高海拔地区双孢蘑菇培养料发酵隧道设计、建造与应用*

任爱民，张德宝，朱子雄，耿新军，王晓巍**

（1.甘肃省农业科学院 蔬菜研究所，甘肃 兰州730070；2.山东科迈自动化设备有限公司公司，山东 聊城 252200；3.甘肃怡泉新禾农业科技发展有限公司，甘肃 金昌 737200）

双孢蘑菇（Agaricus bisporus）生长发育需要的营养全部来自发酵料[1]，其制备过程分为高温一次发酵阶段和控温二次发酵阶段。发酵料理化性质的优劣会直接影响双孢蘑菇的产量和品质。长期以来我国双孢蘑菇栽培料发酵主要采用传统模式，包括室外自然一次发酵和室内加温二次发酵，该模式劳动强度大、发酵温度变化大、培养料品质无法保证，导致生产中病虫害严重、产量和经济效益较低[2-7]。因此，需要设计一种能控制通风量及培养料发酵温度的生产设施，以保证培养料好氧发酵，提高发酵料品质，从而大幅提高双孢蘑菇的产量和品质[3-5,8]。

基于甘肃省河西走廊沿祁连山冷凉区（海拔为2 300 m）的气候特点，设计适合西北高海拔低温地区双孢蘑菇培养料工业化生产的隧道发酵设备。该设备具有通风均匀、供氧量充足、升温快、保温效果好、不需辅助加热的特点。且发酵温度可精确控制、隧道运行稳定，所生产的发酵料理化指标优良，生产工艺达到国内先进水平，适合双孢蘑菇培养料工业化生产，具有广阔的产业化应用前景。

1 基本结构及工作原理

1.1 基本结构

设计的发酵隧道主要包括一次发酵仓、二次发酵仓及辅助设备，应用于双孢蘑菇培养料的一次高温发酵与二次控温发酵。一次发酵设施主要由保温墙体、高压送风系统、控制系统组成。二次发酵设施主要由保温墙体、保温门、高压送风系统、控制系统等部份组成。整体设计方案见图1～图3。

图1 发酵隧道正剖面结构Fig.1 Front cross section of fermentation tunnel

图3 二次发酵隧道侧剖面结构Fig.3 Cross section of secondary fermentation tunnel

1.2 工作原理

1.2.1 一次发酵隧道

高压风机置于隧道末端外的机房内，风机出风口通过风管与分风管连接，分风管与高压风管相连，风管上均匀安装高压风嘴。依靠高压风机间断性的运行将室外新鲜空气（新风）依次通过风管、分风管、高压风管、高压风嘴均匀吹进发酵仓内，为发酵仓内培养料的有氧发酵提供充足空气。控制系统首先检测培养料温度的变化，然后对风机发出运行启停指令。

1.2.2 二次发酵隧道

高压风机置于隧道顶部，新风过滤器和回风口通过风机连接成为一体，风机出风口通过风管与底部的分风室活动连接，分风室与高压风管相连，风管上均匀安装高压风嘴。依靠高压风机连续运行将混合风（新风和回风混合）依次通过风管、分风室、高压风管、高压风嘴吹进发酵仓内，为发酵仓内培养料的有氧发酵提供充足新鲜空气。发酵仓内培养料上部的温度、氧气传感器与控制系统连接，通过检测培养料温度和含氧量变化，由控制系统对风机转速、新风阀开度发出指令，控制进风量和混合风比例来调节培养料发酵温度，满足二次发酵各阶段对不同温度的需求。

1.3 主要技术参数

一次发酵、二次发酵隧道设计规格、风机配备等主要技术参数见表1。

表1 发酵隧道主要设计技术指标Tab.1 The main technical specification of fermentation tunnel

2 关键部位设计与建造

2.1 一次发酵料仓

发酵仓为长方体结构（规格为35.0 m×5.5 m×5.0 m），是一次发酵放置培养料的主体结构，全仓采用封闭设计，设计图详见图1、图2，设计技术指标详见表1。

图2 一次发酵隧道侧剖面图Fig.2 Cross section of primary fermentation tunnel

如图1、图2及表1所示，墙体采用混凝土浇筑而成，上下圈梁（即承重横梁）规格为370 mm×370 mm；构造柱（即墙体中的混凝土柱子）规格为370 mm×370 mm，每5米一根。底板结构为钢筋混凝土加通气系统，底部垫层混凝土的厚度为0.1 m，所用混凝土标号为C25，底部垫层上方安装¢160UPVC管道，为避免挤压，管道上下方铺设双层双向钢筋骨架，规格为¢14＠200、¢12＠200；通风管道厚度为0.25 m，加上厚度为0.10 m的垫层，底板总厚度为0.35 m；底板由仓门至后墙形成前低后高、角度为0.5°的斜面。料仓后墙离顶部1 m处开一个通风口（规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m）。因西北地区昼夜温差大，冬季风大，料仓进料口需加装厚度为0.1 m的聚苯彩钢板门。

2.2 二次发酵仓

发酵仓为长方体结构（规格为30.0 m×5.0 m×5.0 m），是二次发酵放置培养料的主体结构，全仓采用密闭保温设计，设计图详见图2、图3，设计技术指标详见表1。

如图2、图3及表1所示，墙体采用混凝土浇筑，在两侧加聚氨酯板保温层结构，混凝土厚度为200 mm，聚氨酯板厚度为100 mm。保温墙体可以避免仓内产生冷凝水温度和料内温度剧烈波动的情况。底板结构为钢筋混凝土加通气系统，通气底板上安装¢200U-PVC管道，管道上下方铺设双层双向钢筋骨架，钢筋标号为¢14＠200、¢12＠200；通风管道厚度为0.29 m，加上厚度为0.20 m的垫层，底板总厚度为0.49 m；底板由仓门至后墙形成前低后高、角度为1°的斜面。料仓顶板距离进料口1 m处的中心位置设有排风口（规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m），料仓顶板距离出料口1 m处的中心位置设有进风口（规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m）。仓门采用厚度为0.1 m的聚苯彩钢板制作，四周安装胶条增加密闭性，为前后双开门设计，进料、出料通过不同的门可有效避免交叉感染的发生。

2.3 地下送风管

地下送风管的作用是为发酵仓均匀提供新鲜空气（新风）或混合风。风管为直径160 mm的耐腐蚀U-PVC管，靠近侧墙的PVC管与侧墙间距为100 mm，风嘴直径为10 mm；风管两端安装可拆卸的封口，定期可冲洗风管内掉入的杂物；风管安装好后，上部用钢筋水泥浇筑成整体，漏出风管风嘴，形成直径为20 mm、深度为20 mm的风嘴槽，便于清洗风嘴，同时防止铲车碾压风嘴。地下送风管安装详见图4、图5。

图4 地下风管、风嘴安装图Fig.4 Underground pipes and nozzles installation

图5 浇筑后形成的风槽Fig.5 Concreted aeration groove

如图4、图5所示，一次发酵隧道地下送风管直接与风机分风管相连。二次发酵隧道地下送风管一端与分风室相连，另一端集中汇集伸进水封井液面1.5 m以下，送风管两端高度相差100 mm。为了使整个料仓中发酵料的发酵效果一致，需要预埋送风管，送风管中心距离为300 mm，上部间隔200 mm处安装高压风嘴，混合风或新风经过分风室后通过送风管均匀从风嘴吹出进入料内，使料内温度达到均匀一致。

2.4 二次隧道进回风系统

进回风系统主要安装在机房中，详见图6。

图6 二次发酵隧道送风系统Fig.6 Air handling system of secondary fermentation tunnels

如图6所示，机房置于料仓顶部，进回风系统主要由高压风机、电机、通风管道、过滤器、风阀执行器和控制系统组成。仓外新风经过滤器与回风口循环风混合，后经风机出风管进入分风室，从而完成仓内空气循环，以实现控制料内温度的作用。其中，高压风机的风压必须达到6 000 Pa以上，方能达到“吹透”的作用，否则会出现厌氧发酵和温度不均的情况。

2.5 控制系统

控制系统是隧道运行实现自动控制的核心，系统设计详见图7。

图7 控制系统简图Fig.7 Computer system diagram

如图7所示，控制系统由控制程序、风阀执行器、温度和氧气测量探头组成，通过检测料温和仓内氧气含量，调节新风和回风阀门，控制进风温度和含氧量，以保证足氧发酵（含氧量＞9%）的条件，达到控制料温的目的。

3 试验与应用

以甘肃省永昌县新城子镇（海拔为2 300 m）的双孢蘑菇生产基地为试验地，根据以上隧道设计方案，建成9条一次发酵隧道和4条二次发酵隧道，隧道主要设备及控制系统由山东科迈自动化设备有限公司提供并安装调试。经过隧道发酵工艺优化试验和生产实践，该隧道发酵系统运行平稳，发酵温度控制精确，发酵培养料理化指标优良。

3.1 一次隧道发酵温度变化

培养料在一次发酵仓内共发酵4次，转仓时间在进仓后的第4天、第8天、第11天进行，共转仓3次，一次发酵隧道温度曲线见图8。

图8 一次发酵隧道温度曲线Fig.8 Temperature curve of primary fermentation tunnel

如图8所示，进仓和倒仓后，发酵隧道温度升温较快，平均每小时升温1.5℃～2.0℃，经过12 h～18 h料温可达75℃以上，发酵温度曲线均处在上升趋势，表明发酵期间供氧充足。发酵时间为14天左右，其中有7天以上温度超过75℃，培养料高温焦糖化反应充足。

3.2 二次隧道发酵温度变化

一次发酵结束后，倒入二次发酵隧道开始进行控温发酵，二次发酵隧道温度曲线见图9。

如图9所示，二次发酵各阶段料温、空气温度、进风温度控制得比较理想。平衡阶段料温为47℃～50℃，空气温度和进风温度为35℃～43℃，温度平稳，表明培养料整体温度均衡。巴氏灭菌阶段料温为58℃～60℃，进风温度以及空气温度均为56℃～58℃，整体发酵仓内巴氏灭菌温度达标，没有杀菌死角。控温好氧发酵阶段，料温为47℃～49℃，放线菌大量增殖，培养料得到充分发酵，游离的NH3逐渐被吸收消除，且进风温度和空气温度均为45℃～48℃，培养料没有发酵死角。发酵时间约为7 d，其中控温发酵时间约为4 d。

图9 二次发酵隧道温度曲线Fig.9 Temperature curve of secondary fermentation tunnel

3.3 一次发酵隧道风机运行控制参数

以一次隧道风机开启时长、停止时长为通风量控制参数，分析通风量对一次发酵温度变化的影响，提出一次发酵隧道不同发酵阶段合理的风机运行控制参数，详见表2。

表2 一次发酵隧道不同温度区间风机最佳启停控制参数Tab.2 Optimum fan set during different temperature zone for primary fermentation tunnel

在夏季7月～8月，外界气温为14.7℃～28.5℃时，一次发酵各温度阶段风机启停时间采用如表2所示进行处理；此时升温快，每小时升温1.0℃～1.5℃，最高料温可达80℃以上（图8）。

3.4 二次发酵风机转速控制参数

以二次隧道风机转速为风机通风量控制参数，分析混合通风量对二次发酵各阶段温度变化的影响，提出二次发酵隧道不同发酵阶段合理的风机转速控制参数，详见表3。

表3 二次发酵隧道不同阶段最佳风机转速控制参数Tab.3 Optimum fan set during different phase for secondary fermentation tunnel

在夏季7月～8月，外界气温为14.7℃～28.5℃时，二次发酵不同发酵阶段风机转速采用如表3所示的处理，此时主要阶段温度变化合理，料仓内各处的料温、进风温度、空气温度差值小于3℃（图9）。

3.5 培养料发酵主要理化性状

对连续发酵的5批培养料主要理化性状进行化验分析，结果详见表4。

表4 培养料发酵过程中理化指标变化Tab.4 Changes of physical and chemical indexes during compost fermentation

如表4所示，各培养料主要理化性状均符合优质培养料理化指标要求；发酵结束时，培养料的含氮量为2.2%～2.4%、灰分为25%～30%、含水量为67%～69%、pH为7.5～7.8。

3.6 生产应用

将该设施生产的培养料应用于智能控温菇房，栽培效果见表5。

表5 智能菇房的出菇情况Tab.5 Fruiting situation of intelligent mushroom house

如表5所示，将该设施生产的培养料应用于智能控温菇房，栽培效果良好，双孢蘑菇的单位面积产量平均达到25 kg·m-2、商品菇率达到85%以上，栽培周期为58 d～62 d，一间菇房每年可以栽培6轮。

4 结论

为了控制西北高海拔地区培养料的发酵温度，实现双孢蘑菇培养料的优质发酵和工业化生产，设计一种适合西北高海拔冷凉地区的双孢蘑菇隧道发酵设施，发酵设施包括一次发酵隧道和二次发酵隧道，对发酵设施结构组成做出较为详细的介绍。

所设计的双孢蘑菇培养料发酵隧道温度控制精确，发酵温度曲线合理。一次发酵每小时升温1.5℃～2.0℃，发酵期间有7 d以上温度可达到75℃；二次发酵各阶段温度变化合理，平衡阶段、巴氏灭菌、培养阶段的料温和进风温度分别为45℃～49℃、56℃～60℃、45℃～49℃，发酵温度控制理想。

对发酵隧道风机运行控制参数进行优化研究，提出了一次发酵各温度阶段风机启停的最佳时间，以及二次发酵各阶段风机转速的控制参数。据此生产的培养料含氮量为2.2%～2.4%、灰分为25%～30%、含水量为67%～69%、pH为7.5～7.8，各项理化指标优良。

将该设施生产的培养料应用于智能菇房内，使双孢蘑菇的产量达到25 kg·m-2、商品菇率达到85%以上。