設(shè)計納濾和超濾組合膜系統(tǒng)優(yōu)化牛奶組分

◎ 葉俊華

（潔翼流體技術(shù)（上海）有限公司，上海 201401）

膜系統(tǒng)在乳品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。在國外，膜過濾常用于奶酪用奶的處理，以及奶酪副產(chǎn)物乳清液的深加工[3-4]。近年來，國內(nèi)外一些以鮮奶和酸奶為代表的低溫乳制品，以豐富的營養(yǎng)和新鮮的口感得到更多消費(fèi)者的認(rèn)可。其中，以膜過濾工藝來提高牛奶蛋白含量，以及優(yōu)化牛奶營養(yǎng)成分的乳制品[5]，更是占據(jù)乳制品的高端市場。

為了降低牛奶中單價鹽和乳糖的含量，生產(chǎn)更健康的低溫乳制品，設(shè)計了含納濾和超濾的組合膜系統(tǒng)，在濃縮牛奶蛋白的同時，按設(shè)定的優(yōu)化組分要求去除部分鹽分和乳糖。

1 設(shè)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

1.1 組分截留率

其中：CP表示組分在膜透過液中的濃度；CR表示組分在膜產(chǎn)品側(cè)的濃度；R 為組分截留率。設(shè)計使用了科氏乳品專用納濾和超濾膜，對牛奶組分截留率數(shù)據(jù)見表1。

表1 乳品納濾膜和超濾膜對牛奶組分的截留率表

1.2 物料平衡方程

其中：CF為組分在進(jìn)料中的濃度；QF為膜系統(tǒng)的進(jìn)料流量；CR為組分在截留液中的濃度；QR為截留液的流量；CP表示組分在膜透過液中的濃度；OP為透過液的流量。

1.3 通量標(biāo)準(zhǔn)曲線

通量標(biāo)準(zhǔn)曲線，指物料濃縮過程中，在一定溫度和壓力工況下，透過液的通量隨產(chǎn)品濃度不斷下降的關(guān)系曲線，如圖1 和圖2 所示。

圖1 納濾通量標(biāo)準(zhǔn)曲線圖（進(jìn)料脫脂奶，10 ℃-21 bar）

圖2 超濾通量標(biāo)準(zhǔn)曲線圖（進(jìn)料脫脂奶，10 ℃-1.5 bar）

通量標(biāo)準(zhǔn)曲線對清液通量進(jìn)行量化，截留率對組分濃度分配進(jìn)行量化，結(jié)合物料平衡方程，可以計算出物料平衡的能力和指標(biāo)結(jié)果，其是膜設(shè)計的數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2 組合膜系統(tǒng)設(shè)計

2.1 條件和要求

原料脫脂奶，組分指標(biāo)見表2。生產(chǎn)進(jìn)料能力10 000 Kg·h-1，要經(jīng)過組合膜系統(tǒng)的分離和濃縮，要求蛋白指標(biāo)≥11.0%，乳糖去除率≥40%，鈉鉀離子去除率≥60%。

2.2 物料平衡計算

納濾用于去除脫脂奶中的Na+、K+，超濾用于去除乳糖。考慮到超濾膜對牛奶蛋白有更高的耐受上限，且所需工作壓力較低，產(chǎn)品對膜的粘附較小，因此，采用了先納濾再超濾的組合膜工藝。

納濾和超濾對牛奶蛋白幾乎全部截留，組合膜的累計濃縮倍數(shù)決定了產(chǎn)品的蛋白指標(biāo)。根據(jù)計算累計濃縮倍數(shù)為11÷3.1 ≈3.55。累計濃縮倍數(shù)要合理分配在納濾和超濾工序。如果納濾濃縮倍數(shù)過大，則乳糖去除率不達(dá)標(biāo)，反之，乳糖去除過多。

根據(jù)組分截留率和物料平衡方程，計算出膜工藝處理前后的組分參數(shù)，按照每小時的物料量做衡算，結(jié)果見表2。

表2 納濾和超濾工藝過程的物料平衡表

計算按照納濾濃縮2 倍，超濾濃縮約1.8 倍，累計濃縮3.56 倍，目標(biāo)牛奶蛋白11%。根據(jù)膜處理前后的組分質(zhì)量（kg），作出膜處理前后的對比圖，如圖3 所示。

圖3 組合膜處理前后脫脂奶關(guān)鍵指標(biāo)的對比圖

由圖3 可以看出，經(jīng)納濾和超濾組合膜處理后，蛋白得率99.6%，處理過程中基本沒有損失。乳糖收得率55.6%，折算成脫除率44.4%。Na+和K+的脫除率均在60%以上。對牛奶的營養(yǎng)組分起到非常好的優(yōu)化。

2.3 納濾和超濾的系統(tǒng)配置

膜系統(tǒng)的模式通常有批次式和連續(xù)式2 種，工業(yè)生產(chǎn)常采用連續(xù)式，有利于設(shè)備的周轉(zhuǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定。連續(xù)式系統(tǒng)設(shè)計時，又常采用多級連續(xù)式逐步濃縮。

理論上連續(xù)式設(shè)計的級數(shù)越多，平均通量越大，也越接近于批次式的平均通量。不過每增加一級，對應(yīng)的循環(huán)泵、過程監(jiān)控儀表、管路制作、自動化控制等都要增加，也就是級數(shù)越多，設(shè)備成本越高。實際應(yīng)用時，會考慮膜的通量和設(shè)備投資的平衡。納濾設(shè)計為兩級配置如圖4 所示。

圖4 納濾系統(tǒng)的配置和流量分配圖

納濾系統(tǒng)需要10～30 bar 工作壓力，供料線上串聯(lián)多臺離心泵，疊加壓頭實現(xiàn)高壓。為實現(xiàn)膜表面足夠的剪切力，防止膜表面污染，每一級配置大流量循環(huán)泵。計算出一二級膜的生產(chǎn)通量分別為8kg·（m2·h-1）-1和5.4 kg·（m2·h-1）-1，可以求出相應(yīng)膜面積，兩級共累計排出清液5 000 kg·h-1，使脫脂奶逐步濃縮到2 倍，即5 000 kg·h-1的納濾濃縮奶，供給聯(lián)動的超濾系統(tǒng)。

超濾系統(tǒng)同樣配置兩級。一二級膜的生產(chǎn)通量分 別 為6.8 kg·（m2·h-1）-1和5.3 kg·（m2·h-1）-1，兩級共累計排出清液2 192 kg·h-1，濃縮1.78 倍，即2 808 kg·h-1的超濾濃縮奶，組合膜系統(tǒng)累計濃縮3.56倍。

2.4 納濾和超濾的能力適配調(diào)節(jié)

在設(shè)計膜系統(tǒng)時，需要留有一定余量面積，用來補(bǔ)償生產(chǎn)過程中膜的污染造成的能力損失。單個膜系統(tǒng)的能力調(diào)節(jié)，相對來說比較容易。納濾通過系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)，可以維持恒定的生產(chǎn)能力。超濾在設(shè)計能力富余時，通過將部分透過液溢流或輸送到產(chǎn)品平衡缸，使再循環(huán)的透過液占用富余的能力，來維持超濾系統(tǒng)恒定的生產(chǎn)能力。

超濾的物料平衡缸，接受來自納濾的濃縮牛奶，其是2 個系統(tǒng)的中間緩沖。納濾能力和超濾能力的對應(yīng)關(guān)系，會體現(xiàn)在超濾的物料平衡缸的液位上。前者能力大液位升高，后者能力大液位降低。兩者均達(dá)到設(shè)計能力時，液位不變。把液位設(shè)定為50%，對應(yīng)于納濾的能力是10 t·h-1。如果液位升高，則希望上游納濾的能力下降，液位升到100%時，納濾的能力期望值降為0，生成根據(jù)液位值轉(zhuǎn)化的納濾能力方程：

其中：X 表示超濾平衡缸的過程液位。

實際上隨著液位的上升，組合系統(tǒng)的能力不斷下降，通常在8～10 h 的生產(chǎn)過程中，能力下降10%～30%，即達(dá)到新的平衡。所以，正常的液位介于50%～75%，更高的液位作為預(yù)留區(qū)間，用于容納極端的工況，如圖5 所示。

圖5 超濾液位轉(zhuǎn)化納濾能力的關(guān)系曲線圖

2.5 設(shè)備的獨(dú)立和聯(lián)動運(yùn)行模式

納濾和超濾系統(tǒng)有時需要獨(dú)立運(yùn)行。只運(yùn)行納濾能脫除部分單價鹽，而使乳糖得到最大保留；相反，只運(yùn)行超濾，提高蛋白的同時使乳糖得到最大限度的脫除。這是組合系統(tǒng)生產(chǎn)得到的產(chǎn)品指標(biāo)范圍的上限和下限。大部分情況下，組合膜系統(tǒng)配合運(yùn)行。

系統(tǒng)配置了兩套全自動旁通閥組，可以旁通納濾系統(tǒng)或者旁通超濾系統(tǒng)，如圖6～圖9 所示，圖中虛線表示產(chǎn)品流經(jīng)的管路，膜系統(tǒng)的虛線框表示該系統(tǒng)參與生產(chǎn)。

圖6 組合膜系統(tǒng)的初始狀態(tài)圖

圖7 組合膜系統(tǒng)的聯(lián)動狀態(tài)圖

圖8 組合膜系統(tǒng)的僅NF 運(yùn)行狀態(tài)圖

圖9 組合膜系統(tǒng)的僅UF 運(yùn)行狀態(tài)圖

產(chǎn)品指標(biāo)的需求是多樣化的，且會隨市場的變化提出更多新的要求。僅納濾實現(xiàn)99%最大的乳糖保留；僅超濾在濃縮4 倍時，乳糖脫除約75%。在實際操作中，設(shè)定納濾和超濾不同的濃縮上下限之間的任何指標(biāo)。

3 結(jié)語

（1）納濾和超濾組合膜系統(tǒng)處理脫脂奶，分別濃縮2 倍和1.78 倍，實現(xiàn)蛋白含量11%，蛋白保留率99.5%，乳糖脫除率44%，Na+、K+脫除率61%。

（2）納濾配置為兩級系統(tǒng)，通量分別為8 kg·（m2·h-1）-1和5.4 kg·（m2·h-1）-1，平均通量6.94 kg·（m2·h-1）-1，比單級系統(tǒng)提高28%；超濾兩級通量分別為6.8 kg·（m2·h-1）-1和5.3 kg·（m2·h-1）-1，平均通量6.14 kg·（m2·h-1）-1，比單級系統(tǒng)提高16%。

（3）組合膜系統(tǒng)的能力適配，通過超濾平衡缸的液位，轉(zhuǎn)化為納濾系統(tǒng)的能力設(shè)定值。

（4）配置納濾和超濾系統(tǒng)的旁通閥組，能夠?qū)崿F(xiàn)組合膜的聯(lián)動運(yùn)行、納濾的獨(dú)立運(yùn)行、超濾的獨(dú)立運(yùn)行3 種工作模式。

（5）納濾和超濾組合膜系統(tǒng)分別設(shè)定不同的濃縮倍數(shù)，可實現(xiàn)設(shè)定的蛋白指標(biāo)和多種乳糖指標(biāo)。