• Агроинженерия и пищевые технологии
• Научные исследования

23.12.2024

Модернизация доильной системы устройством экспресс-анализа качества молока

В России существует значительный потенциал развития сельского хозяйства в направлении создания и внедрения средств автоматизации. Развитие этой области имеет тренд в направлении использования цифровых и интеллектуальных технологий.

Для обеспечения контроля качества продукции фермы расширяют использование высокотехнологичных систем экспресс-анализа, которые постепенно заменяют классические дорогостоящие и трудоемкие инвазивные химические методы.

Контроль состава молока и длительности доения в режиме реального времени особенно важен для оперативного реагирования на отклонение параметров физиологического состояния животных и своевременной корректировки рационов при снижении удоев.

Из-за необходимости использовать устройства экспресс-анализа качества продукции, не приводящие к нарушению работы доильной установки и значительному падению давления в молочном шланге, при разработке анализаторов качества молока для оборудования молочных ферм в первую очередь перспективны оптические методы диагностики. Такие методы позволяют проводить бесконтактную и неразрушающую диагностику с высокой чувствительностью и скоростью.

Применение БИК-спектроскопии в молочной промышленности привело к повышению качества анализа параметров молока. Однако излишки воды в молоке и наличие микро- и макропузырьков газов усложняют БИК-спектроскопический анализ, что снижает точность анализа молока.

В этих условиях измерительные устройства анализа качества молока создаются с учетом того, что поток молока в доильной установке представляет собой чередование молочных и воздушных пробок с различными параметрами рассеяния. Во время работы доильной системы молоко не должно загрязняться объектами, влияющими на его оптические свойства. Например, попадание воды в молочные шланги нарушит пропорции потока молока. Для обеспечения приемлемых условий работы устройства необходимо содержать внутренние поверхности доильной системы в чистоте. Это накладывает определенные ограничения на условия эксплуатации доильных систем.

Цель исследования — определить работоспособность модели устройства для измерения процентной концентрации жира и проведения качественного анализа концентрации соматических клеток в молоке в составе модернизированной доильной системы.

Материалы и методы исследования

Лабораторные испытания проводились в октябре 2023 года в Агроинженерном центре ВИМ и включали оценку работоспособности и точности измерений устройством экспресс-анализа качества молока по двум критериям — процентный анализ массовой доли жира в потоке молоковоздушной смеси и качественный анализ концентрации соматических клеток в потоке молоковоздушной смеси.

Используемое для модернизации доильной системы устройство экспресс-анализа качества молока разработано Агроинженерным центром ВИМ совместно с ИОФ РАН (патент на изобретение от 28.02.2023 RU 2790807 C1). Устройство позволяет проводить поточный анализ процентной концентрации жира и количественный анализ концентрации соматических клеток в молоке с пороговым уровнем 900–1000 тыс. клеток / мл. Комплект состоит из модуля измерений, включающего в себя источник излучения, блок приемников излучения, измерительную камеру и кронштейн для крепления, и модуля расчетов, включающего в себя плату управления и кронштейн для крепления.

Принцип работы и условия эксплуатации скаттерометрического устройства экспресс-анализа качества молока описаны в научных работах разработчиков технологии.

В основе лабораторного стенда использована доильная система типа «Елочка» 30° 1 х 3 на три доильных места (ФНАЦ ВИМ, Россия). Максимальный объем потока молоковоздушной смеси в молочном шланге доильной системы и измерительной камере устройства равен 6 л/мин (ежесекундный объем 0,0001 м³/с).

В исследовании использовался молочный шланг ПВХ 14 х 24 мм прозрачный (Terraflex, Израиль). При этом учитывается, что поток молоковоздушной смеси протекает при неполном и неравномерном заполнении, что соответствует реальному процессу доения в условиях фермы. В соответствии с требованиями ГОСТ 34496-2018 максимально возможным перепадом давления в доильной системе является 3 кПа. Это ключевое условие интеграции устройства в молочный шланг доильной системы. Проверенный вакуумметром (ЧВМЗ, Россия) перепад составил менее 1 кПа.

Разработанный лабораторный стенд состоит из трех модулей, связанных между собой: доильной системы типа «Елочка» 30° 1 х 3 (ФНАЦ ВИМ, Россия); устройства экспресс-анализа качества молока в процессе доения; резервуара (пластикового бака на 50 л с врезанными силиконовыми репликами сосков вымени коровы (производство ФНАЦ ВИМ, Россия), молокоопорожнителя 09.00.000 с НМУ (АДС, Беларусь) и молочных шлангов (1,5 м длина участка ПВХ шланга 14 х 24 мм между коллектором и счетчиком молока (Terraflex, Израиль) для создания замкнутой системы циркулирования молоковоздушной смеси.

Поскольку только один из двух модулей устройства экспресс-анализа качества молока непосредственно интегрируется в молочный шланг, монтаж модулей в экспериментальном стенде производится разными способами: модуль расчета был неподвижно закреплен на одной из балок экспериментального стенда с помощью кронштейна; модуль измерений был зафиксирован в молочном шланге экспериментального стенда с использованием двух хомутов и дополнительно неподвижно закреплен на одной из балок экспериментального стенда с помощью кронштейна. Модули связаны шлейфом, поэтому максимальное расстояние между ними составляет 150 мм. На рисунке 1 показан вид лабораторного стенда.

Конструкция стенда позволяет прокачивать молоко в замкнутом цикле неограниченное время, однако делать это дольше 30 мин. не рекомендуется из-за разрушения структуры молока при длительной прокачке в молочных шлангах экспериментального стенда.

Методика исследования включает оценку двух параметров качества молока — процентную концентрацию жирности и качественный анализ концентрации соматических клеток. Для проведения исследования необходимы эталонный анализатор качества молока (для оценки процентной концентрации жирности) и референсный способ качественной оценки концентрации соматических клеток.

Исследование проводилось в два этапа, использовалось сырое коровье молоко, пастеризованное, негомогенизированное, с двумя отличающимися параметрами жирности — 2,53% и 3,16%. Молоко разной жирности поочередно заливалось в систему.

Жирность молока перед исследованием измерялась сертифицированным анализатором качества молока «Лактан 1-4М» (ООО ВПК «Сибагроприбор», Россия) в соответствии с РМГ 29-2013. По причине логистической недоступности доставки сырого коровьего молока с высокой концентрацией соматических клеток для проверки точности качественного анализа концентрации соматических клеток в молоке были использованы клетки карциномы молочной железы человека размером около 20 мкм, разбавленные в молоке для обеспечения концентрации в 1 × 10⁶ клеток на 1 мл, используя существующую методику создания модели соматических клеток.

Измерения проводятся по 32 раза с каждым типом молока. Устройство проводит измерение каждые 12 сек., что соответствует пяти измерениям в 1 мин. Программа вывода результатов измерений указывает точное время при выводе результата измерения.

Для проведения лабораторного эксперимента необходимо выполнить следующие шаги:

1.  Заполнить макет вымени молоком.
2.  Подключить устройство экспресс-анализа качества молока к компьютеру и запустить программу вывода результатов измерений.
3.  Включить экспериментальный стенд и задать режим производительности (минимальный — 1 л/мин, максимальный — 6 л/мин).
4.  Фиксировать результаты измерений (программа вывода результатов измерений позволяет переносить результаты в файл текстового редактора компьютера).
5.  По окончании эксперимента остановить прокачку молока, отключить от молочного шланга устройство экспресс-анализа, опорожнить макет вымени от молока, промыть макет и устройство, просушить всё оборудование.

Для оценки однородности полученных результатов использовался коэффициент вариации, благодаря которому можно оценить степень рассеивания результатов измерений в общей выборке данных.

Точность работы устройства в ходе проведенного лабораторного исследования позволит сделать предположения о достоверности и применимости сбора массива цифровых данных и последующего анализа ветеринарами для оценки стада. Рассчитанный коэффициент вариации c_v измерений был рассчитан с использованием отношения стандартного отклонения выборки σ к среднему значению выборки x по формуле (1):

Оценка точности работы устройства проводится сравнением результатов, полученных устройством экспресс-анализа качества молока, с процентной концентрацией жирности и качественным анализом концентрации соматических клеток, полученными эталонными способами, описанными выше.

Результаты и обсуждение

Для испытаний использовалось коровье молоко жирностью 2,53% и 3,16%. Работающее устройство экспресс-анализа качества молока проводит измерение параметров качества молока каждые 12 сек. независимо от наличия молока в измерительной камере устройства, поэтому значения в моменты отсутствия молока в измерительной камере устройства были исключены из результатов. Вид устройства после испытаний представлен на рисунке 2.

На первом этапе эксперимента была проверена точность работы устройства с молоком жирностью 2,53% и количеством соматических клеток 1 × 10⁶. В результате среднее значение ± стандартное отклонение жирности — 2,75±0,16%, коэффициент соматических клеток — 0,102±0,006 у. е., что соответствует диапазону 900–1000 тыс. соматических клеток. Достоверность результатов подтверждена при р < 0,05. На рисунке 3 можно визуально оценить результаты по измерению жирности молока.

На втором этапе эксперимента была проверена точность работы устройства с молоком жирностью 3,16% и с количеством соматических клеток 1 × 10⁶. В результате эксперимента среднее значение ± стандартное отклонение жирности составили 3,37±0,20%, коэффициент соматических клеток — 0,096±0,007 у. е., что соответствует диапазону 900–1000 тыс. соматических клеток. Достоверность результатов подтверждена при р < 0,05. На рисунке 4 можно визуально оценить результаты по измерению жирности молока.

Максимальный коэффициент вариации для измерений жирности составил 6%, а для качественного анализа соматических клеток — 7%, что демонстрирует стабильность работы устройства. Подробное изучение массива цифровых данных, которые будут получены при производственных испытаниях устройства, помогут находить даже слабо выраженные закономерности изменения параметров качества молока животных.

Из результатов эксперимента можно сделать заключение о погрешности средних значений измеряемой жирности молока в 0,2–0,3%, а разовые измерения имеют максимальную погрешность менее 0,6% жирности.

Стоит отметить, что на возможную точность результатов исследования может оказывать влияние загрязнение молочных шлангов. В лабораторной установке промывка молочных шлангов производится своевременно и в соответствии с инструкцией по эксплуатации, поэтому они сохраняют свою функциональность. Однако в производственных условиях возможны нарушения условий эксплуатации, что может привести к загрязнению протекающего в молочных шлангах доильной системы потока молоковоздушной смеси и возможному снижению точности измерений устройством.

Выводы

Экспериментально доказана возможность модернизировать доильную систему «Елочка» устройством экспресс-анализа параметров качества молока. Был разработан и создан модельный экспериментальный стенд, на котором оценена способность устройства проводить экспресс-анализ процентной концентрации жира и качественную оценку концентрации соматических клеток в молоке жирностью 2,53% и 3,16%.

В результате эксперимента среднее значение ± стандартное отклонение жирности составили 2,75±0,16% и 3,37±0,20%, а соматических клеток — 0,096±0,007 у. е. и 0,102±0,006 у. е., что соответствует диапазону 900–1000 тыс. клеток / мл. Погрешности средних значений измеряемой жирности молока составили 0,2–0,3% жирности измеряемого молока.

В дальнейшем будет продолжено совершенствование системы, обеспечивающей поточный мониторинг процесса доения.

Об авторах

Артём Рустамович Хакимов; младший научный сотрудник

arty.hv@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-4332-9274

Дмитрий Юрьевич Павкин; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

dimqaqa@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-8769-8365

Сергей Сергеевич Юрочка; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

yssvim@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-2511-7526

Семён Сергеевич Рузин; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ruzin.s.s@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0001-6870-5486

Павел Сергеевич Бердюгин; младший научный сотрудник

BPS71188@yandex.ru; https://orcid.org/0009-0005-8217-9482

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия

УДК 637.112.5
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-388-11-145-149