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靳红燕：牛胃仿生技术用于沼气工程靠谱吗？

2022-12-30 16:30| 发布者: zadak| 查看: 107| 评论: 1

摘要: 12月25日，在“沼气大家说”的会议上，董仁杰老师提出了一个很有意思的论题：让大家谈谈对牛胃仿生技术应用于沼气工程的看法。听到这个问题，我的第一个念头是否定的。但凡听到有人说他们采用的是牛胃仿生技术，我脑 ...

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12月25日，在“沼气大家说”的会议上，董仁杰老师提出了一个很有意思的论题：让大家谈谈对牛胃仿生技术应用于沼气工程的看法。听到这个问题，我的第一个念头是否定的。但凡听到有人说他们采用的是牛胃仿生技术，我脑子里就会冒出 “骗子”两个字，肯定更不会仔细了解他们究竟怎么仿的。之所以有这个偏见，是因为我觉得生物体是一个非常复杂而精细的系统，仿生应该是一件很难的事情。而沼气工程这么一个低端的行业，离机械化和工业化尚有一段距离，竟然谈仿生这么高科技的东西，未免有点太不切实际吧。但会上听到一位同行介绍临漳项目的仿生概念，我忽然有了兴趣。我之前理解的仿生，更多的是无限的模仿生物体，但听了同行的介绍，我忽然意识到理念的借鉴也可以是一种仿生，仿生也许是一个多方面的概念。于是开完会，我花了几天时间，仔细想了想董老师提出的这个问题。董老师会上说的，牛吃的东西和我们沼气工程要处理的东西，并不太一样，我们处理的都是垃圾，是牛根本不会吃的东西。所以我们应该仔细了解一下二者的过程和功能真的是一样的吗，真的有可借鉴之处吗？如果有可借鉴之处，具体借鉴什么？又该如何借鉴？所以我觉得这个问题应该包含三个方面：一是有没有必要仿，二是仿什么，三是如何仿。
1牛胃的特点
带着这些疑问，我们先来了解一下牛胃。牛属于反刍动物，反刍动物的消化系统是比较复杂和强大的，也正因为如此，才能让他们“吃进去的是草，产出来的是奶”。牛一共有四个胃，分别是:瘤胃、瓣胃、网胃和皱胃。为什么牛有这么多胃？我们知道，食草动物以植物为食，并不容易。因为植物茎叶主要以纤维素为主，纤维素对于大多数动物来说，是难以消化和吸收的营养。为了应对这一难题，以牛为代表的反刍动物演化出了一套强大的消化系统和反刍技能。反刍，就是将吃进胃里的食物再反刍到口腔中，继续研磨后再次进入胃部，这样做的好处是：可以快速大量进食，进食后的食物会先储存在瘤胃中，然后等到安全的地方，再将胃中的食物反刍到口腔中细细研磨。同时食物进入到胃里发酵后，也会变得软许多，此时再研磨，对牙齿的伤害也不大。一般情况下，牛每天会反刍6-8次，多在夜间进行。它们白天会抓紧进食，到了晚上会慢慢消化这些食物。牛四个胃的功能也是相当强大，各有分工。牛胃分为瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃四部分。1）瘤胃。约占 4 个胃容积的 80%，牛瘤胃容积为 100～300 L。瘤胃内有大量微生物，包括原生动物（纤毛虫）和细菌，瘤胃内的酶全由微生物产生，草料中的纤维质在这些酶的作用下发酵分解，形成低级脂肪酸，大部分被瘤胃壁吸收。2）网胃。约占 5%，其功能如同筛子，将随饲料吃进去的重物如钉子、铁丝等存留其中，这些异物大部分通过反刍排出。牛在反刍过程中，通过反刍的食团，多次咀嚼时也能感知不消化硬物将其排出，不然在牛的一生中，在胃中积存的不消化的异物太多了，消化活动难以继续进行。3）瓣胃。约占 7%，其功能主要是吸收饲料内的水分，挤压磨碎饲料。4）皱胃。约占 8%，皱胃与单胃动物的胃作用相同，分泌消化液与消化酶，消化在瘤胃内未消化的饲料。

图1 牛消化系统结构图
（引自孟尧博士论文《玉米秸秆厌氧发酵瘤胃仿生工艺研究》）

图2 反刍动物消化系统示意图（引自孟尧博士论文《玉米秸秆厌氧发酵瘤胃仿生工艺研究》）
2有没有必要仿？
可以看出来，牛4个胃中的瘤胃和沼气工程的厌氧消化有着很多的相似之处。首先瘤胃是一个大的储存系统和厌氧反应系统，牛吃进去的食物，在这个场所进行储存和并完成水解酸化和产生甲烷，沼气工程的厌氧消化过程也是如此。其次，瘤胃本身不分泌消化液，消化过程是通过内部微生物完成的，它提供的只是一个适合微生物的场所，这和沼气工程的厌氧消化罐起到的作用一样。再者牛吃的食物中，有很大一部分是纤维素，而我们的沼气工程最头疼的也是纤维素物料的分解。从相似性来看，是有可能进行模仿的。其次瘤胃具有非常高的反应速率，据说有机负荷可以达到100 kg VS/m³·d，而目前沼气工程的厌氧技术还没有能超过10kg VS/m³·d的技术。瘤胃可以在48小时内降解60%-65%的纤维素，而沼气工程的厌氧技术至少要40天以上，都不一定能达到这个降解率，那么从效率上来说也是值得模仿的。我查了一下资料和文献，大家所谓的牛胃仿生，基本也是对牛瘤胃的模仿。
3仿什么
既然有模仿的必要性，那具体应该模仿什么呢？我们先来对比一下牛瘤胃的反应过程和沼气工程厌氧反应器（单相）的反应过程，详见下列图表。

图3 厌氧发酵主要代谢过程示意图（引自邢宝山博士论文《仿瘤胃厌氧发酵体系构建与调控技术研究》）

图4 瘤胃微生物主要代谢路径图（本图引自邢宝山《仿瘤胃厌氧发酵体系构建与调控技术研究》）
可以看出来，两者虽然有一些相似之处，但也有很多不同之处。首先最大的不同，是目标不同。牛瘤胃要获得的主要产物是挥发性脂肪酸、微生物蛋白、饱和脂肪酸等营养物质，这些物质产生后会被牛胃壁快速吸收。牛瘤胃也产生甲烷、二氧化碳等混合气体，但这些只是消化过程产生的副产物。很明显，牛瘤胃是以水解酸化过程为核心的反应系统。而沼气工程中的厌氧反应器，是以获得甲烷为主，虽然也有水解酸化阶段，但是只是中间过程，所以沼气工程的厌氧反应器是以产甲烷过程为核心的反应系统。其次二者的微生物和反应条件不同。从表1可以看出，二者反应条件差异最大的是氧环境和PH值。牛瘤胃是一个交替微氧环境，而厌氧反应器是一个绝对的厌氧环境。瘤胃PH在5.0~7.5之间，而厌氧罐一般在6.5~7.8之间。研究过两相厌氧的人可能就会有感觉，这不就是水解酸化段和产甲烷段的差异吗？首先看交替微氧环境。一般厌氧过程的水解段主要是由兼性发酵细菌完成，酸化段主要由产酸菌完成，这两类菌对氧气的要求并不严苛。在两相厌氧中，产酸相的氧化还原电位可以控制在-100mv~-300mv之间。水解(酸化)——好氧处理工艺中的水解(酸化)段只要将氧化还原电位控制在＋50mv以下即可。而甲烷菌的生存，一般需要将氧化还原电位控制在-300mv以下。所以，牛瘤胃系统出现交替微氧环境很正常，这进一步说明了它是以水解酸化为核心的系统。那么以产甲烷为核心的厌氧消化系统，可以采用交替微氧环境吗？如果是单相厌氧消化，我觉得是不可以的。其次我们看PH，一般发酵菌（水解菌）和酸化菌大多可以在5.0~8.5范围内生长良好，但其最适宜PH区间一般在5.2~6.3之间。而产乙酸菌和产甲烷菌的PH必须在6.5~8之间。很显然，牛瘤胃的PH区间更利于水解酸化菌的生长。二者反应条件的不同，进一步说明了牛瘤胃的核心功能是水解酸化，而沼气工程厌氧消化的核心功能是产甲烷，不难看出其微生物群落、反应条件，都是在为各自目标服务。所以，我们应该仿什么？通过上面的分析，应该很清楚了，我们模仿的应该是牛瘤胃强大的水解酸化功能，尤其是对纤维素物质的水解功能。相反，很多人用主产甲烷的厌氧罐去模仿牛瘤胃，显然是有问题的。如果，连模仿什么都没搞清楚，根本谈不上如何去模仿。4如何仿
我查了一下资料，关于如何模仿瘤胃，主要集中在三个方面。一，侧重于瘤胃微生物的研究，目标是从瘤胃中分离出高效的微生物菌群，并应用于实际工程中。目前这块在科研领域研究的比较多也比较深入，实际工程中还未听说有应用的。一个原因是菌的分离、纯化和培养本来就是很难的一个过程，第二个原因是目前沼气工程盈利性还很差，对菌这块的需求和认识还不高。二，侧重反应器形态及反应条件的模仿，目标是模拟出像牛瘤胃一样高效的反应器，应用于工程中。比如今年2022“沼气+”创新科技挑战赛里面有一个“基于膜吸收的新型仿生厌氧消化及资源回收工艺”，就是模仿牛胃壁对VFA和氨氮的快速吸收功能。这种模仿，我个人觉得还是应该和微生物相结合，所谓的反应条件，它不是一个孤立的东西，其最终目标是为菌群提供最佳的生存环境。如果菌群不一样，反应条件是不是也应该不一样呢？所以我个人不是很认同单纯进行反应器形态及反应条件的模仿。三，反应理念的借鉴。也就是说不是单纯的模仿，而是牛瘤胃的一些运行理念，将其应用于实际工程中。比如两相厌氧和推流式厌氧，我认为就是一种借鉴。前面我说到，牛瘤胃的反应目标是获得有机酸，我们要借鉴的其实是牛瘤胃强大的水解酸化功能。所以要借鉴，第一步就需要把水解酸化段独立出来，两相厌氧和推流式厌氧都是将水解酸化段与产甲烷段分开。水解酸化段的反应条件和运行方式可以借鉴牛瘤胃，水解酸化段和甲烷段的互动同样可以借鉴牛瘤胃。比如25日的“沼气大家说”会议上讨论的临漳项目：该项目采用多搅拌轴形式的卧式推流罐，同时每台搅拌器都可以正反转，这是仿瘤胃消化的“蠕动”过程。同时这个系统还有内回流功能，可以调节反应器前后段的微生物菌群密度差，这也是对牛胃消化过程的借鉴。另外，有些学者提出来，水解酸化阶段采用兼氧或者交替微氧环境，有利于水解酸化菌生长，同时可以抑制产甲烷菌，这也是一种很好的借鉴。关于反应理念的借鉴，应该还有很多其他形式，只是我能想到的还很有限。但这种方式，我觉得应该是现阶段最切实可行的一种方式。