陶瓷膜技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
乳制品加工是一門較為傳統(tǒng)的技術(shù)，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，該工藝也得到迅速發(fā)展，許多過去無法解決的問題，隨著技術(shù)的進步，也有了較好的解決方案，膜分離技術(shù)就是使乳品加工技術(shù)得到迅速發(fā)展的一門新技術(shù)。上世紀(jì)80年代開始膜技術(shù)迅速在乳品工業(yè)中得到應(yīng)用，至90年代中期已普遍廣泛使用，其中用于該領(lǐng)域膜技術(shù)包括微濾、超濾、納濾和反滲透。
目前，由于東西方的飲食結(jié)構(gòu)不同，尤其是在乳品行業(yè)，膜分離技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛使用多年，而國內(nèi)這個領(lǐng)域則剛剛起步。國外早期使用的是有機膜，后來，隨著陶瓷超濾膜的出現(xiàn)，陶瓷膜在乳制品加工中開始應(yīng)用。
本文將介紹陶瓷膜微濾膜和超濾膜在乳制品領(lǐng)域的成功應(yīng)用情況。
1 脫脂奶中細菌和芽孢的去除
傳統(tǒng)的牛奶除菌技術(shù)為“巴氏殺菌”和“超高溫滅菌”，實際上目前國內(nèi)大多數(shù)鮮奶生產(chǎn)仍然是采用此技術(shù)，此技術(shù)已應(yīng)用多年，技術(shù)上很成熟，但有一個問題：由于牛奶是在高溫下進行，所以牛奶的風(fēng)味和營養(yǎng)受到較大的影響，并且殺死的細菌尸體均殘留在牛奶中。
為了解決此問題，人們開始考慮膜技術(shù)，因為膜技術(shù)操作溫度低，通過截留細菌來達到真正的“除菌”，同時可以保留牛奶的風(fēng)味和延長貨架期。
由于牛奶中含有的蛋白質(zhì)較多，這對膜技術(shù)處理非常不利，尤其除菌所用的膜是處于微濾范圍的膜，由于蛋白質(zhì)要穿過膜，所以，很容易造成膜通量的迅速下降，使得過濾持續(xù)的過程很短。所以目前的傳統(tǒng)的膜技術(shù)來處理牛奶，尤其是牛奶除菌遇到較大的問題。人們曾使用較多的技術(shù)來解決此問題，Alfa-Laval公司開發(fā)了Bactocatch工藝，能使微濾在恒定的壓力下達到高流量低污染的連續(xù)操作。用Bactocatch工藝制脫脂奶時，能除去99.7%的細菌，而酪蛋白只損失1%～3%，但這些均未能真正有效的解決此問題。
為了能真正有效地解決此問題，出現(xiàn)了兩種陶瓷膜（梯度膜），一種是法國TAMI的ISOFLUX膜，一種是PALL公司下屬的MEMBLOX的GP膜。
兩種膜的原理均是利用降低進出口的跨膜壓差，使得在膜的每個部分的透過液通量基本一致，從而來降低膜的污染，達到延長膜的操作時間的目的。
法國TAMI公司生產(chǎn)的ISOFLUX陶瓷膜：將膜長度方向分離層的厚度逐漸減小，產(chǎn)生了厚度梯度，以得到恒定通量的微濾膜。這種稱為ISOFLUX新式微濾膜已在工業(yè)條件下應(yīng)用于生產(chǎn)脫脂奶。1.4μm的ISOFLUX膜從進口至出口通量僅下降15%（標(biāo)準(zhǔn)1.4μm膜下降45%）。截留脂肪＞92%，截留酪蛋白＜4%，截留細菌能到4～5個log。此結(jié)果表明，ISOFLUX膜是一種有效適用的微濾膜，能滿足工業(yè)需要的長時間運轉(zhuǎn)。GEA公司開始在奶制品行業(yè)使用此技術(shù)，作為與傳統(tǒng)技術(shù)競爭的方法。
PALL公司的Membralox的GP膜則是通過改變膜的分離層的密度，即從進口到出口，分離層的密度逐漸減少，產(chǎn)生了密度梯度，來增加進口處的分離層阻力，從而達到使整個膜的通量保持一致，膜層的厚度則保持不變。
梯度膜的出現(xiàn)，使得牛奶除菌真正達到工業(yè)化，目前，已經(jīng)在國內(nèi)蛋白含量更高的特殊奶的加工中普遍使用，保存了牛奶中所有的營養(yǎng)成分，除菌率大大提高。將細菌尸體移出了牛奶，使得奶制品的品質(zhì)大大地提高，而傳統(tǒng)的“巴殺”技術(shù)則很難處理這種高蛋白含量的奶。
2 乳清蛋白的濃縮（WPC）
乳清是生產(chǎn)乳酪時由凝乳中排出的液體部分，每100kg牛奶能得到10～20kg乳酪和80～90kg乳清。乳清各個組分（如蛋白質(zhì)和乳糖）可單獨使用。由于乳清中乳糖對蛋白質(zhì)的比例不適當(dāng)和生物耗氧量過高（30000～50000mg/L），因此乳清本身曾是難于處理和利用的副產(chǎn)品。超濾膜提供了改進乳清質(zhì)量比例的途徑（P/S）。實際上膜技術(shù)成功的應(yīng)用到工業(yè)上的首批成果之一就是乳清加工，它開拓了乳清的綜合利用。
超濾膜的孔徑從上千到幾十萬，這樣適當(dāng)孔徑的超濾膜，能讓乳糖和可溶性鹽通過膜，而截留蛋白質(zhì)、脂肪和一些不溶的或化合物礦物質(zhì)。
乳清很容易污染超濾膜，污染物主要是蛋白質(zhì)和鹽類。α-乳白蛋白在牛奶的蛋白質(zhì)中含量較低但卻是主要的污染源。有機膜對于通量的恢復(fù)較陶瓷膜要困難，陶瓷膜可以承受較高的堿液濃度，并且可以在較高的溫度下清洗，同時還可以使用一定濃度的氧化劑，恢復(fù)通量很容易，而通量下降是制約膜技術(shù)應(yīng)用的一個大的障礙。
陶瓷超濾膜較有機膜有如下優(yōu)點：
（1）設(shè)備所需要的空間小。
（2）膜清洗簡單容易。
（3）耐酸堿，耐高溫，壽命長，可長達4～5年。
（4）產(chǎn)品質(zhì)量高。
乳清被陶瓷膜分離成兩部分，透過液為含有少量蛋白、乳糖、鹽類、水等，濃縮液則根據(jù)需要不同可以得到幾種產(chǎn)品：
（1）含有35%（P/S）左右的乳清蛋白產(chǎn)品。
（2）含有50%～60%（P/S）左右的乳清蛋白產(chǎn)品，用于動物飼料和食品添加劑。
（3）含有75%～80%（P/S）左右的乳清蛋白產(chǎn)品，主要用于醫(yī)藥和化妝品行業(yè)和嬰兒食品。
目前，超濾陶瓷膜在國內(nèi)許多特種營養(yǎng)蛋白的濃縮中已經(jīng)應(yīng)用，并且取得了非常好的效果，在國外則有大量的應(yīng)用案例。
3 乳清和乳清蛋白濃縮物中除菌和脂肪的去除
微濾陶瓷膜可以用作乳清超濾的預(yù)處理，乳清通常含有少量脂肪（以0.2～1μm的小球存在）和酪蛋白。用離心分離乳清，則不能完全除去脂肪和酪蛋白小顆粒；當(dāng)用超濾陶瓷膜過濾乳清時，這些組分特別是含脂類的組分，會損害乳清蛋白質(zhì)濃縮物的功能。用0.14μm的陶瓷微濾膜能有效除去大量這些不需要的組分。用微濾能使乳清中的脂肪對蛋白質(zhì)的比率由0.07～0.25降至0.001～0.003，同時還可以除去一些沉淀的鹽類和減少細菌的數(shù)量。
而用1.4μm的微濾膜過濾乳清和乳清蛋白濃縮物，則和過濾脫脂奶一樣，可以除去細菌和芽孢。
4 CIP清洗液的回用
錯流膜過濾系統(tǒng)正逐步被用來回收廢堿液，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)的方法具有如下特點：通常堿液的pH范圍為12～13.5，堿性清洗液通常在50～80℃的溫度范圍內(nèi)操作，有機膜則難以滿足上述苛刻條件，而陶瓷膜則可以完全滿足廢堿液的高pH值、較高的溫度和高的固含量的條件。而適宜的陶瓷膜并不截留堿液中的化學(xué)添加劑，幾乎可以全部回收CIP溶液的添加劑；同時，這些陶瓷膜截留超過99%的膠體和懸浮固體。使用陶瓷膜處理CIP廢堿液，可以達到真正減少化學(xué)品用量，降低BOD和廢水排放量，減少再用的熱能和水消費量。
陶瓷膜的過濾系統(tǒng)廣泛用于澄清和回收奶制品工業(yè)的CIP清洗液，廢堿液是來自工廠內(nèi)的一系列來源，例如，對奶酪乳清加工，稀的堿液廣泛用于清洗蒸發(fā)器。過去處理清洗蒸發(fā)器的大量堿液的傳統(tǒng)方式，僅是簡單的使用大罐沉降，使得重的固體下沉到底部，然后從頂部移出上清液。該方法的問題是再用的堿液不是非常清潔，罐底部的淤泥量（下沉的固體）非常大。而陶瓷膜可以用來處理此類廢堿液，從而降低淤泥量，并增加堿的回收量；回收后的堿液非常清潔，在調(diào)整到需要的濃度后，非常容易回收再用。由于減少了購買新堿的用量，以及降低廢物排放費用，節(jié)省了大量的費用。
