RO反滲透膜過濾系統在乳制品工廠中的運用研究

段玉娟，李劍峰，楊學文，高興東，代龍孟，楊世杰，趙 瑞

昆明雪蘭牛奶有限責任公司，云南昆明 650217

0 引言

持續3 年的新冠肺炎疫情大環境下，消費者對乳制品的需求更加注重營養健康，聚焦更優質高蛋白營養的乳制品成為廣受關注的新品類。獲得牛奶中高蛋白的通常方法是通過閃蒸工藝將牛奶中部分水分去除，以達到濃縮的目的，但閃蒸工藝中牛奶往往會因為長時間的加熱，而導致營養成分的損失和蛋白質變性，存在褐變的風險。提供一種牛奶濃縮方法，最大限度地保持牛奶的自然狀態，提高乳及其制品的品質，具有重要的現實意義[1]。膜技術是用于對分子和離子進行分離的技術，早在20世紀70年代初，這項技術就已在乳制品生產中進行應用。RO反滲透膜過濾系統可以在低溫下通過壓力驅動進行濃縮，低溫下運行熱負荷程度最小，不但可以最大程度地保留牛奶中的營養物質，而且可以節能降耗，也具有設備裝置簡單，操作方便等特點，特別適合對熱敏感物質的濃縮。近兩年在乳制品工廠得到大力推廣，正在逐漸成為牛奶濃縮的新工藝。

1 設備和工藝

1.1 設備

RO反滲透膜過濾系統（入口11.7 t/h），專為牛奶類產品的加工所設計和配置，瑞典利樂公司；福斯FT120乳成分分析儀，丹麥福斯有限公司。

1.2 RO反滲透膜過濾系統工藝流程

原料奶通過泵經過200 目雙聯過濾器進行初濾，初濾后的牛奶經過除菌分離機去除雜質及部分微生物，進入到膜過濾設備平衡缸原料奶側，再通過進料泵進入200 目過濾器進行二次過濾，二次過濾后的產品進入增壓泵實施增壓，在后續內循環泵的作用下，產品在RO反滲透膜過濾系統內進行循環濃縮，經過濃縮后的產品通過換熱器，出口溫度控制在6~10 ℃，出口通過背壓閥調整RO反滲透膜內背壓控制濃縮比例。經過RO反滲透膜后的產品分為濃縮液和滲透液，濃縮液進入到儲存罐待用，滲透液進入到平衡缸滲透液側，通過泵進行純水回收（圖1）。

圖1 RO反滲透膜過濾系統工藝流程圖

1.3 RO反滲透膜過濾系統工藝流程關鍵控制點

1.3.1 原料奶進入RO反滲透膜過濾系統前需經200 目雙聯過濾器初濾，初濾后通過除菌分離機去除雜質和部分微生物，避免污染膜。

1.3.2 生產過程可結合原料奶的質量進行靈活的濃縮比調整，調整范圍在1.12:1~1.35:1之間（表1），然后用乳成分分析儀檢測結果，并與理論值對比，再結合檢測數據進行生產過程理化指標的精準控制，原料奶蛋白質可以從3.0%提升到4.0%，產品體系穩定，口感和組織狀態正常。

表1 RO反滲透膜過濾系統不同濃縮比的檢測數據對比

2 RO反滲透膜過濾系統的優勢

RO反滲透膜過濾系統的優勢是低溫濃縮，節能降耗，最大限度地保留原料奶中的活性物質。

2.1 電耗和汽耗上有優勢

以10 t/h生產產能為基準，對比使用國產BR2.0-BS-5J閃蒸機組設備工藝和利樂RO反滲透膜過濾系統（入口11.7 t/h）工藝的能耗，從表2數據可知，電耗可下降約63%，汽耗下降約61%。

表2 閃蒸和RO反滲透膜過濾系統工藝能耗對比

2.2 濃縮過程最大限度保持營養物質

RO反滲透膜過濾技術通常是在常溫條件下進行，尤其是對熱敏性物質的分離、分級、提純和濃縮，以有助于保持分離物質的品相和營養不被破壞[2]。表3分別對原料奶和經過膜過濾1.2 倍濃縮后牛奶中的乳鐵蛋白、α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、乳過氧化物酶、免疫球蛋白的數據進行分析，發現經過RO反滲透膜過濾系統后，其中的各項活性營養物質沒有損失。

表3 原料奶和經過RO反滲透膜過濾系統的牛奶中活性營養物質對比

3 RO反滲透膜的污染及控制措施

3.1 RO反滲透膜污染

在RO反滲透膜過濾應用中，RO反滲透膜污染是常見的問題。RO反滲透膜不能受到顆粒物、膠體或沉淀物的污染，污染會造成系統產水量下降或段間壓差上升。如果污染達到一定程度，則需要對其進行清洗和維護，恢復反滲透膜的主要功能[3]，污染非常嚴重時，必須進行更換。RO反滲透膜更換成本較高，做好日常CIP清洗和消毒是延長膜使用壽命的保障。

3.2 RO反滲透膜污染控制措施

3.2.1 原料奶無雜質

在前處理工藝中進行凈乳和過濾，確保原料奶無雜質才能進入RO反滲透膜過濾系統進行濃縮。經過高溫、長時間熱處理而發生蛋白質變性的牛奶和配料后混有食品添加劑和懸浮物的牛奶半成品不可以通過RO反滲透膜過濾系統進行濃縮，避免變性乳清蛋白堵塞膜孔。

3.2.2 原料奶菌落總數小于2 萬CFU/mL

RO反滲透膜過濾技術是一種類似于超濾膜分離的操作技術，只是所使用的濾膜更加致密，而且在濾膜的一端施加了壓力，水會通過濾膜被壓向另一面，從而達到濃縮的目的[4]。此過程中，除了牛奶中的脂肪、蛋白質、總干物質和乳糖、灰分、無機鹽等，微生物也同步進行了濃縮，因此，為了保障產品的安全性，在前處理工藝中，增加了除菌分離機，以對原料奶進行除菌，保證原料奶在進入RO膜過濾系統前的菌落總數控制在2 萬CFU/mL以內。

3.2.3 制定適合的清洗、消毒程序和頻次

RO反滲透膜系統CIP清洗、消毒常使用的模式：（1）全套清洗流程：水洗-堿洗-水洗-酶洗-水洗-酸洗-水洗；（2）單堿清洗流程：水洗-堿洗-水洗；（3）酸浸泡流程：水洗-酸洗-酸浸泡；（4）消毒流程：水洗-消毒液-水洗。

RO反滲透膜系統CIP清洗、消毒頻次：（1）生產結束時進行1 次全套清洗；（2）連續生產20 h，在生產至10 h時進行一個單堿洗；（3）生產結束后停機8 h以上，進行全套清洗流程并增加1 個單堿洗和1 個酸浸泡，每次酸浸泡后生產前需進行單堿洗；（4）生產過程中間等待時間超過2 h，需進行酸浸泡；（5）1~2 周進行1 次消毒。RO反滲透膜清洗水質要求如表4所示。

表4 RO反滲透膜過濾系統CIP清洗水質控制指標

生產過程中重點監控污染指數（SDI）值，SDI代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞RO反滲透膜的物體含量，SDI值的大小對RO反滲透膜運行壽命至關重要，CIP清洗水質的SDI檢測參考值小于3，如果污染指數SDI值高于3設備清洗時反而會污染RO反滲透膜。設備清洗結束做好膜通量測試記錄，通量測試值變化情況與新膜狀態下通量變化在95%以內正常，當通量測試有較大偏離時需要重點關注設備清洗和水質質量。

4 結論

通過對RO反滲透膜的工藝流程關鍵控制點及RO反滲透膜過濾系統的優勢、膜污染及控制措施分析總結，第一，可有效地降低電耗和蒸汽能耗。第二，可將原料奶蛋白質通過低溫加壓過濾的方式進行濃縮，蛋白質最高可提升至4.5%左右，最大限度保持牛奶中的營養物質，得到良好的口感且不會發生蛋白變性。第三，RO反滲透膜易污染，乳制品工廠在前處理中，需增加除菌分離設備及200目雙聯過濾工藝，去除原料奶中的雜質和微生物。第四，選擇合適的清洗程序和清洗頻次，做好通量測試值跟蹤記錄，通量測試值變化與新膜狀態下通量變化在95%以內是正常。第五，CIP清洗水的質量控制，當水質污染指數（SDI）值高于3時，設備清洗反而會污染RO反滲透膜。