本發(fā)明涉及反芻動物營養(yǎng)研究的連續(xù)進(jìn)料工具模擬系統(tǒng)，具體而言，涉及一種雙外流連續(xù)體外消化裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、瘤胃模擬系統(tǒng)是研究反芻動物瘤胃營養(yǎng)代謝與發(fā)酵的重要科學(xué)儀器，在反芻動物營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。瘤胃發(fā)酵異常會引發(fā)瘤胃酸中毒，影響動物健康與生產(chǎn)，致使肉奶品質(zhì)降低，且會加重氨、氮、甲烷等污染物排放，對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。因此，全球眾多專家聚焦瘤胃發(fā)酵微生物機(jī)理及其調(diào)控技術(shù)。

2、傳統(tǒng)研究多依賴動物活體內(nèi)(in?vivo）試驗，存在周期長、成本高且易受外界因素干擾等弊端。為了克服這些限制，體外(in?vitro)瘤胃模擬技術(shù)應(yīng)運而生并成為反芻動物營養(yǎng)與儀器工程領(lǐng)域的研究熱點。當(dāng)前，瘤胃模擬技術(shù)主要有批次培養(yǎng)法與連續(xù)培養(yǎng)法兩種。批次培養(yǎng)法通過一次性加入瘤胃液和發(fā)酵底物來完成發(fā)酵，但無法有效排除發(fā)酵終產(chǎn)物，致使環(huán)境條件改變。連續(xù)培養(yǎng)法則采用持續(xù)注入緩沖液、間歇添加底物并排出發(fā)酵產(chǎn)物的方式，模擬瘤胃進(jìn)食與食糜排出過程的動態(tài)變化，能較好維持瘤胃液成分平衡，屬于較為先進(jìn)的長期發(fā)酵模擬技術(shù)。

3、在現(xiàn)有技術(shù)方面，發(fā)明專利“一種模擬瘤胃發(fā)酵的雙外流型實驗室發(fā)酵罐”（cn1152951c）能控制固相液相流速模擬瘤胃固液排放速率，但不能檢測反應(yīng)過程指標(biāo)變化，無法實時控制人工緩沖液添加，發(fā)明專利?“一種用于模擬瘤胃消化的連續(xù)發(fā)酵裝置”（cn104893957b）通過優(yōu)化發(fā)酵罐設(shè)計，緩解了內(nèi)容物混合不均及固相食糜沉積問題，但無法實現(xiàn)發(fā)酵代謝物的吸附模擬功能，限制了在動態(tài)瘤胃環(huán)境模擬中的應(yīng)用深度。難以對整個反應(yīng)過程進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，限制了在連續(xù)體外消化模擬中的應(yīng)用。

4、綜上所述，現(xiàn)有模擬瘤胃環(huán)境的發(fā)酵裝置尚無法全面滿足動態(tài)消化過程的復(fù)雜性需求，阻礙了反芻動物飼料效率研究中更深入的應(yīng)用。因此，亟需研發(fā)更精準(zhǔn)的模擬技術(shù)，高效重現(xiàn)瘤胃連續(xù)進(jìn)料和揮發(fā)性脂肪酸的動態(tài)調(diào)控，有助于更深入地理解反芻動物消化過程和營養(yǎng)轉(zhuǎn)化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種雙外流連續(xù)體外消化裝置及系統(tǒng)，能夠緩解現(xiàn)有的反應(yīng)罐內(nèi)混合仿生度低、vfa等中間代謝產(chǎn)物罐內(nèi)積累等問題。該裝置包括反應(yīng)模塊、仿生攪拌模塊、人工唾液模塊、代謝吸收模塊、數(shù)據(jù)采集及控制模塊；所述仿生攪拌模塊位于反應(yīng)模塊內(nèi)部，所述人工唾液模塊連接于反應(yīng)模塊上部，所述代謝吸收模塊連接于反應(yīng)模塊上部和側(cè)邊，所述數(shù)據(jù)采集及控制模塊用于采集和控制各個模塊的反應(yīng)；

2、所述反應(yīng)模塊包括反應(yīng)罐和雙外流裝置，所述反應(yīng)罐用于提供物料反應(yīng)環(huán)境；

3、所述反應(yīng)罐頂部設(shè)置有進(jìn)料口、排氣口、檢測口等多個接口，底部設(shè)置有排料口，用于排出反應(yīng)后物料；所述反應(yīng)罐外部還包括夾套，用于維持恒定溫度；

4、所述雙外流裝置包括排固裝置和溢流裝置；所述溢流裝置用于收集反應(yīng)過程中溢流出的液體物料，所述排固裝置用于收集反應(yīng)過程中固體物料；所述溢流裝置和排固裝置可在反應(yīng)器上部安裝或在底部安裝，以不同方式溢流，可控制液體和固體的不同排出速率；

5、所述雙外流裝置中的排固裝置包括排料螺桿和電機(jī)，通過螺旋輸送裝置將反應(yīng)罐內(nèi)的物料輸送至回流管中，所述回流管管口設(shè)置有濾網(wǎng)，液體經(jīng)濾網(wǎng)后回流，固體通過排固口排出，由于液封存在，排出固體物料的同時保證了反應(yīng)罐的密封；所述溢流裝置包括溢流管、過濾網(wǎng)和通斷閥，通斷閥打開時，液體可回流到反應(yīng)罐內(nèi)，通斷閥關(guān)閉時，液體可由液體排出口排出，通過控制固體端和液體端的通斷閥可實現(xiàn)液體固體物料的不同速率排出；

6、所述仿生攪拌模塊包括設(shè)置于所述反應(yīng)罐外部的攪拌電機(jī)，以及位于所述反應(yīng)罐體內(nèi)部的扇形槳葉、板式槳葉。模擬飼料反應(yīng)物料進(jìn)入瘤胃、隨瘤胃蠕動收縮時物料在瘤胃內(nèi)的懸浮混合狀態(tài)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行；

7、所述仿生攪拌模塊采用仿生設(shè)計，扇形槳葉位于上層區(qū)域能夠?qū)⒓尤氲男挛锪舷蛳螺斔停迨綐~位于下層區(qū)域，在攪拌過程中通過不規(guī)則的壓力變化，形成有序的流動模式，模擬瘤胃真實的蠕動。

8、進(jìn)一步地，所述上層區(qū)域的扇形槳葉至少由兩片扇形螺旋攪拌槳葉組成，所述扇形螺旋槳葉設(shè)有一定的扭轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)時通過壓力差將新加入的物料逐步向下輸送。此外，扇形槳葉設(shè)有廣卵形孔洞，使進(jìn)料飼料能夠緩慢進(jìn)入反應(yīng)體系，從而模擬反芻動物真實的進(jìn)料過程，保證物料與反應(yīng)體系的動態(tài)平衡。

9、進(jìn)一步地，所述下層區(qū)域的板式槳葉至少由兩片仿生攪拌槳葉組成，其中槳葉采用仿生設(shè)計，并在其表面沿軸向方向開設(shè)從中間向外增大的長卵形孔洞,在縱向上開有上大下小的長卵形孔洞。所述板式槳葉的表面設(shè)置有多個指狀凸起結(jié)構(gòu)，所述指狀凸起結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布模擬反芻動物瘤胃內(nèi)壁的乳凸結(jié)構(gòu)，所述指狀凸起由硅膠、橡膠柔性材料制成，所述凸起呈圓頂形或圓錐形，制造平滑的凸起形態(tài)，以減少流體流動中的湍流阻力。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化了物料的流動路徑，增強(qiáng)了物料混合均勻性，同時，靠近反應(yīng)罐側(cè)壁的板式槳葉能夠高效促進(jìn)側(cè)壁熱量向內(nèi)傳遞，提升熱量均勻分布以優(yōu)化熱傳遞效率。

10、進(jìn)一步地，在攪拌系統(tǒng)中，所述下方區(qū)域的廣卵形孔洞尺寸較上方孔洞更小，創(chuàng)造了流體的局部壓力差，促使流體由壓力較大的下部向上流動，同時避免物料在反應(yīng)罐底部的沉積。

11、更進(jìn)一步地，所述板式槳葉由幾片不同寬度的表面處理的板式槳葉組成，作為優(yōu)選，不同寬度組成的板式槳葉均可達(dá)到上述效果，根據(jù)不同試驗場景可選擇不同的組合增強(qiáng)攪拌混合效果以及不同的物料停留效果。

12、所述人工唾液模塊包括蠕動泵、儲料箱、進(jìn)料閥，所述蠕動泵用于將儲料箱中一定配置比例的緩沖液以一定速率注入反應(yīng)罐中，所述進(jìn)料閥用于控制人工緩沖液的添加時間間隔；

13、傳統(tǒng)人工緩沖液配方未考慮反芻動物唾液內(nèi)含有的蛋白質(zhì)等活性物質(zhì)，限制了其發(fā)展，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種還原度更好的人工反芻動物唾液緩沖液配制方法，在人工反芻動物唾液緩沖液配方中加入了蛋白質(zhì)，進(jìn)一步還原了反芻動物唾液，包括以下步驟：

14、s1、取10000?ml蒸餾水，加入98g?nahco3、93g?na2hpo4·12h2o、47g?nacl、5.7gka、1.2g?mgso4·7h2o試劑，攪拌至完全溶解；

15、s2、將0.4g?cacl2研磨成粉末，緩慢加入上述溶液中，形成白色沉淀；

16、s3、加入10-15?mm?尿素，確保溶液中氮源成分的濃度與反芻動物唾液相匹配；

17、s4、加入1-2?mm?膽汁酸、2-5?mm?乳酸、1-5?mm?氨基酸補充成分，確保溶液中膽汁酸、乳酸和氨基酸的濃度與反芻動物唾液相匹配；

18、s5、加入0.5-1?g/l?牛血清白蛋白，模擬唾液的生物活性；

19、s6、持續(xù)通入co2氣體，直到溶液顏色變?yōu)闊o色，并確保溶液中的ph達(dá)到6.8±0.12；

20、s7、使用ph計調(diào)整溶液ph值，確保其處于6.8±0.12的目標(biāo)范圍，最后攪拌均勻，確保溶液的穩(wěn)定性。

21、所述人工唾液模塊安裝于反應(yīng)罐上部，用于控制人工緩沖液的添加速率，調(diào)節(jié)反應(yīng)罐內(nèi)ph值，可一定程度上保證反應(yīng)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行；

22、進(jìn)一步的，所述裝置能夠?qū)崿F(xiàn)液相稀釋率在5%～20%范圍內(nèi)的精確調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)精度為1%。通過數(shù)據(jù)采集及控制模塊，實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)稀釋比例，確保與動物活體瘤胃內(nèi)的測定值高度吻合，從而模擬瘤胃內(nèi)液體環(huán)境的動態(tài)變化特性。

23、進(jìn)一步的，所述裝置運行參數(shù)可調(diào)，通過優(yōu)化液體更換頻率，控制發(fā)酵罐內(nèi)每天的液體更換量不超過100%，且不低于50%。該控制策略通過調(diào)節(jié)液體補充和排放的速率，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時維持瘤胃環(huán)境的均衡性和實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

24、所述代謝吸收模塊可獨立使用兩種方法，第一種方法是采用物理吸附單元中物理吸附材料對揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行吸附,包括物理吸附材料、液體流路和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述物理吸附材料包括活性炭、疏水性樹脂或改性沸石，液體流路通過蠕動泵將反應(yīng)液引入代謝吸收模塊，反應(yīng)液流經(jīng)吸附材料時被吸附掉內(nèi)部分揮發(fā)性脂肪酸，剩余液體回流至反應(yīng)器；

25、第二種方法是利用膜分離單元去除反應(yīng)液中的揮發(fā)性脂肪酸，包括分離膜單元、液體流路、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及循環(huán)裝置。反應(yīng)罐中的上清液經(jīng)過上清液出口進(jìn)入代謝吸收模塊，其中的揮發(fā)性脂肪酸氣化通過分離膜被提取吸附，所述分離膜單元采用分離膜材料，如中空纖維膜或功能化離子交換膜，反應(yīng)液經(jīng)過濾后上清液流經(jīng)分離膜單元，其中的揮發(fā)性脂肪酸氣化后穿過分離膜被吸附劑回收，其余液體則返回反應(yīng)器，這一膜分離技術(shù)能夠在不干擾反應(yīng)器內(nèi)部壓力的情況下，高效去除揮發(fā)性脂肪酸，保證了反應(yīng)器內(nèi)氣體和液體的穩(wěn)定性；

26、所述液體流路的設(shè)計確保反應(yīng)液流入代謝吸收模塊的過程不會影響反應(yīng)器的氣壓。液體從反應(yīng)器通過軟管和蠕動泵引入代謝吸收模塊，在吸附或膜分離作用下，反應(yīng)液中的vfa被去除后，液體在壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下返回反應(yīng)器，避免了反應(yīng)器內(nèi)部壓力的變化。該設(shè)計保證了產(chǎn)氣計量的精度，同時也提高了代謝吸收模塊的運行效率；

27、進(jìn)一步地，所述代謝吸收模塊配備壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過智能化控制維持反應(yīng)器內(nèi)的穩(wěn)定壓力。該系統(tǒng)在代謝吸收模塊運行過程中實時調(diào)節(jié)液體流速和回流路徑，確保反應(yīng)器的內(nèi)部氣壓不因代謝吸收模塊的操作而發(fā)生波動。該系統(tǒng)有效保障了反應(yīng)器的工作環(huán)境，使產(chǎn)氣計量保持準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率；

28、所述循環(huán)裝置通過調(diào)節(jié)吸附劑的工作狀態(tài)，能夠持續(xù)優(yōu)化代謝吸收模塊的性能。吸附劑材料的選擇性吸附特性確保其能夠長時間穩(wěn)定地去除vfa，同時膜分離系統(tǒng)則通過持續(xù)的氣體分離作用優(yōu)化反應(yīng)液的質(zhì)量，有效吸附了反應(yīng)液中的揮發(fā)性脂肪酸，保證了反應(yīng)器的穩(wěn)定性。

29、所述數(shù)據(jù)采集及控制模塊包括ph探頭、氣體分析儀、氣體流量計、數(shù)據(jù)處理單元和溫度控制單元，旨在實時采集反應(yīng)液的各項參數(shù)、計量氣體數(shù)據(jù)并維持整個反應(yīng)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定。ph探頭用于監(jiān)測反應(yīng)液的酸堿度變化，氣體分析儀和氣體流量計用于檢測反應(yīng)過程中氣體的成分和流量。溫度控制單元則確保反應(yīng)系統(tǒng)在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)運行，提供穩(wěn)定的反應(yīng)環(huán)境。

30、進(jìn)一步地，所述氣體分析儀和氣體流量計能夠同時實現(xiàn)氣體組分的檢測與氣體流量的實時監(jiān)測。氣體分析儀分析反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體成分，特別是用于監(jiān)測揮發(fā)性氣體如甲烷、二氧化碳等的濃度變化，氣體流量計則精確測量氣體的流量。數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理與計算，產(chǎn)氣量的變化情況能夠直接反映反應(yīng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

31、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集及控制模塊監(jiān)測到反應(yīng)液ph值低于5.5時，代謝吸收模塊啟動，反應(yīng)液進(jìn)入代謝吸收模塊進(jìn)行揮發(fā)性脂肪酸的吸附，當(dāng)監(jiān)測到反應(yīng)液ph值高于6.5時，代謝吸收模塊停止工作，在代謝吸收模塊內(nèi)部的反應(yīng)液回流至反應(yīng)罐內(nèi)。

32、本發(fā)明的有益效果：

33、本發(fā)明的技術(shù)方案，采用仿生設(shè)計與動態(tài)調(diào)控相結(jié)合的方法，全面模擬反芻動物瘤胃的消化過程。該系統(tǒng)通過仿生攪拌模塊、代謝吸收模塊及數(shù)據(jù)采集與控制模塊的協(xié)同作用，成功地再現(xiàn)了瘤胃液相與固相的動態(tài)流動、唾液緩沖中和作用及乳凸吸收過程，從而實現(xiàn)了高效的飼料消化與營養(yǎng)吸收模擬。

34、在仿生攪拌模塊中，采用獨特的雙層槳葉設(shè)計，能夠有效確保物料的均勻混合與順暢輸送，避免物料在反應(yīng)罐底部的沉積。通過下層攪拌槳葉的孔洞結(jié)構(gòu)與指狀凸起設(shè)計，形成有序的流動模式，模擬瘤胃真實的蠕動，物料的停留時間得到了優(yōu)化，這不僅極大提高了微生物與物料的接觸效率，還避免了物料不均勻分布的情況，顯著提升了消化模擬過程的整體效率。

35、代謝吸收模塊通過仿生設(shè)計有效模擬了瘤胃乳凸對揮發(fā)性脂肪酸（vfa）的吸收過程。該模塊與仿生攪拌模塊以及人工唾液模塊的協(xié)同作用，確保了消化與代謝過程更貼近反芻動物瘤胃的實際生理特點，顯著提高了vfa等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收率，從而增強(qiáng)了消化模擬的效果。

36、數(shù)據(jù)采集與控制模塊能夠?qū)崟r監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)（如ph值、溫度、氣體產(chǎn)量等），并通過智能調(diào)控保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效運行。該模塊確保了長時間實驗中的模擬環(huán)境能夠持續(xù)穩(wěn)定運行，同時使得不同飼料與營養(yǎng)組分的消化酵解過程可以得到精確控制和實時反饋。

37、因此，本發(fā)明通過精確的仿生設(shè)計還原了瘤胃的生理環(huán)境，不僅提高了飼料的消化效率和營養(yǎng)吸收效果，還為反芻動物飼料優(yōu)化研究提供了一個高效、穩(wěn)定的體外模擬平臺。