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科学家根据蝙蝠的超声定位原理发明了雷达，根据萤火虫的发光原理发明了人工冷光，人类在仿生学领域已经取得了一系列成果。同样，基于瘤胃消化系统，我们照样可以开发出高效厌氧反应器。
近年来，随着能源危机与环境污染的日益加剧，以生物天然气为代表的可再生能源无疑是未来能源发展的趋势。德国计划在2020年将彻底关闭其境内的全部核电站，进行能源战略转型，到2050年前，可再生能源使用比例将提高到能源总使用量的80%。瑞典生物天然气在2050年前后将全部取代天然气，理论年产量100亿立方米。我国对生物天然气的发展也提出了明确的中长期发展规划，到2020年，生物天然气年利用量达到440亿立方米，到2030年达到500亿立方米。
生物天然气，也称生物燃气，是指由生物质转化而来的燃气，包括沼气、合成气和氢气。目前只有沼气生产具有成本优势，所以一般意义上所说的生物燃气主要是指沼气。沼气的生产过程并不复杂，有机物在隔绝氧气的条件下，经过微生物厌氧发酵，最终可转化为主要含有甲烷与二氧化碳的混合气体，该混合气体具有较高的热值，是一种清洁的可再生能源。
其实厌氧发酵技术的历史在我国源远流长，从杜康酿酒算起，已经有几千年的历史了，但真正将其应用到工程领域，还不到200年。目前厌氧技术在污水处理领域已经取得巨大成功，但在秸秆等有机废物领域依然进展缓慢，单位容积单位时间的处理能力还不及污水处理的10%。
当科学技术遇到瓶颈时，大自然往往能给出开创性的启发，反刍动物的瘤胃就是其中之一。反刍动物的瘤胃是自然界中一种针对有机物料的高效厌氧反应器，其单位容积单位时间的处理能力是现有技术的20倍以上。以牛的瘤胃为例，秸秆等饲料在牛体内经过一系列复杂的生物化学反应，短短几个小时就可发生降解，被牛体吸收，最终转化为牛肉、牛奶等产品，因此基于瘤胃消化系统开发一种高效的瘤胃仿生反应器具有重大意义。
众所周知，人类一般只能以糖类、蛋白质、脂肪含量较高的食物为食，无法对纤维素、半纤维素进行消化，而牛等反刍动物则可以以纤维素、半纤维素含量较高的秸秆为食，这是因为二者消化系统存在巨大的差异。人类只有一个胃，而牛有四个，分别为瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃，其中瘤胃中含有大量种类繁多的瘤胃微生物。食物在人体消化道内的消化主要靠消化腺分泌各种消化酶并发生相应的酶促反应，最终转化为可吸收的小分子有机物；而在牛体内，饲料是在瘤胃微生物的作用下进行厌氧发酵转化为小分子有机酸进而被牛体吸收的，这些瘤胃微生物与牛体形成了一个长期稳定的互利共生关系。
科学家根据蝙蝠的超声定位原理发明了雷达，根据萤火虫的发光原理发明了人工冷光，人类在仿生学领域已经取得了一系列成果。同样，基于瘤胃消化系统，我们照样可以开发出高效厌氧反应器。
瘤胃中真正起发酵作用的是瘤胃微生物，那么是不是只要接种瘤胃微生物到体外培养就可以实现高效发酵了呢？其实不然，许多科学家已经做过这样的尝试，接种初期发酵效果确实较好，但随着时间的推移，发酵效果越来越差，这是因为体外培养环境不适合瘤胃微生物的生长，微生物群落开始退化，活性开始降低。由此，进行瘤胃仿生研究的关键不是接种瘤胃微生物进行体外培养，而是建立类似于瘤胃内环境的外界环境与反应条件，从而形成类似于瘤胃微生物的微生物群落，进而表现出瘤胃微生物的高活性。
传统发酵过程中，pH一般处于相对恒定的状态，而瘤胃内的pH长期处于5.5~6.8左右的酸性-中性动态变化状态。在中性条件下，纤维素等物质的水解率相对较高，但是产物挥发酸消耗速率也相对较高；在酸性条件下，产物挥发酸消耗速率会下降，但是纤维素等物质的水解率也会降低。因此在恒定pH条件下，无法解决高水解率与高产物挥发酸消耗速率这一不可调和的矛盾。但是在瘤胃中这种动态变化的pH条件下，饲料水解率不会受到明显影响，同时产物消耗速率可大幅度降低，进而提高了挥发酸产率。
传统发酵过程中，温度一般为常温、中温（35℃）与高温（55℃），而瘤胃内的温度一般为38.5~39.5℃。研究表明，秸秆等木质纤维素化合物发酵过程的限速步骤——水解过程的最适温度为39℃左右，在39℃时，秸秆等木质纤维素化合物厌氧发酵全过程的速率最高。
传统发酵过程中，厌氧反应器内容易出现酸积累现象，过多的酸积累会对水解、产甲烷过程产生一定的抑制作用，如不及时解除酸抑制，轻者影响正常生产进度，重者需要清理反应器重新发酵。令人称奇的是，尽管瘤胃在远远高于传统厌氧反应器的负荷条件下工作，但是很少出现酸抑制的现象，这是因为牛体拥有精确的自我调控系统。当瘤胃中酸浓度升高、pH下降时，一方面瘤胃通过上皮细胞加大对酸的吸收，及时排出瘤胃中过量的酸；另一方面牛体会分泌大量的具有较强缓冲作用的中性唾液进入瘤胃，从而提高瘤胃内pH、解除酸抑制。
反刍是牛等反刍动物的一种特殊生理现象。反刍对发酵有两个好处：一方面通过再次咀嚼将食物破碎，方便后续微生物的发酵；另一方面经过初步发酵的食物再次逆呕到口腔中接触空气，使发酵处于微氧的环境。传统厌氧反应器一般采用完全厌氧的环境，这有利于产甲烷，但是不一定有利于水解过程。研究发现，微量的氧气可强化水解过程，发酵中间通入一定量的氧气可提高发酵效率。
传统发酵过程一般分为干发酵与湿发酵，瘤胃中的发酵长期处于干湿交替的状态，该状态是通过瘤胃的蠕动实现的。随着瘤胃有节率地蠕动，收缩时，食糜中的瘤胃液被挤压出去，食糜处于相对“干”的状态（含固率>20%），而舒张时，瘤胃液又回到食糜中，食糜处于相对“湿”的状态（含固率<10%）。这样干湿交替的状态既保证了传质效率，又节省了反应空间，兼顾了干发酵与湿发酵的优点。
与传统发酵工艺相比，基于瘤胃消化系统开发的瘤胃仿生反应器极大地提高了发酵效率与速率，可以充分实现反应器小型化，减少占地面积与投资运营成本。
目前，瘤胃仿生反应器在青贮玉米、玉米秸秆、小麦秸秆等物料的发酵过程中已经取得了不错的效果。牛等反刍动物的饲料包括谷物、牧草、秸秆等，那是不是瘤胃仿生反应器也只能用于这些物料的发酵呢？当然不是。瘤胃仿生反应器的开发思路源于瘤胃消化系统，但其应用领域却不局限于牛的饲料。对于其他有机废物，比如餐厨垃圾、畜禽粪便、城市污水处理厂剩余污泥等，只要对反应器的工艺参数进行一些调整，都可以得到较好的应用。
在未来，“牛胃”为人类提供能源，将不再是梦。
（孟尧系清华大学环境学院博士，王凯军系清华大学环境学院副院长）
