袋栽食用菌液體菌種接種裝備研發(fā)與試驗(yàn)研究

徐名漢 黃允魁 陳月鋒 丁瑞鋒 景全榮 申文龍 趙 博 陳凱康

摘 要： 目前，國內(nèi)袋栽食用菌液體菌種接種方式以人工和半自動(dòng)機(jī)接種為主，生產(chǎn)效率較低、接種量精度較差、故障率高，尚未達(dá)到袋栽食用菌工廠化生產(chǎn)的要求。針對(duì)袋栽食用菌液體接種定位難、接種效率低、設(shè)備故障率高等問題，研發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸、定位、夾緊、壓瓶、開蓋、噴射接種、壓蓋、檢測(cè)和輸送等工序的袋栽食用菌液體接種裝備，可完成全自動(dòng)連續(xù)液體菌種接種。該裝備可有效減少人工作業(yè)強(qiáng)度，也可避免開閉蓋時(shí)間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種的自動(dòng)化接種。試驗(yàn)結(jié)果表明，接種能力≥3 236棒/h，平均3 256 棒/h（>3 000 棒/h）；接種量一致性變異系數(shù)≤1.9%，平均1.72%（<2%）；試驗(yàn)工作56 h（MTBF>50 h）未發(fā)生故障；試驗(yàn)打孔深度56.3～57.8 mm，平均值57.33 mm；試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度方面的故障和問題，說明機(jī)械部分設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：袋栽；食用菌；接種裝備；液體菌種；打孔裝置；噴射裝置

中圖分類號(hào)：S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）11-0085-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.015

0 引言

目前，我國袋栽食用菌生產(chǎn)總量居全球首位，但袋栽食用菌的生產(chǎn)裝備和技術(shù)實(shí)力較發(fā)達(dá)國家仍存在差距[1-3]。袋栽食用菌栽培生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一為接種。食用菌有液體菌種和固體菌種兩種形式，液體菌種因具有菌絲發(fā)育快、適合機(jī)械化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)成為食用菌行業(yè)的菌種發(fā)展方向[4-5]。自動(dòng)化液體菌種接種機(jī)械國內(nèi)尚屬空白，香菇、平菇、黑木耳液體菌種接種大都靠人工或半機(jī)械化進(jìn)行。開發(fā)可靠高效的袋栽食用菌液體菌種接種裝備是當(dāng)務(wù)之急[6-7]。

在袋栽食用菌液體菌種接種裝備研發(fā)方面，日韓和歐美國家在食用菌工廠化生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)了混料、發(fā)酵、接種、覆土、噴水、采菇及清床過程的機(jī)械化，主要環(huán)境因素可遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)[8-9]。日本北研株式會(huì)社、森產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社和食用菌中心是著名的食用菌生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)，其在食用菌栽培技術(shù)裝備研究方面處于國際領(lǐng)先水平。韓國通過創(chuàng)新研發(fā)與改進(jìn)，形成了食用菌規(guī)模化生產(chǎn)工廠，韓國平昌郡建成韓國最大的食用菌生產(chǎn)基地。

我國對(duì)于液體菌種工廠化生產(chǎn)技術(shù)和裝備的研究起步較晚， 并且整體食用菌工廠規(guī)模仍相對(duì)較小[10-14]。在生產(chǎn)裝備方面，連云港國鑫食用菌成套設(shè)備有限公司研制出 GXJZ-Y 型液體菌種自動(dòng)接種機(jī)，可以完成開蓋、接種和壓蓋等一系列作業(yè)工序。但目前國內(nèi)使用較多的仍然是半機(jī)械或半自動(dòng)化裝備，液體菌種接種技術(shù)及裝備仍無法達(dá)到食用菌工廠化生產(chǎn)的需求[15-18]。因此，國內(nèi)急需研究開發(fā)適宜工廠化袋栽食用菌液體菌種自動(dòng)接種的生產(chǎn)技術(shù)與裝備。

本研究設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸、定位、夾緊、壓瓶、開蓋、噴射接種、壓蓋、檢測(cè)和輸送等工序的袋栽食用菌液體菌種接種裝備，可有效減少人工作業(yè)強(qiáng)度，避免開閉蓋時(shí)間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種的自動(dòng)化接種。

1 總體方案

1.1 接種孔數(shù)量和孔距確定

根據(jù)市場調(diào)研情況，選擇菌袋尺寸（折徑×長度）17 cm×51 cm， 充填扎口后尺寸（ 直徑×長度）108 mm×420 mm。根據(jù)香菇等食用菌工藝，一般在菌棒上打4～5 個(gè)接種孔，常規(guī)4 個(gè)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，本裝備確定4 個(gè)接種孔，端部2 個(gè)接種孔應(yīng)盡量靠近端口，防止端口雜菌的侵入繁殖，但離端部近不利于機(jī)械打孔和后期貼膜，因?yàn)槎瞬康氖湛?，使端部形狀成為圓錐形。綜合考慮暫定種穴分布尺寸如圖1 所示。

1.2 種穴深度確定

種穴深度決定菌種接種面積和分布，將會(huì)影響菌種在菌棒中的菌絲生長分布。按照菌絲生長路徑物理長度核算，對(duì)于直徑108 mm 的菌棒來講，打孔深度應(yīng)58 mm 左右。

1.3 香菇液體菌種接種機(jī)整體布置設(shè)計(jì)

按照接種效率3 000 棒/h 的要求，單個(gè)菌種接種時(shí)間僅有1.2 s/棒，在如此短的時(shí)間內(nèi)要完成單個(gè)菌種輸送、打孔、接種和貼膜功能是非常困難的。試驗(yàn)研究，如果4 棒同時(shí)喂入， 4.8 s 內(nèi)可以解決這一問題。結(jié)合每棒需要4 孔接種，則打孔、接種、貼膜需要16 個(gè)工作部件同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)情況，采用壓力平衡罐連接16 個(gè)接種頭的方案可行，噴液量（接種量）大小完全可以控制，但要完成打孔、接種、貼膜等工序，接種頭左右移動(dòng)不方便整體布置，借鑒壓力平衡罐連接16 個(gè)接種頭方案，將左右移動(dòng)更改成上下移動(dòng)，左右布置打孔頭和貼膜裝置。簡化接種裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用氣動(dòng)，機(jī)械與PLC 控制結(jié)合，配以光電傳感、磁性傳感和激光測(cè)距等傳感元件，形成一線布置。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，完成了袋栽香菇接種機(jī)整體布局三維設(shè)計(jì)及樣機(jī)試制工作，如圖2 所示。

2 系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

2.1 菌棒輸送排隊(duì)裝置

菌棒輸送采用膠帶傳輸，考慮各工序配合，將輸送膠帶采用3 級(jí)傳送，膠帶速度采用變頻調(diào)速，膠帶輸送方案如圖3 所示。

無論人工或機(jī)械上料，4 個(gè)菌棒不可能整齊歸一，為節(jié)約輸送排隊(duì)輔助時(shí)間，流程上需要增加一個(gè)打孔等待工序，打孔、接種、貼膜工作時(shí)，排隊(duì)工序已將定位好的4 個(gè)菌棒等待進(jìn)入，為防止個(gè)別菌棒沒有對(duì)齊，排隊(duì)工位采用全通道光電檢測(cè)智能識(shí)別，對(duì)每個(gè)菌棒到達(dá)位置進(jìn)行檢測(cè)，4 個(gè)菌棒同時(shí)到達(dá)指定位置，菌棒前端定位對(duì)齊（圖4），4 通道光電同時(shí)有信號(hào)，在得到放行指令后，定位板才能提升至上位，對(duì)菌棒放行，保證4 個(gè)菌棒同步進(jìn)入打孔工序。排隊(duì)過程如圖5 所示。

2.2 多組位復(fù)合式打孔技術(shù)與裝備

16 個(gè)打孔沖頭為圓柱形，打孔時(shí)如不加以固定，打孔受力時(shí)極易發(fā)生偏移和錯(cuò)位，仿人工固定，將打孔沖頭固定在一個(gè)平板上，和氣缸連接做上下移動(dòng)，滿足打孔和接種要求。由于菌棒為打孔前先行固定，然后打孔，因此打孔裝備需要對(duì)打孔沖頭外形尺寸和固定板形狀進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.2.1 打孔沖頭設(shè)計(jì)方案

（1）采用外套筒直徑26 mm、內(nèi)桿直徑18 mm 組合，外套筒先行切割菌袋固定，內(nèi)桿再進(jìn)行打孔作業(yè)?？讖捷^大，有毛邊，切割力較大，并且外套筒回位時(shí)，帶起菌棒，有時(shí)會(huì)發(fā)生菌棒偏移，影響接種頭的對(duì)孔性。

（2）采用外套筒直徑20 mm、內(nèi)桿直徑15 mm 組合，外套筒內(nèi)邊倒角，形成刃口先行切割菌袋固定，然后內(nèi)桿打孔。外孔徑適中，孔型較小，外套筒刃口對(duì)菌棒薄膜有切割作用，孔口光滑。但外套筒回位時(shí)仍能造成菌棒偏移現(xiàn)象發(fā)生。

（3）將外套筒改制成菌棒上表面仿形扶持機(jī)構(gòu)，內(nèi)桿直徑19 mm，并且設(shè)計(jì)出錐面，仿形扶持機(jī)構(gòu)扶在菌棒表面，確保菌棒在打孔過程中不發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)偏移。內(nèi)桿直接打孔，孔口適中，內(nèi)桿回位出菌棒后，扶持機(jī)構(gòu)再放行回位，未出現(xiàn)菌棒帶起現(xiàn)象，但出現(xiàn)菌棒受力側(cè)向變形。

（4）進(jìn)一步改進(jìn)第3 種方案，在打孔和接種工位兩側(cè)同時(shí)增加氣動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，保證菌棒受壓過程中不向兩側(cè)膨脹，避免發(fā)生變形。打孔沖頭設(shè)計(jì)方案如圖6 所示，打孔效果如圖7 所示。

2.2.2 參數(shù)確定

孔距120 mm、距外端30 mm、孔深65 mm，考慮基料反彈；經(jīng)打孔試驗(yàn)，最終確定孔徑Ф20 mm。為避免薄膜整片切斷壓入孔底，采用實(shí)心孔針+弧形壓板孔前先行定位，減少菌棒變形及徑向偏移。打孔沖頭和打孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8 和圖9 所示。

2.3 多組定量噴射裝置接種機(jī)構(gòu)

接種裝置分別由定位系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成，菌棒輸送到接種工位后，采取與打孔工位相同的定位方式，以保證接種噴頭插入后與菌棒打好的孔洞保持同心，以免接種噴頭與培養(yǎng)基料接觸，發(fā)生感染。接種裝置上方菌液緩沖壓力罐，接種時(shí)分布式釋放接種壓力，保證接種量的均勻性，接種裝置可一次完成4 棒16 孔均勻噴射接種，三維布置如圖10 所示。在樣機(jī)調(diào)試過程中對(duì)不同接種時(shí)間、不同接種壓力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，優(yōu)化出了最優(yōu)接種參數(shù)：接種時(shí)間0.25 s、接種壓力0.20 MPa。

2.4 多工位貼膜裝置

菌棒完成接種后，為防止在搬運(yùn)裝箱過程中基料從接種孔中散落，需要對(duì)多接種孔位進(jìn)行貼膜覆蓋，貼膜覆蓋后，在貼膜機(jī)構(gòu)出口端設(shè)置浮動(dòng)輥組，使薄膜與菌棒表面進(jìn)一步黏合，防止在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中薄膜脫落。

貼膜機(jī)構(gòu)采用技術(shù)較為成熟的伺服貼標(biāo)機(jī)經(jīng)改進(jìn)后形成適合菌棒孔穴貼膜的新機(jī)構(gòu)。貼膜機(jī)構(gòu)受結(jié)構(gòu)尺寸限制，不能4 組貼膜機(jī)并排，采用每2 組前后錯(cuò)位布置，形成4 組貼膜系統(tǒng)，如圖11 所示。貼膜技術(shù)難點(diǎn)在于檢測(cè)孔穴位置和多組孔位連續(xù)貼膜。

第1 次采用激光光纖探頭檢測(cè)菌棒端部位置，通過算法計(jì)算出菌棒第1 個(gè)孔穴位置，以及后面3 個(gè)孔穴位置，但由于端部封邊位置出現(xiàn)的不規(guī)則，造成檢測(cè)誤判，影響貼膜的準(zhǔn)確性。

經(jīng)改進(jìn)，將激光光纖探頭前置到貼膜機(jī)構(gòu)前面，檢測(cè)第1 個(gè)孔穴出現(xiàn)后預(yù)置延時(shí)指令貼膜，基本上解決了貼膜的準(zhǔn)確性。由于每棒中的孔距一定，第1 個(gè)貼膜后，僅靠延時(shí)控制就能準(zhǔn)確發(fā)出其余3 個(gè)貼膜指令。

貼膜設(shè)置菌棒高度仿形機(jī)構(gòu)，如圖12 所示，根據(jù)不同菌棒高度自動(dòng)仿形調(diào)整貼膜位置。

2.5 系統(tǒng)綜合智能PLC 控制系統(tǒng)

采用西門子S7-1200 系列PLC 作為系統(tǒng)主控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)、氣缸）的邏輯控制等，如圖13 和圖14 所示。

控制信號(hào)來自光電傳感信號(hào)、磁性傳感信號(hào)、延時(shí)信號(hào)和激光光纖信號(hào)等，執(zhí)行元器件為氣缸、電磁閥、氣動(dòng)閥、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)和觸摸屏等。

3 接種參數(shù)試驗(yàn)

3.1 液體菌種接種量及控制試驗(yàn)臺(tái)接種試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，探索袋栽香菇液體菌種接種機(jī)打孔、接種、貼膜工藝路線，進(jìn)行了不同接種壓力、不同接種時(shí)間工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示。接種優(yōu)化參數(shù)：接種時(shí)間0.25 s、接種壓力0.20 MPa。

3.2 樣機(jī)裝配和調(diào)試試驗(yàn)

完成袋栽香菇接種裝備的整臺(tái)樣機(jī)試制裝配和工況調(diào)試工作后，對(duì)整機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。由于整機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)配備的主進(jìn)氣管路直徑Φ 8 mm，聯(lián)動(dòng)開機(jī)時(shí)氣路供氣不足，氣缸出現(xiàn)乏力，后將主氣路管徑增大至Φ 10 mm 后， 各工序工作正常，通過對(duì)控制延時(shí)，氣缸節(jié)氣閥調(diào)整，各工序動(dòng)作時(shí)間疊加等邏輯控制時(shí)長的調(diào)整和優(yōu)化，在壓縮空氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在0.78 MPa情況下，峰值接種效率達(dá)到了3 520 棒/h，其接種量均勻性、貼膜準(zhǔn)確性基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2022 年10 月，進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)和性能穩(wěn)定性試驗(yàn)，如圖16 所示。

對(duì)打孔深度、接種能力、接種效率、接種量一致性及平均無故障工作時(shí)間等接種裝備關(guān)鍵工作參數(shù)和工作穩(wěn)定性，進(jìn)行了大量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2、表3 和表4 所示。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果：接種裝備接種能力≥3 236 棒/h，平均3 256 棒/h（>3 000 個(gè)/h）；接種量一致性變異系數(shù)≤1.9%，平均1.72%（<2%）；試驗(yàn)工作56 h（ MTBF>50 h） ， 未發(fā)生故障； 打孔深度56.3～57.8 mm，平均值57.33 mm；試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本研究可有效減少人工作業(yè)強(qiáng)度，也可避免開閉蓋時(shí)間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)袋栽食用菌液體菌的自動(dòng)化接種。在試驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度方面的故障和問題，說明機(jī)械部分設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

王溢洋，張國慶，秦嶺，等．塊菌人工栽培現(xiàn)狀及菌根苗培育方法的研究進(jìn)展[J]．微生物學(xué)通報(bào)，2023，50（3）：1 245-1 264．

WANG Yiyang， ZHANG Guoqing， QIN Ling， et al． Current statusof artificial cultivation of truffles and research progress on preparationmethods of seedlings with truffle mycorrhiza[J]． Microbiology China，2023，50（3）：1 245-1 264．

鄭秋樺，聶國添，曾松榮，等．固態(tài)發(fā)酵食用菌渣生產(chǎn)蛋白飼料的工藝優(yōu)化研究[J]．飼料研究，2022，45（19）：84-88．

ZHENG Qiuhua， NIE Guotian， ZENG Songrong， et al． Study onprocess optimization of solid-state fermentation of edible fungus residueto produce protein feed[J]．Feed Research，2022，45（19）：84-88．

潘子煜，王籽晗．食用菌液體菌種便捷式轉(zhuǎn)移接種裝置[J]．發(fā)明與創(chuàng)新：中學(xué)生，2020（11）：24-25．

徐名漢，景全榮，司偉偉，等．食用菌液體菌種接種裝置設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程，2015，5（1）：51-55．

XU Minghan， JING Quanrong， SI Weiwei， et al． Design and parameteroptimization experiment on inoculation devices of edible fungi liquidspawn[J]．Agricultural Engineering，2015，5（1）：51-55．

楊小兵，馬海萍．食（藥）用菌的快速高效栽培技術(shù)[J]．中國食用菌，2007，26（5）：19-23．

YANG Xiaobing， MA Haiping． Rapid & efficient cultivation techniqueson edible-medicinal mushrooms[J]． Edible Fungi of China，2007，26（5）：19-23．

魏禮文．食用菌菌種液體培養(yǎng)及自動(dòng)接種的簡易裝置[J]．惠州大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（4）：68-71．

WEI Liwen．A simple installation of edible fungus seeds in solution andautomatic inoculating[J]． Journal of Huizhou University， 2001， 21（4）：68-71．

王東．猴頭菌的栽培技巧[J]．農(nóng)村百事通，2001（3）：31．鄧衍領(lǐng)．新型食用菌裝袋裝瓶機(jī)在五河縣研制成功[J]．脫貧與致富，2001（6）：22-23．

田星． 食用菌無菌接種器問世[J]． 農(nóng)村農(nóng)業(yè)農(nóng)民， 1997（ 6） ：46．

宇文軍利． “ 真菌專用接種裝置” 在真菌生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]．江蘇食用菌，1994（1）：2-4．

李健，胡志強(qiáng)，杜忠偉，等．3 種配方栽培樺褐孔菌比較試驗(yàn)[J]．中國林副特產(chǎn)，2023（2）：25-27．

李巖杰，杜成志，陳英健，等．不同類型平菇菌種培養(yǎng)及生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)[J]．食用菌，2022，44（6）：47-49．

陳長卿，鄭濤，劉丹，等．袋栽食用菌液體接種機(jī)研發(fā)[J]．農(nóng)業(yè)工程，2022，12（9）：15-18．

CHEN Changqing，ZHENG Tao，LIU Dan，et al．Development of liquidinoculum machine for bagged cultivation of edible fungi[J]．AgriculturalEngineering，2022，12（9）：15-18．

石志輝，覃培升．竹屑袋料栽培香菇試驗(yàn)[J]．廣西農(nóng)學(xué)報(bào)，2022，37（4）：22-26．

SHI Zhihui， QIN Peisheng． Experiment on cultivation of lentinulaedodes with bamboo chips[J]．Journal of Guangxi Agriculture，2022，37（4）：22-26．

柳鳳玉，梁曉生，程群柱，等．不同刺孔次數(shù)和數(shù)量對(duì)香菇生殖生長的影響[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2022（14）：30-32，37．

LIU Fengyu，LIANG Xiaosheng，CHENG Qunzhu，et al．Effects ofdifferent times and numbers of puncture on reproductive growth of letinousedodes[J]． Modern Agricultural Science and Technology， 2022（14）：30-32，37．

張媛哲，李雪姣，楊世麗，等．河北邢臺(tái)市食用菌設(shè)施高產(chǎn)綠色栽培關(guān)鍵技術(shù)[J]．農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2022，42（11）：78，80．

曹瑤，李榮春，楊林雷，等．金耳栽培基質(zhì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[J]．南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2021，52（9）：2 516-2 523．

CAO Yao，LI Rongchun，YANG Linlei，et al．Regulation on the degradationand transformation of Naematelia aurantialba（ Bandoni &M．Zang） Millanes & Wedinmedium[J]．Journal of Southern Agriculture，2021，52（9）：2 516-2 523．

羅連富． 2 種食用菌菌種接種設(shè)備[J]． 中國食用菌， 2020，39（10）：46-49．

LUO Lianfu． Two kinds of inoculation equipment of edible fungi[J]．Edible Fungi of China，2020，39（10）：46-49．