白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統的開發

楊際偉，蔡守平，陳玉珍，陳為雄，何學友

（1.福建省科技廳農牧業科研中試中心，福建福州 350012；2.福建省林業科學研究院，福建福州 350012）

白僵菌（Beauveria bassiana）是一種寄主范圍廣、致病力強和環境適應性強的昆蟲病原真菌，在松毛蟲（Dendrolimusspp.）等重要林業害蟲的防治中發揮重要作用。白僵菌易于工業規?；a，白僵菌殺蟲劑是目前林業有害生物防治中應用最廣泛的生物制劑之一，具有廣闊的應用前景[1-3]。

白僵菌的生產工藝有3種，即液體發酵、固體發酵和液固雙相發酵[4]。液固雙相發酵法運用最多，即通過液體培養獲得白僵菌菌液（菌絲或芽生孢子），接種于固體培養基上進行固態發酵。液體培養階段較成熟；固態發酵階段多為人工或半機械化方式，受到發酵基質、發酵容器和環境因素等多種因素的影響，且固態發酵為開放式培養，存在環境調控不到位、雜菌污染、發酵不充分、生產周期長、產孢量低及質量不穩定等問題[4]。

本研究根據白僵菌生長特性及其在發酵過程中對環境的調控要求，應用物聯網（IOT）、云服務等技術，開發一套白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統。經測試，該系統能對白僵菌固態發酵過程的環境條件進行及時、準確地監測、預警與調控，降低白僵菌污染率，提高產量與品質。該系統的應用有利于提升白僵菌生產效率，促進生產工藝標準化發展。

1 白僵菌固態發酵對環境因素的要求

白僵菌固態發酵過程受環境因素影響，常見的環境因素有溫度和CO2濃度等。

1.1 溫度

白僵菌菌絲的生長釋放大量熱量，改變空氣和固體培養料溫度，溫度的變化又會直接影響菌絲的生長和孢子的形成[5]。空氣和固體培養料溫度間因熱量的傳遞相互影響。白僵菌固態發酵的不同階段對溫度各有要求，適應期為24～26 ℃，快速生長期為27～28 ℃，穩定期為28～29 ℃[6]。

1.2 CO2濃度

CO2濃度是研究蟲生真菌固態發酵生物特性變化及生產周期、效率等的有效、準確指標[6-7]。白僵菌為好氧蟲生真菌，固態發酵過程中會產生大量的CO2，推高發酵空間CO2濃度。目前，關于CO2對白僵菌固態發酵影響的研究鮮有報道。

2 硬件設計與配置

硬件設計需滿足環境監測與調控的要求。白僵菌固態發酵過程需要很高的空氣濕度，配置的元器件需有很好的防水、防銹性能，并需要有效措施解除高濕環境對元器件的干擾，保持硬件正常運行。對發酵箱進行創新性設計，滿足結構與容積合理、箱體內部空氣溫度與濕度相對均衡及保濕性能較好的要求。

2.1 物聯網監測設備

物聯網監測設備主要由控制主機與傳感器組成。控制主機包括解碼器、可編程邏輯控制器（PLC）和多功能一體觸摸屏等，可實現環境參數采集、轉換和交互以及客戶端指令的解析、下達和反饋（圖1～2）。解碼器采用電源數據共線傳輸技術，減少發酵箱布線；內置Modbus RTU 協議，支持前端傳感器與環境調控設備的通信；支持9-24V 低壓開關量控制，滿足散熱扇、鼓風機低壓輸出。傳感器包括空氣溫濕度傳感器、固體培養料溫度傳感器、CO2傳感器和網絡攝像機?？諝鉁貪穸葌鞲衅餍吞枮镠STL-104WS。固體培養料溫度傳感器選用NTC熱敏電阻傳感器（型號：NTCALUG03A103G），不銹鋼封裝，熱導性與耐腐蝕性好[8]。CO2傳感器采用內置式紅外吸收型傳感模塊，內置微型通風扇與時控繼電器相連，通過定時空氣流動去除電子元器件表面結露，解決氣敏型傳感器因高濕結露引起的故障[9]。光照傳感器采用光敏電阻型（型號：HSTL-GZD），易受溫度影響，但通過本系統調控后白僵菌固態發酵過程中的環境溫度變化幅度小，因而適用性較好。網絡攝像機在JJR-NETCAM-01A 型號基礎上定制近焦高清單反鏡頭，鏡頭具有納米防霧涂層。

圖1 白僵菌固態發酵過程物聯網監測設備示意圖Fig.1 Technical structure diagram of IOT monitoring equipments for B.bassiana solid-state fermentation

PLC支持遠程編程，實現云端編寫控制器程序。多功能一體觸摸屏對接云服務器，支持云透傳，方便設備遠程檢修與固件升級；采用js技術，實現本地與遠程客戶端操作界面同步，提高便捷性與用戶體驗。

圖2 白僵菌固態發酵過程物聯網監測設備與固態發酵箱Fig.2 IOT monitoring equipment and tank for B.bassiana solid-state fermentation

2.2 固態發酵箱

發酵箱結構相對密封，保溫、保濕性能較好，長寬高為1.5 m×0.8 m×2.3 m，箱內左右兩列配備不銹鋼或塑料材質培養盤，每列10 個，培養盤底部均勻打孔。將傳感器、網絡攝像機、散熱扇和鼓風機安裝在發酵箱中。發酵箱內部的上部中間裝入雙渦輪鼓風機，頂板開孔安裝散熱扇，不啟動時由百葉封閉。發酵箱內部上、中和下3 個位置各安裝1組傳感器，每組傳感器包括1 個固體培養料溫度傳感器（置于培養盤中，關聯散熱扇）和1 個CO2濃度傳感器（懸空掛，關聯鼓風機）。發酵箱內部中部安裝網絡攝像機。物聯網智能監測設備的主機安裝在發酵箱外側，發酵室內安裝空氣溫濕度傳感器，關聯溫控設備。

2.3 環境監控指標與方法

因為發酵箱結構相對密封，在短期固態發酵過程中，空氣濕度處于飽和狀態，不需要監測。固態發酵過程升溫快速，空氣溫度監測相對滯后，影響內部調控，不再監測發酵箱空氣溫度。白僵菌固態發酵過程中一直保持黑暗狀態。

基于上述分析，確定發酵室空氣溫度與濕度、發酵箱固體培養料溫度和CO2濃度4 個環境參數作為環境監測指標。

固態發酵箱放置于發酵室，發酵室內的溫控設備監測發酵室空氣溫度與濕度，用于調整大環境中的影響因素。物聯網監測設備監測固態發酵箱內CO2濃度和固體培養料溫度，用于調整或研究小環境中的影響因素。經發酵試驗測試，空氣溫度與固體培養料溫度在30 min 內波動幅度較小（≤5%），因此各監測參數的數據采集頻率設定為1次∕30 min。

3 技術系統設計

3.1 系統構架

遵從感知、傳輸和應用的3 層物聯網技術架構設計。通過前端傳感設備采集白僵菌生產環境的關鍵參數，數據經轉換后集中定時傳輸，由云管理平臺存儲并分析數據，實現遠程預警與環境調控管理（圖3）。

圖3 白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警示意圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

3.2 軟件系統設計

軟件系統為固態發酵過程中的智能調控云管理系統（簡稱云管理系統），包括電腦客戶端web 版軟件與手機微信小程序。

軟件設計遵循通用邏輯。系統開發操作系統平臺為Windows XP∕7∕10，服務器操作系統為Cen?teOS 7.6。文件存儲使用阿里OSS，支持多種類型圖片轉換預處理，保障用戶在線及時瀏覽圖片。服務端編程語言使用Java。系統開發關鍵邏輯層技術有：后端采用SpringBoot 技術，解決大量框架的版本沖突與不穩定問題[10]；管理端操作頁面與PC 端編程語言采用Vue JavaScript 框架；UI 框架采用基于Vue 2.0 的Elementui；物聯網設備數據對接與指令控制采用Empx 服務；小程序采用uni-app 框架。系統開發層結構與部署層結構如圖4 和圖5 所示，系統客戶端應用模塊結構如圖6所示。

圖4 白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統開發層結構示意圖Fig.4 Structure diagram of development layer of intelli?gent monitoring and warning system for B.bassiana solidstate fermentation

圖5 白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統部署層結構示意圖Fig.5 Structure diagram of deployment layer of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

圖6 白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統功能模塊示意圖Fig.6 Structure diagram of functional modules of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

用戶界面主要操作功能有實時在線查看監測數據、接收預警信息、調閱及下載歷史數據、在線分析數據及遠程下達調控指令等。同時具備用戶管理、設備管理和數據庫安全備份等功能（圖7）。

圖7 白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統PC端與微信小程序界面Fig.7 Interfaces of PC and WeChat mini program of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

4 系統測試

在發酵室中開展對比試驗。設置兩個發酵箱，分別為不裝備物聯網監控設備（1 號箱）和裝備并開啟物聯網監控設備（2號箱）。2號箱內，當上部與下部CO2濃度差大于200 ppm 時，鼓風機啟動；當固體培養料溫度超過30 ℃時，散熱扇啟動。菌種為球孢白僵菌（Beauveria bassianaBbFZ-51）菌株，由福建省林業科學研究院森林保護研究所提供。固體培養料由麥麩和谷殼組成，經水高壓蒸汽滅菌處理。發酵室、發酵箱與培養盤使用前均預消毒。監測96 h內發酵室和固體培養料溫度及CO2濃度情況。

4.1 固體培養料溫度和CO2濃度變化情況

0 ～ 24 h，固體培養料溫度變化緩慢，與發酵室溫度基本一致；24 ～ 60 h，固體培養料溫度快速升高，說明此階段白僵菌增殖快，代謝產生的熱量快速積累，50 h 左右達到頂峰；60 ～ 96 h，固體培養料溫度緩慢下降，培養盤表面出現大量白色菌絲，說明此階段為菌絲快速生長期（圖8a～b）。這與李尊華等[6]的研究結果基本一致。CO2濃度也呈現出相同的階段性變化規律（圖8c ～ d）。CO2濃度反映白僵菌繁殖過程呼吸代謝強度，與溫度變化有直接的相關性。

在48～60 h 高峰階段，1 號發酵箱上、中和下層的固體培養料最高溫度分別為30.2、31.2和26.0 ℃，呈現明顯的溫度梯度（圖8a）；上層CO2濃度最高值為6 662 ppm，下層CO2濃度最高值為3 395 ppm，為兩條差異明顯的曲線（圖8c）。2 號發酵箱上、中和下層的固體培養料溫度變化基本一致（圖8b），上、下層CO2濃度變化曲線也接近一致（圖8d）。說明開啟空氣內循環與散熱系統，能有效地交換發酵箱內上、下層氣體與熱量，使箱內溫度（或熱量）與CO2濃度均勻。鼓風機通過自上而下的氣體循環管道將頂部空氣交換至發酵柜底部，并左右分流。

4.2 空氣循環對白僵菌固態發酵質量的影響

2 號發酵箱上、下層固體培養料中的白僵菌菌絲生長較為均勻，呈現均勻的乳白色；1 號發酵箱下層培養盤中的白僵菌菌絲生長不均勻，多盤邊緣沒有布滿菌絲，露出固體培養料（圖9）。說明均勻的空氣溫度與CO2濃度能促進白僵菌均勻生長，有利于生產標準化。

圖9 開啟空氣內循環與散熱系統的優化效果Fig.9 Optimization effect of turning on air internal circulation and heat dissipation system

5 討論

白僵菌生產方式有袋式或淺盤式等粗放生產方式，勞動強度大，生產效率低；或填充床式、脈動發酵罐式等方式[11-12]，需較高資本投入；這些生產方式制約了白僵菌產品的推廣應用。新研發的白僵菌固態發酵過程環境智能監測預警系統能提高信息化與智能調控水平。通過合理設計發酵空間與發酵密度，實現準確監測發酵室空氣溫度、固體培養料溫度和CO2濃度等生產環境參數；通過空氣內循環與散熱系統有效改善箱體內熱量與CO2氣體均勻度，有利于提高白僵菌生產工藝標準化水平。

固體培養料中的水分含量是白僵菌固態發酵階段影響因子之一。本團隊曾嘗試用土壤水分傳感器監測固體培養料水分變化，但由于土壤與固體培養料成分的理化性質完全不同，土壤水分傳感器并不適用于固體培養料，監測數據失真，今后可研究適用于監測固體培養料水分含量的傳感器。有研究表明CO2影響真菌的生長[7,13]，CO2濃度的調控區間需通過進一步試驗論證。有研究表明，用日光燈連續光照比間歇光照有利于白僵菌產孢，產孢量提高96.89%[6]。本系統所設計的光照強度傳感器可用于研究不同光照強度對白僵菌固態發酵的影響。本系統在固態發酵結束后，可繼續用于白僵菌產孢生產（已初步試驗驗證），產孢階段的環境因素調控方式及產孢率可在今后進一步論證與優化。