Микроклимат культивационных помещений [1989 Девочкин Л.А.

Применение вентиляции помещений при выращивании шампиньона считали необходимым еще в первой половине прошлого столетия.

Е. Ламберт показал, что в процессе выращивания шампиньона продуцируемая субстратом и культурой углекислота при недостаточной вентиляции накапливается в субстрате и воздухе помещения, что приводит к формированию плодовых тел ненормальной формы с тонкими удлиненными ножками.

Позднее С. Мидлебруком и И. Стореем было показано, что для обеспечения нормальных условий выращивания шампиньона в помещениях с многоярусным размещением емкостей (ящиков или стеллажей) следует создавать определенное отношение объема воздуха к площади гряд.

При отношении объема воздуха к площади гряд менее 1,2-1,5 м³/м² урожай шампиньонов заметно падает и для повышения его уровня требуется дополнительная вентиляция помещения. Установленное отношение длительное время служило критерием для разработки конструкции шампиньонниц с естественной вентиляцией.

Во второй половине 50-х годов для вентиляции помещений в шампиньонницах стали применять принудительную систему вентиляции, что позволило получать более высокие и стабильные урожаи шампиньонов.

Дальнейшие углубленные исследования показали, что окружающая среда и шампиньон находятся в тесной взаимосвязи. Вегетативный рост мицелия шампиньона, плодообразование и рост плодовых тел, а следовательно, и уровень плодоношения в значительной степени зависят от воздействия факторов окружающей среды.

Взаимосвязь факторов окружающей среды и их влияние на развитие культуры называют микроклиматом.

Под микроклиматом культивационного сооружения для выращивания шампиньонов понимают совокупность физического состояния и химического состава воздушной среды ограниченного объема помещения - температуры, влажности, количества вредных газов (СО₂, NH₃, H₂S и др.), а также содержания микроорганизмов.

Кроме того, к микроклимату в шампиньоннице следует отнести движение воздуха, его скорость и направление.

Микроклимат культивационного помещения определяется биологическими и физиологическими особенностями шампиньона, активностью микробиологических процессов, происходящих в субстрате, метеорологическими и техническими факторами.

Биологические и физиологические особенности шампиньона, связанные с микроклиматом: требования к температуре, влажности, скорости движения воздуха и содержанию газов в воздухе помещения по периодам роста и развития культуры, а также к содержанию в воздухе различных микроорганизмов; количество тепла, влаги и газов, выделяемых грядами с развивающейся культурой, как конечных продуктов метаболизма.

Метеорологические факторы: условия наружного климата, которые воздействуют на микроклимат культивационного помещения через ограждающие конструкции здания и вентиляцию.

Технические факторы: конструктивные особенности здания, размеры и теплоизоляция ограждающих конструкций; отопление и вентиляция (или кондиционирование).

Существенным фактором, влияющим на сохранение культуры от различных грибных и бактериальных заболеваний, служит содержание микроорганизмов в воздухе.

На параметры микроклимата в культивационном помещении непосредственно влияют выделяемые грядами с культурой тепло, влага и газы. Интенсивность их выделения зависит от массы субстрата, укладываемой на единицу площади, а также от температура субстрата и воздуха помещения в соответствии с периодом технологического процесса и активности микрофлоры в субстрате.

Количество тепла, влаги и газообразных продуктов метаболизма определяет уровень необходимого воздухообмена в культивационном помещении. Энергетическим источником для жизнедеятельности микрофлоры субстрата и мицелия шампиньона служат углеродсодержащие вещества субстрата, при разложении которых выделяются теплота, влага и углекислой газ. Процесс разложения углеродсодержащих соединений в конечной фазе можно представить как окисление глюкозы:

Естественно, что в процессе метаболизма принимают участие не только простые углеводы, но и более сложные, например, целлюлоза и лигнин-гумусовый комплекс, образующийся при ферментации субстрата. При разложении сложных углеродсодержащих соединений тепла, воды и углекислого газа выделяется примерно на 10% больше, чем от разложения простых углеводов.

Образующаяся в процессе метаболизма теплота расходуется на поддержание процессов жизнедеятельности микрофлоры и мицелия шампиньона внутри субстрата (внутренний потребитель энергии), на процесс испарения воды грядами (скрытое тепло) и на подогрев воздуха помещения (свободное или ощутимое тепло). Из общего количества выделяемой теплоты примерно 25-30% потребляется на внутренние процессы, около 50% расходуется на испарение воды грядами, остальная часть поступает в виде свободного тепла в окружающую среду. Следовательно, в тепловом балансе культивационного помещения непосредственно участвует свободное и скрытое тепло.

Выделяемая при метаболизме углекислота накапливается внутри слоя субстрата, проникает через слой покровного материала в окружающую среду и рассеивается в ней, при этом увеличивается концентрация СО₂ в воздухе культивационного помещения. Изменение концентрации углекислого газа и температуры в субстрате, зоне роста плодовых тел и в окружающем воздухе показано на рисунке 20.

Рис. 20. Температура и концентрация СО2 в субстрате и окружающем воздухе культивационного помещения

Рис. 20. Температура и концентрация СО₂ в субстрате и окружающем воздухе культивационного помещения

Немаловажное значение в тепловом балансе имеют потери воды. Вода из гряд теряется за счет выноса ее с урожаем и испарения. Вынос воды с урожаем составляет 0,9 л на 1 кг продукции, а потери в результате испарения зависят от температуры, скорости потока и влажности воздуха над грядами. Следовательно, потери воды при испарении связаны с уровнем воздухообмена культивационного помещения, характерного для технологического процесса в определенный период выращивания культуры.

Шампиньон характеризуется неодинаковыми требованиями к условиям внешней среды в различные периоды технологического процесса его выращивания. Поэтому выращивание культуры целесообразно подразделить на следующие основные периоды:

спонтанная ферментация - фаза 1 приготовления субстрата;

термическая обработка субстрата - фаза 2 приготовления субстрата;

рост мицелия в субстрате и покровном материале;

Успех выращивания шампиньона во многом зависит от первых двух периодов, с которыми связано качество субстрата. Поэтому при его ферментации и термической обработке важно создавать оптимальные условия внешней среды для протекания микробиологических процессов и для получения субстрата высокого качества.

Фаза вегетативного роста мицелия включает прорастание мицелия в субстрате и рост мицелия в субстрате и покровном материале.

В течение первых трех периодов все процессы протекают в субстрате, а функции внешней среды ограничены только определенным влиянием на активность микробиологических процессов и мицелия в субстрате. В период роста мицелия в субстрате и покровном материале значительно возрастает роль условий внешней среды, так как они уже не только влияют на субстрат, но и начинают оказывать прямое воздействие на культуру шампиньона. В генеративной фазе важны три периода, от плодообразования до завершения плодоношения. Начиная с периода плодообразования все важные процессы роста переходят из внутренних зон субстрата и покровного материала во внешнюю зону над слоем покровного материала и условия внешней среды становятся контролем (регулятором) развития плодовых тел.

Кроме основных периодов процесса выращивания, имеются переходные периоды, довольно короткие во времени, когда в культивационном помещении необходимо перейти от одного режима температуры к другому.

Во время термической обработки субстрата весь технологический процесс подразделяется на этапы:

разогрев субстрата после наполнения помещения до температуры пастеризации - примерно от 40 до 56°С за 5-8 ч;

пастеризация субстрата при температуре 56-60°С в течение 6-8 ч;

период кондиционирования при температуре субстрата 50-54°С при медленно снижающейся температуре (минимально 48°С в конце периода) в течение 4-8 суток;

охлаждение субстрата от 48 до 25°С в течение 18-24 ч.

Между периодами роста мицелия в субстрате и покровном материале и плодообразованием имеется переходный период - охлаждение субстрата от 25 до 20°С.

При выращивании шампиньонов важную роль играет скорость потока воздуха над поверхностью гряд. Е. Б. Ламберт установил, что при увеличении влажности воздуха в культивационном помещении допустима и более высокая скорость потока над грядами. При влажности воздуха 70% скорость движения воздуха должна быть 0,15-0,3 м/с, 80-85% - 0,6 и 90-95% - до 2,4 м/с. Более высокая скорость воздушных потоков допустима только в периоды, когда на грядах отсутствует плодоношение. Если плодовые тела на грядах имеются, то скорость воздушных потоков стремятся уменьшить до 0,2-0,3 м/с, что вполне достаточно для необходимого массообмена между субстратом и воздухом помещения.

В основные периоды (пастеризация субстрата и кондиционирование, вегетативный рост мицелия, плодоношение) подаваемый воздух регулирует температуру помещения и субстрата; обеспечивает выравнивание условий во всех точках помещения; снабжает кислородом развивающиеся в субстрате мицелий шампиньона и микроорганизмы; удаляет из субстрата и прилегающей к нему микрозоны выделяющиеся газообразные продукты метаболизма, прежде всего углекислый газ.

В переходные периоды с помощью подаваемого воздуха охлаждают помещение и субстрат.

В зависимости от размеров культивационных помещений и их числа возможно использование различных способов и систем вентиляции. В камерах выращивания полезной площадью до 100 м² при ограниченном их числе (3-5 камер в шампиньоннице) обычно применяют наиболее простую систему принудительной вентиляции, которая включает вентилятор, монтируемый в верхней части торцевой стены, с раздаточным каналом или без него. Вентилятор забирает наружный свежий воздух через вентиляционное окно, прогоняет его вдоль камеры выращивания, излишки воздуха удаляются из помещения через вентиляционную фрамугу или шахту вытяжной вентиляции, расположенную в противоположной от приточного вентилятора торцевой стене камеры. Такая система работает без циркуляции и увлажнения воздуха. Обогрев помещения ведется через систему труб, расположенных в нижней части камеры вдоль боковых стен.

К существенным недостаткам этого способа вентиляции относятся невозможность регулирования параметров микроклимата в культивационном помещении и опасность подсыхания субстрата на грядах, особенно в период работы системы обогрева. Система вентиляции без регулирования параметров микроклимата может быть использована при экстенсивном выращивании культуры в небольших наземных приспособленных помещениях, подвалах, подземных выработках и т. д.

В современных шампиньонницах с камерами выращивания полезной площадью 200-400 м² необходимо применять систему кондиционирования воздуха. При этом не только поддерживаются на определенном уровне параметры микроклимата, но и регулируются уровни температуры, влажности, газового состава, а также чистота воздуха в камерах выращивания; создается оптимальная скорость движения воздушных потоков над грядами.

Система кондиционирования в камере выращивания независимо от способа выращивания и размеров помещения имеет следующее принципиальное устройство. В верхней части торцевой стены камеры монтируют кондиционер (или кондиционер-доводчик при подаче воздуха от центрального кондиционера), включающий элементы подогрева, охлаждения и увлажнения воздуха, смесительную камеру с регулирующим клапаном для смешивания свежего наружного и рециркуляционного воздуха, вентилятор, выпрямитель потока воздуха и перфорированный раздаточный канал (рис. 21).

Рис. 21. Схема системы кондиционирования в камере выращивания: 1 - магистральный воздуховод; 2 - регулирующий клапан; 3 - поверхностный охладитель; 4 - поверхностный нагреватель; 5 - вентилятор; 6 - выпрямитель потока воздуха; 7 - раздаточный воздуховод

В камерах площадью 200 м² с двумя рядами стеллажей (или контейнеров) в системе кондиционирования используют один вентилятор и один перфорированный раздаточный канал. В камерах полезной площадью 400 м² с четырьмя рядами стеллажей монтируют два или три перфорированных раздаточных воздуховода и один или несколько (по числу воздуховодов) вентиляторов.

В небольших шампиньонницах с 1-4 камерами выращивания можно применять местные кондиционеры для каждой камеры, которые должны свежий наружный воздух доводить до требуемых параметров в любое время года. В шампиньонницах с четырьмя и более камерами целесообразно использовать обработку наружного воздуха центральным кондиционером, а в камерах иметь кондиционеры-доводчики для регулирования параметров воздуха в соответствии с требованиями культуры по периодам технологического процесса выращивания.

Избыточное количество воздуха из камеры выращивания может сбрасываться в атмосферу через шахту естественной вытяжной вентиляции, по так называемой системе избыточного давления, или вытяжным вентилятором. Однако в любом случае система приточно-вытяжной вентиляции должна быть отрегулирована так, чтобы в камере постоянно создавалось незначительное избыточное давление. Это позволяет избежать подсасывания в камеру внешнего воздуха и предотвратить возможное заражение культуры грибными заболеваниями во время ее выращивания. Шахту вытяжной вентиляции, как правило, монтируют в торцевой стене (противоположной приточной установке) камеры выращивания.

Вентилятор должен обеспечивать подачу воздуха (по рециркуляции) в пределах 150-200 м³/ч на 1 т субстрата (до пастеризации) при однозональной системе выращивания и 90-100 м³/ч на 1 т - при многозональной системе.

Количественно подачу воздуха в различные периоды технологического процесса регулируют изменением производительности вентилятора, а качественно - клапаном, изменяющим соотношение объемов свежего наружного и рециркуляционного воздуха, а также включением элементов подогрева или охлаждения кондиционера-доводчика и пуском пара для воздействия на влажность воздуха.

Производительность элемента подогрева воздуха должна обеспечивать повышение температуры потока на 10°С при работе вентилятора с максимальной подачей воздуха, а производительность элемента охлаждения - снижение температуры потока не менее чем на 10°С.

Для распределения воздуха по объему помещения применяют перфорированный воздуховод из полимерной пленки диаметром 0,35-0,38 м или из некоррозируемого жесткого материала. Пленочный воздуховод должен иметь перфорацию для раздачи воздуха, направленную вниз по вертикали, диаметр отверстий 0,05 м, расстояние между отверстиями 0,5 м, а также верхнюю перфорацию под углом около 40° к вертикали по обеим сторонам воздуховода с диаметром отверстий 0,03 м и расстоянием между ними 1 м. Для уменьшения угла разброса струй нижние отверстия имеют патрубки длиной 0,10-0,12 м, что снижает обдув гряд по ярусам стеллажей прямыми потоками воздуха.

Схема распределения потоков воздуха в камерах выращивания при распределении воздуха через перфорированный воздуховод показана на рисунке 22.

Рис. 22. Схема движения потоков воздуха в камере выращивания с четырьмя рядами стеллажей

Управление системой кондиционирования автоматизировано. С помощью системы автоматики задают необходимые значения температуры, влажности воздуха, а также положение регулирующего клапана и производительность вентилятора (рис. 23). В системах тепло-, холодо- и пароснабжения монтируют исполнительную автоматическую арматуру - соленоидные или пропорциональные клапаны, помпу на системе подогрева, механизм угла поворота смесительного воздушного клапана.

Рис. 23. Функциональная схема системы автоматического регулирования параметров микроклимата в камере выращивания: 1, 3 - электронный регулятор температуры; 2 - автоматический регистрирующий и сигнализирующий мост; 4 - блок дистанционного управления регулирующим воздушным клапаном с указателем его положения; 5 - переключатель скорости электродвигателя вентилятора; 6 - регулирующий блок влажности воздуха; 7 - блок управления подачей пара при термической обработке камеры

Для пропаривания субстрата в конце оборота культуры устраивают систему пароснабжения с выпуском пapa непосредственно в камеру с субстратом. Паропровод также оборудуют запорной арматурой с автоматическим управлением.

В камерах выращивания с принудительной вытяжной вентиляцией вентиляторы системы блокируют с приточными вентиляторами и их режим работы должен быть синхронным, а производительность должна быть ниже, чем приточных, чтобы создавать и поддерживать в камерах необходимое избыточное давление воздуха.

Для централизованной обработки наружного воздуха и последующего его распределения по камерам выращивания через магистральный воздуховод используют секционный прямоточный кондиционер. Схема системы кондиционирования камер с централизованной обработкой воздуха в цехе выращивания грибов показана на рисунке 24.

Рис. 24. Схема системы кондиционирования цеха выращивания грибов: 1 - жалюзи; 2 - секция фильтров; 3 - секция обслуживания; 4 - теплообменник; 5 - камера орошения; 6 - вентилятор; 7 - кондиционер-доводчик; 8 - вытяжные вентиляторы

Центральный кондиционер служит для обеспечения подачи в камеры выращивания необходимого количества обработанного наружного воздуха с температурой (12 ± 1)°С и влажностью (80 ± 5)%; воздух должен быть очищен от пыли и частиц размером более 3 мкм не менее чем на 97%.

Система кондиционирования в шампиньоннице круглогодовая. Поэтому кондиционер по производительности секций подбирают на основе расчетов комплексных процессов обработки воздуха для теплого и холодного периодов года. При этом исходят из средней нормы подачи воздуха 6-7 м³/ч на 1 м² полезной площади шампиньонницы.

В соответствии с заданными параметрами подаваемого воздуха наружный воздух в кондиционере проходит подогрев или охлаждение, увлажнение или осушение. Нагревается воздух с помощью поверхностных теплообменников (секций подогрева). Теплоносителем, как правило, служит вода, нагретая до температуры 90-130°С. В зависимости от мощности теплообменников и климатических особенностей местности в кондиционерах устанавливают одну или две секции подогрева.

Охлаждение воздуха происходит в камерах орошения при использовании артезианской воды или в поверхностных теплообменниках с помощью холодильных машин. В первом случае воздух увлажняется в камерах орошения, во втором - насыщенным паром низкого давления.

Для очистки воздуха используют сухие механические фильтры. При этом первая ступень фильтра служит для грубой очистки воздуха, а вторая - для тонкой (микробиологической очистки).

Центральный кондиционер должен обеспечивать подачу количества воздуха в зависимости от числа камер выращивания, периодов технологического процесса в них, а также от тепло-, газо- и влаговыделений в данный период времени в каждой камере выращивания, то есть от активности субстрата и уровня формируемого урожая. Для этого в кондиционере можно изменять производительность вентилятора с помощью направляющего аппарата, гидромуфты или индукторной муфты. В качестве камеры статического давления может служить магистральный воздуховод. При использовании в кондиционере двигателя постоянного тока количество подаваемого воздуха регулируется системой автоматического управления.

В небольших и среднего размера шампиньонницах для регулирования количества подаваемого воздуха применяют кондиционер с рециркуляцией. Для рециркуляции направляют избыток воздуха из центрального воздуховода, и давление потока воздуха в нем поддерживается в заданных пределах.