一种乳及乳制品的浓缩方法与流程

本发明涉及一种液体的浓缩方法以及设备，尤其涉及采用反渗透技术对乳及乳制品进行浓缩的方法和工艺设备配置。

背景技术：

浓缩是提升溶液中溶质浓度和降低溶剂数量的过程，不涉及物质相变；浓缩技术是一项通用型技术，广泛应用于食品、化工、生物制药等领域。

在乳及乳制品工业中，浓缩就是从乳或乳清及乳制品配置液体中除去水份的分离过程。通过浓缩除去食品中大量的水分，减少质量和体积，降低食品包装、贮存和运输费用；进一步浓缩可作为干燥、结晶或完全脱水的预处理工艺过程；浓缩可以减少乳及乳制品直接从低浓度脱水成粉的过程能耗，极大的降低生产成本；同时改善产品质量，便于存放。因此，浓缩方法在乳及乳制品加工中是一项重要的技术。

在乳及乳制品工业生产中，为了满足浓缩需求，目前采用如高温蒸发、低温蒸发、冷冻蒸发等多种方法。但是这些方法有的会消耗大量的能量来加热乳及乳制品，同时高温会对料液存在潜在的风险，例如，会破坏乳中的活性敏感成分，降低了乳及乳制品应用的效果，另外采用乳冷冻浓缩可实现活性敏感成分保护，但是技术冷冻浓缩复杂、成本极高，在应用成本方面受限。

目前最常用的浓缩设备是热真空蒸发设备，原理是热乳进入到蒸发器中，蒸发器产生负压，使得蒸发器内的料液的水分汽化，同时不断排出，从而去除水分，使得乳及乳制品的浓度不断提高，达到目标浓度。但是这种设备是通过高温、负压的方法将料液中的水分去除，缺点在于：浓缩过程中，对乳及乳制品加热，加热的强度低浓缩效率低，强度过强活性敏感成分被破坏；

另外一种浓缩设备是反渗透膜设备，反渗透膜设备由反渗透膜芯、膜室、泵、浓缩液管路、渗透水管路、辅助设施等组成的设备，实现乳及乳制品在反渗透膜设备中利用压力把乳及乳制品中水分利用反渗透膜分离出来，通过循环提升浓度，实现在低温下连续浓缩的设备，这种膜浓缩技术能够在浓缩步骤最大保留活性敏感成分；

但是现有的反渗透膜浓缩技术主要集中在低压反渗透膜浓缩和高压反渗透膜浓缩方面，低压反渗透膜浓缩一般使用＜30bar以下的终端渗透压力，只能用于乳及乳制品浓度＜25％干物质的浓缩需求；高压反渗透膜浓缩一般采用＞50bar以上的终端渗透压力，同时采用＞7级以上多级浓缩方式实现，这样的高压浓缩使得能耗和成本增加、过多的机械力对乳及乳制品产品质量、口味产生影响；

而中压反渗透膜浓缩通过技术优化，使终端渗透压力维持在32-42bar之间，可以将乳及乳制品的干物质浓缩到40％，同时具备成本可控、浓度可控、活性敏感成分保留的浓缩优势；同时通过选择反渗透膜的浓缩液导流道宽度、反渗透膜材料、承受压力、面积等实现成本有效降低和乳及乳制品浓缩液质量的大幅提升；

一方面，通过中压反渗透膜浓缩可以使乳及乳制品料液中固形物含量增加，满足过程生产工艺需求；另一方面，通过低温浓缩减小乳及乳制品体积，降低蛋白、活性敏感成分的变性程度，满足营养保留需求；同时利用其他辅助工艺技术控制乳及乳制品微生物及生物化学指标，形成高效低成本高质量的浓缩目标产物。

在乳及乳制品制粉工艺生产中，一般采用的是热浓缩工艺技术，巴氏热杀菌、热源真空干燥塔等关键工序达成全脂乳粉或脱脂乳粉或者浓缩乳及乳制品的产品生产，这种工艺步骤总体对乳及乳制品原料液中的原有活性敏感成分是一个综合效应的破坏过程，同时在工艺生产过程影响乳及乳制品口味变化、营养降低；

而综合采用低温处理手段，如膜浓缩、低热能杀菌或冷杀菌、形成的乳及乳制品的浓缩液或产品，将对整体产品的质量在保持乳及乳制品原料液的原有活性敏感成分，气味保持等方面有积极的正面作用；

同时对浓缩步骤、杀菌步骤组合实现乳及乳制品的浓缩，需要平衡各个技术的优劣势以进一步提高浓缩效果，所以技术组合手段是一项复杂的过程。

技术实现要素：

本发明是针对现有采用乳及乳制品作为原料生产乳及乳制品浓缩液或产品所做出的改进的浓缩方法。

首先是采用中压反渗透膜对乳或乳制品进行反渗透浓缩处理中通过反渗透系统调整渗透压、改善流动性、工作温度、工作面积及进行精确控制，减少了对其敏感成分的影响。进一步将中压反渗透膜处理与低热能或冷杀菌或除菌技术等组合，实现保持乳及乳制品原料液中的原有活性敏感成分，气味等优势同时达到除菌或杀菌的目的，为达到更优的效果，在每个环节实施步骤采用有效精确流量匹配，参数匹配。最终实现乳及乳制品浓缩液或产品，可用于后续的加工或产品储存。

所述乳及乳制品可以是牛乳、羊乳、驴乳、马乳、骆驼乳，同时也可以是通过上述乳原料经过分离、组合、其他配料所形成的乳及乳制品的原液，同时也可以适用于于其他如动物、植物功能性提取物的料液制粉原料；

所述的乳及乳制品浓缩液或产品，包括并不限于可用于后续加工的无菌浓缩液，冷冻浓缩乳、冰淇淋浆料、乳及乳制品粉、功能性乳及乳制品浓缩液等。

本发明所述的乳及乳制品浓缩液或产品的营养和微生物、气味的优选指标具体包括浓缩乳总固含量＞40％，蛋白质含量10％，脂肪含量＞12％，乳糖＞15％，钙含量＞250mg/l，细菌总数cfu/ml＜50000，色泽描述，口感描述，气味指标数据己酸阈值0.9ug/l，气味指标数据丁酸阈值2.5ug/l，气味指标数据庚酸阈值0.9ug/l，复原为原液指标后，指标稳定，无脂肪上浮，煮沸后无沙砾化和沉淀现象，平均粒径(激光粒径分析)＜6μm，稳定性指指数＜阈值0.5，乳清蛋白变性率(vpn指数)＜10％，乳铁蛋白含保存率＞40％，糠胺酸含量＜80mg/100g蛋白质，β-乳球蛋白＞1.0mg/l，免疫球蛋白igg＞100mg/100g蛋白质，维生素vb2＞0.100mg/100g蛋白质。

首先本发明所述的浓缩方法中提供的中压反渗透浓缩方法，包括：使用中压反渗透膜对生乳进行反渗透浓缩处理的步骤；所述中压反渗透浓缩处理是通过反渗透系统调整渗透压、改善流动性、工作温度、工作面积所做出的精确控制，形成对乳及乳制品的浓缩处理步骤。

所述中压反渗透浓缩处理采用膜最后一级的终端渗透压力在32-42bar之间运行，精确适应浓缩乳及乳制品的渗透压力，降低高压力＞42bar所带来的能耗增加，同时能够降低高压产生的机械影响带来的口味变化。

一方面，其中膜最后一级的终端渗透压力采用精准控制。

优选地，所述中压反渗透膜处理中压力控制在32-42bar，依据乳及乳制品的干物质浓度值在40％以下时，自由匹配渗透压力梯度，同时实现用最小压力提高干物质浓度目标到达40％，中压反渗透还可降低以往使用高压设备的制作成本。

一方面，中压反渗透膜处理中工作温度可精确调整在0-20℃，工作温度过高会影响浓缩过程的营养变化，同时温度也会影响反渗透膜的过滤效率从而影响成本。

优选地，本发明中采用的是低温浓缩，采用冷却装置将浓缩液出口温度控制在10-14℃，有效控制成本同时完整保留活性敏感成分。

其次，所述的组合式浓缩方法中提供的中压反渗透浓缩设备：包括进料、循环、分级加压、ro浓缩、控制、ro水回收、出料，冷却、清洗、防漏测试等功能；

一方面，中压反渗透膜处理中选择合理的膜材料和膜芯。

优选地，本发明中采用的是优选耐高压的卷式聚酰胺反渗透膜，koch8038hr-vyv或其他同类膜，承受压力45bar，流道宽度46mil。

另一方面，所述中压反渗透膜处理中的膜工作面积是适应乳及乳制品浓缩的要求，综合中压反渗透膜通量控制，选择最佳的膜面积需要根据产能处理量设计实现。

优选地，本发明中综合中压反渗透膜通量控制在运行8小时后仍然维持2l/m²/h---8l/m²/h的水平，选择最佳产能的工作面积，从而降低膜浓缩在运行过程中的机械能、购置膜材料的成本；

一方面，对所述中压反渗透膜处理的浓缩设备，包括膜芯、膜室、浓缩级数、膜组等，膜组包括一级或多级浓缩级数，浓缩级数包括一个或多个膜室，膜室包括1支或多支膜芯，即采用膜芯-膜室-浓缩级数-膜组的从小到大的顺序组合连接方式，利用随运行时间膜通量向膜设备的后段转移，综合保障膜运行效率。

优选地，具体顺序组合连接采用串联-并联-串联-串联的优化组合方式实施。

更优选地，总体采用膜芯串联(4支)--膜室并联(6-8)--浓缩级数串联(5-6级)-膜组串联(3-4组)的顺序组合连接方式，降低能耗。

更优选地，6级浓缩级每级设置1个循环泵，3段组合膜组中，第一段前3个浓缩级设置1个加压泵，中间2个浓缩级设置1个加压泵，最后1个浓缩级单独设置1个加压泵，精确调整流速、压力适应乳及乳制品的流动性，更好的适应渗透过程的压力和流量需求。本发明的中压反渗透膜处理的浓缩设备的设计，可以通过浓缩级和浓缩膜组分别控制流量和压力，有助于均匀分布产品料液，可有效利用膜面积和膜通量，有效的实现中压浓缩。

更优选地，浓缩浓度梯度变化值与面积布局匹配度，在浓缩运行8小时时间通过膜通量向膜设备的后段转移，综合保障膜运行效率。

在进一步的实施方式中，在上述中压反渗透膜浓缩方法的基础上，还组合低热能或冷杀菌或除菌技术，以更好的保持乳及乳制品中的原有口味、活性敏感成分、营养物质，同时降低微生物生长或污染。

其中，所述低热能或冷杀菌或除菌技术方法包括：使用蒸汽浸入式杀菌、巴氏杀菌、离心除菌、微筛膜除菌、紫外杀菌、放射线辐照杀菌、超声波杀菌、放电杀菌、高压杀菌、微波杀菌、磁场杀菌、静电杀菌、感应电子杀菌和强光脉冲杀菌等杀菌方式。进一步还通过不同杀菌的科学合理组合来保护乳及乳制品的原有气味、活性敏感成分、营养物质，在杀菌作用下保持，从而提升由于杀菌所带来的营养损失。

所述的低热能或冷杀菌或除菌技术可以是一种或几种杀菌技术的组合，不限定前后的匹配关系；

一方面，所述浓缩乳及乳制品原料液采用的低热能或冷杀菌或除菌技术可以浓缩前或浓缩后能实现微生物指标的要求和气味、活性敏感成分、营养物质的保留指标要求。

另一方面，对所述浓缩乳及乳制品采用的低热能或冷杀菌方法，适用于液体干物质浓度在40％的低热能或冷杀菌或除菌，实现乳及乳制品浓缩液或产品的微生物指标符合巴氏灭菌或制粉等指标的特性，可用于后续的加工或产品储存。

优选地，在浓缩步骤前或后采用离心除菌步骤，在其他低热能或冷杀菌或除菌时作为组合除菌实施，除菌温度40-50℃；

优选地，在浓缩步骤前采用脱脂乳微筛膜过滤除菌，除菌温度40-50℃，除菌膜孔径0.5μm；乳脂肪采用杀菌温度137℃，杀菌时间4秒杀菌，后再将乳脂肪回填混合；

优选地，在浓缩步骤之前采用杀菌温度151℃、杀菌时间0.1秒蒸汽浸入式杀菌，同步料液出口采用真空蒸发方式去除杀菌产生的气味。对实施的乳及乳制品原料液杀菌可以保持乳及乳制品的原有气味，同时实现活性敏感成分、营养物质综合保留率高于50％。

更优选地，在浓缩步骤之前采用乳及乳制品原料液实施紫外杀菌，采用高通量玻璃，料液间隙层为0.2-0.5mm，紫外照射剂量为800j/l～1200j/l。乳及乳制品原料料液温度为10℃～50℃，同步料液出口采用低温真空蒸发方式去除紫外杀菌产生的气味。保证对乳及乳制品杀菌可以保持乳及乳制品的原有气味，同时实现活性敏感成分、营养物质综合保留率高于60％以上。

更优选地，在浓缩步骤前或后采用杀菌温度85℃、杀菌时间15秒巴氏杀菌，同时通过巴氏杀菌换热器装置改进板式接触面的方式，控制巴氏杀菌过程料液与热水接触的面积和接触时间，从而使高浓缩液在巴氏杀菌条件下蛋白变性率降低，同步料液出口采用低温真空蒸发方式去除巴氏杀菌产生的气味。对实施浓缩后的乳及乳制品杀菌可以保持乳及乳制品的原有气味，解决高浓缩乳及乳制品料液热杀菌变性率高的问题，同时实现活性敏感成分、营养物质综合保留率高于50％。

所述的组合式浓缩方法，包含其他处理步骤还可包括以下处理步骤：1)乳及乳制品原料液体收储步骤；2)过滤或净乳步骤；3)各个工序输送步骤；4)检测判定步骤；5)热杀菌或净乳的升温冷却步骤；6)配料步骤；7)包装步骤；8)清洗步骤等。

例如，包含乳及乳制品原料液体收储步骤，在收储过程温度控制在2-8℃；储存时间严格控制在8小时以内；过滤或净乳步骤，去除乳及乳制品原料液或过程液体或浓缩液中的杂质和体细胞，上述处理步骤后的杂质度＜200ppm，体细胞数＜200000个/ml；浓缩流程中关键步骤的检测判定，满足所述的制粉步骤的过程液体、最终粉料所符合的各项指标标准测量数值；清洗步骤是对各个步骤设备的彻底清洗，满足去除残留物的目的，清洗后满足避免生物、物理、化学的污染要求，适用于食品加工要求；任选地，还包括热杀菌或净乳的升温冷却步骤，各个步骤升温温度不超过50℃，冷却温度在2-20℃，保留营养，避免微生物滋生；或配料步骤，根据指标要求所添加的物质的添加配制过程；或包装步骤可以是预制的敞开式包装容器干燥后封盖包装形式，也可以是条状便利包装、铁桶包装、pe材料桶或袋包装，依据需求包装，不限制包装形式。

本发明通过其采用中压反渗透膜浓缩处理，能够最大限度的保持乳及乳制品原料液中的原有活性敏感成分等，并进一步与杀菌方式组合，所制备得到的乳制品的浓缩液或产品，能够保持乳及乳制品原料液的原有活性敏感成分和气味，且不具有异味，通过比例的比较，表明本发明效果十分明显，具有较高的应用价值。

附图说明

图1是根据本发明的浓缩方法的示例性流程图；

图2是示出根据本发明的中压反渗透浓缩设备的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述根据本发明的中压反渗透浓缩方法的应用实施情况。结合以下数个优选实施例公开了本发明所述的具体内容，但是所述的实施例的具体内部，并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与修饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求书所界定权利为准。

中压反渗透浓缩设备

中压反渗透浓缩设备实例设备(图2)，包括每个膜室安装4支koch8038hr-vyv型反渗透膜芯，每6-8个膜室组成浓缩膜级同步设置内部循环泵流量可控，该6级浓缩膜级分为3个膜组再调整渗透压力，重点是对各个膜室组成的6级膜级的递进式控制采用每级的流量控制从而控制压力实现总体的中压控制，压力为32-42bar，具体参数如下。

该设备8小时运行实施，可实现运行过程渗透压差保持在42bar以内，同时总体平均膜通量在2-8l/m²/h之间。

方法步骤的具体操作描述

如图1所示根据本发明的浓缩方法的示例性流程图两种方式。为了便于理解和描述简洁，将各个实施例(包括对比例)中可能采取的每个步骤的具体操作统一描述如下：

生牛乳：原奶验收采用国家标准gb19301-2010、ny/t1172-2006，牛乳到厂后进行理化感官微生物的指标检验ts11.8％，脂肪3.2％，蛋白质3.1％。

净乳及过滤：对符合要求的生奶进行过滤除去物理杂质，经过孔径0.50mm的双联过滤器并同时进行分离式净乳。

贮存或冷却贮存：进行过滤和净乳后的生乳冷却至7℃，并储存，控制储存时间＜4小时。同时进行相关过程指标检测。

离心脱脂：生乳升温到50℃，进入离心分离机中进行脱脂，脱脂乳脂肪含量控制在0.06％以下，稀奶油的脂肪含量控制在35％。

离心除菌：前段工序产品升温到50℃，进入除菌分离机中进行除菌，离心力为7000-15000n。

巴氏杀菌：前段工序产品立即进入巴氏杀菌，升温至杀菌温度85℃、保持15秒时间实现巴氏杀菌步骤；然后冷却到4-10℃。

紫外杀菌：前段工序产品立即进入紫外杀菌段，调整紫外杀菌的总体强度值达到1200j/l，对在玻璃夹层中牛乳进行紫外杀菌，杀菌温度为10-50℃。

蒸汽浸入式杀菌：前段工序产品立即进入蒸汽浸入式杀菌，升温至杀菌温度151℃是，杀菌时间0.1s、实现杀菌步骤。

微筛膜除菌：前段工序产品立即进入到微筛膜除菌，微筛膜选择高精度0.5μm的孔径，温度为50℃的条件进行膜除菌。

稀奶油高温杀菌：对稀奶油进行常规uht杀菌温度137℃，杀菌时间4秒，杀菌后温度冷却到常温20℃。

脱气：前段工序产品进入巴脱气段，温度调至脱气温度50-70℃、调整真空度为-0.1～-0.86bar进行脱气，去除牛乳中的气味，然后温度调至下个工序段所需温度；

中压反渗透浓缩：前段工序产品进入中压反渗透膜处理设备进行膜浓缩，其中，中压反渗透膜采用膜间流道为46mil的反渗透膜芯，设备共计为6级浓缩级分成三段膜组，调整最后一段膜组压力达到40bar，启动每一级浓缩级的内循环泵，使得每个膜室内的膜表面流速达到4-6m/s，每只膜前后压力达到0.5-1bar，经过20-40min的预浓缩，调整循环过程的冷却水流量使整体料液温度控制在12℃以下，调节每一段膜组下向一段膜组输出的流量，控制总体所输出的浓缩比在3.3-3.5之间，使浓缩乳的干物质达到40％以上。

高压反渗透浓缩：前段工序产品进入高压反渗透膜处理设备进行膜浓缩，其中，中压压反渗透膜采用膜间流道为46mil的反渗透膜芯，设备共计为10级浓缩级分成四段膜组，调整最后一段膜组压力达到50-60bar，启动每一级浓缩级的内循环泵，使得每个膜室内的膜表面流速达到4-6m/s，每只膜前后压力达到0.5-1bar，经过20-40min的预浓缩，调整循环过程的冷却水流量使整体料液温度控制在12℃以下，调节每一段膜组下向一段膜组输出的流量，控制总体所输出的浓缩比在3.3-3.5之间，使浓缩乳的干物质达到40％以上。

混合标准化：将前段工序产品与杀菌后的稀奶油进行混合标准化，到达浓缩乳的成分比例；标准化后的浓缩乳进入贮存罐中持续打冷到4-8℃储存检验，然后快速到达灌装机灌装或者进入下一段工序

常规3效降膜蒸发器热浓缩：前段工序产品进入常规3效降膜蒸发器进行热浓缩，其中，浓缩温度控制在65-75℃，使浓缩乳的干物质达到40％以上，然后冷却至下个工序段所需温度。

浓缩液或浓缩产品：浓缩乳进入贮存罐中持续打冷到4-8℃储存检验，然后快速到达灌装机灌装或者进入下一段工序。

清洗：每个流程方案实施生产后要进行清洗工艺，清洗工艺为上述步骤完成后的全面标准cip清洗。

本发明浓缩方法实施例

实施例1

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---巴氏杀菌---脱气---中压反渗透浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，口感好，气味指标好，营养保留率较高。检测如果如下：

实施例2

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---紫外杀菌---脱气---中压反渗透浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，灭菌率高，营养指标好，免疫球蛋白保留率高，乳铁蛋白保留达到80％。检测如果如下：

实施例3

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---蒸汽浸入式杀菌---脱气---中压反渗透浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，灭菌率高，口味好，气味指标水平较低，。检测如果如下：

实施例4

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---中压反渗透浓缩---离心除菌---巴氏杀菌---脱气---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，微生物指标控制较好。检测如果如下：

实施例5

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---离心脱脂---离心除菌---微筛膜除菌---脱气---冷却贮存---脱脂乳中压反渗透浓缩---稀奶油杀菌---混合标准化---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，气味指标控制好，口味好。检测如果如下：

实施例6

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---巴氏杀菌---脱气---中压反渗透浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，气味指标控制好，口味好。检测如果如下：

实施例7

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心杀菌---脱气---中压反渗透浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，无热杀菌，免疫球蛋白保留值高，能保留95％的乳铁蛋白。检测如果如下：

对比例

对比例1

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---巴氏杀菌---脱气---常规3效降膜蒸发器浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，常规3效降膜蒸发器浓缩对产品加热强度高，热敏营养物质损失大，乳铁蛋白为零。检测如果如下：

对比例2

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---巴氏杀菌---脱气---高压反渗透膜浓缩(浓缩压力大于42bar)---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，高压反渗透浓缩对产品机械强度高，局部热量大温度高对气味产生影响，同时整体成本增高。检测如果如下：

对比例3

按如下工艺步骤实施：生牛乳---净乳及过滤---贮存---离心除菌---紫外杀菌---脱气---常规3效降膜蒸发器浓缩---浓缩液或浓缩产品---清洗。经上述工艺生产后，得到具有在4-8℃流动性浓缩乳，即使完全采用冷杀菌方式，常规3效降膜蒸发器热浓缩对产品加热强度依然较高高，热敏营养物质损失大，乳铁蛋白为零。检测如果如下：