白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统的开发

杨际伟，蔡守平，陈玉珍，陈为雄，何学友

（1.福建省科技厅农牧业科研中试中心，福建福州 350012；2.福建省林业科学研究院，福建福州 350012）

白僵菌（Beauveria bassiana）是一种寄主范围广、致病力强和环境适应性强的昆虫病原真菌，在松毛虫（Dendrolimusspp.）等重要林业害虫的防治中发挥重要作用。白僵菌易于工业规模化生产，白僵菌杀虫剂是目前林业有害生物防治中应用最广泛的生物制剂之一，具有广阔的应用前景[1-3]。

白僵菌的生产工艺有3种，即液体发酵、固体发酵和液固双相发酵[4]。液固双相发酵法运用最多，即通过液体培养获得白僵菌菌液（菌丝或芽生孢子），接种于固体培养基上进行固态发酵。液体培养阶段较成熟；固态发酵阶段多为人工或半机械化方式，受到发酵基质、发酵容器和环境因素等多种因素的影响，且固态发酵为开放式培养，存在环境调控不到位、杂菌污染、发酵不充分、生产周期长、产孢量低及质量不稳定等问题[4]。

本研究根据白僵菌生长特性及其在发酵过程中对环境的调控要求，应用物联网（IOT）、云服务等技术，开发一套白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统。经测试，该系统能对白僵菌固态发酵过程的环境条件进行及时、准确地监测、预警与调控，降低白僵菌污染率，提高产量与品质。该系统的应用有利于提升白僵菌生产效率，促进生产工艺标准化发展。

1 白僵菌固态发酵对环境因素的要求

白僵菌固态发酵过程受环境因素影响，常见的环境因素有温度和CO2浓度等。

1.1 温度

白僵菌菌丝的生长释放大量热量，改变空气和固体培养料温度，温度的变化又会直接影响菌丝的生长和孢子的形成[5]。空气和固体培养料温度间因热量的传递相互影响。白僵菌固态发酵的不同阶段对温度各有要求，适应期为24～26 ℃，快速生长期为27～28 ℃，稳定期为28～29 ℃[6]。

1.2 CO2浓度

CO2浓度是研究虫生真菌固态发酵生物特性变化及生产周期、效率等的有效、准确指标[6-7]。白僵菌为好氧虫生真菌，固态发酵过程中会产生大量的CO2，推高发酵空间CO2浓度。目前，关于CO2对白僵菌固态发酵影响的研究鲜有报道。

2 硬件设计与配置

硬件设计需满足环境监测与调控的要求。白僵菌固态发酵过程需要很高的空气湿度，配置的元器件需有很好的防水、防锈性能，并需要有效措施解除高湿环境对元器件的干扰，保持硬件正常运行。对发酵箱进行创新性设计，满足结构与容积合理、箱体内部空气温度与湿度相对均衡及保湿性能较好的要求。

2.1 物联网监测设备

物联网监测设备主要由控制主机与传感器组成。控制主机包括解码器、可编程逻辑控制器（PLC）和多功能一体触摸屏等，可实现环境参数采集、转换和交互以及客户端指令的解析、下达和反馈（图1～2）。解码器采用电源数据共线传输技术，减少发酵箱布线；内置Modbus RTU 协议，支持前端传感器与环境调控设备的通信；支持9-24V 低压开关量控制，满足散热扇、鼓风机低压输出。传感器包括空气温湿度传感器、固体培养料温度传感器、CO2传感器和网络摄像机。空气温湿度传感器型号为HSTL-104WS。固体培养料温度传感器选用NTC热敏电阻传感器（型号：NTCALUG03A103G），不锈钢封装，热导性与耐腐蚀性好[8]。CO2传感器采用内置式红外吸收型传感模块，内置微型通风扇与时控继电器相连，通过定时空气流动去除电子元器件表面结露，解决气敏型传感器因高湿结露引起的故障[9]。光照传感器采用光敏电阻型（型号：HSTL-GZD），易受温度影响，但通过本系统调控后白僵菌固态发酵过程中的环境温度变化幅度小，因而适用性较好。网络摄像机在JJR-NETCAM-01A 型号基础上定制近焦高清单反镜头，镜头具有纳米防雾涂层。

图1 白僵菌固态发酵过程物联网监测设备示意图Fig.1 Technical structure diagram of IOT monitoring equipments for B.bassiana solid-state fermentation

PLC支持远程编程，实现云端编写控制器程序。多功能一体触摸屏对接云服务器，支持云透传，方便设备远程检修与固件升级；采用js技术，实现本地与远程客户端操作界面同步，提高便捷性与用户体验。

图2 白僵菌固态发酵过程物联网监测设备与固态发酵箱Fig.2 IOT monitoring equipment and tank for B.bassiana solid-state fermentation

2.2 固态发酵箱

发酵箱结构相对密封，保温、保湿性能较好，长宽高为1.5 m×0.8 m×2.3 m，箱内左右两列配备不锈钢或塑料材质培养盘，每列10 个，培养盘底部均匀打孔。将传感器、网络摄像机、散热扇和鼓风机安装在发酵箱中。发酵箱内部的上部中间装入双涡轮鼓风机，顶板开孔安装散热扇，不启动时由百叶封闭。发酵箱内部上、中和下3 个位置各安装1组传感器，每组传感器包括1 个固体培养料温度传感器（置于培养盘中，关联散热扇）和1 个CO2浓度传感器（悬空挂，关联鼓风机）。发酵箱内部中部安装网络摄像机。物联网智能监测设备的主机安装在发酵箱外侧，发酵室内安装空气温湿度传感器，关联温控设备。

2.3 环境监控指标与方法

因为发酵箱结构相对密封，在短期固态发酵过程中，空气湿度处于饱和状态，不需要监测。固态发酵过程升温快速，空气温度监测相对滞后，影响内部调控，不再监测发酵箱空气温度。白僵菌固态发酵过程中一直保持黑暗状态。

基于上述分析，确定发酵室空气温度与湿度、发酵箱固体培养料温度和CO2浓度4 个环境参数作为环境监测指标。

固态发酵箱放置于发酵室，发酵室内的温控设备监测发酵室空气温度与湿度，用于调整大环境中的影响因素。物联网监测设备监测固态发酵箱内CO2浓度和固体培养料温度，用于调整或研究小环境中的影响因素。经发酵试验测试，空气温度与固体培养料温度在30 min 内波动幅度较小（≤5%），因此各监测参数的数据采集频率设定为1次∕30 min。

3 技术系统设计

3.1 系统构架

遵从感知、传输和应用的3 层物联网技术架构设计。通过前端传感设备采集白僵菌生产环境的关键参数，数据经转换后集中定时传输，由云管理平台存储并分析数据，实现远程预警与环境调控管理（图3）。

图3 白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警示意图Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

3.2 软件系统设计

软件系统为固态发酵过程中的智能调控云管理系统（简称云管理系统），包括电脑客户端web 版软件与手机微信小程序。

软件设计遵循通用逻辑。系统开发操作系统平台为Windows XP∕7∕10，服务器操作系统为Cen⁃teOS 7.6。文件存储使用阿里OSS，支持多种类型图片转换预处理，保障用户在线及时浏览图片。服务端编程语言使用Java。系统开发关键逻辑层技术有：后端采用SpringBoot 技术，解决大量框架的版本冲突与不稳定问题[10]；管理端操作页面与PC 端编程语言采用Vue JavaScript 框架；UI 框架采用基于Vue 2.0 的Elementui；物联网设备数据对接与指令控制采用Empx 服务；小程序采用uni-app 框架。系统开发层结构与部署层结构如图4 和图5 所示，系统客户端应用模块结构如图6所示。

图4 白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统开发层结构示意图Fig.4 Structure diagram of development layer of intelli⁃gent monitoring and warning system for B.bassiana solidstate fermentation

图5 白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统部署层结构示意图Fig.5 Structure diagram of deployment layer of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

图6 白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统功能模块示意图Fig.6 Structure diagram of functional modules of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

用户界面主要操作功能有实时在线查看监测数据、接收预警信息、调阅及下载历史数据、在线分析数据及远程下达调控指令等。同时具备用户管理、设备管理和数据库安全备份等功能（图7）。

图7 白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统PC端与微信小程序界面Fig.7 Interfaces of PC and WeChat mini program of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

4 系统测试

在发酵室中开展对比试验。设置两个发酵箱，分别为不装备物联网监控设备（1 号箱）和装备并开启物联网监控设备（2号箱）。2号箱内，当上部与下部CO2浓度差大于200 ppm 时，鼓风机启动；当固体培养料温度超过30 ℃时，散热扇启动。菌种为球孢白僵菌（Beauveria bassianaBbFZ-51）菌株，由福建省林业科学研究院森林保护研究所提供。固体培养料由麦麸和谷壳组成，经水高压蒸汽灭菌处理。发酵室、发酵箱与培养盘使用前均预消毒。监测96 h内发酵室和固体培养料温度及CO2浓度情况。

4.1 固体培养料温度和CO2浓度变化情况

0 ～ 24 h，固体培养料温度变化缓慢，与发酵室温度基本一致；24 ～ 60 h，固体培养料温度快速升高，说明此阶段白僵菌增殖快，代谢产生的热量快速积累，50 h 左右达到顶峰；60 ～ 96 h，固体培养料温度缓慢下降，培养盘表面出现大量白色菌丝，说明此阶段为菌丝快速生长期（图8a～b）。这与李尊华等[6]的研究结果基本一致。CO2浓度也呈现出相同的阶段性变化规律（图8c ～ d）。CO2浓度反映白僵菌繁殖过程呼吸代谢强度，与温度变化有直接的相关性。

在48～60 h 高峰阶段，1 号发酵箱上、中和下层的固体培养料最高温度分别为30.2、31.2和26.0 ℃，呈现明显的温度梯度（图8a）；上层CO2浓度最高值为6 662 ppm，下层CO2浓度最高值为3 395 ppm，为两条差异明显的曲线（图8c）。2 号发酵箱上、中和下层的固体培养料温度变化基本一致（图8b），上、下层CO2浓度变化曲线也接近一致（图8d）。说明开启空气内循环与散热系统，能有效地交换发酵箱内上、下层气体与热量，使箱内温度（或热量）与CO2浓度均匀。鼓风机通过自上而下的气体循环管道将顶部空气交换至发酵柜底部，并左右分流。

4.2 空气循环对白僵菌固态发酵质量的影响

2 号发酵箱上、下层固体培养料中的白僵菌菌丝生长较为均匀，呈现均匀的乳白色；1 号发酵箱下层培养盘中的白僵菌菌丝生长不均匀，多盘边缘没有布满菌丝，露出固体培养料（图9）。说明均匀的空气温度与CO2浓度能促进白僵菌均匀生长，有利于生产标准化。

图9 开启空气内循环与散热系统的优化效果Fig.9 Optimization effect of turning on air internal circulation and heat dissipation system

5 讨论

白僵菌生产方式有袋式或浅盘式等粗放生产方式，劳动强度大，生产效率低；或填充床式、脉动发酵罐式等方式[11-12]，需较高资本投入；这些生产方式制约了白僵菌产品的推广应用。新研发的白僵菌固态发酵过程环境智能监测预警系统能提高信息化与智能调控水平。通过合理设计发酵空间与发酵密度，实现准确监测发酵室空气温度、固体培养料温度和CO2浓度等生产环境参数；通过空气内循环与散热系统有效改善箱体内热量与CO2气体均匀度，有利于提高白僵菌生产工艺标准化水平。

固体培养料中的水分含量是白僵菌固态发酵阶段影响因子之一。本团队曾尝试用土壤水分传感器监测固体培养料水分变化，但由于土壤与固体培养料成分的理化性质完全不同，土壤水分传感器并不适用于固体培养料，监测数据失真，今后可研究适用于监测固体培养料水分含量的传感器。有研究表明CO2影响真菌的生长[7,13]，CO2浓度的调控区间需通过进一步试验论证。有研究表明，用日光灯连续光照比间歇光照有利于白僵菌产孢，产孢量提高96.89%[6]。本系统所设计的光照强度传感器可用于研究不同光照强度对白僵菌固态发酵的影响。本系统在固态发酵结束后，可继续用于白僵菌产孢生产（已初步试验验证），产孢阶段的环境因素调控方式及产孢率可在今后进一步论证与优化。