CN102834016B - 膜过滤和膜过滤组合件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于借助于膜过滤来加工乳制品的方法，其中在没有显著地减少通过膜模块的流的情况下显著地减少/避免了膜中的积垢。本发明还涉及适于实施根据本发明的方法的膜过滤组合件。

Description

膜过滤和膜过滤组合件
技术领域
本发明涉及用于借助于膜过滤来加工乳制品的方法，其中，在不显著地减少通过膜模块的流的情况下显著地减少/避免膜中的积垢。本发明还涉及适于实施根据本发明的方法的膜过滤组合件。
背景技术
原料乳几乎毫无例外地被分离成乳酪相和脱脂乳相。取决于原料乳所要被使用的何种成品，在乳品厂中对这些相二者进行不同处理。待通过蛋白质分级进一步精炼的脱脂乳通常用巴氏法灭菌，在此之后被冷却至大约4℃并且被贮藏在罐中直到在生产中被使用。
为了减少膜中的积垢，提出了在膜过滤之前对脱脂乳进行预处理工艺(WO02/069724)。所述预处理包括将脱脂乳加热到在50℃至55℃范围内的温度若干分钟。然后将经热处理的产品保存在敞开的容器中以释放过剩的空气并且使得加热时在乳中发生的化学反应能够稳定。
虽然该预处理之前已经表现出降低在膜中积垢的风险，即膜变得阻塞且损失了生产时间，但之前还公开的是：以该温度范围的长停留时间引起不期望的有害微生物的生长。
为了避免不期望的有害微生物的生长并且进一步减少膜中的积垢，提出了减少在敞开的容器中的停留时间并且注意到在膜过滤期间脱脂乳(渗余物)显示下降的或可替换地维持的温度曲线(WO06/123972)。
在膜过滤期间，膜过滤组合件中的泵通常会使脱脂乳/渗余物的温度增加2℃至6℃。为了维持或降低在膜过滤期间脱脂乳/渗余物的温度，通常将某种类型冷却装置设置在渗余物的循环中(通常用于小型车间/试验车间)(NO310173)。任选地，在膜过滤之前，将脱脂乳冷却至下述温度：该温度确保循环中的温度不超过脱脂乳预处理的温度。
然而，如果脱脂乳的温度降低1℃，则通过膜模块的流减少约2％至3％，即膜过滤效率显著地降低。
根据本发明的一个目的是提供一种用于借助于膜过滤来加工乳制品的方法，其中在不显著地减少通过膜模块的流的情况下显著地减少/避免了膜中的积垢。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于借助于膜过滤来加工乳制品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)任选地，将乳制品供给至平衡罐(图1.1；图3.1)；
b)对乳制品进行膜过滤(图1.2；图3.3；图4.MF1/MF2；图5.MF1/MF2)以形成渗出物(permeate)级分和渗余物(retentate)级分；以及
c)使渗出物级分冷却(图1.3；图3.2；图4.1；图5.1)至低于渗余物级分的温度的温度，以使得膜表面冷却。
本发明的第二方面涉及一种膜过滤组合件，包括：
a)朝膜过滤器的渗余物侧开口的进料入口；
b)渗余物出口；
c)用于使渗余物的至少一部分从渗余物出口再循环到渗余物入口的装置；
d)渗出物出口；
e)渗出物入口；
f)用于使所述渗出物的至少一部分从渗出物出口再循环到渗出物入口的装置；以及
g)布置为将渗出物流的温度维持为低于渗余物流的温度的冷却装置；
所述入口、所述出口以及所述用于再循环的装置布置为维持膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，优选地使得两个流沿着膜过滤器并流行进。
在从属权利要求中阐述本发明的优选实施方案。
附图说明
现在将参考附图更详细的示出本发明的优选实施方案。
图1示出了膜过滤车间，其中分离冷却器(3)包含在可以被根据本发明的方法采用的渗出物循环中。(1)平衡罐；(2)膜过滤模块；(3)冷却器；(4)渗余物排出；(5)渗出物排出；(6)产品进料；(M)循环泵；(PI)压力指示器。
图2示出了具有集成的冷却装置的膜模块。(1)周围壳体；(2)周围壳体的端部；(3)膜；(4)管式热交换器；(5)容纳冷却介质的空间；(6)通向冷却介质的连接件；(7)容纳渗出物的空间；(8)渗出物的入口和出口；(15)多个渗余物通道；(16)过滤器膜。
图3示出了膜过滤车间，其中膜模块具有可以被根据本发明的方法采用的集成冷却装置(2)。(1)平衡罐；(2)具有集成冷却装置的膜过滤模块；(4)渗余物排出；(5)渗出物排出；(6)产品进料；(M)循环泵；(PI)压力指示器。
图4示出了膜过滤车间，其中两个膜过滤模块(分别为MF1和MF2)并联连接，单独的冷却器设备(1)包含在渗出物循环中。
图5示出了膜过滤车间，其中两个膜过滤模块(分别为MF1和MF2)串联连接，单独的冷却器设备(1)包含在渗出物循环中。
具体实施方式
由于认为磷酸钙的沉淀是在膜中积垢的主要原因并且已知磷酸钙的溶解度随着温度的增加而减低，所以会认为脱脂乳相的温度应尽可能的低。然而，如之前所公开的那样，还已知的是：如果脱脂乳相的温度降低1℃，则通过膜模块的流降低约2％至3％。
相应地，通过升高在膜过滤期间脱脂乳相的温度，通过膜模块的流会增加，但是膜中的积垢也会增加。任选地，通过降低膜过滤期间脱脂乳相的温度，膜中的积垢会减少，但是通过膜模块的流也会减少。
到目前为止，最好的方式是对含有蛋白质的乳制品进行某种类型的预处理，通常是以在50℃至65℃范围内的温度下进行热处理，以降低在膜过滤期间在膜中积垢的风险。不建议使用更高的温度，因为据认为乳清蛋白在高于65℃的温度下变性。
此外，据认为最重要的是在膜过滤期间含有蛋白质的乳制品的温度不超过50℃至65℃的预处理温度。由于膜过滤组合件中的泵通常使含有蛋质的乳制品的温度升高2℃至6℃，因此通常在渗余物的循环中设置有某种类型的冷却装置(通常用于小型车间/试验车间)(NO310173)和/或在膜过滤之前使脱脂乳冷却下来。
出乎意料地，现在已经发现：为了避免膜中的积垢，最重要的是膜表面的温度而非脱脂乳/渗余物的温度。通过维持低的膜表面温度，可以升高脱脂乳/渗余物的温度而不导致膜中积垢的严重问题。
此发现的结果是一种用于借助于膜过滤来加工乳制品的改进方法，其中显著地减少/避免了膜中的积垢且同时增加了通过膜模块的流。
本发明的第一方面涉及一种用于借助于膜过滤来加工乳制品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)任选地，将乳制品供给至平衡罐(图1.1；图3.1)；
b)对乳制品进行膜过滤(图1.2；图3.3；图4.MF1/MF2；图5.MF1/MF2)以形成渗出物级分和渗余物级分；以及
c)将渗出物级分冷却(图1.3；图3.2；图4.1；图5.1)至低于渗余物级分的温度的温度，以使得膜表面冷却。
在根据本发明的一个实施方案中，将乳制品例如脱脂乳、酪乳或乳清供给至平衡罐(图1.1；图3.1)。平衡罐的主要用途是在生产期间在发生暂时停止/中断的情况下充当乳制品的缓冲器并且还用于获得乳制品的持续供给。
在所述平衡罐中含有蛋白质的乳制品的温度优选地在50℃至70℃范围内，更优选地在55℃至65℃范围内，甚至更优选地在60℃至65℃范围内以及最优选地在62℃至65℃范围内。
优选地，使乳制品在进入膜过滤模块之前通过除气器。除气器处理除去产品中过量的空气，否则该过量的空气随后会在处理中导致膜中积垢。
然后例如使用循环泵(图1.M1和M2；图3.M1和M2)将乳制品引导至膜过滤模块(图1.2；图3.2；图4.MF1；图5.MF1)，在该处乳制品被分离成渗余物级分和渗出物级分。
为了维持高的通过膜过滤模块的横流速度，优选的是在膜过滤期间将乳制品/渗余物的温度维持在50℃至65℃范围内的温度，更优选地在55℃至65℃范围内的温度，甚至更优选地在58℃至65℃范围内的温度以及最优选地在60℃至65℃范围内的温度。
在根据本发明的一个实施方案中，优选的是在进入膜过滤模块时乳制品/渗余物的温度在50℃至70℃范围内，更优选地在55℃至65℃范围内，甚至更优选地在58℃至65℃范围内以及最优选地在58℃至60℃范围内。
目前市场上存在多种不同的膜过滤模块。两种最常用的膜模块系统之一是所谓的“均匀跨膜压力(UTP)”系统。通过在膜的渗出物侧上包括珠，该系统在高的横流速度的情况下维持低的但是均匀的跨膜压力，这减少了积垢和滤渣累积并且改善了对可用过滤面积的利用。然而，该系统存在膜更换过程复杂且费时的问题并且需要连续地循环渗出物流。
所述两种最常用的膜模块系统中的另一种基于梯度膜。通过使用朝膜模块的入口侧具有增加的渗透阻力的膜，该系统在高的横流速度的情况下维持低的但是均匀的跨膜压力。另外，该系统不需要连续地循环渗出物流并且不存在膜更换过程复杂且费时的问题。
根据本发明使用的膜过滤模块可以是适于加工乳制品的任何膜模块，例如基于UTP原理的膜模块系统、基于梯度膜的膜模块系统、其它适合的膜模块系统或者其任意组合。
膜过滤模块中的膜优选地由支撑陶瓷层和表面膜层(例如基于氧化锆、氧化钛和氧化铝的膜)制成，但也可以由其他的材料如玻璃、聚合物等制成。虽然本公开内容着重于膜的使用，但也应当理解，可以利用微型筛(micro seive)来代替膜，而不脱离本公开内容的发明构思。
膜过滤模块中的过滤器优选地选自：微过滤器(MF)、超滤器(UF)和纳米过滤器(NF)。
在根据本发明的一个优选实施方案中，至少一个膜过滤模块具有其有效孔径大小在0.5μm至2.0μm范围内、更优选地在0.8μm至2.0μm范围内以及最优选地在0.8μm至1.4μm范围内的过滤器。具有该范围内的孔径大小的过滤器特别适合于减少乳制品中的微生物的量。
在根据本发明的一个优选实施方案中，至少一个膜过滤模块具有其有效孔径大小在0.05μm至0.5μm范围内、更优选地在0.05μm至0.3μm范围内以及最优选地在0.1μm至0.2μm范围内的过滤器。具有该范围内的孔径大小的过滤器特别适合于对存在于乳制品中的蛋白质、尤其是酪蛋白进行分级。
在根据本发明的一个优选实施方案中，至少一个膜过滤模块具有其有效孔径大小足以保留分子量高于100kDa、更优选地高于75kDa、甚至更优选地高于50kDa、最优选地高于25kDa(例如高于10kDa)的悬浮固体和溶质的过滤器。
在根据本发明的一个优选实施方案中，至少一个膜过滤模块具有其有效孔径大小足以保留分子量高于500Da、更优选地高于200Da、甚至更优选地高于100Da的悬浮固体和溶质的过滤器。
当含有蛋白质的乳制品的进入膜过滤模块(图1.2；图3.2；图4.MF1；图5.MF1)时，产品被分成两个流，即渗余物流和渗出物流。
渗余物流可以被供给至附加的一个或更多个膜过滤模块(图4.MF2；图5.MF2)和/或作为一个替代方案例如通过使用循环泵(图1.M2；图3.M2)而被再循环回到膜过滤模块的输入侧(图1.2；图3.2)。所述附加的一个或更多个膜过滤模块可以与第一膜过滤模块(图1.2；图3.2；图4.MF1；图5.MF1)相同或不同(不同的膜模块系统、不同的膜材料、不同的有效孔径大小等)。
在根据本发明的一个实施方案中，例如通过使用循环泵(图1.M3)，将渗出物流引导至冷却装置(图1.3；图4.1；图5.1)。冷却装置可以是适于使渗出物流的温度降低的任何种类的设备，例如热交换器如板式热交换器或更优选地为管式热交换器。
在根据本发明的另一个实施方案中，膜过滤模块具有集成的冷却装置(图2；图3.2)，这种集成的冷却装置使单独的渗出物冷却装置(如图1.3所示)变得多余。集成的冷却装置可以是适于与膜过滤模块集成的任何种类的冷却装置。图2中示出了具有集成的冷却装置的合适膜过滤模块的一个实例。
图2中的膜过滤组合件示出了周围壳体(1)，在该周围壳体(1)中安装有带有通向冷却介质的连接件(6)的管式热交换器(4)。冷却介质在管外侧上的空间(5)中流动。膜(3)被放置为穿过管式热交换器中的管并且用密封物装配到壳体的各端部。通过过滤器膜的渗出物在渗出物入口和出口(图2.8)之间循环。图2中放大的细节图B示出了渗出物将如何会在热交换器的管的内部的空间(7)中循环并且渗出物的温度将如何会受管式热交换器的管外部的冷却介质影响。
图2中的壳体的A_A横截面示出了可以如何布置具有膜的管式热交换器。放大的细节图C示出了膜的常规构造是如何建造的。膜的常规构造包括具有多个渗余物通道(15)的多孔陶瓷支承结构(3)。每个通道都在通道表面上设置有过滤器膜(16)。放大的细节图C还示出了热交换器的管如何围绕膜但给出用于渗出物进行循环的空间(7)。
虽然图2示出了具有19个膜的膜过滤组合件，但应当理解，对于设备的功能来说膜的数量不是决定性的并且具有不同数量的膜的类似的系统也在本发明的范围之内。
在根据本发明的一个优选实施方案中，渗出物流的温度比渗余物流的温度至少冷1℃，更优选地渗出物流的温度比渗余物流的温度至少冷3℃，甚至更优选地是渗出物流的温度比渗余物流的温度至少冷5℃以及最优选地是渗出物流的温度比渗余物流的温度至少冷7℃，例如温差为至少10℃、12℃、15℃、20℃、25℃、30℃或40℃。
在一个优选实施方案中，在膜过滤期间渗出物级分的温度维持在0-64℃范围内(例如0-64℃、0-60℃、0-55℃、0-50℃、0-45℃、0-40℃、0-35℃、0-30℃、0-25℃、0-20℃或0-15℃)，例如在10-50℃范围内(例如10-45℃、10-40℃、10-35℃、10-30℃、10-25℃、10-20℃或10-15℃)，在20-50℃范围内(例如20-45℃、20-40℃、20-35℃、20-30℃或20-25℃)，在30-50℃范围内(例如30-45℃、30-40℃或30-35℃)或者在40-50℃范围内(例如40-45℃)的温度。
在根据本发明的又一个实施方案中，渗出物流的温度被维持在足以将膜表面冷却成比渗余物流的温度至少冷1℃、更优选地比渗余物流的温度至少冷3℃、甚至更优选地比渗余物流的温度至少冷5℃以及最优选地比渗余物流的温度至少冷7℃的温度处，例如膜表面与渗余物流之间的温差为至少10℃、12℃、15℃、20℃、25℃、30℃或40℃。
当渗出物流流出冷却器设备(图1.3)/具有集成的冷却装置的膜过滤模块(图3.2)时，渗出物被供给至附加的一个或更多个膜过滤模块(图4.MF2；图5.MF2)和/或作为一个替代方案被再循环回到膜过滤模块(图1.2；图3.2)的渗出物输入侧。
所述附加的膜过滤模块可以与第一膜过滤模块(图1.2)相同或不同(不同的膜模块系统、不同的膜材料、不同的有效孔径大小等)。
在根据本发明的一个实施方案中，渗出物级分在冷却处理之后被再循环回到膜过滤模块的渗出物输入侧。
在根据本发明的又一个实施方案中，渗出物级分在膜过滤模块的渗出物入口和出口之间循环。如果正在使用梯度膜，则使渗出物流循环的主要目的是将膜表面冷却下来。然而，如果正在使用所谓的UTP系统，则使渗出物流循环的目的是使膜表面冷却下来并且还给出通过膜模块的一定压降。
在根据本发明的一个优选实施方案中，入口(渗出物入口和渗余物入口两者两者)、出口(渗出物出口和渗余物出口两者)及用于再循环的装置(例如循环泵)布置为维持在膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，使得两个流沿着膜过滤器行进。在一个实施方案中，所述两个流沿着膜过滤器并流地(cocurrently)行进而在另一个实施方案中所述两个流沿着膜过滤器同时(concurrently)行进。最优选地所述两个流在跨整个膜表面的压降均匀的情况下沿着膜过滤器行进。
在多个膜过滤模块的情况下，优选的是使来自第一膜过滤模块的渗余物级分在进入下一个膜过滤模块之前进行渗滤步骤(图5)。
本发明的第二方面涉及一种膜过滤组合件，包括：
a)朝膜过滤器的渗余物侧开口的进料入口；
b)渗余物出口；
c)用于使渗余物的至少一部分从渗余物出口再循环到渗余物入口的装置；
d)渗出物出口；
e)渗出物入口；
f)用于使渗出物的至少一部分从渗出物出口再循环到渗出物入口的装置；以及
g)布置为将渗出物流的温度维持为低于渗余物流的温度的冷却装置，如热交换器；
所述入口、所述出口以及用于再循环的所述装置布置为维持在膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，使得两个流沿着膜过滤器行进，例如沿着膜过滤器并流地行进或沿着膜过滤器同时行进。
根据本发明的第二方面的一个实施方案涉及一种膜过滤组合件，具有：
a)朝膜过滤器的渗余物侧开口的进料入口；
b)渗余物出口；
c)用于使渗余物的至少一部分从渗余物出口再循环到渗余物入口的装置；
d)渗出物出口；
e)渗出物入口；
f)用于使渗出物的至少一部分从渗出物出口再循环到渗出物入口的装置；以及
g)布置为将渗出物流的温度维持成低于渗余物流的温度的冷却装置，如热交换器；
所述入口、所述出口以及用于再循环的所述装置布置为维持在膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，使得两个流沿着膜过滤器行进，例如沿着膜过滤器并流地行进或沿着膜过滤器同时行进。
在根据本发明的第二方面的一个实施方案中，所述入口、所述出口以及用于再循环的所述装置布置为维持在膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，使得两个流在整个膜表面的压降均匀的情况下沿着膜过滤器行进，例如沿着膜过滤器并流地行进或沿着膜过滤器同时行进。
在根据本发明的第二方面的又一个实施方案中，所述冷却装置位于在渗出物入口与渗出物出口之间的渗出物回路中。
在根据本发明的第二方面的另一个实施方案中，所述膜过滤组合件适于实施根据本发明的第一方面的方法。
取决于正在使用的一个或更多个膜过滤模块，根据本发明的方法特别适于减少存在于乳制品中的有机物的量和/或分级分离存在于乳制品中的蛋白质。
虽然为了清楚理解的目的以举例说明和实施例的方式对上述发明进行了相当详细的描述，但对于本领域技术人员而言，明显可以根据本发明的教导对其做出某些变化和修改而不脱离所附权利要求的范围。

Claims (24)

1.一种用于借助于膜过滤加工乳制品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)任选地，将所述乳制品供给至平衡罐；
b)对所述乳制品进行膜过滤以形成渗出物级分和渗余物级分；以及
c)使所述渗出物级分冷却至低于所述渗余物级分的温度的温度，以使得膜表面冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述乳制品在膜过滤模块中经受所述膜过滤以形成渗出物级分和渗余物级分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在膜过滤之前将所述乳制品加热至50-65℃范围内的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在膜过滤期间将所述渗余物级分维持在50-65℃范围内的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在膜过滤期间将所述渗出物级分的温度维持在0-64℃范围内的温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述渗出物级分与所述渗余物级分之间的温差至少为1℃，所述渗出物级分比所述渗余物级分更冷。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述乳制品选自脱脂乳、酪乳和乳清。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述渗出物级分的至少一部分在膜过滤模块的渗出物入口和出口之间循环。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述渗余物级分的至少一部分在膜过滤模块的渗余物入口和出口之间循环。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法用于对存在于所述乳制品中的蛋白质进行分级。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法用于减少在所述乳制品中的微生物的量。
12.根据权利要求1所述的方法，其中渗出物流和渗余物流沿着膜过滤器并流地行进，这两个流通过所述膜过滤器分离。
13.根据权利要求1所述的方法，其中利用多个膜过滤模块对所述乳制品进行膜过滤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个膜过滤模块以并联、串联或其组合的方式连接。
15.根据权利要求2所述的方法，其中在所述膜过滤模块中的过滤器选自微过滤器(MF)、超滤器(UF)和纳米过滤器(NF)。
16.根据权利要求2所述的方法，其中所述膜过滤模块中的过滤器的有效孔径大小在0.5-2μm、0.05-0.3μm或＞200Da的范围内。
17.根据权利要求2所述的方法，其中所述膜过滤模块中的过滤器的有效孔径大小在10-100kDa的范围内。
18.一种膜过滤组合件，包括：
a)朝膜过滤器的渗余物侧开口的进料入口；
b)渗余物出口；
c)用于使所述渗余物的至少一部分从所述渗余物出口再循环到渗余物入口的装置；
d)渗出物出口；
e)渗出物入口；
f)用于使所述渗出物的至少一部分从所述渗出物出口再循环到所述渗出物入口的装置；以及
g)布置为将渗出物流的温度维持为低于渗余物流的温度的冷却装置；
所述入口、所述出口以及用于再循环的装置布置为维持在所述膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在所述膜过滤器的渗出物侧的渗出物流。
19.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，其中在所述膜过滤器的所述渗余物侧的所述渗余物流和在所述膜过滤器的渗出物侧的渗出物流沿着所述膜过滤器并流地行进。
20.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，所述入口、所述出口以及用于再循环的装置布置为维持在所述膜过滤器的渗余物侧的渗余物流和在所述膜过滤器的渗出物侧的渗出物流，使得这两个流在跨整个膜表面的压降均匀的情况下沿着所述膜过滤器行进。
21.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，其中所述冷却装置是热交换器。
22.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，其中所述冷却装置位于所述渗出物入口与所述渗出物出口之间的渗出物回路中。
23.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，所述膜过滤组合件具有以并联、串联或其任意组合的方式连接的多个膜过滤模块。
24.根据权利要求18所述的膜过滤组合件，其中所述膜过滤组合件适于实施根据权利要求1所述的方法。
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