管式反滲透濃縮牛奶的實驗研究

呂建國，張 鵬

(1.甘肅省膜科學技術(shù)研究院，甘肅蘭州730020;2.甘肅省膜分離工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730020)

管式反滲透濃縮牛奶的實驗研究

呂建國1，2，張 鵬1

(1.甘肅省膜科學技術(shù)研究院，甘肅蘭州730020;2.甘肅省膜分離工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730020)

介紹了采用管式反滲透膜濃縮牛奶的工藝，研究了工藝中的壓力、溫度、濃度和濃縮過程與牛奶中有效成分的截留率之間的關(guān)系，同時也研究了壓力、溫度、濃度在濃縮過程中與膜通量之間的關(guān)系。實驗結(jié)果證明，管式反滲透膜對有效成分的截留率接近100%。

管式，反滲透，膜，牛奶，濃縮

膜技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用已有多年，傳統(tǒng)膜技術(shù)只用于乳清處理，現(xiàn)已逐步進入乳品工業(yè)的其它領(lǐng)域［1］。近幾年在乳品工業(yè)中，膜分離技術(shù)作為一種高新技術(shù)而得到應(yīng)用［2］，主要用于牛奶的濃縮、分離乳清、牛奶微濾除菌等工藝中［3－7］，而采用膜法進行牛奶濃縮的工藝研究一般都集中在超濾工藝過程，而直接采用反滲透或管式反滲透進行牛奶濃縮的研究尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報道。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

牛奶 由蘭州某生物乳業(yè)有限公司提供，牛奶中固形物的含量為10%～12%;管式反滲透膜 PCI公司，型號AFC99，最高壓力64bar，最高溫度80℃，近似截留特性(氯化鈉)99%;管式反滲透膜殼 PCI公司，型號B1，長12英尺。

DDS－703電導率儀 上海雷磁儀器廠;Milky Lab全自動牛奶分析儀 鄭州雷博爾實驗室設(shè)備有限公司;裝置及設(shè)備 為甘肅省膜科學技術(shù)研究院設(shè)計制造的管式反滲透分離裝置，型號LA－99，膜面積0.9m2。

1.2 管式反滲透的工藝流程

見圖1。

圖1 管式反滲透工藝流程圖

1.3 管式反滲透系統(tǒng)操作條件

進料溫度≤50℃，操作壓力≤6MPa，進口流量20L/min，透過液出口流量≤600L/min。

1.4 管式反滲透濃縮牛奶工藝流程

原料乳驗收→預處理→預熱殺菌→管式反滲透濃縮 →濃縮→噴霧干燥→冷卻→篩粉→包裝→裝箱→檢驗→成品

根據(jù)原生產(chǎn)工藝，在現(xiàn)工藝中加入管式反滲透膜系統(tǒng)進行牛奶的濃縮，其它生產(chǎn)工藝流程不變。管式反滲透濃縮過程可實現(xiàn)牛奶濃縮1倍，料液濃度在12%～24%的范圍內(nèi)時，對牛奶中的有效成分可實現(xiàn)99.9%的截留，系統(tǒng)脫鹽率達到98%以上，可實現(xiàn)濃縮后牛奶的有效成分不流失。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力對總固形物截留率及脫鹽率的影響

圖2為牛奶的總固形物濃度20%，牛奶進料溫度40℃，進料流速在20L/min的情況下壓力與通量之間的關(guān)系。從圖2可以看出，管式反滲透對牛奶的脫鹽率及總固截留率有著很好的效果。管式反滲透對牛奶中的固形物的截留率并不跟隨運行壓力的變化而變化，因此可以認為壓力的變化不會影響管式反滲透對牛奶有效成分的截留作用。

圖2 壓力對總固形物截留率及脫鹽率的影響

2.2 溫度對總固形物截留率及脫鹽率的影響

圖3為牛奶的總固形物濃度20%，系統(tǒng)壓力5.0MPa，進料流速在20L/min的情況下溫度與通量之間的關(guān)系。從圖3中可以看出，管式反滲透對牛奶的脫鹽率及總固形物截留率有著很好的效果。采用管式反滲透膜設(shè)備在進行牛奶濃縮時，溫度對其截留率沒有影響，因此我們可以選擇最佳溫度進行實驗。

圖3 溫度對總固形物截留率及脫鹽率的影響

2.3 料液濃度對總固形物截留率及脫鹽率的影響

圖4為系統(tǒng)壓力5.0MPa，料液溫度40℃，不同料

圖4 料液濃度對總固形物截留率及脫鹽率的影響

從圖4可以看出，膜設(shè)備將料液濃縮一倍的過程中，截留率及脫鹽率始終保持令人滿意的狀態(tài)，證明使用膜設(shè)備濃縮牛奶是非常好的選擇。

2.4 管式反滲透膜系統(tǒng)對牛奶中酸度的截留

酸度是反映牛奶新鮮度和熱穩(wěn)定性的重要指標，酸度高的牛奶，新鮮度低，熱穩(wěn)定性差。乳品工業(yè)中習稱的酸度是指以標準堿溶液滴定的滴定酸度，單位為°T，正常新鮮牛奶的滴定酸度一般為16～18°T。

圖5為將總固形物濃度12%的原奶濃縮至總固形物濃度24%的過程中牛奶溶液的酸度變化情況。濃縮過程中產(chǎn)生的透過液經(jīng)檢測其酸度為零，表明管式反滲透膜系統(tǒng)對牛奶中的酸度截留率接近100%，濃縮液中的酸度與濃縮倍數(shù)呈正比線性關(guān)系。由于牛奶的酸度是反映牛奶新鮮程度的指標，為了防止長時間導致牛奶變質(zhì)，在使用膜設(shè)備部分替代奶粉生產(chǎn)工藝的過程中，應(yīng)該在膜濃縮后盡快進入蒸發(fā)濃縮工藝。

圖5 管式反滲透對牛奶中酸度的截留

2.5 壓力對膜通量的影響

在料液溫度為40℃，進料流速為20L/min的條件下，濃度(總固形物)分別為12%、16%、20%、24%的牛奶溶液，在不同壓力下(3.0～5.0MPa)測定其膜通量，結(jié)果見圖6。

圖6 壓力與膜通量

圖6表明，膜通量與壓力呈線性關(guān)系，壓力越高，膜通量越大。因此，在管式反滲透膜系統(tǒng)允許的壓力下，應(yīng)選擇盡可能高的操作壓力。

2.6 溫度對膜通量的影響

在進料流速為20L/min，系統(tǒng)壓力為5.0MPa的條件下，測定不同溫度下(35～55℃)的膜通量，結(jié)果見圖7。

圖7 溫度對膜通量的影響

圖7表明，膜通量與料液溫度基本呈線性關(guān)系，溫度越高，膜通量越大。因此，在管式反滲透膜系統(tǒng)允許的溫度下，應(yīng)選擇盡可能高的運行溫度。

2.7 料液濃度對膜通量的影響

在料液溫度為40℃，系統(tǒng)壓力為5.0MPa，進料流速為20L/min的條件下，對不同濃度(總固含量為12%～24%)的牛奶溶液的膜通量進行測定，結(jié)果見圖8。

圖8 料液濃度對膜通量的影響

圖8表明，膜通量與料液濃度基本呈線性反比關(guān)系，料液濃度越高，膜通量越小。因此，隨著濃縮過程的進行，膜通量逐漸下降。

2.8 濃縮過程牛奶濃度與膜通量的變化

取60L的新鮮原奶(總固12%，電導6820μs/cm)，在進料流速 20L/min，料液溫度 50℃，系統(tǒng)壓力5.0MPa的條件下，進行牛奶脫水濃縮運行實驗，濃縮液反復循環(huán)，分別在不同的濃縮時間段收集透過液進行總固形物、電導率及容量的測定。

濃縮實驗持續(xù)約80min，牛奶濃度(總固形物)由12%濃縮至24%，收集透過液30L，濃縮液30L，膜通量(平均)為600L/d·m2;膜通量隨濃縮過程中牛奶濃度不斷提高而逐步降低，透過液電導率為95μs/cm，平均脫鹽率約99%;透過液總固形物為0，總固形物截留率接近100%。

圖9 濃縮過程牛奶濃度與膜通量的變化

2.9 膜污染與清洗恢復

由于牛奶中固形物含量高(約12%)，持續(xù)運行8h后膜通量衰減約50%，使用自行研制清洗劑在低壓下(1.0MPa)，控制系統(tǒng)溫度為50℃左右，進行循環(huán)清洗約30min。

圖10為總固形物濃度20%的牛奶溶液，在進料流速20L/min，系統(tǒng)壓力5.0MPa，溫度50℃時的膜通量的衰減狀況及清洗效果。圖10表明，在初始階段膜通量衰減較快，但連續(xù)運行5、6h后，流速衰減明顯減緩。雖然膜系統(tǒng)的通量衰減較為嚴重，但清洗后膜通量的恢復可達95%以上，說明清洗劑對牛奶的污染具有較好的去除能力，清洗方法簡單實用。

圖10 膜系統(tǒng)的污染與清洗

2.10 成本預算

管式反滲透膜系統(tǒng)濃縮牛奶是對傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮工藝的部分替代，將固形物含量為12%的原料乳濃縮至24%。我們以實驗為依據(jù)，算出來的成本為:采用管式反滲透膜濃縮牛奶，每去除1t水的運行成本約為14.8元(其中含設(shè)備折舊)。雙效降膜濃縮設(shè)備每除去牛奶中的1t水的運行成本約為36元，相比之下每除去1t水的成本可節(jié)約能耗約21.2元。

3 結(jié)論

3.1 管式反滲透濃縮牛奶的優(yōu)勢

管式反滲透膜法濃縮牛奶工藝，運行溫度低、生產(chǎn)效率高、在截留有效成分的同時能夠有效保留牛奶原始風味;運行成本低、有效成分截留率高、能耗小、環(huán)境保護效果明顯，有利于經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展。膜經(jīng)清洗后，通量可以恢復95%以上，清洗效果顯著。

3.2 管式反滲透濃縮牛奶的劣勢

目前，管式反滲透在牛奶濃縮的生產(chǎn)工藝推廣使用的最大劣勢是:設(shè)備一次性投資大，沒有現(xiàn)實生產(chǎn)中的應(yīng)用實例;第二個劣勢是采用管式反滲透膜對牛奶進行濃縮，不能得到高濃度牛奶和奶制品的最終產(chǎn)品，需要與其它濃縮工藝集成使用。

管式反滲透濃縮牛奶工藝技術(shù)是一種高新技術(shù)，具有設(shè)備運行穩(wěn)定、節(jié)能、運行成本低、安全、可靠、自動化程度高等優(yōu)點。隨著能源的不斷消耗，節(jié)能減排的工藝始終會得到推陳出新，在任何一項高新技術(shù)的推廣過程中都會存在這樣或那樣的難題，如何克服這些難題將是我們今后工作的重點。

［1］朱迅濤.膜技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用［J］.中國乳品工業(yè)，1997，25(1):38－39.

［2］嚴艷軍，夏文水，楊凱.乳品加工中高新技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國乳品工業(yè)，2005，33(1):43－45.

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［4］呂加平，丁玉振于，景華，等.牛奶微濾除菌技術(shù)研究［J］.中國乳品工業(yè)，2005(6):15－18.

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［6］張立平，蔣維鈞.用超濾和反滲透濃縮牛奶與分離乳清的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1990(2):46－50.

［7］焦凌霞，李保國.納濾膜技術(shù)及其在乳品工業(yè)中的應(yīng)用［J］.保鮮與加工，2004(2):10－11.

Study on concentration of milk by tubular reverse osmosis

LV Jian－guo1，2，ZHANG Peng1
(1.Gansu Academy of Membrane Science and Technology，Lanzhou 730020，China;2.Gansu Research Center of Membrane Project Technical，Lanzhou 730020，China)

The tubular reverse osmosis membrane milk processing was introduced.The relationship between pressure，temperature，concentration and retention rates of valuable components were studied.Also the relationship between pressure，temperature，concentration and permeate flux in concentrated process were studied with a tubular reverse osmosis module.Experimental results proved that the retention of valuable components of this system was approximation 100%.

tubular;reverse osmosis;membrane;milk;concentration

TS252.4

A

1002－0306(2011)04－0249－03

2010－02－26

呂建國(1956－)，男，高級工程師，從事膜過程與應(yīng)用研究。

甘肅省星火計劃(5HS065－A92－002－03)。