太阳能辅助自动化酸奶制造系统的开发与实验验证：能量、?、技术经济及产品质量评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Development and experimental validation of a solar-assisted automated yoghurt manufacturing system: energy, exergy, technoeconomic and product quality assessment

　　

摘要

乳制品行业由于依赖热加工技术，具有高能耗和高碳排放的特点。酸奶生产尤为如此，其涉及巴氏杀菌、发酵和原位清洗（CIP）等高耗能操作，对可持续制造构成挑战。尽管已有研究探索了可再生能源辅助的酸奶加工技术，但大多数研究仅限于单个子过程，很少将热能储存、智能自动化、全年运行或气候适应性性能纳入考量。为应对这些局限性，本研究开发了一套可持续酸奶制造框架，该框架集成了基于相变材料的热能储存、自动化过程控制和辅助备用加热系统，并在全年运行条件下进行了实验验证。该框架将牛奶加热、发酵、冷却、混合和CIP整合在一个统一的加工系统中，并在各种气候条件下进行了全面评估。开发的系统生产45升酸奶（224杯，每杯200毫升），总能耗为每批0.99–3.12千瓦时，总?损失减少44.3%，加工时间缩短34.2%。年节能率为45.60–82.21%，每月减少CO?排放67.69–122.05千克，每月节约煤炭27.97–50.43千克，可持续性指数为3.11–5.61，证实了该系统的环境效益。该系统保持了高度均匀的发酵环境，生产的酸奶理化特性与市售产品相当（p > 0.05）。该系统展现出良好的经济可行性，包括高年利润（0.657百万印度卢比）、短回收期（0.38年）和有利可图的投资指标。该气候适应性框架为脱碳化的热能密集型乳制品加工操作提供了一条切实可行的途径，并通过可持续、可扩展和经济的乳制品加工支持可持续发展目标。

引言

乳制品加工行业属于高度耗能行业，因其依赖加热/巴氏杀菌、灭菌、蒸发、原位清洗（CIP）和制冷等热操作，而这些操作传统上由化石燃料和电网电力供应。典型的乳品厂几乎70%的总能源需求来自热能，其余30%则用于制冷、泵送、照明和辅助设备等的电力消耗。仅制冷一项就占乳品设施总电力消耗的50–60%，使其成为主要耗能操作之一[1]、[2]。能源成本约占乳制品行业整体制造费用的10–20%，对产品经济性质影响显著[3]。据报道，牛奶收集和冷藏的比能耗为每吨25至30千瓦时[4]，而酸奶和奶酪制造需要约每吨60千瓦时有效热能[5]，总毛能耗需求达到每吨加工牛奶400–600千瓦时[6]。这种对传统能源的高度依赖大大增加了温室气体排放和运营成本，凸显了将可再生能源和节能技术整合到乳制品加工系统中的必要性。

在乳制品中，酸奶凭借其令人满意的感官特性、营养价值、益生菌益处以及消费者对功能食品日益增长的偏好，已成为增长最快、消费最广泛的发酵食品之一[7]。全球发酵乳制品（包括酸奶）的销售额将从2024年的3163.3亿美元增长到2030年的4343.5亿美元[8]。工业酸奶制造包括多个顺序的、高耗能的单元操作，包括牛奶巴氏杀菌（72–75°C）、冷却至接种温度（42–45°C）、发酵3–8小时、快速冷却至10°C以下、冷藏储存和CIP操作[9]。这些过程需要大量的热能和电能输入，特别是加热、冷却和维护受控发酵条件。传统工业酸奶生产主要依赖电网电力、化石燃料锅炉和作为独立单元运行的蒸气压缩制冷系统，热整合有限，可再生能源利用极少[10]。因此，大多数现有加工线缺乏可持续性措施，如热能储存、余热回收和智能过程自动化，导致运营成本增加、温室气体排放增多和整体过程效率降低。

为应对这些挑战，一些研究人员对可再生能源在酸奶加工操作中的整合进行了研究。早期研究主要关注太阳能辅助发酵，在38–42°C运行的间接太阳能发酵器展示了20.2%至86.8%的集热器效率和1.34年的回收期[11]。随后，一种利用真空管集热器和制冷冷却的太阳能辅助单容器酸奶加工器实现了485–505千焦/千克的比能耗，传热效率超过80%[12]。为克服太阳能可用性间歇性问题，开发了一种基于相变材料（PCM）的发酵柜，采用石蜡热储存，在无太阳辐射情况下可维持发酵温度长达6小时[13]。进一步的进展产生了智能太阳能辅助酸奶加工单元，能够在单一舱室内完成加热、发酵和冷却，将能耗降低至每批4.21–6.73千瓦时[14]。最近，一种配备pH-计时器控制的自动太阳能发酵系统，在处理能力约45升/批的情况下实现了约20.75%的节能，同时保持了与传统发酵方法相当的产品质量[15]。

尽管取得了这些可喜的进展，但仍有一些重要挑战尚未解决。大多数研究专注于单个子过程，特别是发酵，而没有将巴氏杀菌、发酵、冷却和辅助操作整合到一个统一的制造框架中。缺乏热能储存的系统仍然高度依赖瞬时太阳能可用性，容易受到日变化和季节变化对太阳辐射的影响[11]、[15]，而基于PCM的系统主要局限于独立单元，储存时间有限[13]、[14]。此外，以往研究通常忽略了智能过程自动化、全面的?分析、环境影响评估、详细的技术经济评估以及广泛的产品质量表征。在各种气候条件下的全年实验验证也很少受到关注[11]、[13]、[14]。更重要的是，现有研究均未提出一种气候适应性酸奶制造框架，能够在可再生能源可用性低的时期通过太阳能热能、热能储存和辅助备用加热的混合运行来维持不间断生产。

在当前时代，解决这些局限性变得越来越重要。这个时代的特点是能源价格上涨、温室气体排放日益受到关注以及食品加工系统面临气候变异和能源供应中断的脆弱性[16]。继续依赖基于化石燃料和电网的酸奶制造技术可能会阻碍脱碳、资源效率和可持续食品生产方面的努力[17]。因此，能够适应可再生能源波动的气候适应性加工框架对于确保持久可靠的乳制品操作至关重要。整合热能储存和辅助备用加热的混合太阳能辅助系统可以在太阳辐射低、多云天气或季节变化期间维持稳定的加工条件，从而提高操作可靠性。此类系统可以轻松地从小型和合作社乳制品企业扩展到中大型工业设施，在太阳能潜力中高的地区显著贡献于可持续乳制品价值链和低碳食品加工。

为弥补这些研究空白，本研究开发了一套可持续和气候适应性的太阳能辅助酸奶制造框架，整合了太阳能热能利用、基于PCM的热能储存、智能过程自动化和辅助备用加热，以确保在各种气候条件和太阳能可用性降低期间可靠运行。与以往主要关注单个加工阶段的研究不同，所提出的框架涵盖了酸奶制造中的主要操作，包括牛奶加热或巴氏杀菌、发酵、冷却、混合和清洗，整合在一个统一的加工系统中。采用了全面的评估方法，涉及能源、?、环境、技术经济和产品质量分析，以评估系统在全年运行条件下的整体性能。除了提高能源效率和过程可靠性外，该框架还旨在评估其降低运营成本和改善经济竞争力的潜力，这些都是乳制品行业广泛采用可再生能源技术的关键因素。由于具有模块化和可扩展的配置，开发的系统可以轻松适应分散式乳制品企业、合作社以及中小型工业加工设施。通过促进可再生能源利用、提高资源效率和增强经济可行性，所提出的框架为将传统乳制品加工转变为有韧性、低碳和可持续的制造部门提供了一条切实可行的途径。此外，本研究直接有助于实现联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 7（经济适用的清洁能源）、SDG 9（产业、创新和基础设施）、SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 13（气候行动），从而支持向环境负责且经济可行的乳制品加工系统的转型。

章节片段

可持续酸奶制造框架

开发了一套可持续酸奶制造框架（图1）并进行实验验证，以减少酸奶生产中高耗能阶段——牛奶巴氏杀菌和发酵——对电网电力的依赖。所提出的框架整合了太阳能热能、热能储存、自动化过程控制和CIP操作，建立了一个节能且可持续的酸奶生产系统。传统上，酸奶制造涉及…

太阳辐射的月度变化及其对SWH性能的影响

在整个实验期间观察到太阳辐射存在显著的季节性波动，这直接影响真空管SWH的热性能（图5）。1月记录了最低的平均太阳辐射（510.20 ± 94.64 W/m2），导致SWH水温相对较低（46.29 ± 5.41°C）。同样，12月的太阳辐射也较低（561.20 ± 4.91 W/m2），水温为47.66 ± 1.28°C。热…（原文在此处截断）

结论

一套可持续的太阳能辅助酸奶制造框架（45升；224杯，每杯200毫升）成功开发，该框架整合了太阳能热能、基于PCM的热能储存和自动化过程控制，并在全年运行条件下进行了实验验证。本研究的主要发现总结如下：

• 开发的系统在夏季总能耗为每批0.99千瓦时，冬季为每批3.12千瓦时，总系统?…（原文在此处截断）

提交声明

作者声明：

• 所述工作尚未以摘要、已发表讲座、学术论文或注册报告以外的形式发表。

• 本文未在其他地方提交出版考虑。

• 本文的出版已获所有作者批准，并隐式或显式获工作执行单位负责当局批准。

• 如果被接受，本文不会以相同形式、英文或任何其他语言在其他地方发表，包括…

作者贡献

A.R. 概念化了研究，进行了实验调查，进行了数据分析，并撰写了稿件。C.S. 贡献了研究计划制定，促进了实验室仪器获取，参与撰写、修订并改进了稿件。S.B. 协助概念化、撰写、修订并进行了必要的实验。J.K.D. 帮助制造实验装置、组装组件、进行实验并确保获得必要设施。

CRediT作者贡献声明

Arijit Ray：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Chitranayak Sinha：撰写——审阅与编辑、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、概念化。Sheetal Berry：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法论、调查、形式分析。J.K. Dabas：撰写——审阅与编辑、验证、监督。

资金

本研究由印度农业研究委员会（ICAR）和印度卡纳尔国家乳业研究所提供资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们不知道任何可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度农业研究委员会（ICAR）和印度卡纳尔国家乳业研究所为本研究提供了必要的研究所设施。

Arijit Ray | Chitranayak Sinha | Sheetal Berry | J.K. Dabas

印度卡纳尔132001，ICAR-国家乳业研究所，乳品工程科