高海拔地區雙孢蘑菇培養料發酵隧道設計、建造與應用*

任愛民，張德寶，朱子雄，耿新軍，王曉巍**

（1.甘肅省農業科學院 蔬菜研究所，甘肅 蘭州730070；2.山東科邁自動化設備有限公司公司，山東 聊城 252200；3.甘肅怡泉新禾農業科技發展有限公司，甘肅 金昌 737200）

雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）生長發育需要的營養全部來自發酵料[1]，其制備過程分為高溫一次發酵階段和控溫二次發酵階段。發酵料理化性質的優劣會直接影響雙孢蘑菇的產量和品質。長期以來我國雙孢蘑菇栽培料發酵主要采用傳統模式，包括室外自然一次發酵和室內加溫二次發酵，該模式勞動強度大、發酵溫度變化大、培養料品質無法保證，導致生產中病蟲害嚴重、產量和經濟效益較低[2-7]。因此，需要設計一種能控制通風量及培養料發酵溫度的生產設施，以保證培養料好氧發酵，提高發酵料品質，從而大幅提高雙孢蘑菇的產量和品質[3-5,8]。

基于甘肅省河西走廊沿祁連山冷涼區（海拔為2 300 m）的氣候特點，設計適合西北高海拔低溫地區雙孢蘑菇培養料工業化生產的隧道發酵設備。該設備具有通風均勻、供氧量充足、升溫快、保溫效果好、不需輔助加熱的特點。且發酵溫度可精確控制、隧道運行穩定，所生產的發酵料理化指標優良，生產工藝達到國內先進水平，適合雙孢蘑菇培養料工業化生產，具有廣闊的產業化應用前景。

1 基本結構及工作原理

1.1 基本結構

設計的發酵隧道主要包括一次發酵倉、二次發酵倉及輔助設備，應用于雙孢蘑菇培養料的一次高溫發酵與二次控溫發酵。一次發酵設施主要由保溫墻體、高壓送風系統、控制系統組成。二次發酵設施主要由保溫墻體、保溫門、高壓送風系統、控制系統等部份組成。整體設計方案見圖1～圖3。

圖1 發酵隧道正剖面結構Fig.1 Front cross section of fermentation tunnel

圖3 二次發酵隧道側剖面結構Fig.3 Cross section of secondary fermentation tunnel

1.2 工作原理

1.2.1 一次發酵隧道

高壓風機置于隧道末端外的機房內，風機出風口通過風管與分風管連接，分風管與高壓風管相連，風管上均勻安裝高壓風嘴。依靠高壓風機間斷性的運行將室外新鮮空氣（新風）依次通過風管、分風管、高壓風管、高壓風嘴均勻吹進發酵倉內，為發酵倉內培養料的有氧發酵提供充足空氣。控制系統首先檢測培養料溫度的變化，然后對風機發出運行啟停指令。

1.2.2 二次發酵隧道

高壓風機置于隧道頂部，新風過濾器和回風口通過風機連接成為一體，風機出風口通過風管與底部的分風室活動連接，分風室與高壓風管相連，風管上均勻安裝高壓風嘴。依靠高壓風機連續運行將混合風（新風和回風混合）依次通過風管、分風室、高壓風管、高壓風嘴吹進發酵倉內，為發酵倉內培養料的有氧發酵提供充足新鮮空氣。發酵倉內培養料上部的溫度、氧氣傳感器與控制系統連接，通過檢測培養料溫度和含氧量變化，由控制系統對風機轉速、新風閥開度發出指令，控制進風量和混合風比例來調節培養料發酵溫度，滿足二次發酵各階段對不同溫度的需求。

1.3 主要技術參數

一次發酵、二次發酵隧道設計規格、風機配備等主要技術參數見表1。

表1 發酵隧道主要設計技術指標Tab.1 The main technical specification of fermentation tunnel

2 關鍵部位設計與建造

2.1 一次發酵料倉

發酵倉為長方體結構（規格為35.0 m×5.5 m×5.0 m），是一次發酵放置培養料的主體結構，全倉采用封閉設計，設計圖詳見圖1、圖2，設計技術指標詳見表1。

圖2 一次發酵隧道側剖面圖Fig.2 Cross section of primary fermentation tunnel

如圖1、圖2及表1所示，墻體采用混凝土澆筑而成，上下圈梁（即承重橫梁）規格為370 mm×370 mm；構造柱（即墻體中的混凝土柱子）規格為370 mm×370 mm，每5米一根。底板結構為鋼筋混凝土加通氣系統，底部墊層混凝土的厚度為0.1 m，所用混凝土標號為C25，底部墊層上方安裝￠160UPVC管道，為避免擠壓，管道上下方鋪設雙層雙向鋼筋骨架，規格為￠14＠200、￠12＠200；通風管道厚度為0.25 m，加上厚度為0.10 m的墊層，底板總厚度為0.35 m；底板由倉門至后墻形成前低后高、角度為0.5°的斜面。料倉后墻離頂部1 m處開一個通風口（規格為0.6 m×0.6 m×0.6 m）。因西北地區晝夜溫差大，冬季風大，料倉進料口需加裝厚度為0.1 m的聚苯彩鋼板門。

2.2 二次發酵倉

發酵倉為長方體結構（規格為30.0 m×5.0 m×5.0 m），是二次發酵放置培養料的主體結構，全倉采用密閉保溫設計，設計圖詳見圖2、圖3，設計技術指標詳見表1。

如圖2、圖3及表1所示，墻體采用混凝土澆筑，在兩側加聚氨酯板保溫層結構，混凝土厚度為200 mm，聚氨酯板厚度為100 mm。保溫墻體可以避免倉內產生冷凝水溫度和料內溫度劇烈波動的情況。底板結構為鋼筋混凝土加通氣系統，通氣底板上安裝￠200U-PVC管道，管道上下方鋪設雙層雙向鋼筋骨架，鋼筋標號為￠14＠200、￠12＠200；通風管道厚度為0.29 m，加上厚度為0.20 m的墊層，底板總厚度為0.49 m；底板由倉門至后墻形成前低后高、角度為1°的斜面。料倉頂板距離進料口1 m處的中心位置設有排風口（規格為0.6 m×0.6 m×0.6 m），料倉頂板距離出料口1 m處的中心位置設有進風口（規格為0.6 m×0.6 m×0.6 m）。倉門采用厚度為0.1 m的聚苯彩鋼板制作，四周安裝膠條增加密閉性，為前后雙開門設計，進料、出料通過不同的門可有效避免交叉感染的發生。

2.3 地下送風管

地下送風管的作用是為發酵倉均勻提供新鮮空氣（新風）或混合風。風管為直徑160 mm的耐腐蝕U-PVC管，靠近側墻的PVC管與側墻間距為100 mm，風嘴直徑為10 mm；風管兩端安裝可拆卸的封口，定期可沖洗風管內掉入的雜物；風管安裝好后，上部用鋼筋水泥澆筑成整體，漏出風管風嘴，形成直徑為20 mm、深度為20 mm的風嘴槽，便于清洗風嘴，同時防止鏟車碾壓風嘴。地下送風管安裝詳見圖4、圖5。

圖4 地下風管、風嘴安裝圖Fig.4 Underground pipes and nozzles installation

圖5 澆筑后形成的風槽Fig.5 Concreted aeration groove

如圖4、圖5所示，一次發酵隧道地下送風管直接與風機分風管相連。二次發酵隧道地下送風管一端與分風室相連，另一端集中匯集伸進水封井液面1.5 m以下，送風管兩端高度相差100 mm。為了使整個料倉中發酵料的發酵效果一致，需要預埋送風管，送風管中心距離為300 mm，上部間隔200 mm處安裝高壓風嘴，混合風或新風經過分風室后通過送風管均勻從風嘴吹出進入料內，使料內溫度達到均勻一致。

2.4 二次隧道進回風系統

進回風系統主要安裝在機房中，詳見圖6。

圖6 二次發酵隧道送風系統Fig.6 Air handling system of secondary fermentation tunnels

如圖6所示，機房置于料倉頂部，進回風系統主要由高壓風機、電機、通風管道、過濾器、風閥執行器和控制系統組成。倉外新風經過濾器與回風口循環風混合，后經風機出風管進入分風室，從而完成倉內空氣循環，以實現控制料內溫度的作用。其中，高壓風機的風壓必須達到6 000 Pa以上，方能達到“吹透”的作用，否則會出現厭氧發酵和溫度不均的情況。

2.5 控制系統

控制系統是隧道運行實現自動控制的核心，系統設計詳見圖7。

圖7 控制系統簡圖Fig.7 Computer system diagram

如圖7所示，控制系統由控制程序、風閥執行器、溫度和氧氣測量探頭組成，通過檢測料溫和倉內氧氣含量，調節新風和回風閥門，控制進風溫度和含氧量，以保證足氧發酵（含氧量＞9%）的條件，達到控制料溫的目的。

3 試驗與應用

以甘肅省永昌縣新城子鎮（海拔為2 300 m）的雙孢蘑菇生產基地為試驗地，根據以上隧道設計方案，建成9條一次發酵隧道和4條二次發酵隧道，隧道主要設備及控制系統由山東科邁自動化設備有限公司提供并安裝調試。經過隧道發酵工藝優化試驗和生產實踐，該隧道發酵系統運行平穩，發酵溫度控制精確，發酵培養料理化指標優良。

3.1 一次隧道發酵溫度變化

培養料在一次發酵倉內共發酵4次，轉倉時間在進倉后的第4天、第8天、第11天進行，共轉倉3次，一次發酵隧道溫度曲線見圖8。

圖8 一次發酵隧道溫度曲線Fig.8 Temperature curve of primary fermentation tunnel

如圖8所示，進倉和倒倉后，發酵隧道溫度升溫較快，平均每小時升溫1.5℃～2.0℃，經過12 h～18 h料溫可達75℃以上，發酵溫度曲線均處在上升趨勢，表明發酵期間供氧充足。發酵時間為14天左右，其中有7天以上溫度超過75℃，培養料高溫焦糖化反應充足。

3.2 二次隧道發酵溫度變化

一次發酵結束后，倒入二次發酵隧道開始進行控溫發酵，二次發酵隧道溫度曲線見圖9。

如圖9所示，二次發酵各階段料溫、空氣溫度、進風溫度控制得比較理想。平衡階段料溫為47℃～50℃，空氣溫度和進風溫度為35℃～43℃，溫度平穩，表明培養料整體溫度均衡。巴氏滅菌階段料溫為58℃～60℃，進風溫度以及空氣溫度均為56℃～58℃，整體發酵倉內巴氏滅菌溫度達標，沒有殺菌死角。控溫好氧發酵階段，料溫為47℃～49℃，放線菌大量增殖，培養料得到充分發酵，游離的NH3逐漸被吸收消除，且進風溫度和空氣溫度均為45℃～48℃，培養料沒有發酵死角。發酵時間約為7 d，其中控溫發酵時間約為4 d。

圖9 二次發酵隧道溫度曲線Fig.9 Temperature curve of secondary fermentation tunnel

3.3 一次發酵隧道風機運行控制參數

以一次隧道風機開啟時長、停止時長為通風量控制參數，分析通風量對一次發酵溫度變化的影響，提出一次發酵隧道不同發酵階段合理的風機運行控制參數，詳見表2。

表2 一次發酵隧道不同溫度區間風機最佳啟停控制參數Tab.2 Optimum fan set during different temperature zone for primary fermentation tunnel

在夏季7月～8月，外界氣溫為14.7℃～28.5℃時，一次發酵各溫度階段風機啟停時間采用如表2所示進行處理；此時升溫快，每小時升溫1.0℃～1.5℃，最高料溫可達80℃以上（圖8）。

3.4 二次發酵風機轉速控制參數

以二次隧道風機轉速為風機通風量控制參數，分析混合通風量對二次發酵各階段溫度變化的影響，提出二次發酵隧道不同發酵階段合理的風機轉速控制參數，詳見表3。

表3 二次發酵隧道不同階段最佳風機轉速控制參數Tab.3 Optimum fan set during different phase for secondary fermentation tunnel

在夏季7月～8月，外界氣溫為14.7℃～28.5℃時，二次發酵不同發酵階段風機轉速采用如表3所示的處理，此時主要階段溫度變化合理，料倉內各處的料溫、進風溫度、空氣溫度差值小于3℃（圖9）。

3.5 培養料發酵主要理化性狀

對連續發酵的5批培養料主要理化性狀進行化驗分析，結果詳見表4。

表4 培養料發酵過程中理化指標變化Tab.4 Changes of physical and chemical indexes during compost fermentation

如表4所示，各培養料主要理化性狀均符合優質培養料理化指標要求；發酵結束時，培養料的含氮量為2.2%～2.4%、灰分為25%～30%、含水量為67%～69%、pH為7.5～7.8。

3.6 生產應用

將該設施生產的培養料應用于智能控溫菇房，栽培效果見表5。

表5 智能菇房的出菇情況Tab.5 Fruiting situation of intelligent mushroom house

如表5所示，將該設施生產的培養料應用于智能控溫菇房，栽培效果良好，雙孢蘑菇的單位面積產量平均達到25 kg·m-2、商品菇率達到85%以上，栽培周期為58 d～62 d，一間菇房每年可以栽培6輪。

4 結論

為了控制西北高海拔地區培養料的發酵溫度，實現雙孢蘑菇培養料的優質發酵和工業化生產，設計一種適合西北高海拔冷涼地區的雙孢蘑菇隧道發酵設施，發酵設施包括一次發酵隧道和二次發酵隧道，對發酵設施結構組成做出較為詳細的介紹。

所設計的雙孢蘑菇培養料發酵隧道溫度控制精確，發酵溫度曲線合理。一次發酵每小時升溫1.5℃～2.0℃，發酵期間有7 d以上溫度可達到75℃；二次發酵各階段溫度變化合理，平衡階段、巴氏滅菌、培養階段的料溫和進風溫度分別為45℃～49℃、56℃～60℃、45℃～49℃，發酵溫度控制理想。

對發酵隧道風機運行控制參數進行優化研究，提出了一次發酵各溫度階段風機啟停的最佳時間，以及二次發酵各階段風機轉速的控制參數。據此生產的培養料含氮量為2.2%～2.4%、灰分為25%～30%、含水量為67%～69%、pH為7.5～7.8，各項理化指標優良。

將該設施生產的培養料應用于智能菇房內，使雙孢蘑菇的產量達到25 kg·m-2、商品菇率達到85%以上。