CN109692571B - 一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法及系统，所述方法步骤如下：原汲取液通过正向渗透过程渗透汲取原乳中的水分子，得到浓缩后的牛奶和稀释后的汲取液。所述系统包括连通的原乳罐、浓缩正向渗透膜单元、浓缩乳收集罐、稀释汲取液再生回用单元和原始汲取液罐。通过采用本发明的浓缩正向渗透膜单元，可以将牛奶中的有效成分进行浓缩，降低牛奶含水量，制成高浓度牛奶，提高产品质量；通过正向渗透技术进行牛奶浓缩，可以得到约60％(30％‑70％)的固形物含量，固形物含量比其它低温浓缩技术更高。
Description
技术领域
本发明涉及乳制品浓缩技术领域，具体涉及一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法及系统。
背景技术
乳制品营养丰富，易消化吸收，一直是大众首选的营养食品。其中，牛奶是最古老的天然饮料之一，被誉为“白色血液”，对人体的重要性可想而知。牛奶中富含各种丰富的矿物质，其中钙磷比例非常适当，利于钙的吸收；同时，还含有有丰富的人体所需的必需氨基酸。
随着生活水平的提高，国内消费者对乳制品的口味和品质要求越来越高，特别是对乳制品的质量和味觉要求的提高，使得生产厂家开始追求无蛋白质变性乳制品浓缩方法。而相对于部分国家地区的13.5％以上的乳固体，国内的牛奶乳固体含量通常在12％左右，不同地区不同季节原料奶乳固体的含量差异也较大。同时，奶源存在季节性，产奶季收集的奶源需要低温保存，目前需要大量的储存罐，占地大。
因而对牛奶进行适度浓缩对于生产高品质牛奶或酸奶等乳制品和保证产品质量指标的一致性都是有必要的。同时，通过浓缩技术去除乳制品中的水分，以减小乳制品的体积，增加保存性，以及方便运输。
常用的乳加工浓缩方式主要包括蒸发和反渗透浓缩等。传统蒸发是通过高温、高压的方式将水分气化而去除，该技术的缺点：一是能耗较高，需要大量的蒸汽；二是营养因素，蒸发时加热，强度过强，会导致部分牛奶中的活性物质遭到严重破坏；三是效率因素，比如通过闪蒸最多只能去除10％的水分，这在生产高乳固体乳产品时依然达不到生产要求。另外，牛奶是一种热敏性物质，热处理对牛奶的物理化学、微生物学及生物化学性质都有较大的影响；从浓缩角度，对牛奶的热处理程度越低对产品品质影响越小；过度热处理可能引起牛奶褐变、蛋白质的变性、维生素被破坏等。反渗透浓缩是膜分离技术的一种，通过高分子膜材料的选择透过性，以驱动压为动力将水脱除。该技术的缺点：一是能耗过高，因为牛奶中可溶性固含量高，为了克服渗透压差，必须高压运行，泵功率大，能耗高；二是受到高操作压力的限制，浓缩倍数低；三是由于高压操作，因此对于膜的污染更加严重，膜损耗更大，同时也造成有效成分的损失；四是为了提高反渗透的速度，有时必须对牛奶进行加热，影响牛奶品质。
因此，随着对食品安全的关注和产品品质提高的要求，为减少食品添加剂用量或者提高产品口感，牛奶浓缩倍数也不断提高，有效提高牛奶浓缩倍数，扩大使用范围，创造更显著的经济、社会效益，这是个急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法及系统，克服现有技术采用蒸发或反渗透技术中的不足，具有浓缩过程低温低压，热敏性物质损失少，保留牛奶原有风味的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法，步骤如下：原汲取液通过正向渗透过程渗透汲取原乳中的水分子，得到浓缩后的牛奶和稀释后的汲取液。进一步地，所述正向渗透过程为一级、二级、三级、四级或更多级。进一步地，所述正向渗透过程至少为三级。优选所述牛奶可替换为其他类型的乳类或果汁类产品。
进一步地，所述原汲取液可以是氯化钠、或者氯化钙、或者氯化镁、或者碳酸铵、或者糖类等；所述糖类可以是单糖、二糖或多糖，具体地，可以是葡萄糖、果糖、蔗糖、纤维素、淀粉等；在浓缩的过程中，汲取液也呈梯度变化，原汲取液的初始质量百分比浓度至少为0.1％，至少为0.5％，至少为1％，至少为2％，至少为3％，至少为5％，至少为6％，可选择的为0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、10％、11％、15％、20％等。
进一步地，所述浓缩后的牛奶固形物含量为30％-70％。进一步地，所述浓缩后的牛奶固形物含量为60％。
进一步地，所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中。
进一步地，所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中。
进一步地，所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳通过原料侧三级循环单元进入三级浓缩正向渗透膜元件中，通过三级汲取液的汲取浓缩作用生成三级浓缩乳和三级稀释汲取液；
所述三级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述三级稀释汲取液进入原料侧二级循环单元；所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中。
进一步地，所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳通过原料侧三级循环单元进入三级浓缩正向渗透膜元件中，通过三级汲取液的汲取浓缩作用生成三级浓缩乳和三级稀释汲取液；
所述三级浓缩乳通过原料侧多级循环单元进入多级浓缩正向渗透膜元件中，通过多级汲取液的汲取浓缩作用生成多级浓缩乳和多级稀释汲取液；
所述多级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述多级稀释汲取液进入原料侧三级循环单元；所述三级稀释汲取液进入原料侧二级循环单元；所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中。
若有更多级浓缩正向渗透膜元件，则依次类推处理。
进一步地，所述进料泵控制进入一级循环单元中的原乳流量为40～120L/H；所述原始汲取液通过汲取液泵控制流量为10～50L/H。优选地，原乳流量为40L/H、50L/H、60L/H、70L/H、80L/H、90L/H、100L/H、110L/H、120L/H等；优选地，原始汲取液流量为10L/H、15L/H、20L/H、25L/H、30L/H、35L/H、40L/H、45L/H、50L/H等。
进一步地，在合理的情况下，所述稀释汲取液收集罐中的稀释汲取液的再生回用可以通过任意的再生回收技术实现，具体的技术包括但不限于：电渗析技术、膜蒸馏技术、反渗透技术、蒸发技术或这些技术的组合。
更进一步地，所述稀释汲取液收集罐中的稀释汲取液的再生回用通过电渗析作用实现制得原汲取液：所述电渗析作用是指经均相离子交换膜组件的电渗析作用，实现汲取液的再生回用。
另一方面，本发明提供一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，包括连通的原乳罐、浓缩正向渗透膜单元、浓缩乳收集罐、稀释汲取液再生回用单元和原始汲取液罐；
所述浓缩正向渗透膜单元包括依次设置的原料侧、渗透膜层和汲取液侧；所述浓缩正向渗透膜单元可以为：中空式、卷式、平板式、管式等不同形式；
所述原乳罐通过供料单元与原料侧循环单元连通；所述原料侧循环单元与浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与浓缩乳收集罐连通；
所述原始汲取液罐通过供汲取液单元与汲取液侧循环单元连通；所述浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与稀释汲取液再生回用单元连通。
进一步地，所述浓缩正向渗透膜单元包括一至多个相互连通的浓缩正向渗透膜单元；优选地，所述浓缩正向渗透膜单元为四个，以三个为正常处理单元，一个为备用单元，实现24小时连续式运行；所述浓缩正向渗透膜单元可以包括依次连通的一级浓缩正向渗透膜单元、二级浓缩正向渗透膜单元或三级浓缩正向渗透膜单元；
所述原乳罐通过供料单元与原料侧一级循环单元连通；所述原料侧一级循环单元与一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与原料侧二级循环单元连通；
所述原料侧二级循环单元与二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与原料侧三级循环单元连通；
所述原料侧三级循环单元与三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与浓缩乳收集罐连通；
所述原始汲取液罐通过供汲取液单元与汲取液侧三级循环单元连通；所述汲取液侧三级循环单元与三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与汲取液侧二级循环单元连通；
所述汲取液侧二级循环单元与二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与汲取液侧一级循环单元连通；
所述汲取液侧一级循环单元与一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与稀释汲取液再生回用单元连通。
进一步地，所述一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧一级循环单元连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧二级循环单元连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧三级循环单元连通。若有更多的浓缩正向渗透膜单元，则循环类推。
进一步地，所述三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧三级循环单元连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧二级循环单元连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧一级循环单元连通。
所述稀释汲取液再生回用单元可采用任意能够实现再生回用的技术，具体的技术包括但不限于：电渗析技术、膜蒸馏技术、反渗透技术、蒸发技术或它们的任意组合，本发明实施例采用的电渗析技术，具体结构如下：进一步地，所述稀释汲取液再生回用单元包括稀释汲取液收集罐一、稀释汲取液收集罐二、若干连通的均相离子交换膜组件和极水液罐；
所述均相离子交换膜组件包括依次设置的阴极、浓水侧、淡水侧、极水侧、和阳极；所述浓水侧、淡水侧和极水侧之间均设置有均相离子交换膜；
所述稀释汲取液收集罐一和稀释汲取液收集罐二均通过管道与一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口的管道连通；
所述稀释汲取液收集罐一通过供稀释汲取液单元一与均相离子交换组件的浓水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的浓水侧的出口返回稀释汲取液收集罐一；
所述稀释汲取液收集罐二通过供稀释汲取液单元二与均相离子交换组件的淡水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的淡水侧的出口返回稀释汲取液收集罐二；
所述极水液罐通过供极水液单元与均相离子交换组件的极水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的极水侧的出口返回极水液罐。
进一步地，所述供料单元、供汲取液单元、原料侧一级循环单元、原料侧二级循环单元、原料侧三级循环单元、汲取液侧一级循环单元、汲取液侧二级循环单元、汲取液侧三级循环单元、供稀释汲取液单元一、供稀释汲取液单元二和供极水液单元均包含：泵、管路、仪表、阀门等。
进一步地，所述汲取液侧一级循环单元、汲取液侧二级循环单元、汲取液侧三级循环单元还包括汲取液调节口。
进一步地，所述系统可用于奶仓中储存原乳的浓缩，也可以直接从收奶槽中的原乳进行浓缩，也可以直接从奶车中的原乳进行浓缩。本发明方法不限于牛奶浓缩，所有乳制品均适用。
本发明技术方案采用正向渗透膜浓缩技术，正向渗透过程无需外加压力，通过具有高渗透压的汲取液，可以透过半渗透膜将水分子自发的由低渗透压的原料侧汲取出来，而且将牛奶中的其他溶质截留，然后再采用均相离子交换技术将水从被稀释的汲取液中分离出来，最终获得纯净的水，使得汲取液可以循环利用。驱动水分子由低浓度溶质侧向高浓度溶质侧流动的动力是半渗透膜两侧的渗透压差值，而不是依靠外加泵的压力来驱动，因此单元能耗低，单元可以在低压力下运行，膜污染及损耗也更低，同时也可降低有效成分的损失。正向渗透膜浓缩技术可以在低温下进行浓缩，因此热敏性物质损失大大降低，保持牛奶原有风味。
本发明的有益效果
通过采用本发明的牛奶浓缩正向渗透单元，可以将牛奶中的有效成分进行浓缩，降低牛奶含水量，制成高浓度牛奶，提高产品质量；通过正向渗透技术进行牛奶浓缩，可以得到约60％(30％-70％)的固形物含量，固形物含量比其它低温浓缩技术更高；通过浓缩后，大大降低牛奶的体积量，可以大大降低运输和储存成本；正向渗透膜浓缩技术可以在低温下进行浓缩，热敏性物质损失大大降低，保持牛奶原有风味；正向渗透膜浓缩技术仅需要让液体在膜表面流动起来便可，因此可以在非常低的操作压力下进行，正常操作压力0.1-2bar，与蒸发及其它低温浓缩技术相比，能耗低。
通过采用本发明的均相离子交换膜技术，使得稀释的汲取液可以循环使用，降低浓缩成本。
采用本发明的浓缩方法及系统，不仅在牛奶输送的多个环节均可实现牛奶浓缩，而且浓缩后的乳品无需多批次循环，减少污染。
本发明的牛奶浓缩采用连续式运行，汲取液也采用连续式排出和进入，通过采用均相离子交换膜技术，实现汲取液浓缩再生同时也达到连续式允许中汲取液的浓度要求，循环使用。
本发明的系统在牛奶浓缩过程中，只需要控制牛奶流动即可实现渗透浓缩，在非常低的操作压力下进行，泵能耗低。
说明书附图
下面结合附图对本发明的结构做进一步的说明。
图1，本发明优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
生乳：食品安全国家标准GB19301-2010
理化指标如下：
奶农将收集到的原乳送到奶站，由奶车把原乳送到乳品厂，经过预处理后收集到奶仓中，大致流程如下：
奶车、称重(采样检测)、泵送、收奶槽、双联过滤器、净乳、冷却、奶仓。
本发明所阐述的正向渗透牛奶浓缩技术可以用于奶仓中的储存原乳的浓缩，也可以直接从收奶槽中进行浓缩，也可以直接从奶车中进行浓缩。由于原乳易滋生细菌，需要低温保存，及在低温下进行浓缩，为了避免批次式循环浓缩的升温问题，本发明采用连续式正向渗透浓缩工艺，可以实现原乳进入本发明的系统后，可直接获得浓缩后的乳品，无需再循环回原乳罐批次循环运行。为了提高正向渗透膜单元的处理效率，将膜组件分成多级进行浓缩，具体分级数量根据单元总处理规模进行选择。
原乳进入单元进料罐中，通过进料泵，控制单支组件入膜流量40-120L/H，之后进入正向渗透膜组件中进行脱水及浓缩；同时，汲取液进入汲取液罐中，通过汲取液泵，控制单支入膜流量10-50L/H，之后进入正向渗透膜组件中汲取牛奶中脱除的水分，稀释后的汲取液进入汲取液收集罐中；汲取液收集罐中的汲取液通过稀释汲取液再生回用单元进行再生回用。
正向渗透膜组件利用汲取液和原料液的渗透压差的原理，将原料牛奶中的水分渗透至汲取液中进行分离去除，从而进行有效成分牛奶的浓缩，最终在浓缩液罐中收集到的浓缩牛奶液可以用于产品的下道工艺，而汲取液收集罐中被稀释的汲取液可以通过汲取液浓缩单元回收再利用。
在浓缩过程中，采用正向渗透膜组件可分四级，其中三级进行浓缩，备用一级。一级浓缩将原乳的体积脱除40％-60％的水分，即原乳体积浓缩倍数为1.5-2.5倍；二级浓缩继续将一级的浓缩液再脱除40％-60％的水分，即将一级浓缩液继续浓缩，体积浓缩倍数为1.5-2.5倍，经过两级浓缩后总体积浓缩倍数为3-5倍；三级浓缩继续将二级的浓缩液再脱除17％-45％的水分，即将二级浓缩液继续浓缩，体积浓缩倍数为1.2-1.75倍，经过三级浓缩后总体积浓缩倍数为6-7倍。
汲取液采用氯化钠、或者氯化钙、或者氯化镁，在原乳进行三级浓缩的过程中，汲取液也呈梯度变化，一级浓缩过程汲取液浓度从3％-5％降低到1.5％-3％，二级浓缩过程汲取液浓度从4％-7％降低到3％-5％，三级浓缩过程汲取液浓度从6％-8.5％降低到4％-7％。
实施例1
如图1所示，连续式浓缩正向渗透膜单元共分成四级，其中三级进行浓缩运行，剩余一级作为备用，可以实现24小时连续式运行，原乳连续进，浓缩后的浓缩乳连续出，浓缩乳经过单元后可直接收集，无需再次返回原乳罐进行批次循环的操作；同时，汲取液也为连续进，被稀释后的汲取液连续式排出单元，直接在汲取液收集罐中收集；汲取液收集罐中的被稀释的汲取液经过稀释汲取液再生回用单元进行再生回用，稀释汲取液再生回用单元采用均相离子交换膜技术，可以将被稀释后的汲取液进行浓缩再生，达到连续式浓缩正向渗透膜单元中汲取液的浓度要求，进行回用。
具体过程如下：
1)浓缩正向渗透过程：
原乳A70进入原乳罐A71中，通过供料单元A72进入原料侧一级循环单元A31中，之后进入一级浓缩正向渗透膜元件A01中，可以是1个或多个正向渗透膜元件A01，正向渗透膜元件也可以采用串联或并联的形式进行连接，下同；正向渗透膜元件A01中包含：原料侧A11和汲取液侧B11，在原料侧A11和汲取液侧B11中间为正向渗透膜的渗透膜层A21，下同；所述浓缩正向渗透膜元件可以为：中空式、卷式、平板式、管式等不同形式；
原乳通过原料侧一级循环单元A31进入一级浓缩正向渗透膜元件A01的原料侧A11中，原乳中的水分从原料侧A11中通过正向渗透膜的渗透膜层A21渗透到汲取液侧B11中，从而得到一级浓缩乳A41，一级浓缩乳A41分成两路，分别为：一级浓缩乳A41一路A51返回原料侧一级循环单元A31中，一级浓缩乳A41另一路A61进入原料侧二级循环单元A32中；
一级浓缩乳A41另一路A61通过原料侧二级循环单元A32进入二级浓缩正向渗透膜元件A02的原料侧A12中，一级浓缩乳A41另一路A61中的水分从原料侧A12中渗透到汲取液侧B12中，从而得到二级浓缩乳A42，二级浓缩乳A42分成两路，分别为：二级浓缩乳A42一路A52返回原料侧二级循环单元A32中，二级浓缩乳A42另一路A62进入原料侧三级循环单元A33中；
二级浓缩乳A42另一路A62通过原料侧三级循环单元A33进入三级浓缩正向渗透膜元件A03的原料侧A13中，二级浓缩乳A42另一路A62中的水分从原料侧A13中渗透到汲取液侧B13中，从而得到三级浓缩乳A43，三级浓缩乳A43分成两路，分别为：三级浓缩乳A43一路A53返回原料侧三级循环单元A33中，三级浓缩乳A43另一路A63进入浓缩乳收集罐A74中；
2)汲取液的运行过程：
汲取液B70进入原始汲取液罐B71中，通过供汲取液单元B72进入汲取液侧三级循环单元B33中，之后进入三级浓缩正向渗透膜元件A03中，可以是1个或多个正向渗透膜元件A03，正向渗透膜元件可以采用串联或并联的形式进行连接，下同；正向渗透膜元件A03中包含：原料侧A13和汲取液侧B13，在原料侧A13和汲取液侧B13中间为正向渗透膜的渗透膜层A23，下同；
汲取液通过汲取液侧三级循环单元B33进入三级浓缩正向渗透膜元件A03的汲取液侧B13中，汲取液侧B13接收来自原液侧A13通过正向渗透膜的渗透膜层A23渗透过来的水，从而得到三级稀释汲取液B43，三级稀释汲取液B43分成两路，分别为：三级稀释汲取液B43一路B53返回汲取液侧三级循环单元B33中，三级稀释汲取液B43另一路B63进入汲取液侧二级循环单元B32中；
三级稀释汲取液B43另一路B63通过汲取液侧二级循环单元B32进入二级浓缩正向渗透膜元件A02的汲取液侧B12中，汲取液侧B12接收来自原液侧A12通过正向渗透膜的渗透膜层A22渗透过来的水，从而得到二级稀释汲取液B42，二级稀释汲取液B42分成两路，分别为：二级稀释汲取液B42一路B52返回汲取液侧二级循环单元B32中，二级稀释汲取液B42另一路B62进入汲取液侧一级循环单元B31中；
二级稀释汲取液B42另一路B62通过汲取液侧一级循环单元B31进入一级浓缩正向渗透膜元件A01的汲取液侧B11中，汲取液侧B11接收来自原液侧A11通过正向渗透膜的渗透膜层A21渗透过来的水，从而得到一级稀释汲取液B41，一级稀释汲取液B41分成两路，分别为：一级稀释汲取液B41一路B51返回汲取液侧一级循环单元B31中，一级稀释汲取液B41另一路B61进入稀释汲取液收集罐一B74和稀释汲取液收集罐二C20中；
所述供料单元A72、原料侧一级循环单元A31、原料侧二级循环单元A32、原料侧三级循环单元A33，包含：泵、管路、仪表、阀门等，根据实际的情况进行接通使用，一般是泵用于产生动力，管路进行连接接通，仪表用于检测流速或压力，阀门用于控制流量等；
所述供汲取液单元B72、汲取液侧一级循环单元B31、汲取液侧二级循环单元B32、汲取液侧三级循环单元B33，包含：泵、管路、仪表、阀门等，根据实际的情况进行接通使用，一般是泵用于产生动力，管路进行连接接通，仪表用于检测流速或压力，阀门用于控制流量等；
所述汲取液侧一级循环单元B31、汲取液侧二级循环单元B32、汲取液侧三级循环单元B33，还包含：汲取液调节口，可以是汲取液和/或纯水添加口，根据实际的情况进行接通使用；
3)稀释汲取液再生回用单元：
均相离子交换膜组件C01包含：浓水侧C02、淡水侧C03、极水侧C04，在浓水侧C02、淡水侧C03、极水侧C04之间为均相离子交换膜C05，在均相离子交换膜组件C01的两侧装有电极，一侧为阳极C06侧，另外一侧为阴极C07侧，电极通电后使阴阳离子发生迁移，从而将淡水侧C03中的离子迁移到浓水侧C02中，进行富集，而极水侧C04使用一定浓度的盐水做为循环液，目的是保证膜组件C01的阳极侧C06和阴极侧C07的导电能力；
稀释汲取液收集罐一B74中的稀释汲取液C12通过供稀释汲取液单元一C11进入均相离子交换膜组件C01中，可以是1个或多个均相离子交换膜组件C01，可以采用串联或并联的形式进行连接；稀释汲取液C12进入均相离子交换膜组件C01的浓水侧C02中，接收来自均相离子交换膜组件C01的淡水侧C03通过均相离子交换膜C05迁移过来的离子，从而得到稀释汲取液的富集液C13，稀释汲取液的富集液C13返回稀释汲取液收集罐一B74中继续循环富集，获得最终富集液C13，可以达到连续式浓缩正向渗透膜单元中汲取液的浓度要求，进行回用。
稀释汲取液收集罐二C20中的稀释汲取液C22通过供稀释汲取液单元二C21进入均相离子交换膜组件C01中，可以是1个或多个均相离子交换膜组件C01，可以采用串联或并联的形式进行连接；稀释汲取液C22进入均相离子交换膜组件C01的淡水侧C03中，通过均相离子交换膜C05迁移到均相离子交换膜组件C01的浓水侧C02中，从而得到稀释汲取液的淡化液C23，稀释汲取液的淡化液C23返回稀释汲取液收集罐二C20中继续循环迁移出离子，获得最终淡化液C23；
极水液罐C30中的极水液C32通过供极水液单元C31进入均相离子交换膜组件C01中，可以是1个或多个均相离子交换膜组件C01，可以采用串联或并联的形式进行连接；极水液C32进入均相离子交换膜组件C01的极水侧C04中，之后返回极水液罐C30中循环使用。
实施例2
选取原乳20L，蛋白质含量3.04g/100g，总固形物含量12.4g/100g；选取氯化钠作为汲取液，体积10L，一级浓缩汲取液氯化钠浓度5％，二级浓缩汲取氯化钠浓度7％，三级浓缩汲取液氯化钠浓度8.2％。经过运用实施例1的系统和方法进行三级浓缩后，浓缩乳蛋白质含量15.2g/100g，总固形物含量61.6g/100g。
运行参数如下：
成分检测数据如下：
实施例3
选取原乳20L，蛋白质含量3.22g/100g，总固形物含量12.3g/100g；选取氯化钙作为汲取液，体积10L，一级浓缩汲取液氯化钙浓度5％，二级浓缩汲取氯化钙浓度6.5％，三级浓缩汲取液氯化钙浓度7.7％。经过运用实施例1的系统和方法进行三级浓缩后，浓缩乳蛋白质含量15.4g/100g，总固形物含量60.8g/100g。
运行参数如下：
成分检测数据如下：
实施例4
选取原乳20L，蛋白质含量3.18g/100g，总固形物含量12.8g/100g；选取氯化镁作为汲取液，体积10L，一级浓缩汲取液氯化镁浓度3.3％，二级浓缩汲取氯化镁浓度4.2％，三级浓缩汲取液氯化镁浓度7.5％。经过运用实施例1的系统和方法进行三级浓缩后，浓缩乳蛋白质含量15.4g/100g，总固形物含量60.4g/100g。
运行参数如下：
成分检测数据如下：
从本发明实施例2～4可知，原乳通过运用本发明实施例1提及多级正向渗透单元浓缩后，蛋白质含量从3g/100g提高到＞15g/100g；总固形物含量从12g/100g提高到＞60g/100g。
实施例5
在实际运行过程中，根据浓缩乳的不同，可选择进行浓缩的正向渗透膜单元的级数，例如对浓缩乳的浓度要求不高，仅进行一级浓缩即可，则其他级的正向渗透单元可作为备用使用。
另外，也可仅进行二级浓缩。
也可根据需要将浓缩正向渗透单元的级数增加，超过四级，将浓缩正向渗透单元并联或串联使用，具体根据实际的浓缩乳的要求及所浓缩的原乳情况来进行适当的调整。
实施例6
选取原乳40L，蛋白质含量3.19g/100g，总固形物含量12.3g/100g；选取氯化钙作为汲取液，体积30L，一级浓缩汲取液氯化钙浓度4.7％，二级浓缩汲取氯化钙浓度7.0％。经过运用实施例1的系统和方法进行二级浓缩后，浓缩乳蛋白质含量13.1g/100g，总固形物含量51.6g/100g。
运行参数如下：
成分检测数据如下：
从本发明实施例6可知，原乳通过运用本发明实施例1提及多级正向渗透单元浓缩后，蛋白质含量从3.19g/100g提高到＞13.1g/100g；总固形物含量从12.3g/100g提高到＞51.6g/100g。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为被包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法，步骤如下：汲取液通过正向渗透过程渗透汲取原乳中的水分子，得到浓缩后的牛奶和稀释后的汲取液，
其特征在于，所述汲取液选自氯化钠、氯化钙、氯化镁任一，所述浓缩后的牛奶其中一部分返回正向渗透膜单元中，所述浓缩后的牛奶另一部分流向另一正向渗透膜单元中或流入浓缩乳收集罐中；
所述稀释后的汲取液其中一部分返回正向渗透膜单元中，所述稀释后的汲取液另一部分流向另一正向渗透膜单元中；
所述汲取液的初始浓度为5%~7%，所述浓缩后的牛奶的固形物含量为30%-70%，所述浓缩牛奶通量LMH可达到5.8~10.22。
2.根据权利要求1所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法，其特征在于，所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；所述一级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中；
或
所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；
所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中；
或
所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳通过原料侧三级循环单元进入三级浓缩正向渗透膜元件中，通过三级汲取液的汲取浓缩作用生成三级浓缩乳和三级稀释汲取液；
所述三级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；
所述三级稀释汲取液进入原料侧二级循环单元；所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中；
或
所述原乳经进料泵作用通过原料侧一级循环单元进入一级浓缩正向渗透膜单元中，通过一级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成一级浓缩乳和一级稀释汲取液；
所述一级浓缩乳通过原料侧二级循环单元进入二级浓缩正向渗透膜元件中，通过二级稀释汲取液的汲取浓缩作用生成二级浓缩乳和二级稀释汲取液；
所述二级浓缩乳通过原料侧三级循环单元进入三级浓缩正向渗透膜元件中，通过三级汲取液的汲取浓缩作用生成三级浓缩乳和三级稀释汲取液；
所述三级浓缩乳通过原料侧多级循环单元进入多级浓缩正向渗透膜元件中，通过多级汲取液的汲取浓缩作用生成多级浓缩乳和多级稀释汲取液；
所述多级浓缩乳进入浓缩乳收集罐中；所述多级稀释汲取液进入原料侧三级循环单元；所述三级稀释汲取液进入原料侧二级循环单元；所述二级稀释汲取液进入原料侧一级循环单元；所述一级稀释汲取液进入稀释汲取液收集罐中。
3.根据权利要求2所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩方法，其特征在于，所述稀释汲取液收集罐中的稀释汲取液的再生回用通过如下技术实现：电渗析技术、膜蒸馏技术、反渗透技术、蒸发技术或这些技术的组合。
4.一种基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，其特征在于，包括连通的原乳罐、浓缩正向渗透膜单元、浓缩乳收集罐、稀释汲取液再生回用单元和原始汲取液罐；
所述浓缩正向渗透膜单元包括依次设置的原料侧、渗透膜层和汲取液侧；
所述原乳罐通过供料单元与原料侧循环单元连通；所述原料侧循环单元与浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与浓缩乳收集罐连通；
所述原始汲取液罐通过供汲取液单元与汲取液侧循环单元连通；所述浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与稀释汲取液再生回用单元连通。
5.根据权利要求4所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，其特征在于，所述浓缩正向渗透膜单元包括依次连通的一级浓缩正向渗透膜单元、二级浓缩正向渗透膜单元或三级浓缩正向渗透膜单元；所述原乳罐通过供料单元与原料侧一级循环单元连通；所述原料侧一级循环单元与一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与原料侧二级循环单元连通；
所述原料侧二级循环单元与二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与原料侧三级循环单元连通；
所述原料侧三级循环单元与三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的入口连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道一路与浓缩乳收集罐连通；
所述原始汲取液罐通过供汲取液单元与汲取液侧三级循环单元连通；所述汲取液侧三级循环单元与三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与汲取液侧二级循环单元连通；
所述汲取液侧二级循环单元与二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与汲取液侧一级循环单元连通；
所述汲取液侧一级循环单元与一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的入口连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道一路与稀释汲取液再生回用单元连通。
6.根据权利要求5所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，其特征在于，所述一级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧一级循环单元连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧二级循环单元连通；所述三级浓缩正向渗透膜单元的原料侧的出口通过管道另一路与原料侧三级循环单元连通。
7.根据权利要求5所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，其特征在于，所述三级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧三级循环单元连通；所述二级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧二级循环单元连通；所述一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口通过管道另一路与汲取液侧一级循环单元连通。
8.根据权利要求5所述的基于正向渗透技术的牛奶浓缩系统，其特征在于，所述稀释汲取液再生回用单元包括稀释汲取液收集罐一、稀释汲取液收集罐二、若干连通的均相离子交换膜组件和极水液罐；
所述均相离子交换膜组件包括依次设置的阴极、浓水侧、淡水侧、极水侧、和阳极；所述浓水侧、淡水侧和极水侧之间均设置有均相离子交换膜；
所述稀释汲取液收集罐一和稀释汲取液收集罐二均通过管道与一级浓缩正向渗透膜单元的汲取液侧的出口的管道连通；
所述稀释汲取液收集罐一通过供稀释汲取液单元一与均相离子交换组件的浓水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的浓水侧的出口返回稀释汲取液收集罐一；
所述稀释汲取液收集罐二通过供稀释汲取液单元二与均相离子交换组件的淡水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的淡水侧的出口返回稀释汲取液收集罐二；
所述极水液罐通过供极水液单元与均相离子交换组件的极水侧的入口连通；所述均相离子交换组件的极水侧的出口返回极水液罐。
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