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        食用菌菌棒自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用效果研究

        2023-03-09 01:37:42通占元宋東閣馬寶玲李慧杰郝建博
        中國果菜 2023年2期
        關(guān)鍵詞:散料裝袋雜菌

        趙 清,陳 磊,通占元*,隋 杰,宋東閣,馬寶玲,趙 全,李慧杰,郝建博

        (1.河北省農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)總站,河北石家莊 050011;2.石家莊裝備制造學(xué)校,河北石家莊 050899)

        我國食用菌工廠化生產(chǎn)自2011 年開始進(jìn)入快速發(fā)展期,至2013 年食用菌工廠化占比達(dá)到最大值,較2006 年的工廠化占比增加了10 多倍[9]。相關(guān)研究表明,自2017 年后,我國食用菌工廠化占比開始下降,尤其是一些勞動(dòng)密集型的中小型工廠,因機(jī)械化、自動(dòng)化水平較低,造成勞動(dòng)力成本投入較高,無法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[10]??梢姡瑢?shí)現(xiàn)食用菌制棒裝備自動(dòng)化,構(gòu)建食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)流程一體化的生產(chǎn)技術(shù)體系,對(duì)提升食用菌產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展具有重要意義。本研究比較了食用菌傳統(tǒng)生產(chǎn)模式、簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)模式與全鏈條自動(dòng)化快速生產(chǎn)模式下的菌包滅菌及冷卻應(yīng)用效果、菌種接種及菌袋培育應(yīng)用效果、以及菌包生產(chǎn)效率等,以期為食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)模式的示范推廣提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究地點(diǎn)

        試驗(yàn)于2020 年1~12 月在河北翔天菌業(yè)集團(tuán)股份有限公司進(jìn)行。

        1.2 儀器與設(shè)備

        滅菌-真空冷卻-緩存原料處理系統(tǒng),XTXZ7A,江蘇銳源裝備制造有限公司;無菌裝袋機(jī),ZDJXW600/160,河北翔天農(nóng)業(yè)開發(fā)集團(tuán)股份有限公司;5000 L 全自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng),GS8100,江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司;1 000 L恒溫水箱,GS81000L/H,江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司。

        1.3 方法

        1.3.1 食用菌菌棒自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)

        (1)自動(dòng)上料與攪拌

        利用電動(dòng)運(yùn)料車(8 m3)將原料運(yùn)至原料攪拌機(jī),將料斗吊起并翻轉(zhuǎn),原料落入已啟動(dòng)的攪拌機(jī)內(nèi),攪拌機(jī)自動(dòng)加水及各種輔料,攪拌完成后,進(jìn)入自動(dòng)上料系統(tǒng),最后通過螺旋輸送機(jī)將原料輸送至滅菌罐。

        (2)滅菌與冷卻

        由式(7)和式(8)可以看出,企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際邊際成本不僅會(huì)影響名義邊際成本,而且還會(huì)影響企業(yè)加成率。在其他條件不變的情況下,企業(yè)出口產(chǎn)品質(zhì)量越高,實(shí)際生產(chǎn)成本越小,則企業(yè)加成率也越高。

        通過蒸汽滅菌系統(tǒng)進(jìn)行高壓滅菌,滅菌完成后,將原料自動(dòng)輸入冷卻罐,冷卻完成后,將原料自動(dòng)輸入原料貯存罐。

        (3)液體接種

        將繁育好的菌種自動(dòng)輸送至原料貯存罐,進(jìn)行自動(dòng)拌勻接種。

        (4)自動(dòng)裝袋

        從儲(chǔ)袋裝置中吸取無菌透氣栽培袋套入抱筒,將完成接種的基質(zhì)定量裝入袋內(nèi)并壓緊,用自動(dòng)扎口機(jī)將透氣栽培袋兩端封口,制成長45 cm,直徑10.32 cm、含菌種200 mL、質(zhì)量2.3 kg、緊密度一致的菌棒,經(jīng)出袋機(jī)輸出機(jī)外。

        1.3.2 自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)

        以自動(dòng)化散料一體封閉滅菌、常規(guī)裝袋高壓滅菌及常規(guī)裝袋常壓滅菌為處理,調(diào)查了不同方式滅菌的生產(chǎn)時(shí)長、能耗、用工數(shù)量及污染率等生產(chǎn)指標(biāo)。滅菌生產(chǎn)時(shí)長以原料進(jìn)入滅菌罐開始,至出料閥門打開、出料結(jié)束為止,該環(huán)節(jié)應(yīng)用的時(shí)間,能耗以平均生產(chǎn)一袋滅菌料耗費(fèi)的電能為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),用工數(shù)量以生產(chǎn)1 萬袋滅菌料所用的人工數(shù)為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(個(gè)/萬袋),污染率以1 000 袋滅菌料中出現(xiàn)的污染袋數(shù)為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        1.3.3 自動(dòng)化散料冷卻降溫技術(shù)

        以自動(dòng)化散料冷卻、裝袋自然冷卻、裝袋強(qiáng)制冷卻為處理,比較了不同冷卻方式下的生產(chǎn)用時(shí)、用工量、破袋污損率等生產(chǎn)指標(biāo)。

        1.3.4 散料液體接種及培育

        以散料液體接種、工廠化固體接種、傳統(tǒng)模式接種為處理,比較了不同接種方式下的菌種成本、用工數(shù)量、菌種活力、菌絲滿袋時(shí)長以及菌袋污損率等生產(chǎn)指標(biāo)。菌種活力以實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)并輔以文字描述,分為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般3 個(gè)類型。

        1.3.5 自動(dòng)化生產(chǎn)

        以自動(dòng)化生產(chǎn)模式和傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為處理,統(tǒng)計(jì)了10 萬包香菇菌棒所用時(shí)長、用工數(shù)量、投資成本、生產(chǎn)成本及復(fù)種周期等。時(shí)長以同一批次生產(chǎn)10 萬袋菌棒的耗時(shí)時(shí)間為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),投資成本以生產(chǎn)10 萬菌棒的場(chǎng)地租賃費(fèi)和生產(chǎn)設(shè)備投入費(fèi)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn);生產(chǎn)成本以生產(chǎn)過程中投入的原料費(fèi)、人工費(fèi)、耗能費(fèi)綜合為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。菇棚復(fù)種周期以每年復(fù)種批次(批/年)計(jì)算。

        1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

        采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)的應(yīng)用效果

        由表1 可知,與常規(guī)裝袋高壓或傳統(tǒng)常壓滅菌技術(shù)相比,自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)下,滅菌倉體積10 m3,裝料7 m3,裝倉用時(shí)僅為0.3 h,可實(shí)現(xiàn)升溫125 ℃用時(shí)0.6 h,恒溫用時(shí)0.7 h,泄壓用時(shí)0.2 h,整個(gè)滅菌過程總耗時(shí)為1.8 h,滅雜菌用時(shí)遠(yuǎn)低于其它兩種生產(chǎn)方式,同時(shí)自動(dòng)化散料一體封閉滅雜菌技術(shù)滅菌溫度高,可達(dá)125 ℃,且破解了現(xiàn)行菌棒滅雜菌能耗高、用工多、多次搬運(yùn)導(dǎo)致污染高的問題,該生產(chǎn)模式下能耗為28 kJ/袋,生產(chǎn)1 萬袋僅用工0.1個(gè),且污染率為0。

        表1 香菇菌包散料快速滅菌與袋裝常規(guī)滅菌效果對(duì)比Table 1 Comparison of rapid sterilization and conventional sterilization of mushroom packaging powder

        2.2 自動(dòng)化散料冷卻降溫技術(shù)的應(yīng)用效果

        在自動(dòng)化生產(chǎn)模式下,滅菌后的散料通過無菌管道輸送到無菌真空冷卻罐內(nèi)通過抽濕熱、給無菌冷空氣、夾層通冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。由表2 可知,傳統(tǒng)的裝袋自然冷卻和簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)的強(qiáng)制冷卻方式下需要消毒棚室或消毒冷卻室不同,自動(dòng)化散料冷卻模式不需要場(chǎng)地,滅菌后的散料冷卻時(shí)間僅為1 h,自動(dòng)化控制基質(zhì)由99 ℃降至25 ℃,而裝袋自然冷卻需用時(shí)72 h 以上,裝袋強(qiáng)制冷卻需用時(shí)24 h 以上,冷卻時(shí)間大大縮短;自動(dòng)化生產(chǎn)模式下的散料冷卻方式不需要人工和消毒藥品,破袋污染率為0,且比其它兩種生產(chǎn)方式更安全,不會(huì)因冷卻過程中使用藥劑消毒對(duì)操作人員造成安全隱患。

        表2 自動(dòng)化散料冷卻與常規(guī)裝袋冷卻效果對(duì)比Table 2 Comparison of automatic bulk cooling and conventional bag cooling effect

        2.3 散料液體接種與傳統(tǒng)裝袋接種效果對(duì)比

        常規(guī)的香菇等食用菌接種方式是先裝袋、再滅菌冷卻后在菌袋上打孔進(jìn)行穴播方式接種,該接種方式受人為和環(huán)境因素影響較大,易污染[3]。自動(dòng)化生產(chǎn)模式下是利用液體菌種輸送接種設(shè)備,將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機(jī)分配的冷卻基質(zhì)定量輸入、自動(dòng)化拌勻接種[11]。由表3 可知,在接種方面,散料自動(dòng)化接種需要場(chǎng)地小,采用的液體菌種成本僅為0.05 元/袋,不需要人工輔助,污損率低,能夠保證菌種菌齡一致,菌種活力強(qiáng),繁殖后菌絲生長一致,且菌絲滿袋所需時(shí)長短(10~12 d),可有效縮短生產(chǎn)時(shí)間。而傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和簡(jiǎn)易工廠化生產(chǎn)模式不僅所需接種場(chǎng)地面積大,且接種過程中需要人工輔助(每萬袋接種用工為4 穴接種8 人或3 穴接種7 人),菌種活力低,菌齡不一致,菌絲生長時(shí)間較長,傳統(tǒng)模式下接種效果最差。

        表3 散料液體接種與傳統(tǒng)裝袋接種及培育效果對(duì)比Table 3 Comparison of liquid bulk inoculation and traditional bag inoculation and cultivation effect

        2.4 產(chǎn)出效果對(duì)比

        表4 顯示了每生產(chǎn)10 萬香菇菌棒,對(duì)傳統(tǒng)模式與自動(dòng)化生產(chǎn)模式下的香菇菌棒生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,結(jié)果表明,每生產(chǎn)10 萬香菇菌棒,自動(dòng)化生產(chǎn)模式下制棒時(shí)長為4 h,滅菌時(shí)長1 h,冷卻時(shí)長1 h,養(yǎng)菌時(shí)長10 d,出菇時(shí)長150 d,分別比傳統(tǒng)模式節(jié)省時(shí)長80、9、35、25、60 d,大幅降低了生產(chǎn)時(shí)間。與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下每日產(chǎn)10 萬香菇菌棒用工150 個(gè)相比,自動(dòng)化生產(chǎn)模式僅需用工5個(gè),省工效果極為顯著。對(duì)比生產(chǎn)投資成本,傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每棒菌包成本為2.6元,自動(dòng)化生產(chǎn)模式為2.08元,傳統(tǒng)生產(chǎn)模式出菇成本為4.2 元/kg,自動(dòng)化生產(chǎn)模式為4 元/kg,且自動(dòng)化生產(chǎn)模式1 年內(nèi)復(fù)種批次多于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式,可實(shí)現(xiàn)周年多批生產(chǎn),有利于提高年產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

        表4 傳統(tǒng)與自動(dòng)化生產(chǎn)模式生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Comparison of production data between traditional and automatic production

        3 討論與結(jié)論

        李玉等[11]研究表明,食用菌傳統(tǒng)生產(chǎn)方式一般采用常壓滅菌,即多層菌棒疊加滅菌,菌棒中心溫度達(dá)到100℃后多維持12 h 以上。常壓滅菌投資少,但能耗大,滅菌時(shí)間長;而工廠化裝袋滅菌通常使用滅菌柜,多層菌棒疊加,116 ℃高壓滅菌,一般滅菌8 h 以上。本研究中的自動(dòng)化散料快速滅菌方式是基于基質(zhì)快速熟化發(fā)酵倉、自動(dòng)攪拌滅菌罐進(jìn)行的,實(shí)現(xiàn)了高溫高壓蒸汽滅菌,可實(shí)現(xiàn)在121~125 ℃,從上料到泄壓1.72 h 滅菌基質(zhì)7 m3,滅菌省時(shí)78.5%,滅菌過程中可通過轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌軸翻動(dòng)基質(zhì)達(dá)到均勻滅菌,且通過控制蒸汽閥門在設(shè)定的溫度、壓力下將蒸汽送達(dá)物料各處,確保滅菌徹底、無死角。裝袋生產(chǎn)中,滅菌后需菌棒中心溫度降至20 ℃左右時(shí)才可接種,傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為自然冷卻,一般冷卻需3 d 以上,工廠化裝袋滅菌需在凈化車間的冷卻室中通過制冷機(jī)強(qiáng)制冷卻,一般需要1 d 以上[12]。本研究中的散料快速冷卻是基于負(fù)壓冷卻罐、無菌氣源裝置進(jìn)行的,實(shí)現(xiàn)了0.45 h 自動(dòng)控制基質(zhì)由99 ℃降至25 ℃,快速冷卻省時(shí)95.8%,無污染,符合各種類菌棒含水量要求。同時(shí)該自動(dòng)化模式將高溫高壓蒸汽滅菌與負(fù)壓快速冷卻高效偶聯(lián),以自動(dòng)化散料一體封閉滅菌冷卻技術(shù),破解了現(xiàn)行菌棒滅菌能耗高、冷卻需要空間大、多次搬運(yùn)導(dǎo)致污染、消毒劑污染環(huán)境、效率低等難題。與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式或簡(jiǎn)易工廠化模式相比,節(jié)時(shí)省工。

        菌種接種作為食用菌菌棒生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序,關(guān)系著后續(xù)栽培生產(chǎn)的成敗[13]。傳統(tǒng)的香菇生產(chǎn)主要采用固體接種方式,固體菌種接種方式存在制種周期長、工藝繁瑣、用種量大、雜菌污染率高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、發(fā)菌周期長、菌齡不一致等弊端,嚴(yán)重影響了香菇產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[14]。與固體菌種相比,液體菌種具有用種量少、發(fā)菌快等優(yōu)點(diǎn)[15]。李賀等[16]認(rèn)為在推進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)工廠化的進(jìn)程中,液體菌種代替固體菌種并廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。但當(dāng)前我國食用菌液體菌種接種主要采用開袋或打孔植入,該技術(shù)靠藥劑消毒滅雜菌,凈化環(huán)境后打孔或開袋接種,存在雜菌侵染風(fēng)險(xiǎn);菌絲由接種點(diǎn)緩慢向基質(zhì)生長,整棒菌齡不一、成熟度不同,影響出菇質(zhì)量和產(chǎn)量。本研究中的自動(dòng)化生產(chǎn)模式,是利用液體菌種輸送接種設(shè)備,將繁育好的菌種與布料螺旋輸送機(jī)分配的冷卻基質(zhì)定量輸入,將菌種噴灑至無菌散料中,攪拌均勻混合接種;突破了精準(zhǔn)計(jì)量接種量、攪拌傷害菌種、攪拌染菌等散料接種液體菌種難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了菌種的均勻分布、萌發(fā)一致、生長健壯。

        工廠化生產(chǎn)是我國食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),可降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率[17-18],加強(qiáng)食用菌自動(dòng)化生產(chǎn),有助于實(shí)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)現(xiàn)代化[19-20]。本研究中應(yīng)用的自動(dòng)化食用菌菌棒(以香菇為例)生產(chǎn)模式,利用散料快速滅菌冷卻傳輸、基質(zhì)全料均勻接種、全封閉自動(dòng)化無菌操作等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了食用菌菌棒的一體化、自動(dòng)化生產(chǎn),不僅生產(chǎn)過程省時(shí)省力,提高了生產(chǎn)效率,而且可減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)的污染,保證菌絲生長一致,大大縮短菌絲滿袋所需時(shí)長,同時(shí)降低生產(chǎn)耗能和相關(guān)消毒藥劑施用量,使食用菌工廠化生產(chǎn)自動(dòng)化、快速化、安全化、低耗化,克服了當(dāng)前食用菌菌棒生產(chǎn)過程中存在的用工多、污染率高、滅菌能耗大、操作環(huán)境消毒用藥多等“瓶頸”問題,可大面積應(yīng)用于我國食用菌產(chǎn)業(yè)。

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