CN117720994A - 一种体外消化仿生装置、控制及降解测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体外消化仿生装置、控制及降解测试方法，包括瘤胃驱动模块，仿生瘤胃网胃发酵模块，网胃驱动模块，仿生食道模块，集气模块；所述瘤胃驱动模块用于驱动所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃，所述网胃驱动模块用于驱动所述生瘤胃网胃发酵模块中的仿生网胃；所述仿生食道模块和集气模块分别通过食道管和集气管与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃相连。引入了实时监测关键参数的设备，可在线监测气体产量和气体组分等关键参数，以更有效地分析降解动力学数据。仿生反刍动物的瘤胃网胃体外消化发酵及检测装置，高度还原消化过程，并提供控制参数以及仿生分析，为动物营养学领域提供简便高效的科研和实验工具性平台。

Description

一种体外消化仿生装置、控制及降解测试方法

技术领域

本发明涉及用于瘤胃体外发酵产气的体外消化系统装备，具体而言，涉及一种体外消化仿生装置、控制及降解测试方法。

背景技术

反刍动物（如牛、羊等）具有多室胃，并通过在胃中发酵纤维素的特殊微生物来消化纤维素等难以消化的植物材料。反刍动物体外消化实验技术被广泛应用于研究不同饲料成分在胃部消化过程中的降解情况，特别是纤维素和蛋白质的降解及其对微生物的影响。此外，该技术也被用于评估添加剂、饲料配方和饲养管理策略对反刍动物胃内微生物群落和营养素利用效率的影响。最早的in vitro实验基于反刍动物胃内容物，将胃液和微生物一同收集，然后进行实验。通常需要人工操作，并且某些操作需要重复且耗时。随着科技的进步，发展出了更加精确、可控的in vitro技术。这些技术包括人工唾液配置、添加特定微生物和瘤胃液、控制温度和pH等条件，以模拟真实反刍动物胃部环境。

新型平台技术和自动化设备能够提高实验效率，确保实验的稳定性和精确度，更好地整合数据收集、传输和处理。通过这些设备，可以实时监测反刍动物消化过程中的关键参数，比如pH值、气体产量等，从而更有效地获取数据和进行分析。因此，基于反刍动物体外消化实验技术的发展，开发创新平台技术与自动化测试装备有助于提高实验效率、优化数据收集与分析、降低成本和资源消耗，不仅有助于更深入地理解反刍动物消化过程和营养转化，推动畜禽生产效率的提升和可持续发展，更有助于实现农业的可持续发展，为全球温室气体减排目标提供了重要的战略路径。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种体外消化仿生装置及其控制方法。

一种体外消化仿生装置包括以下模块：瘤胃驱动模块，仿生瘤胃网胃发酵模块，网胃驱动模块，仿生食道模块，集气模块；所述瘤胃驱动模块用于驱动所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃，所述网胃驱动模块用于驱动所述生瘤胃网胃发酵模块中的仿生网胃；所述仿生食道模块和集气模块分别通过食道管和集气管与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃相连。

所述仿生食道模块通过食道管与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的瘤胃相连，所述集气模块的进气口与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的瘤胃的集气系统连接管相连。

所述仿生瘤胃网胃发酵模块，包括瘤胃部分，网胃部分和连接部分；所述连接部分用于连接所述瘤胃部分和网胃部分；

所述瘤胃驱动模块用于控制所述仿生瘤胃的收缩和舒张，所述网胃驱动模块用于控制所述仿生网胃的收缩和舒张。

所述仿生食道模块包括软体食道管，软体食道管限位槽，一号滚轮，二号滚轮，三号滚轮，卜型三通，进料漏斗，通断阀，储料罐，蠕动泵，物料瓶。

所述软体食道管依次连接所述仿生瘤胃与进料漏斗以及所述液体进料系统；所述液体进料系统包括物料瓶、蠕动泵、储料罐。所述通断阀用于控制所述液体进料的通断。

所述集气模块包括集气袋，进气通断阀，出气通断阀，冷凝回流管，气体流量计，气体组分分析仪。

更进一步地，一种体外消化仿生装置还包括瘤胃液和人工唾液模块。

更进一步地，所述集气袋在进气口以及出气口分别设置进气通断阀、出气通断阀，通过两个开关阀的配合实现集气袋不同的功能。

更进一步地，所述仿生瘤胃为软体瘤胃，所述驱动模块采用软体机器人，所述软体机器人设置在所述仿生瘤胃上。

更进一步地，所述软体机器人为软体材料，由多段阵列式气囊组成。

更进一步地，所述软体机器人的多段阵列式气囊是由一段阵列式气囊和另一段与其直角相交的阵列式气囊交叉组成的十字型气囊构成。

更进一步地，所述十字型气囊包括通气口、一号夹爪、二号夹爪、三号夹爪、四号夹爪，每个夹爪均包含多个单独且联通的气囊，所述通气口与外部气源连接提供动力，四个夹爪成十字结构均匀分布。

更进一步地，所述仿生网胃为软体网胃，所述外部挤压机构为曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮滑块机构或其组合。

更进一步地，还包括夹板与叉指结构，所述夹板与叉指结构能够实现由下到上挤压网胃，并对网胃提供柔性支撑

更进一步地，一种体外消化仿生装置，还包括仿生食道模块，集气模块。

更进一步地，所述仿生食道模块包括食道管，所述食道管为软体结构，且在所述食道管外分布挤压装置。

更进一步地，所述集气模块包括集气袋，所述集气袋进气口与所述仿生瘤胃通过集气系统连接管连接，所述集气袋在进气口以及出气口分别设置进气通断阀、出气通断阀。

更进一步地，所述网袋由不可拉伸的软绳编制而成，用于限制瘤胃形变，防止过度膨胀。

更进一步地，所述外部挤压机构为曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括左偏心轮、左传动杆、左限位杆、左限位板、左夹板以及右偏心轮、右传动杆、右限位杆、右限位板、右夹板，所述仿生网胃设置在左夹板与右夹板之间。

所述外部挤压机构可以是常见的可以为夹板提供直线运动的机构，如蜗轮蜗杆、凸轮滑块、气缸等。

更进一步地，所述左夹板包括左平板和左弧形叉指，所述右夹板包括右平板和右弧形叉指。

更进一步地，所述瘤胃网胃由瘤网胃连接管连接，所述瘤网胃连接管上设有压力表和第一管道夹。

更进一步地，所述压力表用于检测内部反应器压强，所述第一管道夹用于控制所述瘤网胃连接管的通断。

更进一步地，所述食道部分由食道管连接所述瘤胃与漏斗以及所述液体进料系统。

更进一步地，所述食道管为软体结构，在所述食道管外侧交错分布三组滚动挤压装置，用于挤压食道以模拟真实的食道蠕动。

更进一步地，所述食道管内嵌于食道限位槽内，用于固定食道的位置，以及配合所述滚动挤压装置挤压所属食道管；

更进一步地，所述食道管底部链接所述瘤胃，在所述食道管与所述瘤胃连接部分设有第二管道夹用于控制瘤胃与食道的通断；

更进一步地，所述食道管顶部连接漏斗以及液态进料系统，所述漏斗用于添加固态物料，所述液态进料系统用于添加液态物料。

更进一步地，所述液态进料系统由物料瓶、蠕动泵、储料罐、通断阀组成。

更进一步地，所述蠕动泵将物料瓶内液体泵入所属储料罐，待储料罐内液体达到一定量后，所述通断阀门打开使所属储料罐内液体流入所述食道中。

更进一步地，所述集气部分包括冷凝回流管、集气袋、气体流量计和气体组分分析仪；

更进一步地，所述集气袋在进气口以及出气口分别设置开关阀，通过两个开关阀的配合实现集气袋不同的功能。

更进一步地，所述集气袋进气口与所述瘤胃连接，所述冷凝回流管设置在所述瘤胃与所述集气袋连接管之间用于将所述瘤胃产气中的水蒸气回流回所述瘤胃。

更进一步地，所属集气袋出气口依次与气体流量分析仪与气体组分分析仪连接。

所述仿生网胃用于与瘤胃内的物料形成对流缓冲，加强搅拌效果。

更进一步地，所述网胃部分的外部挤压机构可以是曲柄滑块等常见机械执行机构，优选地，所述网胃的挤压是靠曲柄滑块机构驱动倾斜软板来实现，模拟所述网胃从下到上的挤压效果。

更进一步地，本发明中由于采用了上述执行机构，使得所述瘤胃和所述网胃在做到了与真实瘤胃网胃硬度十分相近。

更进一步地，所述瘤胃部分中，所述软体机器人固定连接于所述仿生瘤胃上，可采用常见的固定方式，包括但不限于粘贴等方式。

更进一步地，本发明中所述软体机器人为十字型气囊，包括进气口、一号夹爪、二号夹爪、三号夹爪、四号夹爪，每个夹爪均有多个单独且联通的气囊组成，所述进气口与外部气源连接提供动力，所述四个夹爪成十字结构均匀分布，每个夹爪最靠近所述仿生瘤胃处设置有软胶层，次靠近所述仿生瘤胃处设置不可拉伸涂层。

更进一步地，所述网胃部分软体囊腔为水滴状，容积大概为450～1000ml。本发明中曲柄滑块机构包括偏心轮、传动杆、限位杆、限位板、夹爪，所述夹爪与所述仿生网胃接触，在偏心轮、传动杆、限位杆、限位板等机构的带动作用下，所述夹爪结构能够实现由上到下挤压网胃，并对网胃提供支撑。

一种体外消化仿生装置的控制方法，包括四个步骤：配液阶段、进料阶段、仿生发酵阶段、气体收集和数据采集阶段。

瘤胃网胃蠕动过程中共存在三种驱动状态，状态1为瘤胃上部分舒张、瘤胃下部分舒张、网胃部分压缩；状态2为胃上部分压缩、瘤胃下部分舒张、网胃部分舒张；状态3为瘤胃上部分舒张、瘤胃下部分压缩、网胃部分舒张。

所述仿生发酵阶段包括四个子阶段，第一阶段:食道管夹呈打开状态，网胃保持压缩状态，瘤胃上下部分均处于舒张状态，待物料添加结束后关闭食道夹，此时待消化物进入瘤胃。

第二阶段：网胃执行机构动作，网胃处于舒张状态；瘤胃上部分驱动机构压缩瘤胃上囊腔将瘤胃上囊腔的内容物送入网胃。

第三阶段:瘤胃下部分驱动机构压缩瘤胃下囊腔，使瘤胃下囊腔内容物送入瘤冒上囊腔，而后瘤胃上部分驱动机构压缩瘤胃上囊腔，使瘤胃上囊腔内容物送入瘤胃下囊腔，此阶段多次循环，当达到一定时间之后，停止本阶段循环。具体时间根据不同的动物品种以及实验需求来确定。

第四阶段：压缩网胃将网胃内容物送入瘤胃上部分。判断是否达到集气条件，若未达到集气条件则继续循环进行第三阶段和第四阶段。

在发酵过程中还对以下参数进行设定：蠕动强度的设定，可控制曲柄滑块机构的极限挤压间隙与软体夹爪的施加压力；三种状态切换的时间间隔；选择一个发酵周期维持的时长；选择总发酵时长。

气体收集和分析阶段包括两个子阶段；

第一阶段:挤压集气袋，待瘤胃膨胀至恢复原体积后停止挤压，并关闭气袋进气口，打开气袋出气口。

第二阶段:挤压集气袋，使集气袋内气体流经气体流量计及气体组分分析仪，待气袋内气体完全排出后，关闭气袋出气口，打开气袋进气口，判断是否达到设备运行总时长，若未达到停止时长继续运行发酵阶段的第三阶段和第四阶段。

一种用于测量饲料体外消化降解的实验方法，所述方法包括以下步骤：

将原料加载至至少一个具有连续地良好的蠕动的软体胃反应器；

在瘤胃和网胃软体反应器中进行厌氧发酵；

使所生产的生物气体流动至至少一个用于缓冲的气袋，所述气袋可用于软体反应器复位；

使所述生物气体流动至至少一个用于测量所述生物气体流量的气体流量测量装置；

并且连续地且实时地记录和分析生物气体的流量和组分。

有益效果

1.首次提出系统性反刍类动物体外仿生瘤胃网胃消化、发酵及检测装置，高度还原动物实际全消化过程，并且能够提供大范围的控制参数以及分析指标，能够对反刍类动物消化吸收等科学研究提供系统性可靠支撑。能够按照参数化控制瘤胃、网胃的消化过程，也能够精准收集反应器的工艺及产物参数，可以根据实际情况改变一些控制参数，如施加力的方向、大小、频率等，来进一步优化仿生过程。

2.本发明采用软体机器人能实现对瘤胃柔性的揉捏及舒张，能够高度还原瘤胃实际消化发酵过程，且该软体机器人采用多段阵列式气囊组成，可以作为标准化的“元件”，采用粘贴或其他方式固定在仿生胃结构的局部或全部；采用“柔性瘤胃/软体机器人+柔性网胃/曲柄滑块驱动弧形夹板”组合技术，一方面高度还原了真实反刍动物胃部结构，还做到了与真实瘤网胃硬度相近。另一方面，通过软体机器人和软夹板挤压，高度还原了真实胃收缩和排空的过程。

3.本发明具备对超小气体流量的连续监测、记录和数据分析功能，从而确保在仿生瘤胃网胃消化发酵过程中对超小气体流量的高频数据获取。通过专业传感技术和数据记录装置，系统能够实时监测微小气体变化，包括但不限于产气速率、气体成分等参数。这项功能不仅使得对饲料体外消化降解过程的动态信息能够更为细致地捕捉，同时也为科学研究提供了高质量的数据支持。这有助于提高仿生系统的精准度，为反刍类动物的消化、吸收等科学研究提供更全面、可靠的系统性支撑。

附图说明

图1为本发明体外消化仿生装置整体立体示意图。

图2为本发明体外消化仿生装置中软体机器人结构示意图。

图3为瘤胃及网胃体外消化装仿生置结构示意图。

图4为本发明装置曲柄滑块机构结构示意图。

图5为本发明仿生食道模块结构示意图。

图6为本发明集气模块结构示意图。

图7为瘤胃及网胃体外消化仿生装置的控制流程示意图。

图8为集气模块的控制流程示意图。

图9为本发明体外消化方法步骤示意图。

附图说明：1.瘤胃驱动模块，11.通气口，12.一号夹爪，13.二号夹爪，14.三号夹爪，15.四号夹爪，16.顶层，17.中间层，18.底层，2.仿生瘤胃网胃发酵模块，21.仿生瘤胃，22.仿生网胃，23.瘤胃尼龙限制袋，24.瘤胃支架，25.食道连接管，26.食道连接管夹，27.网胃连接管，28.网胃连接管夹，29.压力表，210.集气系统连接管，211.网胃连接管支架，3.网胃驱动模块，31.左偏心轮，32.左传动杆，33.左限位杆，34.左限位板，35.左夹板，36.左弧形叉指，37.右弧形叉指，38.右夹板，39.右限位板，310.右限位杆，311.右传动杆，312.右偏心轮，4.仿生食道模块，41.软体食道管，42.软体食道管限位槽，43.一号滚轮，44.二号滚轮，45.三号滚轮，46.卜型三通，47.进料漏斗，48.通断阀，49.储料罐，410.蠕动泵，411物料瓶，5.集气模块，51.集气袋，52.进气通断阀，53.出气通断阀，54.冷凝回流管，55.气体流量计，56.气体组分分析仪。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

如图1所示，一种体外消化仿生装置，包括瘤胃驱动模块1，仿生瘤胃网胃发酵模块2，网胃驱动模块3，仿生食道模块4，集气模块5；所述仿生瘤胃网胃发酵模块2主要包括仿生瘤胃21及其外部挤压机构和仿生网胃22及其外部挤压机构。

在一个具体实施例中，所述仿生瘤胃21可以是软体瘤胃，所述仿生网胃22可以是软体网胃。

在一个具体实施例中，所述仿生瘤胃21的驱动机构为软体机器人模块1；所述软体机器人驱动模块1用于驱动所述仿生瘤胃21。

在一个具体实施例中，所述仿生网胃22的驱动机构为网胃驱动模块3。

所述集气模块5与所述软体瘤胃21相连，用于收集软体瘤胃21产生的气体；所述软体瘤胃21与所述软体网胃22二者相互连通；所述仿生食道模块4与所述所述软体瘤胃21相连，用于向瘤胃提供待发酵物料。

如图2所示，一种瘤胃网胃仿生反应器所用到的软体机器人，软体机器人采用多段阵列式气囊结构，所述多段阵列式气囊可以为多种形状，优选地，所述软体机器人的多段阵列式气囊是由一段阵列式气囊和另一段与其直角相交的阵列式气囊交叉组成的十字型气囊。交叉部分与气动控制系统相连接，通过控制十字型气囊的工作状态，以实现软体瘤胃反应器的收缩与舒张等蠕动动作。根据现有试验结果，采用十字型气囊效果最佳。

在一个具体实施例中，所述软体机器人驱动模块1包括通气口11，一号夹爪12，二号夹爪13，三号夹爪14，四号夹爪15，每个夹爪均有多个单独且联通的气囊组成，所述通气口11与外部气源连接提供动力，所述四个夹爪成十字结构均匀分布，每个夹爪靠近所述软体瘤胃21处设有底板，所述底板包括依次设置的底层18、中间层17以及顶层16；其中，

所述底层18以及所述顶层16由硅胶等软体材料制作而成；

所述中间层17嵌入在所述底层以及所述顶层中间，其由不可拉伸的材料制作而成，例如可以是TPU、尼龙网布等材料。

所述瘤胃部分中，所述软体机器人固定连接于所述仿生瘤胃上，可采用常见的固定方式，包括但不限于粘贴等方式。

如图3所示，所述仿生瘤胃网胃发酵模块2包括仿生瘤胃21，仿生网胃22，所述仿生瘤胃21与仿生网胃22通过网胃连接管27相连，且在所述网胃连接管27上还设置有压力表29，所述网胃连接管27通过网胃连接管夹28固定。所述压力表29用于检测内部反应器压强，所述网胃连接管夹28用于控制网胃连接管27的通断。

所述仿生瘤胃21安装在瘤胃支架上，且在一个具体实施方式中，所述仿生瘤胃21外还设置有瘤胃尼龙限制袋23，所述瘤胃尼龙限制袋由不可拉伸的软绳编制而成，用于限制瘤胃形变，防止过度膨胀。

还包括食道连接管25，所述道连接管25用于向瘤胃提供待发酵物料。所述道连接管25上设置有食道连接管夹26，所述食道连接管夹26用于控制所述道连接管25的通断。

还包括有集气系统连接管210，所述集气系统连接管210与所述仿生瘤胃21相连，用于收集仿生瘤胃21和仿生网胃22在消化过程中产生的气体。

如图4所示，所述网胃部分的外部挤压机构可以是曲柄滑块等常见机械执行机构，优选地，所述网胃的挤压是靠曲柄滑块机构驱动倾斜软板来实现，模拟所述网胃从下到上的挤压效果。

在一个具体实施例中，所述曲柄滑块机构从左至右依次包括左偏心轮31，左传动杆32，左限位杆33，左限位板34，左夹板35，左弧形叉指36，右弧形叉指37，右夹板38，右限位板39，右限位杆310，右传动杆311，右偏心轮312。

电机提供动力，利用两对心曲柄滑块机构将旋转运动转为直线运动，直线运动为夹板提供动力。其中两对心曲柄滑块镜像分布于网胃两侧，且两对心曲柄滑块的导路中心和回转中心均在同一直线上。电机输出的动力通过齿轮机构传输到两对心曲柄滑块机构上，使两曲柄旋转方向相反，两对心曲柄滑块机构能分别同时达到0°死点和180°死点，且当两机构同时处于0°死点时两夹板间距最大，两机构同时处于180°死点时两夹板间距最小。左右两块夹板镜像分布于网胃软体囊腔两侧的机构，通过对心曲柄滑块机构的调控实现对网胃部分的蠕动控制。夹板分为上下两部分，上部为刚性平板，可环绕传动杆链接部位旋转。下部由柔性弧形叉指结构组成，包括左叉指和右插指。在曲柄滑块机构由0°到180°死点过程中，左右插指逐渐上升，当它们接触到另一夹板的根部时，通过挤压作用使夹板倾斜，夹板间距减小至达到180°死点时最小。这过程中，叉指结构托起软体囊腔，通过挤压使囊腔达到最小状态。由180°到0°死点的过程中，夹板与囊腔的变化与前述过程相反。通过控制夹板的挤压与解除挤压动作，实现对网胃部分的蠕动控制。

所述夹板与叉指结构能够实现由下到上挤压网胃，并对网胃提供柔性支撑。

值得说明的是，本方案虽然采用的是曲柄滑块机构，但对本领域技术人员而言，只要是能够对网胃实现可控、周期性挤压的常见机械机构，均是可以实现本发明中相关装置的功能的，篇幅限制，并不在此一一列举，属于本领域技术人员的手段技术手段。所述外部挤压机构可以是常见的转动运动转换为直线运动的机构，如蜗轮蜗杆、凸轮滑块等。

本发明中由于采用了上述或类似的执行机构，使得所述瘤胃和所述网胃在做到了与真实瘤胃网胃硬度十分相近。

所述软体网胃用于与团体瘤胃内的物料形成对流缓冲，加强传质效果，实现优于搅拌的效果。

如图5所示，仿生食道模块4包括软体食道管41，软体食道管限位槽42，一号滚轮43，二号滚轮44，三号滚轮45，卜型三通46，进料漏斗47，通断阀48，储料罐49，蠕动泵410，物料瓶411。

所述软体食道管41依次连接所述仿生瘤胃21与进料漏斗47以及所述液体进料系统；所述液体进料系统包括物料瓶411、蠕动泵410、储料罐49。所述通断阀48用于控制所述液体进料的通断。

更进一步地，所述软体食道管41为软体结构，在所述食道管外侧交错分布三组滚动挤压装置，用于挤压食道以模拟真实的食道蠕动。所述三组滚动挤压装置分别为一号滚轮43，二号滚轮44，三号滚轮45。

更进一步地，所述软体食道管41内嵌于食道限位槽42内，用于固定食道的位置，以及配合所述滚动挤压装置挤压所属食道管；

更进一步地，所述食道管底部连接所述仿生瘤胃21，在所述食道管与所述瘤胃连接部分设有食道管夹用于控制瘤胃与食道的通断。

更进一步地，所述食道管顶部连接漏斗以及液态进料系统，所述漏斗用于添加固态物料，所述液态进料系统用于添加液态物料。

更进一步地，所述蠕动泵将物料瓶内液体泵入所属储料罐，待储料罐内液体达到一定量后，所述通断阀门打开使所属储料罐内液体流入所述食道中。

如图6所示，所述集气模块5包括集气袋51，进气通断阀52，出气通断阀53，冷凝回流管54，气体流量计55，气体组分分析仪56。

更进一步地，所述集气袋51在进气口以及出气口分别设置进气通断阀52、出气通断阀53，通过两个开关阀的配合实现集气袋不同的功能。

更进一步地，所述集气袋进气口与所述软体瘤胃21通过集气系统连接管210连接，所述冷凝回流管54设置在所述软体瘤胃21与所述集气袋51连接管之间，用于将所述软体瘤胃21产生气体中的水蒸气回流至所述软体瘤胃21。

更进一步地，所属集气袋51出气口依次设置有气体流量计55与气体组分分析仪56。

根据这一发明，系统装备中可以采用任何微量气体流量测量设备。然而，基于液体置换原理的气体流量测量设备是优选的。因此，在本发明的一个具体实施方案中，至少一个气体流量测量设备是浸入液体中的排水法测量设备。在这种情况下，测量设备浸泡在液体中，使气体隔间的内部面朝向储液容器的底部，导致气体从流入物体流动出时的气泡在气体隔间中收集，直至过满并且发生绕轴的转动。

然后，内置的数据采集软件程序与测量装置被共同地使用，以记录、显示和计算数据，以及分析结果。这被作为DAQ单元，其可以是连续地且实时地进行的基于计算机的记录。

如图7所示，本发明还包括一种体外消化仿生装置的控制方法，其体外消化装置的控制方法包括四个阶段：进料准备阶段、进料过程、规律蠕动及发酵阶段、集气过程。

进料准备阶段：液态物料分为两部分，分别为人工唾液和瘤胃液。通过动

泵将两个罐内的两种液体按2:1的比例泵入储存料罐49，待泵入体积足量后，根据液位传感停止。

表1 人工唾液(缓冲液)配方

进料过程：物料的加入阶段，本设备加入的物料分为固态物料和液态物料。在加料过程开始前提前设备保持食道管夹呈打开状态，集齐袋进气口和出气口关闭，食道挤压装置工作、网胃保持压缩状态，瘤胃上下部分均处于舒张状态。随后将固态物料与液态物料分批次加入，待物料加入完毕后关闭食道挤压装置、关闭食道管夹。

规律蠕动及发酵阶段：在规律蠕动及发酵阶段具体控制过程中，如表1所示，瘤胃网胃蠕动过程中共存在三种驱动状态，通过三种状态的切换实现对反刍动物胃部蠕动的仿生。此时将瘤胃的上下部均设置驱动模块，可以是软体机器人，来实现对瘤胃上部分、瘤胃下部分的精准控制。

瘤胃部分控制可通过调整软体机器人内充入的气压，来调整软体机器人对瘤胃部分的挤压强度。

网胃挤压部分，分两个挤压过程。首先，夹板间距减小N₁%（60%-70%）间距，随后增大N₂%（10%-20%），随后减小N₃%（90%-95%）间距，其中N₁，N₂，N₃均为预设参数，通过调整参数来调整网胃蠕动。网胃部分舒张状态为两夹板调整间距至最大状态。

具体操作如下表所示。

表1 发酵过程瘤网胃蠕动状态表

	状态1	状态2	状态3
				瘤胃上部分	○	●	○
瘤胃下部分	○	○	●
				网胃部分	●	○	○

压缩状态● 舒张状态○

发酵过程步骤顺序如下：首先由状态1进入到“状态2转为状态3再回到状态2，然后再次转为状态3，等待一个长间歇”固定模式循环n次，最后在返回到状态1。

在发酵过程中还可以对以下参数进行设定：1.蠕动强度的设定，可控制曲柄滑块机构的极限挤压间隙与软体夹爪的施加压力；2.以上所述三种状态切换的时间间隔；3.设置一个发酵周期维持的时长；4.设置总发酵时长。

气体收集和数据采集阶段：发酵产生的气体通过排水法原理的微量气体流量计计量体积，微量在线气体浓度监测仪检测气体组分，最后通过数据采集系统进行数据处理并展示消化效果。

如图8所示，集气过程为发酵产生气体的收集、采集与分析，在发酵阶段循环过程中，集气袋进气口和出气口均处于常闭状态。集气模块通过进气口不断收集发酵产生的气体，每隔0.5/1/2/3等小时(间隔时间是可以根据仿生的瘤胃和草料的消化特性设定的)，瘤胃完成最后一次循环，设备暂停蠕动循环，瘤胃网胃维持状态1。设备进入产气计量与分析阶段。

设备进入产气计量与分析阶段时，瘤胃通过软体机器人复原到扩张状态，网胃处于挤压状态1，然后打开集气袋的进气口。集气模块的软体结构开始挤压集气袋使瘤胃膨胀至恢复初始舒张状态，此步骤避免软体瘤胃受到发酵底物的影响而导致外壁粘粘，使得瘤胃体积与初始发酵状态发生变化进而导致测量气体体积不精准。

关闭集齐袋进气口并打开集气袋出气口，打开气体组份分析仪，同时挤压集气袋使集气袋内气体流经气体流量计和气体组分分析仪。能够提供对生物发酵超生的小气体流进行监测、数据分析和记录。这将不仅确保更高频率的数据获取，而且确保高数据品质，以满足对研究反刍降解过程的动态信息的需求。

在气体组分分析仪气泵和软体双重作用下排尽集气袋中剩余气体，得出每段设定时间间隔设备产气的量以及组分，其时间间隔是可以根据仿生的瘤胃和草料的消化特性曲线预设的，后期数据采集系统经过一定数据量学习后，系统算法会根据流量计测定的产气速率自动调整不同发酵阶段的产气时间间隔。计量与分析完成后关闭集气袋出气口。

实验结束自动判断条件：在测量24小时产气数据后，若连续3次每1小时内的总产气量小于瘤胃总体积的1%1，则可停止发酵。

具体地，气体收集和分析阶段的过程如下。

第一阶段:打开集气袋进气口，挤压集气袋，待瘤胃膨胀至恢复原体积后停止挤压，并关闭气袋进气口，打开气袋出气口。

第二阶段:挤压集气袋，使集气袋内气体流经气体流量计及气体组分分析仪，待气袋内气体完全排出后，关闭气袋出气口，判断是否达到设备运行总时长，若未达到停止时长继续运行发酵阶段的第三阶段和第四阶段。

如图9所示，体外消化仿生装置的瘤胃网胃发酵模块，还可以被称为瘤胃网胃仿生反应器。仿生进料并配备发酵液体后，柔性材料制造并具备反刍动物器官外观特征的软体反应器在被设定的温度下培育。相较于传统技术，本发明采用软体机器人驱动仿生软体反应器的手段，高度还原瘤胃蠕动和发酵传质。然后，生物气体被连续地生产，其被用于指示物料消化能力和甲烷排放活动。生物气体直接达到测量装置，或仅经过某类型的传感器(例如近红外或激光传感)。内置的数据采集软件与测量装置，以记录、显示和计算数据，以及分析结果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种体外消化仿生装置，其特征在于，包括以下模块：瘤胃驱动模块，仿生瘤胃网胃发酵模块，网胃驱动模块，仿生食道模块，集气模块；所述瘤胃驱动模块用于驱动所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃，所述网胃驱动模块用于驱动所述生瘤胃网胃发酵模块中的仿生网胃；所述仿生食道模块和集气模块分别通过食道管和集气管与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的仿生瘤胃相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述仿生瘤胃网胃发酵模块，包括瘤胃部分，网胃部分和连接部分；所述连接部分用于连接所述瘤胃部分和网胃部分；所述瘤胃驱动模块用于控制所述仿生瘤胃的收缩和舒张，所述网胃驱动模块用于控制所述仿生网胃的收缩和舒张。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述仿生瘤胃为软体瘤胃，所述瘤胃驱动模块采用软体机器人，所述软体机器人设置在所述仿生瘤胃上。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述仿生网胃为软体网胃，所述网胃驱动模块中的执行机构为曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮滑块机构或其组合。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述仿生食道模块通过食道管与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的瘤胃相连，所述集气模块的进气口与所述仿生瘤胃网胃发酵模块中的瘤胃的集气系统连接管相连。

6.根据权利要求1-5任一项所述装置的控制方法，其特征在于，包括三个步骤：进料阶段、仿生发酵阶段、气体收集和分析阶段。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述仿生发酵阶段包括四个子阶段，第一阶段:食道管夹呈打开状态，网胃保持压缩状态，瘤胃上下部分均处于舒张状态，待物料添加结束后关闭食道夹，此时待消化物进入瘤胃；

第二阶段：网胃执行机构动作，网胃处于舒张状态；瘤胃上部分驱动机构压缩瘤胃上囊腔将瘤胃上囊腔的内容物送入网胃；

第三阶段:瘤胃下部分驱动机构压缩瘤胃下囊腔，使瘤胃下囊腔内容物送入瘤冒上囊腔，而后瘤胃上部分驱动机构压缩瘤胃上囊腔，使瘤胃上囊腔内容物送入瘤胃下囊腔，此阶段多次循环，当达预设之后，停止本阶段循环；具体时间根据不同的动物品种以及实验需求来确定；

第四阶段：压缩网胃将网胃内容物送入瘤胃上部分；判断是否达到集气条件，若未达到集气条件则继续循环进行第三阶段和第四阶段。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在发酵过程中还对以下参数进行设定：蠕动强度的设定，可控制曲柄滑块机构的极限挤压间隙与软体夹爪的施加压力；三种状态切换的时间间隔；选择一个发酵周期维持的时长；选择总发酵时长。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，气体收集和分析阶段包括三个子阶段；

第一阶段:打开集气袋进气口，然后挤压集气袋；待瘤胃膨胀至恢复原体积后停止挤压，并关闭气袋进气口，打开气袋出气口；

第二阶段:挤压集气袋，使集气袋内气体流经气体流量计及气体组分分析仪，其中所述至少一个气体流量测量装置是被浸在湿润空间中的液体置换测量装置；

第三阶段：待气袋内气体完全排出后，关闭气袋出气口，判断是否达到设备运行总时长，若未达到停止时长继续运行发酵阶段的第三阶段和第四阶段。

10.一种用于测量体外消化降解测试的方法，利用权利要求1-5任一项所述装置，其特征在于，所述方法包括：

将原料加载至至少一个具有连续且良好蠕动的软体胃反应器；

在瘤胃和网胃软体反应器中进行厌氧发酵；

使所生产的生物气体流动至至少一个气袋，所述气袋用软体反应器复位；

使所述生物气体流动至至少一个用于测量所述生物气体流量的气体流量测量装置；

并且连续地且实时地记录和分析生物气体的流量和组分。