CN102798557A - 用于物质养分生物利用实时在线检测的方法及反应器 - Google Patents

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王敏
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谭支良
韩雪峰
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Abstract

本发明公开了一种用于物质养分生物利用实时在线检测的方法及反应器，步骤：A、在反应器体内放置发酵物质和肠道微生物；B、由气体压力传感器监测反应器体内的压力，控制三通电磁阀将反应器体内的气体通过气体样品取样管进行取样；C、将反应器体内的发酵液体通过液体样品取样管取出，供VFA、氨态氮、微生物蛋白等的测定。气体样品取样管与气体压力传感器相连，气体压力传感器后面再接三通电磁阀，在反应器体的底部有活动玻璃珠，液体样品取样管外端与液体流量控制阀相连。方法易行，操作简便，结构简单，能在同一在线检测中设置多个微型生物反应器，可进行物质养分利用的大批量分析评价。

Description

用于物质养分生物利用实时在线检测的方法及反应器
技术领域
本发明属于微生物发酵技术领域，更具体涉及一种用于物质养分生物利用实时在线检测的方法，同时还涉及一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，以便于评价胃肠道微生物对不同类型饲料的降解效率，以及评价产甲烷类微生物对畜禽粪污降解产生甲烷的效率。并通过增加微型生物反应器的单元，实现对大批量饲料或畜禽粪污类物质微生物利用效率的高效运作评价。
背景技术
体外发酵法已成为发达及发展中国家采用最多的用以评价放牧家畜饲草饲料饲用价值的技术之一。目前所用到的体外发酵产气法发酵培养装置主要有注射器发酵培养装置、半自动压力传感装置及全自动压力传感装置。但注射器发酵培养装置、半自动压力传感装置最明显的缺陷是获取的数据是非连续性的，往往需要通过数学模型模拟来弥补数据间断性的缺点，由此往往获得的模拟参数很难得到真正有生物学意义的解释。而全自动压力传感器法只是对饲料发酵过程中的总产气量进行测定，而对气体成分及发酵后发酵液中的各种成分的变化情况没有进行实时测定，不能实时反映饲料养分消化或降解过程的实际动态状况。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种用于物质养分生物利用实时在线检测的方法，方法易行，操作简便，利用压力传感器记录压力，利用电磁阀控制气体的排出，使物质分解产生的气体体积的记录和气体成分的分析易实现自动化；利用液体流量控制阀可实现发酵液的自动取样，节省人力，有利于提高实验操作的自动化程度和结果的精确性。
本发明的另一个目的是在于提供了一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，结构简单，操作方便，可在饲料或粪污发酵过程中实现自动实时取样和对产生的气体进行自动取样及气体成分的自动测量。
一种用于物质养分生物利用实时在线检测反应器的方法，其步骤是：
步骤1、在反应器体内放置可发酵物质和肠道微生物或甲烷菌，同时放入活动玻璃珠，然后用密封塞和固紧盖进行密封，反应器体通过气体样品取样管连接气体压力传感器，然后再与三通电磁阀连通；反应器体通过液体样品取样管连接液体流量控制阀。
步骤2、由气体压力传感器控制反应器体内的压力，当反应器体内的压力达到预设最高值时（10kPa），发出电子信号，三通电磁阀打开，将反应器体内的气体通过气体样品取样管进行取样或排放，直至反应器体内的气体压力恢复至预设的最低值（相对大气压为0kPa）。
步骤3、根据试验要求在选定的时间点(例如在发酵2或6或10或16或24或36或48小时等)，打开液体流量控制阀，将反应器体内的发酵液体通过液体样品取样管取出，供VFA、氨态氮、微生物蛋白等的测定。
一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，由反应器体、气体样品取样管、液体样品取样管、气体压力传感器、液体流量控制阀及三通电磁阀构成，其特征在于：气体样品取样管与气体压力传感器相连，气体压力传感器后面再接三通电磁阀，在反应器体的底部有活动玻璃珠，液体样品取样管外端与液体流量控制阀相连。在反应器体顶部设有密封塞及固紧盖，密封塞及固紧盖上设置有小孔，供气体样品取样管及液体样品取样管通过。气体样品取样管一端通过密封塞及固紧盖上的小孔插入反应器体，另一端分别与气体压力传感器及三通电磁阀相连。液体样品取样管一端通过密封塞及固紧盖上的小孔插入反应器体，另一端与液体流量控制阀相连。在反应器体内，物质养分（如碳水化合物、粗蛋白及粗脂肪等）在微生物作用下分解生成二氧化碳、甲烷、氢、氨态氮、短链脂肪酸、合成微生物蛋白等。当反应器体内的气体不断累积时产生的压力通过气体样品取样管传递给气体压力传感器，当气体累积压力达到10kPa时，三通电磁阀打开，气体成分通过气体样品取样管进入气体分析仪器进行分析或排出，同时反应器体内的压力回到正常气压下。发酵后的固液混合样品经液体样品取样管前端小孔的过滤后，通过液体样品取样管流出，由液体流量控制阀控制液体样品的取样量。反应器体底部的活动玻璃珠带动器体内的固体及液体成分一起运动，使发酵液样品混合更为均匀。
所述的反应器体为玻璃材质，其容积在150ml以内，反应器体内的压力控制在相对大气压力值为0－10kPa。
所述的液体样品取样管的底端有孔，内径为4mm。
所述的密封塞为丁基橡胶。
所述的气体压力传感器量程为0－100kPa。
所述的液体流量控制阀控制液体流速范围为0－100ml/min。
所述的气体样品取样管内径为2mm。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和效果:
本发明建立了一种微型生物反应器，它具有结构简单，易于操作，适合连续培养、自动取样、以及多个小型反应器体相连进行大批量样本分析的特点。可在饲料或粪污发酵过程中实现自动实时取样和对产生的气体进行自动测量。通过连用40个微型反应器单元，以玉米秸为底物，在72小时发酵反应中，压力传感器读取压力精度可控制在0.01kPa,40个反应单元间的温度误差在0.5°C，对同一样品，平行样品之间的产气精度可控制在5%以内，干物质消失率的误差在2%以内。20个反应单元的液体样品的取样误差在5%以内。采用此方法时对一个发酵样品的平均取样时间只相当于传统方法的1/20，而且在取液体及气体样品时可保证反应器的温度保持恒定，从而提高试验的准确性与精密度。如果每个样品做两个平行，每次试验可对20个样品同时进行分析，从而实现对各种饲料的大批量测定，减小试验劳动强度，大大提高工作效率。
附图说明
图1为一种用于物质养分生物利用实时在线检测装置结构示意图。
其中：活动玻璃珠（1）、液体流量控制阀（2）（BT100-1L）、液体样品取样管（3）、反应器体（4）（KY-YYP150）、密封塞（5）、固紧盖（6）、气体样品取样管（7）、三通电磁阀（8）（KQ2T23-M5/04）、气体压力传感器（9）（PSE543-M5）。
具体实施方式
实施例1:
一种用于物质养分生物利用实时在线检测反应器的方法，其步骤是：
步骤1、在反应器体4内放置可发酵物质和肠道微生物或甲烷菌，同时放入活动玻璃珠1，然后用密封塞5和固紧盖6进行密封，反应器体4通过气体样品取样管7连接气体压力传感器9，然后再与三通电磁阀8连通；反应器体4通过液体样品取样管3连接液体流量控制阀2。
步骤2、当气体压力传感器9监测到的压力达到预设值时（10kPa），发出电子信号给三通电磁阀8，三通电磁阀8打开，气体通过气体样品取样管7排放或进行取样，直至反应器体4内的气压恢复至大气压，等待下次气体排出或取样。
步骤3、根据试验要求选定时间点:在发酵2或6或10或16或24或36或48小时，控制液体流量控制阀2，将反应器体4内的发酵液体通过液体样品取样管3取出，供VFA、氨态氮、微生物蛋白等的测定，从而获得饲料物质中碳水化合物及蛋白质的消化率情况，以及微生物蛋白的合成情况，根据微生物蛋白的合成量，以及VFA中不同挥发性脂肪酸的含量及比例以及氨态氮的生成量可对饲料的营养价值高低进行评价。
实施例2:
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
根据图1所示，一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，由容积为150ml可密封上开口的反应器体4、气体样品取样管7、液体样品取样管3、气体压力传感器9、液体流量控制阀2及三通电磁阀8组成，其依次连接关系是：气体样品取样管7与气体压力传感器9相连，气体压力传感器9后面再接三通电磁阀8，在反应器体4的底部有活动玻璃珠1，液体样品取样管3外端与流量控制阀2相连。反应器体4顶部由密封塞5及固紧盖6密封，反应器体内加入物质样品后通入CO2造成厌氧环境，同时加入发酵培养液，然后用密封塞5及固紧盖密封及紧固，将内径分别为2mm和气体样品取样管7及4mm的液体样品取样管3穿过密封塞5及固紧盖6与反应器体4内部相通。气体样品取样管7外端近反应器体4端与气体压力传感器9相连，气体压力传感器9后端再与三通电磁阀8相连；反应器体4内的压力与气体样品取样管7中的压力一致。物质养分在培养液中微生物的作用下分解产生气体，当反应器体4内的压力达到预设最高值（10kPa）时，发出电子信号给三通电磁阀8，三通电磁阀8打开，排出气体取得气体样品，同时反应器体4内的压力下降到预设最低值（相对大气压的值为0kPa），等待下次气体排出。液体样品取样管3接触培养液的一端开有小孔，外端与液体流量控制阀2相连，反应器体4内的发酵样品经液体样品取样管3前端的小孔过滤后通过液体样品取样管3经液体流量控制阀2排出，取得液体样品；液体流量控制阀2控制每个发酵反应器体每次液体样品的流出量为2ml。反应器底部装有活动玻璃珠1，反应器内的饲料物质及发酵液在活动玻璃珠1的带动下一起运动模拟胃肠道的运动，同时将饲料物质及发酵液混合均匀。
所述的反应器体4为玻璃材质，其容积在150ml以内，反应器体4内的压力控制在相对大气压力值为0或1或3或5或7或8或10kPa。
所述的液体样品取样管3的底端有孔，内径为4mm。
所述的密封塞5为丁基橡胶。
所述的气体压力传感器9量程为0或10或20或35或45或55或68或78或87或95或100kPa。
所述的液体流量控制阀2控制液体流速范围为0或15或25或40或50或66或75或88或93或100ml/min。
所述的气体样品取样管7与气体压力传感器9和三通电磁阀8相连,气体样品取样管7内径为2mm。

Claims (8)

1.一种用于物质养分生物利用实时在线检测的方法，其步骤是：
步骤1、在反应器体（4）内放置发酵物质和肠道微生物或甲烷菌，同时放入活动玻璃珠（1），然后用密封塞（5）和固紧盖（6）进行密封，反应器体（4）通过气体样品取样管（7）连接气体压力传感器（9），然后再与三通电磁阀（8）连通；反应器体（4）通过液体样品取样管（3）连接液体流量控制阀（2）；
步骤2、气体压力传感器（9）监测到的压力达到预设最高值，发出电子信号给三通电磁阀（8），三通电磁阀（8）打开，气体通过气体样品取样管（7）排放或进行取样，直至反应器体（4）内的气压恢复至大气压，等待下次气体排出或取样；
步骤3、在选定的时间点，打开液体流量控制阀（2），将反应器体（4）内的发酵液体通过液体样品取样管（3）取出，供VFA、氨态氮、微生物蛋白的测定。
2.权利要求1所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，它由密封塞（5）、固紧盖（6）、反应器体（4）、气体样品取样管（7）和液体样品取样管（3）构成，其特征在于：气体样品取样管（7）与气体压力传感器（9）相连，气体压力传感器（9）后面再接三通电磁阀（8），在反应器体（4）的底部有活动玻璃珠（1），液体样品取样管（3）外端与液体流量控制阀（2）相连。
3.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的反应器体（4）为玻璃材质，其容积在150ml以内，反应器体（4）内的压力控制在相对大气压力值为0－10kPa。
4.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的液体样品取样管（3）的底端有孔，内径为4mm。
5.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的密封塞（4）为丁基橡胶。
6.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的气体压力传感器(9)量程为0－100kPa。
7.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的液体流量控制阀(2)液体流量控制阀控制液体流速范围为0－100ml/min。
8.根据权利要求2所述的一种用于物质养分生物利用实时在线检测的微型生物反应器，其特征在于：所述的气体样品取样管（7）内径为2mm。
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