管式反渗透浓缩牛奶的实验研究

吕建国，张 鹏

(1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州730020;2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州730020)

管式反渗透浓缩牛奶的实验研究

吕建国1，2，张 鹏1

(1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州730020;2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州730020)

介绍了采用管式反渗透膜浓缩牛奶的工艺，研究了工艺中的压力、温度、浓度和浓缩过程与牛奶中有效成分的截留率之间的关系，同时也研究了压力、温度、浓度在浓缩过程中与膜通量之间的关系。实验结果证明，管式反渗透膜对有效成分的截留率接近100%。

管式，反渗透，膜，牛奶，浓缩

膜技术在乳品工业中的应用已有多年，传统膜技术只用于乳清处理，现已逐步进入乳品工业的其它领域［1］。近几年在乳品工业中，膜分离技术作为一种高新技术而得到应用［2］，主要用于牛奶的浓缩、分离乳清、牛奶微滤除菌等工艺中［3－7］，而采用膜法进行牛奶浓缩的工艺研究一般都集中在超滤工艺过程，而直接采用反渗透或管式反渗透进行牛奶浓缩的研究尚未发现相关报道。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

牛奶 由兰州某生物乳业有限公司提供，牛奶中固形物的含量为10%～12%;管式反渗透膜 PCI公司，型号AFC99，最高压力64bar，最高温度80℃，近似截留特性(氯化钠)99%;管式反渗透膜壳 PCI公司，型号B1，长12英尺。

DDS－703电导率仪 上海雷磁仪器厂;Milky Lab全自动牛奶分析仪 郑州雷博尔实验室设备有限公司;装置及设备 为甘肃省膜科学技术研究院设计制造的管式反渗透分离装置，型号LA－99，膜面积0.9m2。

1.2 管式反渗透的工艺流程

见图1。

图1 管式反渗透工艺流程图

1.3 管式反渗透系统操作条件

进料温度≤50℃，操作压力≤6MPa，进口流量20L/min，透过液出口流量≤600L/min。

1.4 管式反渗透浓缩牛奶工艺流程

原料乳验收→预处理→预热杀菌→管式反渗透浓缩 →浓缩→喷雾干燥→冷却→筛粉→包装→装箱→检验→成品

根据原生产工艺，在现工艺中加入管式反渗透膜系统进行牛奶的浓缩，其它生产工艺流程不变。管式反渗透浓缩过程可实现牛奶浓缩1倍，料液浓度在12%～24%的范围内时，对牛奶中的有效成分可实现99.9%的截留，系统脱盐率达到98%以上，可实现浓缩后牛奶的有效成分不流失。

2 结果与分析

2.1 压力对总固形物截留率及脱盐率的影响

图2为牛奶的总固形物浓度20%，牛奶进料温度40℃，进料流速在20L/min的情况下压力与通量之间的关系。从图2可以看出，管式反渗透对牛奶的脱盐率及总固截留率有着很好的效果。管式反渗透对牛奶中的固形物的截留率并不跟随运行压力的变化而变化，因此可以认为压力的变化不会影响管式反渗透对牛奶有效成分的截留作用。

图2 压力对总固形物截留率及脱盐率的影响

2.2 温度对总固形物截留率及脱盐率的影响

图3为牛奶的总固形物浓度20%，系统压力5.0MPa，进料流速在20L/min的情况下温度与通量之间的关系。从图3中可以看出，管式反渗透对牛奶的脱盐率及总固形物截留率有着很好的效果。采用管式反渗透膜设备在进行牛奶浓缩时，温度对其截留率没有影响，因此我们可以选择最佳温度进行实验。

图3 温度对总固形物截留率及脱盐率的影响

2.3 料液浓度对总固形物截留率及脱盐率的影响

图4为系统压力5.0MPa，料液温度40℃，不同料

图4 料液浓度对总固形物截留率及脱盐率的影响

从图4可以看出，膜设备将料液浓缩一倍的过程中，截留率及脱盐率始终保持令人满意的状态，证明使用膜设备浓缩牛奶是非常好的选择。

2.4 管式反渗透膜系统对牛奶中酸度的截留

酸度是反映牛奶新鲜度和热稳定性的重要指标，酸度高的牛奶，新鲜度低，热稳定性差。乳品工业中习称的酸度是指以标准碱溶液滴定的滴定酸度，单位为°T，正常新鲜牛奶的滴定酸度一般为16～18°T。

图5为将总固形物浓度12%的原奶浓缩至总固形物浓度24%的过程中牛奶溶液的酸度变化情况。浓缩过程中产生的透过液经检测其酸度为零，表明管式反渗透膜系统对牛奶中的酸度截留率接近100%，浓缩液中的酸度与浓缩倍数呈正比线性关系。由于牛奶的酸度是反映牛奶新鲜程度的指标，为了防止长时间导致牛奶变质，在使用膜设备部分替代奶粉生产工艺的过程中，应该在膜浓缩后尽快进入蒸发浓缩工艺。

图5 管式反渗透对牛奶中酸度的截留

2.5 压力对膜通量的影响

在料液温度为40℃，进料流速为20L/min的条件下，浓度(总固形物)分别为12%、16%、20%、24%的牛奶溶液，在不同压力下(3.0～5.0MPa)测定其膜通量，结果见图6。

图6 压力与膜通量

图6表明，膜通量与压力呈线性关系，压力越高，膜通量越大。因此，在管式反渗透膜系统允许的压力下，应选择尽可能高的操作压力。

2.6 温度对膜通量的影响

在进料流速为20L/min，系统压力为5.0MPa的条件下，测定不同温度下(35～55℃)的膜通量，结果见图7。

图7 温度对膜通量的影响

图7表明，膜通量与料液温度基本呈线性关系，温度越高，膜通量越大。因此，在管式反渗透膜系统允许的温度下，应选择尽可能高的运行温度。

2.7 料液浓度对膜通量的影响

在料液温度为40℃，系统压力为5.0MPa，进料流速为20L/min的条件下，对不同浓度(总固含量为12%～24%)的牛奶溶液的膜通量进行测定，结果见图8。

图8 料液浓度对膜通量的影响

图8表明，膜通量与料液浓度基本呈线性反比关系，料液浓度越高，膜通量越小。因此，随着浓缩过程的进行，膜通量逐渐下降。

2.8 浓缩过程牛奶浓度与膜通量的变化

取60L的新鲜原奶(总固12%，电导6820μs/cm)，在进料流速 20L/min，料液温度 50℃，系统压力5.0MPa的条件下，进行牛奶脱水浓缩运行实验，浓缩液反复循环，分别在不同的浓缩时间段收集透过液进行总固形物、电导率及容量的测定。

浓缩实验持续约80min，牛奶浓度(总固形物)由12%浓缩至24%，收集透过液30L，浓缩液30L，膜通量(平均)为600L/d·m2;膜通量随浓缩过程中牛奶浓度不断提高而逐步降低，透过液电导率为95μs/cm，平均脱盐率约99%;透过液总固形物为0，总固形物截留率接近100%。

图9 浓缩过程牛奶浓度与膜通量的变化

2.9 膜污染与清洗恢复

由于牛奶中固形物含量高(约12%)，持续运行8h后膜通量衰减约50%，使用自行研制清洗剂在低压下(1.0MPa)，控制系统温度为50℃左右，进行循环清洗约30min。

图10为总固形物浓度20%的牛奶溶液，在进料流速20L/min，系统压力5.0MPa，温度50℃时的膜通量的衰减状况及清洗效果。图10表明，在初始阶段膜通量衰减较快，但连续运行5、6h后，流速衰减明显减缓。虽然膜系统的通量衰减较为严重，但清洗后膜通量的恢复可达95%以上，说明清洗剂对牛奶的污染具有较好的去除能力，清洗方法简单实用。

图10 膜系统的污染与清洗

2.10 成本预算

管式反渗透膜系统浓缩牛奶是对传统蒸发浓缩工艺的部分替代，将固形物含量为12%的原料乳浓缩至24%。我们以实验为依据，算出来的成本为:采用管式反渗透膜浓缩牛奶，每去除1t水的运行成本约为14.8元(其中含设备折旧)。双效降膜浓缩设备每除去牛奶中的1t水的运行成本约为36元，相比之下每除去1t水的成本可节约能耗约21.2元。

3 结论

3.1 管式反渗透浓缩牛奶的优势

管式反渗透膜法浓缩牛奶工艺，运行温度低、生产效率高、在截留有效成分的同时能够有效保留牛奶原始风味;运行成本低、有效成分截留率高、能耗小、环境保护效果明显，有利于经济的可持续性发展。膜经清洗后，通量可以恢复95%以上，清洗效果显著。

3.2 管式反渗透浓缩牛奶的劣势

目前，管式反渗透在牛奶浓缩的生产工艺推广使用的最大劣势是:设备一次性投资大，没有现实生产中的应用实例;第二个劣势是采用管式反渗透膜对牛奶进行浓缩，不能得到高浓度牛奶和奶制品的最终产品，需要与其它浓缩工艺集成使用。

管式反渗透浓缩牛奶工艺技术是一种高新技术，具有设备运行稳定、节能、运行成本低、安全、可靠、自动化程度高等优点。随着能源的不断消耗，节能减排的工艺始终会得到推陈出新，在任何一项高新技术的推广过程中都会存在这样或那样的难题，如何克服这些难题将是我们今后工作的重点。

［1］朱迅涛.膜技术在乳品工业中的应用［J］.中国乳品工业，1997，25(1):38－39.

［2］严艳军，夏文水，杨凯.乳品加工中高新技术的应用［J］.中国乳品工业，2005，33(1):43－45.

［3］刘美玉，任发政.牛奶微滤除菌技术之探讨［J］.中国乳业，2005(6):44－46.

［4］吕加平，丁玉振于，景华，等.牛奶微滤除菌技术研究［J］.中国乳品工业，2005(6):15－18.

［5］王彩云.对超滤浓缩牛奶工艺参数的研究［J］.河南职技院学报，1992，20(1):49－52.

［6］张立平，蒋维钧.用超滤和反渗透浓缩牛奶与分离乳清的研究［J］.食品与发酵工业，1990(2):46－50.

［7］焦凌霞，李保国.纳滤膜技术及其在乳品工业中的应用［J］.保鲜与加工，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

吕建国(1956－)，男，高级工程师，从事膜过程与应用研究。

甘肃省星火计划(5HS065－A92－002－03)。