小型食用菌立体工厂化生产系统设计与应用展望

王志冉 周增产 姚 涛 张晓文 张浩文 胡福生

（1北京市农业机械研究所有限公司，北京 100096；2北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 100094；3北京市植物工厂工程技术研究中心，北京 100094）

我国栽培食用菌的历史悠久，在我国农业经济中，食用菌成为中国种植业第五大产业，超过棉、油、茶等产业[1-3]。我国食用菌的生产、消费、出口的产量居世界前列[4]。食用菌风味独特、营养物质含量高，并且具有滋补保健等功能，在物质日益丰富的当代社会，广受消费者的喜爱[5-6]。随着食用菌生产技术和规模的不断扩大，我国食用菌产业的发展也呈现出规模化增长[7]。随着设施农业的发展，食用菌的生产更加趋向于工厂化、智能化的大规模生产模式，其利用现代农业技术、设施装备、机械化生产以及物联网技术，精准地控制生产环境的温度、湿度、光环境、氧气及二氧化碳浓度等环境参数，为食用菌的大规模生产提供适宜的培养环境，促进食用菌的规模化生产[8-11]。传统食用菌的生产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，这种方式对技术人员要求的门槛低，科技含量不高，生产效率相对较低[12-13]。与传统生产形式相比，工厂化食用菌生产模式具有相对优势，一是生产的食用菌品质较好，由于对环境因素精准的控制，食用菌的长势基本一致；二是生产食用菌的数量可控，产量与生产面积相对固定，受天气条件等的影响较小，达到周年生产的目的，对稳定市场具有积极作用；三是食用菌工厂化生产，机械化程度高，劳动强度低，生产效率高，能够实现机械化、自动化生产，最终达到无人化生产的目标[14-17]。

北京市农业机械研究所设计研发的小型食用菌立体工厂化生产系统是基于充分利用废弃工厂、地下室等空间，其面积在50～500m2，进行洁净度设计、合理规划生产空间等，完成从培养基配置、装袋、灭菌、接种、培养等生产全过程，意在打造一个食用菌试验示范性质的工厂化生产系统。

1 总体设计方案

小型食用菌立体工厂化生产系统，按照食用菌生产工艺流程分为准备室、接种室和出菇培养室3个生产区，每个生产区用50 mm的岩棉彩钢板间隔，考虑地理位置和极端温度的影响也可使用100 mm的岩棉彩钢板。其中准备室用于培养基配置、装袋、扎口、灭菌、冷却等操作；接种室对环境洁净度要求最高，主要用于对已灭菌的栽培袋菌种，接种后的料袋转移至出菇室的栽培架上，培养菌丝、出菇。该生产系统可以栽培平菇、金针菇、杏鲍菇等多个适宜袋栽的食用菌品种。图1为食用菌立体工厂化生产系统平面布局。

图1 小型食用菌立体工厂化生产系统平面布局图

2 功能分区介绍

根据食用菌的生产工艺流程，将食用菌立体工厂化生产系统按照工艺流程顺序划分为准备室、接种室和培养出菇室3个生产车间。

2.1 准备室

从食用菌工厂化生产系统的大门进入即是该系统的准备室，准备室分为准备间和菌袋冷却室。准备室的功能是配置培养基、基质装袋、基质袋灭菌、冷却，在准备室内设置基质搅拌机、自动装袋机、扎口器、高压灭菌锅、洗手池、衣柜、空调等设备。由于出菇室内空气相对湿度高，培养室内使用的工业超声波加湿器、空调通过加湿管道和出风口将湿气和冷气等输送到出菇室内。冷却室是菌菇菌袋灭菌后基质冷却的地方，将冷却室隔离出来是避免灭菌完成的菌袋发生二次污染。

图2 图1剖面图

图3 准备室俯视图

2.1.1 基质配置

培养食用菌的基质一般选用棉籽壳、玉米芯、麸皮、石膏、白糖和防污剂，按照特定的比例配置，还要加入适量的水。选用的配料颗粒大小一致，材料新鲜、无发霉、无蛀虫等，基质配置采用搅拌机。

2.1.2 基质装袋

搅拌机将基质配料混合均匀，装袋机装袋，一般用12 cm×15 cm 和20 cm×45 cm 的基质袋，自动扎口器对装好的基质袋封口。

2.1.3 基质袋灭菌

理论上在温度为121 ℃的条件下，灭菌20～30 min，高温饱和的水蒸气可迅速地使微生物蛋白变性，从而使微生物死亡。该生产装置使用高压灭菌锅灭菌，采用蒸汽灭菌法，高温高压灭菌的温度在118～121 ℃，在料袋中心温度达121 ℃开始计时，计算有效灭菌时间和保险时间，一般持续2.5 h即可达到杀灭各种杂菌的效果，完成灭菌全程作业时间为6～7 h。当温度降至70 ℃时将基质袋转移至接种室，接种室应提前进行紫外和臭氧灭菌。选用的臭氧消毒机为可移动式，在将基质袋转移至出菇室时也要提前对出菇室进行臭氧灭菌。

2.2 接种室

接种室是基质袋冷却、接入菌种的场所，其洁净程度要求最高，接种前要提前进行环境消毒。从准备室要经过风淋室进入接种室，避免接种人员将外界污染物带进接种室，污染接种环境。料袋等物品需要经过传递窗进入接种室，保证接种室环境密闭，避免外界微生物对接种室的污染。准备区的物料通过传递窗送入接种区，接种区必须始终保持正压状态，否则就会导致污染。

图4 接种室俯视图

2.2.1 冷却

在灭菌结束后，灭菌锅内的温度先降至70～80 ℃，此时应向灭菌锅内回补经过高效过滤的洁净空气，降低污染率，然后将料袋转移至冷却室。在接种前需要将基质袋冷却至适宜接种的温度，可以在接种前用温度计测温。

2.2.2 接种

在超净工作台上完成接种工作。接种时严格执行无菌操作规程，接种人员首先要对手部消毒，然后用酒精灯对所有接种器具消毒。一般购买二级菌种。接种时采用两端接种法，在料袋的两端分别呈梅花状接种3穴，接种穴要填满、压实。

2.3 培养出菇室

一般规模化生产的食用菌工厂分别设置培养出菇室与发菌室。菌丝培养阶段料袋堆放密度高，出菇阶段要间隔堆放。该示范型生产系统将培养室与出菇室合并，节省前后的转移工作，且使用自动环控系统对菌菇生长的各个阶段进行环境的分段式调节。

图5 培养出菇室俯视图

培养出菇室是接种后的食用菌料袋发菌、出菇的场所。培养出菇室的核心就是精准地控制温度、湿度、光照、氧气及二氧化碳浓度等环境参数，为食用菌的生长营造适宜的环境条件。

2.3.1 发菌

发菌是一个漫长的过程，需要大量细致的工作，一般在菌丝生长的过程中需要恒温，空气相对湿度在70% 左右，暗光、通风的生长环境，发菌需要的时间相对较长，应严格控制其生长环境。

2.3.2 出菇

待菌丝发满袋后，进入培养出菇阶段。出菇一般要经过原基发育、菇蕾形成阶段和子实体生长发育等阶段。出菇过程对生产系统内的温度和湿度实行严格控制，一般采用渐变式温度梯度管理，高湿环境。

3 配套系统构成

3.1 新风系统

由于工厂化生产系统对环境洁净程度、氧气机二氧化碳浓度等参数要求严格，该生产系统以地下室或废弃工厂等地方为建筑壳体，需要特定设计通风系统。新风系统主要用于培养出菇室内的通风换气，降低因为食用菌呼吸作用造成的二氧化碳累积。

生产系统采用新风系统，在进风口安装初效过滤器和高效过滤器，能够阻挡空气中的粉尘颗粒、虫卵、孢子等有害物质进入生产车间。在室内外温差较大的条件下，为了避免新风在进入出菇室时引起温度的突然变化给菌菇的稳定生长带来不利的影响，在新风系统的进风口安装加温和制冷设备，缓冲外界气流进入时带来的温度变化。

3.2 空调系统

由于食用菌在培养过程中对温度的要求较为严格，有些食用菌品种在现蕾期还要变温管理，食用菌在培养过程的环境相对湿度较高，空调长时间在高湿的环境中工作容易损坏，因此空调主机安装在准备室内，设计特殊的通风口进入出菇室。因此该生产装置内共安装2 套空调系统，一套立式柜机用于培养出菇室内的温度调控，安装在准备室内，并配有空调保护壳与特定风道。另一台空调挂机用于接种室内的日常温度调节，主要是供接种和操作人员工作时使用。

3.3 立体栽培系统

食用菌采用菌袋栽培，使用立体栽培系统类似货架，根据建筑物的高度设计不同层架高度。食用菌立体栽培系统充分利用垂直方向的空间，较传统的床栽形式节省基质用量，充分利用空间布局，提高单位面积产量。

3.4 加湿系统

食用菌生长对湿度环境要求较高，一般需要空气相对湿度在70%～90%，该生产系统选择工业超声波加湿器（图7，上海京晟电器设备有限公司生产的JSC-12.0 型号的加湿器），加适量为12 kg/h，该加湿系统出雾小且均匀，能够实现均匀加湿。

图6 立体栽培架

图7 加湿器

3.5 环境控制系统

配电柜位于准备室内，包括控制器、传感器（温度、湿度、二氧化碳质量浓度等传感器），同时配置触摸屏，用于精准的控制生产系统内的温度、湿度、光照、氧气和二氧化碳浓度等环境参数，为食用菌的培养提供适宜的环境条件。一般食用菌菌丝和子实体生长要求不同的环境条件，见表1。

表1 食用菌主要生长阶段的环境条件

环控系统为北京市农业机械研究所有限公司自主研发产品，该生产装置的环控系统设置3 个独立的气候控制单元，其核心控制区为培养栽培区。设置的传感器用于监测栽培室内的环境要素，包括空气温度、空气相对湿度、光照强度和二氧化碳浓度。环控系统设置3 个终端，包括手机APP、软件平台和触摸屏（图8）。

图8 环控系统

4 应用展望

食用菌栽培历史悠久，栽培的场地也十分广泛，在发展早期使用防雨罩。因为食用菌的生长对环境洁净度要求严格，极易受杂菌的污染，影响食用菌的正常生长，随着设施农业的发展，食用菌主要依附于设施农业进行生产，在日光温室、连栋温室、植物工厂等场所都可以发展食用菌生产[18-21]。而现代食用菌大都是规模化生产，在大型的生产车间、洁净室等生产场所规模化生产，集工业、物联网、农业等多学科于一体，运用先进的科学技术与集中规模化的生产管理模式，大大提高食用菌的单位面积产量，其商品性也显著提高[22-24]。

该立体化生产装置利用闲置的地下室、废弃的工厂或专门农用建筑等生产场所，经过生产围护结构设计、保温性能设计、通风系统设计等，建设小规模的示范性食用菌生产工厂，展示食用菌从菌种到成熟农产品整个生产过程的工艺流程，为培养专业的食用菌技术人员提供教学场所。该生产设备同时可以联合国际援助项目，帮助那些在食用菌生产技术相对落后的国家和地区，提供生产场所和技术方面的援助。