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Sep 07, 2023

Vergleichende Qualitätsanalyse und wirtschaftliche Machbarkeit einer solarunterstützten Joghurtverarbeitungsanlage für die dezentrale Molkerei-Wertschöpfungskette

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6878 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund des Mangels an Milchverarbeitungsanlagen ab Hof müssen Milchbauern Rohmilch verkaufen, was zu wirtschaftlichen und qualitativen Kompromissen führt. Die Studie verglich die Qualität des in solarbetriebenen Joghurtverarbeitungsanlagen verarbeiteten Joghurts mit der bestehenden Milchwertschöpfungskette und ihrer technisch-wirtschaftlichen Machbarkeit. Hierzu wurde eine Untersuchung des Experiments durchgeführt, bei der vier verschiedene Milchverarbeitungsansätze verglichen wurden. Die Qualitätsmerkmale für verarbeitete Milch wie Fett (5,283 %), Feststoffgehalt (9,0833 %), Salze (0,6833 %), Protein (3,8 %), Laktose (4,1 %), Gesamttrockenmasse (14,383 %), pH-Wert ( 6,87), Dichte (1,031 kg/L) und Gefrierpunkt (− 0,532 °C) lagen innerhalb der standardisierten Bereiche. In ähnlicher Weise wurden im Fall von Joghurt folgende Attribute gefunden: Fett (5,5 %), Feststoffgehalt (8,683 %), Säuregehalt (0,93 %), Laktose (4,73 %), Gesamtfeststoffgehalt (14,183 %), pH-Wert ( 4,3433), Dichte (1,039 kg/L), Synärese (9,87 ml/100 g), S. thermophilus-Zählbereich (10,18–10,30 log KBE/ml) und L. bulgaricus-Zählbereich (10,26–10,34 log KBE/ml). Darüber hinaus bestätigte die Tatsache, dass in solarverarbeitetem Joghurt keine Kolibakterien nachgewiesen wurden, die derzeitige Idee, drei Prozesse des Erhitzens, der Fermentation und des Kühlens in einer einzigen Einheit durchzuführen. Basierend auf den genutzten Energiequellen wurde eine Amortisationszeit von 1,3–9 Jahren bei einer erwarteten Lebensdauer von 15 Jahren berechnet, während im Hinblick auf den Produktgewinn eine Amortisationszeit von 1,78 Jahren prognostiziert wurde. Die Verarbeitungskosten pro Liter Milch für die Joghurtproduktion wurden mit 0,0189 USD berechnet. Unter Berücksichtigung der CO2-Emissionseinsparungen wird erwartet, dass eine solarbetriebene Joghurtverarbeitungsanlage während ihrer Betriebsdauer 107,73 MWh Nutzenergie ohne CO2-Emissionen erzeugen kann.

Joghurt ist eines der ältesten fermentierten Milchprodukte und wird weltweit häufig konsumiert. Es enthält viel Eiweiß, Kalzium und Vitamine. Milchsäureproduzierende Bakterien wie S. thermophilus und L. bulgaricus oder andere Bakterien mit sich gegenseitig ergänzendem Stoffwechsel fermentieren Joghurt1. Naturjoghurt hat einen zarten Walnussgeschmack und eine glatte und viskose, gelartige Textur2. Milchsäurebakterien fermentieren Laktose und produzieren dabei Milchsäure, Kohlendioxid, Essigsäure, Diacetyl, Acetaldehyd und eine Vielzahl anderer Verbindungen, die dem Joghurt seinen unverwechselbaren Geschmack verleihen3. Hamdan et al.4 fanden heraus, dass eine 1:1-Mischung aus L. bulgaricus und S. Thermophilus einen hohen Acetaldehydgehalt in der Milch erzeugte. Die Herstellung von sicherem und qualitativ hochwertigem Joghurt erfordert jedoch eine sorgfältige Verarbeitung. Tatsächlich kann bereits eine geringe Menge an Verunreinigungen die Qualität des Joghurts beeinträchtigen und schwerwiegende gesundheitliche Folgen für die Verbraucher haben.

Pakistan produziert jährlich über 59,666 Millionen Tonnen Milch und liegt weltweit an dritter Stelle nach Indien und den Vereinigten Staaten5, wobei der Großteil der Produzenten Kleinbauern sind (> 80 %). Leider werden nur 5 % dieser Milch verarbeitet, der Rest wird von Milchmännern gehandhabt, die häufig unhygienisch sind und erhebliche Gesundheitsrisiken mit sich bringen. Aufgrund fehlender Verarbeitungsanlagen werden 15–19 % der gesamten im Land produzierten Milch verschwendet, während der Rest falsch gehandhabt wird6. Nicht nur auf dem indisch-pakistanischen Subkontinent ist Joghurt ein beliebtes Milchprodukt, sondern auch weltweit, dh die Joghurtproduktion stieg im Zeitraum von 1990 bis 2015 in den Vereinigten Staaten um 8,3 × 106 Tonnen7. In Pakistan macht Joghurt über 70 % aller fermentierten Milchprodukte aus8, obwohl der Milchfermentation weniger Aufmerksamkeit geschenkt wird, um Haltbarkeit, Aroma und Nährstoffgehalt zu verbessern. In Tabelle 1 sind die führenden Milch5- und Joghurtproduzentenländer aufgeführt.

Leider beeinträchtigen mehrere chemische und mikrobiologische Verfälschungen die Milchqualität während der gesamten Verarbeitung und entlang der Lieferkette10,11,12,13,14. In Entwicklungsländern sind die Milchproduktions- und -verteilungssysteme immer noch sehr traditionell und werden hauptsächlich vom informellen Privatsektor dominiert, der aus verschiedenen Akteuren wie Produzenten, Sammlern, Zwischenhändlern, Verarbeitern, Händlern und Molkereien besteht, die jeweils eine spezielle Rolle spielen an einem bestimmten Punkt in der Lieferkette15. Praktisch in jeder Phase des Marketingprozesses gibt es fast keine Tests16. Die meisten Milchbetriebe in städtischen Gebieten sind Staub und Insekten ausgesetzt und nur eine Handvoll von ihnen sind mit Kühlung ausgestattet. Die Transportbehälter sind unhygienisch und die Verfälschung der Milch ist ein großes Problem in der Milchversorgungskette am Stadtrand. Aufgrund der preisbewussten Kunden im Land ist die Nachfrage nach Rohmilch und ihren Produkten wie Joghurt jedoch höher als nach verarbeiteter Milch und ihren Produkten17. Aufgrund des weit verbreiteten Konsums von Milch und Milchprodukten sind diese Waren mögliche Ziele für Verfälschungen, was für skrupellose Produzenten zu finanziellen Vorteilen führt18.

In Pakistan ist eine sehr geringe Menge an verarbeitetem Joghurt (Markenjoghurt) erhältlich, und Joghurt wird hauptsächlich in kleinem Maßstab (ohne Markenzeichen) von Einheimischen (Gawalas) hergestellt und ist vor Ort als Dahi bekannt. Markenjoghurt (Dahi) wird unter weniger kontrollierten Bedingungen hergestellt als Markenjoghurt (Milchstandardisierung, Kulturkonzentration, Lebensfähigkeit, Inkubationstemperatur und -zeit usw.). Darüber hinaus gibt es keine klaren Richtlinien für fermentierte Milchprodukte. Daher variiert die Qualität von Joghurt/Dahi auf dem lokalen Markt von Geschäft zu Geschäft stark. Allerdings wird den Menschen zunehmend bewusst, wie wichtig die Qualität von Lebensmitteln ist19. Viele Faktoren beeinflussen die Qualität von verarbeitetem Joghurt. Eine der wichtigsten Variablen ist die Aufrechterhaltung des richtigen Temperaturprofils, d. h. das Erhitzen der Milch auf 80 °C, das Halten der Temperatur der beimpften Milch zwischen 40 und 45 °C während der Fermentation und das anschließende schnelle Abkühlen des Joghurts auf unter 8 °C20. Grigorov21 empfahl außerdem die Pasteurisierung der Milch bei 85 °C für 20 bis 30 Minuten, um die Synärese im Joghurt zu minimieren, statt bei 90–95 °C, was bei ähnlichen Haltezeiten zu einer Verschlechterung des Produkts führt. Rowland22 untersuchte, wie viel Albumin und Globulin denaturiert wurde, wenn Milch über unterschiedliche Zeiträume auf Temperaturen zwischen 63 und 80 °C erhitzt wurde, und stellte fest, dass 83,4 % des gesamten Albumins und Globulins nach 30 Minuten bei 80 °C denaturiert waren.

Durch unhygienische Betriebsbedingungen kann es zu mikrobiellen Verunreinigungen (Krankheitserregern) kommen, die ein erhebliches Gesundheitsrisiko für Verbraucher darstellen. Andererseits steigen die Kundenanforderungen an Geschmack, Qualität, Stabilität und Haltbarkeit von Milch und Joghurt. Daher ist Grundlagenforschung im Bereich der Qualitätsbewertung von vermarkteter Milch/Joghurt erforderlich, um das öffentliche Bewusstsein zu schärfen. Zu diesem Zweck wurden in Faisalabad, der drittgrößten Stadt Pakistans, verschiedene Marken- (industrielle) und nicht-markenlose (lokal hergestellte) Milch-/Joghurtproben entnommen und auf ihre Qualität analysiert.

Zweitens sind Milchbauern aufgrund des Mangels an Verarbeitungsanlagen auf dem Bauernhof gezwungen, hochwertige, verderbliche Rohmilch zu niedrigeren Preisen an örtliche Milchhändler und große Milchsammler zu verkaufen23. In Pakistan werden fast 95 % der Milch in Rohform über informelle Marketingkanäle verkauft, wodurch auf jeder Stufe der Lieferkette die Gefahr einer Verfälschung besteht24. Verarbeiter nutzen häufig traditionelle Qualitätskriterien wie das Riechen oder Kochen der Milch, um etwaige Gerinnung oder Verfälschung festzustellen. Die Verarbeitung erfolgt häufig unter unhygienischen Bedingungen. In den Produktionskosten sind Handarbeit, Raummiete und Brennstoff enthalten, der von der Holzverbrennung bis hin zur Elektrizität reichen kann. Beispielsweise kostet ein landwirtschaftlicher Kühltank mit einem Fassungsvermögen von 200 Litern 3.313 US-Dollar und einer mit einem Fassungsvermögen von 1.000 Litern 6.812 US-Dollar. Daher wird Milch traditionell in nicht für Lebensmittel geeigneten Behältern mit Eis (das kontaminiert sein kann) gelagert ) als Kältemittel zur Verhinderung von Verderb, insbesondere während der Sommersaison16. Daher wird die Fähigkeit der Milchproduzenten, Kühleinheiten und Pasteurisatoren für die Milchverarbeitung auf dem Bauernhof zu installieren, durch hohe Beschaffungs- und Betriebskosten beeinträchtigt.

Auf Milchviehbetrieben mit Milchverarbeitungsanlagen ist der Einsatz fossiler Energieträger für den kontinuierlichen Betrieb ein erheblicher Kostenanteil. Die Milchindustrie produziert etwa 4 % aller anthropogenen Treibhausgase (THGs) oder etwa 1,2 Milliarden Tonnen CO2 pro Jahr25. Der weit verbreitete Einsatz fossiler Brennstoffe als primäre Energiequelle bei der Milchverarbeitung trägt zur Umweltverschmutzung bei und erfordert sofortige Maßnahmen zur Umstellung der Milchverarbeitung auf erneuerbare Energiequellen26. Pakistan erhält viel Solarenergie, 19 MJm-2 für 7,6 ha am Tag, mit einem DNI von durchschnittlich 5 bis 7 kWh m-2 d-127. Mehr als eine Milliarde Menschen (56 Prozent) in Pakistan leben in ländlichen und abgelegenen Gebieten und sind auf Holz, Holzkohle, Mistkuchen, landwirtschaftliche Rückstände oder kohlenstoffbasierte Brennstoffe angewiesen, um ihren Energiebedarf zu decken. Während über 0,51 Milliarden (27 %) immer noch nicht an das nationale Stromnetz angeschlossen sind, verfügen die angeschlossenen Milchviehbetriebe über Übertragungsleitungen, die auf bewohnte Regionen beschränkt sind und ausschließlich für Wohnzwecke bestimmt sind, wobei der Großteil der Milchviehbetriebe außerhalb von Dörfern stattfindet28. Kurz gesagt: Die Entwicklung autarker, tragfähiger und netzunabhängiger Energielösungen für ländliche Gebiete ist das Gebot der Zeit. Daher wurde eine solarunterstützte Joghurtverarbeitungsanlage für die dezentrale Verarbeitung von Rohmilch20,29 entwickelt. Obwohl das ultimative Endprodukt Joghurt ist, verarbeitet das entwickelte System den Joghurt aus Rohmilch, d. h. es ist in der Lage, die Rohmilch zu erhitzen, was die Voraussetzung für die Joghurtgärung ist. Da die Qualität der Rohmilch die Qualität des Joghurts beeinflusst und während des Transports mit einer Verfälschung der Rohmilch zu rechnen ist (konventionelle Praxis). Daher wurde in der aktuellen Studie eine Qualitätsanalyse von Joghurt und Rohmilch zum Vergleich mit lokal verfügbarer Milch durchgeführt, die für die Joghurtherstellung zu Hause und in örtlichen Geschäften verwendet wird. Darüber hinaus wurde auch die wirtschaftliche Machbarkeit des Systems für die Anpassung in der ländlichen Gemeinschaft untersucht. Es wird erwartet, dass die Technologie, die in der Lage ist, ein Qualitätsprodukt mit minimalen Betriebskosten zu verarbeiten, nicht nur dazu beitragen wird, Verluste nach dem Melken zu reduzieren, sondern auch Einnahmen für die Endverbraucher generieren wird.

In Zusammenarbeit mit dem Internationalen Zentrum für Entwicklung und menschenwürdige Arbeit (ICDD, Universität Kassel, Deutschland und Dairy Industries, Okara-Pakistan) hat das Department of Energy Systems Engineering der University of Agriculture Faisalabad (UAF) Pakistan eine komplette Joghurtverarbeitung entwickelt und hergestellt Einheit.

Das Design der Joghurtverarbeitungsanlage und die Auswahl ihrer Energiequelle hängen größtenteils von einigen grundlegenden Faktoren wie Wartung, Energieeffizienz und insbesondere Produktlebenszyklus und Umweltauswirkungen ab. Abbildung 1 zeigt eine solarbetriebene Joghurtverarbeitungsanlage, die die Rohmilch zeitnah und kontrolliert am Produktionsstandort verarbeitet und zu Joghurt fermentiert. Es besteht aus einer zylindrischen Gärkammer (560 mm Durchmesser und 230 mm Tiefe) mit einem Fassungsvermögen von 50 l aus Edelstahl (Lebensmittelqualität SS 304) und ist von einer Heizspirale (3,5 m lang, 40 mm breit und 12,5 mm dick) umgeben hoch). An der Unterseite der Kammer befindet sich eine Kissenplatte, die aus Kühlgründen als Verdampfer fungiert. Weitere technische Details finden sich in Husnain et al.20.

Solarunterstützte Joghurt-Verarbeitungsanlage20.

Um den Betriebsablauf kurz zu erläutern, zeigt Abb. 2 das Schema der entwickelten Einheit, um die Konnektivität der Komponenten näher zu erläutern. Die Joghurtverarbeitungseinheit war mit einem Warmwasserspeicher mit 100 Litern Fassungsvermögen gekoppelt, der Wärme von einem solarbetriebenen Vakuumröhrenkollektor (2,46 m2) erhält. Zur Zirkulation der Propylenglykollösung (50 Vol.-%) zwischen Warmwasserspeicher und Vakuumröhrenkollektor wurde eine Kreiselpumpe (Wilo-SP106) installiert. Die Pumpe kann mit drei variablen Geschwindigkeiten betrieben werden (600 l/h, 900 l/h und 1100 l/h) und benötigt bei maximaler Geschwindigkeit eine Leistung von 80 W. Eine weitere Zentrifugalwasserumwälzpumpe aus Edelstahl (WB50/025D, 50 l/min.) wurde zwischen dem Auslass des Warmwasserspeichertanks und dem Einlass der Joghurtverarbeitungseinheit installiert, um das heiße Wasser durch den quadratischen Spiralwärmetauscher zu zirkulieren um die Milchtemperatur auf bis zu 80 °C zu erhöhen. Da das System geschlossen ist, wurde ein Ausdehnungsgefäß (12 L) eingebaut, um einen Hochdruckaufbau zu verhindern. Wenn der Temperaturunterschied zwischen der Wasser-Glykol-Lösung, die den Vakuumröhrenkollektor verlässt, und dem Wasser im unteren Teil des Warmwasserspeichers 5 °C überschreitet, schaltet der Regler die Umwälzpumpe (Wilo-SP106) ein und wieder aus die Differenz unter 5 °C liegt oder wenn die Wassertemperatur im Speicher 90 °C überschreitet.

Versuchsaufbau-Layout einer solarunterstützten Joghurt-Verarbeitungseinheit20.

Die Studie wurde in der Region Faisalabad, Pakistan, durchgeführt, um die Qualität von lokalem Ladenjoghurt, hausgemachtem Joghurt, Marken-/Firmenjoghurt und solarverarbeitetem Joghurt zu bewerten und einen gründlichen Qualitätsvergleich durchzuführen. Die Versuchsprotokolle umfassten das Erhitzen der drei verschiedenen Rohmilchmengen (50, 40 und 30 l) auf bis zu 80 °C bei einer kontinuierlichen Rührgeschwindigkeit von 36 U/min, was je nach zu verarbeitender Menge etwa 140–80 Minuten dauerte. Anschließend wurde Leitungswasser in einem offenen Kreislauf unter der Aufsicht manuell betätigter Ventile durch die Heizschlange geleitet, um die Temperatur der erhitzten Milch auf 43 °C zu senken, was für die Milchgärung empfohlen wird. Die Starterkultur wurde bei dieser Temperatur beimpft (2–3 % des Milchvolumens) und die Temperatur wurde durch ein Magnetventil, das die Heißwasserzirkulation steuerte, 5–6 Stunden lang aufrechterhalten, bis der erforderliche pH-Wert (4,85–4,5) erreicht war . Nach diesem Vorgang wurde das Kühlsystem eingeschaltet, um die Temperatur des Joghurts auf unter 8 °C zu senken. Dies ist wichtig, um die Haltbarkeit zu verlängern, indem die bakterielle Aktivität reduziert wird, was je nach Menge der verarbeiteten Milch normalerweise 48–103 Minuten dauert die Rührgeschwindigkeiten (36, 18 und 6 U/min). Die Temperaturen am Einlass und Auslass des Vakuumröhrenkollektors, an der Ober- und Unterseite des Warmwasserspeichers und im Inneren der Fermentationskammer wurden mithilfe eines Controllers mit Temperatursensoren auf Basis von Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) gemessen. Während die Milch fermentierte, wurde der pH-Wert mit einem tragbaren pH-Meter (ML1010) gemessen. Zur Messung der Leistung der installierten PV-Anlage wurden eine Strommesszange (Fluke 345PQ) und ein Pyranometer (METEON) verwendet. Darüber hinaus wurde nach jedem Experiment eine CIP durchgeführt. Eine detaillierte Beschreibung dieses Prozesses wird von Husnain et al.20 berichtet.

In der Studie wurde ein Ultraschall-Milchanalysator (Master Pro P1, Milkotester Ltd.) verwendet, um physikalische Eigenschaften wie zugesetztes Wasser (W, %), Gefrierpunkt (Fp, °C), Temperatur (T, °C) und Dichte (ρ) zu bestimmen , kg/L) und pH-Wert sowie chemische Eigenschaften: Fett (Ft., %), Protein (Prot., %), Salze (Sal., %), Feststoffe ohne Fett (SNF%) und Laktose (Lac. , %) mit einer Prüfkapazität von 50 Proben pro Stunde. Mit einem Milchanalysator wurde die Milchqualität zufällig ausgewählter offener Milch-/Joghurt-Verkaufsläden (20), von Milch für selbstgemachten Joghurt (20) und von Marken-/Firmen-verarbeiteter Milch (10) untersucht. Unter sterilisierten Bedingungen wurden gleichzeitig drei Proben Milch und bereits fermentierter Joghurt von jedem ausgewählten örtlichen Geschäft und Milchmann in Faisalabad gesammelt. Jede Probe von Markenmilch und -joghurt ergab drei Zufallsproben. Markenfreie Proben wurden in desinfizierten Fläschchen gesammelt, während Markenproben in der Originalverpackung aufbewahrt wurden. Die Proben wurden so bald wie möglich nach der Entnahme untersucht. Anschließend wurde die Qualität des mit einer neu entwickelten Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage verarbeiteten Joghurts mit den gesammelten Daten verglichen. Alle Daten wurden in zweifacher Ausfertigung erhoben. Abbildung 3 zeigt ein Flussdiagramm der Forschungstechnik. Die Wirtschaftlichkeit der Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage wurde anhand des linearen Ansatzes und der Milchverarbeitungskosten pro Liter nach Qualitätsanalyse untersucht. Darüber hinaus wurde die Reduzierung der CO2-Emissionen über die Lebensdauer der neu entwickelten Maschine berechnet.

Flussdiagramm der Forschungsmethodik.

Zur Überprüfung der Qualität der für die Joghurtfermentation verwendeten Milch wurde ein Ultraschall-Milchanalysator eingesetzt (Master Pro P1, Milkotester Ltd.). Das Milchanalysegerät wurde für die lokale Herde gemäß den Standardprotokollen des National Institute of Food Science & Technology (NIFSAT) der University of Agriculture Faisalabad (UAF), Pakistan, kalibriert, um die Richtigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen30. Obwohl zahlreiche physiochemische Parameter wie W, Fp, T, ρ, pH, Ft, Prot., Sal., SNF und Lac. wurden mit einem Ultraschall-Milchanalysegerät untersucht, außerdem wurden zu Kalibrierungszwecken Labortests durchgeführt. Der Fettgehalt von Milch/Joghurt wurde mit der Gerber-Methode bestimmt, wie von Pearson31 beschrieben, und der Proteingehalt wurde mit der Kjeldahl-Methode bestimmt, wie von der AOAC32 beschrieben. Der Gesamtfeststoffgehalt (TS, %) wurde mit dem AOAC32 bestimmt und zur Bestimmung des SNF-Gehalts in einer bestimmten Milchprobe wurde die Harding33-Technik verwendet. Der Laktosegehalt der Milchprobe wurde nach folgender Formel24 ermittelt:

Laut AOAC32 wurde der Aschegehalt (%) mithilfe einer gravimetrischen Methode in einem Muffelofen bei 550 °C bestimmt. Der Methylenblau-Reduktionstest wurde verwendet, um den hygienischen Zustand von Milch/Joghurt zu bestimmen. Standardtechniken wurden verwendet, um verschiedene Milch-/Joghurtverfälschungen wie Wasser, Stärke, Harnstoff, Formalin, Wasserstoffperoxid, Reinigungsmittel, Öl und Rohrzucker nachzuweisen34.

Das von Hassan et al.35 beschriebene Verfahren wurde verwendet, um Molke aus Joghurtproben zu trennen. Bei 5 °C wurden 25 ml fester Joghurt nach und nach in 50-ml-Zentrifugenröhrchen überführt, was zu einer minimalen Störung des Koagulats führte. Die Zentrifugenröhrchen wurden gewogen und 20 Minuten lang bei 3394 U/min in einer Eppendorf-Zentrifuge (5804 R) (hergestellt in Deutschland) zentrifugiert. In Zentrifugenröhrchen wurde die Menge der am oberen Ende des Koagulats abgeschiedenen Molke in Millilitern gemessen. Die Molkensynerese wurde anhand des Gewichtsanteils der überstehenden Flüssigkeit (ml/100 g Joghurt) gemessen. Die Molkeabscheidung war proportional zum Volumen der abgetrennten Molke und umgekehrt.

Die Gesamtzahl der lebensfähigen Bakterien S. thermophilus, L. bulgaricus und Coliform wurde mit der Standardplattenzählungsmethode von Coppuccino und Sherman36 bestimmt. Laut Harrigan und McCance37 waren die selektiven Medien, die für die Lebendzählung von S. thermophilus, L. bulgaricus und Coliform verwendet wurden, neutraler Rotkreide-Laktose-Agar, Acetat-Agar bzw. Violate-Rotgalle-Agar.

Alle Daten wurden in dreifacher Ausfertigung erfasst und die Varianzanalyse nach Fisher wurde verwendet, um die zu verschiedenen Parametern erhaltenen Daten mit dem Computerprogramm MINITAB (2018) statistisch zu untersuchen. Die Unterschiede zwischen den Mittelwerten der Behandlungen wurden mithilfe des LSD-Tests (Least Significant Difference) mit 0,05 Wahrscheinlichkeitsniveaus verglichen. (Steel et al. 1997)38.

Neben der technischen Solidität ist auch die Wirtschaftlichkeit ein wesentlicher Faktor für die erfolgreiche Einführung der entwickelten Technologie durch Milcherzeuger und -verarbeiter. Als Ergebnis wurde die Joghurtverarbeitungseinheit20 mithilfe der linearen Methode wirtschaftlich bewertet, basierend auf der Amortisationszeit und den während der Nutzungsdauer generierten Einnahmen39. Zu den Fixkosten gehörten die Anfangsinvestition, Abschreibung (Gl. 2), Zinsen (Gl. 3), Versicherung (2 %), Steuern (1,5 %) und Wohnkosten sowie betriebliche Ausgaben wie Arbeitsaufwand, Betriebskosten (10 %). ) und Reparatur- und Wartungskosten (25 %). Wohn- und Arbeitskosten wurden nicht berücksichtigt, da davon ausgegangen wurde, dass die Milcherzeuger die Milch mithilfe entwickelter Technologien auf Betriebsebene verarbeiten würden.

Der Restwert wurde auf 10 % der ursprünglichen Investition und die voraussichtliche Lebensdauer auf 15 Jahre festgelegt. Die folgende Gleichung wurde zur Berechnung der Zinsen unter Verwendung des jährlichen Zinssatzes in Pakistan (7 %) als Faktor verwendet.

Die Amortisationszeiten wurden mithilfe eines Break-Even-Ansatzes berechnet. Laut Munir et al.40 ist der Break-Even-Punkt die Zeit, die benötigt wird, um die Gesamtkosten (Fixkosten und Betriebskosten) und den Umsatz (im Sinne der kumulierten Kraftstoffeinsparungen und des Produktgewinns) auszugleichen, wonach die Maschine beginnt, Einnahmen zu generieren im Hinblick auf Kraftstoffeinsparungen. Da die Wetterbedingungen die täglich nutzbare Arbeitszeit beeinflussen, wurden alle wirtschaftlichen Schätzungen auf Stundenbasis durchgeführt.

Da die entwickelte Joghurt-Verarbeitungseinheit20,29 vollständig solarbetrieben ist, ist kein CO2-Ausstoß entstanden. Im Vergleich zu auf fossilen Brennstoffen basierenden Energieerzeugungsressourcen wurde außerdem eine Studie zur CO2-Einsparung durchgeführt, um die CO2-Emissionen abzuschätzen. Aus diesem Grund wurde der Gesamtenergieverbrauch der entwickelten Technologien während ihrer Betriebsstunden über ihre gesamte Lebensdauer berechnet und die CO2-Emissionen für nicht erneuerbare Energieressourcen berechnet, wenn diese zur Erzeugung der gleichen Energiemenge eingesetzt würden. Quaschning41 veröffentlichte die CO2-Emissionen pro kWh Energieerzeugung aus verschiedenen fossilen Brennstoffen, anhand derer die CO2-Emissionen dieser Brennstoffe bei gleichwertiger Energieerzeugung berechnet wurden.

Der mittlere pH-Wert von Milchproben, die aus anderen Quellen als solarverarbeiteter Milch entnommen wurden, lag zwischen 6,53 und 6,60 (Tabelle 2) und lag innerhalb normaler Grenzen. Mehrere Forscher berichteten über ähnliche Ergebnisse42,43. Die Zugabe von Eis, Wasser oder anderen chemischen Konservierungsmitteln zur Verlängerung der Haltbarkeit reiner Rohmilch könnte die Ursache für niedrigere pH-Werte in Marktmilchproben sein24. Solarbehandelte Milch (6,87 + 0,0404) hatte den höchsten pH-Wert und kam dem vorgeschriebenen pH-Wert am nächsten, da sie rein und frisch und ohne Verunreinigungen war. Der pH-Wert aller Marken- und Solarjoghurtproben hingegen lag über 4, wohingegen der pH-Wert von lokalen Geschäften und handgemachten Joghurtproben sogar niedriger als 4 war, was zu einem erhöhten Säuregehalt führte (Tabelle 3). Tatsächlich führt eine unkontrollierte Gärung zu einem niedrigeren pH-Wert und einem erhöhten Säuregehalt. Darüber hinaus fehlt bei Joghurt ohne Markenzeichen ein geeigneter Kulturdosierungsmechanismus, der einen erheblichen Einfluss auf den Säuregehalt des Endprodukts hat44. Solarbehandelter Joghurt (4,3433 + 0,0521) hatte den höchsten pH-Wert und kam dem vorgeschriebenen pH-Wert am nächsten, da er rein und frisch und ohne Schadstoffe war.

Lokal vermarktete Milch hatte den größten Gefrierpunktbereich und reichte von – 0,449 ± 0,00404 bis – 0,463 ± 0,00115, wie in Tabelle 2 gezeigt, gefolgt von vom Unternehmen behandelter Milch für die Joghurtfermentation (– 0,518 ± 0,00115) und solar verarbeiteter Milch (– 0,532 ±). 0,000577). Individualität, Rassenunterschiede, erworbener Säuregehalt, Kolostrum, Mastitis, Laktationsstadium, Ernährung und Jahreszeit können sich alle auf den Gefrierpunkt der Milch auswirken45. Auch das Vorhandensein von gemischtem Wasser in der lokalen Marktmilch kann mit dem höheren Gefrierpunkt der Proben in Verbindung gebracht werden, da die aktuelle Untersuchung ergab, dass die lokale Marktmilch einen höheren Prozentsatz an zugesetztem Wasser enthielt.

Der niedrigste Dichtebereich wurde bei lokal auf dem Markt erhältlicher Milch und Joghurt gemeldet (1,028 ± 0,0052 bis 1,029 ± 0,00231) bzw. (1,034 ± 0,00173 bis 1,036 ± 0,000577), vermutlich aufgrund der Wasserverdünnung in Rohmilch24. Es wurden Werte für unternehmensverarbeitete Milch und Joghurt (1,031 ± 0,000577) und (1,04 + 0,00115) sowie für solarverarbeitete Milch und Joghurt (1,031 ± 0,000577) bzw. (1,039 ± 0,000577), wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, ermittelt besser mit dem in der Pakistan Pure Food Rule 1965 festgelegten Dichtebereich für Milch übereinstimmen46. Der Zusatz von Bindemitteln und Konservierungsmitteln für eine längere Haltbarkeit kann die Ursache für die höhere Dichte des im Unternehmen verarbeiteten Joghurts sein.

Die Temperaturen der Proben während der Tests für örtliche Milchhändler, Milchhändler und von Unternehmen verarbeitete Milch lagen zwischen 28,9 und 30,3 °C, mit einer durchschnittlichen Probentemperatur von 29,2 °C, und es wurde bestätigt, dass sie innerhalb der Testbedingungen des Milchanalysators lagen30.

Auf der Grundlage unterschiedlicher chemischer Eigenschaften werden die Ergebnisse der Solarjoghurt-Verarbeitung verarbeiteter Milch und Joghurt mit auf dem lokalen Markt und in Unternehmen erhältlichen verarbeiteten Milch- und Joghurtproben verglichen und in den Tabellen 2 bzw. 3 dargestellt.

Wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, lag der Fettanteil lokal verfügbarer Milch und Joghurt zwischen 1,783 und 2,683 % bzw. 1,8833 und 2,547 % und wies die niedrigsten Werte aller anderen untersuchten Quellen auf, was darauf hindeutet, dass Kuhmilch und Joghurt die niedrigsten Werte aufwiesen Fettanteil. Diese verringerten Fettprozentwerte könnten auf eine vermutete Verfälschung von Kuhmilch mit Wasser zurückzuführen sein. In früheren Untersuchungen wurden die gleichen Verfälschungsursachen beschrieben24,47. Die Entrahmung oder teilweise Entrahmung von Milch ist in örtlichen Milchverarbeitungsbetrieben eine häufige Praxis, was zu einem geringeren Fettgehalt in der Milch und ihren Derivaten führt. Variable Fettanteile können auch durch Unterschiede in der Rasse, Art und Qualität des Futters, Umweltfaktoren und genetische Variabilität verursacht werden33,47. Solarmilch und Joghurt wiesen hingegen mit 5,3 bzw. 5,5 % die höchsten Fettanteile auf, was dem Industriestandard ähnelt, gefolgt von verarbeiteter Milch und Joghurt von Unternehmen (3,5 %)46.

Der SNF (%) für unternehmens- und solarverarbeitete Milch/Joghurt wurde auf 8,68 % bzw. 9,0833 % für Milch und 8,783 % bzw. 8,683 % für Joghurt ermittelt, was dem empfohlenen Standard der Pakistan Pure Food Rule von 1965 entspricht46. Die Einbeziehung von Konservierungsmitteln und Bindemitteln für eine längere Haltbarkeit und eine dickere Joghurtproduktion kann für den höheren SNF-Wert in unternehmensverarbeitetem Joghurt verantwortlich sein. Laut Awan46 erfüllten die Ergebnisse für lokale Marktmilch und Joghurt SNF (%) nicht die gesetzliche Mindestanforderung (Tabellen 2, 3), waren aber deutlich niedriger als bei Kuhmilch (8,50 %). Diese Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen einer kürzlich durchgeführten Studie überein, die darauf hinwies, dass Milchproben lokaler Märkte durchweg mit Wasser oder Kuhmilch kontaminiert waren, da sie höhere Gefrierpunkte hatten.

In der Milch sind unter anderem Phospholipide, Chloride, Carbonate und Bicarbonate von Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium enthalten. Mit einem Milchanalysator wurde die Gesamtsalzkonzentration in den Milchproben bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass in allen untersuchten Proben Salze im Bereich von 0,3833 bis 0,6833 Prozent festgestellt wurden. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, wurden niedrigere Salzanteile in örtlichen Geschäften und in verkaufter Milch von Milchmännern festgestellt, wohingegen die höchsten Salzanteile in gewerblicher und solarverarbeiteter Milch zu finden waren. Die Ergebnisse erwiesen sich als vergleichbar mit denen von Abd El-Salam und El-Shibiny48.

Solarverarbeitete Milch (3,8 %) hatte den höchsten Proteingehalt (%), gefolgt von vom Unternehmen verarbeiteter Milch (3,2 %) und vom lokalen Markt verarbeiteter Milch (2,1–2,2 %), wie in Tabelle 2 gezeigt. Der Proteingehalt von Es wurde festgestellt, dass Solar- und Marktmilch den Qualitätskriterien entspricht46. Unterschiede im Proteingehalt (%) können jedoch auf die Verarbeitungsqualität und Managementansätze zurückgeführt werden.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, war der Laktosegehalt in der Milch, die in Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlagen für die Joghurtproduktion verwendet wird, am höchsten (4,1 %) und in der lokalen Marktmilch am niedrigsten (2,4–2,6 %). In der vom Unternehmen verarbeiteten Milch wurde ein Laktosegehalt von 4,0 % ermittelt. Sharif et al.49 brachten den Schweregrad einer subklinischen Mastitis mit einem Rückgang der Laktose (%) in der pakistanischen Büffelmilch in Verbindung. Der relevanteste Grund für die aktuelle Studie könnte jedoch eine Milchverfälschung sein, die zu niedrigeren Laktosewerten in der lokalen Marktmilch führt .

Lokale Geschäfte und Milchhändler, die Milch und Joghurt lieferten, hatten einen Gesamtfeststoffgehalt von 7,483 ± 0,188 % und 8,2867 ± 0,0924 % für Milch und 7,483 ± 0,193 % bzw. 8,183 ± 0,130 % für Joghurt, was deutlich unter dem Durchschnittswert des Unternehmens lag verarbeitete Milch und Joghurt (12,2 ± 0,24 % und 12,3 ± 0,24 %) und solar verarbeitete Milch und Joghurt (14,383 ± 0,0606 % und 14,183 ± 0,0722 %) und entsprachen nicht den Qualitätsstandards46. Wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, hatten die solar verarbeitete Milch und der Joghurt den höchsten standardisierten TS (%), gefolgt von der vom Unternehmen verarbeiteten Milch und dem Joghurt.

Bei der mikrobiologischen Qualitätsbewertung von Joghurt geht es in erster Linie um zwei Aspekte: (1) den Schutz der Verbraucher vor Gesundheitsgefahren und (2) die Sicherstellung, dass das Material während seiner erwarteten Haltbarkeitsdauer keinen mikrobiellen Verfall erleidet50. Tatsächlich hilft es dabei, festzustellen, inwieweit bei der Verarbeitung Hygienevorkehrungen getroffen wurden, und ermöglicht so die Prognose der Produkthaltbarkeit und die Erkennung potenzieller Gesundheitsrisiken (Krankheitserreger).

Das Vorhandensein von Kolibakterien (6–15 KBE/ml) in Markenjoghurtproben wurde durch mikrobiologische Untersuchungen entdeckt, was auf eine Art von Fehlbehandlung hindeutet (sollte ≤ 10 KBE/ml oder 1 log KBE/ml sein), sogar innerhalb der Branche. In lokalen Joghurtproben wurden jedoch eine größere Anzahl (1,93–2 log KBE/ml) und (1,34–1,43 log KBE/ml) coliformer Keime gefunden, was auf ein hohes Maß an unsachgemäßer Handhabung hinweist. Der höhere Kolibakterienwert kann auf die schmutzigen Bedingungen während des Produktionsprozesses zurückzuführen sein. Darüber hinaus können in dieser Zahl auch Verunreinigungen aus der Nachbearbeitungsphase enthalten sein. Andererseits wies Joghurt, der in einer solarbetriebenen Joghurtverarbeitungsanlage hergestellt wurde, keine Spuren von Kolibakterien auf, was auf ein hohes Maß an hygienischen Verarbeitungsbedingungen hinweist. Dies unterstützt die Idee der aktuellen Studie, alle Prozesse (Erhitzen, Fermentieren und Kühlen) in einem einzigen Behälter durchzuführen, um das Risiko einer Kontamination zu verringern. Das kompakte 3-in-1-System ist in der Lage, alle erforderlichen Prozesse (Heizen, Fermentieren und Kühlen) in einem einzigen Behälter durchzuführen. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination beim Umfüllen der erhitzten Milch in den Gärbehälter, wie es üblich ist, geringer. Darüber hinaus ist die Kammer vollständig geschlossen, um Fremdkontaminationen zu vermeiden. Der zweite Grund könnte sein, dass die Proben des industriell verarbeiteten Joghurts aus dem verpackten Produkt entnommen wurden und beim Verpacken die Möglichkeit einer Kontamination besteht. In der aktuellen Studie hingegen wurden die frischen Proben aus der Gärkammer entnommen. Auf dem lokalen Markt hingegen ist die hohe Wahrscheinlichkeit einer Kontamination aufgrund unsachgemäßer und minderwertiger Lager- und Handhabungseinrichtungen unvermeidlich.

Für optimale Joghurtqualitäten sollte das Verhältnis von S. thermophilus zu L. bulgaricus 1:1 betragen. Tatsächlich geht es bei Ersterem in erster Linie um die Entstehung von Säure, bei Letzterem geht es in erster Linie um die Produktion geschmacksbildender Komponenten zusätzlich zur Säure (flüchtige Fettsäuren, Essigsäure, Acetaldehyd, Ethanol etc.). Darüber hinaus sollte die Mindestverfügbarkeit probiotischer Mikroben in fermentierter Milch etwa 9–10 log KBE/ml51 betragen, um den garantierten medizinischen Nutzen für den Menschen zu erzielen. Die Bewertung der Joghurtkultur (Tabelle 4) ergab, dass Proben ohne Markenzeichen (lokale Geschäfte und selbstgemachter Joghurt) beide gängigen Joghurtarten (S. thermophilus und L. bulgaricus) von Milchsäure erzeugenden Bakterien enthielten, deren Anzahl jedoch unter dem akzeptablen Bereich lag. Allerdings sehen wir gelegentlich Auswüchse von S. thermophilus und L. bulgaricus, was auf unkontrollierte Bedingungen der Kulturentwicklung hinweist. Darüber hinaus war die Gesamtzahl der Joghurtkulturen in Proben mit Markenzeichen höher als in Proben ohne Markenzeichen und lag im von Ouwehand51 angegebenen akzeptablen Bereich. Im Gegensatz dazu könnten unkontrollierte Bedingungen und eine schlechte Lebensfähigkeit ein Grund für niedrigere Zahlen in Joghurtproben ohne Markenzeichen sein. Das Verhältnis von S. thermophilus und L. bulgaricus in Joghurt, der von einer Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage hergestellt wurde, lag bei nahezu 1:1, und die Gesamtzahl der Joghurtkulturen war aufgrund der richtigen Temperaturkontrolle während der Fermentation höher als in Proben ohne Markenzeichen. aber weniger als bei Marken-/Firmen-verarbeiteten Proben, wie in Tabelle 4 gezeigt. Diese Ergebnisse bestätigten das aktuelle Design.

Im Vergleich zu solarverarbeiteter Milch und Joghurt wurden nur Milch- und Joghurtproben vom lokalen Markt auf Verfälschungen untersucht. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Verfälschungserkennung in Milch und Joghurt vom lokalen Markt sowie in Proben von solarverarbeiteter Milch und Joghurt. Die Ergebnisse zeigten, dass Milch- und Joghurtproben vom lokalen Markt (Milch/Joghurt aus lokalen Geschäften und Milch/Joghurt von Milchmännern) stark mit Wasser (70 und 95 %), Harnstoff (50 und 70 %) und Formalin (10 und 40 %) verunreinigt waren. und Rohrzucker (60 und 80 %). In der Milch wurden nur ein winziger Anteil an Stärke (2 %) in Milch und 6 % in Joghurtproben aus örtlichen Geschäften sowie H2O2 (2 %), Öl (1 %) und Reinigungsmittel (1 %) Verfälschungen festgestellt und Joghurtproben, die auf dem lokalen Markt verkauft werden. Da Joghurt aus derselben Probenmilch fermentiert wurde, sind die Verfälschungswerte für Milch und Joghurt aus von Milchmännern gelieferter Milch gleich. Es wurde bestätigt, dass alle Proben der solarverarbeiteten Milch und des Joghurts frei von Verfälschungen waren.

Milchverfälschung in lokaler Marktmilch und solar verarbeiteter Milch.

Verfälschungen durch skrupellose Personen in der konventionellen Milchlieferkette sind weit verbreitet und wurden von vielen Autoren dokumentiert, weshalb die Ergebnisse der Studie als mit diesen übereinstimmend befunden werden11,12,16,23,52.

Die wirtschaftliche Machbarkeit einer solarunterstützten Joghurtverarbeitungsanlage wurde durch die Durchführung einer umfassenden Wirtschaftsanalyse im Hinblick auf die Erzeugung erneuerbarer Energie aus beiden Quellen ermittelt, nämlich Solarthermie unter Verwendung von Vakuum-Solarröhrenkollektoren für die Milcherwärmung und einer PV-Anlage für die Joghurt-/Milchkühlung. Die Gesamtkosten der solarunterstützten Joghurtverarbeitungseinheit, einschließlich aller erforderlichen Zubehörteile und Installationsgebühren, beliefen sich auf 2412 USD. Tabelle 5 listet die Daten auf, die für die Wirtschaftsforschung verwendet werden können.

Nach der Erstinvestition ergab die Einzel- und Gesamtkostenschätzung aller wirtschaftlichen Komponenten und Berechnungen pro Stunde, dass für den Betrieb der Joghurtverarbeitungsanlage 0,105 USD pro Stunde erforderlich waren. Die Break-Even-Point-Analyse wurde auf der Grundlage der verfügbaren Wirtschaftsdaten durchgeführt, um die Amortisationsdauer im Vergleich zu anderen traditionellen Ressourcen zu bewerten. Der Break-Even-Punkt für jedes Szenario wird berechnet, indem die nützlichen Arbeitsstunden gegen die Ausgaben aufgetragen werden, wie in Abb. 5 dargestellt.

Break-Even-Analyse für die Joghurtverarbeitungseinheit im Zusammenhang mit Kraftstoffeinsparungen.

Die Amortisationszeit der Joghurt-Verarbeitungsanlage wurde auf 3499 (~ 1,3 Jahre), 5619 (~ 2,08 Jahre) und 24.292 (~ 9 Jahre) nützliche Arbeitsstunden geschätzt, wenn Benzin, Diesel und Strom gleichermaßen zur Energieerzeugung genutzt würden. bzw. wie in Abb. 5 dargestellt. Nach der Amortisationszeit wurde der Gesamtumsatz, der über die prognostizierte Lebensdauer der Joghurtverarbeitungsanlage generiert wurde, auf 27.196, 16.568 bzw. 2.350 USD geschätzt, basierend auf den Kraftstoffquellen Benzin, Diesel, und Strom. Die Verarbeitungskosten pro Liter Milch für die Joghurtproduktion wurden mit solarbetriebenen Technologien auf 0,0189 USD berechnet, basierend auf einer 50-Liter-Charge, die in 9 Stunden verarbeitet wurde20,29, was deutlich unter den geschätzten Verarbeitungskosten von Milchverarbeitern liegt betragen 0,2 USD pro Liter53.

Da es an den notwendigen Verarbeitungs- und Lagermöglichkeiten mangelt, verkauft ein Milchmann im ländlichen Pakistan Milch für 0,42 USD pro Liter. Mit Hilfe einer solarbetriebenen Joghurtverarbeitungsanlage kann der Milchmann Milch in ein Mehrwertprodukt, gerührten Joghurt, umwandeln. In Pakistan kostet Marken-verpackter Rührjoghurt 1,7 USD pro Kilogramm. Wenn der Preis für Joghurt, der mit einer Solar-Joghurt-Verarbeitungsmaschine hergestellt wird, 0,7 USD pro Kilogramm beträgt (1 USD pro kg billiger Markenjoghurt). Es handelt sich um eine verbraucherfreundliche Preisgestaltung und für Milchmänner ist es einfach, gerührten Joghurt zu diesem Preis zu verkaufen. Die Gesamtkosten für ein Kilogramm solarverarbeiteten verpackten Joghurts werden geschätzt, indem der Rohmilchpreis von 0,42 USD pro Kilogramm, die Verarbeitungskosten von 0,0189 USD und die Verpackungskosten von 0,1 USD pro Kilogramm addiert werden, was Gesamtkosten von 0,54 USD pro Kilogramm ergibt Kilogramm. Ein ländlicher Milchviehhalter kann also 0,16 USD pro kg oder 8 USD pro Tag für die Verarbeitung von 50 l Joghurt einsparen, und die Amortisationszeit wurde auf 533 Tage (1,78 Jahre) berechnet, indem die Gesamtkosten des Systems durch die Einsparungen pro Tag dividiert wurden54 wie in Abb. 6 dargestellt.

Break-Even-Analyse für die Joghurtverarbeitungseinheit im Zusammenhang mit dem Produktgewinn.

Grundsätzlich ist das System für kleine und mittlere Milcherzeuger an Produktionsstandorten konzipiert, die Solarenergie nutzen, was bei der Produktion im industriellen Maßstab nicht der Fall ist. Die aktuelle Studie rechtfertigt die Größe des Lagertanks mit einer Wasserkapazität von 100 Litern zur Verarbeitung von 50 Litern Joghurt oder Milch mit 15 Röhren Vakuumröhrenkollektor (ETC), was eine geeignete Größe für dezentrale Anwendungen darstellt. Das Design kann jedoch vergrößert werden, indem die Größe des Speichertanks und des Vakuumröhrenkollektors entsprechend neu berechnet wird.

Die Joghurtverarbeitungsanlage wurde außerdem im Hinblick auf die CO2-Emissionseinsparungen während ihres geschätzten Lebenszyklus von 40.500 Stunden (15 Jahren) vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung und des Klimawandels analysiert. Zu jeder Jahreszeit kann die Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage etwa 2,66 kW Solarenergie pro Stunde für die Milch-/Joghurtverarbeitung auf dem Bauernhof erzeugen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird erwartet, dass eine solarbetriebene Joghurtverarbeitungsmaschine im Laufe ihrer Betriebslebensdauer etwa 107,73 MWh nutzbare Prozessenergie erzeugen kann. In Abb. 7 sind die Ergebnisse der Kohlenstoffemissionen im Vergleich zur Energieerzeugung mit verschiedenen nicht erneuerbaren Energieressourcen grafisch dargestellt. Wie in Abb. 7 dargestellt, werden bei der Verwendung von Holz als Brennstoffquelle (@ 0,39 kg CO2/kWh) 42,015 Tonnen CO2 emittiert, gefolgt von Kohle (@ 0,34 kg CO2/kWh) mit 36,63 Tonnen und Diesel (@ 0,27 kg CO2/kWh). ) 29,01 Tonnen, Kerosin (@ 0,26 kg CO2/kWh) 28,01 Tonnen und Erdgas (@ 0,20 kg CO2/kWh) 21,55 Tonnen für die entsprechende Energieerzeugung für die Milch-/Joghurtverarbeitung (107,73 MWh). Diese Studie ergab, dass eine solarbetriebene Joghurtverarbeitungsanlage eine potenziell umweltfreundliche Lösung für die Milch-/Joghurtverarbeitung darstellt, mit der Probleme der globalen Erwärmung, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der CO2-Emissionen, erfolgreich gelöst werden können.

CO2-Emissionseinsparungen durch Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage.

Die Ergebnisse zeigen, dass die solarunterstützte Joghurtverarbeitungsanlage im Vergleich zu den vor Ort angewandten Milchhandhabungs- und Joghurtverarbeitungsmethoden ein qualitätsorientiertes Produkt lieferte. Darüber hinaus wird durch die Solartechnologie auch der Energiebedarf für diese Prozesse reduziert, was nicht nur zur Senkung der Betriebskosten beiträgt, sondern auch einen positiven Einfluss auf das Klima hat. Die Förderung solcher neuartigen solarbasierten Milchverarbeitungstechnologien kann dazu beitragen, Rohmilchverluste in der Lieferkette zu reduzieren und die Lebensgrundlage der ländlichen Bevölkerung zu verbessern.

Milch und Joghurt sind natürliche, nährstoffreiche Nahrungsmittel für Menschen jeden Alters und Geschlechts. Die Ergebnisse der aktuellen Studie sind jedoch verblüffend und widersprechen dieser Behauptung. Den Ergebnissen der Studie zufolge erhalten Verbraucher von örtlichen Milchbetrieben und Milchmännern, die ihnen Milch nach Hause liefern, eine weiße, wässrige Flüssigkeit. Eine beträchtliche Anzahl der getesteten Proben hatte einen üblen Geruch, einen merkwürdigen Farbton, eine dünne Textur, einen erheblich gesunkenen Nährwert und starke Verfälschungen, insbesondere durch Wasser. Man kann davon ausgehen, dass jeder in der Milchwertschöpfungskette die Milch auf die eine oder andere Weise verunreinigt hat, sei es direkt oder indirekt, aber ganz bewusst. Ebenso verpackte das Unternehmen verarbeitete Milch- und Joghurtproben, die zwar frei von Verfälschungen waren, deren Nährwerte jedoch im unteren Bereich der Standardbereiche lagen, da fast alle Milch- und Joghurtverarbeitungsunternehmen die Milch vor dem Verkauf teilweise auf Nebenprodukte entrahmten zu einem hohen Preis an den Verbraucher geliefert.

Im Vergleich zum lokalen Markt und zur vom Unternehmen verarbeiteten Milch kann Rohmilch mit einer vor Ort installierten solarbetriebenen Joghurtverarbeitungsanlage sofort verarbeitet werden, was in allen Qualitäts- und Verbraucherakzeptanzparametern bessere Ergebnisse zeigte. Da die reine und frische Milch sofort von der UAF Dairy Farm bezogen wurde, gab es keine Verfälschungen und 100-prozentige Hygienebedingungen bei der solarverarbeiteten Milch und dem Joghurt. In Bezug auf die Energie ergab die Break-Even-Point-Untersuchung, dass sich eine Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage in 1,3–9 Jahren amortisieren kann, abhängig von der Art der nicht erneuerbaren Quelle, die für eine ähnliche Energieproduktion eingesetzt wird. Auf Basis des Produktgewinns wurde eine Amortisationszeit von 1,78 Jahren prognostiziert. Die Kosten für die Verarbeitung eines Liters Milch zur Herstellung von Joghurt wurden mit 0,0189 USD berechnet. Die solarbasierte Joghurtverarbeitungsanlage wird rund 107,73 MWh Strom ohne CO2-Emissionen erzeugen, was sie zu einer umweltfreundlichen Technologie macht. Kurz gesagt: Die entwickelte Solar-Joghurt-Verarbeitungsanlage bietet eine realistische Lösung für die Probleme der lokalen Milch-Wertschöpfungskette. Diese neuartige und dezentrale solarbasierte Milch- und Joghurtverarbeitungstechnologie ermöglicht die Verarbeitung hochwertiger Milch auf dem Bauernhof unter kontrollierten Betriebsbedingungen, was dazu beitragen kann, die aktuellen technologischen Grenzen für Milchbauern sowie Qualitätsbeschränkungen für Kunden zu verringern.

Die Rohdaten, die die Schlussfolgerung dieses Artikels stützen, werden vom Erstautor und entsprechenden Autor ohne unangemessenen Vorbehalt zur Verfügung gestellt.

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Der Autor dankt der Higher Education Commission (HEC) Pakistans und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) für die Bereitstellung der Lebens- und Forschungskosten für die aktuelle Studie. Der Autor möchte sich außerdem bei der Universität Kassel für die Bereitstellung von Mitteln (APC) für die Veröffentlichung des Werkes bedanken.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL. Die Entwicklungs- und Versuchskosten der Forschung wurden vom Internationalen Zentrum für Entwicklung und menschenwürdige Arbeit (ICDD) Deutschland bereitgestellt.

Fachbereich Agrar- und Biosystemtechnik, Universität Kassel, 37213, Witzenhausen, Deutschland

Syed Nabeel Husnain, Faizan Majeed und Oliver Hensel

Abteilung für Energiesystemtechnik, Universität für Landwirtschaft, Faisalabad, 38000, Pakistan

Syed Nabeel Husnain, Anjum Munir und Waseem Amjad

Abteilung für Agrartechnik, Bahauddin Zakariya University, Multan, 60800, Pakistan

Faizan Majeed

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Konzeptualisierung, SNH und OH; Methodik, SNH, FM und WA; Software, SNH, FM und WA; Validierung, SNH, WA und OH; formale Analyse, SNH und WA; Untersuchung, SNH,WA, AM; Ressourcen, OH und AM; Datenkuration, SNH und WA; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, SNH; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, SNH, WA, AM, FM und OH; Visualisierung, SNH und WA; Supervision, OH und AM; Projektverwaltung, AM und OH; Finanzierungseinwerbung, AM und OH Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Syed Nabeel Husnain oder Anjum Munir.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Husnain, SN, Munir, A., Amjad, W. et al. Vergleichende Qualitätsanalyse und wirtschaftliche Machbarkeit einer solarunterstützten Joghurtverarbeitungsanlage für die dezentrale Molkerei-Wertschöpfungskette. Sci Rep 13, 6878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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Eingegangen: 15. Juli 2022

Angenommen: 22. April 2023

Veröffentlicht: 27. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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