食用菌袋栽液體接種機(jī)研發(fā)

陳長(zhǎng)卿， 鄭 濤， 劉 丹， 王 潔， 朱建錫

（金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院），浙江 金華 321017）

0 引言

1 食用菌袋栽液體接種機(jī)械化技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)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(shí)現(xiàn)混料、發(fā)酵、接種、覆土、噴水、采菇及清床全程機(jī)械化，并對(duì)光照、溫度、濕度和肥料等主要環(huán)境因子實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)控[4]。日本、韓國(guó)的食用菌工廠化生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)單機(jī)及生產(chǎn)線的高度智能化和系列化，整體生產(chǎn)技術(shù)水平較高[5-6]。日本較早開(kāi)展食用菌菌種和栽培技術(shù)研究，北研株式會(huì)社、森產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社和食用菌中也是其中3 個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)，日本生產(chǎn)的食用菌產(chǎn)品在全球市場(chǎng)認(rèn)可度高，其食用菌栽培技術(shù)裝備研究在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。韓國(guó)在引進(jìn)并消化日本技術(shù)后，通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)改進(jìn)，形成了食用菌工業(yè)化設(shè)施生產(chǎn)栽培模式，擁有大興農(nóng)場(chǎng)年產(chǎn)量達(dá)10 萬(wàn)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(kuò)大，相關(guān)技術(shù)裝備水平處于國(guó)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(guān)設(shè)備有日本田中技研工業(yè)株式會(huì)社研發(fā)的LSX 型自動(dòng)液體菌種接種機(jī)，韓國(guó)D.M.S 公司、PQ 公司和MR公司研制的自動(dòng)液體菌種接種機(jī)，但多應(yīng)用于瓶栽液體菌接種，袋栽液體菌自動(dòng)化接種還處于研究階段[8]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)液體菌種工廠化生產(chǎn)技術(shù)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(duì)較小，研發(fā)資金投入不多，相關(guān)研究成果也較少。在菌種選用上以固體菌種為主，較先進(jìn)的液體菌種則運(yùn)用很少；在生產(chǎn)裝備上，仍然使用半機(jī)械、半自動(dòng)化的簡(jiǎn)易設(shè)備[4]。所以，我國(guó)在食用菌工廠化生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備方面亟待進(jìn)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(dòng)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(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，對(duì)我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化發(fā)展制約較大。近年來(lái)，我國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)接種設(shè)備研發(fā)也有了一定進(jìn)展。如連云港國(guó)鑫食用菌成套設(shè)備有限公司研制了GXJZ-Y 型液體自動(dòng)接種機(jī)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)閉蓋機(jī)構(gòu)和菌種供給噴射機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)性不夠，開(kāi)閉蓋費(fèi)時(shí)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(wú)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(guò)控制閥門易感染雜菌，影響出菌質(zhì)量；④設(shè)備有較大噪聲和振動(dòng)、接種效率低、菌種控量差。由此看來(lái)，現(xiàn)有機(jī)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(dòng)化生產(chǎn)。

2 食用菌袋栽工廠化生產(chǎn)存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)在我國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)處于起步階段，食用菌產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)的菌種與其接種設(shè)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(dòng)化接種裝備和工藝技術(shù)研究偏少。目前的接種技術(shù)及其裝備還無(wú)法達(dá)到食用菌工廠大規(guī)模生產(chǎn)的需求。國(guó)內(nèi)食用菌袋栽液體菌及接種設(shè)備大部分依賴進(jìn)口，尚未出現(xiàn)工廠化國(guó)產(chǎn)袋栽液體菌及其接種裝備，市場(chǎng)上應(yīng)用的菌種及其接種設(shè)備存在以下主要問(wèn)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(yīng)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(shù)研究較少。

2.2 袋栽食用菌液體菌種自動(dòng)化接種設(shè)備短缺

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

2.3 控制系統(tǒng)不可靠，接種精度不高

在國(guó)外，通常采用電子控制技術(shù)對(duì)液體接種過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)接種的各個(gè)工序進(jìn)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(guó)內(nèi)，液體接種機(jī)自動(dòng)化程度整體偏低，接種工序時(shí)間偏長(zhǎng)，環(huán)境中的雜菌容易進(jìn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)精確接種。

3 技術(shù)解決方案

目前國(guó)內(nèi)外食用菌袋栽液體接種機(jī)只有人工和半自動(dòng)的機(jī)型，效率低、精度低，距離食用菌袋栽規(guī)模化、工廠化生產(chǎn)要求還有較大研究空間。目前尚無(wú)袋栽液體菌種的全自動(dòng)接種技術(shù)與裝備。因此，國(guó)內(nèi)亟待研究開(kāi)發(fā)適宜工廠化食用菌袋栽液體菌種自動(dòng)接種生產(chǎn)技術(shù)與裝備。本文提出研究開(kāi)發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸、定位、夾緊、壓瓶、開(kāi)蓋、噴射接種、壓蓋、檢測(cè)、輸送等食用菌袋栽液體機(jī)械化連續(xù)接種作業(yè)的技術(shù)與裝備，可有效減少人工參與量，避免開(kāi)閉蓋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(zhì)量，實(shí)現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種接種的自動(dòng)化生產(chǎn)。

漢江是長(zhǎng)江中下游最大支流，全長(zhǎng)1577km，流域面積 15.9萬(wàn)km2。漢江中上游河谷開(kāi)闊，水面較寬，泄洪能力較強(qiáng)，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(dǎo)致漢江中下游地區(qū)歷史上洪澇災(zāi)害頻繁而嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)接種機(jī)結(jié)構(gòu)

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(duì)市場(chǎng)上液體菌種接種機(jī)接種精度不夠、均勻性差和效率低等問(wèn)題，研究確定液體菌種自動(dòng)接種生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)為菌袋框輸送?穩(wěn)袋定位?組合開(kāi)蓋?精量噴射接種?組合壓蓋?檢測(cè)?自動(dòng)輸送。

袋栽液體菌種全自動(dòng)接種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。考慮接種效率、精度和自控等問(wèn)題，整機(jī)結(jié)構(gòu)在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)具有整機(jī)控制自動(dòng)化程度髙、穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)可調(diào)定量噴射接種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接種量精確、均勻、可調(diào)的特點(diǎn)。

圖1 袋栽液體菌種全自動(dòng)接種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)

接種生產(chǎn)線袋框輸送機(jī)構(gòu)由電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)傳動(dòng)軸拖動(dòng)鏈輪進(jìn)行傳動(dòng)。由于接種過(guò)程需要輸送裝置頻繁啟停，并且運(yùn)輸加速度和速度較大，采用鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對(duì)于頻繁啟動(dòng)的工作環(huán)境較為適用，而且具有響應(yīng)快、不打滑等特點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)水平均布的4 條輸送鏈，實(shí)現(xiàn)菌袋框平穩(wěn)運(yùn)輸。

袋框輸送機(jī)構(gòu)由入口、接種及輸出位3 個(gè)相同的輸送單元組成，每個(gè)單元由帶制動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力傳送鏈、傳動(dòng)軸、運(yùn)輸鏈條、支撐板、從動(dòng)軸組成。采用變頻器和電機(jī)相配合，從而實(shí)現(xiàn)啟停和變速運(yùn)輸功能。

3.3 接種生產(chǎn)線穩(wěn)袋開(kāi)閉蓋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在接種前，食用菌袋裝培養(yǎng)基先進(jìn)行閉蓋殺菌冷卻工序，使袋內(nèi)處于無(wú)菌狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)接種過(guò)程中開(kāi)蓋和壓蓋快速機(jī)械操作，降低外部環(huán)境浮游雜菌侵入的概率，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)穩(wěn)袋開(kāi)閉蓋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)穩(wěn)袋開(kāi)閉蓋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of automatic bag stabilizing lid opening and closing driving mechanism

3.3.1 設(shè)計(jì)氣動(dòng)穩(wěn)袋夾頸裝置

穩(wěn)袋夾頸裝置采用氣動(dòng)夾緊4 桿機(jī)構(gòu)，兩夾頸弧板呈長(zhǎng)條狀，兩夾頸弧板間根據(jù)菌袋直接設(shè)計(jì)可調(diào)缺口，夾頸弧板沿輸送方向水平延伸，汽缸驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)兩弧板相對(duì)運(yùn)動(dòng)靠近或遠(yuǎn)離，通過(guò)夾頸弧板圍合靠近將菌袋袋口夾在缺口處，實(shí)現(xiàn)菌袋的定位、穩(wěn)袋、夾緊。

3.3.2 袋栽開(kāi)蓋壓蓋裝置

食用菌袋栽開(kāi)蓋裝置采用圓弧導(dǎo)向雙半圓4 彈簧夾緊結(jié)構(gòu)，夾緊片根據(jù)瓶蓋大小設(shè)計(jì)兩片可調(diào)對(duì)稱圓弧形缺口，夾緊片兩端設(shè)計(jì)2 對(duì)彈簧柔性支持。夾緊片可以上下移動(dòng)，也可以圍繞彈簧支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。夾緊片圓弧形缺口處設(shè)計(jì)導(dǎo)向弧板，滿足夾緊片在開(kāi)蓋菌包袋蓋上下或左右偏差時(shí)能夠準(zhǔn)確卡入袋蓋卡槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確開(kāi)蓋。左右移動(dòng)的開(kāi)合通過(guò)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)中心設(shè)計(jì)壓蓋定位裝置，當(dāng)菌袋穩(wěn)定到位后，壓蓋定位裝置向下移動(dòng)把袋蓋壓在菌袋上，防止袋蓋左右移動(dòng)，便于開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)準(zhǔn)確卡入袋蓋卡槽內(nèi)。當(dāng)接種完成后，壓蓋機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，完成壓蓋。壓蓋機(jī)構(gòu)通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)，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(kāi)蓋、壓蓋功能，操作失誤率低，極大提高接種效率和質(zhì)量。

3.4 袋栽液體菌種接種系統(tǒng)

針對(duì)食用菌工廠化液體菌種接種效率及質(zhì)量要求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了袋栽液體菌種接種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接種噴射同時(shí)到達(dá)接種工位，減少空行程時(shí)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(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣，對(duì)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(guò)試驗(yàn)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(zhì)量。

3.4.2 定量可調(diào)液體接種噴射管路系統(tǒng)

液體接種噴射管路裝置設(shè)計(jì)主要由氣動(dòng)導(dǎo)柱式往復(fù)機(jī)構(gòu)、料液分配器、噴射電磁閥、支撐板等組成。設(shè)計(jì)的氣動(dòng)導(dǎo)柱式往復(fù)機(jī)構(gòu)，其傳遞精度及承載能力較好，能對(duì)12 個(gè)菌袋同時(shí)完成定量噴射接種，而且接種噴射同一時(shí)間到達(dá)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(guò)閥門易感染雜菌，影響出菌質(zhì)量。該裝置采用軟管輸送液體菌種，在軟管外設(shè)計(jì)電機(jī)無(wú)級(jí)控制的開(kāi)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)開(kāi)合結(jié)構(gòu)自由調(diào)節(jié)液體菌種噴射量，該機(jī)構(gòu)在軟管外，液體菌種不受污染，安全可靠。

3.5 接種氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

接種氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括空壓機(jī)、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。空壓機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)輸送管道，過(guò)氣動(dòng)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(qū)動(dòng)定位氣缸及穩(wěn)袋氣缸。由定位氣缸確定袋框在接種機(jī)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(guò)連接管路上的電磁閥通閉，實(shí)現(xiàn)袋框定位和菌袋固定。另一條線經(jīng)空氣無(wú)菌過(guò)濾器和空氣壓力調(diào)節(jié)閥，最后連到液體菌菌罐，為菌罐提供恒壓無(wú)菌空氣。

3.6 全自動(dòng)接種機(jī)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(dòng)接種機(jī)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(kāi)發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有自動(dòng)控制系統(tǒng)、手動(dòng)控制系統(tǒng)、液體菌種接種量精確控制系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)手動(dòng)控制系統(tǒng)，用戶能自選獨(dú)立工作機(jī)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)定系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷，檢查待工作機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)是否產(chǎn)生干涉。手動(dòng)模式下，需要設(shè)計(jì)接種生產(chǎn)線的順序邏輯控制和試驗(yàn)調(diào)試要求。

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足接種機(jī)在各功能機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)間的自動(dòng)化生產(chǎn)。在接種過(guò)程中，全程實(shí)時(shí)監(jiān)視各部件工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)意外警報(bào)時(shí)可及時(shí)停止、復(fù)位，保證生產(chǎn)安全，能滿足液體菌種接種量的精確、可調(diào)、監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)接種。

3.7 預(yù)期目標(biāo)

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

4 結(jié)束語(yǔ)

食用菌袋栽液體接種機(jī)可通過(guò)輸送帶自動(dòng)輸送至接種室，海鮮菇、杏鮑菇等短袋包可整框12 包同時(shí)完成拔蓋?接種?壓蓋的接種工序，香菇、黑木耳等長(zhǎng)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(dòng)化，可自主設(shè)定單次接種量，一般為15～30 mL，也可設(shè)定接種一定數(shù)量后對(duì)接種噴頭自動(dòng)滅菌，降低菌包污染風(fēng)險(xiǎn)。短袋包接種機(jī)效率為4 000～5 000 包/h，長(zhǎng)袋包接種機(jī)效率為800～1 000 包/h。目前已應(yīng)用于浙江廣誠(chéng)的海鮮菇工廠化生產(chǎn)線，日產(chǎn)海鮮菇1.5 萬(wàn)～2.0 萬(wàn)包，整機(jī)自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好，接種量精準(zhǔn)、均勻、可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了接種無(wú)人化，市場(chǎng)前景廣闊。