基于计算机控制下的液体菌种发酵系统研究*

张君枫

（辽宁对外经贸学院，辽宁 大连 116052）

食用菌质地柔嫩、风味独特、富含多种人体必需的氨基酸成分。受到越来越多的消费者喜爱。作为食用菌工厂化生产必需的菌种，需求也随之越来越大。由于固体菌种栽培周期长、效率低等缺点，致使市场一直呈现供不应求的现象。液体菌种培养法与传统栽培法相比，成本更低、速度更快且品质更加，逐渐受到市场追捧。而菌种发酵系统对液体菌种的培养具有决定作用，因此研究利用计算机控制液体菌种的发酵具有重要意义。

1 食用菌菌种培养概述

食用菌菌种制种方法分液体培养和固体培养法2种。液体培养是指利用液体培养基通过发酵从而获得需要的菌种的方式，其又被称为深层发酵或液体发酵，液体培养的原理是：将液体培养基倒入发酵罐或三角瓶或其他发酵装置中，通入无菌的空气，进行震荡培养，在培养的过程中要随时观察发酵罐内的变化，控制发酵罐中菌体的生长繁殖状况。同时控制反应环境，使菌体不断增殖发育，获得大量菌种。固体培养则是指利用传统的纤维质、木质等材料先进行菌类的固体发酵，再将发酵后的固体菌种进行下一步的栽培栽培，从而获得子实体。液体培养在培养基的选择上具有固体培养基不具备的流动性及分散性，从而具备了制菌周期短，成本低，出菇的时间及质量均更好掌控的特点，已经成为海内外选用方法最多的配制方法。

2 液体菌种生产优点

液体菌种的特点就是周期短，速度快。液体菌种的培养和发菌时间较原先的固体菌种培养节省1/3的时间，且利用液体种栽培可再度缩减15 d时间，从时间上大大缩短了生产周期，从而提升了菇房及生产设施利用率。

菌种菌龄的一致性。由于固体菌种菌丝体是蔓延生长，因此存在上下生长速度不一致的情形，且由于培养周期长，经过较长的培养周期后，使得其上下菌种菌丝体的年龄差异进一步扩大。但液体菌种由于是液体培养，故不会存在生长速度不一致的情况，且因为周期短，使得差异更小近乎一致，方便采摘加工，节约操作时间，更标准化省时省力。

生产液体菌种成本低。使用发酵罐或培养瓶进行菌种培养，其培养过程中使用到的原料并且其具备产量高和易获取的优点。大大减少了人力物力，生产成本进一步降低。

液体菌种接种方便。因为采用液体培养发酵，培养基为液体，因此在后续操作过程中更为方便快捷，符合机械自动化的操作要求，较原先的人工培养方式，不仅仅是减少人力更能带来更高的工作效率, 符合未来的发展方向。

3 计算机控制菌种发酵系统理论及其框架

3.1 液体菌种的制备方式

菌种的好坏决定这整个发酵过程的成败与否，是生产过程中最关键的一环。影响菌种生产成败的因素有许多，其中主要的影响因素有：培养周期长短，生长力，对环境的抗性，有无杂菌等。因此选用高质量的菌种，才能实现标准化、统一化、自动化的生产目标，才能与国际市场接轨。

液体菌种的制备过程种的3种方式，利用发酵罐直接培养菌丝：该方法是由韩国人发明的，也是目前市面上最为成熟的一套制备系统，给液体培养基通气，菌丝得以在短时间内快速大量繁殖即可；目前还在研发种的一种方法，就是将培养罐中培养出来的菌丝进行脱水处理，之后再加水进行接种，这也能使得菌种能中远距离运输，但是该方法目前还处于研发状态有望在后期进入商用阶段；将固体菌种处理转变为液体菌种的培养方法，也是目前我国众多企业单位关注并在进一步研究的方法，该方法是由日本株式会社千曲化成开发而来，是基于方式1获得的菌种，其生产本质依旧为微生物深层发酵，继续沿用了传统发酵工艺流程。

3.2 液体菌种的系统探索

在实际应用中，液体菌种生产仍然存在较多问题：一是对于生产设备的要求较高，如发酵过程中使用到的发酵罐及通气设备如空气压缩机，进气系统及整个的空气净化系统等，还有其他灭菌相关的仪器设备要求均要比传统方法严格很多；二是对于操作人员的技能及职业素养要求极高，不仅仅要求工作精准熟练，更要对各种仪器及发酵的菌种都有较深的理解及熟悉。因此，液体培养菌种的发展过程中出现了几个研究趋势及热点：第一，设计出适用于食用菌专用的液体培养基配方及生产条件； 第二，研发轻简化或小规格液体菌种成套设备，先降低设备的成本；第三，完善完备对于菌种质量的相关检测体系，如测量菌丝体干重、分辨发酵液气味、判断菌丝球的大小密度等，节省大量的人力物力。虽然截至目前食用菌液体菌种栽培技术及设备已经开发并推广了20年～ 30年, 且目前市场中食用菌液体菌种设备制造商以及应用商也不下千家，但在实际的应用中的困难、不便和高成本问题仍未得到妥善处理及解决。说明在这方面仍有大量科研难题亟待各位行业人士的攻克。

3.3 液体菌种发酵罐的构造与研究

液体菌种是好氧菌，在发酵培养需要大量的氧气。市面上目前能提供大量氧气的发酵罐为气流搅拌发酵罐和机械搅拌通风发酵罐两大类。其中气流搅拌发酵罐是将外部气体直接利用空气系统，传输到发酵罐内，从而形成环流，成功将氧气溶解到发酵液中。使得发酵液中充满大量氧气，该方法的优势在于具有较高的溶解氧速率和溶解氧效率、结构简单、基质溶液分布均匀易于操作和加工。该套系统的主要构成部分为供气系统、电控系统、发酵培养系统三部分组成（图1～图4）。而机械搅拌通风发酵罐的构造则更为简单，只有搅拌器和通风系统将氧溶到发酵液内，但由于搅拌器具有机械剪切力，容易对菌丝产生破坏。因此该反应器并不适于栽培型菌种的应用。

图1 液体菌种发酵罐Fig.1 Liquid strain fermenter

图2 气体输送系统Fig.2 Gas delivery system

图3 控制面板Fig.3 Control panel

图4 发酵罐体Fig.4 Fermentation tank

虽然上述2种发酵罐的结构设计都不算复杂，但是发酵过程中发酵罐会承受一定的温度及压强，因此在使用的过程中存在一定危险性。这就要求设计人员在仪器设计及制造过程中，将此类安全问题全部考虑归纳进去。其中对部分关键零部件及安全阀等部位更要进行其材料的强度、刚性及其他安全性的考量。早期设备的研发都是利用人工进行设计并制造，但是我们已经可以借助计算机进行相关性的辅助设计但是仍然缺少相关设计的专业软件系统，若将来可以开发出一款能按照使用需求就可自行配置出发酵罐相应配件的材料及尺寸设计方案，再结合软件进行应力检测分析，完善设计，将会大大推进发酵罐菌种生产的进一步发展。

3.4 系统构成及工作流程

计算机辅助设计软件系统利用设计者的综合分析及逻辑判断能力、创造性思维能力，与计算机极强的数据处理能力，结合其图形处理能力，形成一个设计者与计算机紧密配合的系统，配合设计者完成产品的研发，缩短设计周期，提高设计质量，方便设计者能更快更好的完成相应的设计任务。这也正是计算机辅助设计的工作过程。

3.4.1 用户输入设计参数

一是用户从列表中选择，如发酵罐的结构、罐体材料和进气管阀等阀门的类型等；二是用户直接输入，如发酵罐的工作温度、容量等。

3.4.2 采集设计计算所需要的设计参数

这些参数的得到有2种来源：一是调用数据库推导得出，如设计压力，需调用存储常用物料饱和蒸汽压表的数据库；二是由用户输入设计参数直接进行设计。

3.4.3 设计计算

利用科学算法对其进行力学分析计算，从而获得具体容器的溶剂及各个位点的加固情况，及开口设计等计算结果。

3.4.4 自动出图

程序可和AutoCAD直接连结，当程序员启动软件时，变可直接生成发酵罐所需要的装配图（系统的工作流程图：使用者为系统管理员、注册用户、游客） 。

4 结语

截止到目前，我国已经完成了大量对液体菌种的工艺研究的工作，但其中仍存在较多的问题亟待解决。第一，配套应用技术与规模生产的研究；第二，持续加大科研投入，进行更深层次的分子研究，探究其发酵过程中的具体机制；第三，液体菌种与工厂化的栽培的配套技术研究。第四，珍稀食用菌品种的液体培养；第五，加强对液体菌种生产及质量评价标准化的研究，推动液体菌种推广和应用。随着食用菌产业的快速发展，对菌种的重视度必将空前提高，基于计算机控制的菌种发酵系统必将加速推动我国液体菌种培养的现代化。