白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)的開發(fā)

楊際偉，蔡守平，陳玉珍，陳為雄，何學友

（1.福建省科技廳農牧業(yè)科研中試中心，福建福州 350012；2.福建省林業(yè)科學研究院，福建福州 350012）

白僵菌（Beauveria bassiana）是一種寄主范圍廣、致病力強和環(huán)境適應性強的昆蟲病原真菌，在松毛蟲（Dendrolimusspp.）等重要林業(yè)害蟲的防治中發(fā)揮重要作用。白僵菌易于工業(yè)規(guī)?；a，白僵菌殺蟲劑是目前林業(yè)有害生物防治中應用最廣泛的生物制劑之一，具有廣闊的應用前景[1-3]。

白僵菌的生產工藝有3種，即液體發(fā)酵、固體發(fā)酵和液固雙相發(fā)酵[4]。液固雙相發(fā)酵法運用最多，即通過液體培養(yǎng)獲得白僵菌菌液（菌絲或芽生孢子），接種于固體培養(yǎng)基上進行固態(tài)發(fā)酵。液體培養(yǎng)階段較成熟；固態(tài)發(fā)酵階段多為人工或半機械化方式，受到發(fā)酵基質、發(fā)酵容器和環(huán)境因素等多種因素的影響，且固態(tài)發(fā)酵為開放式培養(yǎng)，存在環(huán)境調控不到位、雜菌污染、發(fā)酵不充分、生產周期長、產孢量低及質量不穩(wěn)定等問題[4]。

本研究根據(jù)白僵菌生長特性及其在發(fā)酵過程中對環(huán)境的調控要求，應用物聯(lián)網（IOT）、云服務等技術，開發(fā)一套白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)。經測試，該系統(tǒng)能對白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程的環(huán)境條件進行及時、準確地監(jiān)測、預警與調控，降低白僵菌污染率，提高產量與品質。該系統(tǒng)的應用有利于提升白僵菌生產效率，促進生產工藝標準化發(fā)展。

1 白僵菌固態(tài)發(fā)酵對環(huán)境因素的要求

白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程受環(huán)境因素影響，常見的環(huán)境因素有溫度和CO2濃度等。

1.1 溫度

白僵菌菌絲的生長釋放大量熱量，改變空氣和固體培養(yǎng)料溫度，溫度的變化又會直接影響菌絲的生長和孢子的形成[5]?？諝夂凸腆w培養(yǎng)料溫度間因熱量的傳遞相互影響。白僵菌固態(tài)發(fā)酵的不同階段對溫度各有要求，適應期為24～26 ℃，快速生長期為27～28 ℃，穩(wěn)定期為28～29 ℃[6]。

1.2 CO2濃度

CO2濃度是研究蟲生真菌固態(tài)發(fā)酵生物特性變化及生產周期、效率等的有效、準確指標[6-7]。白僵菌為好氧蟲生真菌，固態(tài)發(fā)酵過程中會產生大量的CO2，推高發(fā)酵空間CO2濃度。目前，關于CO2對白僵菌固態(tài)發(fā)酵影響的研究鮮有報道。

2 硬件設計與配置

硬件設計需滿足環(huán)境監(jiān)測與調控的要求。白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程需要很高的空氣濕度，配置的元器件需有很好的防水、防銹性能，并需要有效措施解除高濕環(huán)境對元器件的干擾，保持硬件正常運行。對發(fā)酵箱進行創(chuàng)新性設計，滿足結構與容積合理、箱體內部空氣溫度與濕度相對均衡及保濕性能較好的要求。

2.1 物聯(lián)網監(jiān)測設備

物聯(lián)網監(jiān)測設備主要由控制主機與傳感器組成?？刂浦鳈C包括解碼器、可編程邏輯控制器（PLC）和多功能一體觸摸屏等，可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集、轉換和交互以及客戶端指令的解析、下達和反饋（圖1～2）。解碼器采用電源數(shù)據(jù)共線傳輸技術，減少發(fā)酵箱布線；內置Modbus RTU 協(xié)議，支持前端傳感器與環(huán)境調控設備的通信；支持9-24V 低壓開關量控制，滿足散熱扇、鼓風機低壓輸出。傳感器包括空氣溫濕度傳感器、固體培養(yǎng)料溫度傳感器、CO2傳感器和網絡攝像機?？諝鉁貪穸葌鞲衅餍吞枮镠STL-104WS。固體培養(yǎng)料溫度傳感器選用NTC熱敏電阻傳感器（型號：NTCALUG03A103G），不銹鋼封裝，熱導性與耐腐蝕性好[8]。CO2傳感器采用內置式紅外吸收型傳感模塊，內置微型通風扇與時控繼電器相連，通過定時空氣流動去除電子元器件表面結露，解決氣敏型傳感器因高濕結露引起的故障[9]。光照傳感器采用光敏電阻型（型號：HSTL-GZD），易受溫度影響，但通過本系統(tǒng)調控后白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程中的環(huán)境溫度變化幅度小，因而適用性較好。網絡攝像機在JJR-NETCAM-01A 型號基礎上定制近焦高清單反鏡頭，鏡頭具有納米防霧涂層。

圖1 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程物聯(lián)網監(jiān)測設備示意圖Fig.1 Technical structure diagram of IOT monitoring equipments for B.bassiana solid-state fermentation

PLC支持遠程編程，實現(xiàn)云端編寫控制器程序。多功能一體觸摸屏對接云服務器，支持云透傳，方便設備遠程檢修與固件升級；采用js技術，實現(xiàn)本地與遠程客戶端操作界面同步，提高便捷性與用戶體驗。

圖2 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程物聯(lián)網監(jiān)測設備與固態(tài)發(fā)酵箱Fig.2 IOT monitoring equipment and tank for B.bassiana solid-state fermentation

2.2 固態(tài)發(fā)酵箱

發(fā)酵箱結構相對密封，保溫、保濕性能較好，長寬高為1.5 m×0.8 m×2.3 m，箱內左右兩列配備不銹鋼或塑料材質培養(yǎng)盤，每列10 個，培養(yǎng)盤底部均勻打孔。將傳感器、網絡攝像機、散熱扇和鼓風機安裝在發(fā)酵箱中。發(fā)酵箱內部的上部中間裝入雙渦輪鼓風機，頂板開孔安裝散熱扇，不啟動時由百葉封閉。發(fā)酵箱內部上、中和下3 個位置各安裝1組傳感器，每組傳感器包括1 個固體培養(yǎng)料溫度傳感器（置于培養(yǎng)盤中，關聯(lián)散熱扇）和1 個CO2濃度傳感器（懸空掛，關聯(lián)鼓風機）。發(fā)酵箱內部中部安裝網絡攝像機。物聯(lián)網智能監(jiān)測設備的主機安裝在發(fā)酵箱外側，發(fā)酵室內安裝空氣溫濕度傳感器，關聯(lián)溫控設備。

2.3 環(huán)境監(jiān)控指標與方法

因為發(fā)酵箱結構相對密封，在短期固態(tài)發(fā)酵過程中，空氣濕度處于飽和狀態(tài)，不需要監(jiān)測。固態(tài)發(fā)酵過程升溫快速，空氣溫度監(jiān)測相對滯后，影響內部調控，不再監(jiān)測發(fā)酵箱空氣溫度。白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程中一直保持黑暗狀態(tài)。

基于上述分析，確定發(fā)酵室空氣溫度與濕度、發(fā)酵箱固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度4 個環(huán)境參數(shù)作為環(huán)境監(jiān)測指標。

固態(tài)發(fā)酵箱放置于發(fā)酵室，發(fā)酵室內的溫控設備監(jiān)測發(fā)酵室空氣溫度與濕度，用于調整大環(huán)境中的影響因素。物聯(lián)網監(jiān)測設備監(jiān)測固態(tài)發(fā)酵箱內CO2濃度和固體培養(yǎng)料溫度，用于調整或研究小環(huán)境中的影響因素。經發(fā)酵試驗測試，空氣溫度與固體培養(yǎng)料溫度在30 min 內波動幅度較小（≤5%），因此各監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集頻率設定為1次∕30 min。

3 技術系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)構架

遵從感知、傳輸和應用的3 層物聯(lián)網技術架構設計。通過前端傳感設備采集白僵菌生產環(huán)境的關鍵參數(shù)，數(shù)據(jù)經轉換后集中定時傳輸，由云管理平臺存儲并分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程預警與環(huán)境調控管理（圖3）。

圖3 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警示意圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

3.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)為固態(tài)發(fā)酵過程中的智能調控云管理系統(tǒng)（簡稱云管理系統(tǒng)），包括電腦客戶端web 版軟件與手機微信小程序。

軟件設計遵循通用邏輯。系統(tǒng)開發(fā)操作系統(tǒng)平臺為Windows XP∕7∕10，服務器操作系統(tǒng)為Cen?teOS 7.6。文件存儲使用阿里OSS，支持多種類型圖片轉換預處理，保障用戶在線及時瀏覽圖片。服務端編程語言使用Java。系統(tǒng)開發(fā)關鍵邏輯層技術有：后端采用SpringBoot 技術，解決大量框架的版本沖突與不穩(wěn)定問題[10]；管理端操作頁面與PC 端編程語言采用Vue JavaScript 框架；UI 框架采用基于Vue 2.0 的Elementui；物聯(lián)網設備數(shù)據(jù)對接與指令控制采用Empx 服務；小程序采用uni-app 框架。系統(tǒng)開發(fā)層結構與部署層結構如圖4 和圖5 所示，系統(tǒng)客戶端應用模塊結構如圖6所示。

圖4 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)開發(fā)層結構示意圖Fig.4 Structure diagram of development layer of intelli?gent monitoring and warning system for B.bassiana solidstate fermentation

圖5 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)部署層結構示意圖Fig.5 Structure diagram of deployment layer of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

圖6 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)功能模塊示意圖Fig.6 Structure diagram of functional modules of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

用戶界面主要操作功能有實時在線查看監(jiān)測數(shù)據(jù)、接收預警信息、調閱及下載歷史數(shù)據(jù)、在線分析數(shù)據(jù)及遠程下達調控指令等。同時具備用戶管理、設備管理和數(shù)據(jù)庫安全備份等功能（圖7）。

圖7 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)PC端與微信小程序界面Fig.7 Interfaces of PC and WeChat mini program of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

4 系統(tǒng)測試

在發(fā)酵室中開展對比試驗。設置兩個發(fā)酵箱，分別為不裝備物聯(lián)網監(jiān)控設備（1 號箱）和裝備并開啟物聯(lián)網監(jiān)控設備（2號箱）。2號箱內，當上部與下部CO2濃度差大于200 ppm 時，鼓風機啟動；當固體培養(yǎng)料溫度超過30 ℃時，散熱扇啟動。菌種為球孢白僵菌（Beauveria bassianaBbFZ-51）菌株，由福建省林業(yè)科學研究院森林保護研究所提供。固體培養(yǎng)料由麥麩和谷殼組成，經水高壓蒸汽滅菌處理。發(fā)酵室、發(fā)酵箱與培養(yǎng)盤使用前均預消毒。監(jiān)測96 h內發(fā)酵室和固體培養(yǎng)料溫度及CO2濃度情況。

4.1 固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度變化情況

0 ～ 24 h，固體培養(yǎng)料溫度變化緩慢，與發(fā)酵室溫度基本一致；24 ～ 60 h，固體培養(yǎng)料溫度快速升高，說明此階段白僵菌增殖快，代謝產生的熱量快速積累，50 h 左右達到頂峰；60 ～ 96 h，固體培養(yǎng)料溫度緩慢下降，培養(yǎng)盤表面出現(xiàn)大量白色菌絲，說明此階段為菌絲快速生長期（圖8a～b）。這與李尊華等[6]的研究結果基本一致。CO2濃度也呈現(xiàn)出相同的階段性變化規(guī)律（圖8c ～ d）。CO2濃度反映白僵菌繁殖過程呼吸代謝強度，與溫度變化有直接的相關性。

在48～60 h 高峰階段，1 號發(fā)酵箱上、中和下層的固體培養(yǎng)料最高溫度分別為30.2、31.2和26.0 ℃，呈現(xiàn)明顯的溫度梯度（圖8a）；上層CO2濃度最高值為6 662 ppm，下層CO2濃度最高值為3 395 ppm，為兩條差異明顯的曲線（圖8c）。2 號發(fā)酵箱上、中和下層的固體培養(yǎng)料溫度變化基本一致（圖8b），上、下層CO2濃度變化曲線也接近一致（圖8d）。說明開啟空氣內循環(huán)與散熱系統(tǒng)，能有效地交換發(fā)酵箱內上、下層氣體與熱量，使箱內溫度（或熱量）與CO2濃度均勻。鼓風機通過自上而下的氣體循環(huán)管道將頂部空氣交換至發(fā)酵柜底部，并左右分流。

4.2 空氣循環(huán)對白僵菌固態(tài)發(fā)酵質量的影響

2 號發(fā)酵箱上、下層固體培養(yǎng)料中的白僵菌菌絲生長較為均勻，呈現(xiàn)均勻的乳白色；1 號發(fā)酵箱下層培養(yǎng)盤中的白僵菌菌絲生長不均勻，多盤邊緣沒有布滿菌絲，露出固體培養(yǎng)料（圖9）。說明均勻的空氣溫度與CO2濃度能促進白僵菌均勻生長，有利于生產標準化。

圖9 開啟空氣內循環(huán)與散熱系統(tǒng)的優(yōu)化效果Fig.9 Optimization effect of turning on air internal circulation and heat dissipation system

5 討論

白僵菌生產方式有袋式或淺盤式等粗放生產方式，勞動強度大，生產效率低；或填充床式、脈動發(fā)酵罐式等方式[11-12]，需較高資本投入；這些生產方式制約了白僵菌產品的推廣應用。新研發(fā)的白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測預警系統(tǒng)能提高信息化與智能調控水平。通過合理設計發(fā)酵空間與發(fā)酵密度，實現(xiàn)準確監(jiān)測發(fā)酵室空氣溫度、固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度等生產環(huán)境參數(shù)；通過空氣內循環(huán)與散熱系統(tǒng)有效改善箱體內熱量與CO2氣體均勻度，有利于提高白僵菌生產工藝標準化水平。

固體培養(yǎng)料中的水分含量是白僵菌固態(tài)發(fā)酵階段影響因子之一。本團隊曾嘗試用土壤水分傳感器監(jiān)測固體培養(yǎng)料水分變化，但由于土壤與固體培養(yǎng)料成分的理化性質完全不同，土壤水分傳感器并不適用于固體培養(yǎng)料，監(jiān)測數(shù)據(jù)失真，今后可研究適用于監(jiān)測固體培養(yǎng)料水分含量的傳感器。有研究表明CO2影響真菌的生長[7,13]，CO2濃度的調控區(qū)間需通過進一步試驗論證。有研究表明，用日光燈連續(xù)光照比間歇光照有利于白僵菌產孢，產孢量提高96.89%[6]。本系統(tǒng)所設計的光照強度傳感器可用于研究不同光照強度對白僵菌固態(tài)發(fā)酵的影響。本系統(tǒng)在固態(tài)發(fā)酵結束后，可繼續(xù)用于白僵菌產孢生產（已初步試驗驗證），產孢階段的環(huán)境因素調控方式及產孢率可在今后進一步論證與優(yōu)化。