移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏設備的研究與設計

陳 進，周小波，褚紅春，吳瑕玉，王 利，劉小譚

四川省農業機械研究設計院，四川成都 610066

0 引言

牦牛是以青藏高原為發源地的特產家畜和寶貴的畜牧資源[1]，我國有1 500 余萬頭牦牛，是世界上擁有牦牛數量和品種類群最多的國家，約占世界牦?？倲档?4%，占中國牛只總數的1/6[2]。牦牛乳營養價值很高，其氨基酸、酪蛋白和免疫球蛋白的含量較高。牦牛只在特定的、很短的哺乳期內產奶，產奶量不足普通奶牛的10%，因稀少而珍貴；同時，牦牛生活在海拔3 000 m以上，利用其他家畜無法利用的高山潔凈環境和天然牧草，造就了純凈、自然、無污染的優良乳[3]。因此，牦牛乳非常符合“綠色健康”的食品要求。隨著人們對乳品質要求的提高，牦牛乳以其特有的高品質正逐漸走入人們的視野，牦牛乳產品具有廣闊的市場前景。

世界各國為了爭奪石油資源而引發的沖突和戰爭層出不窮。若說過去150年石油帶來的是流動的黃金，不如說過去150年石油帶給世界更多的是血和硝煙。然而，這并非是石油的錯，瘋狂的是人心，是強權對世界的控制欲。

目前，我國可供商業利用的牦牛乳約46.8 萬t，僅30.0%左右的牦牛乳用于了商業生產，商業利用率僅約8.0%，牦牛乳資源未得到充分開發利用[4]。其主要原因是，牦牛幾乎全部為散養，分布區域廣泛，產區交通不便，缺乏產地保鮮技術和設備，使得生鮮牦牛乳的收集、儲運都存在諸多困難。

青藏高原太陽能資源非常豐富，是全國太陽輻射量最多的地區，大部分地區年總輻射量在160 kcal/cm2以上，太陽輻射強、日照長。西藏的拉薩比同緯度的上海日照時數多出約1 000 h[5，6]。本研究以青藏高原豐富的太陽能資源為主要能源，研究設計了一種可移動的牦牛乳產地保鮮貯藏設備，可延長生鮮牦牛乳儲存時間，解決生鮮牦牛乳收集、儲運問題，提高牦牛乳的商品轉化率，激活牦牛乳產業潛能，增加藏區牦牛養殖牧民的收入，推動藏區經濟發展、穩定社會和民族團結。

另外，五建設計院與中石化廣東石油聯合研發了“機械清洗油罐”的成套技術和撬裝設備，目前已成功應用于 “雙壁罐改造”工程中，效果良好。五建設計院SPOOLGEN管道細化軟件在五建科威特KNRP項目應用。截至10月31日，共收到圖紙90028張，完成87945張，圖紙細化完成率為已收到圖紙量的97.7%。改變了管道施工的傳統工作模式，極大提高了工作效率，降低了項目成本和工程師的勞動強度，同時可以精準地計算和統計管材用量，為項目的降本增效提供了有力支持。

1 研究技術路線

由于牦牛主要分布于我國的青藏高原。因此，對于牦牛乳產地保鮮貯藏研究，在蒙古、中亞各國、尼泊爾、印度和不丹等國家，雖有牦牛全脂奶粉、牦牛奶油、干酪等牦牛乳制品加工習慣，但由于其原料有限，所以牦牛乳產品沒有形成大規模的工業化生產，對于牦牛乳產地保鮮儲藏和加工設備的研究也就非常的少[3]；我國近年來對牦牛乳加工貯藏有一定研究，多集中于牦牛乳酪、牦牛酸奶、酥油、曲拉的制作，對于牦牛乳產地保鮮貯藏設備的研究開發較少，以太陽能作為能源的移動裝備就更少了，不能完全滿足牧民放牧轉場需求。本研究基于青藏高原豐富的太陽能，設計出一種便于游牧民族移動使用的牦牛奶巴氏殺菌工藝專用一體化處理設備，具有一定的前瞻性和先進性。

表1 移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏設備技術參數

2 研究的主要內容

2.1 牦牛乳熱處理工藝研究

調研發現，牦牛乳龍頭加工企業在生鮮牦牛乳收購后必須再次進行消毒滅菌，因此，在設備功能上，可簡化工藝流程，只進行牦牛乳冷卻保鮮即可，從而在設備下一步研究中，可研究如何優化設備配置，減輕結構質量，降低設備生產制造成本。

2.2 供電系統研究

《指路經》在高良鄉有很多忌禁，加上要跟死者身體直接接觸，所以，現在掌握的人極少，習俗和文化的傳承困難。40多歲的蘆笙傳承人馬玉杰，說他不會，60多歲的蘆笙傳承人陶興文，也說不會。

多年來，依托云南電網有限公司的大平臺，云南省電機工程學會在云南省科協的領導下，緊密聯系各會員單位，依靠各方力量，積極致力于弘揚科學精神，普及電機工程科學技術知識，推廣電機工程領域先進技術；組織青少年參與電機工程領域的科技活動。編輯、出版電機工程技術方面的學術刊物、科普書刊，編印專業論文集，傳播電機工程科學技術信息。舉薦科技人才，組織符合條件的電機工程領域科學技術發展做出突出貢獻的會員和優秀科技工作者參與評先選優做出了積極的努力。

2.3 殺菌保鮮系統研究

結合牦牛乳保鮮品質研究結果，以加熱消毒滅菌、快速降溫冷卻、保鮮貯藏等流程為主的牦牛乳產地殺菌保鮮工藝及設備選配。采用水浴間接加熱方式消毒滅菌，加熱牦牛乳至60 ℃以上的工藝溫度值，保持30 min以上，再通過冷水預冷至奶溫不再快速下降；預冷后的牦牛乳通過直冷方式冷卻至4～5 ℃，灌裝后通過冷藏柜貯藏。加熱滅菌設備由電加熱器、水箱、滅菌罐、攪拌機、控制器等組成；冷卻裝置由水箱、泵、管道，制冷機、直冷罐、攪拌機、控制器等組成。滅菌罐和直冷罐均采用304不銹鋼制作而成，可保證食品安全；攪拌機定時、間斷攪拌可保證牦牛乳均勻升降溫且牦牛乳中的乳脂微粒不會與蛋白質分離；控制器保證加熱和直冷工藝溫度，滿足牦牛乳產地殺菌消毒和保鮮貯藏的初加工要求；同時，罐體可打開方便人工清洗。加熱滅菌設備和直冷設備如圖1、2所示。

圖1 加熱滅菌裝置

圖2 冷卻裝置

2.4 輔助系統研究

輔助設備有容納各系統的箱體、光伏板支架、灌裝機、冷藏柜、照明設備、總控制裝置等組成。其中，灌裝機采用電腦控制、容積計量的半自動立袋灌裝，精度達±5%，能夠達到包裝精度要求。冷藏柜采用頂部開門，壓縮機制冷，溫度控制在0～5 ℃，能夠貯藏包裝好的牦牛奶，達到保鮮貯藏要求。照明系統采用6 W的LED燈泡，節電且照明效果好?？偪刂蒲b置具有各路用電的開關和保險功能，還具有電流和電量顯示。此外，系統電路應考慮生活用電需求，以便設備在不進行牦牛乳保鮮貯藏時可為牧民提供生活用電。

2.5 設備集成研究

近年來，在乳制品需求方面，2021年消費有望高速增長。新冠肺炎疫情推動了乳制品消費，同時乳制品消費的增長空間巨大，年輕的消費主體乳制品消費習慣明顯加強，伴隨著消費升級，乳制品市場預計會加速增長[7]，但由于我國在生鮮乳供應上一直處于緊平衡狀態，因此，乳產業存在一定供需矛盾風險[8]。針對奶源不足的情況，該設備使牦牛乳變成了一種可開發利用新奶源，其潛力巨大，可以在一定程度上緩解奶業供需不足矛盾問題。同時，牦牛乳商品轉化率的提高，可直接增加藏區牦牛養殖牧民的收入，推動藏區經濟發展、穩定社會和民族團結。此外，本研究使用的能源主要是藏區豐富的太陽能資源，清潔環保，不污染牦牛生長環境，而且，研究設備可減少牧民使用能源運輸工具往返奶站的次數，從而實現了節能減排。本研究設備還可滿足整體移動需求，牧民散養牦牛的遷徙范圍變廣，使單位面積飼養牦牛數量減少，從而更有效地實現草畜平衡，達到保護高原生態的目的。因此，該研究設備的應用在經濟、社會和生態方面效益十分顯著。

圖3 移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備集成示意圖

3 設備優點

3.1 設備的科技創新性

目前，本設備研究存在兩點局限性：一是結構有待進一步優化。在留足設備安裝空間和人員操作空間的前提下，空間布局還有待進一步優化。人員操作設備過程中，易造成二次污染，改成密閉流水線方式，能解決上述兩方面的問題。二是成本和用戶期望價格的平衡還有提升空間。本成果針對小規模牦牛養殖戶開發，操作簡便、自動化程度與價格的平衡有待進一步提升，更能貼合用戶需求。下一步研究可聚焦以下兩方面。

所謂“公移”，《文體明辨序說·公移》稱：“按公移者，諸司相移之詞也；其名不一，故以‘公移’括之。”[31](P127)“公移”即諸司之間往來公文之統稱?！毒庸偎R》收錄“請勘災傷公移桐城”“申明事宜公移”等6篇公移。所謂“告示”，顧名思義，布告、通告大眾的文件?！毒庸偎R》收錄“桐城到任禁約”“舉行鄉約示”“勸貸示”等十一篇告示。剩余的“崇祀類”“請舉類”“旌善類”，及卷四“禁諭類”“批參類”“覆解批語”等內容，也都是官府公文或告示。

3.2 設備的先進性

本研究針對高原小（散）養殖戶缺乏電源、處理技術和裝備，解決牦牛乳無法產地殺菌保鮮貯藏而嚴重浪費的問題，以青藏高原豐富的太陽能資源為主要能源，“一用兩備”（以太陽能光伏為主，備用市電和車載發電機供電），采取集成創新思路，采用輕型貨車滿足整體移動需求，搭載輕型箱體；在既定箱體內以巴氏殺菌保鮮工藝為基礎，優化配置、集成供電系統、加熱滅菌系統、制冷系統、控制系統等，實現牦牛乳產地殺菌保鮮貯藏。設備技術指標如表1所示。

根據高原牧區缺乏供電設施但太陽能資源充沛（峰值日照時數5 h以上）的現狀，采用以太陽能光伏供電為主，在光照不足時可采用發電機供電，在有供電設施的地方可采用市電供電的“一用兩備”多電源供電模式；根據加工用電量確定光伏板額定功率1.8 kW和蓄電池容量24 V 400 Ah，通過逆變器轉化為系統所需要的220 V交流電。供電系統由多個太陽能光伏板、多個光伏板支架、支架調平地樁、聯結電纜、防水插座、光伏控制器、蓄電池、逆變器、市電和發電機接口等構成。

3.3 具有良好的經濟、社會、生態效益

采取集成創新思路設計技術方案，把電源、供電系統、加工系統、控制系統、輔助設備等高度集成整合在一個能夠隔熱、防雨、防風的輕型車載箱體內，在箱體內高度集成太陽能光伏為主的供電系統、加熱滅菌系統、制冷系統、控制系統等，優化設計配置灌裝設備、貯藏設備等輔助設備，能夠在既定空間內，滿足牦牛乳產地殺菌消毒和保鮮貯藏初加工要求。移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備集成示意圖如圖3所示。

綠燈行，紅燈停，這是出行車輛和行人必須共同遵守的規則。但情況總有例外，譬如120救護車，常常用喇叭不停地呼喊著“讓——，讓——”一路沖過，這是常人對病人的人道主義關懷的體現。譬如119消防車，鳴叫著疾馳而過，這是社會對救援的支持，是應對突發事件的需要。還有警車和軍車。

4 研究展望

牦牛乳產地保鮮貯藏設備一體化集成了多項技術。該設備設計以太陽能光伏為主，兼容市電、車載發電機供電的“一用二備”供電方案；一方面可供設備加工使用，將牦牛乳加熱滅菌；另一方面多余電能可滿足牧民部分生活用電需求，改善了牧民的生活條件。該設備集成了以加熱消毒滅菌、快速降溫冷卻、保鮮貯藏等流程為主的牦牛乳產地殺菌保鮮設備、技術工藝；建立了設備動態聯控關鍵技術，集成在既定空間內，滿足牦牛乳產地殺菌消毒和保鮮貯藏初加工要求，“良法+良機”“綠色能源+農產品產地初加工”，減少了牦牛乳因不能及時產地保鮮造成變質損失，提高藏區畜牧業生產效益。

4.1 簡化功能、降低成本

熱處理是牦牛乳制品生產的必需環節，目的是保證乳制品的衛生安全。牦牛乳的熱穩定性取決于牦牛乳成分，牦牛乳成分與熱穩定性之間的關系尚不明確，導致牦牛乳產品在加熱時易造成很多不利結果，如液態牦牛乳制品易出現沉淀絮凝和脂肪上浮等現象。因此，確定牦牛乳成分與熱穩定性之間的關系，為牦牛乳的精深加工提供技術支撐非常必要。經過研究和成本效益分析，本設備采用加熱到60 ℃以上，保持30 min的巴氏殺菌工藝。

4.2 深化功能開發

根據現有設備，深化提升現有成果技術方案，優化設備配置，增加設備如牦牛乳酪、牦牛酸奶、曲拉等加工功能，使其成為牧區移動式牦牛乳加工車間，使牧民可以就地進行牦牛乳深加工，從而進一步提升牦牛乳商品轉化率。

5 結語

本設備設計充分考慮游牧民遷徙需要，集成了以高溫滅菌、快速冷卻、保鮮貯藏等流程為主的牦牛乳產地保鮮工藝的可移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體設備，實現了“良法+良機”“綠色能源+農產品產地初加工”融合，以減少牦牛乳因不能及時產地保鮮造成變質損失，提高藏區畜牧業生產效益和牧民收入。