高海拔地區(qū)雙孢蘑菇培養(yǎng)料發(fā)酵隧道設(shè)計、建造與應(yīng)用*

任愛民，張德寶，朱子雄，耿新軍，王曉巍**

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

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

基于甘肅省河西走廊沿祁連山冷涼區(qū)（海拔為2 300 m）的氣候特點，設(shè)計適合西北高海拔低溫地區(qū)雙孢蘑菇培養(yǎng)料工業(yè)化生產(chǎn)的隧道發(fā)酵設(shè)備。該設(shè)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(fā)酵溫度可精確控制、隧道運行穩(wěn)定，所生產(chǎn)的發(fā)酵料理化指標優(yōu)良，生產(chǎn)工藝達到國內(nèi)先進水平，適合雙孢蘑菇培養(yǎng)料工業(yè)化生產(chǎn)，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

設(shè)計的發(fā)酵隧道主要包括一次發(fā)酵倉、二次發(fā)酵倉及輔助設(shè)備，應(yīng)用于雙孢蘑菇培養(yǎng)料的一次高溫發(fā)酵與二次控溫發(fā)酵。一次發(fā)酵設(shè)施主要由保溫墻體、高壓送風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。二次發(fā)酵設(shè)施主要由保溫墻體、保溫門、高壓送風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部份組成。整體設(shè)計方案見圖1～圖3。

圖1 發(fā)酵隧道正剖面結(jié)構(gòu)Fig.1 Front cross section of fermentation tunnel

圖3 二次發(fā)酵隧道側(cè)剖面結(jié)構(gòu)Fig.3 Cross section of secondary fermentation tunnel

1.2 工作原理

1.2.1 一次發(fā)酵隧道

高壓風機置于隧道末端外的機房內(nèi)，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(fā)酵倉內(nèi)，為發(fā)酵倉內(nèi)培養(yǎng)料的有氧發(fā)酵提供充足空氣?？刂葡到y(tǒng)首先檢測培養(yǎng)料溫度的變化，然后對風機發(fā)出運行啟停指令。

1.2.2 二次發(fā)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(xù)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(fā)酵倉內(nèi)，為發(fā)酵倉內(nèi)培養(yǎng)料的有氧發(fā)酵提供充足新鮮空氣。發(fā)酵倉內(nèi)培養(yǎng)料上部的溫度、氧氣傳感器與控制系統(tǒng)連接，通過檢測培養(yǎng)料溫度和含氧量變化，由控制系統(tǒng)對風機轉(zhuǎn)速、新風閥開度發(fā)出指令，控制進風量和混合風比例來調(diào)節(jié)培養(yǎng)料發(fā)酵溫度，滿足二次發(fā)酵各階段對不同溫度的需求。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

一次發(fā)酵、二次發(fā)酵隧道設(shè)計規(guī)格、風機配備等主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)酵隧道主要設(shè)計技術(shù)指標Tab.1 The main technical specification of fermentation tunnel

2 關(guān)鍵部位設(shè)計與建造

2.1 一次發(fā)酵料倉

發(fā)酵倉為長方體結(jié)構(gòu)（規(guī)格為35.0 m×5.5 m×5.0 m），是一次發(fā)酵放置培養(yǎng)料的主體結(jié)構(gòu)，全倉采用封閉設(shè)計，設(shè)計圖詳見圖1、圖2，設(shè)計技術(shù)指標詳見表1。

圖2 一次發(fā)酵隧道側(cè)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(guī)格為370 mm×370 mm；構(gòu)造柱（即墻體中的混凝土柱子）規(guī)格為370 mm×370 mm，每5米一根。底板結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土加通氣系統(tǒng)，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(shè)雙層雙向鋼筋骨架，規(guī)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(guī)格為0.6 m×0.6 m×0.6 m）。因西北地區(qū)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(fā)酵倉

發(fā)酵倉為長方體結(jié)構(gòu)（規(guī)格為30.0 m×5.0 m×5.0 m），是二次發(fā)酵放置培養(yǎng)料的主體結(jié)構(gòu)，全倉采用密閉保溫設(shè)計，設(shè)計圖詳見圖2、圖3，設(shè)計技術(shù)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(cè)加聚氨酯板保溫層結(jié)構(gòu)，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(nèi)產(chǎn)生冷凝水溫度和料內(nèi)溫度劇烈波動的情況。底板結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土加通氣系統(tǒng)，通氣底板上安裝￠200U-PVC管道，管道上下方鋪設(shè)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(shè)有排風口（規(guī)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(shè)有進風口（規(guī)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(shè)計，進料、出料通過不同的門可有效避免交叉感染的發(fā)生。

2.3 地下送風管

地下送風管的作用是為發(fā)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(cè)墻的PVC管與側(cè)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(nèi)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(fā)酵隧道地下送風管直接與風機分風管相連。二次發(fā)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(fā)酵料的發(fā)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(jīng)過分風室后通過送風管均勻從風嘴吹出進入料內(nèi)，使料內(nèi)溫度達到均勻一致。

2.4 二次隧道進回風系統(tǒng)

進回風系統(tǒng)主要安裝在機房中，詳見圖6。

圖6 二次發(fā)酵隧道送風系統(tǒng)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(tǒng)主要由高壓風機、電機、通風管道、過濾器、風閥執(zhí)行器和控制系統(tǒng)組成。倉外新風經(jīng)過濾器與回風口循環(huán)風混合，后經(jīng)風機出風管進入分風室，從而完成倉內(nèi)空氣循環(huán)，以實現(xiàn)控制料內(nèi)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(xiàn)厭氧發(fā)酵和溫度不均的情況。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是隧道運行實現(xiàn)自動控制的核心，系統(tǒng)設(shè)計詳見圖7。

圖7 控制系統(tǒng)簡圖Fig.7 Computer system diagram

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

3 試驗與應(yīng)用

以甘肅省永昌縣新城子鎮(zhèn)（海拔為2 300 m）的雙孢蘑菇生產(chǎn)基地為試驗地，根據(jù)以上隧道設(shè)計方案，建成9條一次發(fā)酵隧道和4條二次發(fā)酵隧道，隧道主要設(shè)備及控制系統(tǒng)由山東科邁自動化設(shè)備有限公司提供并安裝調(diào)試。經(jīng)過隧道發(fā)酵工藝優(yōu)化試驗和生產(chǎn)實踐，該隧道發(fā)酵系統(tǒng)運行平穩(wěn)，發(fā)酵溫度控制精確，發(fā)酵培養(yǎng)料理化指標優(yōu)良。

3.1 一次隧道發(fā)酵溫度變化

培養(yǎng)料在一次發(fā)酵倉內(nèi)共發(fā)酵4次，轉(zhuǎn)倉時間在進倉后的第4天、第8天、第11天進行，共轉(zhuǎn)倉3次，一次發(fā)酵隧道溫度曲線見圖8。

圖8 一次發(fā)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(fā)酵隧道溫度升溫較快，平均每小時升溫1.5℃～2.0℃，經(jīng)過12 h～18 h料溫可達75℃以上，發(fā)酵溫度曲線均處在上升趨勢，表明發(fā)酵期間供氧充足。發(fā)酵時間為14天左右，其中有7天以上溫度超過75℃，培養(yǎng)料高溫焦糖化反應(yīng)充足。

3.2 二次隧道發(fā)酵溫度變化

一次發(fā)酵結(jié)束后，倒入二次發(fā)酵隧道開始進行控溫發(fā)酵，二次發(fā)酵隧道溫度曲線見圖9。

如圖9所示，二次發(fā)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(wěn)，表明培養(yǎng)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(fā)酵倉內(nèi)巴氏滅菌溫度達標，沒有殺菌死角?？販睾醚醢l(fā)酵階段，料溫為47℃～49℃，放線菌大量增殖，培養(yǎng)料得到充分發(fā)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(yǎng)料沒有發(fā)酵死角。發(fā)酵時間約為7 d，其中控溫發(fā)酵時間約為4 d。

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

3.3 一次發(fā)酵隧道風機運行控制參數(shù)

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

表2 一次發(fā)酵隧道不同溫度區(qū)間風機最佳啟停控制參數(shù)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(fā)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(fā)酵風機轉(zhuǎn)速控制參數(shù)

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

表3 二次發(fā)酵隧道不同階段最佳風機轉(zhuǎn)速控制參數(shù)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(fā)酵不同發(fā)酵階段風機轉(zhuǎn)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(nèi)各處的料溫、進風溫度、空氣溫度差值小于3℃（圖9）。

3.5 培養(yǎng)料發(fā)酵主要理化性狀

對連續(xù)發(fā)酵的5批培養(yǎng)料主要理化性狀進行化驗分析，結(jié)果詳見表4。

表4 培養(yǎng)料發(fā)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(yǎng)料主要理化性狀均符合優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)料理化指標要求；發(fā)酵結(jié)束時，培養(yǎng)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(chǎn)應(yīng)用

將該設(shè)施生產(chǎn)的培養(yǎng)料應(yīng)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(shè)施生產(chǎn)的培養(yǎng)料應(yīng)用于智能控溫菇房，栽培效果良好，雙孢蘑菇的單位面積產(chǎn)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(jié)論

為了控制西北高海拔地區(qū)培養(yǎng)料的發(fā)酵溫度，實現(xiàn)雙孢蘑菇培養(yǎng)料的優(yōu)質(zhì)發(fā)酵和工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)計一種適合西北高海拔冷涼地區(qū)的雙孢蘑菇隧道發(fā)酵設(shè)施，發(fā)酵設(shè)施包括一次發(fā)酵隧道和二次發(fā)酵隧道，對發(fā)酵設(shè)施結(jié)構(gòu)組成做出較為詳細的介紹。

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

對發(fā)酵隧道風機運行控制參數(shù)進行優(yōu)化研究，提出了一次發(fā)酵各溫度階段風機啟停的最佳時間，以及二次發(fā)酵各階段風機轉(zhuǎn)速的控制參數(shù)。據(jù)此生產(chǎn)的培養(yǎng)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(yōu)良。

將該設(shè)施生產(chǎn)的培養(yǎng)料應(yīng)用于智能菇房內(nèi)，使雙孢蘑菇的產(chǎn)量達到25 kg·m-2、商品菇率達到85%以上。