移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备研发

吴瑕玉，褚红春，周小波，陈 进，王 利，刘小谭

（四川省农业机械科学研究院，四川成都 610000）

牦牛生活于高海拔、无污染环境，其乳汁有着普通牛乳所不能比拟的特点。与普通牛乳相比，牦牛乳具有更为丰富的蛋白质（尤其是乳清蛋白）、氨基酸、脂肪、糖类和矿物质（除磷），被称为天然浓缩乳[1]。牦牛乳含脂率高，脂肪颗粒小，是营养丰富、经济价值高的产品[2]。牦牛乳几乎没有任何农残与重金属残留，符合“绿色健康”的食品发展趋势。工业和信息化部、发展改革委发布的《乳制品工业产业政策（2009 年修订）》中制定了发展牦牛乳的优惠政策，提出了“适度发展灭菌乳、发酵乳、巴氏杀菌乳等产品”等的指导意见，为牦牛乳产业发展提供了宏观指导。同时，随着人们对乳品质量要求的提高，绿色健康的牦牛乳产品逐渐受到人们的关注，具有很广阔的市场前景。

我国是世界上拥有牦牛数量和品种类群最多的国家。四川省是我国牦牛主要分布区域之一，牦牛主要分布在阿坝藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州，凉山彝族自治州的木里也有少量分布。然而，四川省丰富的牦牛乳资源尚未得到有效地开发利用，商业利用率较低，仅8.0%左右[3]。虽然近年来部分牦牛主产区已经初步形成了牦牛奶集中收集、存储、运输、加工一条龙的产业化经营企业[4]，但由于牧区地广人稀，牦牛多分布在距加工区和企业收奶辐射区很远的夏季牧场，且多以牧民散养为主，产业发展存在鲜奶储藏、运输不便的困难，亟需一种便利的技术与设备来实现牦牛乳的产地杀菌保鲜贮藏。

目前，尚未见适用于牧民日常使用的牦牛乳产地保鲜设备与技术。究其原因，主要是由于新鲜牦牛乳被牧民采集后需要快速降温，而固定电网供电条件不支持当前巴氏杀菌后快速降温冷藏（冻）的要求。本文基于此背景研制了移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备，该设备属于农业领域农机装备及设施成果——畜禽养殖新鲜牦牛乳产地保鲜贮藏的新设备，主要针对高原小（散）养殖户缺乏电源、处理技术和装备等现状，解决牦牛乳无法在产地杀菌保鲜贮藏而导致严重浪费的问题，从而提高牦牛乳的商品转化率，促进牦牛乳产业的发展，增加牦牛乳养殖牧民的收入。

1 研发思路

基于巴氏杀菌保鲜工艺，采取集成研制思路，在既定箱体内集成供电系统、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。

2 技术方案

采用轻型货车满足整体移动需求，搭载轻型箱体；以太阳能光伏为主的“一用两备”供电系统；以巴氏杀菌保鲜工艺为基础优化配置加热系统与冷却系统；优配灌装设备、贮藏设备。

2.1 可车载轻型箱体

箱体尺寸300 cm×180 cm×240 cm，轻型保温板材质，金属框架包边组装，开侧窗、侧门、双尾门，内铺地板；箱体四角设调平装置，顶部四角加吊耳，底部四角加滚轮。

2.2 供电系统及设备

由太阳能光伏板、光伏控制器、逆变器、蓄电池、联结电缆、防水插座、市电和发电机接口、一体化光伏板支架构成。

太阳能光伏板安装在一体化光伏板支架上，放置于箱体四周；太阳能通过光电转换控制器转化为电能，贮存在蓄电池内；逆变器转化直流电为交流电供使用；一体化支架采用螺旋地桩固定，可调整斜度，搬运时折叠形成防护框，保护太阳能板不受碰撞，安装和拆收方便。

2.3 加热灭菌系统及设备

由水箱、循环泵、管道、电加热器、灭菌罐、搅拌机、温度传感器、控制器组成。

灭菌罐为夹层带储水结构的圆形罐体，夹层底部设置电加热器；内罐装牦牛乳，水通过水泵和管道送到夹层，经电加热器加热后间接加热牛乳；内罐安装搅拌机使牦牛乳受热均匀；夹层设置溢流阀，多余的水自动流回水箱；完成消毒灭菌后，夹层内热水经底阀排出、回收；水箱内冷水再次通过水泵和管道送到夹层进行牦牛乳预冷。

2.4 冷却系统及设备

由水箱、泵、管道、制冷机、直冷罐、搅拌机、温度传感器、控制器组成。

直冷罐为夹层圆形罐体，内罐装牦牛乳，夹层内侧布置冷却盘管，外侧填充保温材料，冷却盘管连接制冷机，以直冷方式冷却牦牛乳；内罐安装搅拌机，使牦牛乳迅速降温。

2.5 辅助设备

由灌装机、冷藏柜、照明设备、总控制装置组成。

优选小型半自动液体灌装机，牦牛乳从直冷罐经灌装后放入冷藏柜贮存。总控制装置控制所有设备运行。牦牛乳加热温度由安装在灭菌罐内的传感器测温，冷却温度由安装在直冷罐内的传感器测温，消毒（冷却）温度、消毒（冷却）时间由单片机控制。

3 设计要点

3.1 设备供电系统

供电系统由多组太阳能光伏板、多个一体化多功能支架、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。

供电采用“一用两备”多电源供电模式。设备供电系统以太阳能光伏供电为主，充分利用高原充沛（峰值日照时数5 h 以上）的太阳能资源，在光照不足时辅以发电机供电，在有供电设施的地方可采用市电供电；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。

3.2 设备杀菌保鲜工艺

设备杀菌保鲜按照巴氏杀菌——加热、快速降温冷却、保鲜贮藏的流程要求，以此工艺选配设备。采用水浴间接加热方式，使牦牛奶升温至60 ℃保持30 min以上实现消毒灭菌；通过冷水预冷至温度恒定；预冷后的牦牛奶直冷至4～5 ℃；灌装后放置冷藏柜贮藏。

加热灭菌系统如图1 所示，由电加热器、水箱、灭菌罐、搅拌机、控制器等组成；冷却系统如图2 所示，由水箱、泵、管道、制冷机、直冷罐、搅拌机、控制器等组成。灭菌罐和直冷罐方便人工清洗方便，搅拌机保证牦牛奶均匀升降温，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。

图1 牦牛乳灭菌系统

图2 牦牛乳冷却系统

3.3 设备辅助系统

辅助设备系统由箱体、光伏板支架、灌装机、冷藏柜、照明设备、总控制装置等组成。

创新设计轻型箱体和移动方案。根据一体化设备的应用场景需求，对轻型箱体外观进行设计，其示意图见图3。在轻型箱体底部配置滚轮，便于在仓库、货场等硬化地面短距离转移；顶部配置吊耳以方便上下车吊装；箱体四角配置丝杆螺旋调平装置，方便在不平坦的草地上放置后调平；通过具有随车吊功能的货车搬运，方便在草原上移动部署。可车载轻型箱体外观实体图如图4所示。

图4 可车载轻型箱体外观实体图

原创设计光伏板多功能一体化支架和地钉固定方案，其设计示意图见图5，支架为金属管材构成长方体，内部可容纳单张光伏板，起到保护作用并便于搬运，展开后能固定支撑光伏板，可快速调整到本地区所需支撑角度，螺旋地钉能固定支架和调整水平。太阳能光伏板及其一体化支架实物图，如图6所示。

图5 光伏板多功能一体化支架和地钉固定方案设计示意图

图6 太阳能光伏板及其一体化支架实物图

灌装机采用电脑控制、容积计量的半自动立袋灌装，精度可达±5%，能够达到包装精度要求。冷藏柜通过顶部开门，采用压缩机制冷，其温度控制范围在0～5 ℃，能够达到保鲜贮藏要求。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。

3.4 设备集成研究

采取集成创新思路，将“良法”与“良机”“绿色能源”“农产品产地初加工”进行有机结合。在隔热、防雨、防风的轻型车载箱体内高度集成电源、以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，从而形成一个一体化设备（见图7）。农牧民通过该设备能够实现在产地对新鲜牦牛乳进行杀菌消毒和保鲜贮藏初加工，减少牦牛乳的损失，提高牦牛乳的商品转化效率，进而提高藏区畜牧业生产效益。移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备集成实物如图8所示。

图7 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

图8 移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备集成实物图

3.5 技术经济指标

1）整体尺寸：300 cm×180 cm×240 cm；2）总重量：≤1500 kg；3）鲜牦牛乳加工量：≥40 L·d-1；4）灭菌温度：≧60 ℃，保持30 min；5）冷却时间（由60 ℃降至4 ℃）：≤45 min；6）总装机功率：6.5 kW；7）供电方式：太阳能光伏供电为主的“一用两备”多电源供电；8）光伏供电能力：9.6 kVA；9）太阳能板额定功率：1.8 kW；10）太阳能板角度调档数：四级可调。

4 效益分析

4.1 社会效益

高原农牧区地广人稀，社会经济发展相对滞后，按照推进共同富裕的要求，从维护社会稳定的大局出发，需要继续重视对小规模养殖户的扶持，通过技术扶持和宣传引导，促使牦牛养殖农牧民更新经营理念，提高牦牛乳产业的集约化水平。本文立足于牦牛乳的实际生产需求，研发适用于适度规模散养业态下牦牛乳的保鲜，一方面提高了牦牛乳产地初加工技术、设备水平和牦牛乳商品化率，从而直接提高了牧民经济收入；另一方面对于其他牦牛乳产品生产具有借鉴作用，有利于发展多种形式的规模经营，提高基地集中养殖能力，增加牧民收入，让农牧民产生内生动力去改变传统的经营方式，确保脱贫不返贫，从而促进牧民生活水平提高、区域经济发展、民族团结和社会稳定。

4.2 生态效益

本设备采用绿色环保的太阳能光伏作为主要能源，对高原生态环境不会造成污染；不使用设备时，存储的电能还可供牧民生活使用；同时，该设备的应用可以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。该设备采用的轻型货车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。

4.3 经济效益

本成果为新产生成果，收入、推广费用不产生复利，研发费用不分摊，直接纯收益即为直接经济效益；根据本成果加工、能耗指标测算可能产生的经济效益，有关数据均引用相关已公布研究数据。四川牦牛存栏量470万头，按照全国牦牛存栏1 500万头，产奶母牦牛600 万头比例计算，四川省产奶母牦牛数量为188 万头，四川省牦牛年产奶量达56.4 万t。经测算，采用本成果后，产地鲜牦牛乳可商品化率能达到67.0%。按照目前市场牦牛乳收购价格6 元·kg-1计算，牦牛乳产地初加工年产值可达24 120 元·户-1，年增加收入13 320元·户-1；按可商品化率67%测算，四川省每年需产地初加工的鲜牦牛乳达37.8 万t；本设备每年加工量4 t·台-1，设备需求量达9.45万台，四川省每年可增加收入125 874万元。

5 结论

本文针对高原小（散）牦牛养殖户缺乏电源、处理技术和装备的现状，研制了螺旋地桩太阳能板固定支架，创新太阳能清洁能源在牦牛乳保存中的运用，系统集成了牦牛乳杀菌保鲜工艺，开发了设备动态联控关键技术，从而实现牦牛乳的及时处理和保鲜。整套系统集中在可移动部署的箱体内，进而在牧区可以进行转移和安装，适用于当前牦牛乳产业奶源基地不集中的现状。

本设备仍然存在不足和可深入探讨之处，未来可围绕以下4个方面开展持续探讨：1）进一步优化空间布局与作业模式。当前的箱体结构中，操作人员在进行设备操作时，易造成二次污染。在下一步研究中，或可将相关设备升级为流水线密闭作业模式。同时，留足设备安装空间和人员操作空间，对空间布局进行进一步优化。2）进一步平衡成本和用户期望价格。本设备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，以便更加能贴合用户需求。3）加大移动式太阳能牦牛乳产地保鲜贮藏一体化设备应用，深化提升现有成果技术方案，在推广应用中进一步迭代，减轻结构质量，优化设备配置，降低成本。4）根据乳业龙头加工企业的收购要求，进一步改良牦牛乳保鲜贮藏工艺流程。