牛奶分流取樣加工裝置結構設計*

高喜銀 ， 宋 強 ， 馬偉男 ， 褚素喬

（1.河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001；2.石家莊市畜牧技術推廣站，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著中國經濟的快速發展和人民對膳食營養重視程度的不斷提升，乳制品日益受到消費者的青睞，同時，人們對乳制品的質量要求也越來越高。農村產業結構的不斷擴大，使我國奶業進入高速發展期[1-2]。據國家統計局發布的《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展統計公報》，2021年全年國內牛奶產量為3 683萬t，增長7.1%[3]。牛奶富含鈣、磷、維生素A、維生素D等營養物質，還含有人體所需的各種蛋白質和8種必需的氨基酸[4]，具有降低人體內膽固醇、助眠及中和胃酸等功效，備受人們喜愛[5]。

本研究所述牛奶是指奶牛產出的生鮮乳，是乳制品生產的原料[6]。新擠出的牛奶中存在部分浮沫及雜質，需經過靜置沉淀、分離雜質后才能夠對牛奶進行取樣檢測。目前，部分地區采用將原料奶靜置桶中、人工除雜、取樣管取樣的傳統方法，該方法存在自然靜置耗時長、生產效率低、去雜不凈、取樣工作繁復、易污染等問題。

基于此，課題組設計了針對牛奶取樣環節的靜置沉淀瓶和分流取樣器。靜置沉淀瓶內，牛奶液面因液面抬升部的填充而被抬升，從而形成位于瓶體底部的乳液層及位于上層的浮沫雜質層，從而實現了對牛奶中乳液和浮沫雜質的沉淀分離。分流取樣器可在儲存牛奶的同時，提取一定比例的樣本供后續檢測使用，進而達到對液體實時分流取樣、避免污染的目的。

1 取樣的意義

奶牛生產性能測定，即對奶牛泌乳性能及乳成分的測定，是為奶牛生產提供基礎數據的主要手段和牛群遺傳改良的基礎，也是提高奶牛生產性能、奶牛飼養科技含量的有效措施[7]。所采集的樣本質量直接影響檢測結果以及依據檢測結果所確定的調整計劃。

為確保樣本的精準性、有效性，課題組設計的靜置沉淀瓶可高效去除經主奶管分流至取樣環節的牛奶中的雜質，分流取樣器可對除雜后的牛奶進行實時定比例取樣以及分流至殺菌消毒環節。課題組規劃的牛奶加工過程示意圖如圖1所示。

圖1 牛奶加工過程示意圖

2 牛奶靜置沉淀裝置

2.1 結構設計

靜置沉淀瓶結構示意圖如圖2所示，該裝置主要由瓶體、底蓋、液面抬升部、進液口、流道口、出液口構成。以圖2結構示意圖定義上、下方位關系。

圖2 靜置沉淀瓶結構示意圖

瓶體整體呈圓柱狀，瓶體頂部軸向中心設有進液口，瓶體底部敞口設置，底部圓周外沿設有環瓶體間隔布置的6個弧狀凸起的校準配合部，底蓋上設有同樣規格的6個校準部，兩者側壁分別內凹形成凹槽，可通過對齊布置實現精準定位與校準。瓶體與底蓋通過螺紋連接，以達到密封效果。

底蓋整體呈圓盤狀，底蓋上方軸向中心設有向上具有預設高度呈圓錐狀的液面抬升部，液面抬升部尖端向上，底部至少遮蓋部分出液口以及流道口與出液口的連通部位，繞液面抬升部于底蓋上周向間隔布置6個流道口，流道口逐漸收窄，相互靠近的一端連通于底蓋下方軸向中心設置的出液口。底蓋下方設有周向間隔布置的6個螺紋孔，用于連接取樣器。

2.2 工作原理

新采集的牛奶經瓶體頂部正中心進液口注入靜置沉淀瓶，且注入流量略大于流出流量。初始，靜置沉淀瓶與外接加工設備之間閥門閉合，牛奶因瓶內液面抬升部的存在，瓶體內液面被抬升，促使牛奶分層，形成位于上層的浮沫雜質層和位于下層的乳液層。待兩裝置間閥門打開，乳液層經流道口匯集于底蓋下方出液口流出，以實現對牛奶中乳液和浮沫雜質的沉淀分離。

2.3 裝置優點

牛乳營養豐富，也成為微生物、細菌的生長繁殖的絕佳場所，一旦貯藏、監測不當，極易發生變質[8]。生鮮牛乳受細菌污染的機會及途徑極多，這會影響生鮮牛乳的衛生質量[9]。因此，對牛奶加工裝置的密封性要求極高。

課題組所設計的靜置沉淀瓶，密封性良好，瓶體與底蓋間以螺紋連接形式連接，避免牛奶直接暴露在空氣中被污染，以保證牛奶的純凈性。靜置沉淀瓶結構精簡，較桶內靜置人工除雜的傳統方法更具高效性，除雜率高。靜置沉淀瓶內部瓶體與底蓋上設有的弧形凸起校準，可實現精準定位校準以及瓶體與底蓋的緊密貼合。同時，操作人員可更加直觀地判斷靜置沉淀瓶是否密封良好。

每天隨機采集4～6頭奶牛的牛乳，共采集35份牛乳樣本[10]。并隨機選取15份樣本以傳統方法除雜，15份樣本通過靜置沉淀瓶完成除雜工作，剩余5份樣本作空白對照。兩種除雜方式的對比結果如表1所示。

表1 兩種除雜方式對比結果

3 牛奶分流取樣裝置

3.1 結構設計

牛奶分流取樣器結構示意圖如圖3所示。該裝置主要由殼體、套體、閥體、調節桿、連通孔、節流孔、進液口、儲液出液口、取樣出液口等構成。以圖3結構示意圖定義左、右方位關系。

圖3 牛奶分流取樣器結構示意圖

殼體近似圓筒狀，具有連通外部和空腔的進液口、取樣出液口和儲液出液口。進液口位于最左側，儲液出液口位于殼體中部，且兩出液口沿殼體長度方向間隔布置。殼體內部設有沿長度方向布置的空腔，空腔內所設置結構從左至右依次是第一套體、閥體、第二套體，結構間密封性能良好。

第一套體又名取樣出液口套體，具有連通進液口和空腔的取樣連通腔，其與殼體之間形成與取樣出液口連通的內腔，內腔沿第一套體周向布置。第一套體上設有周向間隔布置的用于連通內腔和取樣連通腔的連通孔和節流孔，節流孔的數量遞減設置。第二套體設于殼體空腔內，位于儲液出液口右側，具有第二連通腔。

閥體，具有與取樣連通腔連通的閥腔，還具有連通閥腔和空腔的連通部，包括沿閥體周向間隔布置的孔徑大于取樣連通孔、節流孔的閥腔連通孔和數量遞增設置的閥腔節流孔。閥體沿殼體的長度方向導向滑動地設于取樣連通腔和第二連通腔內。

閥體右側設有穿設于殼體上的調節桿，其由連接頭、連接桿、操作頭構成，連接頭轉動設于閥體上，操作頭位于殼體外部，連接桿上設有外螺紋，殼體上設有供連接桿穿設的內螺紋孔，連接桿和殼體間螺紋連接。

3.2 工作原理

經除雜的牛奶由進液口注入，流經取樣連通腔、閥腔及其上所設置的連通孔、節流孔，經第一套體、閥體的內腔、空腔，于取樣出液口和儲液出液口流出。閥腔內連通孔孔徑最大，節流孔數量呈遞增形式，取樣連通腔內連通孔孔徑較小，節流孔數量呈遞減形式，除閥腔連通孔，其余孔徑較小且相同。

調節桿驅動閥體在取樣連通腔和第二連通腔內左右滑動，以實現對一定數量的取樣連通腔節流孔的封堵（導通）和對相應數量的閥腔節流孔的導通（封堵）。兩腔內節流孔對稱設置，可保證在調節過程中分流取樣器內牛奶的流速和液壓不變，在存儲大量牛奶的同時，提取一定比例的樣本供后續檢測使用，進而達到對牛奶進行實時分流取樣的目的。

3.3 裝置優點

牛奶分流取樣器所取樣本質量與牛奶品質的鑒定結果有直接關系，且實時定比例采取樣本更具代表性。

課題組所設計的牛奶分流取樣器結構簡單，操作簡便，能夠通過精確地調節螺紋桿調節取樣連通腔和閥腔內節流孔導通和封堵的數量，進而調節取樣出液口、儲液出液口的牛奶流量，方便取樣人員依據取樣需求進行取樣。與傳統取樣管取樣方法相比，避免了冗雜繁復的人工取樣，確保了取樣過程的密封性。牛奶分流取樣器密封性能良好，可避免牛奶泄漏及污染，以保證樣本質量。取樣器內取樣連通腔與閥腔兩腔內節流孔孔徑相同，呈對稱設置，可保持在調節過程中取樣器內部牛奶的流速、液壓穩定。

4 小結

針對當前牛奶加工過程中，取樣環節存在的靜置沉淀人工除雜效率低、除雜不凈、取樣工作繁復、樣本代表性差、牛奶易被污染等問題，課題組設計了一種靜置沉淀瓶和牛奶分流取樣器。靜置沉淀瓶精簡、獨特的結構設計，避免了牛奶直接暴露在空氣下而被污染，實現了對牛奶中乳液和浮沫雜質的分層及分離。牛奶分流取樣器密封性能良好，操作精準，可依據取樣原則通過調節取液連通腔、閥腔內對稱設置的節流孔封堵或導通的數量，實時采集一定比例的牛奶樣本供后續檢測使用。試驗結果表明，課題組所設計的這兩種牛奶加工裝置結構合理，具有高效除雜、降低人工成本、實時分流取樣、避免污染等優點，可為同行業加工裝置設計提供技術支持。