小型食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用展望

王志冉 周增產(chǎn) 姚 濤 張曉文 張浩文 胡福生

（1北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096；2北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；3北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

我國栽培食用菌的歷史悠久，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中，食用菌成為中國種植業(yè)第五大產(chǎn)業(yè)，超過棉、油、茶等產(chǎn)業(yè)[1-3]。我國食用菌的生產(chǎn)、消費(fèi)、出口的產(chǎn)量居世界前列[4]。食用菌風(fēng)味獨(dú)特、營養(yǎng)物質(zhì)含量高，并且具有滋補(bǔ)保健等功能，在物質(zhì)日益豐富的當(dāng)代社會，廣受消費(fèi)者的喜愛[5-6]。隨著食用菌生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)出規(guī)模化增長[7]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，食用菌的生產(chǎn)更加趨向于工廠化、智能化的大規(guī)模生產(chǎn)模式，其利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)、設(shè)施裝備、機(jī)械化生產(chǎn)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，精準(zhǔn)地控制生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度、光環(huán)境、氧氣及二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，為食用菌的大規(guī)模生產(chǎn)提供適宜的培養(yǎng)環(huán)境，促進(jìn)食用菌的規(guī)模化生產(chǎn)[8-11]。傳統(tǒng)食用菌的生產(chǎn)方式大都是手工作坊，采用栽培床或者栽培袋的方式培育食用菌，這種方式對技術(shù)人員要求的門檻低，科技含量不高，生產(chǎn)效率相對較低[12-13]。與傳統(tǒng)生產(chǎn)形式相比，工廠化食用菌生產(chǎn)模式具有相對優(yōu)勢，一是生產(chǎn)的食用菌品質(zhì)較好，由于對環(huán)境因素精準(zhǔn)的控制，食用菌的長勢基本一致；二是生產(chǎn)食用菌的數(shù)量可控，產(chǎn)量與生產(chǎn)面積相對固定，受天氣條件等的影響較小，達(dá)到周年生產(chǎn)的目的，對穩(wěn)定市場具有積極作用；三是食用菌工廠化生產(chǎn)，機(jī)械化程度高，勞動強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化、自動化生產(chǎn)，最終達(dá)到無人化生產(chǎn)的目標(biāo)[14-17]。

北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所設(shè)計(jì)研發(fā)的小型食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)是基于充分利用廢棄工廠、地下室等空間，其面積在50～500m2，進(jìn)行潔凈度設(shè)計(jì)、合理規(guī)劃生產(chǎn)空間等，完成從培養(yǎng)基配置、裝袋、滅菌、接種、培養(yǎng)等生產(chǎn)全過程，意在打造一個(gè)食用菌試驗(yàn)示范性質(zhì)的工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

小型食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)，按照食用菌生產(chǎn)工藝流程分為準(zhǔn)備室、接種室和出菇培養(yǎng)室3個(gè)生產(chǎn)區(qū)，每個(gè)生產(chǎn)區(qū)用50 mm的巖棉彩鋼板間隔，考慮地理位置和極端溫度的影響也可使用100 mm的巖棉彩鋼板。其中準(zhǔn)備室用于培養(yǎng)基配置、裝袋、扎口、滅菌、冷卻等操作；接種室對環(huán)境潔凈度要求最高，主要用于對已滅菌的栽培袋菌種，接種后的料袋轉(zhuǎn)移至出菇室的栽培架上，培養(yǎng)菌絲、出菇。該生產(chǎn)系統(tǒng)可以栽培平菇、金針菇、杏鮑菇等多個(gè)適宜袋栽的食用菌品種。圖1為食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)平面布局。

圖1 小型食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)平面布局圖

2 功能分區(qū)介紹

根據(jù)食用菌的生產(chǎn)工藝流程，將食用菌立體工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)按照工藝流程順序劃分為準(zhǔn)備室、接種室和培養(yǎng)出菇室3個(gè)生產(chǎn)車間。

2.1 準(zhǔn)備室

從食用菌工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)的大門進(jìn)入即是該系統(tǒng)的準(zhǔn)備室，準(zhǔn)備室分為準(zhǔn)備間和菌袋冷卻室。準(zhǔn)備室的功能是配置培養(yǎng)基、基質(zhì)裝袋、基質(zhì)袋滅菌、冷卻，在準(zhǔn)備室內(nèi)設(shè)置基質(zhì)攪拌機(jī)、自動裝袋機(jī)、扎口器、高壓滅菌鍋、洗手池、衣柜、空調(diào)等設(shè)備。由于出菇室內(nèi)空氣相對濕度高，培養(yǎng)室內(nèi)使用的工業(yè)超聲波加濕器、空調(diào)通過加濕管道和出風(fēng)口將濕氣和冷氣等輸送到出菇室內(nèi)。冷卻室是菌菇菌袋滅菌后基質(zhì)冷卻的地方，將冷卻室隔離出來是避免滅菌完成的菌袋發(fā)生二次污染。

圖2 圖1剖面圖

圖3 準(zhǔn)備室俯視圖

2.1.1 基質(zhì)配置

培養(yǎng)食用菌的基質(zhì)一般選用棉籽殼、玉米芯、麩皮、石膏、白糖和防污劑，按照特定的比例配置，還要加入適量的水。選用的配料顆粒大小一致，材料新鮮、無發(fā)霉、無蛀蟲等，基質(zhì)配置采用攪拌機(jī)。

2.1.2 基質(zhì)裝袋

攪拌機(jī)將基質(zhì)配料混合均勻，裝袋機(jī)裝袋，一般用12 cm×15 cm 和20 cm×45 cm 的基質(zhì)袋，自動扎口器對裝好的基質(zhì)袋封口。

2.1.3 基質(zhì)袋滅菌

理論上在溫度為121 ℃的條件下，滅菌20～30 min，高溫飽和的水蒸氣可迅速地使微生物蛋白變性，從而使微生物死亡。該生產(chǎn)裝置使用高壓滅菌鍋滅菌，采用蒸汽滅菌法，高溫高壓滅菌的溫度在118～121 ℃，在料袋中心溫度達(dá)121 ℃開始計(jì)時(shí)，計(jì)算有效滅菌時(shí)間和保險(xiǎn)時(shí)間，一般持續(xù)2.5 h即可達(dá)到殺滅各種雜菌的效果，完成滅菌全程作業(yè)時(shí)間為6～7 h。當(dāng)溫度降至70 ℃時(shí)將基質(zhì)袋轉(zhuǎn)移至接種室，接種室應(yīng)提前進(jìn)行紫外和臭氧滅菌。選用的臭氧消毒機(jī)為可移動式，在將基質(zhì)袋轉(zhuǎn)移至出菇室時(shí)也要提前對出菇室進(jìn)行臭氧滅菌。

2.2 接種室

接種室是基質(zhì)袋冷卻、接入菌種的場所，其潔凈程度要求最高，接種前要提前進(jìn)行環(huán)境消毒。從準(zhǔn)備室要經(jīng)過風(fēng)淋室進(jìn)入接種室，避免接種人員將外界污染物帶進(jìn)接種室，污染接種環(huán)境。料袋等物品需要經(jīng)過傳遞窗進(jìn)入接種室，保證接種室環(huán)境密閉，避免外界微生物對接種室的污染。準(zhǔn)備區(qū)的物料通過傳遞窗送入接種區(qū)，接種區(qū)必須始終保持正壓狀態(tài)，否則就會導(dǎo)致污染。

圖4 接種室俯視圖

2.2.1 冷卻

在滅菌結(jié)束后，滅菌鍋內(nèi)的溫度先降至70～80 ℃，此時(shí)應(yīng)向滅菌鍋內(nèi)回補(bǔ)經(jīng)過高效過濾的潔凈空氣，降低污染率，然后將料袋轉(zhuǎn)移至冷卻室。在接種前需要將基質(zhì)袋冷卻至適宜接種的溫度，可以在接種前用溫度計(jì)測溫。

2.2.2 接種

在超凈工作臺上完成接種工作。接種時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行無菌操作規(guī)程，接種人員首先要對手部消毒，然后用酒精燈對所有接種器具消毒。一般購買二級菌種。接種時(shí)采用兩端接種法，在料袋的兩端分別呈梅花狀接種3穴，接種穴要填滿、壓實(shí)。

2.3 培養(yǎng)出菇室

一般規(guī)模化生產(chǎn)的食用菌工廠分別設(shè)置培養(yǎng)出菇室與發(fā)菌室。菌絲培養(yǎng)階段料袋堆放密度高，出菇階段要間隔堆放。該示范型生產(chǎn)系統(tǒng)將培養(yǎng)室與出菇室合并，節(jié)省前后的轉(zhuǎn)移工作，且使用自動環(huán)控系統(tǒng)對菌菇生長的各個(gè)階段進(jìn)行環(huán)境的分段式調(diào)節(jié)。

圖5 培養(yǎng)出菇室俯視圖

培養(yǎng)出菇室是接種后的食用菌料袋發(fā)菌、出菇的場所。培養(yǎng)出菇室的核心就是精準(zhǔn)地控制溫度、濕度、光照、氧氣及二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，為食用菌的生長營造適宜的環(huán)境條件。

2.3.1 發(fā)菌

發(fā)菌是一個(gè)漫長的過程，需要大量細(xì)致的工作，一般在菌絲生長的過程中需要恒溫，空氣相對濕度在70% 左右，暗光、通風(fēng)的生長環(huán)境，發(fā)菌需要的時(shí)間相對較長，應(yīng)嚴(yán)格控制其生長環(huán)境。

2.3.2 出菇

待菌絲發(fā)滿袋后，進(jìn)入培養(yǎng)出菇階段。出菇一般要經(jīng)過原基發(fā)育、菇蕾形成階段和子實(shí)體生長發(fā)育等階段。出菇過程對生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的溫度和濕度實(shí)行嚴(yán)格控制，一般采用漸變式溫度梯度管理，高濕環(huán)境。

3 配套系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 新風(fēng)系統(tǒng)

由于工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境潔凈程度、氧氣機(jī)二氧化碳濃度等參數(shù)要求嚴(yán)格，該生產(chǎn)系統(tǒng)以地下室或廢棄工廠等地方為建筑殼體，需要特定設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)系統(tǒng)主要用于培養(yǎng)出菇室內(nèi)的通風(fēng)換氣，降低因?yàn)槭秤镁粑饔迷斐傻亩趸祭鄯e。

生產(chǎn)系統(tǒng)采用新風(fēng)系統(tǒng)，在進(jìn)風(fēng)口安裝初效過濾器和高效過濾器，能夠阻擋空氣中的粉塵顆粒、蟲卵、孢子等有害物質(zhì)進(jìn)入生產(chǎn)車間。在室內(nèi)外溫差較大的條件下，為了避免新風(fēng)在進(jìn)入出菇室時(shí)引起溫度的突然變化給菌菇的穩(wěn)定生長帶來不利的影響，在新風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口安裝加溫和制冷設(shè)備，緩沖外界氣流進(jìn)入時(shí)帶來的溫度變化。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)

由于食用菌在培養(yǎng)過程中對溫度的要求較為嚴(yán)格，有些食用菌品種在現(xiàn)蕾期還要變溫管理，食用菌在培養(yǎng)過程的環(huán)境相對濕度較高，空調(diào)長時(shí)間在高濕的環(huán)境中工作容易損壞，因此空調(diào)主機(jī)安裝在準(zhǔn)備室內(nèi)，設(shè)計(jì)特殊的通風(fēng)口進(jìn)入出菇室。因此該生產(chǎn)裝置內(nèi)共安裝2 套空調(diào)系統(tǒng)，一套立式柜機(jī)用于培養(yǎng)出菇室內(nèi)的溫度調(diào)控，安裝在準(zhǔn)備室內(nèi)，并配有空調(diào)保護(hù)殼與特定風(fēng)道。另一臺空調(diào)掛機(jī)用于接種室內(nèi)的日常溫度調(diào)節(jié)，主要是供接種和操作人員工作時(shí)使用。

3.3 立體栽培系統(tǒng)

食用菌采用菌袋栽培，使用立體栽培系統(tǒng)類似貨架，根據(jù)建筑物的高度設(shè)計(jì)不同層架高度。食用菌立體栽培系統(tǒng)充分利用垂直方向的空間，較傳統(tǒng)的床栽形式節(jié)省基質(zhì)用量，充分利用空間布局，提高單位面積產(chǎn)量。

3.4 加濕系統(tǒng)

食用菌生長對濕度環(huán)境要求較高，一般需要空氣相對濕度在70%～90%，該生產(chǎn)系統(tǒng)選擇工業(yè)超聲波加濕器（圖7，上海京晟電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JSC-12.0 型號的加濕器），加適量為12 kg/h，該加濕系統(tǒng)出霧小且均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加濕。

圖6 立體栽培架

圖7 加濕器

3.5 環(huán)境控制系統(tǒng)

配電柜位于準(zhǔn)備室內(nèi)，包括控制器、傳感器（溫度、濕度、二氧化碳質(zhì)量濃度等傳感器），同時(shí)配置觸摸屏，用于精準(zhǔn)的控制生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的溫度、濕度、光照、氧氣和二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，為食用菌的培養(yǎng)提供適宜的環(huán)境條件。一般食用菌菌絲和子實(shí)體生長要求不同的環(huán)境條件，見表1。

表1 食用菌主要生長階段的環(huán)境條件

環(huán)控系統(tǒng)為北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司自主研發(fā)產(chǎn)品，該生產(chǎn)裝置的環(huán)控系統(tǒng)設(shè)置3 個(gè)獨(dú)立的氣候控制單元，其核心控制區(qū)為培養(yǎng)栽培區(qū)。設(shè)置的傳感器用于監(jiān)測栽培室內(nèi)的環(huán)境要素，包括空氣溫度、空氣相對濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度。環(huán)控系統(tǒng)設(shè)置3 個(gè)終端，包括手機(jī)APP、軟件平臺和觸摸屏（圖8）。

圖8 環(huán)控系統(tǒng)

4 應(yīng)用展望

食用菌栽培歷史悠久，栽培的場地也十分廣泛，在發(fā)展早期使用防雨罩。因?yàn)槭秤镁纳L對環(huán)境潔凈度要求嚴(yán)格，極易受雜菌的污染，影響食用菌的正常生長，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，食用菌主要依附于設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，在日光溫室、連棟溫室、植物工廠等場所都可以發(fā)展食用菌生產(chǎn)[18-21]。而現(xiàn)代食用菌大都是規(guī)模化生產(chǎn)，在大型的生產(chǎn)車間、潔凈室等生產(chǎn)場所規(guī)模化生產(chǎn)，集工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)等多學(xué)科于一體，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與集中規(guī)模化的生產(chǎn)管理模式，大大提高食用菌的單位面積產(chǎn)量，其商品性也顯著提高[22-24]。

該立體化生產(chǎn)裝置利用閑置的地下室、廢棄的工廠或?qū)ｉT農(nóng)用建筑等生產(chǎn)場所，經(jīng)過生產(chǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保溫性能設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，建設(shè)小規(guī)模的示范性食用菌生產(chǎn)工廠，展示食用菌從菌種到成熟農(nóng)產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)過程的工藝流程，為培養(yǎng)專業(yè)的食用菌技術(shù)人員提供教學(xué)場所。該生產(chǎn)設(shè)備同時(shí)可以聯(lián)合國際援助項(xiàng)目，幫助那些在食用菌生產(chǎn)技術(shù)相對落后的國家和地區(qū)，提供生產(chǎn)場所和技術(shù)方面的援助。