肠道菌群发酵罐，也称为体外结肠模拟系统，是一种高度复杂的生物反应器。其主要功能是在实验室环境下，精确模拟人体肠道（特别是结肠）的物理化学环境与微生物生态系统。它不用于生产传统意义上的产品，而是作为研究工具，广泛应用于评估益生元、益生菌的功能、研究药物与微生物的互作、探索饮食对菌群的影响及开发新型功能性食品和药物。
一、设备组成
一套先进的系统通常包含：
1.主体发酵罐：代表结肠区域，通常由玻璃或不锈钢制成，具备良好的密封性。
2.连续进料系统：包括培养基储罐和精密泵，用于模拟食物残渣（食糜）的持续输入。
3. pH自动控制系统：集成pH电极、控制器和酸碱泵，用于精确维持结肠特定的pH环境（如从5.5到7.0的梯度）。
4.厌氧气体供应系统：提供严格的无氧环境（通常为N₂/CO₂混合气），确保厌氧菌的生存。
5.搅拌系统：温和的机械或磁力搅拌，模拟肠道的蠕动，使内容物混合均匀而不损伤微生物。
6.自动取样系统：允许在无菌、无氧条件下定时采集发酵液和气体样本以供分析。
7.废气/代谢产物收集装置：用于收集和分析发酵产生的气体（如H₂, CH₄, CO₂, H₂S等）。
二、工作原理
其核心是持续流动的仿生发酵。系统在严格厌氧条件下运行。预先接种来自人类或动物粪便的菌群。恒温（37°C）模拟人体温度。营养培养基以恒定的流速被泵入罐内，同时通过pH自动控制维持结肠的弱酸性环境。温和的搅拌模拟肠道蠕动。整个系统通过保持恒定的容积（流入量=流出量）来模拟结肠内容的持续通过，从而在长时间内维持一个与体内高度相似的、稳定的微生物群落结构和代谢活动。
三、设计方法
设计追求高度的生理相关性与可控性。必须确保所有材料和密封件能实现长期严格的厌氧；搅拌设计需低剪切，避免破坏脆弱的微生物团块或生物膜；pH控制需极其精确和响应迅速；罐体设计应便于拆卸和彻底清洁灭菌，防止批次间交叉污染；通常采用多级罐串联，以模拟肠道不同区段（如升结肠、横结肠、降结肠）的生理梯度。
四、操作流程
1.系统灭菌与准备：对全部管路和罐体进行高压灭菌或化学灭菌，并用厌氧气体吹扫。
2.接种与启动：在厌氧工作站内，将准备好的粪便菌群悬液或特定菌群组合无菌注入主罐。
3.连续运行：启动培养基进料泵、pH控制、搅拌和温控，系统进入连续稳态运行模式。
4.监控与取样：定期采集罐内液体和气体样本，进行微生物组（如16S rRNA测序）和代谢组（如SCFAs）分析。
5.实验终止与清洗：实验结束后，排空系统，并进行彻底的CIP清洗，为下一次实验做准备。
五、维护保养
维护标准极其严格，以确保数据的可靠性与可重复性。
1. 每次实验后：必须立即执行完整的CIP清洗程序，使用特定的清洗剂去除生物膜和残留物。
2. 定期检查与更换：定期校准pH和DO电极；检查所有管路和密封圈的老化情况并及时更换；验证厌氧环境的稳定性。
3. 预防性维护：对蠕动泵泵管进行定期更换；对搅拌轴承进行润滑；长期不使用时，需将系统彻底清洁干燥后存放。
