吳瑕玉，褚紅春，周小波，陳 進(jìn)，王 利，劉小譚

（四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，四川成都 610000）

牦牛生活于高海拔、無污染環(huán)境，其乳汁有著普通牛乳所不能比擬的特點(diǎn)。與普通牛乳相比，牦牛乳具有更為豐富的蛋白質(zhì)（尤其是乳清蛋白）、氨基酸、脂肪、糖類和礦物質(zhì)（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(yǎng)豐富、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的產(chǎn)品[2]。牦牛乳幾乎沒有任何農(nóng)殘與重金屬殘留，符合“綠色健康”的食品發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委發(fā)布的《乳制品工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策（2009 年修訂）》中制定了發(fā)展牦牛乳的優(yōu)惠政策，提出了“適度發(fā)展滅菌乳、發(fā)酵乳、巴氏殺菌乳等產(chǎn)品”等的指導(dǎo)意見，為牦牛乳產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了宏觀指導(dǎo)。同時(shí)，隨著人們對(duì)乳品質(zhì)量要求的提高，綠色健康的牦牛乳產(chǎn)品逐漸受到人們的關(guān)注，具有很廣闊的市場前景。

我國是世界上擁有牦牛數(shù)量和品種類群最多的國家。四川省是我國牦牛主要分布區(qū)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(fā)利用，商業(yè)利用率較低，僅8.0%左右[3]。雖然近年來部分牦牛主產(chǎn)區(qū)已經(jīng)初步形成了牦牛奶集中收集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、加工一條龍的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營企業(yè)[4]，但由于牧區(qū)地廣人稀，牦牛多分布在距加工區(qū)和企業(yè)收奶輻射區(qū)很遠(yuǎn)的夏季牧場，且多以牧民散養(yǎng)為主，產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在鮮奶儲(chǔ)藏、運(yùn)輸不便的困難，亟需一種便利的技術(shù)與設(shè)備來實(shí)現(xiàn)牦牛乳的產(chǎn)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(chǎn)地保鮮設(shè)備與技術(shù)。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(wǎng)供電條件不支持當(dāng)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(dòng)式太陽能牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏一體化設(shè)備，該設(shè)備屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)機(jī)裝備及設(shè)施成果——畜禽養(yǎng)殖新鮮牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏的新設(shè)備，主要針對(duì)高原?。ㄉⅲB(yǎng)殖戶缺乏電源、處理技術(shù)和裝備等現(xiàn)狀，解決牦牛乳無法在產(chǎn)地殺菌保鮮貯藏而導(dǎo)致嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，從而提高牦牛乳的商品轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)牦牛乳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增加牦牛乳養(yǎng)殖牧民的收入。

1 研發(fā)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(nèi)集成供電系統(tǒng)、加熱滅菌系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)牦牛乳產(chǎn)地殺菌保鮮貯藏。

2 技術(shù)方案

采用輕型貨車滿足整體移動(dòng)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(tǒng)；以巴氏殺菌保鮮工藝為基礎(chǔ)優(yōu)化配置加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)；優(yōu)配灌裝設(shè)備、貯藏設(shè)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(zhì)，金屬框架包邊組裝，開側(cè)窗、側(cè)門、雙尾門，內(nèi)鋪地板；箱體四角設(shè)調(diào)平裝置，頂部四角加吊耳，底部四角加滾輪。

2.2 供電系統(tǒng)及設(shè)備

由太陽能光伏板、光伏控制器、逆變器、蓄電池、聯(lián)結(jié)電纜、防水插座、市電和發(fā)電機(jī)接口、一體化光伏板支架構(gòu)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(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)化為電能，貯存在蓄電池內(nèi)；逆變器轉(zhuǎn)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(diào)整斜度，搬運(yùn)時(shí)折疊形成防護(hù)框，保護(hù)太陽能板不受碰撞，安裝和拆收方便。

2.3 加熱滅菌系統(tǒng)及設(shè)備

由水箱、循環(huán)泵、管道、電加熱器、滅菌罐、攪拌機(jī)、溫度傳感器、控制器組成。

滅菌罐為夾層帶儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的圓形罐體，夾層底部設(shè)置電加熱器；內(nèi)罐裝牦牛乳，水通過水泵和管道送到夾層，經(jīng)電加熱器加熱后間接加熱牛乳；內(nèi)罐安裝攪拌機(jī)使牦牛乳受熱均勻；夾層設(shè)置溢流閥，多余的水自動(dòng)流回水箱；完成消毒滅菌后，夾層內(nèi)熱水經(jīng)底閥排出、回收；水箱內(nèi)冷水再次通過水泵和管道送到夾層進(jìn)行牦牛乳預(yù)冷。

2.4 冷卻系統(tǒng)及設(shè)備

由水箱、泵、管道、制冷機(jī)、直冷罐、攪拌機(jī)、溫度傳感器、控制器組成。

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

2.5 輔助設(shè)備

由灌裝機(jī)、冷藏柜、照明設(shè)備、總控制裝置組成。

優(yōu)選小型半自動(dòng)液體灌裝機(jī)，牦牛乳從直冷罐經(jīng)灌裝后放入冷藏柜貯存。總控制裝置控制所有設(shè)備運(yùn)行。牦牛乳加熱溫度由安裝在滅菌罐內(nèi)的傳感器測(cè)溫，冷卻溫度由安裝在直冷罐內(nèi)的傳感器測(cè)溫，消毒（冷卻）溫度、消毒（冷卻）時(shí)間由單片機(jī)控制。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)備供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由多組太陽能光伏板、多個(gè)一體化多功能支架、支架調(diào)平地樁、聯(lián)結(jié)電纜、防水插座、光伏控制器、蓄電池、逆變器、市電和發(fā)電機(jī)接口等構(gòu)成。

供電采用“一用兩備”多電源供電模式。設(shè)備供電系統(tǒng)以太陽能光伏供電為主，充分利用高原充沛（峰值日照時(shí)數(shù)5 h 以上）的太陽能資源，在光照不足時(shí)輔以發(fā)電機(jī)供電，在有供電設(shè)施的地方可采用市電供電；根據(jù)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(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的220 V交流電。

3.2 設(shè)備殺菌保鮮工藝

設(shè)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(shè)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(shí)現(xiàn)消毒滅菌；通過冷水預(yù)冷至溫度恒定；預(yù)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(tǒng)如圖1 所示，由電加熱器、水箱、滅菌罐、攪拌機(jī)、控制器等組成；冷卻系統(tǒng)如圖2 所示，由水箱、泵、管道、制冷機(jī)、直冷罐、攪拌機(jī)、控制器等組成。滅菌罐和直冷罐方便人工清洗方便，攪拌機(jī)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(chǎn)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(tǒng)

圖2 牦牛乳冷卻系統(tǒng)

3.3 設(shè)備輔助系統(tǒng)

輔助設(shè)備系統(tǒng)由箱體、光伏板支架、灌裝機(jī)、冷藏柜、照明設(shè)備、總控制裝置等組成。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)輕型箱體和移動(dòng)方案。根據(jù)一體化設(shè)備的應(yīng)用場景需求，對(duì)輕型箱體外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)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(diào)平裝置，方便在不平坦的草地上放置后調(diào)平；通過具有隨車吊功能的貨車搬運(yùn)，方便在草原上移動(dòng)部署?？绍囕d輕型箱體外觀實(shí)體圖如圖4所示。

圖4 可車載輕型箱體外觀實(shí)體圖

原創(chuàng)設(shè)計(jì)光伏板多功能一體化支架和地釘固定方案，其設(shè)計(jì)示意圖見圖5，支架為金屬管材構(gòu)成長方體，內(nèi)部可容納單張光伏板，起到保護(hù)作用并便于搬運(yùn)，展開后能固定支撐光伏板，可快速調(diào)整到本地區(qū)所需支撐角度，螺旋地釘能固定支架和調(diào)整水平。太陽能光伏板及其一體化支架實(shí)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(shè)計(jì)示意圖

圖6 太陽能光伏板及其一體化支架實(shí)物圖

灌裝機(jī)采用電腦控制、容積計(jì)量的半自動(dòng)立袋灌裝，精度可達(dá)±5%，能夠達(dá)到包裝精度要求。冷藏柜通過頂部開門，采用壓縮機(jī)制冷，其溫度控制范圍在0～5 ℃，能夠達(dá)到保鮮貯藏要求。照明系統(tǒng)采用6 W的LED 燈泡，節(jié)電且照明效果好?？偪刂蒲b置具有各路用電的開關(guān)和保險(xiǎn)功能，還具有電流和電量顯示。

3.4 設(shè)備集成研究

采取集成創(chuàng)新思路，將“良法”與“良機(jī)”“綠色能源”“農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地初加工”進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。在隔熱、防雨、防風(fēng)的輕型車載箱體內(nèi)高度集成電源、以太陽能光伏為主的供電系統(tǒng)、加熱滅菌系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，優(yōu)化設(shè)計(jì)配置灌裝設(shè)備、貯藏設(shè)備等輔助設(shè)備，從而形成一個(gè)一體化設(shè)備（見圖7）。農(nóng)牧民通過該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在產(chǎn)地對(duì)新鮮牦牛乳進(jìn)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(zhuǎn)化效率，進(jìn)而提高藏區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)效益。移動(dòng)式太陽能牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏一體化設(shè)備集成實(shí)物如圖8所示。

圖7 移動(dòng)式太陽能牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏一體化設(shè)備集成示意圖

圖8 移動(dòng)式太陽能牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏一體化設(shè)備集成實(shí)物圖

3.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

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(shí)間（由60 ℃降至4 ℃）：≤45 min；6）總裝機(jī)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(diào)檔數(shù)：四級(jí)可調(diào)。

4 效益分析

4.1 社會(huì)效益

高原農(nóng)牧區(qū)地廣人稀，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后，按照推進(jìn)共同富裕的要求，從維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的大局出發(fā)，需要繼續(xù)重視對(duì)小規(guī)模養(yǎng)殖戶的扶持，通過技術(shù)扶持和宣傳引導(dǎo)，促使牦牛養(yǎng)殖農(nóng)牧民更新經(jīng)營理念，提高牦牛乳產(chǎn)業(yè)的集約化水平。本文立足于牦牛乳的實(shí)際生產(chǎn)需求，研發(fā)適用于適度規(guī)模散養(yǎng)業(yè)態(tài)下牦牛乳的保鮮，一方面提高了牦牛乳產(chǎn)地初加工技術(shù)、設(shè)備水平和牦牛乳商品化率，從而直接提高了牧民經(jīng)濟(jì)收入；另一方面對(duì)于其他牦牛乳產(chǎn)品生產(chǎn)具有借鑒作用，有利于發(fā)展多種形式的規(guī)模經(jīng)營，提高基地集中養(yǎng)殖能力，增加牧民收入，讓農(nóng)牧民產(chǎn)生內(nèi)生動(dòng)力去改變傳統(tǒng)的經(jīng)營方式，確保脫貧不返貧，從而促進(jìn)牧民生活水平提高、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民族團(tuán)結(jié)和社會(huì)穩(wěn)定。

4.2 生態(tài)效益

本設(shè)備采用綠色環(huán)保的太陽能光伏作為主要能源，對(duì)高原生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成污染；不使用設(shè)備時(shí)，存儲(chǔ)的電能還可供牧民生活使用；同時(shí)，該設(shè)備的應(yīng)用可以減少牧民使用能源運(yùn)輸工具往返奶站的次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。該設(shè)備采用的輕型貨車可滿足整體移動(dòng)需求。牧民散養(yǎng)牦牛的遷徙范圍變廣，使單位面積飼養(yǎng)牦牛數(shù)量減少，從而更有效地實(shí)現(xiàn)草畜平衡，達(dá)到保護(hù)高原生態(tài)的目的。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

本成果為新產(chǎn)生成果，收入、推廣費(fèi)用不產(chǎn)生復(fù)利，研發(fā)費(fèi)用不分?jǐn)?，直接純收益即為直接?jīng)濟(jì)效益；根據(jù)本成果加工、能耗指標(biāo)測(cè)算可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，有關(guān)數(shù)據(jù)均引用相關(guān)已公布研究數(shù)據(jù)。四川牦牛存欄量470萬頭，按照全國牦牛存欄1 500萬頭，產(chǎn)奶母牦牛600 萬頭比例計(jì)算，四川省產(chǎn)奶母牦牛數(shù)量為188 萬頭，四川省牦牛年產(chǎn)奶量達(dá)56.4 萬t。經(jīng)測(cè)算，采用本成果后，產(chǎn)地鮮牦牛乳可商品化率能達(dá)到67.0%。按照目前市場牦牛乳收購價(jià)格6 元·kg-1計(jì)算，牦牛乳產(chǎn)地初加工年產(chǎn)值可達(dá)24 120 元·戶-1，年增加收入13 320元·戶-1；按可商品化率67%測(cè)算，四川省每年需產(chǎn)地初加工的鮮牦牛乳達(dá)37.8 萬t；本設(shè)備每年加工量4 t·臺(tái)-1，設(shè)備需求量達(dá)9.45萬臺(tái)，四川省每年可增加收入125 874萬元。

5 結(jié)論

本文針對(duì)高原小（散）牦牛養(yǎng)殖戶缺乏電源、處理技術(shù)和裝備的現(xiàn)狀，研制了螺旋地樁太陽能板固定支架，創(chuàng)新太陽能清潔能源在牦牛乳保存中的運(yùn)用，系統(tǒng)集成了牦牛乳殺菌保鮮工藝，開發(fā)了設(shè)備動(dòng)態(tài)聯(lián)控關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)牦牛乳的及時(shí)處理和保鮮。整套系統(tǒng)集中在可移動(dòng)部署的箱體內(nèi)，進(jìn)而在牧區(qū)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移和安裝，適用于當(dāng)前牦牛乳產(chǎn)業(yè)奶源基地不集中的現(xiàn)狀。

本設(shè)備仍然存在不足和可深入探討之處，未來可圍繞以下4個(gè)方面開展持續(xù)探討：1）進(jìn)一步優(yōu)化空間布局與作業(yè)模式。當(dāng)前的箱體結(jié)構(gòu)中，操作人員在進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，易造成二次污染。在下一步研究中，或可將相關(guān)設(shè)備升級(jí)為流水線密閉作業(yè)模式。同時(shí)，留足設(shè)備安裝空間和人員操作空間，對(duì)空間布局進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。2）進(jìn)一步平衡成本和用戶期望價(jià)格。本設(shè)備針對(duì)小規(guī)模牦牛養(yǎng)殖戶開發(fā)，操作簡便，自動(dòng)化程度與價(jià)格的平衡有待進(jìn)一步提升，以便更加能貼合用戶需求。3）加大移動(dòng)式太陽能牦牛乳產(chǎn)地保鮮貯藏一體化設(shè)備應(yīng)用，深化提升現(xiàn)有成果技術(shù)方案，在推廣應(yīng)用中進(jìn)一步迭代，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)備配置，降低成本。4）根據(jù)乳業(yè)龍頭加工企業(yè)的收購要求，進(jìn)一步改良牦牛乳保鮮貯藏工藝流程。