乳制品行业主要能耗点及低碳技术概述

吴娜,刘凌,周明,孙慧,李国明,姜忠杰

（中国食品发酵工业研究院，北京，100015）

0 引言

乳制品行业是我国改革开放以来增长最快的重要产业之一，也是推动养殖、种植、加工、制造、流通等第一、二、三产业协调发展的重要战略产业。在我国，乳制品已逐渐成为人民生活必需食品，乳制品消费稳步提高。全国乳制品总产量数千万吨、总产值数千亿元。乳制品加工企业数量众多、遍布于全国各地。我国乳制品加工业生产集中度有了很大提高，大型企业的技术装备水平达到或接近世界先进水平，产品质量明显改善。

本文以乳制品加工过程为研究对象，分析了我国乳制品加工过程主要的能耗点，并对国际上正在乳制品行业推广应用的低碳技术进行了分类总结。

1 我国乳制品行业生产过程中主要的能耗点[1]

我国乳制品加工行业的产品种类很多，但主要品种有4种：巴氏杀菌乳、灭菌乳、酸乳和乳粉。

1.1 巴氏杀菌乳和灭菌乳

巴氏杀菌乳和灭菌乳的工艺流程为：

原乳→验收→净乳→冷却→贮乳→标准化→均质→杀菌/灭菌→冷却→包装→产品→贮藏

按照生产的工艺流程分析，巴氏杀菌乳的能耗点分述如下：

①净乳：原料乳验收后必须进行净化处理。净乳一般采用先过滤再离心的方法，能耗为机械设备用电。

②冷却：净化后的原料乳应迅速冷却到4～10℃，以抑制细菌的繁殖，能耗为制冷设备用电。

③贮乳：为保证连续生产的需要，乳品厂需要有一定数量的原料乳低温贮存罐，贮存期间不得超过10℃。贮乳过程能耗为给冷却夹套内制冷介质提供冷量而产生的电耗。

④标准化：标准化目的是为了确定杀菌乳中的脂肪含量。现代乳制品生产一般采用直接标准化的方法，需要将乳加热至55～65℃，按照预先设定好的脂肪含量分离出脱脂乳和稀奶油，并根据最终产品的脂肪含量，由设备自动控制回流到脱脂乳和稀奶油的流量。此部分的能耗包括加热的锅炉能耗和自动化设备的电耗。

⑤均质：均质前需要进行预热，达到60～65℃。然后采用两段式的均质方法。此部分的能耗包括加热的锅炉能耗和均质设备的电耗。

⑥杀菌：杀菌工艺主要能耗是提供杀菌蒸汽的锅炉能耗，还有少量的设备电耗。

⑦冷却：杀菌后的牛乳应尽快冷却至4℃，能耗为制冷设备用电。

⑧包装：包装过程主要是设备用电。

⑨贮藏：巴氏杀菌乳在杀菌灌装后立即置于4℃条件下冷藏。能耗源于制冷设备用电。

按照工艺流程分析，灭菌乳的主要能耗点和巴氏杀菌乳相同，只是具体工艺参数不同，一是杀菌的条件不同；二是杀菌后冷却的温度不同。

液体乳加工过程的主要能耗点为杀菌工艺的锅炉供热，其次是制冷工艺的电耗，两者占总能耗的60%以上。

1.2 酸乳

目前国内的酸乳根据工艺不同主要分两种：搅拌型酸乳和凝固型酸乳，两种酸乳的工艺流程为：

搅拌型酸乳：原乳→验收→净乳→冷却→贮乳→标准化→配料→均质→杀菌→冷却→接种、发酵→冷却→包装→产品→贮藏

凝固型酸乳：原乳→验收→净乳→冷却→贮乳→标准化→配料→均质→杀菌→冷却→接种→包装→发酵→冷却→后熟→产品→贮藏

从原乳到标准化的前段工艺以及冷藏工段和巴氏杀菌乳相同，所以能耗点也相同，此处不再重复，和液体乳的不同之处如下：

（1）配料过程的供热和用电能耗。凝固型酸乳添加配料时先将原料乳加热到50℃，再添加配料。待加热到65℃时，过滤除杂，或者将配料配成一定浓度，杀菌后加入乳中。能耗源于锅炉提供热量和过滤设备等的用电。

（2）发酵过程的搅拌和保温能耗。发酵过程需要提供热量，保证乳酸菌的增殖，热源有电加热和蒸汽管道加热两种，搅拌型酸乳还要持续搅拌，能耗源于提供热源的电、搅拌机械用电和锅炉。

酸乳产品能耗最大的工段是发酵，其次是贮藏，两个工段的能耗占总能耗的60%左右。

1.3 乳粉

目前国内乳制品加工企业的乳粉工艺流程大体如下：

原乳→验收→净乳→冷却→贮乳→标准化→均质→杀菌→浓缩→喷雾干燥→包装→产品→贮藏

乳粉的前段工艺：从原乳到标准化和液体乳相同，所以能耗点也相同，此处不再重复分析，后段工艺和液体乳及酸乳的能耗点不同：

①浓缩过程的水蒸汽蒸发和提供真空的能耗。

浓缩通常采用单效或多效真空蒸发器进行。水蒸汽蒸发需要提供热量，一般多效蒸发器比单效蒸发器蒸发单位质量的水蒸汽能效更高。真空浓缩需要由锅炉产生的饱和蒸汽不断供给热量，还要使后段蒸汽冷却变成水排掉，需要泵提供真空。所以此工段能耗巨大，包括锅炉、泵和制冷用电。

②喷雾干燥过程的水蒸汽蒸发能耗。

相比其他乳制品，乳粉的能耗最高，主要原因是液体乳中大量水分的蒸发耗能，体现在乳粉制备过程的预浓缩和喷雾干燥，这两个工序的能耗占总能耗的70%左右。

综合以上4种产品的能耗情况，可以看出乳制品加工企业的能耗主要包括锅炉燃煤（气，电），设备及厂区用电。

2 乳制品生产过程中的低碳技术、设备和工艺[2-3]

乳制品企业可能采取的低碳技术很多，参考美国和加拿大关于乳制品行业的节能降耗文献资料，归类如下。

2.1 具体乳制品加工工艺过程的低碳技术

（1）巴氏杀菌、消毒以及其他类似热处理的节能措施。在热回收或者在现有回收单元增加板。热回收是广泛应用技术，它把冷却巴氏杀菌乳的热加热原料乳，热回收效率超过95%。采用少量的蒸汽完成加热原料乳，少量的制冷剂应用于完成冷却巴氏杀菌乳。安装一个再回收工艺设施可节省费用。采用再回收工艺的工厂，在现有回收单元基础上增加板是提高热回收经济性的方法。

（2）螺旋式热交换设施。螺旋换热设施相比传统的管壳换热器可提供更快的热交换速度，减少故障，降低维修费用。这种热交换方法使连续的巴氏杀菌和消毒工艺更加节能。

（4）维修。蒸发系统中通常的耗能损失和热损失包括排气，辐射和传统的损失，真空系统效率低，空气泄漏，水泄漏，结垢和分离效率低。及时维修蒸发系统能帮助减少和避免很多能源的损失。一般而言，一个固定的维修系统包括检测和避免蒸汽系统泄漏；清洗热交换表面，保证能量的有效交换；检查和替换湿的、损坏或者腐朽的隔热设施；保持蒸汽分离设施的清洁；检查和避免水泄漏到系统中稀释产品；保持蒸发过程的最佳压力。

（5）多效蒸发器。一般而言，最大节能措施可通过采用多效蒸发器取代单效蒸发器。

（6）蒸汽再压缩。一般而言，比多效蒸发器更有效的节能系统是采用蒸汽再压缩系统，其中存在蒸发的蒸汽被压缩（因此增加了蒸发温度），然后作为蒸汽再次引入加热体系。

（7）膜浓缩。因为膜浓缩不需要相变（相对于蒸发），因此比传统的蒸发方法节能。膜过滤系统已经成功应用于乳制品加工过程，不仅在酸乳的标准化中取代单效蒸发，而且用于其他产品以及蒸发前的浓缩，蒸发的预浓缩提高了固形物含量，降低了后续蒸发的能耗。乳制品工业中最经常采用的膜过滤系统是反渗透和超滤。

（8）乳清粉生产过程中采用结晶工艺。最直接的方法是通过蒸发的方法将乳清液浓缩到固含量45%，然后喷雾干燥。如果乳糖在乳清液中结晶，会降低乳清粉的吸湿性，这个过程也称为高效浓缩，在干燥之前采用蒸发的方法从乳清中除去更多的水分。虽然结晶步骤会增加4～24 h的工艺操作时间，但相比直接干燥，每公斤产品的蒸汽耗量从6.6 kg降到5.5 kg。如果采用多效干燥方法，蒸汽的耗量可下降到5.0 kg/kg产品。相比单级干燥节能约24%，此外，经过结晶乳糖处理后的乳清粉具有更高的抗结块性，产品质量更高。

（9）在干燥之前采用蒸发或者其他浓缩技术。虽然干燥之前可以不采用任何浓缩工艺，但在去除水分方面干燥比膜浓缩和蒸发效率低，每去除1 kg水的蒸汽耗量是6倍。蒸发之前采用膜浓缩和蒸发的方法去除水分相比直接干燥节能。

（10）喷雾干燥温度的优化。对于喷雾干燥的最有效节能方法是：进风温度尽可能高，出风温度尽可能低。

（11）进气的战略布局。进风的质量对喷雾干燥有很大的影响。显而易见，热的进风优于冷的进风，因为在加热过程的能耗较低。

（12）进风的监测仪。虽然喷雾干燥的条件不变，但实际进风的温度和湿度是变化的。因此，干燥经常没有在最高效率下进行。安装可随时监测进风温度和湿度的监测仪可帮助操作者根据进风条件的变化实时改变操作条件，节约能耗。

由表2可知，在一级指标中经济性与环保性对应指标权重较大，因为在运行成本、投资是用户比较在意的。对于政策支持、潜在替代量和环保是投资人士较为看中的，而适用性作为一个电能替代项目的初选指标，因此权重相对不是特别高。

（13）多级干燥。最近，两级或者三级干燥已经走进主流生产工艺过程。多级干燥中间产品的水分含量可相对较高。例如，喷雾干燥的粉末和大量过剩的空气混合，因此相比喷雾干燥高效得多，但流化床适宜干燥水分含量低的物料以避免结块，将其应用于干燥的后期，并和其他干燥方法配合使用，可节约能耗。

（14）余热的回收。通常，干燥器外部的空气仍然很热，可进行余热回收。估计可回收余热的30%。但因为周围的空气经常被乳制品的微粒污染，需要过滤以避免回收的热空气污染。

（15）酸奶、奶酪和其他产品在发酵罐中良好的混合。使一些需要发酵的乳制品进行良好的混合有很多好处。可使产品更均一，更好的控制产品质量，降低温度梯度，产品的热传递效率更高，可以降低能耗。

（16）关于巴氏杀菌工艺。利用脉冲电场技术巴氏杀菌。利用脉冲电场技术对液体食品巴氏杀菌是一种新兴技术。紫外线巴氏杀菌。此技术采用高强度的紫外线对流动的液体进行巴氏杀菌。高净水压的方法进行巴氏杀菌。将液体装在一个相对灵活的容器中，浸入水中，获得极高的压力。微滤作为巴氏杀菌的方法。微滤和超滤反渗透相似，已经广泛应用于乳制品行业。采用此类杀菌方法可替代原杀菌工艺所涉及的加热和冷却工序，节约能耗。

（17）采用酶法进行CIP清洗。可节约水耗和能耗。

2.2 非乳制品行业专属的低碳技术

2.2.1 锅炉相关系统的低碳技术

（1）安装空气流动的自动监测器。排出气体中CO或者烟气含量的增高是空气不足的信号，安装自动空气流动的监测器，可优化燃料和空气的比例，最大程度降低能耗和其他污染物的排放。

（2）因为锅炉中有孔隙，经常会有额外的烟气从中产生，这类孔隙会降低蒸汽的热传递效率并增加泵的负荷。孔隙可通过修补进行改善，达到节能的目的。

（3）使用新的材料，例如陶瓷纤维，既可以更好的起到绝缘作用，又具有较低的热容。

（4）烟气的热回收经常是蒸汽系统热回收的最好途径。烟气系统的回收热可用于预热锅炉水。此技术较适合大型的锅炉，因为大型锅炉有空间回收更多的热量。

（5）冷凝水回收。回用锅炉的冷却水可节约能源，减少锅炉给水量。如锅炉采用新鲜给水，那首先要除去可能会在锅炉中产生沉积的固形物；使用冷凝水可大量减少除去沉积物所需购买的化学试剂。

（6）放空的蒸汽回收。当水从高压的锅炉中放出时，压力下降经常会产生大量的蒸汽。这种蒸汽的温度较低，但可以应用于暖气和锅炉用水的预热。除了节省能耗外，放空蒸汽的回用也可以降低蒸汽系统腐蚀的潜在危害。

（7）根据所需加热温度不同对热水体系进行分离。在实际应用中需要各种不同温度的热水，使用不同的锅炉产生不同温度的水蒸汽可节约能耗。

（8）改善和维护蒸汽输送系统的隔热材料。选择隔热材料的几个关键因素包括低导热性、温度改变时尺寸稳定性、防水和阻燃性。当保温隔热系统维修后，系统外的保温材料需及时补充。此外，保温材料在使用过程中还会变脆和腐烂，也需及时维护。

（9）蒸汽阀门的监测和维护。简单的检修蒸汽阀门系统可确保它们正常运行，可用很少的费用节省大量的能耗。

2.2.2 电机和泵系统的低碳技术

（1）电机的选择和合理使用。选择电机时有几个因素很重要，包括电机的转速，功率，机箱类型、额定温度、效率水平和电源质量。选购电机时，电机使用过程的消耗相比购买和安装费用也是十分重要的。使用过程中当最大负荷降低时，电机的功率也可降低。运行过程中还要尽量保证电压平衡，因为电压的不平衡会导致电流的不平衡，结果就是转矩的脉动，震动和机械应力增加，损失增加，电机过热，这会降低电机中绝缘线圈的寿命。电压的不平衡可能由于功率因数校正设备的错误操作，变压器的不平衡，或者线路开路。

（2）电机的维修。电机维修的目的是延长电机寿命并预防电机故障，电机维修措施分为预防和预测。预防的目的是避免电机不期望的故障。预测的目的是观察电机的运行温度，震动以及其他运行数据来判断何时需要大修或者更换。

（3）泵系统的维护。维修不充分会降低泵系统的效率，导致泵的故障率增加，增加泵的能耗。

（4）叶轮修剪。修剪叶轮是指通过加工降低叶轮的直径，这会减少流体通过泵的能耗。

（5）合适尺寸的管路。管路直径太小使流速增加，从而增加泵系统的能耗。如果可能，可增加管路的直径来减少泵体系的能耗，但是管路直径增加产生的节能必须和管路零配件的消耗平衡。

（6）可调速驱动器。可调功率的泵是可调速驱动器工作的良好条件，根据泵系统需求的改变，利用可调速驱动器调节泵的转速来适应不同的需求，可节约能耗。

2.2.3 制冷系统的低碳技术

（1）制冷系统良好的管理。包括确保冷藏室门随时关闭。确保冷藏温度不高于实际所需。尽量减少冷仓内的发热源，因为它们产生的热需制冷系统去除。冷仓壁和门上结了冰要随时报告，冰的存在表明冷仓内进入了大量的空气，它们会带走水汽从而在冷冻过程产生热，增加制冷负载。当没有必要时，随时关闭系统的泵和风扇，泵和风扇会增加操作过程的制冷负载。随时报告和修复制冷系统管路的隔热部分，经常检查压缩机的油量确保润滑。

（2）监测系统。监测系统可帮助发现制冷系统的小问题使其不转变为大故障，帮助减少大额的维修费用和保持系统高效运行。

（3）定期检查制冷剂的量是否充足及污染情况。制冷剂的量太低将会影响许多小的直接的扩展系统，如果任其发展，将导致系统的巨大损坏和能耗增加。此外油、水、或者碎片会使制冷剂产生污染，还可能会导致系统的操作和维护问题。

（4）制冷系统的控制。系统的控制通过确保制冷需求和各部件的负载相符来帮助改善制冷系统的能耗。

（5）高效的管路设计。管路的连接设计应考虑它们的尺寸和流体的最小摩擦以及压降。

（6）非高峰阶段冷量的储存。储存系统是一种可储存能量并在随后使用的方法。常应用于以下3种情况：一是制冷供大于求时，制冷系统在一个恒定的功率运行，将储存系统作为储存制冷能量的缓冲，当供小于求时将制冷的能量放出。减少制冷系统在低效运行的时间。二是使制冷系统整个在非高峰时段运行，在高峰时段使用其储存下的冷量。第三，两种方法结合使用。

（7）分隔不同的冷却温度需求。如果有不同冷却温度的需求，那么采用不同的冷却体系来达到不同的温度将是有益的。这样将会把较低效率的低温制冷系统的冷量转移到较高效率的高温制冷系统。

（8）管路的隔热。有制冷剂的管路应适当隔热，以最大限度降低热渗透。管路隔热系统应该定期检查，一旦发现有泄漏立即修补。

（9）降低热负载。制冷系统的压缩机所处位置通风不佳且周围有暖空气会降低压缩机的性能和效率。压缩机所处位置应该通风良好，以确保压缩机周围是冷凉的空气。

（10）自由冷却。当外界条件允许时，自由冷却可将室外空气用于制冷，降低制冷系统的负载。

（11）合适的电机。制冷系统的泵和风扇的功率太大会造成不必要的能耗。

（12）优化空气的流动状态。在冷仓和鼓风单元，空气的流动状态通常不是最优的，会产生温度梯度和真空地带以及支路循环状态，这都会降低热交换的效率。

（13）冷却塔。采用冷却塔冷却水可节省很大的能耗。

（14）提高系统的抽气压力。在压缩机系统的两个阶段，一个简单的节能方法是当环境温度下降时增加抽气压力和温度。

（15）压缩机产热回收。当经济上可能时，将压缩机产热回收用于室内加热或者水加热。

（16）将一台压缩机专门用于除霜。将一个大的系统中的一台压缩机用于除霜，在除霜所需压力下循环，则其他的压缩机可在较低压力下工作。

（17）保持冷凝器清洁。冷凝器应该定期检查有无污染物，冰等堵塞喷嘴，这些污染物会降低热传递效率，升高冷凝温度。水冷和蒸汽冷凝器也应该避免使用硬质水或者微生物含量较高的水，这会引起结垢、堵塞等，从而增加冷凝温度。蒸发冷凝器应定期清洗，除去非冷凝性气体，他们会通过增加系统的水头压力和阻碍冷凝器换热而降低制冷系统的效率。

（18）冷凝器风扇安装可调速驱动器。因为对于制冷系统而言，设备固有功率和实际操作所需功率存在很大差别，安装可调速驱动器会大大降低能耗。

（19）冷藏室蒸发风扇的循环。即便是不连续开启蒸发风扇，也有可能保持低温仓的温度。所以，有时可以关闭蒸发风扇或者阶段性关小来节约用电，同时仍然可以保持冷藏的温度。

（20）除霜需求。蒸发器在必要时除霜。这个除霜的需求在于仪表的压力读数，当仪表的压降增加时需要除霜。水除霜比热气除霜更有效。

2.2.4 压缩空气系统的低碳技术

（1）良好的维修。维修不及时会降低压缩机的效率，增加空气泄漏或者压力的可靠性，增加操作温度，湿度控制不佳以及额外的污染。

（2）减少空气泄漏。空气泄漏是浪费能源的主要方面。一个传统的工厂如果没有良好的维护，空气的泄漏至少占整个压缩空气的20%左右。

（3）当有个别设备需要较高压力时，只要更改此设备的配套系统，而不需要增加整个系统的操作压力。

（4）用其他能源代替压缩空气。采用其他能源可能会更高效和经济。例如采用流动的高压空气而不是压缩空气产生真空；采用流动的空气进行冷却、抽气、搅拌、混合、或者充气包装而不是采用压缩空气；采用刷子、鼓风设备或者真空泵系统取代压缩空气清洗零件或者去除碎片。

（5）改善负载。压缩机能耗大，所以要尽量避免其负载不满的情况。

（6）降低入口温度。如果空气流速稳定，那么降低入口的温度可降低压缩机所需能耗。在许多工厂，可抽入室外的空气降低入口温度。

（7）合适尺寸的管径。在可能的范围将管路的直径放到最大对于压缩空气系统可帮助降低压力损失和泄漏，节约能耗。

（8）压缩机产热回收。工厂空气压缩机电能的大部分转化为热。一般可回收这些热的50%以上。

（9）非工作时间将温度调回。在非使用时间将建筑的室内温度在冬天调低或者夏天调高，可大量节能。

3 结束语

乳制品加工行业的能耗主要源于锅炉和用电。其低碳、节能措施基本分两类：一类是新技术、新设备、新系统，新配件，这类措施需要企业增加资金、技术和人员的投入，达到节能减排的效果。还有一类是加强企业管理，例如建立对锅炉、蒸汽输送系统、泵、制冷系统进行维护、检修、监测的常规企业制度。减少不必要的锅炉热损失、减少管道蒸汽泄漏，减少蒸汽输送系统的热损失，减少制冷剂的泄漏，保证加热系统、热输送系统、泵和制冷系统的高效率运行。检查冷藏室门的关闭情况，移除排风口热源，减少冷仓中不必要的热源，降低制冷负载。经常清除管道污垢，提高热交换效率，等等。此类低碳技术，无需企业在资金、技术和人员上进行明显投入，而且节能效果立竿见影。

[1]谷鸣.乳品工程师实用技术手册[M].北京:中国轻工业出版社，2009.

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[3]WARDROP ENGINEERING INC.Guide to Energy Efficiency Op⁃portunities in the Dairy Processing Industry[M].CA：National Dairy Council,1997:26-27.