CN102787067A - 一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，包括胃肠道微生物、发酵培养底物和发酵瓶，还包括用于给发酵瓶进行加热保温的水浴锅、用于吸收发酵瓶排除气体的真空样品瓶、用于连通真空样品瓶和发酵瓶的导管、用于控制导管通断的电磁阀和用于检测发酵瓶内气压并控制电磁阀的压力检测装置。还公开了一种体外厌氧发酵温室气体实时检测方法，通过测量发酵瓶内的气压值计算体外厌氧发酵气体产量；控制电磁阀排放气体到样品瓶直至发酵瓶内的气压恢复大气压；厌氧发酵反应完成后计算发酵产生的气体总体积及甲烷和氢气等各组分体积。

Description

一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及生物测量领域，具体涉及一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，还涉及一种体外厌氧发酵温室气体实时检测方法，适用于检测厌氧发酵时排放气体。

背景技术

体外胃肠道微生物厌氧发酵技术是反刍动物营养学研究领域的一个重要研究手段，因其方法简便、经济、快速而被广泛的应用于饲草营养价值和饲料添加的评价。长期以前，人们对该技术研究主要集中的总气体上，因为总气体在一定程度上可以反映瘤胃对碳水化合物的利用情况，也可用于估测饲草的消化代谢能。最近，因温室气体累积所致的全球气候变暖已成为人类的共识，反刍动物温室气体排放（特别是CH4）受到各国政府和科学界的普遍关注。2006年美国环境保护署（EPA）在关于《全球非CO2温室气体减排》报告中指出全球家畜胃肠道排放的CH4占人类活动甲烷排放总量的30%，其中主要来自反刍家畜（包括牛、羊和骆驼）的瘤胃发酵，其瘤胃发酵产生的CH4占所有家畜胃肠道CH4排放总量的80%以上。因此，体外胃肠道微生物发酵技术不仅要关注于其发酵气体总量，其气体各组分研究对于环境保护、家畜温室气体减排和家畜能量利用效率非常重要。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种体外胃肠道微生物厌氧发酵温室气体实时检测装置，还提供一种体外胃肠道微生物厌氧发酵温室气体实时检测方法，扩展了厌氧发酵技术在温室气体研究上的应用，为研究厌氧发酵温室气体生成机制提供新的技术及配套方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，包括设置有胃肠道微生物和发酵培养底物的发酵瓶，还包括用于给发酵瓶进行加热保温的水浴锅、用于吸收发酵瓶排除气体的真空样品瓶、用于连通真空样品瓶和发酵瓶的导管、用于控制导管通断的电磁阀和用于检测发酵瓶内气压并控制电磁阀的压力检测装置。

如上所述的压力检测装置包括用于检测发酵瓶内气压的压力传感器、用于读取压力传感器数据并根据压力传感器数据输出控制信号的气体数据读取装置和用于对控制信号进行波形转换并输出到电磁阀的数字信号转换装置。

如上所述的导管为两根，所述的电磁阀为两通电磁阀。

一种体外厌氧发酵温室气体实时检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在发酵瓶内放置发酵培养底物和胃肠道微生物，发酵瓶通过导管连接压力传感器，将发酵瓶通过电磁阀与真空样品瓶连通；

步骤2、测量发酵瓶内的气压值，通过测得的气压值计算胃肠道微生物产生的发酵气体；

步骤3、控制电磁阀将发酵瓶内的发酵气体排放到真空样品瓶直至发酵瓶内的气压恢复大气压，若排气后，发酵过程被终止，根据气体排放次数、发酵累计产生的发酵气体体积和各真空样品瓶中的甲烷、氢气和二氧化碳的含量计算发酵累计产生的甲烷、氢气和二氧化碳的体积；若排气后，发酵过程没有结束，则更换真空样品瓶，返回步骤2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、结构简单，使用方便，功能更强；

2、各部件容易获取，同时实现了温室气体生成的实时检测；

3、实现气体样品的自动采样，自动记录，数据更精确；

4、排气压力得以控制，减少发酵瓶的压力对微生物活性的影响。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为胃肠道微生物生成的体积与压力之间的关系图表，其中：横坐标为真空样品瓶气体压力（P，kPa），纵坐标为气体体积（V，ml）；

图4本发明方法的控制框架图。

图中：1-胃肠道微生物；2-发酵培养底物；3-发酵瓶；4-水浴锅；5-真空样品瓶；6-导管；7-电磁阀；8-压力传感器；9-气体数据读取装置；10-数字信号转换装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

如图1~图4所示，一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，包括设置有胃肠道微生物1和发酵培养底物2的发酵瓶3，还包括用于给发酵瓶3进行加热保温的水浴锅4、用于吸收发酵瓶3排除气体的真空样品瓶5、用于连通真空样品瓶5和发酵瓶3的导管6、用于控制导管6通断的电磁阀7和用于检测发酵瓶3内气压并控制电磁阀7的压力检测装置。

压力检测装置包括用于检测发酵瓶3内气压的压力传感器8、用于读取压力传感器数据并根据压力传感器数据输出控制信号的气体数据读取装置9和用于对控制信号进行波形转换并输出到电磁阀7的数字信号转换装置10。

导管6为两根，所述的电磁阀7为两通电磁阀。

一种体外胃肠道微生物发酵气体实时检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在发酵瓶3内放置发酵培养底物2和胃肠道微生物1，发酵瓶3通过导管连接压力传感器8，将发酵瓶3通过电磁阀7与真空样品瓶5连通；

步骤2、测量发酵瓶3内的气压值，通过测得的气压值计算胃肠道微生物产生的发酵气体；

对利用气压值计算气体产量计算方法及气体数据读取装置基本参数的设定方法的详细解释如下：

发酵气体生成量是通过测定发酵瓶3的相对压力（即发酵瓶3的压力与大气压之间的差值）来推算，发酵瓶中3的压力取决于胃肠道微生物利用发酵底物所产生的气体量。压力传感器8，使用其具有输出电子信号功能的压力传感器。目前，市场上常用电子输出信号有：0-5V、4-20mA等。气体数据读取装置9，使用能够将电子信号转化为具体数字和记忆储存功能的仪表或者计算机，目前市场上常用的有无纸记录仪及个人电脑。

压力传感器8可以用于测定发酵瓶中的相对压力，并转化为0-5V电子信号。因为当发酵瓶3相对压力大于10kPa时，胃肠道微生物发酵的正常过程将会受到影响。为此，选用的压力传感器量程(Pmax)为50kPa。当发酵瓶3相对压力为0时，输出的电子信号为0V；当发酵瓶相对压力为50kPa时，输出的电子信号为5V。电子信号强度(I)与发酵瓶的相对压力(P_t)关系可以表示为：

$I=p_t\frac{5}{P_{\max }}---\left(1\right)$

该公式中，I为电子信号强度（V），P_t为发酵瓶中的相对压力（kPa），P_max为压力传感器最大量程（kPa）。

压力传感器8所测定的相对压力大小与微生物发酵所产生的气体量有强正相关性。根据博伊尔定律（Boyle's law）：一定温度下，一定质量的气体压力与其体积成反比关系。在本装置中，压力传感器8所读出的相对压力(Pt)与发酵生成气体体积(Vt)之间数学关系为：

(P_t+P_a)V_h＝P_a(V_h+V_t)                                     (2)

公式2中，P_t为发酵瓶3中的相对压力（kPa），P_a为1个大气压压力（一般为100kPa），V_t发酵生成气体体积(ml)，V_h发酵瓶3顶部空间的体积(ml)。

公式2的解为：

$V_t=P_t\frac{V_h}{P_a}---\left(3\right)$

公式3中，V_t发酵生成气体体积(ml)，P_t为发酵瓶3中的相对压力（kPa），P_a为1个大气压压力（一般为100kPa），V_h发酵瓶3顶部空间的体积(ml)。

因此，微生物发酵气体生成体积与测定压力有强正比例关系。当顶部空间为75ml和发酵瓶温室37℃时，图3显示了微生物发酵生成体积与测定压力实测关系图，即

V_t＝0.606P_t                                              (4)

公式4中，V_t发酵生成气体体积(ml),P_t为发酵瓶中的相对压力（kPa）。

在些基础上，计算气体数据读取装置的最大量程（V_max），即

$V_{\max }=P_{\max }\frac{V_h}{P_s}---\left(5\right)$

公式5中，V_max为气体数据读取装置的最大量程（ml），V_h发酵瓶顶部空间的体积(ml)，P_a为1个大气压压力（一般为100kPa），P_max为压力传感器最大量程（kPa）。

如果设定Pmax=50kPa,Vh/Pa=0.606的情况下，气体数据读取装置9的最大量程Vmax=30.3ml。

步骤3、控制电磁阀7将发酵瓶3内的发酵气体排放到真空样品瓶5直至发酵瓶3内的气压恢复大气压，若排气后，发酵过程被终止，根据气体排放次数、发酵累计产生的发酵气体体积和各真空样品瓶5中的甲烷、氢气和二氧化碳的含量计算发酵累计产生的甲烷、氢气和二氧化碳的体积；若排气后，发酵过程没有结束，则更换真空样品瓶5，返回步骤2。

其中，对排气原理的解释如下：

发酵瓶3中累积的气体压力升高会影响胃肠道微生物区系和活性，保持合理的发酵瓶3气体压力对维持正常的胃肠道微生物发酵过程至关重要。因此，通过设定电磁阀7开闭条件，实现对发酵瓶3进行间断性的排气，以保持发酵瓶3中稳定的气体压力。经电磁阀7排出的气体直接接入真空样品瓶5，真空样品瓶5气体用于气体甲烷、氢气等组分分析。

通过控制电磁阀7动作确保了发酵瓶维持相对稳定的压力，避免了过高压力对胃肠道微生物正常繁殖代谢的影响。

数字信号转换装置的功能：解决压力传感器8输出的电子信号与控制电磁阀7的电子信号不一致性，实现通过压力传感器8控制电磁阀7的功能。数字信号2a为压力传感器输出的电子信号，一般为4-20mA和0-5V等。数字信号2b为继电器工作的电压信号，可为12V和24V等。通过设置信号转化点，数字信号转换装置10可将数据信号2a转化为数据信号2b。继电器通过对电磁阀7供电一段时间，实现完全放气。通常情况下，继电器处于常开状态。当继电器接收到数据信号2b，继电器关闭并持续小段时间（例如10秒），电磁阀7通电并阀体接通，发酵瓶气体通过电磁阀7进入真空样品瓶5中，发酵瓶3压力减少至0。实现数字信号转换装置的功能有两种方式：方式1、单独购买数字信号转换装置10和继电器；方式2、将数据信号转换功能嵌入到气体数据读取装置9中。

以方式2实现压力传感器8控制电磁阀7为例，实现该功能。嵌入有数据信号转换功能的无纸记录仪来自于昆山双桥传感器测控技术有限公司。设定发酵瓶3相对压力达一定值（P，10kPa），发酵瓶3须放气，电磁阀7的阀体关闭。利用公式1，计算电磁阀7开启的电子信号强度为1V。当压力传感器8输出信号为1V，无纸记录仪输出电压5V信号。电磁阀7通电，电磁阀7的阀体接通，发酵瓶3气体通过电磁阀7进入真空样品瓶中。无纸记录仪可内嵌一个持续输出电压5V信号的延迟时间（例如10秒），实现发酵瓶中气体完全释放，发酵瓶相对压力减小到0。由于真空样品瓶被抽真空，其处于负压状态，发酵瓶气体容易通过二通电磁阀进入真空样品瓶中。

对如何根据气体排放次数和发酵瓶3内的气压值计算发酵累计产生的气体相关方法时行说明如下：

当压力传感器8测定发酵瓶3中气体的相对压力为Pt，经公式3计算转化成为气体的体积（Vt）。设定电磁阀的阀体打开时发酵瓶中气体压力（P），并通过公式1计算阀体打开的电子信号强度。由于发酵气体被释放，发酵瓶3中气体压力迅速减少。当发酵瓶3中气体释放一定时间直到压力为0时，电磁阀的阀体关闭。由公式3计算经电磁阀7释放的气体体积（Vr）。例如，当顶部空间为75ml时，两通电磁阀的阀体打开时发酵瓶3的相对压力为10kPa，用公式4计算释放的气体体积为6.06ml。然后反复重复电磁阀的阀体开与关，直到发酵底物被胃肠道微生物利用完全，发酵终止。时间t时，累积气体量（Vat）可由以下公式计算：

$V_{\mathrm{at}}=P_t\frac{V_h}{P_a}+n{V}_r---\left(6\right)$

该公式中，V_at为发酵累积气体量（ml），P_t为发酵瓶中的相对压力（kPa），V_h发酵瓶顶部空间的体积(ml)，P_a为1个大气压（一般为100kPa），P_max为压力传感器最大量程（kPa），n为经两通电磁阀释放气体的次数。

当顶部空间为75ml时，电磁阀7的阀体打开时发酵瓶3的相对压力为10kPa，实时累积气体量（Va）可由以下公式计算：

V_at＝V_t+6.06n                                                 (7)

该公式中，V_at为发酵累积气体量（ml），V_t为t时间点的发酵实时气体量（ml），n为经电磁阀释放气体的次数。

对如何根据气体排放次数和真空样品瓶中的甲烷、氢气和二氧化碳各组分含量计算发酵累计产生的甲烷、氢气和二氧化碳各组分体积说明如下：

对真空样品瓶中的气体组分进行分析，测定其中的甲烷、二氧化碳、氢气等含量。时间t时，累积气体组分x（V_Xat）可由以下公式计算：

$V_{\mathrm{Xat}}=(P_t\frac{V_h}{P_a}+V_h)C_{\mathrm{Xt}}+\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{Xi}}{V}_r---\left(8\right)$

其中，V_Xat为发酵气体组分x累积气体量（ml），P_t为发酵瓶中的相对压力（kPa），V_h发酵瓶顶部空间的体积(ml)，P_a为1个大气压（一般为100kPa），C_Xt为t时刻点时发酵气体组分X的含量，C_Xi为第i次放气时发酵气体组分X的含量；n为经两通电磁阀释放气体的次数。

当顶部空间为75ml时，电磁阀的阀体打开时发酵瓶的相对压力为10kPa，时间t时，累积气体组分x（VXat）可由以下公式计算：

$V_{\mathrm{Xat}}=(V_t+75)C_{\mathrm{Xt}}+\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}6.06C_{\mathrm{Xi}}---\left(9\right)$

该公式中，V_Xat为发酵气体组分x累积气体量（ml），V_t为t时间点的发酵实时气体量（ml），C_Xt为t时刻点时发酵气体组分X的含量，C_Xi为第i次放气时发酵气体组分X的含量；n为经两通电磁阀释放气体的次数。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，包括设置有胃肠道微生物（1）和发酵培养底物（2）的发酵瓶（3），其特征在于：还包括用于给发酵瓶（3）进行加热保温的水浴锅（4）、用于吸收发酵瓶（3）排除气体的真空样品瓶（5）、用于连通真空样品瓶（5）和发酵瓶（3）的导管（6）、用于控制导管（6）通断的电磁阀（7）和用于检测发酵瓶（3）内气压并控制电磁阀（7）的压力检测装置。

2.根据权利要求1所述的一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，其特征在于：所述的压力检测装置包括用于检测发酵瓶（3）内气压的压力传感器（8）、用于读取压力传感器数据并根据压力传感器数据输出控制信号的气体数据读取装置（9）和用于对控制信号进行波形转换并输出到电磁阀（7）的数字信号转换装置（10）。

3.根据权利要求1所述的一种体外厌氧发酵温室气体实时检测装置，其特征在于：所述的导管（6）为两根，所述的电磁阀（7）为两通电磁阀。

4.一种体外厌氧发酵温室气体实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在发酵瓶（3）内放置发酵培养底物（2）和胃肠道微生物（1），发酵瓶（3）通过导管连接压力传感器（8），将发酵瓶（3）通过电磁阀（7）与真空样品瓶（5）连通；

步骤2、测量发酵瓶（3）内的气压值，通过测得的气压值计算胃肠道微生物产生的发酵气体；

步骤3、控制电磁阀（7）将发酵瓶（3）内的发酵气体排放到真空样品瓶（5）直至发酵瓶（3）内的气压恢复大气压，若排气后，发酵过程被终止，根据气体排放次数、发酵累计产生的发酵气体体积和各真空样品瓶（5）中的甲烷、氢气和二氧化碳的含量计算发酵累计产生的甲烷、氢气和二氧化碳的体积；若排气后，发酵过程没有结束，则更换真空样品瓶（5），返回步骤2。

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