移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備研發

吳瑕玉，褚紅春，周小波，陳 進，王 利，劉小譚

（四川省農業機械科學研究院，四川成都 610000）

牦牛生活于高海拔、無污染環境，其乳汁有著普通牛乳所不能比擬的特點。與普通牛乳相比，牦牛乳具有更為豐富的蛋白質（尤其是乳清蛋白）、氨基酸、脂肪、糖類和礦物質（除磷），被稱為天然濃縮乳[1]。牦牛乳含脂率高，脂肪顆粒小，是營養豐富、經濟價值高的產品[2]。牦牛乳幾乎沒有任何農殘與重金屬殘留，符合“綠色健康”的食品發展趨勢。工業和信息化部、發展改革委發布的《乳制品工業產業政策（2009 年修訂）》中制定了發展牦牛乳的優惠政策，提出了“適度發展滅菌乳、發酵乳、巴氏殺菌乳等產品”等的指導意見，為牦牛乳產業發展提供了宏觀指導。同時，隨著人們對乳品質量要求的提高，綠色健康的牦牛乳產品逐漸受到人們的關注，具有很廣闊的市場前景。

我國是世界上擁有牦牛數量和品種類群最多的國家。四川省是我國牦牛主要分布區域之一，牦牛主要分布在阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州，涼山彝族自治州的木里也有少量分布。然而，四川省豐富的牦牛乳資源尚未得到有效地開發利用，商業利用率較低，僅8.0%左右[3]。雖然近年來部分牦牛主產區已經初步形成了牦牛奶集中收集、存儲、運輸、加工一條龍的產業化經營企業[4]，但由于牧區地廣人稀，牦牛多分布在距加工區和企業收奶輻射區很遠的夏季牧場，且多以牧民散養為主，產業發展存在鮮奶儲藏、運輸不便的困難，亟需一種便利的技術與設備來實現牦牛乳的產地殺菌保鮮貯藏。

目前，尚未見適用于牧民日常使用的牦牛乳產地保鮮設備與技術。究其原因，主要是由于新鮮牦牛乳被牧民采集后需要快速降溫，而固定電網供電條件不支持當前巴氏殺菌后快速降溫冷藏（凍）的要求。本文基于此背景研制了移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備，該設備屬于農業領域農機裝備及設施成果——畜禽養殖新鮮牦牛乳產地保鮮貯藏的新設備，主要針對高原小（散）養殖戶缺乏電源、處理技術和裝備等現狀，解決牦牛乳無法在產地殺菌保鮮貯藏而導致嚴重浪費的問題，從而提高牦牛乳的商品轉化率，促進牦牛乳產業的發展，增加牦牛乳養殖牧民的收入。

1 研發思路

基于巴氏殺菌保鮮工藝，采取集成研制思路，在既定箱體內集成供電系統、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。

2 技術方案

采用輕型貨車滿足整體移動需求，搭載輕型箱體；以太陽能光伏為主的“一用兩備”供電系統；以巴氏殺菌保鮮工藝為基礎優化配置加熱系統與冷卻系統；優配灌裝設備、貯藏設備。

2.1 可車載輕型箱體

箱體尺寸300 cm×180 cm×240 cm，輕型保溫板材質，金屬框架包邊組裝，開側窗、側門、雙尾門，內鋪地板；箱體四角設調平裝置，頂部四角加吊耳，底部四角加滾輪。

2.2 供電系統及設備

由太陽能光伏板、光伏控制器、逆變器、蓄電池、聯結電纜、防水插座、市電和發電機接口、一體化光伏板支架構成。

太陽能光伏板安裝在一體化光伏板支架上，放置于箱體四周；太陽能通過光電轉換控制器轉化為電能，貯存在蓄電池內；逆變器轉化直流電為交流電供使用；一體化支架采用螺旋地樁固定，可調整斜度，搬運時折疊形成防護框，保護太陽能板不受碰撞，安裝和拆收方便。

2.3 加熱滅菌系統及設備

由水箱、循環泵、管道、電加熱器、滅菌罐、攪拌機、溫度傳感器、控制器組成。

滅菌罐為夾層帶儲水結構的圓形罐體，夾層底部設置電加熱器；內罐裝牦牛乳，水通過水泵和管道送到夾層，經電加熱器加熱后間接加熱牛乳；內罐安裝攪拌機使牦牛乳受熱均勻；夾層設置溢流閥，多余的水自動流回水箱；完成消毒滅菌后，夾層內熱水經底閥排出、回收；水箱內冷水再次通過水泵和管道送到夾層進行牦牛乳預冷。

2.4 冷卻系統及設備

由水箱、泵、管道、制冷機、直冷罐、攪拌機、溫度傳感器、控制器組成。

直冷罐為夾層圓形罐體，內罐裝牦牛乳，夾層內側布置冷卻盤管，外側填充保溫材料，冷卻盤管連接制冷機，以直冷方式冷卻牦牛乳；內罐安裝攪拌機，使牦牛乳迅速降溫。

2.5 輔助設備

由灌裝機、冷藏柜、照明設備、總控制裝置組成。

優選小型半自動液體灌裝機，牦牛乳從直冷罐經灌裝后放入冷藏柜貯存。總控制裝置控制所有設備運行。牦牛乳加熱溫度由安裝在滅菌罐內的傳感器測溫，冷卻溫度由安裝在直冷罐內的傳感器測溫，消毒（冷卻）溫度、消毒（冷卻）時間由單片機控制。

3 設計要點

3.1 設備供電系統

供電系統由多組太陽能光伏板、多個一體化多功能支架、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。

供電采用“一用兩備”多電源供電模式。設備供電系統以太陽能光伏供電為主，充分利用高原充沛（峰值日照時數5 h 以上）的太陽能資源，在光照不足時輔以發電機供電，在有供電設施的地方可采用市電供電；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。

3.2 設備殺菌保鮮工藝

設備殺菌保鮮按照巴氏殺菌——加熱、快速降溫冷卻、保鮮貯藏的流程要求，以此工藝選配設備。采用水浴間接加熱方式，使牦牛奶升溫至60 ℃保持30 min以上實現消毒滅菌；通過冷水預冷至溫度恒定；預冷后的牦牛奶直冷至4～5 ℃；灌裝后放置冷藏柜貯藏。

加熱滅菌系統如圖1 所示，由電加熱器、水箱、滅菌罐、攪拌機、控制器等組成；冷卻系統如圖2 所示，由水箱、泵、管道、制冷機、直冷罐、攪拌機、控制器等組成。滅菌罐和直冷罐方便人工清洗方便，攪拌機保證牦牛奶均勻升降溫，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。

圖1 牦牛乳滅菌系統

圖2 牦牛乳冷卻系統

3.3 設備輔助系統

輔助設備系統由箱體、光伏板支架、灌裝機、冷藏柜、照明設備、總控制裝置等組成。

創新設計輕型箱體和移動方案。根據一體化設備的應用場景需求，對輕型箱體外觀進行設計，其示意圖見圖3。在輕型箱體底部配置滾輪，便于在倉庫、貨場等硬化地面短距離轉移；頂部配置吊耳以方便上下車吊裝；箱體四角配置絲桿螺旋調平裝置，方便在不平坦的草地上放置后調平；通過具有隨車吊功能的貨車搬運，方便在草原上移動部署。可車載輕型箱體外觀實體圖如圖4所示。

圖4 可車載輕型箱體外觀實體圖

原創設計光伏板多功能一體化支架和地釘固定方案，其設計示意圖見圖5，支架為金屬管材構成長方體，內部可容納單張光伏板，起到保護作用并便于搬運，展開后能固定支撐光伏板，可快速調整到本地區所需支撐角度，螺旋地釘能固定支架和調整水平。太陽能光伏板及其一體化支架實物圖，如圖6所示。

圖5 光伏板多功能一體化支架和地釘固定方案設計示意圖

圖6 太陽能光伏板及其一體化支架實物圖

灌裝機采用電腦控制、容積計量的半自動立袋灌裝，精度可達±5%，能夠達到包裝精度要求。冷藏柜通過頂部開門，采用壓縮機制冷，其溫度控制范圍在0～5 ℃，能夠達到保鮮貯藏要求。照明系統采用6 W的LED 燈泡，節電且照明效果好。總控制裝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。

3.4 設備集成研究

采取集成創新思路，將“良法”與“良機”“綠色能源”“農產品產地初加工”進行有機結合。在隔熱、防雨、防風的輕型車載箱體內高度集成電源、以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，從而形成一個一體化設備（見圖7）。農牧民通過該設備能夠實現在產地對新鮮牦牛乳進行殺菌消毒和保鮮貯藏初加工，減少牦牛乳的損失，提高牦牛乳的商品轉化效率，進而提高藏區畜牧業生產效益。移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備集成實物如圖8所示。

圖7 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

圖8 移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備集成實物圖

3.5 技術經濟指標

1）整體尺寸：300 cm×180 cm×240 cm；2）總重量：≤1500 kg；3）鮮牦牛乳加工量：≥40 L·d-1；4）滅菌溫度：≧60 ℃，保持30 min；5）冷卻時間（由60 ℃降至4 ℃）：≤45 min；6）總裝機功率：6.5 kW；7）供電方式：太陽能光伏供電為主的“一用兩備”多電源供電；8）光伏供電能力：9.6 kVA；9）太陽能板額定功率：1.8 kW；10）太陽能板角度調檔數：四級可調。

4 效益分析

4.1 社會效益

高原農牧區地廣人稀，社會經濟發展相對滯后，按照推進共同富裕的要求，從維護社會穩定的大局出發，需要繼續重視對小規模養殖戶的扶持，通過技術扶持和宣傳引導，促使牦牛養殖農牧民更新經營理念，提高牦牛乳產業的集約化水平。本文立足于牦牛乳的實際生產需求，研發適用于適度規模散養業態下牦牛乳的保鮮，一方面提高了牦牛乳產地初加工技術、設備水平和牦牛乳商品化率，從而直接提高了牧民經濟收入；另一方面對于其他牦牛乳產品生產具有借鑒作用，有利于發展多種形式的規模經營，提高基地集中養殖能力，增加牧民收入，讓農牧民產生內生動力去改變傳統的經營方式，確保脫貧不返貧，從而促進牧民生活水平提高、區域經濟發展、民族團結和社會穩定。

4.2 生態效益

本設備采用綠色環保的太陽能光伏作為主要能源，對高原生態環境不會造成污染；不使用設備時，存儲的電能還可供牧民生活使用；同時，該設備的應用可以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。該設備采用的輕型貨車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。

4.3 經濟效益

本成果為新產生成果，收入、推廣費用不產生復利，研發費用不分攤，直接純收益即為直接經濟效益；根據本成果加工、能耗指標測算可能產生的經濟效益，有關數據均引用相關已公布研究數據。四川牦牛存欄量470萬頭，按照全國牦牛存欄1 500萬頭，產奶母牦牛600 萬頭比例計算，四川省產奶母牦牛數量為188 萬頭，四川省牦牛年產奶量達56.4 萬t。經測算，采用本成果后，產地鮮牦牛乳可商品化率能達到67.0%。按照目前市場牦牛乳收購價格6 元·kg-1計算，牦牛乳產地初加工年產值可達24 120 元·戶-1，年增加收入13 320元·戶-1；按可商品化率67%測算，四川省每年需產地初加工的鮮牦牛乳達37.8 萬t；本設備每年加工量4 t·臺-1，設備需求量達9.45萬臺，四川省每年可增加收入125 874萬元。

5 結論

本文針對高原小（散）牦牛養殖戶缺乏電源、處理技術和裝備的現狀，研制了螺旋地樁太陽能板固定支架，創新太陽能清潔能源在牦牛乳保存中的運用，系統集成了牦牛乳殺菌保鮮工藝，開發了設備動態聯控關鍵技術，從而實現牦牛乳的及時處理和保鮮。整套系統集中在可移動部署的箱體內，進而在牧區可以進行轉移和安裝，適用于當前牦牛乳產業奶源基地不集中的現狀。

本設備仍然存在不足和可深入探討之處，未來可圍繞以下4個方面開展持續探討：1）進一步優化空間布局與作業模式。當前的箱體結構中，操作人員在進行設備操作時，易造成二次污染。在下一步研究中，或可將相關設備升級為流水線密閉作業模式。同時，留足設備安裝空間和人員操作空間，對空間布局進行進一步優化。2）進一步平衡成本和用戶期望價格。本設備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，以便更加能貼合用戶需求。3）加大移動式太陽能牦牛乳產地保鮮貯藏一體化設備應用，深化提升現有成果技術方案，在推廣應用中進一步迭代，減輕結構質量，優化設備配置，降低成本。4）根據乳業龍頭加工企業的收購要求，進一步改良牦牛乳保鮮貯藏工藝流程。