CN101565673A

CN101565673A - 智能仿生瘤胃发酵器

Info

Publication number: CN101565673A
Application number: CN 200910026844
Authority: CN
Inventors: 孙镇平
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: CN101565673B

Abstract

本发明涉及一种智能仿生瘤胃发酵器。所说的智能仿生瘤胃发酵器，由内罐，外罐、气、液动力辅助系统、功能控制系统组成；内罐用于发酵培养；外罐用于水浴加热内罐；气、液动力辅助系统用于补充调控发酵过程的物料和气量；功能控制系统组成用于实时监测发酵参数的变化，实现发酵条件的自动化控制。本发明从仿生学角度模拟反刍动物瘤胃微生态环境，科学合理地设定厌氧型菌群体外培养的最适条件参数，使微生物繁育活动处于活跃、高效的状态。由于采用了先进的微电脑技术、气动、液动等自动化控制技术，使智能仿生瘤胃发酵器的整个发酵工作过程保持平稳、高效、安全的状态，率先实现了厌氧型细菌群智能化、仿生化、工厂化的规模生产。

Description

智能仿生瘤胃发酵器

技术领域

本发明属于生物发酵技术领域，具体涉及一种智能仿生瘤胃发酵器。

背景技术

反刍动物消化道结构比较特殊，其最突出的特点是具有四个胃：瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃，其中瘤胃在消化过程中起着特别重要的作用。瘤胃中有大量微生物，主要包括细菌、原虫和真菌三大类。瘤胃微生物对饲料在瘤胃中的消化起着重要作用，这一消化过程称为瘤胃发酵。反刍动物利用的大部分营养物质是瘤胃发酵的终产物。研究表明，反刍动物采食干物质的40～80％在瘤胃中消化，其中约有70～90％的碳水化合物(Maynard等，1975)，60～95％的粗纤维，10～100％的粗脂肪都在瘤胃中消化(Church，1976)^[i]，瘤胃中消化的能量占总消化能的23～87％(Thomas等，1981)。由此可见，瘤胃发酵在反刍动物营养中占有举足轻重的位置^[ii]。

反刍动物的瘤胃是一个微生物种群复杂、密度大、调控严格的微生态发酵体系，饲粮被栖居在瘤胃中的各种菌群、原虫和真菌进行发酵、降解，发酵菌质富含许多复杂和未知的生物活性物质，其代谢产物被宿主动物吸收、转化后作为代谢所需的营养物和调节物。瘤胃微生物在皱胃被盐酸杀死，是宿主动物的优质安全的蛋白质来源，同时其有益菌代谢产物--菌质也含有多种活性物质，参与反刍动物的营养代谢。因而国内外许多动物营养学家、生理学家、生化学家和微生物学家都非常重视对瘤胃发酵的研究，有关权威专家还提出应创建“瘤胃学”，这是当前研究热点之一。

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。

研究瘤胃发酵的方法主要有三种，分别为体内法、半体内法和体外法。体内法是研究瘤胃微生物代谢和评定饲料营养价值最直接的方法。但方法复杂，费时费力，测定费用高，不适合大规模饲料评定，因此不宜作为评定饲料营养价值的常规方法，而只能是一种参比方法。半体内法主要指尼龙袋法。Quin(1938)、Zinn(1981)、Madsen(1985)、Lorensi(1992)和Khazaal(1995)进行了此类实验，结果表明尼龙袋法可以较好地估测饲料在体内的降解率。虽然尼龙袋法与体内法相比，比较简单易行，但此方法需要带瘘管的反刍动物，且其测定结果受多种因素影响，致使测定结果变异较大。体外法即指采集新鲜瘤胃食糜或瘤胃液体，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(Johnson，1963)。体外法与体内法和半体内法相比，具有操作简便，成本低，环境条件易控制，重复性好等特点，是一种极有潜力的研究瘤胃发酵的方法。

鉴于瘤胃是一个非常复杂的动态系统，很难在活体动物身上进行研究。即使使用瘤胃瘘管，也难以真正搞清楚饲料营养物质在瘤胃内发酵、流通、微生物摄取和吸收等动态变化规律，使得研究具有一定的局限性，因此体外人工瘤胃技术应运而生。人工瘤胃是模拟瘤胃生理功能的体外模拟系统，是反刍动物体外营养模拟技术现代化发展的标志。

人工瘤胃技术主要有两大类：短期人工瘤胃技术和长期人工瘤胃技术。从两级离体消化法(Tillery和Terry，1963)到产气量法(Menk等，1979)以及酶解法等，都是批次培养即短期人工瘤胃技术。长期人工瘤胃技术即体外连续培养技术可以保持几个星期的稳定发酵，是研究瘤胃发酵和评定动态降解率的很好的实验室方法(冯仰廉，2004)。体外连续培养系统(Continuous culture system CCS)是一种接近于活体内瘤胃发酵的系统，分为单外流(Single-flow)和双外流(Dual-flow)型连续培养系统两种。单外流连续培养系统以Rusteic系统(Czerkawski和Breckenridge，1977)为代表。双外流连续培养系统以美国Minnesota大学(Marshall.D.Stern)和West Virginia大学(William.H.Hoover)为代表。中国农业大学动物科技学院(孟庆翔，1999)利用国家自然科学基金的资助，也自行研制了一套双外流连续培养系统。这些设备仅限于实验室少量样品的研究工作。目前人工瘤胃技术的应用范围包括研究纤维素的消化和影响它的因素、研究非蛋白氮的利用、研究瘤胃微生物的新陈代谢及其影响因素、研究瘤胃微生物之间及其与宿主之间的共生关系、评定反刍动物饲料的营养价值、研究瘤胃发酵的动力学过程、研究极端情况(如高精料、高稀释率)下瘤胃的发酵状况和药物研究和能源开发研究(如产甲烷菌)等。

现在各种体外人工瘤胃发酵技术越来越得到人们的重视，但是目前国内外尚无工厂规模化体外培养瘤胃有益菌群，制备各种菌质的生产设备。这是因为体外人工发酵过程中受到多种因素的干扰，常会引起人工瘤胃发酵器中各种发酵条件发生较大改变，而使发酵质量得不到保证，因此必须对体外人工瘤胃发酵条件进行智能化控制，以保证发酵条件的稳定。如：(1)温度，(2)基础压力，(3)适宜pH，(4)发酵内容物的混合，(5)培养液稀释率，(6)排空等，需根据不同目标产品的工艺要求，能够调整设定不同的发酵条件参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能仿生瘤胃发酵器，该发酵器能根据发酵条件进行智能化控制，以保证发酵条件的稳定。

本发明从仿生学角度，模拟反刍动物瘤胃微生态环境，主体结构采用不锈钢材料以及微电脑自动控制技术，调控智能仿生瘤胃发酵器相关厌氧发酵工作条件。所说的智能仿生瘤胃发酵器，由发酵罐，气、液动力辅助系统、功能控制系统组成；

发酵罐，包括罐盖和罐体，罐体由内罐和外罐构成；

内罐用于发酵培养，内罐底层装有网格盘侧孔直喷式气动搅拌器；

外罐设有加热装置和进、出水口，用于水浴式加热内罐培养物料和预热延伸至内罐的培养液输送管和气管；外罐外侧壁装有浴水水位管、水温控制表以及连接内外罐的溢液管，溢液管与罐外溢流瓶相通，溢流瓶瓶盖处设有液满报警器；浴水的水位和温度由功能控制系统调控；

罐盖上设置有自动逸气阀、压力表、pH探头、温度表、取样管，其中pH探头、温度表、取样管延伸至内罐培养液中，培养液输送管通过外罐水浴区延伸至内罐上方，气管通过外罐水浴区、内罐口延伸至内罐底，与网格盘侧孔直喷式气动搅拌器相接；设置在发酵罐上的各种探头将发酵参数信息传送至功能控制系统；

气动力辅助系统中，空压泵、CO₂和N₂钢瓶均与发酵罐内的气管相通，并设有断气报警器，空压泵上联有循环气缓冲冷凝瓶和水气分离器以保护空压机，冷凝瓶口设有氧化阀，用于有氧氧化反应；输气管道中均设有若干电磁阀和可调式流量表，气动力辅助系统受功能控制系统的控制，用于智能化调配气体流向、控制流量，实现对发酵罐中气量的控制；罐内气体通过发酵气回流管与空压机相连，实行气体内部循环，保持厌氧状态。

液动力辅助系统包括碱液、培养液储箱，自动供液瓶及供液管道，其中碱液、培养液储箱分别与相应的自动供液瓶的一端相连，与碱液自动供液瓶的另一端连接的碱液输送管道延伸至发酵罐内罐上方形成碱液滴管；与培养液自动供液瓶的另一端连接的培养液输送管道通过外罐的水浴区延伸至内罐上方形成培养液滴管；输液管道上均设有若干电磁阀和可调式流量表，液动力辅助系统受功能控制系统的控制，用于智能化调配液体流向、控制流量，实现对发酵罐中物料的控制；

功能控制系统：与发酵罐、气、液动力辅助系统相连，用于接受发酵参数信息，并通过微电脑控制器智能化控制整个发酵系统的运行；包括温度、pH、工作时间控制器、蜂鸣报警器、输液、输气等功能的自动控制。

利用本发明的智能仿生瘤胃发酵器进行发酵时，培养物料温度通过控制水浴温度实现，并采用网格盘侧孔直喷式气动搅拌器搅拌物料。通过自动调压阀对发酵罐内压实行自动调节，罐内气体通过发酵气回流管与空压机相连，实行气体内部循环，保持厌氧状态。从仿生角度对发酵罐培养物料实行液体稀释和溢流排空。

一般情况下，主要工作参数分别为：温度39.0±0.2℃(微电脑温度控制仪控制)，pH 6.3±0.1(pH自动控制仪控制)，压力2.66±1.33Kpa(压力自动调节阀控制)，培养液稀释率3％/h(流量器调控)，气动搅拌1min静息14min(微电脑定时器结合空压机工作)，发酵时间：任意时间(微电脑定时器)，同时分别充入CO₂、N₂，保持厌氧，补充非蛋白氮，也可进行富氧氧化反应。压力、气体排空、培养液溢流等方面均采用自动化监控装置。根据不同生产目的，可工厂规模化制备不同的特定菌质，是绿色功能性微生态饲料添加剂生产的关键设备。

本发明通过外罐水浴及温热气搅拌方式解决了瘤胃菌群对温度敏感，对大量培养物料的加热难的问题。通过对压力、pH的自动调控使发酵条件保持稳定。采用网格盘侧孔直喷式气动搅拌方式代替常见的机械搅拌，提高了发酵罐密闭性能，保持较好的厌氧环境，同时能有效控制搅拌强度。根据仿生学特点，通过流量计调控培养液合适的稀释率，可促进微生物蛋白的合成，改善微生物繁殖性能。通过自动溢液系统实行人工瘤胃培养内容物的排空，这是长时间稳定发酵的重要环节。通过微电脑技术可将体外人工发酵条件的变化幅度自动控制在最小范围内，以保证发酵质量的稳定。体外人工发酵罐主体结构的制作采用304^#不锈钢材料，能达到防锈、耐酸碱、牢固的效果。体外人工发酵罐的总体结构设计可满足工厂规模化流水线生产对发酵容积，即，生产效率的要求以及安全生产的要求。智能仿生瘤胃发酵器罐盖打开后，采用了保险卡自动锁定装置固定罐盖，有效地保证了生产安全性，可防止意外伤害。

本发明的智能仿生瘤胃发酵器从仿生学角度模拟反刍动物瘤胃微生态环境，科学合理地设定厌氧型菌群体外培养的最适条件参数，使微生物繁育活动处于活跃、高效的状态。由于采用了先进的微电脑技术、气动、液动等自动化控制技术，使智能仿生瘤胃发酵器的整个发酵工作过程保持平稳、高效、安全的状态，率先实现了厌氧型细菌群智能化、仿生化、工厂化的规模生产。

本发明的智能仿生瘤胃发酵器作为一种生物发酵的新型设备，可广泛应用于生物、医学、制药、化工等领域的工厂规模化生产。也可应用于相关领域的科研工作。

附图说明

图1是发酵罐结构示意图

图2是发酵罐罐盖示意图

图3智能仿生瘤胃发酵器组成及工作流程示意图

1-起吊器；2-罐盖；3-拉手；4-定位压块；5-进水阀；6-水温控制表；7-内罐；8-外罐；9-气管；10-内罐支架；11-培养液管；12-基脚；13-放水阀；14-电加热器；15-液压缸基架；16-溢液管；17-碱液滴管；18-发酵气回流管；19-液压缸；20-吊臂支架；21-吊臂转套；22-液压缸上支架；23-吊臂；24罐盖支撑缸；25-自动调压阀；26-pH探头；27-取样管；28-温度表；29-压力表；30-放气阀。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合附图一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

如图1-图3所示，本发明的智能仿生瘤胃发酵器，由发酵罐，气、液动力辅助系统、功能控制系统组成。一个具体的发酵罐结构如图1、图2所示，包括内罐7、外罐8和罐盖2，其中发酵罐工作容量分别为0.1和1吨。内罐7置于外罐内的内罐支架10上，内罐7的的上部通过定位压块4固定于外罐8内；内罐7内底层装有网格盘侧孔直喷式气动搅拌器，可根据工艺要求无级式调节培养液搅拌强度，搅拌工作时间周期通过时间控制器任意调节，一般可为工作搅拌1min，静息14min.，罐内气体通过发酵气回流管18经循环气缓冲冷凝瓶和水气分离器与空压机(参见工艺流程图)相连，空压机作为动力并同时补充CO₂、N₂，实行气体内部循环，保持厌氧状态。当内部气压超过2.66±1.33Kpa范围，罐盖装有自动逸气阀30，将自动排气和关闭。罐盖2上装有压力表29、自动调压阀25，并分别向培养液中插入pH探头26、温度表28、取样管27，此外罐盖内侧还附有培养液滴管和碱液滴管17，外部分别设有各自的流量表。通过各种探头可将培养液中的各种信息传入微电脑，实行智能化调控。

外罐8上有进水口5和出水口13，底部装有电加热棒14，用于水浴式加热内罐培养物料，螺旋式培养液输送管11和气管9自外罐内底部向上延伸至内罐7，实现预热培养液和搅拌气，外罐外侧壁装有浴水水位指示剂(位于罐体背侧)、水温控制表6以及连接内外罐的溢液管16，溢液管与溢流瓶相通，其瓶盖处设有液满报警器。为了使罐体能稳定放置或固定，在罐体底部外有基脚12。

罐盖2中心设有球柄式起吊器1通过吊臂23与油压泵(参见工艺流程图)相联，由油压泵提供动力，液动式控制罐盖的开启与关闭。当罐盖开启后，罐盖保险卡将自动锁定，关闭时保险卡自动脱开，以保证工作安全。罐盖2上还设有拉手3。本实施例中，罐盖2的开闭由液压控制，具体结构是，在罐体外侧上部设置有吊臂支架20，吊臂23通过吊臂转套21与吊臂支架20连接；吊臂23的一端与罐盖2中心的起吊器1相连，另一端与通过液压缸上支架22和液压缸19相连，液压缸19的基部固定于罐体下部的液压缸基架15上；在吊臂23和罐盖2间还有罐盖支撑缸24。

气、液动力辅助系统

分别设有空压泵、CO₂和N₂钢瓶均与搅拌气管相通，设有断气报警器，并联有循环气冷凝瓶和水气分离器以保护空压机，冷凝瓶口设有氧化阀，可用于有氧氧化反应，此外还设有碱液、培养液储箱，分别由电磁泵将液体输送至各自的自动供液瓶，与瓶中液位传感器相联，两液均分别通往内外罐。自动供液瓶高度可由气缸调节，油压泵提供动力。在相应各管道系统中均设有若干电磁阀，智能化调配液、气流向，可调式流量表控制流量。

功能控制系统

电器控制柜面板分别装有相关功能的微电脑控制器智能化控制整个发酵系统的运行，包括温度、pH、工作时间控制器、蜂鸣报警器、输液、输气等功能的自动控制。此外还设有电压表、电流表、气动、液动控制、各种功能手动按钮、各种信号灯、降温风扇等。

实施例2：智能仿生瘤胃发酵器操作流程

参照图3

1、开机前检查事项：

1)碱液、培养液储箱加入足够量。

2)冷凝瓶密闭，冷却水保持基本量。

3)溢流瓶密闭，清洁无液。

4)CO₂、N₂钢瓶内气量充足。

5)自动调压阀气体过滤水保持基本量。

6)整机状况正常。

2、开机操作程序：

1)控制柜总电源。

2)罐体内加入适量热浴用水，至水位管正常位置。

3)启动温控仪，调定温控值，启动电加热。

4)温控稳定后：

a启动油压泵，打开罐盖，检查罐盖保险卡是否自动锁定，内罐加入培养液、菌液及物料。

b启动空压机，调定气体搅拌强度，调定气体搅拌工作周期。

c接通CO₂、N₂钢瓶气体，分别调定气流量。

d启动油压泵转换开关，关闭罐盖时，罐盖保险卡同时自动脱开。

5)启动油压泵，将自动供液瓶升至规定高度，启动磁力泵，使培养液、碱液供给调定在正常工作状态；

6)启动pH自动控制仪，调定工作参数。

7)启动相关报警系统

8)调定自动调压阀，以保持罐体内正常工作压力。

9)调定自动溢液阀，处于正常工作状态。

10)检查关闭罐盖取样口开关。

11)检查控制柜各仪表、开关、指示灯正常工作。

3、关机操作程序：

1)到达发酵工作终点时间，工作时间警报器自动报警。

2)除温控系统继续工作外，其它系统停止工作。

3)启动油压泵转换开关，打开罐盖，检查罐盖保险卡是否自动锁定。

4)启气体搅拌系统持续工作，启动吸料泵工作，定量出料。

5)保留50％菌液进入下一轮发酵工作周期。

4、有氧氧化反应操作程序：

1)关闭CO₂、N₂钢瓶阀门，打开氧化阀。

2).启动空压机及网格盘侧孔直喷式气动搅拌系统工作。

3)按照特定工艺要求，调定温控系统等其它系统。

4)调定氧化反应工作时间报警系统。

5)到达氧化反应工作终点时间，工作时间警报器自动报警。

6)智能仿生瘤胃发酵器相关系统停止工作。

7)启动油压泵转换开关，打开罐盖，检查罐盖保险卡是否自动锁定。

8)启气体搅拌系统持续工作，启动吸料泵工作，出料。

5、注意事项

1、智能仿生瘤胃发酵器电压：220V。

2、气缸节流阀经调试后，不得随意变动。

3、若停止生产：

a须及时清理储液箱及管道系统中的碱液、培养液。

b停机后需将pH仪探头保护套旋上。

c拆卸内罐时需将罐盖处pH仪探头杆、温度表探头杆缩回，以免损坏。

4、停机后需放尽空压机内余气，并按常规进行定期保养。

5、注意保护罐盖密封圈，以免损坏。

Claims

1、一种智能仿生瘤胃发酵器，其特征在于，由发酵罐，气、液动力辅助系统、功能控制系统组成；

发酵罐，包括罐盖和罐体，罐体由内罐和外罐构成；

罐盖上设置有自动调压阀、压力表、pH探头、温度表、取样管，其中pH探头、温度表、取样管延伸至内罐培养液中，培养液输送管通过外罐水浴区延伸至内罐上方，气管通过外罐水浴区、内罐口延伸至内罐底，与网格盘侧孔直喷式气动搅拌器相接；设置在发酵罐上的各种探头将发酵参数信息传送至功能控制系统；

气动力辅助系统中，空压泵、CO₂和N₂钢瓶均与发酵罐内的气管相通，并设有断气报警器，空压泵上联有循环气冷凝瓶和水气分离器以保护空压机，冷凝瓶口设有氧化阀，用于有氧氧化反应；输气管道中均设有若干电磁阀和可调式流量表，气动力辅助系统受功能控制系统的控制，用于智能化调配气体流向、控制流量，实现对发酵罐中气量的控制；罐内气体通过发酵气回流管与空压机相连，实行气体内部循环，保持厌氧状态。

2、根据权利要求1所说的智能仿生瘤胃发酵器，其特征在于，罐盖中心设有球柄式起吊器通过吊臂与油压泵相联，液动式控制罐盖的开启与关闭；当罐盖开启后，罐盖保险卡将自动锁定，关闭时保险卡自动脱开，以保证工作安全。

3、根据权利要求2所说的智能仿生瘤胃发酵器，其特征在于，液动力辅助系统中，自动供液瓶中有液位传感器，功能控制系统依据液位传感器信息控制电磁泵将相应储液箱中的液体输送至自动供液瓶；自动供液瓶高度由油压泵调节控制。

4、根据权利要求1所说的智能仿生瘤胃发酵器，其特征在于，功能控制系统的开关柜上设有电压表、电流表、气动、液动控制、各种功能的智能化控制及手动按钮、各种信号灯和降温风扇。