设计纳滤和超滤组合膜系统优化牛奶组分

◎ 叶俊华

（洁翼流体技术（上海）有限公司，上海 201401）

膜系统在乳品行业有着广泛的应用[1-2]。在国外，膜过滤常用于奶酪用奶的处理，以及奶酪副产物乳清液的深加工[3-4]。近年来，国内外一些以鲜奶和酸奶为代表的低温乳制品，以丰富的营养和新鲜的口感得到更多消费者的认可。其中，以膜过滤工艺来提高牛奶蛋白含量，以及优化牛奶营养成分的乳制品[5]，更是占据乳制品的高端市场。

为了降低牛奶中单价盐和乳糖的含量，生产更健康的低温乳制品，设计了含纳滤和超滤的组合膜系统，在浓缩牛奶蛋白的同时，按设定的优化组分要求去除部分盐分和乳糖。

1 设计数据基础

1.1 组分截留率

其中：CP表示组分在膜透过液中的浓度；CR表示组分在膜产品侧的浓度；R 为组分截留率。设计使用了科氏乳品专用纳滤和超滤膜，对牛奶组分截留率数据见表1。

表1 乳品纳滤膜和超滤膜对牛奶组分的截留率表

1.2 物料平衡方程

其中：CF为组分在进料中的浓度；QF为膜系统的进料流量；CR为组分在截留液中的浓度；QR为截留液的流量；CP表示组分在膜透过液中的浓度；OP为透过液的流量。

1.3 通量标准曲线

通量标准曲线，指物料浓缩过程中，在一定温度和压力工况下，透过液的通量随产品浓度不断下降的关系曲线，如图1 和图2 所示。

图1 纳滤通量标准曲线图（进料脱脂奶，10 ℃-21 bar）

图2 超滤通量标准曲线图（进料脱脂奶，10 ℃-1.5 bar）

通量标准曲线对清液通量进行量化，截留率对组分浓度分配进行量化，结合物料平衡方程，可以计算出物料平衡的能力和指标结果，其是膜设计的数据和理论基础。

2 组合膜系统设计

2.1 条件和要求

原料脱脂奶，组分指标见表2。生产进料能力10 000 Kg·h-1，要经过组合膜系统的分离和浓缩，要求蛋白指标≥11.0%，乳糖去除率≥40%，钠钾离子去除率≥60%。

2.2 物料平衡计算

纳滤用于去除脱脂奶中的Na+、K+，超滤用于去除乳糖。考虑到超滤膜对牛奶蛋白有更高的耐受上限，且所需工作压力较低，产品对膜的粘附较小，因此，采用了先纳滤再超滤的组合膜工艺。

纳滤和超滤对牛奶蛋白几乎全部截留，组合膜的累计浓缩倍数决定了产品的蛋白指标。根据计算累计浓缩倍数为11÷3.1 ≈3.55。累计浓缩倍数要合理分配在纳滤和超滤工序。如果纳滤浓缩倍数过大，则乳糖去除率不达标，反之，乳糖去除过多。

根据组分截留率和物料平衡方程，计算出膜工艺处理前后的组分参数，按照每小时的物料量做衡算，结果见表2。

表2 纳滤和超滤工艺过程的物料平衡表

计算按照纳滤浓缩2 倍，超滤浓缩约1.8 倍，累计浓缩3.56 倍，目标牛奶蛋白11%。根据膜处理前后的组分质量（kg），作出膜处理前后的对比图，如图3 所示。

图3 组合膜处理前后脱脂奶关键指标的对比图

由图3 可以看出，经纳滤和超滤组合膜处理后，蛋白得率99.6%，处理过程中基本没有损失。乳糖收得率55.6%，折算成脱除率44.4%。Na+和K+的脱除率均在60%以上。对牛奶的营养组分起到非常好的优化。

2.3 纳滤和超滤的系统配置

膜系统的模式通常有批次式和连续式2 种，工业生产常采用连续式，有利于设备的周转和产品品质的稳定。连续式系统设计时，又常采用多级连续式逐步浓缩。

理论上连续式设计的级数越多，平均通量越大，也越接近于批次式的平均通量。不过每增加一级，对应的循环泵、过程监控仪表、管路制作、自动化控制等都要增加，也就是级数越多，设备成本越高。实际应用时，会考虑膜的通量和设备投资的平衡。纳滤设计为两级配置如图4 所示。

图4 纳滤系统的配置和流量分配图

纳滤系统需要10～30 bar 工作压力，供料线上串联多台离心泵，叠加压头实现高压。为实现膜表面足够的剪切力，防止膜表面污染，每一级配置大流量循环泵。计算出一二级膜的生产通量分别为8kg·（m2·h-1）-1和5.4 kg·（m2·h-1）-1，可以求出相应膜面积，两级共累计排出清液5 000 kg·h-1，使脱脂奶逐步浓缩到2 倍，即5 000 kg·h-1的纳滤浓缩奶，供给联动的超滤系统。

超滤系统同样配置两级。一二级膜的生产通量分 别 为6.8 kg·（m2·h-1）-1和5.3 kg·（m2·h-1）-1，两级共累计排出清液2 192 kg·h-1，浓缩1.78 倍，即2 808 kg·h-1的超滤浓缩奶，组合膜系统累计浓缩3.56倍。

2.4 纳滤和超滤的能力适配调节

在设计膜系统时，需要留有一定余量面积，用来补偿生产过程中膜的污染造成的能力损失。单个膜系统的能力调节，相对来说比较容易。纳滤通过系统压力的调节，可以维持恒定的生产能力。超滤在设计能力富余时，通过将部分透过液溢流或输送到产品平衡缸，使再循环的透过液占用富余的能力，来维持超滤系统恒定的生产能力。

超滤的物料平衡缸，接受来自纳滤的浓缩牛奶，其是2 个系统的中间缓冲。纳滤能力和超滤能力的对应关系，会体现在超滤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。两者均达到设计能力时，液位不变。把液位设定为50%，对应于纳滤的能力是10 t·h-1。如果液位升高，则希望上游纳滤的能力下降，液位升到100%时，纳滤的能力期望值降为0，生成根据液位值转化的纳滤能力方程：

其中：X 表示超滤平衡缸的过程液位。

实际上随着液位的上升，组合系统的能力不断下降，通常在8～10 h 的生产过程中，能力下降10%～30%，即达到新的平衡。所以，正常的液位介于50%～75%，更高的液位作为预留区间，用于容纳极端的工况，如图5 所示。

图5 超滤液位转化纳滤能力的关系曲线图

2.5 设备的独立和联动运行模式

纳滤和超滤系统有时需要独立运行。只运行纳滤能脱除部分单价盐，而使乳糖得到最大保留；相反，只运行超滤，提高蛋白的同时使乳糖得到最大限度的脱除。这是组合系统生产得到的产品指标范围的上限和下限。大部分情况下，组合膜系统配合运行。

系统配置了两套全自动旁通阀组，可以旁通纳滤系统或者旁通超滤系统，如图6～图9 所示，图中虚线表示产品流经的管路，膜系统的虚线框表示该系统参与生产。

图6 组合膜系统的初始状态图

图7 组合膜系统的联动状态图

图8 组合膜系统的仅NF 运行状态图

图9 组合膜系统的仅UF 运行状态图

产品指标的需求是多样化的，且会随市场的变化提出更多新的要求。仅纳滤实现99%最大的乳糖保留；仅超滤在浓缩4 倍时，乳糖脱除约75%。在实际操作中，设定纳滤和超滤不同的浓缩上下限之间的任何指标。

3 结语

（1）纳滤和超滤组合膜系统处理脱脂奶，分别浓缩2 倍和1.78 倍，实现蛋白含量11%，蛋白保留率99.5%，乳糖脱除率44%，Na+、K+脱除率61%。

（2）纳滤配置为两级系统，通量分别为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，比单级系统提高28%；超滤两级通量分别为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，比单级系统提高16%。

（3）组合膜系统的能力适配，通过超滤平衡缸的液位，转化为纳滤系统的能力设定值。

（4）配置纳滤和超滤系统的旁通阀组，能够实现组合膜的联动运行、纳滤的独立运行、超滤的独立运行3 种工作模式。

（5）纳滤和超滤组合膜系统分别设定不同的浓缩倍数，可实现设定的蛋白指标和多种乳糖指标。