瘤胃体外连续培养系统的研制及模拟试验_孟宪章

作者简介 孟宪章（ 1970 － ） ，男，吉林长春人，实验师，从事农业机械、 汽车售后服务研究。
收稿日期 2012-07-17
PWM 控制。单片机收到 PLC 传来的参数，能够通过步进电 机实现对 12 组搅拌器的控制，实现启停控制、正反转控制、 转速控制等。
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安徽农业科学
2012 年
图 2 搅拌、保温系统
使该系统能够真正模拟瘤胃发酵。 2． 1 试验条件 试验条件基本情况如下： 日粮精粗比为 30∶70，于每天 8： 00 和 16： 00 以喂料量 12 g / d 饲喂羊，缓冲液 流速为 0． 5 ml / min，试验期为 9 d。 2． 2 试验方法 在整个培养期每天 10： 00 分别采集发酵罐 内和瘘管羊体内液体，测定 pH、氨态氮（ NH3 -N） 浓度和总挥 发性脂肪酸（ TVFA） 浓度（ TVFA 浓度指乙酸、丙酸和丁酸浓 度之和） ，计算 12 个发酵罐培养液每天的平均指标值。 3 结果与分析 3． 1 体内外 pH 的比较 由图 4 可知，培养的 3 ～ 9 d 发酵 罐与瘘管羊体内的 pH 变化均不显著。发酵罐内 pH 略高于 羊体内，二者发酵趋势一致。在培养后期，发酵罐内的 pH 没 有显著降低，说明发酵终产物没有大量累积，在一定程度上 证明体外连续培养系统能有效排出发酵终产物。该结果与 文献［4］研究结果相一致。
反刍动物因为具有独特的消化器官—瘤胃，所以对粗饲 料具有很强的利用率［1］。瘤胃可被看作一个微生物密度高、
调控严密的生物发酵罐。由于微生物对营养物质、温度、酸
碱度等生存环境要求相对稳定，所以瘤胃内各种环境因素必
须是随时处于可调控之中。
研究反刍动物瘤胃发酵的最好方法是活体内瘤胃发酵
试验，但在活体动物身上很难进行。即使使用瘤胃瘘管，也
试验的目的在于对瘤胃体外连续培养系统的性能进行 综合评价，验证系统的稳定期，并能保证发酵罐内环境一致，
图 5 体外培养和活体瘤胃 NH3 -N 浓度的变化情况
3． 3 体内外 TVFA 浓度的比较 从图 6 可以看出，培养的 3 ～ 9 d 后发酵罐和羊活体内的 TVFA 浓度变化均趋于平缓稳 定。在整个培养期，发酵罐内 TVFA 浓度都显著低于羊体内 的浓度，说明可能是因为发酵罐内微生物数量显著低于羊体 内的数量，影响营养物质的生产和利用。这与 Fellner［6］等的 研究结果相一致。
［4］MENG Q． Effect of Dilution Rate and Fermentable Structural Polyc2 saccharide to Protein Ratrio on Mictrobial Efficiency in Continuous Culture ［J］． J Anim Sci，1995，73： 262．
想的模型。
1 瘤胃体外连续培养系统的结构设计 该系统主要由 6 个部分组成，分别为发酵培养系统、缓
冲液输送系统、密闭机械喂料系统、气体导入系统、食糜收集 系统和气体收集系统（ 图 1） 。 1． 1 发酵培养系统 发酵培养系统是整个系统的重要组 成部分，一般包括发酵罐和搅拌、保温系统 2 个部分。 1． 1． 1 发酵罐的材料。美国广泛使用的发酵罐是由玻璃钢 或聚碳酸脂材料制成的。目前由于 PVC 材料质量轻、刚度 较好、价格合理、有一定耐温性且易于加工，所以该系统选用 PVC 材质制作发酵罐。 1． 1． 2 发酵罐的设计。发酵罐呈圆柱状，规格为 113 mm （ 内径） × 160 mm（ 高） ，有效容积 1． 0 L 左右。该系统共有 12 个发酵罐，每个罐盖上开有缓冲液、饲料、气体（ CO2 ） 输
图 6 体外培养和活体瘤胃的 TVFA 浓度的变化情况
4 小结 利用瘤胃体外连续培养系统进行模拟试验，发酵罐内各
指标均表现出与体内相似的变化规律。由此可见，该样机设 计方案可行，设计功能的实现是可靠的，同时说明连续培养
系统可靠性和稳定性较好，可以反映瘤胃发酵的真实情况，
进一步优化设计可转化为科研设备投放市场。
参考文献ห้องสมุดไป่ตู้
［1］陈晓霞． 瘤胃体外连续培养系统研制及其模拟效果评价［D］． 长春： 吉 林农业大学，2010： 1 － 2．
［2］沈美英，孙海洲，卢德勋． 人工瘤胃模拟技术在反刍动物消化道中的应 用［J］． 动物，2004（ 6） ： 1 － 2．
［3］孟庆翔． 双外流连续培养系统用于瘤胃发酵的体外模拟技术综述［J］． 动物营养学报，1999（ 11） ： 46．
图 3 喂料设备
1． 4 气体导入系统 为保持发酵罐内严格的厌氧状态，需 持续向发酵罐内充入 CO2 气体。气瓶中的 CO2 气体经减压 阀降压去杂质后，分别送入 12 个发酵罐和缓冲液瓶中，流速 一般以 40 ml / min 为宜。 1． 5 食糜收集系统 食糜收集系统置于整个培养系统最 下端，由 12 个收集瓶组成，置于 0 ～ 4 ℃ 装有自动控温设备 的水浴箱中保存。消化食糜从发酵罐内由蠕动泵泵入食糜 收集瓶内，其流量大小由蠕动泵控制。 1． 6 气体收集系统 发酵产生的气体通过本生阀门收集 在外接气体收集袋内，其流速和流量由流量表显示。收集检 测发酵气体的目的是用以综合反映饲料的发酵程度，表现瘤 胃微生物活力的总趋势。 2 模拟试验
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2012，40（31） ：15271 － 15273
责任编辑 陈玉敏 责任校对 李岩
瘤胃体外连续培养系统的研制及模拟试验
孟宪章1 ，李 敏2 ，施继红1 ，陈晓霞3 ，胡晓丽1 ，刘庆福1 （ 1． 吉林农业大学工程技术学院，吉林长春 130118； 2． 吉林省长春市
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。瘤胃连续培养系统是模拟瘤
胃生理功能的体外模拟系统，是反刍动物体外培养模拟技术 现代化发展的标志［2］。笔者自行设计了 1 套瘤胃体外连续
培养系统，以期能够更精确地模拟瘤胃消化代谢，旨在为人
们研究瘤胃发酵及相关生理、生化和微生物学研究提供更理
1． 2 缓冲液输入系统 在整个系统的顶部设有容积为 20 L 的缓冲液瓶。配制好的缓冲液通过蠕动泵以恒定的流速由 输液管输入到 12 个发酵罐中，以维持发酵罐内正常的 pH。 通过调节蠕动泵的转速及输液管调节器的开度控制缓冲液 的流速。在发酵培养过程中，需定时向瓶内加入缓冲液。 1． 3 密闭机械喂料系统 从图 3 可以看出，在圆柱状的喂 料罐内设计 6 个截锥状的喂料斗，每个的容积经计算约为 12 ml，高度 38 mm。喂料斗中部固定在喂料斗托盘上，底部固 定在喂料口密封盘上。喂料口密封盘与喂料罐底部光滑接 触，其上开 1 个直径为 15 mm 的喂料口。喂料罐上部用密封 盖密封，底部开有出料口，与发酵罐盖上的进料口相接，同时 喂料罐外侧底部与发酵罐盖通过螺钉固定。需要投料时转 动手轮，通过控制杆带动喂料斗转动，当喂料斗转至与发酵 罐上的进料口正对时实现喂料。6 个喂料斗转动 1 周，完成 1 次喂料过程。
净月开发区新湖镇农机服务站，吉林长春 130121； 3． 吉林农业科技学院，吉林吉林 132101）
摘要 ［目的］研究饲料营养物质在瘤胃内发酵等动态变化规律，设计 1 套瘤胃体外连续培养系统。［方法］以活体为对照，对体外培养 系统模拟瘤胃的发酵效果进行评价。［结果］模拟瘤胃发酵试验需 2 ～ 3 d 的适应期，3 ～ 9 d 发酵状态相对稳定，效果较好，并且与活体 瘤胃指标值呈一定规律性变化。［结论］瘤胃体外连续培养系统可作为研究活体瘤胃发酵的理想模型。 关键词 瘤胃发酵； 连续培养系统； 模拟试验； 效果评价 中图分类号 S 856． 4 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2012） 31 － 15271 － 03
图 4 体外培养和活体瘤胃 pH 的变化情况
3． 2 体内外 NH3 -N 浓度的比较 从图 5 可以看出，在整个 培养期前期体内外 NH3 -N 浓度都逐渐下降，后期又有所上 升。发酵罐内的 NH3 -N 浓度都高于瘘管羊体内的浓度，且变 化趋势一致。究其原因，可能是因为羊瘤胃胃壁能及时吸收 发酵产生的 NH3 -N，但是发酵罐不能吸收，致使其 NH3 -N 浓 度保持在较高水平。这与 Hannah 等［5］的研究结果相一致。
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孟宪章等 瘤胃体外连续培养系统的研制及模拟试验
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在该试验条件下培养的 3 ～ 9 d 发酵罐内各指标没有显 著变化，在此期间 pH 约为 6． 46 ～ 6． 69，NH3 -N 浓度为 90． 8 ～ 120． 0 mg / L，TVFA 浓度约为 34． 70 ～ 38． 43 mmol / L，都在 活体的正 常 范 围 内［7］，并 与 对 照 羊 发 酵 类 型 相 同。由 此 可 见，培养的 3 ～ 9 d 为系统的稳定期。
Preparation of Continuous Culture System of Rumen in Vitro and Simulation test MENG Xian-zhang et al （ College of Engineering Technology，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130118） Abstract ［Objective］ The paper was to study the dynamic changes of forage nutrient substance fermentation in rumen，and a set of continuous culture system of rumen in vitro was designed． ［Method］With in vivo as control，the simulating rumen fermentation effect in vitro culture system was evaluated．［Result］The simulation rumen fermentation test needed adaptive phase of 2 － 3 d，and the fermentation state was relatively stable within 3 － 9 d，with good effects． The test showed certain regularity variation with index value of rumen in vivo． ［Conclusion］The continuous culture system of rumen in vitro could be used as the ideal model to study the rumen fermentation in vivo． Key words Rumen fermentation； Continuous culture system； Stimulation test； Effect evaluation
注： 1． 发酵罐； 2． 蠕动泵； 3． 缓冲液瓶； 4． 食糜收集瓶； 5． 电机。 图 1 瘤胃体外连续培养系统
入、产气收集、食糜流出、搅拌器连接杆插口。罐内的搅拌系 统采用步进电机（ 27 r / min） 驱动 2 组叶轮单向转动的方式完 成，自动控制进行间歇搅拌［3］（ 通常搅拌 25 min，停止 5 min 重复） 。采用 200 目不锈钢内网有效分离固相和液相，消化 食糜经蠕动泵泵出定量地收集在装有自动控温（ 0 ～ 4 ℃ ） 设 备的收集瓶内。12 个发酵罐都置于 39 ℃ 恒温水浴箱中。 1． 1． 3 搅拌、保温系统。从图 2 可以看出，触摸屏实现系统 的总体控制设置，能够完成系统的启动与停止、搅拌速度的 设定与启停控制、恒温水浴槽中水的加热与循环控制。PLC 通过触摸屏实现参数的传递，根据参数能够实现对单片机的 I / O 引脚的设置； 接收由 PT100 并经 EM231 传入的恒温水浴 槽的温度，再根据控温要求，控制固态继电器对加热棒实现