一种丁酸梭菌发酵罐及发酵方法

1.本技术涉及发酵装置技术领域，具体涉及一种丁酸梭菌发酵罐及发酵方法。


背景技术：

2.丁酸梭菌(clostridium butyricum)又名酪酸菌，是梭状芽孢杆菌属的一个种，主要存在于奶酪、天然酸奶、动物的粪便、某些土壤等环境中。一直以来，丁酸梭菌作为具有强烈整肠作用的益生菌制剂，被广泛用于以改善腹部症状为目的的医药品及饲料中。同时，由于丁酸梭菌能激活免疫系统，也有人将其作为抗肿瘤免疫激活剂使用。此外，丁酸梭菌还可以当作微生物肥料使用，能起到促长、防病的作用。
3.在传统的丁酸梭菌发酵过程中，多采用人工进料的方式进行加注原料，但在发酵过程中，各种参数均不能有效监测，若丁酸梭菌的发酵环境在发酵过程中受到影响，只能在发酵结束后通过结果检测发现发酵失败，同时也很难找出发酵失败的原因。


技术实现要素：

4.本技术实施方式提出了一种丁酸梭菌发酵罐及发酵方法，以改善上述技术问题。
5.第一方面，本技术实施方式提供一种丁酸梭菌发酵罐，包括罐体、温控系统、气控系统、酸碱度检测装置以及中控装置，罐体设置有容纳腔与罐口，容纳腔用于容纳添加有丁酸梭菌的发酵材料，罐口连通容纳腔；罐体的罐壁包括内层与外层，内层用于围成容纳腔，外层环绕包裹内层；温控系统包括温度传感器以及温控装置；温度传感器设置于容纳腔内，并位于罐体底部，温度传感器用于监测发酵材料的温度；温控装置用于调控容纳腔内的温度；气控系统包括氧气检测装置以及置换装置，氧气检测装置设置于容纳腔，并用于检测容纳腔内的氧气浓度；置换装置可拆卸地安装于罐口，并封闭容纳腔，置换装置用于置换容纳腔内的气体；酸碱度检测装置设置于容纳腔内，并位于罐体底部，酸碱度检测装置用于检测发酵材料的酸碱度；中控装置设置于罐体的外表面，温度传感器、氧气检测装置、置换装置以及酸碱度检测装置均电性连接于中控装置。
6.在上述方案中，可以通过温控系统自动调控容纳腔内的温度；例如当丁酸梭菌发酵罐外界温度变化时，可能引起容纳腔内的温度变化，使得容纳腔内的温度不再是丁酸梭菌最适宜的发酵温度，此时可以通过温控系统调节容纳腔内的温度，使得容纳腔内的温度可以迅速变化至丁酸梭菌最适宜的发酵温度，同时可以通过温控系统稳定容纳腔内的温度为丁酸梭菌最适宜的发酵温度，避免通过调节罐体外的环境温度来调节容纳腔内的温度，从而可以降低能耗，降低发酵成本。
7.通过气控系统可以自动调控容纳腔内的氧气浓度，以使容纳腔内的氧气浓度可以根据发酵阶段而改变，以适宜丁酸梭菌的繁殖过程和发酵过程；例如在发酵阶段前的准备阶段，气控系统可以调节容纳腔内的氧气浓度，以使此时的氧气浓度适宜丁酸梭菌的繁殖，从而提高丁酸梭菌在发酵材料中的浓度占比，从而提高发酵效率；在发酵阶段中，气控系统可以调节容纳腔的氧气浓度，使得容纳腔形成大致的无氧环境，从而形成丁酸梭菌的发酵
环境，以达到精准调控容纳腔内有氧或无氧环境。
8.通过酸碱度检测装置，可以在发酵过程中或发酵过程后检测发酵材料的酸碱度，并与当前阶段理论上的酸碱度范围进行比对，从而可以初步判断发酵是否顺利或成功，例如在发酵过程中检测到的酸碱度与理论上的酸碱度范围相差较大，则可以初步判定发酵失败，以可以及时寻找发酵失败的原因，并及时调整发酵环境或发酵进程。
9.在一些实施方式中，温控装置包括管道以及通水阀，管道贴设于内层与外层之间，在沿罐口的轴线螺旋缠绕并覆盖内层，管道的两端均伸出外层，且分别形成进水端和出水端；通水阀具有连通的进水口与出水口，出水口与进水端连通；进水口用于使水流流入，并经出水口流入进水端，并由出水端流出，以调控容纳腔内的温度。
10.在一些实施方式中，进水口包括第一进水口以及第二进水口，第一进水口用于通入热水，第二进水口用于通入冷水，出水口选择性地与第一进水口或第二进水口连通，以调控容纳腔内的温度。
11.上述方案中，通过在管道通入热水或冷水，来调控容纳腔内的温度。例如在管道内通入热水时，可以使容纳腔内的温度升高，在管道内通入冷水时，可以使容纳腔内的温度降低。通过一根管道实现对容纳腔内温度的调控，可以降低温控装置的成本。
12.在一些实施方式中，进水口还包括第三进水口，第三进水口用于通入蒸馏水，出水口选择性地与第一进水口、第二进水口以及第三进水口连通；丁酸菌发酵罐还包括三通阀，三通阀具有入口、第一出口以及第二出口，入口选择性地连通第一出口或第二出口，三通阀设置于内层与外层之间，且入口连通出水口，第一出口连通出水端，第二出口穿过内层，并连通容纳腔；在第一进水口或第二进水口连通出水口的情况下，第一出口连通入口；在第三进水口连通出水口的情况下，第二出口连通入口。
13.上述方案中，可以通过管道通入蒸馏水调节发酵材料的水占比。
14.在一些实施方式中，置换装置包括密封盖、第一进气管、第二进气管以及排气管；密封盖设置于罐口，并盖合容纳腔；第一进气管、第二进气管以及排气管穿设于密封盖并连通容纳腔，第一进气管的远离容纳腔的一端用于选择性地通入氧气或关闭，第二进气管的远离容纳腔的一端用于选择性地通入氮气或关闭，排气管用于选择性地排出容纳腔内的气体或关闭。
15.在一些实施方式中，气控系统还包括压强检测装置，压强检测装置设置于排气管，压强检测装置具有第一检测端以及第二检测端，第一检测端用于检测容纳腔内的压强，第二检测端用于检测罐体外的压强。
16.第二方面，本技术实施方式还提供了一种丁酸梭菌的发酵方法，其特征在于，应用于如上述的丁酸梭菌发酵罐，包括：向容纳腔内装入添加有丁酸梭菌的发酵材料，并关闭置换装置；获取氧气检测装置测得的容纳腔内的氧气浓度值，根据获取的氧气浓度值与预设的氧气阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向置换装置发送目标控制指令；获取温度传感器测得的容纳腔内的温度值，根据获取的温度值与预设的温度阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向温控装置发送目标控制指令；以及
获取酸碱度检测装置测得的发酵材料酸碱度，并根据获取的发酵材料酸碱度是否落入预设的酸碱度阈值范围，确定对应的发酵结果。。
17.在一些实施方式中，置换装置包括第一进气管、第二进气管以及排气管，预设的氧气阈值包括预设的第一氧气浓度阈值以及预设的第二氧气浓度阈值，其中预设的第一氧气浓度阈值大于预设的第二氧气浓度阈值；获取氧气检测装置测得的容纳腔内的氧气浓度值，根据获取的氧气浓度值与预设的氧气阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向置换装置发送目标控制指令，还包括：获取容纳腔内的发酵材料中丁酸梭菌的浓度占比以及容纳腔内的氧气浓度值；在获取的丁酸梭菌的浓度占比小于预设的丁酸梭菌的浓度占比的情况下，若获取的氧气浓度值小于预设的第一氧气浓度阈值，打开第一进气管和排气管，并关闭第二进气管，以向容纳腔内通入氧气，直至获取的氧气浓度值上升至与预设的第一氧气浓度阈值相等；在获取的丁酸梭菌的浓度占比大于预设的丁酸梭菌的浓度占比的情况下，若获取的氧气浓度值大于预设的第二氧气浓度阈值，打开第二进气管和排气管，并关闭第一进气管，以向容纳腔内通入氮气，直至获取的氧气浓度值下降至与预设的第二氧气浓度阈值相等；以及关闭第一进气管、第二进气管以及排气管。
18.在一些实施方式中，丁酸梭菌发酵罐还包括压强检测装置，压强检测装置的第一检测端用于检测容纳腔内的压强，第二检测端用于检测罐体外的压强；关闭第一进气管、第二进气管以及排气管之后，还包括：若获取第一检测端测得的压强值大于获取第二检测端测得的压强值，打开排气管，直至第一检测端测得的压强值下降至与第二检测端测得的压强值相等；以及若获取第一检测端测得的压强值小于获取第二检测端测得的压强值，打开第二进气管，直至第一检测端测得的压强值上升至与第二检测端测得的压强值相等。
19.在一些实施方式中，温控装置包括通水阀，通水阀具有第一进水口以及第二进水口；获取温度传感器测得的容纳腔内的温度值，根据获取的温度值与预设的温度阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向温控装置发送目标控制指令，包括：当获取的温度值小于预设的温度阈值时，控制通水阀打开第一进水口并关闭第二进水口，以通入热水对发酵材料升温；以及当获取的温度值大于预设的温度阈值时，控制通水阀打开第二进水口并关闭第一进水口，以通入冷水对发酵材料降温。
20.在一些实施方式中，获取酸碱度检测装置测得的发酵材料酸碱度，并根据获取的发酵材料酸碱度是否落入预设的酸碱度阈值范围，确定对应的发酵结果，包括：若发酵第一预设时间后，在获取的发酵材料酸碱度不在预设的酸碱度阈值范围内的情况下，继续发酵第二预设时间；若发酵第二预设时间后，获取的发酵材料酸碱度不在预设的酸碱度阈值范围内，则初步判定发酵失败；若发酵第二预设时间后，获取的发酵材料酸碱度在预设的酸价浓度阈值范围内，则初步判定发酵成功；以及若发酵第一预设时间后，在获取的发酵材料酸碱度在预设的酸碱度阈值范围内的
情况下，则初步判定发酵成功。
21.本技术实施方式提供的丁酸梭菌发酵罐及发酵方法，可以实现在丁酸梭菌发酵的整个过程中均自动调整发酵环境，避免发酵过程中因人为调整发酵环境的因素导致发酵失败，可以大大提高发酵的成功率。同时在发酵后可以通过酸碱度辅助判定发酵是否成功，提高发酵结果判定的可靠性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的丁酸梭菌发酵罐的剖视图；图2为本发明实施例提供的丁酸梭菌发酵罐的局部剖视图；图3为本发明实施例提供的第一种丁酸梭菌的发酵方法的流程图；图4为本发明实施例提供的第二种丁酸梭菌的发酵方法的流程图；图5为本发明实施例提供的第三种丁酸梭菌的发酵方法的流程图；图6为本发明实施例提供的第四种丁酸梭菌的发酵方法的流程图；图7为本发明实施例提供的第五种丁酸梭菌的发酵方法的流程图。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
25.第一方面，请一并参阅图1与图2，本技术实施方式提供一种丁酸梭菌发酵罐100，包括罐体10、温控系统20、气控系统30、酸碱度检测装置41以及中控装置，罐体10设置有容纳腔11与罐口12，容纳腔11用于容纳添加有丁酸梭菌的发酵材料，罐口12连通容纳腔11；罐体10的罐壁包括内层13与外层14，内层13用于围成容纳腔11，外层14环绕包裹内层13；温控系统20包括温度传感器21以及温控装置22；温度传感器21设置于容纳腔11内，并位于罐体10底部，温度传感器21用于监测发酵材料的温度；温控装置22用于调控容纳腔11内的温度；气控系统30包括氧气检测装置31以及置换装置32，氧气检测装置31设置于容纳腔11，并用于检测容纳腔11内的氧气浓度；置换装置32可拆卸地安装于罐口12，并封闭容纳腔11，置换装置32用于置换容纳腔11内的气体；酸碱度检测装置41设置于容纳腔11内，并位于罐体10底部，酸碱度检测装置41用于检测发酵材料的酸碱度；中控装置设置于罐体10的外表面，温度传感器21、氧气检测装置31、置换装置32以及酸碱度检测装置41均电性连接于中控装置。
26.在上述方案中，可以通过温控系统20自动调控容纳腔11内的温度；例如当丁酸梭菌发酵罐100外界温度变化时，可能引起容纳腔11内的温度变化，使得容纳腔11内的温度不再是丁酸梭菌最适宜的发酵温度，此时可以通过温控系统20调节容纳腔11内的温度，使得
容纳腔11内的温度可以迅速变化至丁酸梭菌最适宜的发酵温度，同时可以通过温控系统20稳定容纳腔11内的温度为丁酸梭菌最适宜的发酵温度，避免通过调节罐体10外的环境温度来调节容纳腔11内的温度，从而可以降低能耗，降低发酵成本。
27.通过气控系统30可以自动调控容纳腔11内的氧气浓度，以使容纳腔11内的氧气浓度可以根据发酵阶段而改变，以适宜丁酸梭菌的繁殖过程和发酵过程；例如在发酵阶段前的准备阶段，气控系统30可以调节容纳腔11内的氧气浓度，以使此时的氧气浓度适宜丁酸梭菌的繁殖，从而提高丁酸梭菌在发酵材料中的浓度占比，从而提高发酵效率；在发酵阶段中，气控系统30可以调节容纳腔11的氧气浓度，使得容纳腔11形成大致的无氧环境，从而形成丁酸梭菌的发酵环境，以达到精准调控容纳腔11内有氧或无氧环境。
28.通过酸碱度检测装置41，可以在发酵过程中或发酵过程后检测发酵材料的酸碱度，并与当前阶段理论上的酸碱度范围进行比对，从而可以初步判断发酵是否顺利或成功，例如在发酵过程中检测到的酸碱度与理论上的酸碱度范围相差较大，则可以初步判定发酵失败，以可以及时寻找发酵失败的原因，并及时调整发酵环境或发酵进程。
29.在一些实施方式中，温控装置22包括管道221以及通水阀222，管道221贴设于内层13与外层14之间，在沿罐口12的轴线螺旋缠绕并覆盖内层13，管道221的两端均伸出外层14，且分别形成进水端和出水端；通水阀222具有连通的进水口223与出水口224，出水口224与进水端连通；进水口223用于使水流流入，并经出水口224流入进水端，并由出水端流出，以调控容纳腔11内的温度。
30.在一些实施方式中，进水口223包括第一进水口2231以及第二进水口2232，第一进水口2231用于通入热水，第二进水口2232用于通入冷水，出水口224选择性地与第一进水口2231或第二进水口2232连通，以调控容纳腔11内的温度。
31.上述方案中，通过在管道221通入热水或冷水，来调控容纳腔11内的温度。例如在管道221内通入热水时，可以使容纳腔11内的温度升高，在管道221内通入冷水时，可以使容纳腔11内的温度降低。通过一根管道221实现对容纳腔11内温度的调控，可以降低温控装置22的成本。
32.在一些实施方式中，进水口223还包括第三进水口2233，第三进水口2233用于通入蒸馏水，出水口224选择性地与第一进水口2231、第二进水口2232以及第三进水口2233连通；丁酸菌发酵罐还包括三通阀23，三通阀23具有入口231、第一出口232以及第二出口233，入口231选择性地连通第一出口232或第二出口233，三通阀23设置于内层13与外层14之间，且入口231连通出水口224，第一出口232连通出水端，第二出口233穿过内层13，并连通容纳腔11；在第一进水口2231或第二进水口2232连通出水口224的情况下，第一出口232连通入口231；在第三进水口2233连通出水口224的情况下，第二出口233连通入口231。
33.上述方案中，可以通过管道221通入蒸馏水调节发酵材料的水占比。
34.在一些实施方式中，置换装置32包括密封盖321、第一进气管322、第二进气管323以及排气管324；密封盖321设置于罐口12，并盖合容纳腔11；第一进气管322、第二进气管323以及排气管324穿设于密封盖321并连通容纳腔11，第一进气管322的远离容纳腔11的一端用于选择性地通入氧气或关闭，第二进气管323的远离容纳腔11的一端用于选择性地通入氮气或关闭，排气管324用于选择性地排出容纳腔11内的气体或关闭。
35.在一些实施方式中，气控系统30还包括压强检测装置42，压强检测装置42设置于
排气管324，压强检测装置42具有第一检测端421以及第二检测端422，第一检测端421用于检测容纳腔11内的压强，第二检测端422用于检测罐体10外的压强。
36.第二方面，请参阅图3，本技术实施方式还提供了一种丁酸梭菌的发酵方法，其特征在于，应用于如上述的丁酸梭菌发酵罐100，包括：步骤s110：向容纳腔11内装入添加有丁酸梭菌的发酵材料，并关闭置换装置32；步骤s120：获取氧气检测装置31测得的容纳腔11内的氧气浓度值，根据获取的氧气浓度值与预设的氧气阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向置换装置32发送目标控制指令；步骤s130：获取温度传感器21测得的容纳腔11内的温度值，根据获取的温度值与预设的温度阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向温控装置22发送目标控制指令；以及步骤s140：获取酸碱度检测装置41测得的发酵材料酸碱度，并根据获取的发酵材料酸碱度是否落入预设的酸碱度阈值范围，确定对应的发酵结果。。
37.在一些实施方式中，请参阅图4，置换装置32包括第一进气管322、第二进气管323以及排气管324，预设的氧气阈值包括预设的第一氧气浓度阈值以及预设的第二氧气浓度阈值，其中预设的第一氧气浓度阈值大于预设的第二氧气浓度阈值；获取氧气检测装置31测得的容纳腔11内的氧气浓度值，根据获取的氧气浓度值与预设的氧气阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向置换装置32发送目标控制指令，还包括：步骤s121：获取容纳腔11内的发酵材料中丁酸梭菌的浓度占比以及容纳腔11内的氧气浓度值；步骤s122：在获取的丁酸梭菌的浓度占比小于预设的丁酸梭菌的浓度占比的情况下，若获取的氧气浓度值小于预设的第一氧气浓度阈值，打开第一进气管322和排气管324，并关闭第二进气管323，以向容纳腔11内通入氧气，直至获取的氧气浓度值上升至与预设的第一氧气浓度阈值相等；步骤s123：在获取的丁酸梭菌的浓度占比大于预设的丁酸梭菌的浓度占比的情况下，若获取的氧气浓度值大于预设的第二氧气浓度阈值，打开第二进气管323和排气管324，并关闭第一进气管322，以向容纳腔11内通入氮气，直至获取的氧气浓度值下降至与预设的第二氧气浓度阈值相等；以及步骤s124：关闭第一进气管322、第二进气管323以及排气管324。
38.在一些实施方式中，请参阅图5，丁酸梭菌发酵罐100还包括压强检测装置42，压强检测装置42的第一检测端421用于检测容纳腔11内的压强，第二检测端422用于检测罐体10外的压强；关闭第一进气管322、第二进气管323以及排气管324之后，还包括：步骤s150：若获取第一检测端421测得的压强值大于获取第二检测端422测得的压强值，打开排气管324，直至第一检测端421测得的压强值下降至与第二检测端422测得的压强值相等；以及步骤s160：若获取第一检测端421测得的压强值小于获取第二检测端422测得的压强值，打开第二进气管323，直至第一检测端421测得的压强值上升至与第二检测端422测得的压强值相等。
39.在一些实施方式中，请参阅图6，温控装置22包括通水阀222，通水阀222具有第一进水口2231以及第二进水口2232；获取温度传感器21测得的容纳腔11内的温度值，根据获取的温度值与预设的温度阈值之间的大小关系，确定对应的控制策略，并基于确定的控制策略向温控装置22发送目标控制指令，包括：步骤s131：当获取的温度值小于预设的温度阈值时，控制通水阀222打开第一进水口2231并关闭第二进水口2232，以通入热水对发酵材料升温；以及步骤s132：当获取的温度值大于预设的温度阈值时，控制通水阀222打开第二进水口2232并关闭第一进水口2231，以通入冷水对发酵材料降温。
40.在一些实施方式中，请参阅图7，获取酸碱度检测装置41测得的发酵材料酸碱度，并根据获取的发酵材料酸碱度是否落入预设的酸碱度阈值范围，确定对应的发酵结果，包括：步骤s141：若发酵第一预设时间后，在获取的发酵材料酸碱度不在预设的酸碱度阈值范围内的情况下，继续发酵第二预设时间；若发酵第二预设时间后，获取的发酵材料酸碱度不在预设的酸碱度阈值范围内，则初步判定发酵失败；若发酵第二预设时间后，获取的发酵材料酸碱度在预设的酸价浓度阈值范围内，则初步判定发酵成功；以及步骤s142：若发酵第一预设时间后，在获取的发酵材料酸碱度在预设的酸碱度阈值范围内的情况下，则初步判定发酵成功。
41.本技术实施方式提供的丁酸梭菌发酵罐100及发酵方法，可以实现在丁酸梭菌发酵的整个过程中均自动调整发酵环境，避免发酵过程中因人为调整发酵环境的因素导致发酵失败，可以大大提高发酵的成功率。同时在发酵后可以通过酸碱度辅助判定发酵是否成功，提高发酵结果判定的可靠性。
42.在本技术中，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通，也可以是仅为表面接触，或者通过中间媒介的表面接触连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
43.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本技术中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
44.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。