移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏设备的研究与设计
时间：2023-06-08 20:30:12 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈 进，周小波，褚红春，吴瑕玉，王 利，刘小谭
四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066
牦牛是以青藏高原为发源地的特产家畜和宝贵的畜牧资源[1]，我国有1 500 余万头牦牛，是世界上拥有牦牛数量和品种类群最多的国家，约占世界牦牛总数的94%，占中国牛只总数的1/6[2]。牦牛乳营养价值很高，其氨基酸、酪蛋白和免疫球蛋白的含量较高。牦牛只在特定的、很短的哺乳期内产奶，产奶量不足普通奶牛的10%，因稀少而珍贵；
同时，牦牛生活在海拔3 000 m以上，利用其他家畜无法利用的高山洁净环境和天然牧草，造就了纯净、自然、无污染的优良乳[3]。因此，牦牛乳非常符合“绿色健康”的食品要求。随着人们对乳品质要求的提高，牦牛乳以其特有的高品质正逐渐走入人们的视野，牦牛乳产品具有广阔的市场前景。
世界各国为了争夺石油资源而引发的冲突和战争层出不穷。若说过去150年石油带来的是流动的黄金，不如说过去150年石油带给世界更多的是血和硝烟。然而，这并非是石油的错，疯狂的是人心，是强权对世界的控制欲。
目前，我国可供商业利用的牦牛乳约46.8 万t，仅30.0%左右的牦牛乳用于了商业生产，商业利用率仅约8.0%，牦牛乳资源未得到充分开发利用[4]。其主要原因是，牦牛几乎全部为散养，分布区域广泛，产区交通不便，缺乏产地保鲜技术和设备，使得生鲜牦牛乳的收集、储运都存在诸多困难。
青藏高原太阳能资源非常丰富，是全国太阳辐射量最多的地区，大部分地区年总辐射量在160 kcal/cm2以上，太阳辐射强、日照长。西藏的拉萨比同纬度的上海日照时数多出约1 000 h[5，6]。本研究以青藏高原丰富的太阳能资源为主要能源，研究设计了一种可移动的牦牛乳产地保鲜贮藏设备，可延长生鲜牦牛乳储存时间，解决生鲜牦牛乳收集、储运问题，提高牦牛乳的商品转化率，激活牦牛乳产业潜能，增加藏区牦牛养殖牧民的收入，推动藏区经济发展、稳定社会和民族团结。
另外，五建设计院与中石化广东石油联合研发了“机械清洗油罐”的成套技术和撬装设备，目前已成功应用于 “双壁罐改造”工程中，效果良好。五建设计院SPOOLGEN管道细化软件在五建科威特KNRP项目应用。截至10月31日，共收到图纸90028张，完成87945张，图纸细化完成率为已收到图纸量的97.7%。改变了管道施工的传统工作模式，极大提高了工作效率，降低了项目成本和工程师的劳动强度，同时可以精准地计算和统计管材用量，为项目的降本增效提供了有力支持。
由于牦牛主要分布于我国的青藏高原。因此，对于牦牛乳产地保鲜贮藏研究，在蒙古、中亚各国、尼泊尔、印度和不丹等国家，虽有牦牛全脂奶粉、牦牛奶油、干酪等牦牛乳制品加工习惯，但由于其原料有限，所以牦牛乳产品没有形成大规模的工业化生产，对于牦牛乳产地保鲜储藏和加工设备的研究也就非常的少[3]；
我国近年来对牦牛乳加工贮藏有一定研究，多集中于牦牛乳酪、牦牛酸奶、酥油、曲拉的制作，对于牦牛乳产地保鲜贮藏设备的研究开发较少，以太阳能作为能源的移动装备就更少了，不能完全满足牧民放牧转场需求。本研究基于青藏高原丰富的太阳能，设计出一种便于游牧民族移动使用的牦牛奶巴氏杀菌工艺专用一体化处理设备，具有一定的前瞻性和先进性。
表1 移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏设备技术参数
2.1 牦牛乳热处理工艺研究
调研发现，牦牛乳龙头加工企业在生鲜牦牛乳收购后必须再次进行消毒灭菌，因此，在设备功能上，可简化工艺流程，只进行牦牛乳冷却保鲜即可，从而在设备下一步研究中，可研究如何优化设备配置，减轻结构质量，降低设备生产制造成本。
2.2 供电系统研究
《指路经》在高良乡有很多忌禁，加上要跟死者身体直接接触，所以，现在掌握的人极少，习俗和文化的传承困难。40多岁的芦笙传承人马玉杰，说他不会，60多岁的芦笙传承人陶兴文，也说不会。
多年来，依托云南电网有限公司的大平台，云南省电机工程学会在云南省科协的领导下，紧密联系各会员单位，依靠各方力量，积极致力于弘扬科学精神，普及电机工程科学技术知识，推广电机工程领域先进技术；
组织青少年参与电机工程领域的科技活动。编辑、出版电机工程技术方面的学术刊物、科普书刊，编印专业论文集，传播电机工程科学技术信息。举荐科技人才，组织符合条件的电机工程领域科学技术发展做出突出贡献的会员和优秀科技工作者参与评先选优做出了积极的努力。
2.3 杀菌保鲜系统研究
结合牦牛乳保鲜品质研究结果，以加热消毒灭菌、快速降温冷却、保鲜贮藏等流程为主的牦牛乳产地杀菌保鲜工艺及设备选配。采用水浴间接加热方式消毒灭菌，加热牦牛乳至60 ℃以上的工艺温度值，保持30 min以上，再通过冷水预冷至奶温不再快速下降；
预冷后的牦牛乳通过直冷方式冷却至4～5 ℃，灌装后通过冷藏柜贮藏。加热灭菌设备由电加热器、水箱、灭菌罐、搅拌机、控制器等组成；
冷却装置由水箱、泵、管道，制冷机、直冷罐、搅拌机、控制器等组成。灭菌罐和直冷罐均采用304不锈钢制作而成，可保证食品安全；
搅拌机定时、间断搅拌可保证牦牛乳均匀升降温且牦牛乳中的乳脂微粒不会与蛋白质分离；
控制器保证加热和直冷工艺温度，满足牦牛乳产地杀菌消毒和保鲜贮藏的初加工要求；
同时，罐体可打开方便人工清洗。加热灭菌设备和直冷设备如图1、2所示。
图1 加热灭菌装置
图2 冷却装置
2.4 辅助系统研究
辅助设备有容纳各系统的箱体、光伏板支架、灌装机、冷藏柜、照明设备、总控制装置等组成。其中，灌装机采用电脑控制、容积计量的半自动立袋灌装，精度达±5%，能够达到包装精度要求。冷藏柜采用顶部开门，压缩机制冷，温度控制在0～5 ℃，能够贮藏包装好的牦牛奶，达到保鲜贮藏要求。照明系统采用6 W的LED灯泡，节电且照明效果好。总控制装置具有各路用电的开关和保险功能，还具有电流和电量显示。此外，系统电路应考虑生活用电需求，以便设备在不进行牦牛乳保鲜贮藏时可为牧民提供生活用电。
2.5 设备集成研究
近年来，在乳制品需求方面，2021年消费有望高速增长。新冠肺炎疫情推动了乳制品消费，同时乳制品消费的增长空间巨大，年轻的消费主体乳制品消费习惯明显加强，伴随着消费升级，乳制品市场预计会加速增长[7]，但由于我国在生鲜乳供应上一直处于紧平衡状态，因此，乳产业存在一定供需矛盾风险[8]。针对奶源不足的情况，该设备使牦牛乳变成了一种可开发利用新奶源，其潜力巨大，可以在一定程度上缓解奶业供需不足矛盾问题。同时，牦牛乳商品转化率的提高，可直接增加藏区牦牛养殖牧民的收入，推动藏区经济发展、稳定社会和民族团结。此外，本研究使用的能源主要是藏区丰富的太阳能资源，清洁环保，不污染牦牛生长环境，而且，研究设备可减少牧民使用能源运输工具往返奶站的次数，从而实现了节能减排。本研究设备还可满足整体移动需求，牧民散养牦牛的迁徙范围变广，使单位面积饲养牦牛数量减少，从而更有效地实现草畜平衡，达到保护高原生态的目的。因此，该研究设备的应用在经济、社会和生态方面效益十分显著。
图3 移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备集成示意图
3.1 设备的科技创新性
目前，本设备研究存在两点局限性：一是结构有待进一步优化。在留足设备安装空间和人员操作空间的前提下，空间布局还有待进一步优化。人员操作设备过程中，易造成二次污染，改成密闭流水线方式，能解决上述两方面的问题。二是成本和用户期望价格的平衡还有提升空间。本成果针对小规模牦牛养殖户开发，操作简便、自动化程度与价格的平衡有待进一步提升，更能贴合用户需求。下一步研究可聚焦以下两方面。
所谓“公移”，《文体明辨序说·公移》称：“按公移者，诸司相移之词也；
其名不一，故以‘公移’括之。”[31](P127)“公移”即诸司之间往来公文之统称。《居官水镜》收录“请勘灾伤公移桐城”“申明事宜公移”等6篇公移。所谓“告示”，顾名思义，布告、通告大众的文件。《居官水镜》收录“桐城到任禁约”“举行乡约示”“劝贷示”等十一篇告示。剩余的“崇祀类”“请举类”“旌善类”，及卷四“禁谕类”“批参类”“覆解批语”等内容，也都是官府公文或告示。
3.2 设备的先进性
本研究针对高原小（散）养殖户缺乏电源、处理技术和装备，解决牦牛乳无法产地杀菌保鲜贮藏而严重浪费的问题，以青藏高原丰富的太阳能资源为主要能源，“一用两备”（以太阳能光伏为主，备用市电和车载发电机供电），采取集成创新思路，采用轻型货车满足整体移动需求，搭载轻型箱体；
在既定箱体内以巴氏杀菌保鲜工艺为基础，优化配置、集成供电系统、加热灭菌系统、制冷系统、控制系统等，实现牦牛乳产地杀菌保鲜贮藏。设备技术指标如表1所示。
根据高原牧区缺乏供电设施但太阳能资源充沛（峰值日照时数5 h以上）的现状，采用以太阳能光伏供电为主，在光照不足时可采用发电机供电，在有供电设施的地方可采用市电供电的“一用两备”多电源供电模式；
根据加工用电量确定光伏板额定功率1.8 kW和蓄电池容量24 V 400 Ah，通过逆变器转化为系统所需要的220 V交流电。供电系统由多个太阳能光伏板、多个光伏板支架、支架调平地桩、联结电缆、防水插座、光伏控制器、蓄电池、逆变器、市电和发电机接口等构成。
3.3 具有良好的经济、社会、生态效益
采取集成创新思路设计技术方案，把电源、供电系统、加工系统、控制系统、辅助设备等高度集成整合在一个能够隔热、防雨、防风的轻型车载箱体内，在箱体内高度集成太阳能光伏为主的供电系统、加热灭菌系统、制冷系统、控制系统等，优化设计配置灌装设备、贮藏设备等辅助设备，能够在既定空间内，满足牦牛乳产地杀菌消毒和保鲜贮藏初加工要求。移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备集成示意图如图3所示。
绿灯行，红灯停，这是出行车辆和行人必须共同遵守的规则。但情况总有例外，譬如120救护车，常常用喇叭不停地呼喊着“让——，让——”一路冲过，这是常人对病人的人道主义关怀的体现。譬如119消防车，鸣叫着疾驰而过，这是社会对救援的支持，是应对突发事件的需要。还有警车和军车。
牦牛乳产地保鲜贮藏设备一体化集成了多项技术。该设备设计以太阳能光伏为主，兼容市电、车载发电机供电的“一用二备”供电方案；
一方面可供设备加工使用，将牦牛乳加热灭菌；
另一方面多余电能可满足牧民部分生活用电需求，改善了牧民的生活条件。该设备集成了以加热消毒灭菌、快速降温冷却、保鲜贮藏等流程为主的牦牛乳产地杀菌保鲜设备、技术工艺；
建立了设备动态联控关键技术，集成在既定空间内，满足牦牛乳产地杀菌消毒和保鲜贮藏初加工要求，“良法+良机”“绿色能源+农产品产地初加工”，减少了牦牛乳因不能及时产地保鲜造成变质损失，提高藏区畜牧业生产效益。
4.1 简化功能、降低成本
热处理是牦牛乳制品生产的必需环节，目的是保证乳制品的卫生安全。牦牛乳的热稳定性取决于牦牛乳成分，牦牛乳成分与热稳定性之间的关系尚不明确，导致牦牛乳产品在加热时易造成很多不利结果，如液态牦牛乳制品易出现沉淀絮凝和脂肪上浮等现象。因此，确定牦牛乳成分与热稳定性之间的关系，为牦牛乳的精深加工提供技术支撑非常必要。经过研究和成本效益分析，本设备采用加热到60 ℃以上，保持30 min的巴氏杀菌工艺。
4.2 深化功能开发
根据现有设备，深化提升现有成果技术方案，优化设备配置，增加设备如牦牛乳酪、牦牛酸奶、曲拉等加工功能，使其成为牧区移动式牦牛乳加工车间，使牧民可以就地进行牦牛乳深加工，从而进一步提升牦牛乳商品转化率。
本设备设计充分考虑游牧民迁徙需要，集成了以高温灭菌、快速冷却、保鲜贮藏等流程为主的牦牛乳产地保鲜工艺的可移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体设备，实现了“良法+良机”“绿色能源+农产品产地初加工”融合，以减少牦牛乳因不能及时产地保鲜造成变质损失，提高藏区畜牧业生产效益和牧民收入。
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