Weiterentwicklung der Funktionsweise des Melkbechers

Ist es möglich, dass ein Melkbecher ohne zitzennahes Vakuum am Euter haftet?

Dr. Ulrich Ströbel, Prof. Dr. Sandra Rose-Meierhöfer, Toni Luhdo, Prof. Dr. Reiner Brunsch
Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V., Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam.
E-Mail-Kontakt: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!März 2015

Einleitung
Weiterentwicklungen in der Melktechnik tragen dazu bei, das Tierwohl zu steigern und die Produktionskosten z. B. Tierarztkosten zu senken. Eine Reduzierung des Vakuums im Melkbecher entlastet das Eutergewebe insbesondere am Ende des Melkvorgangs. Damit stellt sich die Frage ob der Zweiraummelkbecher in der Weise weiterentwickelt werden kann, dass er zweitweise ohne Melkvakuum an der Zitze haftet. Ein neu entwickelter Melkbecherprototyp mit einer Funktionstrennung für Melken und Halten, der zweitweise ohne Melkvakuum am Euter haftet, wird im Folgenden beschrieben.

Stand des Wissens
Die Produktionseffizienz in der Milchviehhaltung wurde in den letzten Jahren erheblich gesteigert.
Durch Fortschritte in der Melktechnikentwicklung wurde die pro Tier benötigte Arbeitszeit zwar verringert, jedoch wurde weder die Eutergesundheit stark verbessert noch die Belastung des Eutergewebes wesentlich reduziert (Ströbel et al., 2015). Elektronische Messsysteme stellen die Schlüsseltechnologie zur weiteren Automatisierung der zukünftigen Nutztierhaltung (und der Melktechnik) dar (Brehme et al., 2008). Melktechnik ist eine wichtige Techniksparte im Bereich der Verfahrenstechnik der Nutztierhaltung (Ströbel, et al., 2013). Auch im Bereich der Melktechnik kommen regelmäßig Neuentwicklungen zur weiteren Automatisierung der Arbeit auf den Markt. Was speziell die Vakuumapplikation in Melksystemen anbelangt, so kann festgestellt werden, dass stabile Vakuumverhältnisse in Melksystemen von mehreren Autoren als die unumstößliche Voraussetzung für das erfolgreiche maschinelle Melken angesehen werden (Hoefelmayr und Maier, 1979; Nordegren, 1980; Schlaiß, 1994). Stabile Vakuumverhältnisse werden derzeit von der Mehrheit der modernen Melksysteme erzeugt. Das Blindmelken und eine unnötig hohe Vakuumbelastung am Ende eines Melkvorgangs konnten bisher, insbesondere in Gruppenmelkständen, nicht flächendeckend behoben werden (Ströbel et al., 2015).

Weiter haben die Länge und der Durchmesser des Strichkanals eine Auswirkung auf die Einwanderung von Bakterien ins Euter (Hogan et al., 1988). Auch Hamann (1987) bestätigt, dass der Strichkanal die wichtigste physische und chemische Barriere für das Einwandern von Erregern darstellt. Die Wirkung physikalischer Kräfte auf das Strichkanalende sollte somit begrenzt werden. Die Ziele der durchgeführten Entwicklungsarbeit bestanden deshalb darin, eine Melktechnik zu präsentieren, bei der Melk- und Haltefunktion getrennt einstellbar sind. Damit soll der Melkbecher besonders am Melkende, ohne Melkvakuum an der Kuhzitze halten (Ströbel et al., 2015).

Material und Methode
Die folgende Abbildung 1 zeigt einen Prototyp des neuen Melkbechers in der Außenansicht, der in jedes viertelindividuelle Melksystem eingebaut werden kann. Das Anlagenvakuum im Labormelkstand bei dem der neuartige Melkbecher betrieben wird, soll 35 kPa betragen. Der neue Melkbecher muss mit einem Lufteinlass am Zitzengummikopf oder mit einem Lufteinlass unterhalb des Schauglases (wie beim AMS) betrieben werden, damit der Abtransport der Milch gewährleistet ist. Der Becher kann, nach bisherigem Kenntnisstand, nur viertelindividuell ohne Milchsammelstück betrieben werden, da ein geringeres Melkbechergewicht und die Wirkweise ohne Milchsammelstück, die Haltefunktion des Melkbechers an der Kuhzitze verbessert. Abbildung 2 zeigt die innere Konstruktion des neuen Melkbechers als 3D-Zeichnung (Ströbel et al., 2015).

Dem neuen Melkbecher wurden zwei schlauchartige, aufblasbare Kammern hinzugefügt, die mit Druckluft von ca. 350 kPa (Druck über dem atmosphärischen Luftdruck) beaufschlagt werden können. Die beiden aufblasbaren Kammern werden in Form von Ringdichtungen in die beiden sichtbaren Zwischenräume in Abb. 2 eingebaut. Diese Konstruktion mit drei ringförmigen Abtrennungen im oberen Bereich der Melkbecherhülse (Abb. 2) unterscheidet den neuen Melkbecher von herkömmlichen Konstruktionen. Die Ringdichtungen gleichen einem Fahrradschlauch in Miniatur, dessen Ventilanschluss bzw. Anschlussstutzen sich außen statt innen befindet (Ströbel et al., 2014). In Abb. 1 sind die Anschlussstutzen der beiden Ringdichtungen zu sehen, hierüber erfolgt die Druckluftversorgung.
 

Abb. 1: Prototyp des neuen Melkbechers im Melklabor des ATB
(Foto: Stollberg/Ströbel)


Abb. 2: Konstruktion im Inneren des neuen Melkbechers im Melklabor des ATB
(Konstruktionszeichnung:  Luhdo/ Schröter/ Ströbel)

Der neu entwickelte Melkbecherprototyp wurde in ein viertelindividuelles Melksystem eingebaut, das sich im Melklabor des ATB in Potsdam befindet. Der Anschluss erfolgte über das Ankoppeln des Pulsschlauches und des langen Milchschlauches (Ströbel et al., 2015). Um die Haltefunktion des neuen Melkbechers an der Zitze zu testen, wurden die nachfolgend aufgezählten Größen erfasst: Abhängige Messgröße war das zitzenendige Melkvakuum. Mittels Nassmessung nach DIN ISO 6690 (2007) konnte die exakte Höhe des zitzenendigen Melkvakuums im Labor bestimmt werden, bei welchem der neue Melkbecher sich ansaugt und ab welchem zitzenendigen Vakuum der Melkbecher wieder abfällt. Die Stellgrößen, welche das „Ansaugvakuum“ und „Abfallvakuum“ beeinflussen, waren in diesem Laborversuch A das Anlagenvakuum, welches zwischen 5 kPa und ca. 40-50 kPa variiert wurde. Weiter das Gewicht des Melkbechers; es wurde als Stellgröße zwischen ca. 200 g und 300 g variiert. Die Füllung der eingebauten aufblasbaren Kammern mit Druckluft wurde außerdem als Stellgröße variiert (350 kPa Überdruck oder 0 kPa Überdruck, relativ zum atmosphärischen Luftdruck wurde eingestellt). Die Pulsation (60:40; 60 Takte/ Minute) wurde an- und abgeschaltet und der Melkbecher wurde wechselweise ohne Milchfluss und mit einem Milchfluss von 1,0 L/min pro Euterviertel betrieben (Ströbel et al., 2015).

Weiterhin wurden Melkversuche in Laborversuch B bei einem festem Anlagenvakuum von 35 kPa, unterschiedlichen Milchflüssen und ohne Überdruck in den Ringdichtungen im Melklabor durchgeführt, womit die normgerechte Melkfunktion des neuen Bechers untersucht wurde. Die Ergebnisauswertung erfolgte mit der Software MatLab und MS-Excel (Ströbel et al., 2015). Die Wirkung der Stellgrößen auf den Zeitpunkt bzw. auf das zitzenendige Vakuum beim Melkbecherabfall, wurde in Versuch A erfasst und ausgewertet. Weitere Effekte wie der Einfluss der genannten Einstellungen auf den Ansaugpunkt bzw. das Ansaugvakuum des neuen Melkbechers (bei statischer und dynamischer Haftung) wurden ebenfalls mathematisch in Versuch A untersucht. Die Melkfunktion des Melkbechers wurde in Versuch B untersucht, indem der zeitliche Verlauf der Vakuumkurven am Pulsschlauch (Pulsvakuum), an der Vakuumpumpe (Anlagenvakuum) und an der Zitzenspitze der ISO-Kunstzitze (Melkvakuum) (DIN ISO 6690, 2007) visuell und statistisch verglichen wurde. Nach der Erfassung der ersten Versuchsergebnisse im Melklabor bzw. nach Erstellung der ersten Melkbecherkonstruktionen, wurde ein Patent auf die erzielten Ergebnisse angemeldet. Das Patent umfasst neben den dargestellten Konstruktionsentwürfen weitere Konstruktionen, die zu Beginn der Entwicklungsarbeit ausgearbeitet wurden (Ströbel et al., 2015).

Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 3 ist ein Ergebnisschaubild der durchgeführten Messreihen von Versuch A beispielhaft dargestellt. Es handelt sich um eine Einzelmessung über ca. 80 Sekunden, bei der die Pulsation abgestellt war und der Milchfluss 1,0 L/min betrug. Weiterhin waren beide aufblasbaren Kammern mit einem Überdruck von 350 kPa (über Atmosphäre) beaufschlagt und das Melkbechergewicht betrug 200 Gramm während der gesamten Messdauer.

Die violette Kurve zeigt den konstanten atmosphärischen Luftdruck von 101 kPa. Der Verlauf der blauen Kurve macht das Anlagenvakuum am Melksystem das relativ zur Atmosphäre zwischen 5 und ca. 50 kPa Vakuum variiert wurde, sichtbar. Das zitzenendige Melkvakuum wurde als rote Kurve im Schaubild dargestellt. Im Bereich bis ca. 25 Sekunden, hat der Melkbecher sich nicht dauerhaft an der Kunstzitze festgesaugt, obwohl er vom Versuchsmitarbeiter jeweils knapp unter die Kunstzitze gehalten wurde (Ströbel et al., 2015). Erst ab einem zitzenendigen Vakuum von relativ 20 kPa (ab ca. 25 s) hat sich der Melkbecher dauerhaft an der Zitze festgesaugt. Bei einer Zeit von ca. 40 Sekunden und hohem Vakuum hat der Melkbecher sich problemlos an der Zitze gehalten. Nach einer Zeit von ca. 70 Sekunden bei einem relativen Vakuum von ca. 5 kPa ist der Melkbecher dann erst wieder abgefallen. Ab einer Zeit von ca. 60 Sekunden wurde der Melkbecher regelmäßig mit der Hand angetippt, um die Vakuumschwelle für den Becherabfall zu finden, bei der ein sicheres Halten an der Kuhzitze nicht mehr gewährleistet ist (Ströbel et al., 2015). Für Versuch A kann damit zusammenfassend festgestellt werden, dass der Melkbecher bei idealen Einstellungen auch bei einem zitzenendigen Melkvakuum von 5 - 10 kPa (unter Atmosphäre) dauerhaft an der Zitze haften bleibt. In Folgeversuchen im Melklabor konnte das notwendige Melkvakuum sogar weiter auf 0 – 5 kPa abgesenkt werden. In Fällen ohne Druckluftbeaufschlagung der aufblasbaren Kammern ist der neue Melkbecher hingegen mehrfach bereits bei noch hohem Melkvakuum von 10 – 20 kPa (unter Atmosphäre) abgefallen, nachdem er sanft angetippt wurde (Ströbel et al., 2015).

Abb. 3: Vakuum- bzw. Druckverlauf am Prototyp des neuen Melkbechers im Melklabor in Versuch A
(Foto: Luhdo/ Ströbel)

Die gewünschte Wirkung der eingebauten aufblasbaren Kammern wurde somit bestätigt. Ein weiteres Ergebnis war, dass bei allen durchgeführten Messungen das zum Halten benötigte Melkvakuum signifikant geringer ist, nachdem sich der Becher einmal angesaugt hat. Daraus folgt, dass für das Halten neben der Strömungs- oder Druckkraft noch eine zusätzliche Kraftkomponente zu berücksichtigen ist (Luhdo et al., 2013). Weitere Ergebnisse zur vorhandenen Melkfunktion des neuen Melkbechers in Versuch B wurden bisher vorwiegend visuell ausgewertet und zeigen keine erheblichen Unterschiede beim Vakuumverlauf der Anlagen-, Puls- und Melkvakuumkurve im Vergleich zu konventionellen Melkbechern in welche Zitzengummis mit Kopfbelüftung eingebaut sind (Ströbel et al., 2015). Weitere Versuche mit unterschiedlichen Zitzengummis, Lufteinlassen und mit wiederholt unterschiedlichen Melkbechergewichten und eingestellten Milchflüssen sind für die nächsten Monate geplant (Ströbel et al., 2015). Bei Versuchen an der Lehr- und Versuchsanstalt für Tierzucht und Tierhaltung e.V. Ruhlsdorf / Groß Kreutz an echten Kühen hat sich weiter gezeigt, dass die Melkfunktion mit dem neuen Melkbecher erreicht wird. Weiter konnte festgestellt werden, dass die Haltefunktion bei Druckluftbeaufschlagung der Dichtringe bei lebenden Kühen bisher noch nicht zuverlässig funktioniert. Dies wird auf die Vielfalt der Zitzenformen bei lebenden Kühen zurückgeführt.

Zusammenfassung
Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Haltefunktion des neuen Bechers, unabhängig vom Melkvakuum, im Melklabor erreicht wird. Die bisherige Konstruktion des neuen Melkbechers kann in viertelindividuelle Melksysteme (unter Hinzunahme einer Druckluftversorgung für jedes Euterviertel) relativ problemlos integriert werden (Ströbel et al., 2015). Eine negative Auswirkung auf die Reinigung und andere notwendige Funktionen des Melkbechers wird derzeit nicht erwartet. Das Potenzial des neuen Melkbechers für eine Markteinführung wird damit als äußerst hoch eingeschätzt.

Danksagung
Die Studie und das damit verbundene Forschungsprojekt MeMo* wurden gefördert durch die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die BLE ist eine bundesunmittelbare rechtsfähige Anstalt des öffentlichen Rechts im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Die Autoren möchten der BLE und dem BMEL für die umfassende Unterstützung im Projekt herzlich danken. Weiter möchten die Autoren dem Industriepartner Impulsa AG in Elsterwerda für die sehr gute und konstruktive Zusammenarbeit herzlich danken.

* (MeMo = Melkprozesse mit modellgetriebener Entwicklung von Verfahren und Anlagentechnik)

Literaturliste zum Beitrag: siehe pdf-Version unten

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2015_03_Stroebel_Melkbecher_Neu