RO反渗透膜过滤系统在乳制品工厂中的运用研究

段玉娟，李剑峰，杨学文，高兴东，代龙孟，杨世杰，赵 瑞

昆明雪兰牛奶有限责任公司，云南昆明 650217

0 引言

持续3 年的新冠肺炎疫情大环境下，消费者对乳制品的需求更加注重营养健康，聚焦更优质高蛋白营养的乳制品成为广受关注的新品类。获得牛奶中高蛋白的通常方法是通过闪蒸工艺将牛奶中部分水分去除，以达到浓缩的目的，但闪蒸工艺中牛奶往往会因为长时间的加热，而导致营养成分的损失和蛋白质变性，存在褐变的风险。提供一种牛奶浓缩方法，最大限度地保持牛奶的自然状态，提高乳及其制品的品质，具有重要的现实意义[1]。膜技术是用于对分子和离子进行分离的技术，早在20世纪70年代初，这项技术就已在乳制品生产中进行应用。RO反渗透膜过滤系统可以在低温下通过压力驱动进行浓缩，低温下运行热负荷程度最小，不但可以最大程度地保留牛奶中的营养物质，而且可以节能降耗，也具有设备装置简单，操作方便等特点，特别适合对热敏感物质的浓缩。近两年在乳制品工厂得到大力推广，正在逐渐成为牛奶浓缩的新工艺。

1 设备和工艺

1.1 设备

RO反渗透膜过滤系统（入口11.7 t/h），专为牛奶类产品的加工所设计和配置，瑞典利乐公司；福斯FT120乳成分分析仪，丹麦福斯有限公司。

1.2 RO反渗透膜过滤系统工艺流程

原料奶通过泵经过200 目双联过滤器进行初滤，初滤后的牛奶经过除菌分离机去除杂质及部分微生物，进入到膜过滤设备平衡缸原料奶侧，再通过进料泵进入200 目过滤器进行二次过滤，二次过滤后的产品进入增压泵实施增压，在后续内循环泵的作用下，产品在RO反渗透膜过滤系统内进行循环浓缩，经过浓缩后的产品通过换热器，出口温度控制在6~10 ℃，出口通过背压阀调整RO反渗透膜内背压控制浓缩比例。经过RO反渗透膜后的产品分为浓缩液和渗透液，浓缩液进入到储存罐待用，渗透液进入到平衡缸渗透液侧，通过泵进行纯水回收（图1）。

图1 RO反渗透膜过滤系统工艺流程图

1.3 RO反渗透膜过滤系统工艺流程关键控制点

1.3.1 原料奶进入RO反渗透膜过滤系统前需经200 目双联过滤器初滤，初滤后通过除菌分离机去除杂质和部分微生物，避免污染膜。

1.3.2 生产过程可结合原料奶的质量进行灵活的浓缩比调整，调整范围在1.12:1~1.35:1之间（表1），然后用乳成分分析仪检测结果，并与理论值对比，再结合检测数据进行生产过程理化指标的精准控制，原料奶蛋白质可以从3.0%提升到4.0%，产品体系稳定，口感和组织状态正常。

表1 RO反渗透膜过滤系统不同浓缩比的检测数据对比

2 RO反渗透膜过滤系统的优势

RO反渗透膜过滤系统的优势是低温浓缩，节能降耗，最大限度地保留原料奶中的活性物质。

2.1 电耗和汽耗上有优势

以10 t/h生产产能为基准，对比使用国产BR2.0-BS-5J闪蒸机组设备工艺和利乐RO反渗透膜过滤系统（入口11.7 t/h）工艺的能耗，从表2数据可知，电耗可下降约63%，汽耗下降约61%。

表2 闪蒸和RO反渗透膜过滤系统工艺能耗对比

2.2 浓缩过程最大限度保持营养物质

RO反渗透膜过滤技术通常是在常温条件下进行，尤其是对热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩，以有助于保持分离物质的品相和营养不被破坏[2]。表3分别对原料奶和经过膜过滤1.2 倍浓缩后牛奶中的乳铁蛋白、α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、乳过氧化物酶、免疫球蛋白的数据进行分析，发现经过RO反渗透膜过滤系统后，其中的各项活性营养物质没有损失。

表3 原料奶和经过RO反渗透膜过滤系统的牛奶中活性营养物质对比

3 RO反渗透膜的污染及控制措施

3.1 RO反渗透膜污染

在RO反渗透膜过滤应用中，RO反渗透膜污染是常见的问题。RO反渗透膜不能受到颗粒物、胶体或沉淀物的污染，污染会造成系统产水量下降或段间压差上升。如果污染达到一定程度，则需要对其进行清洗和维护，恢复反渗透膜的主要功能[3]，污染非常严重时，必须进行更换。RO反渗透膜更换成本较高，做好日常CIP清洗和消毒是延长膜使用寿命的保障。

3.2 RO反渗透膜污染控制措施

3.2.1 原料奶无杂质

在前处理工艺中进行净乳和过滤，确保原料奶无杂质才能进入RO反渗透膜过滤系统进行浓缩。经过高温、长时间热处理而发生蛋白质变性的牛奶和配料后混有食品添加剂和悬浮物的牛奶半成品不可以通过RO反渗透膜过滤系统进行浓缩，避免变性乳清蛋白堵塞膜孔。

3.2.2 原料奶菌落总数小于2 万CFU/mL

RO反渗透膜过滤技术是一种类似于超滤膜分离的操作技术，只是所使用的滤膜更加致密，而且在滤膜的一端施加了压力，水会通过滤膜被压向另一面，从而达到浓缩的目的[4]。此过程中，除了牛奶中的脂肪、蛋白质、总干物质和乳糖、灰分、无机盐等，微生物也同步进行了浓缩，因此，为了保障产品的安全性，在前处理工艺中，增加了除菌分离机，以对原料奶进行除菌，保证原料奶在进入RO膜过滤系统前的菌落总数控制在2 万CFU/mL以内。

3.2.3 制定适合的清洗、消毒程序和频次

RO反渗透膜系统CIP清洗、消毒常使用的模式：（1）全套清洗流程：水洗-碱洗-水洗-酶洗-水洗-酸洗-水洗；（2）单碱清洗流程：水洗-碱洗-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反渗透膜系统CIP清洗、消毒频次：（1）生产结束时进行1 次全套清洗；（2）连续生产20 h，在生产至10 h时进行一个单碱洗；（3）生产结束后停机8 h以上，进行全套清洗流程并增加1 个单碱洗和1 个酸浸泡，每次酸浸泡后生产前需进行单碱洗；（4）生产过程中间等待时间超过2 h，需进行酸浸泡；（5）1~2 周进行1 次消毒。RO反渗透膜清洗水质要求如表4所示。

表4 RO反渗透膜过滤系统CIP清洗水质控制指标

生产过程中重点监控污染指数（SDI）值，SDI代表了水中颗粒、胶体和其他能阻塞RO反渗透膜的物体含量，SDI值的大小对RO反渗透膜运行寿命至关重要，CIP清洗水质的SDI检测参考值小于3，如果污染指数SDI值高于3设备清洗时反而会污染RO反渗透膜。设备清洗结束做好膜通量测试记录，通量测试值变化情况与新膜状态下通量变化在95%以内正常，当通量测试有较大偏离时需要重点关注设备清洗和水质质量。

4 结论

通过对RO反渗透膜的工艺流程关键控制点及RO反渗透膜过滤系统的优势、膜污染及控制措施分析总结，第一，可有效地降低电耗和蒸汽能耗。第二，可将原料奶蛋白质通过低温加压过滤的方式进行浓缩，蛋白质最高可提升至4.5%左右，最大限度保持牛奶中的营养物质，得到良好的口感且不会发生蛋白变性。第三，RO反渗透膜易污染，乳制品工厂在前处理中，需增加除菌分离设备及200目双联过滤工艺，去除原料奶中的杂质和微生物。第四，选择合适的清洗程序和清洗频次，做好通量测试值跟踪记录，通量测试值变化与新膜状态下通量变化在95%以内是正常。第五，CIP清洗水的质量控制，当水质污染指数（SDI）值高于3时，设备清洗反而会污染RO反渗透膜。