构示意图。如图所示，所述搅拌装置b包括电机21、联轴器 20和桨叶22。其中，电机21通过联轴器20的传动，带动桨叶22转动，以搅拌发酵罐体a 内的固相、液相成分均勻混合。所述排液阀C，用以排出流入的溢流液。所述排固装置d，用以排出流入的固相食糜。所述注射泵e，用以通过缓冲液入口 11向发酵罐体a内注入缓冲液该注射泵e通过以恒定速度向发酵罐体a内注入缓冲液，以维持发酵罐体a内PH值在6-7之间。本系统中，所用缓冲液是依据反刍动物唾液成分配制而成的，其主要成分为每 IOOOml 缓冲液中含 NaHCO3 9. 8g ；Na2HPO4. 12H20 9. 3g ；NaClO. 47g ；KCl 0. 57g ；MgSO4. 7H20 0. 12g ；无水CaCl2O. 04g。因反刍动物在进行反刍活动中口腔会不断分泌唾液注入瘤胃中， 维持瘤胃内酸碱平衡，故本系统的缓冲液即模拟反刍动物分泌唾液，并通过以一定速率模拟唾液向瘤胃中注入的速率。所述计算机f为整个发酵系统的信号采集及程序控制装置。该计算机f至少包括信号采集部分和程序控制部分两部分。该信号采集部分与CH4、o)2检测仪j、温度探头i和 PH探头h相连接，用以接收其采集获得的信号数据。该程序控制装置与搅拌装置b、注射泵 e和CH4、CO2检测仪j相连接，用以控制其进行工作。所述CH4、CO2检测仪j，用以检测输入气体中CH4、CO2的含量。通过上述结构的瘤胃模拟发酵系统，可实现发酵罐体内发酵所产生的固相、液相和气相产物可以高效分离，分别进入排固装置、排液阀和CH4、CO2检测仪。只需通过相应的计量手段就可实现反应排出的三相产物的精确计量，从而方便对不同饲料发酵反应效果进行深入研究。同时，由于设计有不断对发酵罐体补入缓冲液的注射泵，从而解决了现有静态发酵装置不能实现连续发酵的缺点。并且，该系统整个控制过程全部可以由计算机进行高程度的自动化控制，可全程实现发酵环境的自动监测和系统的自动控制。
所述排液阀c置于低于发酵罐体a处。图4为排液阀的结构示意图。如图所示，该排液阀c由阀体31和阀盖M盖合密封构成。该排液阀c外壁采用双层结构，两层之间夹有冷却水层32。在该排液阀c外壁的下侧设有冷却水入口 29，上侧设有冷却水出口 23。通过该冷却水入口四和冷却水出口 23输入输出排液阀冷却水，以维持排液阀内的温度恒定， 从而迅速停止流入排液阀内溢流液的发酵反应。因为瘤胃内微生物在反应体系温度等于或低于4°C时，会丧失活性，不能继续分解饲料进行发酵，故为了能够迅速停止流入溢流液的发酵反应，本实施例中该排液阀冷却水的温度设定为4°C。在阀盖M上设有进液口 26，用以与所述溢流管支管13相连通。在阀盖M上还设有排液口 27。该排液口 27受置于排液阀c内的浮球杠杆30控制打开或关闭。同时，为了保持排液阀c与发酵罐体a内的气压一致以能顺畅排出溢流液，在阀盖对上还设有进气口 25与发酵罐体a的排气口 17相连通。 另外，在阀盖M的底侧还开设有排污口 28，用以排出流入排液阀c内的固相杂质。图5为排固装置的结构示意图。如图所示，该排固装置d由阀体34和活塞33构成。阀体34上设有固相食糜入口 35，用以与所述发酵罐体a上的固相食糜出口 9相连通。 在阀体；34底侧设有固相食糜出口 37。所述活塞33置于阀体34内，用以将排固装置d内的固相食糜从固相食糜出口 37推出。由于发酵罐内i内的饲料在微生物的作用下不断分解代谢，累积的代谢产物会改变发酵体系的酸碱平衡，因此需要注入缓冲液来调节发酵体系的酸碱平衡以维持瘤胃微生物生存的最适PH值。故在阀体34上，固相食糜出口 37的上侧还设有缓冲液入口 36，以补充排出固相食糜时所带出的液相成分。另外，本发明的发酵系统除了设置CH4、C02检测仪j对发酵罐体a所发酵产生的气体中CH4、0)2的含量进行检测外，还在CH4、0)2检测仪j的前端设置有气体流量计g，用以对气体的流量进行检测。该气体流量计g与所述计算机f的信号采集部分相连接，用以将所检测的气体流量数据发送给计算机f。为了更好的对所述CH4、CO2检测仪j和气体流量计g的气体检测工作进行自动化控制，在所述发酵系统中还设有五个阀门k、l、m、n、o。如图1所示，所述发酵罐体a的排气口 18与气体流量计g相连接。该气体流量计g的输出端经三通分成两条支路，一条支路经阀门k与大气相通，另一条支路在通过阀门1后又分为两条支路。该阀门1后的两条支路， 一条与CH4、CO2检测仪j相连接，另一路再经过阀门m与三通相连。该三通的另外两个通口，一个通口为纯队气体输入口，另一个通口则通过阀门ο与发酵罐体a的进气口 19。在 CH4, CO2检测仪j的输出端还设有阀门n，以控制CH4、CO2检测仪j的排气。所述阀门k、1、 m、n、o均与所述计算机f的程序控制部分相连接，受计算机f的控制对所述CH4、0)2检测仪 j和气体流量计g的气体检测工作进行自动化控制。上述结构的固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统在实际操作过程中是通过下述发酵方法进行控制的。图6为该发酵方法的流程图。如图所示，该发酵方法包括如下步骤步骤1，设定发酵罐体保温水的温度、排液阀冷却水的温度、搅拌装置的转速、注射泵注入缓冲液的频率、液体稀释率、CH4, CO2检测仪的检测间隔时间；所谓液体稀释率是因反刍动物如牛、羊不断的采食饲料和饮水进入瘤胃中被微生物发酵，故新注入的饲料和水会使瘤胃内原有的内容物浓度降低，新注入的饲料和水与瘤胃体积的比值即为液体稀释率。
这里，各个参数的设定值可以根据实验需要进行调整。本实施例中，上述参数的设定值分别为发酵罐体保温水的温度为39°C、排液阀冷却水的温度为4°C、搅拌装置的转速为15rpm、注射泵注入缓冲液的频率为200次/min、液体稀释率为1. 2。步骤2，向发酵罐体内加入一定量的缓冲液，待发酵罐体内的温度上升到所述发酵罐体保温水的温度后，接种与所加入缓冲液等体积的瘤胃液；这里，由于是第一次向发酵罐体内一次性加入一定量的缓冲液，因此缓冲液可以通过注射泵e缓慢加入，也可以选择通过饲料入口 1直接加入。而所加入的缓冲液的量可以根据实验需要而定，本实施例中是向发酵罐体内加入500ml的缓冲液。步骤3，注射泵根据所设定的注入缓冲液的频率，向发酵罐体内持续注入缓冲液；步骤4，向发酵罐体内加入饲料，并通入队气体以排出罐内剩余的空气后，将发酵罐体密封；这里，饲料是通过饲料入口 1投入的，队气体是通过进气口 19通入的。通入队气体的时间应当以罐内所剩余的空气状况而定，本实施例中设定为通入IOs的队气体。完成上述步骤4后，该发酵罐体内即开始发酵反应。步骤5，计算机实时监测发酵罐体内的温度值和pH值，并通过CH4、0)2检测仪按照设定的时间间隔检测所产生发酵气体中CH4、o)2的含量；步骤6，定时收集排液阀中的溢流液和排固装置中的固相食糜；重复上述步骤3至步骤6，直至发酵反应结束。通过上述发酵方法，实验者可以实时监测发酵反应过程中发酵罐体内的温度值、 PH值以及所产生发酵气体中CH4、CO2的含量，并能够定时收集反应所产生的液相、固相产物。整个反应过程全部由计算机进行自动控制。实验者可以方便、全面的掌握整个反应过程的实验数据。上述发酵过程可以通过定时的向发酵罐体内补充饲料和缓冲液等反应物，使得发酵罐体内的发酵反应可以持续不断地进行下去，可以满足长时间反应观测的实验需要。在本实施例中，设定为每隔12小时向发酵罐体内加入20g饲料，每隔8小时收集排液阀c中的溢流液和排固装置d中的固相食糜，直至实验结束。另外，该发酵方法在上述步骤1之前还设置有对发酵罐体气密性进行检测的步骤，该步骤如下通过进气口 19向发酵罐体中注入一定压力的队气体，检测发酵罐体内的压力状况是否稳定？如果压力状况不稳定，则检查各个接口气密性，直至压力状况稳定。通过这样的预先检查，可以保证整个发酵反应过程在理想的状态下进行，所获得的实验数据不会因罐体气密性问题而受到影响。另外，为了可以更好的对所述CH4、0)2检测仪j和气体流量计g的气体检测工作进行自动化控制，本发明的发酵方法中还设计有针对所述五个阀门k、l、m、n、o的具体控制流程，具体如下所述对于所述步骤4中，通入N2气体以排出罐内剩余的空气的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门m、l，同时打开阀门0，向发酵罐体通入N2气体，用N2替换出因加料时带入的空气；
其次，排出发酵罐体内剩余空气后，关闭阀门O，并开启阀门k，使发酵时产生的气体，经微量气体流量计g计量后，从阀门k排出到大气。由于微量气体流量计g中气体的流动方向是单向的，而且是不可逆的，这样，就可以维持发酵罐体内的厌氧环境，以适于体外瘤胃模拟发酵的进行。对于所述步骤5中，通过CH4、0)2检测仪检测所产生发酵气体中CH4、0)2的含量的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门k、m、η,同时开启阀门1，使所产生发酵气体进入CH4、CO2检测仪；其次，关闭阀门m、1，同时开启阀门k，关闭CH4、CO2检测仪的进气口，CH4、CO2检测仪对已输入的发酵气体进行检测，并将所检测发酵气体中CH4、o)2的含量发送给计算机；最后，开启阀门m、n，向CH4、⑶2检测仪通入N2气体，待排出CH4、⑶2检测仪中的被检测发酵气体后，关闭阀门m、η。这样，可以通过N2气体冲洗CH4、CO2检测仪，使之不会残留有被检测发酵气体，而影响下一次检测数据的准确性。上述对五个阀门k、l、m、n、o的控制，均采用计算机程序自动控制的方式完成。这样，可以大大提高整个系统的自动化程度，减轻了实验人员的操作负担，同时增加了检测数据的准确性。本发明通过上述技术方案，提供一种用于模拟牛、羊等反刍动物瘤胃发酵的固相、 液相、气相三相分流式排放的自动化程度高的连续发酵的发酵系统及其发酵方法，解决了现有技术中存在的问题。本领域一般技术人员在此设计思想之下所作任何不具有创造性的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统，其特征在于包括发酵罐体(a)、 搅拌装置(b)、排液阀(C)、排固装置(d)、注射泵(e)、计算机(f)、CH4、C02检测仪(j)；所述发酵罐体(a)由罐体体部( 和发酵罐盖( 盖合密封构成；该发酵罐体(a)外壁采用双层结构，两层之间夹有保温水层(7)；在该发酵罐体(a)外壁的下侧设有保温水入口(10)，上侧设有保温水出口(4)；所述搅拌装置(b)安装在发酵罐盖( 上，置于罐体体部(3)内；在发酵罐体(a)的侧壁上开设有溢流管(14)，用以排出溢流液；在溢流管(14)内设有滤筒(12)，在溢流管(14)上向下方开设有溢流管支管(1 ；发酵罐体(a)通过该溢流管支管(13)与排液阀(c)相连通；在发酵罐盖(2)上还设有排气口(17)与排液阀(c)相连通；该发酵罐体(a)上部为圆柱形，底部为锥形，圆柱形罐体的底部水平安装有筛网(8)； 在该底部锥形的底端开设有固相食糜出口(9)，通过球阀与排固装置(d)相通；在发酵罐体 (a)上开设有缓冲液入口(11)，通过该缓冲液入口(11)与所述注射泵(e)相连通；在发酵罐盖⑵上还设有检气口(18)，用以与CH4、C02检测仪(j)相连通；在发酵罐盖⑵上还设有进气口(19)和饲料入口(1)；该进气口(19)用以向发酵罐体(a)内注入气体；该饲料入口(1)用以向发酵罐体(a)内投放饲料；在该发酵罐体(a)的侧壁上开设有温度探测口(5) 和PH值探测口(6)，分别插入温度探头⑴和pH探头(h)；所述搅拌装置(b)包括电机、联轴器OO)和桨叶02)；所述电机通过联轴器OO)的传动，带动桨叶02)转动；所述排液阀(c)，用以排出流入的溢流液； 所述排固装置(d)，用以排出流入的固相食糜；所述注射泵(e)，用以通过缓冲液入口(11)向发酵罐体(a)内注入缓冲液； 所述计算机(f)至少包括信号采集部分和程序控制部分；该信号采集部分与014、0)2检测仪(j)、温度探头(i)和PH探头(h)相连接，用以接收其采集获得的信号数据；该程序控制装置与搅拌装置(b)、注射泵(e)和CH4、C02检测仪(j)相连接，用以控制其进行工作； 所述CH4、CO2检测仪(j)，用以检测输入气体中CH4、CO2的含量。
2.如权利要求1所述的发酵系统，其特征在于所述排液阀(c)由阀体(31)和阀盖 (24)盖合密封构成；该排液阀(c)外壁采用双层结构，两层之间夹有冷却水层(32)；在该排液阀(c)外壁的下侧设有冷却水入口(四)，上侧设有冷却水出口 ；在阀盖04)上设有进液口( )，用以与所述溢流管支管(13)相连通；在阀盖04)上还设有排液口 (XT)； 该排液口 (XT)受置于排液阀(c)内的浮球杠杆(30)控制打开或关闭；在阀盖04)上还设有进气口 0 与发酵罐体(a)的排气口(17)相连通；在阀盖04)的底侧还开设有排污口 (28)。
3.如权利要求1所述的发酵系统，其特征在于所述排固装置(d)由阀体(34)和活塞 (33)构成；阀体(34)上设有固相食糜入口(35)，用以与所述发酵罐体(a)上的固相食糜出口(9)相连通；在阀体(34)底侧设有固相食糜出口(37)；所述活塞(33)置于阀体(34) 内，用以将排固装置⑷内的固相食糜从固相食糜出口(37)推出；在阀体(34)上，固相食糜出口(37)的上侧还设有缓冲液入口(36)。
4.如权利要求1所述的发酵系统，其特征在于在所述CH4、C02检测仪(j)的前端还设置有气体流量计(g)，用以对气体的流量进行检测；该气体流量计(g)与所述计算机(f)的信号采集部分相连接，用以将所检测的气体流量数据发送给计算机(f)。
5.如权利要求4所述的发酵系统，其特征在于所述发酵系统还设有五个阀门(k)、 (1)、(m)、(η)、(ο)；所述发酵罐体(a)的排气口 (18)与气体流量计(g)相连接；该气体流量计(g)的输出端经三通分成两条支路，一条支路经阀门(k)与大气相通，另一条支路在通过阀门(1)后又分为两条支路；该阀门(1)后的两条支路，一条与CH4、C02检测仪(j)相连接，另一路再经过阀门(m)与三通相连；该三通的另外两个通口，一个通口为队气体输入口，另一个通口则通过阀门(ο)与发酵罐体(a)的进气口 (19)；在CH4、C02检测仪(j)的输出端还设有阀门(η)；所述阀门(k)、(1)、(m)、(η)、(ο)均与所述计算机(f)的程序控制部分相连接，受计算机(f)的控制。
6.一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵方法，基于权利要求1所述的发酵系统实现，其特征在于该发酵方法包括如下步骤步骤1，设定发酵罐体保温水的温度、排液阀冷却水的温度、搅拌装置的转速、注射泵注入缓冲液的频率、液体稀释率、CH4, CO2检测仪的检测间隔时间；步骤2，向发酵罐体内加入一定量的缓冲液，待发酵罐体内的温度上升到所述发酵罐体保温水的温度后，接种与所加入缓冲液等体积的瘤胃液；步骤3，注射泵根据所设定的注入缓冲液的频率，向发酵罐体内持续注入缓冲液； 步骤4，向发酵罐体内加入饲料，并通入队气体以排出罐内剩余的空气后，将发酵罐体密封；步骤5，计算机实时监测发酵罐体内的温度值和pH值，并通过CH4、0)2检测仪按照设定的时间间隔检测所产生发酵气体中CH4、0)2的含量；步骤6，定时收集排液阀中的溢流液和排固装置中的固相食糜； 重复上述步骤3至步骤6，直至发酵反应结束。
7.如权利要求6所述的发酵方法，其特征在于所述步骤1之前还设置有对发酵罐体气密性进行检测的步骤，该步骤如下通过进气口向发酵罐体中注入一定压力的队气体，检测发酵罐体内的压力状况是否稳定。如果压力状况不稳定，则检查各个接口气密性，直至压力状况稳定。
8.如权利要求6所述的发酵方法，基于权利要求5所述的发酵系统实现，其特征在于 对于所述步骤4中，通入队气体以排出罐内剩余的空气的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门(m)、(1)，同时打开阀门(ο)，向发酵罐体通入N2气体； 其次，排出发酵罐体内剩余空气后，关闭阀门(ο)，并开启阀门(k)。
9.如权利要求6所述的发酵方法，基于权利要求5所述的发酵系统实现，其特征在于 对于所述步骤5中，通过CH4、0)2检测仪检测所产生发酵气体中CH4、0)2的含量的步骤具体通过以下阀门控制方法实现首先，关闭阀门(k)、(m)、(n)，同时开启阀门(1)，使所产生发酵气体进入CH4、CO2检测仪；其次，关闭阀门(m)、⑴，同时开启阀门(k)，关闭CH4、CO2检测仪的进气口，CH4、CO2检测仪对已输入的发酵气体进行检测，并将所检测发酵气体中CH4、0)2的含量发送给计算机； 最后，开启阀门(m)、(η)，向CH4XO2检测仪通入N2气体，待排出CH4XO2检测仪中的被检测发酵气体后，关闭阀门(m)、(η)。
全文摘要
本发明提供一种固液气三相分流式瘤胃模拟连续发酵系统，其特征在于包括发酵罐体(a)、搅拌装置(b)、排液阀(c)、排固装置(d)、注射泵(e)、计算机(f)、CH4、CO2检测仪(j)。通过该发酵系统，可实现发酵罐体内发酵所产生的固相、液相和气相产物可以高效分离，分别进入排固装置、排液阀和CH4、CO2检测仪。通过相应的计量手段就可实现反应排出的三相产物的精确计量，从而方便对不同饲料发酵反应效果进行深入研究。同时，由于设计有不断对发酵罐体补入缓冲液的注射泵，从而解决了现有静态发酵装置不能实现连续发酵的缺点。并且，该系统整个控制过程全部可以由计算机进行高程度的自动化控制。
文档编号C12M1/00GK102286359SQ20111016759
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年12月28日
发明者卜登攀, 周凌云, 姜雅慧, 安朋朋, 徐俊, 杨红建, 沈维军, 王加启, 陈强 申请人:中国农业科学院北京畜牧兽医研究所