陳長卿， 鄭 濤， 劉 丹， 王 潔， 朱建錫

（金華市農(nóng)業(yè)科學研究院（浙江省農(nóng)業(yè)機械研究院），浙江 金華 321017）

0 引言

1 食用菌袋栽液體接種機械化技術研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，日韓和歐美在食用菌工廠化生產(chǎn)方面已基本實現(xiàn)混料、發(fā)酵、接種、覆土、噴水、采菇及清床全程機械化，并對光照、溫度、濕度和肥料等主要環(huán)境因子實現(xiàn)了遠程自動調控[4]。日本、韓國的食用菌工廠化生產(chǎn)已實現(xiàn)單機及生產(chǎn)線的高度智能化和系列化，整體生產(chǎn)技術水平較高[5-6]。日本較早開展食用菌菌種和栽培技術研究，北研株式會社、森產(chǎn)業(yè)株式會社和食用菌中也是其中3 個著名研究機構，日本生產(chǎn)的食用菌產(chǎn)品在全球市場認可度高，其食用菌栽培技術裝備研究在國際上處于領先水平。韓國在引進并消化日本技術后，通過創(chuàng)新研發(fā)改進，形成了食用菌工業(yè)化設施生產(chǎn)栽培模式，擁有大興農(nóng)場年產(chǎn)量達10 萬瓶的大型金針菇生產(chǎn)企業(yè)，食用菌生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，相關技術裝備水平處于國際前列[7]。液體菌種接種是工廠化食用菌生產(chǎn)中最重要環(huán)節(jié)之一，目前最具代表性的相關設備有日本田中技研工業(yè)株式會社研發(fā)的LSX 型自動液體菌種接種機，韓國D.M.S 公司、PQ 公司和MR公司研制的自動液體菌種接種機，但多應用于瓶栽液體菌接種，袋栽液體菌自動化接種還處于研究階段[8]。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

我國對液體菌種工廠化生產(chǎn)技術和裝備的研究起步較晚，而且之前整體食用菌工廠規(guī)模相對較小，研發(fā)資金投入不多，相關研究成果也較少。在菌種選用上以固體菌種為主，較先進的液體菌種則運用很少；在生產(chǎn)裝備上，仍然使用半機械、半自動化的簡易設備[4]。所以，我國在食用菌工廠化生產(chǎn)工藝和技術裝備方面亟待進行研究和突破。生產(chǎn)模式方面，仍以菇棚種植為主，其接種環(huán)節(jié)采用人工手動氣體噴槍把液體菌種注入培養(yǎng)基，存在菌種噴射量難控制、工作強度大、生產(chǎn)效率低的缺點，對我國食用菌產(chǎn)業(yè)高質量、標準化、規(guī)?；l(fā)展制約較大。近年來，我國食用菌工廠化生產(chǎn)接種設備研發(fā)也有了一定進展。如連云港國鑫食用菌成套設備有限公司研制了GXJZ-Y 型液體自動接種機，可實現(xiàn)開蓋、接種、壓蓋等作業(yè)一次性完成，但還存在一些不足[9]。①開閉蓋機構和菌種供給噴射機構聯(lián)動協(xié)調性不夠，開閉蓋費時易造成瓶口、瓶蓋損壞和浮游雜菌污染；②只適用于瓶栽類食用菌（金針菇）工廠化接種，無法滿足袋栽類食用菌（杏鮑菇、海鮮菇）工廠化接種；③液體菌定量控制采用液壓閥門，菌種經(jīng)過控制閥門易感染雜菌，影響出菌質量；④設備有較大噪聲和振動、接種效率低、菌種控量差。由此看來，現(xiàn)有機械還不適宜杏鮑菇、海鮮菇、蟹味菇等名優(yōu)食用菌袋栽工廠自動化生產(chǎn)。

2 食用菌袋栽工廠化生產(chǎn)存在的主要問題

現(xiàn)在我國食用菌工廠化生產(chǎn)處于起步階段，食用菌產(chǎn)業(yè)關鍵核心技術的菌種與其接種設備仍然較為缺乏，尤其是杏鮑菇、海鮮菇、香菇、黑木耳等食用菌袋栽的自動化接種裝備和工藝技術研究偏少。目前的接種技術及其裝備還無法達到食用菌工廠大規(guī)模生產(chǎn)的需求。國內食用菌袋栽液體菌及接種設備大部分依賴進口，尚未出現(xiàn)工廠化國產(chǎn)袋栽液體菌及其接種裝備，市場上應用的菌種及其接種設備存在以下主要問題。

2.1 菌種與栽培模式選擇

現(xiàn)有食用菌菌種仍然采用固體菌種為主，液體菌種的生產(chǎn)僅限應用于瓶栽，尤其是杏鮑菇、海鮮菇、香菇、黑木耳等名優(yōu)食用菌液體菌種的袋栽工廠生產(chǎn)工藝技術研究較少。

2.2 袋栽食用菌液體菌種自動化接種設備短缺

袋栽食用菌液體菌種接種設備仍采用落后的人工氣體噴槍或半自動噴射接種方式，將液體菌種定量打入培養(yǎng)基中，由人工進行菌種噴射，菌種噴射量不精確，造成噴射接種質量和均勻性差，單位時間內接種效率不高，菌種易被污染，并且勞動強度大，生產(chǎn)效率低。固體菌種的香菇、黑木耳等長棒式食用菌栽培的自動化接種裝備和工藝技術也嚴重缺乏。

2.3 控制系統(tǒng)不可靠，接種精度不高

在國外，通常采用電子控制技術對液體接種過程實現(xiàn)實時監(jiān)控，同時對接種的各個工序進行優(yōu)化，在保障接種精確的前提下盡量減少接種周期。在國內，液體接種機自動化程度整體偏低，接種工序時間偏長，環(huán)境中的雜菌容易進入污染，降低了菌絲良性繁殖率，此外由于接種量控制不佳無法實現(xiàn)精確接種。

3 技術解決方案

目前國內外食用菌袋栽液體接種機只有人工和半自動的機型，效率低、精度低，距離食用菌袋栽規(guī)?；⒐S化生產(chǎn)要求還有較大研究空間。目前尚無袋栽液體菌種的全自動接種技術與裝備。因此，國內亟待研究開發(fā)適宜工廠化食用菌袋栽液體菌種自動接種生產(chǎn)技術與裝備。本文提出研究開發(fā)一種可實現(xiàn)自動運輸、定位、夾緊、壓瓶、開蓋、噴射接種、壓蓋、檢測、輸送等食用菌袋栽液體機械化連續(xù)接種作業(yè)的技術與裝備，可有效減少人工參與量，避免開閉蓋時間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高接種工作效率和出菇質量，實現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種接種的自動化生產(chǎn)。

漢江是長江中下游最大支流，全長1577km，流域面積 15.9萬km2。漢江中上游河谷開闊，水面較寬，泄洪能力較強，而下游受兩岸堤防約束，河道上寬下窄呈漏斗狀，泄洪能力上大下小，極不平衡，導致漢江中下游地區(qū)歷史上洪澇災害頻繁而嚴重。據(jù)統(tǒng)計，1822—1948年的127年間有76年堤防潰決，尤其是1931—1948年的18年就有11年潰口。

3.1 袋栽液體菌種全自動接種機結構

為滿足食用菌工廠化、規(guī)模化生產(chǎn)液體菌種接種的需求，針對市場上液體菌種接種機接種精度不夠、均勻性差和效率低等問題，研究確定液體菌種自動接種生產(chǎn)線系統(tǒng)設計為菌袋框輸送?穩(wěn)袋定位?組合開蓋?精量噴射接種?組合壓蓋?檢測?自動輸送。

袋栽液體菌種全自動接種機結構如圖1 所示?？紤]接種效率、精度和自控等問題，整機結構在保證實現(xiàn)功能的前提下盡量簡單，同時具有整機控制自動化程度髙、穩(wěn)定性好，簡化傳動結構、降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化設計可調定量噴射接種系統(tǒng)，實現(xiàn)接種量精確、均勻、可調的特點。

圖1 袋栽液體菌種全自動接種機整機結構Fig. 1 Complete machine structure of full automatic inoculum machine for bagged liquid bacteria

3.2 接種生產(chǎn)線袋框輸送機構

接種生產(chǎn)線袋框輸送機構由電機提供動力，帶動傳動軸拖動鏈輪進行傳動。由于接種過程需要輸送裝置頻繁啟停，并且運輸加速度和速度較大，采用鏈傳動結構。該結構對于頻繁啟動的工作環(huán)境較為適用，而且具有響應快、不打滑等特點。同時，設計水平均布的4 條輸送鏈，實現(xiàn)菌袋框平穩(wěn)運輸。

袋框輸送機構由入口、接種及輸出位3 個相同的輸送單元組成，每個單元由帶制動電機、動力傳送鏈、傳動軸、運輸鏈條、支撐板、從動軸組成。采用變頻器和電機相配合，從而實現(xiàn)啟停和變速運輸功能。

3.3 接種生產(chǎn)線穩(wěn)袋開閉蓋驅動機構

在接種前，食用菌袋裝培養(yǎng)基先進行閉蓋殺菌冷卻工序，使袋內處于無菌狀態(tài)。為實現(xiàn)接種過程中開蓋和壓蓋快速機械操作，降低外部環(huán)境浮游雜菌侵入的概率，設計開發(fā)了自動穩(wěn)袋開閉蓋驅動機構，整體結構如圖2 所示。

圖2 自動穩(wěn)袋開閉蓋驅動機構結構Fig. 2 Structure of automatic bag stabilizing lid opening and closing driving mechanism

3.3.1 設計氣動穩(wěn)袋夾頸裝置

穩(wěn)袋夾頸裝置采用氣動夾緊4 桿機構，兩夾頸弧板呈長條狀，兩夾頸弧板間根據(jù)菌袋直接設計可調缺口，夾頸弧板沿輸送方向水平延伸，汽缸驅動帶動兩弧板相對運動靠近或遠離，通過夾頸弧板圍合靠近將菌袋袋口夾在缺口處，實現(xiàn)菌袋的定位、穩(wěn)袋、夾緊。

3.3.2 袋栽開蓋壓蓋裝置

食用菌袋栽開蓋裝置采用圓弧導向雙半圓4 彈簧夾緊結構，夾緊片根據(jù)瓶蓋大小設計兩片可調對稱圓弧形缺口，夾緊片兩端設計2 對彈簧柔性支持。夾緊片可以上下移動，也可以圍繞彈簧支撐點轉動。夾緊片圓弧形缺口處設計導向弧板，滿足夾緊片在開蓋菌包袋蓋上下或左右偏差時能夠準確卡入袋蓋卡槽內，實現(xiàn)精確開蓋。左右移動的開合通過氣動機構聯(lián)動實現(xiàn)。開蓋機構中心設計壓蓋定位裝置，當菌袋穩(wěn)定到位后，壓蓋定位裝置向下移動把袋蓋壓在菌袋上，防止袋蓋左右移動，便于開蓋機構向下移動準確卡入袋蓋卡槽內。當接種完成后，壓蓋機構向下移動，完成壓蓋。壓蓋機構通過伺服電機帶動，可以滿足不同高度行程菌袋的壓蓋要求。該裝置能可靠完成任意菌袋高度、袋蓋不同角度的夾緊開蓋、壓蓋功能，操作失誤率低，極大提高接種效率和質量。

3.4 袋栽液體菌種接種系統(tǒng)

針對食用菌工廠化液體菌種接種效率及質量要求，開發(fā)設計了袋栽液體菌種接種系統(tǒng)，實現(xiàn)接種噴射同時到達接種工位，減少空行程時間，提高接種效率。

3.4.1 組合式空心錐噴頭

噴嘴是流體最后通道，是控制霧化度、噴射射程、噴灑面積的關鍵部件，其性能的優(yōu)劣，對噴射的效果有直接影響。為了噴射接種更加精確和均勻，采用組合式空心錐噴頭，通過試驗獲得最佳的噴射錐角、噴孔直徑與噴射域等參數(shù)，提高噴射質量。

3.4.2 定量可調液體接種噴射管路系統(tǒng)

液體接種噴射管路裝置設計主要由氣動導柱式往復機構、料液分配器、噴射電磁閥、支撐板等組成。設計的氣動導柱式往復機構，其傳遞精度及承載能力較好，能對12 個菌袋同時完成定量噴射接種，而且接種噴射同一時間到達工位，有效提升接種效率和精度。傳統(tǒng)的定量控制采用液體閥門，但液體菌種經(jīng)過閥門易感染雜菌，影響出菌質量。該裝置采用軟管輸送液體菌種，在軟管外設計電機無級控制的開合結構，通過開合結構自由調節(jié)液體菌種噴射量，該機構在軟管外，液體菌種不受污染，安全可靠。

3.5 接種氣壓驅動系統(tǒng)

接種氣壓驅動系統(tǒng)包括空壓機、空氣輸送管道、分水濾氣器、空氣減壓閥、油霧器、定位氣缸和穩(wěn)袋氣缸?？諌簷C提供動力，經(jīng)輸送管道，過氣動3 聯(lián)件（分水濾氣器、減壓閥、油霧器）后分為兩條線。一條線驅動定位氣缸及穩(wěn)袋氣缸。由定位氣缸確定袋框在接種機的位置，穩(wěn)袋氣缸則用于穩(wěn)定袋肩便于后續(xù)擰蓋工序。由PLC 控制系統(tǒng)管理是否吸入空氣，PLC 控制系統(tǒng)通過連接管路上的電磁閥通閉，實現(xiàn)袋框定位和菌袋固定。另一條線經(jīng)空氣無菌過濾器和空氣壓力調節(jié)閥，最后連到液體菌菌罐，為菌罐提供恒壓無菌空氣。

3.6 全自動接種機控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)工廠化食用菌袋栽液體菌種全自動接種機的工作原理及控制要求，控制軟件采用程序監(jiān)視及控制的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的人機交互系統(tǒng)，設計有自動控制系統(tǒng)、手動控制系統(tǒng)、液體菌種接種量精確控制系統(tǒng)。

設計手動控制系統(tǒng)，用戶能自選獨立工作機構，并根據(jù)設定系統(tǒng)進行邏輯判斷，檢查待工作機構和其他機構是否產(chǎn)生干涉。手動模式下，需要設計接種生產(chǎn)線的順序邏輯控制和試驗調試要求。

自動控制系統(tǒng)設計滿足接種機在各功能機構環(huán)節(jié)間的自動化生產(chǎn)。在接種過程中，全程實時監(jiān)視各部件工作狀態(tài)，當出現(xiàn)意外警報時可及時停止、復位，保證生產(chǎn)安全，能滿足液體菌種接種量的精確、可調、監(jiān)視功能，實現(xiàn)精準接種。

3.7 預期目標

預期目標為一次接種量12 袋（每筐），接種能力≥5 000袋/h，最大相對接種量誤差≤10%，菌種感染率≤1%。

4 結束語

食用菌袋栽液體接種機可通過輸送帶自動輸送至接種室，海鮮菇、杏鮑菇等短袋包可整框12 包同時完成拔蓋?接種?壓蓋的接種工序，香菇、黑木耳等長袋包單包完成打孔?接種?覆膜的接種工序。接種工序全程自動化，可自主設定單次接種量，一般為15～30 mL，也可設定接種一定數(shù)量后對接種噴頭自動滅菌，降低菌包污染風險。短袋包接種機效率為4 000～5 000 包/h，長袋包接種機效率為800～1 000 包/h。目前已應用于浙江廣誠的海鮮菇工廠化生產(chǎn)線，日產(chǎn)海鮮菇1.5 萬～2.0 萬包，整機自動化程度高、穩(wěn)定性好，接種量精準、均勻、可調節(jié)，實現(xiàn)了接種無人化，市場前景廣闊。