CC BY
8
УДК 637.131.2
СТРУКТУРА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЛИНИИ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОКА КОРОВ С ИНДИВИДУАЛЬНЫМ СОСТАВОМ
Ю.Г. Иванов, доктор технических наук
Е.В. Машошина, кандидат сельскохозяйственных наук
Л.Н. Верликова, ассистент
ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
E-mail: lverlikova@rgau-msha.ru
Аннотация. Тенденция производства персонализированных продуктов питания открывает перспективы для получения на фермах молока без термообработки при сохранении его свежего вкуса и полезных микроэлементов. Предложена технологическая линия получения молока от каждой коровы на доильном роботе без высокотемпературной обработки. В состав технологической линии входят робот для доения с функцией контроля качества молока от отдельных коров, молокосборная колба, насосная установка для перекачивания молока в проточную двухступенчатую охладительную установку, танк-охладитель для сборного молока, установка для фасовки и маркировки упаковки, холодильник для временного хранения расфасованного молока, а также датчики потока и температуры молока, управляемые клапаны и контроллер. Установлены режимы получения, охлаждения и фасовки молока в процессе выдаивания отдельных коров в циклическом режиме. Определено технологическое оборудование, в состав которого входят доильный робот с системой сенсоров контроля показателей качества молока в процессе доения; охладительная установка на термоэлектрических модулях Пельтье, обладающих возможностью точного регулирования температуры, которая включается в циклах доения отдельных коров; оборудование для фасовки, маркировки и охлаждения упакованного молока. Рассчитаны параметры пластинчатого охладителя молока на термомодулях для циклического охлаждения молока в процессе доения. Ключевые слова: доильный робот, персонализированное молоко, пластинчатый охладитель, термоэлектрические модули Пельтье.
Введение. Одним из основных направлений развития молочного скотоводства является индивидуализация животных в технологических процессах на фермах на основе мониторинга их физиологических показателей и контроля качества молока в процессе доения [1-7].
Цель исследования - разработка технологии и автоматизированного оборудования для производства питьевого молока с индивидуальным для каждой коровы составом, без высокотемпературной обработки, на роботизированных фермах с целью производства высококачественного, персонализированного продукта для здорового питания человека. Проведенный опрос подтвердил актуальность настоящих исследований, установив наличие категории потребителей, предпочитающих молоко со свежим вкусом без высокотемпературной обработки [8].
Ход исследования. Предлагаемая технология предназначена для получения молока с сохранением всех полезных компонентов и индивидуальных вкусовых качеств, присущих отдельной корове, автоматической регистрации индивидуальных количественных и качественных показателей молока, охлаждения его до +4°С, фасовки и упаковки с нанесением маркировки «Честный знак» и индивидуальных показателей, регистрируемых в процессе доения данной коровы. При этом для обеспечения безопасности и сохранения высокого качества молока осуществляется его полная идентификация и просле-живаемость от коровы на ферме со всеми ее персональными данными до прилавка магазина. Данная технология является опциональной для доильного робота, так как представляет собой дополнение к существующей технологии, предусматривающей пастериза-
цию и охлаждение сборного от разных коров молока, но при этом расширяет ее функциональные возможности. В состав технологической линии входит робот для доения с функцией контроля качества молока от отдельных коров, молокосборная колба, насосная установка для перекачивания молока в проточную двухступенчатую охладительную установку, танк-охладитель для сборного молока, установка для фасовки и маркировки упаковки, холодильник для временного хранения расфасованного молока, а также датчики потока и температуры молока, управляемые клапаны и контроллер.
Основные технологические требования к линии получения молока. Технология обеспечивается при доении коров на роботе, контролирующем максимальное число показателей количества и качества молока в процессе доения, например, количество надоенного молока от данной коровы, содержание жира, содержание белка, содержание лактозы, количество соматических клеток, температура молока по долям вымени, электропроводность молока по долям вымени, наличие крови в молоке [9]. Молоко, соответствующее параметрам высокого качества, подается в двухступенчатый охладитель и далее в упаковочный автомат, где разливается в тару вместимостью, например, 1 литр. Затем расфасованное молоко подается в холодильный шкаф. Остающаяся при розливе часть молока объемом менее 1 литра направляется в танк-охладитель, где собирается сборное молоко от коров данного стада. Выдаиваемое молоко, не соответствующее требованиям качества, после доильного робота отводится в отдельные емкости.
На упаковку молока наносится следующая информация: наименование и адрес фермы, порода животного, кличка, идентификационный номер, дата рождения, дата и время дойки, содержание жира, белка, лактозы, срок годности и условия хранения.
Особенностью предлагаемой технологии является выполнение в течение одного цикла всех производственных операций по получению молока от отдельной коровы, начиная с момента входа на доильную установку, об-
работки сосков, доения, охлаждения молока, фасовки, маркировки упаковки до выхода животного из станка. При этом недопустима задержка доения последующей коровы. Эти требования накладывают временные ограничения на процесс охлаждения выдоенного молока, в связи с чем необходимо провести экспериментальные исследования, собрать и проанализировать параметры производственных операций при роботизированном доении коров в условиях фермы.
Экспериментальные исследования. Исследования проведены на роботизированной молочной ферме, оснащенной четырьмя доильными роботами Lely Astronaut 4 c Программой управления стадом. Общее количество коров на четырех роботах - 243 головы.
Цель экспериментальных исследований -установить технологические параметры процесса доения на доильном роботе, необходимые для расчета системы охлаждения выдоенного молока от отдельной коровы.
Рассмотрим циклограмму работы доильного робота на примере Lely Astronaut 4.
1. В течение некоторого времени после открытия входной калитки корова заходит в станок доильного робота и занимает фиксированное место. При этом средствами автоматизации осуществляется ее идентификация и закрывается входная калитка.
2. Включается дозатор корма, который выдает «приманочную» дозу.
3. Включается система определения местонахождения сосков вымени коровы.
4. Включаются приводы подведения рычага щеточного устройства к соскам коровы и самого щеточного устройства. Производится преддоильная очистка сосков.
4. Включается привод манипулятора для подведения и надевания доильных стаканов на соски коровы.
5. Одновременно с надеванием включаются поочередно доильные стаканы. При включении первого доильного стакана начинается процесс доения. Молоко собирается в молокосборную колбу.
6. По мере завершения молокоотдачи из отдельных сосков, при снижении потока молока ниже установленного уровня отключа-
ются и снимаются доильные стаканы. При отключении четвертого доильного стакана процесс доения заканчивается.
7. Включаются приводы манипулятора доильных стаканов, и они возвращаются в исходное положение.
8. Включается устройство для последо-ильной обработки сосков и доильных стаканов.
9. Включается привод выходной калитки, она открывается, корова выходит из станка доильного робота, калитка закрывается.
10. Включается устройство смыва фекалий с пола станка.
11. Доильный робот готов к приему следующей коровы.
Результаты исследований. Результаты исследований получены при анализе данных Программы управления стадом и хронометража процесса доения на роботе. Данные, полученные при сбоях в работе доильного робота и при отклонениях в поведении животных, не учитываются, так как они увеличивают значения исследуемых показателей, а для расчетов охладителей необходимы их минимальные значения.
Количество молока, выдаиваемого роботом за сутки, принимаем равным 2300 кг (из паспортных данных). Диапазон разовых надоев составляет от 0,1 до 20,2 л; диапазон средней скорости доения - от 0,1 до 4,8 кг/мин.; диапазон максимальной скорости доения - от 0,2 до 6,7 кг/мин.
Продолжительность времени нахождения коровы в боксе включает время на подготовку сосков к доению, время доения и время на последоильную обработку сосков. При этом время на вход и фиксацию коровы составляет 10 с, на определение местонахождения сосков, их обработку и надевание стаканов, от первого касания щеточным устройством и до начала доения - 60 с, время от момента надевания стакана до момента поступления первой порции молока, после отделения первых струек - 15-18 с. Выход коровы, как правило - 5 с. Время открывания входной калитки - 6-7 с. Время закрывания выходной калитки - 5-7 с. Суммарное время, затрачиваемое на обработку сосков, составляет око-
ло 2 мин. Продолжительность времени охлаждения молока, выдаиваемого от отдельной коровы, будет складываться из продолжительности времени доения ¿доения и времени на подготовительные и заключительные операции Переменным является значение продолжительности времени доения.
Продолжительность времени доения зависит от надоя и интенсивности молокоот-дачи (в отчете Программы управления стадом обозначается как время доения по каждой четверти). Максимальная продолжительность разового доения на четырех доильных роботах составляет 11 мин. 34 с. Также установлено, что интервалы времени между отдельными доениями коров на роботе в течение суток могут составлять от 1 мин. до 1,5 ч. Выдоенное молоко направляется на фасовку, где оно разливается в тару вместимостью, например, 1 литр. При этом последняя порция молока, объемом менее 1 литра, направляется в танк-охладитель, минуя фасовку. Кроме того, принимается, что на фасовку также не направляется молоко от коров, разовое значение надоя которых составляет менее 2 л.
Максимальное количество надоенного молока, направляемого на проточный двухступенчатый охладитель Кохл,, можно определить следующим образом (1):
К>хл Kiacn
К
мин1л
К
мин2л
(1)
где Упасп - паспортное значение суточного надоя молока одним роботом;
^мин1л - суммарное количество последних порций молока от коров, объемом менее 1 л;
^мин2л - суммарное количество молока от коров, с разовым надоем менее 2 л.
Экспериментально установлено, что значение Кмин1л не превышает 100-130 л; а Кмин2л не превышает 10-15 л.
Таким образом, проточный двухступенчатый охладитель молока должен обеспечивать охлаждение до 2200 л молока в сутки. При этом размер разовой порции охлаждаемого молока может составлять от 2 до 25 л молока. Продолжительность времени охлаждения разовой порции молока находится в зависимости от надоя и интенсивности мо-локоотдачи в диапазоне от 2 до 12 минут.
Применение результатов. Разрабатываемая технология предусматривает выдаивание отдельной коровы и охлаждение полученного при этом молока, не смешанного с молоком от других коров во время доения. При этом охлаждение индивидуального молока должно производиться в циклическом режиме и завершаться до начала доения следующей коровы.
Продолжительность времени цикла доения иц дл отдельной коровы на доильном роботе можно записать через выражение (2):
£ц д.1 ^подг. + ^д.£ + ^закл. (2)
где иподг. - продолжительность времени подготовительных операций, включающих вхождение коровы в станок, обнаружение местонахождения сосков, времени преддо-ильной обработки сосков, времени надевания доильных стаканов; ¿д.г-. - продолжительность времени доения отдельной коровы; 4акл - продолжительность времени заключительных операций после снятия четвертого доильного стакана, включающих обработку сосков, обработку доильных стаканов и выход коровы из станка.
Продолжительность времени цикла охлаждения молока, выдоенного от коровы -
и
ц.охлл.
должно быть больше, чем минимальное время на доение коровы:
^ц.охл. — ^ц.д.1 min • (3)
В связи с этим основными требованиями, предъявляемыми к охладительной установке, являются: возможность обеспечения охлаждения индивидуальной выдоенной порции молока от коров с разовым надоем от 2 до 25 литров, способность работать в циклическом режиме (до 200 и более включений в сутки), быстродействующее охлаждение и возможность плавного точного регулирования заданной температуры охлаждения молока. Первая ступень охлаждения молока реализуется на серийном пластинчатом теплообменнике, в котором в качестве охлаждающей среды используется холодная вода из водопровода или льдогенератора. Охладитель работает в циклическом режиме и включается при перекачке молока от молокосборника в фасовочную установку. Он подбирается по известным техническим характеристикам.
Для второй ступени разработан пластинчатый теплообменник, использующий в качестве охладительного элемента термоэлектрические модули Пельтье благодаря таким их преимуществам, как высокое быстродействие и точность регулировки температуры. Они включаются в циклах доения отдельных коров, обеспечивают охлаждение жидкого продукта с одной стороны модуля и нагрев воды с другой стороны. Возможности применения термомодулей для совмещения процессов пастеризации и охлаждения смешанного молока исследованы в работах Кирсанова В.В. и Кравченко В.Н. [10, 11].
В предлагаемой технологии в качестве основного назначения термомодулей Пельте предусматривается использование их охлаждающей способности для охлаждения молока. На теплой стороне будет получаться нагретая вода для производственных нужд, например, промывки доильных стаканов и молокопроводящих линий, предоильной очистки сосков, поения животных, а также для персонала фермы.
Расчеты пластинчатого охладителя молока с термомодулями показывают возможность их использования даже при одноступенчатом охлаждении. Для охлаждения порции молока 20 кг за 10 мин. от +35°С до +5°С при теплоемкости молока, равной 3,93 кДж/(кг-К), и плотности 1018 кг/м необходим охладитель мощностью 4 кВт. Если вода в системе охлаждения на входе будет +10°С, то на эффект Пельтье необходимо отводить порядка 2 кВт. Применение предварительного охлаждения на первой ступени с помощью воды из водопровода позволит снизить потребляемую мощность до 50%.
Выводы. Предложена технологическая линия получения молока от каждой коровы на доильном роботе без высокотемпературной обработки. Установлены режимы получения, охлаждения и фасовки молока в процессе выдаивания отдельных коров в циклическом режиме.
Рассчитаны параметры пластинчатого охладителя молока на термомодулях для циклического охлаждения молока в процессе доения.
Определено технологическое оборудование, в состав которого входят доильный робот с системой сенсоров контроля показателей качества молока в процессе доения; охладительная установка на термоэлектрических модулях Пельтье, обладающих возможностью точного регулирования температуры, которая включается в циклах доения отдельных коров; оборудование для фасовки, маркировки и охлаждения упакованного молока.
Литература:
1. Иванов Ю.Г. Радиотехническая система управления адресным обслуживанием животных на молочной ферме // Известия ТСХА. 2005. № 1. С. 151-155.
2. Иванов Ю.Г. Адресное обслуживание животных на молочной ферме // Зоотехния. 2005. № 5. С. 16-19.
3. Иванов Ю.Г., Викторов А.И. Радиотехнический метод определения местонахождения животных и половой охоты коров и телок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2005. № 4. С. 9-11.
4. Иванов Ю.Г. Системы дистанционного контроля сигналов коров // Зоотехния. 2014. № 12. С. 6-7.
5. Иванов Ю.Г. Исследования микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2015. № 2. С. 7.
6. Владимиров Ф.Е. Измерение ph и температуры рубца у коров в послеродовой период для диагностики ацидоза // Инновации в с. х. 2019. № 3(32). С. 225.
7. Температура и уровень pH рубца как показатели вероятности репродуктивного успеха / Дорохов А.С. и др. // Вестник НГИЭИ.2019. № 6(97). С. 117-126.
8. Hocherrhitzte Milch: Ein Hoch auf die neue Milch. URL: https://www.test.de/Hocherhitzte-Milch-Ein-Hoch-auf-die-neue-Milch-1145760-1145761/
9. Сайт компании Lely. URL: https://www.lely.com/ru/
10. Кирсанов В.В., Кравченко В.Н. Энергосберегающая пастеризационно-охладительная установка на термоэлектрических модулях // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2010. № 2. С. 12-14.
11. Кравченко В.Н. Применение термоэлектрических модулей в молочном животноводства // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2011. № 1. С. 15-16.
Literatura:
1. Ivanov YU.G. Radiotekhnicheskaya sistema upravle-niya adresnym obsluzhivaniem zhivotnyh na molochnoj ferme // Izvestiya TSKHA. 2005. № 1. S. 151-155.
2. Ivanov YU.G. Adresnoe obsluzhivanie zhivotnyh na molochnoj ferme // Zootekhniya. 2005. № 5. S. 16-19.
3. Ivanov YU.G., Viktorov A.I. Radiotekhnicheskij me-tod opredeleniya mestonahozhdeniya zhivotnyh i polovoj ohoty korov i telok // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'-skogo hozyajstva. 2005. № 4. S. 9-11.
4. Ivanov YU.G. Si-stemy distancionnogo kontrolya sig-nalov korov // Zo-otekhniya. 2014. № 12. S. 6-7.
5. Ivanov YU.G. Issledovaniya mikroprocessornoj siste-my distancionnogo monitoringa signalov korov // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2015. № 2. S. 7.
6. Vladimirov F.E. Izmerenie ph i temperatury rubca u korov v poslerodovoj period dlya diagnostiki acidoza // Innovacii v s. h. 2019. № 3(32). S. 225.
7. Temperatura i uroven' pH rubca kak pokazateli vero-yatnosti reproduktivnogo uspekha / Dorohov A.S. i dr. // Vestnik NGIEI.2019. № 6(97). S. 117-126.
8. Hocherrhitzte Milch: Ein Hoch auf die neue Milch. URL: https://www.test.de/Hocherhitzte-Milch-Ein-Hoch-auf-die-neue-Milch-1145760-1145761/
9. Sajt kompanii Lely. URL: https://www.lely.com/ru/
10. Kirsanov V.V., Kravchenko V.N. Energosberegayu-shchaya pasterizacionno-ohladitel'naya ustanovka na ter-moelektricheskih modulyah // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2010. № 2. S. 12-14.
11. Kravchenko V.N. Primenenie termoelektricheskih modulej v molochnom zhivotnovodstva // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2011. № 1. S. 15-16.
STRUCTURE OF TECHNICAL MEANS OF THE LINE FOR COW'S MILK WITH INDIVIDUAL COMPOSITION'S GETTING Y.G. Ivanov, doctor of technical sciences E.V. Mashoshina, candidate of agricultural sciences L.N. Verlikova, assistant
FGBOU VO RGAU-MSHA named after K. A. Timiryazev
Abstract. The trend of food products' personalizing it opens prospects for milk obtaining on farms without heat treatment at its fresh taste and useful microelements' preserving. A technological line for milk obtaining from each cow on milking robot yielding without hightemperature processing is proposed. The technological line includes a milking robot with the milk quality from every cows controlling function, a milk collection's bottle, a pump u nit for milk pumping into a twostage flow cooling installation, a cooling tank for collecting milk, a unit for milk packing and labeling, packaged milk temporary storage's refrigerator, as well as milk flow and temperature sensors, co n-trolled by valves and a controller. The milk receiving, cooling and packing during of cows' milking regimes in a cyclic one are established. The technological equipment is defined, including a milking robot with a system of sensors for milk quality indicators' monitoring during milking; a cooling unit on thermoelectric modules of Peltier that can accurately temperature control make, that at the individual cows milking cycles including; equipment for milk packing, labeling and cooling. The parameters of a plate milk cooler on thermal modules for milk cyclic cooling during milking are calculated.
Keywords: milking robot, personalizing milk, plate cooler, thermoelectric modules of Peltier.
