Область техники, к которой относится изобретение

Настоящая заявка относится к способу получения молочного продукта на основе принципа прямого осмоса, а более конкретно к способу обработки высококачественного необезжиренного концентрированного молочного продукта и/или обезжиренного концентрированного молочного продукта на основе принципа прямого осмоса. Настоящая заявка также относится к концентрированному молочному продукту, приготовленному способом получения молочного продукта, и непрерывной мембранной системе прямого осмоса для использования в области концентрирования молочного продукта.

Предшествующий уровень техники

Коровье молоко представляет собой очень сложную жидкую пищевую систему, содержащую примерно 3% белка, примерно 4% жира, примерно 4% лактозы и различные нутрацевтические агенты. В настоящее время потребители все чаще предъявляют повышенные требования к питательным свойствам и качеству молочных продуктов. Поэтому особое внимание следует уделять поддержанию стабильности системы коровьего молока (стабильности молочной эмульсии и ее влияния на питательные свойства коровьего молока при переработке молока). Концентрирование коровьего молока является чрезвычайно важной технологией переработки в молочной промышленности. Оно играет незаменимую роль в таких важных областях, как регулирование источников молока, улучшение качества продукции и регулирование сырьевого материала. Как правило, традиционный способ концентрирования коровьего молока удаляет воду из коровьего молока посредством нагревания. Однако из-за высокотемпературной обработки эта операция наносит большой вред удерживанию питательных веществ и вкусу самого коровьего молока, и приводит к неблагоприятным последствиям, таким как пожелтение цвета и сильный вкус проваренного продукта, серьезно влияющим на качество молочных продуктов. Кроме того, энергопотребление процесса испарения в обычном способе концентрирования является относительно большим. В традиционном способе термической конденсации для коровьего молока концентрирование с падающей пленкой является относительно новым процессом концентрирования, но даже при концентрировании методом падающей пленки все еще используют испарение для удаления молекул воды, которое по-прежнему оказывает заметное влияние на питательные вещества готового продукта. Особенно в настоящее время, в условиях, когда потребители предъявляют все большие требования к питательным веществам, деградация лактоферрина под действием термического концентрирования, включая концентрирование с падающей пленкой, постепенно становится неприемлемой.

Концентрирование посредством мембраны прямого осмоса является новой технологией мембранного концентрирования, которая широко применяется в науке об окружающей среде. Однако в пищевой промышленности мембранное концентрирование прямого осмоса является очень передовой технологией как в международном, так и в национальном масштабе, и редко используется в масштабных способах обработки. Методика обеспечивает концентрирование целевого раствора путем контроля разницы осмотического давления раствора на обеих сторонах мембраны прямого осмоса без введения какого-либо источника нагревания или сильного внешнего давления, тем самым поддерживая основные питательные вещества и соотношение питательных веществ целевого раствора. Её влияние на вкус целевого раствора также намного ниже, чем у традиционных способов концентрирования.

Способы концентрирования, которые отличаются от традиционных способов термического концентрирования в молочной промышленности, дополнительно включают способы мембранного концентрирования обратного осмоса и способы концентрирования вымораживанием. В способе мембранного концентрирования обратного осмоса мембрана обратного осмоса также позволяет достигать определенной степени концентрирования материала, но кратность концентрирования, которая может быть достигнута, намного ниже, чем в способе концентрирования на мембране прямого осмоса. Другой необязательной методикой концентрирования является концентрирование вымораживанием, которое использует разницу между температурой замерзания чистой воды и температурой замерзания коровьего молока для концентрирования коровьего молока, но хорошо известно, что вымораживание является очень энергоемкой операцией и может вызвать необратимое повреждение свойств продукта.

По сравнению с двумя вышеупомянутыми способами концентрирования технология мембранного концентрирования прямого осмоса позволяет значительно повысить концентрацию множества молочных продуктов, и в то же время снизить энергопотребление и стоимость, а также обеспечить техническую поддержку для создания новых молочных продуктов. Кроме того, затраты на техническое обслуживание оборудования и эксплуатационные расходы, связанные с технологией концентрирования прямого осмоса, также существенно меньше, чем для технологии концентрирования обратного осмоса и традиционной технологии термического концентрирования.

Коммерческое концентрированное молоко обычно получают выпариванием, концентрированием с падающей пленкой и тому подобным, а конкретные продукты включают концентрированное молоко Burra Foods и тому подобное. Однако ни одна отечественная или международная компания не реализовала использование принципа прямого осмоса для непрерывного производства концентрированного молока в больших масштабах.

Кроме того, коммерческие непрерывные системы прямого осмоса никогда не использовались в области концентрирования коровьего молока, и поскольку коровье молоко является богатым питательными веществами и чувствительным к обработке материалом, традиционная мембранная система прямого осмоса, используемая в индустрии обработки воды, не может быть непосредственно использована в области молочных продуктов. В настоящее время не существует непрерывной мембранной системы прямого осмоса, специально разработанной для концентрирования коровьего молока, как внутри страны, так и за рубежом. Очень сложно обеспечить соответствие микробных показателей, физико-химических показателей и питательных показателей продуктов требованиям соответствующих стандартов после концентрирования коровьего молока. Следовательно, коммерческая непрерывная система прямого осмоса, специально разработанная для коровьего молока для этого применения, имеет большое значение.

Изложение сущности изобретения

Для устранения недостатков, существующих в предшествующем уровне техники, в настоящей заявке предлагается способ получения молочного продукта, основанный на принципе прямого осмоса, в частности, способ обработки высококачественного необезжиренного концентрированного молочного продукта и/или обезжиренного концентрированного молочного продукта, основанный на принципе прямого осмоса. Способ позволяет масштабировать переработку сырого молока, и полученный концентрированный молочный продукт предпочтительно представляет собой необезжиренный концентрированный молочный продукт и/или обезжиренный концентрированный молочный продукт. Кроме того, в настоящей заявке также предлагается непрерывная система прямого осмоса, содержащая множество мембранных модулей прямого осмоса. Непрерывная система прямого осмоса позволяет непрерывно обрабатывать свежее коровье молоко для достижения масштабной обработки с целью концентрирования коровьего молока.

Прежде всего, в настоящей заявке применяется технология мембранного концентрирования прямого осмоса в пищевой промышленности (особенно в молочной промышленности) в больших масштабах, и достигается увеличение концентрации целевого раствора путем регулирования разницы осмотического давления между растворами на обеих сторонах мембраны прямого осмоса, без использования какого-либо источника нагревания или сильного внешнего давления, тем самым поддерживая основные питательные вещества и соотношение питательных веществ целевого раствора. Её влияние на вкус целевого раствора также намного ниже, чем у традиционных способов термического концентрирования.

Мембранная система прямого осмоса, используемая в настоящей заявке, включает два цикла, то есть цикл подачи (цикл свежего коровьего молока) и цикл гипертонического раствора, и воду экстрагируют из свежего коровьего молока через мембрану прямого осмоса в гипертонический раствор; когда система работает, свежее коровье молоко непрерывно концентрируется, а гипертонический раствор непрерывно разбавляется. Для мембранной системы прямого осмоса наиболее важным техническим параметром является поток через мембрану, то есть объем воды, проходящей через мембрану на единицу площади в единицу времени. Чем больше мембранный поток, тем выше эффективность концентрирования. Основными факторами, влияющими на поток через мембрану, являются тип концентрированного продукта, тип и концентрация гипертонического раствора, разница в потоке между двумя сторонами, температура, выбор типа мембраны прямого осмоса. В дополнение к мембранному потоку, при промышленной обработке с концентрированием прямого осмоса также очень важно отношение количества подачи к площади мембраны. Если соотношение слишком велико, загрязнение мембраны слишком возрастает, что приводит к невозможности завершения концентрирования. Если соотношение слишком мало, заполнение мембраны уменьшается, а затраты увеличиваются. Кроме того, в настоящей заявке достигается технический эффект концентрирования необезжиренного коровьего молока (то есть общее содержание сухих веществ в готовом продукте составляет 15-60%) путем разработки системы прямого осмоса и установки параметров процесса; и характеристики продукта полученного концентрированного молока устанавливают посредством детекции.

По сравнению со способами мембранного концентрирования обратного осмоса и способами концентрирования вымораживанием, технология мембранного концентрирования прямого осмоса, используемая в настоящей заявке, позволяет значительно повысить кратность концентрирования молочных продуктов, и в то же время уменьшить потребление энергии и стоимость, а также обеспечить техническую поддержку для создания новых молочных продуктов. Как известно, вымораживание является очень энергоемкой операцией и приведет к необратимому повреждению структуры продукта. Кроме того, затраты на техническое обслуживание оборудования и эксплуатационные расходы, связанные с технологией концентрирования прямого осмоса, также намного лучше, чем с технологией концентрирования обратного осмоса и традиционной технологией термического концентрирования.

Настоящая заявка также относится к непрерывной системе прямого осмоса, содержащей множество мембранных модулей прямого осмоса. Непрерывная система прямого осмоса позволяет непрерывно обрабатывать свежее коровье молоко для достижения масштабной обработки с концентрированием коровьего молока. Непрерывная система прямого осмоса содержит один или несколько мембранных модулей прямого осмоса (предпочтительно четыре мембранных модуля обратного осмоса), мембранный модуль обратного осмоса для восстановления гипертонического раствора, резервуар для сырьевого материала, резервуар для продукта и резервуар для гипертонического раствора (предпочтительно два резервуара для гипертонического раствора); множество мембранных модулей прямого осмоса предпочтительно соединены друг с другом последовательно и образуют цикл подачи вместе с резервуаром для сырьевого материала и резервуаром для продукта; мембрана прямого осмоса, мембрана обратного осмоса и резервуар для гипертонического раствора (предпочтительно два резервуара для гипертонического раствора) вместе образуют цикл гипертонического раствора, и мембрана прямого осмоса одновременно находится в двух циклах из цикла подачи и цикла гипертонического раствора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана принципиальная схема цикла мембранной системы прямого осмоса.

На фиг. 2 показана принципиальная схема непрерывной мембранной системы прямого осмоса.

На фиг. 3 показана принципиальная схема способа А добавления гипертонического раствора.

На фиг. 4 показана принципиальная схема способа В добавления гипертонического раствора.

На фиг. 5 показана принципиальная схема способа С добавления гипертонического раствора.

На фиг. 6 показана принципиальная схема способа D добавления гипертонического раствора.

Настоящая заявка относится к следующему.

Ниже приведено подробное описание мембранной системы прямого осмоса и способа получения молочного продукта с её использованием, концентрированного молочного продукта, приготовленного способом получения, и непрерывной системы прямого осмоса, включающей множество мембранных модулей прямого осмоса, которые представлены в настоящей заявке.

Мембранная система прямого осмоса и способ получения концентрированного молочного продукта с её использованием.

Настоящая заявка относится к способу получения концентрированного молочного продукта, включающему стадию обработки сырого молока с использованием мембранной системы прямого осмоса.

Концентрированный молочный продукт, приготовленный способом получения по настоящей заявке, может включать необезжиренный концентрированный молочный продукт и/или обезжиренный концентрированный молочный продукт. Концентрированный молочный продукт, полученный после обработки, имеет общее содержание сухих веществ от 15 до 60%, предпочтительно от 20 до 55% и более предпочтительно от 25 до 50%.

Мембранная система прямого осмоса по настоящей заявке предпочтительно представляет собой систему, пригодную для масштабной обработки сырого молока.

В одном аспекте мембранная система прямого осмоса включает по меньшей мере два цикла: цикл подачи и цикл гипертонического раствора. Воду в сыром молоке экстрагируют из цикла подачи через мембрану прямого осмоса в цикл гипертонического раствора, сырое молоко в процессе подачи концентрируется, а гипертонический раствор разбавляется.

В другом аспекте в мембранной системе прямого осмоса отношение площади мембраны прямого осмоса (в квадратных метрах) к количеству обработанного сырья (в литрах) составляет от 7:1 до 1:7, предпочтительно от 3:1 до 1:3.

В другом аспекте в мембранной системе прямого осмоса отношение скорости потока на стороне гипертонического раствора к скорости потока на стороне подачи составляет от 1:0,5 до 1:5, предпочтительно от 1:1 до 1:3 и более предпочтительно 1:2.

В другом аспекте мембрана прямого осмоса представляет собой одно или более из рулонной мембраны, пластинчатой мембраны и половолоконной мембраны (мембраны из полых волокон), предпочтительно рулонной мембраны или половолоконной мембраны, и более предпочтительно представляет собой половолоконную мембрану.

Гипертонический раствор, используемый в мембранной системе прямого осмоса

В одном аспекте гипертонический раствор, используемый в мембранной системе прямого осмоса, представляет собой комбинацию одного или более из хлорида натрия, хлорида магния, хлорида кальция, лактозы и сульфата магния, предпочтительно одного или более из хлорида кальция и сульфата магния, более предпочтительно хлорид кальция.

В другом аспекте способ добавления гипертонического раствора в мембранную систему прямого осмоса включает:

а) когда концентрация гипертонического раствора снижается до 7-8%, добавление неорганической соли (солей) для восстановления концентрации гипертонического раствора до начальной концентрации; где начальная концентрация гипертонического раствора предпочтительно составляет 5-20%, более предпочтительно 12%; или

b) поддержание исходной концентрации гипертонического раствора без изменений; где начальная концентрация гипертонического раствора предпочтительно составляет 5-20%, более предпочтительно 8-10%; или

с) выбор отсутствия регуляции концентрации гипертонического раствора до начальной концентрации; где начальная концентрация гипертонического раствора предпочтительно составляет 10-25%, более предпочтительно 15-18%; или

d) выбор непрерывного увеличения концентрации гипертонического раствора в три стадии, где начальная концентрация исходного гипертонического раствора предпочтительно составляет 5-20%, более предпочтительно 8-10%; концентрация гипертонического раствора на второй стадии составляет 8-22%, более предпочтительно 10-12%; и концентрация гипертонического раствора на третьей стадии составляет 10-25%, более предпочтительно 12-15%.

Конкретные этапы реализации способа получения

Способ получения концентрированного молочного продукта, включающий этапы:

1) физического и химического анализа сырого молока;

2) очистки сырого молока после временного хранения анализируемого сырого молока с последующим охлаждением;

3) направления полученного сырого молока в мембранную систему прямого осмоса для обработки с целью получения концентрированного молока.

В одном аспекте этап (1) дополнительно включает этап фильтрации сырого молока, которое соответствует требованиям после анализа, для удаления физических примесей. На этапе фильтрации первичный фильтр имеет размер пор 10-1 мм (предпочтительно 5-1 мм, более предпочтительно 2,00 мм), а вторичный фильтр имеет размер пор 5-0,5 мм (предпочтительно 3-0,5 мм), более предпочтительно 1 мм).

В другом аспекте этап (2) дополнительно включает охлаждение сырого молока до 4-15°С (предпочтительно 4-10°С, более предпочтительно 7°С) и хранение.

В другом аспекте этап розлива, быстрого замораживания и/или упаковки также включен после этапа (3) для получения готового продукта.

В другом аспекте общее содержание сухих веществ в сыром молоке, полученном после окончания этапа (2), составляет от 10 до 15% (предпочтительно от 11 до 14%, более предпочтительно от 11,5 до 13%).

В другом аспекте температура, при которой сырое молоко поступает в мембранную систему прямого осмоса на этапе (3), не превышает 20°С (предпочтительно не превышает 15°С, более предпочтительно не превышает 7°С), а температура на выходе не превышает 50°С (предпочтительно не превышает 30°С, более предпочтительно не превышает 20°С).

В другом аспекте традиционный процесс разделения с обезжириванием добавляют перед этапом (3), и полученное обезжиренное молоко продолжают готовить для приготовления концентрированного молока в соответствии с этапом (3).

Введение в принцип прямого осмоса и мембраны прямого осмоса

Прямой осмос (ПО) представляет собой процесс инфильтрации, в котором используют полупроницаемую мембрану для отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления, при котором высокая концентрация гипертонического раствора (по отношению к подаваемому раствору) индуцирует проход чистой воды через мембрану для прямого осмоса в гипертонический раствор посредством градиента осмотического давления, тем самым эффективно отделяя воду от растворенных в ней веществ. Напротив, процесс обратного осмоса использует гидравлическое давление в качестве движущей силы для разделения, чтобы противодействовать градиенту осмотического давления и достигать обратной миграции чистой воды против градиента осмотического давления. Следовательно, обратный осмос требует больше энергии, чем прямой осмос.

Мембрана прямого осмоса является ключевым модулем процесса прямого осмоса и представляет собой искусственную полупроницаемую мембрану с определенными характеристиками, созданную путем моделирования биологической полупроницаемой мембраны. Обычно её готовят из полимерного материала, такого как мембрана из ацетата целлюлозы, мембрана из ароматического полигидразида или мембрана из ароматического полиамида. Диаметр поверхностных микропор обычно составляет от 0,3 до 10 нм, а проницаемость связана с химической структурой самой мембраны. Что касается типа мембраны, обычно используемые мембраны прямого осмоса включают пластинчатую мембрану, половолоконную мембрану и рулонную мембрану.

Конкретный вариант осуществления мембранной системы прямого осмоса и способ получения молочного продукта

Для мембранной системы прямого осмоса наиболее важным техническим параметром является поток через мембрану, то есть объем воды, проходящей через мембрану на единицу площади в единицу времени. Чем больше мембранный поток, тем выше эффективность концентрирования. Основными факторами, влияющими на поток через мембрану, являются тип концентрированного продукта, тип и концентрация гипертонического раствора, разница потока с двух сторон, температура и тип выбранной мембраны и т.д. В настоящей заявке достигается технический эффект концентрирования сырого молока (т.е. общее содержание сухих веществ в готовом продукте составляет 15-60%; в случае обезжиренного продукта общее содержание сухих веществ в готовом продукте составляет от 22% до 40%) путем разработки системы прямого осмоса и настройки параметров процесса; и характеристики продукта полученного концентрированного молока определяют посредством детекции.

Как показано на фиг. 1 из прилагаемых чертежей, мембранная система прямого осмоса по настоящей заявке включает два цикла, цикл подачи (цикл свежего коровьего молока) и цикл гипертонического раствора, и воду экстрагируют из свежего коровьего молока через мембрану прямого осмоса в гипертонический раствор; свежее коровье молоко непрерывно концентрируется, а гипертонический раствор постоянно разбавляется. В конкретном варианте осуществления настоящей заявки отношение площади мембраны прямого осмоса (в квадратных метрах) к количеству обработанного сырья (в литрах) в мембранной системе прямого осмоса составляет от 7:1 до 1:7, и объем обработки составляет от 0,1 до 25 тонн в час. Поток воды в мембране прямого осмоса в основном определяется разницей осмотического давления между двумя сторонами мембраны; в конкретном варианте осуществления настоящей заявки управление потоком воды достигается путем регулирования концентрации гипертонического раствора; во время работы большое колебание величины потока воды приводит к ускорению загрязнения мембраны, что влияет на эффективность производства.

В конкретном варианте осуществления настоящей заявки свежее коровье молоко и гипертонический раствор по отдельности заливают в резервуар подачи и резервуар гипертонического раствора в качестве начальной точки для каждого цикла. При запуске системы обычно обеспечивают, чтобы сначала была открыта циркуляционная система на стороне свежего коровьего молока, а затем запущен насос для экстракции жидкости для начала цикла гипертонического раствора. Кроме того, следует отметить, что давление на стороне цикла свежего коровьего молока должно быть немного выше, чем давление на стороне цикла гипертонического раствора, чтобы предотвратить обратный осмос в течение всей операции. Следует также отметить, что в этой системе перепад давления между двумя сторонами мембраны не должен превышать 1-3 бар (предпочтительно 1-1,5 бар), предпочтительно от 0,1 до 1 бар (предпочтительно 0,2-0,7 бар).

В течение всего процесса концентрирования необходимо поддерживать как можно более стабильное значение показателя количества подачи в систему. Если какая-либо скорость потока слишком высока, исходная жидкость (свежее коровье молоко) будет подвергаться следующему циклу прежде, чем произойдет удаление воды из исходной жидкости (свежего коровьего молока), что повлияет на эффективность концентрирования; если какая-либо скорость потока слишком низкая, время пребывания исходной жидкости на поверхности мембраны становится слишком большим, что увеличит вероятность загрязнения мембраны. Для мембранной системы прямого осмоса наиболее важным техническим параметром является поток через мембрану, то есть объем воды, проходящей через мембрану на единицу площади в единицу времени. Чем больше поток через мембрану, тем выше эффективность концентрирования. Основными факторами, влияющими на поток через мембрану, являются тип концентрированного продукта, тип и концентрация гипертонического раствора, разница потока с двух сторон, температура и тип выбранной мембраны и т.д. В настоящей заявке применяют технический эффект концентрирования сырого молока (т.е. общее содержание сухих веществ в готовом продукте составляет 15-60%; в случае обезжиренного продукта общее содержание сухих веществ в готовом продукте составляет от 22% до 40%) путем разработки системы прямого осмоса и настройки параметров процесса; и характеристики продукта полученного концентрированного молока определяют посредством детекции.

В общем, система мембранного концентрирования прямого осмоса по настоящей заявке включает два цикла: цикл подачи (цикл свежего коровьего молока) и цикл гипертонического раствора, в котором воду экстрагируют из свежего коровьего молока через мембрану прямого осмоса в гипертонический раствор; свежее коровье молоко непрерывно концентрируется; а гипертонический раствор непрерывно разбавляется. В конкретном варианте осуществления настоящей заявки отношение площади мембраны прямого осмоса (в квадратных метрах) к обработанному количеству (в литрах) в мембранной системе прямого осмоса составляет от 7:1 до 1:7, и объем обработки составляет от 0,1 до 25 тонн в час. Поток воды в мембране прямого осмоса в основном определяется разницей осмотического давления между двумя сторонами мембраны; в конкретном варианте осуществления настоящей заявки управление потоком воды достигается путем регулирования концентрации гипертонического раствора; во время работы большое колебание величины потока воды приводит к ускорению загрязнения мембраны, что влияет на эффективность производства.

Во время работы свежее коровье молоко непрерывно циркулирует на стороне цикла подачи (циркуляция свежего коровьего молока), пока не будет достигнута целевая кратность концентрирования, и раствор на стороне цикла гипертонического раствора непрерывно разбавляется из-за миграции воды.

В конкретном варианте осуществления настоящей заявки, например, в настоящей заявке используют CaCl₂ в качестве гипертонического раствора для концентрирования прямым осмосом коровьего молока, который увеличивает поток через мембрану, тем самым повышая эффективность концентрирования, уменьшая обратный поток растворенного вещества, и не вводя другие примеси, кроме компонентов молока, в сырое молоко, а гипертонический раствор может быть восстановлен с помощью системы нанофильтрации или обратного осмоса, чтобы уменьшить сброс сточных вод и сделать технологию обработки более экологически приемлемой и безопасной для окружающей среды. Наконец, обратный поток растворенного вещества также является ключевым параметром в процессе концентрирования прямого осмоса. Более высокий обратный поток растворенного вещества будет вводить материал в гипертоническом растворе в подаваемую жидкость, вызывая изменение состава готового концентрированного продукта или увеличение содержания определенного компонента, что влияет на качество готового продукта.

Способ добавления гипертонического раствора

Как показано на фиг. 3, способ А, в котором добавляют гипертонический раствор, означает следующее: концентрация гипертонического раствора начинается с относительно высокой концентрации, и в середине процесса в гипертонический раствор не добавляют растворимых веществ, и концентрация гипертонического раствора автоматически уменьшается, когда вода проникает со стороны сырого молока на сторону гипертонического раствора. Преимущество этого способа добавления заключается в том, что операция проста, а недостатком является то, что концентрация гипертонического раствора на последней стадии концентрирования может быть недостаточно высокой, что приводит к относительно низкой концентрации готового продукта, но все еще может быть достигнуто общее содержание сухих веществ 25-50%. В частности, примеры 2 и 3 настоящей заявки используют способ А добавления для гипертонического раствора.

Как показано на фиг. 4, способ В, в котором добавляют гипертонический раствор, означает следующее: концентрация гипертонического раствора начинается с относительно низкой концентрации, и растворимые вещества из гипертонического раствора добавляют дважды в середине процесса, так что концентрация гипертонического раствора разделяется на три стадии, и концентрация на каждой стадии выше, чем на предыдущей стадии. Преимущества этого способа добавления состоят в том, что операция является относительно простой, требования к системе онлайн-мониторинга являются относительно низкими, а общее содержание сухих веществ в конечной точке концентрирования является относительно высоким. В частности, в примерах 5 и 8 настоящей заявки принят способ В добавления для гипертонического раствора.

Как показано на фиг. 5, способ C, в котором добавляют гипертонический раствор, означает следующее: концентрация гипертонического раствора не изменяется существенно от начала до конца. Преимущество этого способа состоит в том, что колебания концентрации гипертонического раствора невелики, колебания относительного потока также невелики, а засорение мембраны относительно невелико. Недостаток заключается в том, что для достижения практически постоянной концентрации гипертонического раствора необходимо всегда добавлять растворимое вещество для гипертонического раствора на сторону, извлекающую жидкость, а количество и время добавления зависят от чувствительной системы онлайн-мониторинга, что требует больших инвестиций в систему, затрудняет эксплуатацию и подходит только для систем, в которых каждый мембранный модуль оборудован отдельным резервуаром для гипертонического раствора. В частности, в примерах 4, 7 и 10 настоящей заявки принят способ С добавления для гипертонического раствора.

Как показано на фиг. 6, способ D, в котором добавляют гипертонический раствор, означает следующее: концентрация гипертонического раствора начинается с заданной концентрации; в середине процесса концентрация снижается из-за поглощения воды гипертоническим раствором; и когда концентрация снижается до определенного установленного предела низкого значения, добавляют растворимое вещество для гипертонического раствора, чтобы вернуть концентрацию гипертонического раствора обратно к исходному значению; и циклы повторяют. Преимущество этого способа добавления состоит в том, что операция является более простой, чем способ добавления C, и мембранный поток во время процесса экстракции может быть относительно стабильным. Требования к системе онлайн-мониторинга все еще выше, чем в способах добавления A и B. В частности, в примерах 1, 6 и 9 настоящей заявки принят способ D добавления для гипертонического раствора.

Кроме того, выбор потока сырьевой жидкости будет непосредственно влиять на поток концентрирования и скорость загрязнения мембраны. Если поток сырьевой жидкости слишком мал, поверхность мембраны будет легко загрязняться, а если поток сырьевой жидкости слишком велик, процесс концентрирования не будет полностью выполнен, и эффект концентрирования будет уменьшен.

Таблица 1 ниже отражает средний поток, соответствующий различным скоростям потока сырьевой жидкости, с соответствующей площадью мембраны 2 квадратных метра и отношением площади мембраны прямого осмоса (в квадратных метрах) к количеству обработанного сырья (в литрах), составляющим 5:1, в случае, когда определяется объем подаваемого коровьего молока (10 л) и объем гипертонического раствора (1,8 л).

Таблица 1

Скорость потока исходной жидкости Объем подаваемого коровьего молока Гипертонический раствор Средний поток Единицы л/ч л л л/м²/ч 1 20-40 10 1,8 0,8-0,9 2 50-70 10 1,8 1,2-1,5 3 100-120 10 1,8 0,9-1,0

Температура, при которой происходит концентрирование с мембраной прямого осмоса, также очень важна. Рабочая температура ограничена рабочей температурой мембраны и микробным индексом продукта. Мембрана для прямого осмоса не подходит для работы при температурах, превышающих 50°С; принимая во внимание требования микробного индекса концентрированного молока, концентрирование с мембраной прямого осмоса в идеальных условиях необходимо проводить при низкой температуре. Однако текучесть концентрированного молока очень быстро падает в условиях низких температур, что затрудняет продолжение концентрирования. В комбинации с вышеуказанными факторами рабочая температура концентрирования с мембраной прямого осмоса предпочтительно составляет от 7 до 50°С (более предпочтительно, от 10 до 20°С).

Концентрированные молочные продукты

Концентрированный молочный продукт, приготовленный способом получения по настоящей заявке, имеет общее содержание сухих веществ от 15 до 60%, предпочтительно от 20 до 55%, более предпочтительно от 30 до 50%; предпочтительно концентрированный молочный продукт представляет собой необезжиренный продукт с общим содержанием сухих веществ 40-60% или обезжиренный продукт с общим содержанием сухих веществ 22-40%.

Предпочтительно, после того, как концентрированный молочный продукт разбавляют до уровня общего содержания сухих веществ сырого молока в соответствии с кратностью концентрирования, обнаруженное содержание β-лактоглобулина составляет более 75% от содержания сырого молока, предпочтительно более 85% от сырого молока; предпочтительно, после того как концентрированный молочный продукт разбавляют до уровня общего содержания сухих веществ сырого молока в соответствии с кратностью концентрирования, обнаруженное содержание лактоферрина составляет более 75% от содержания в сыром молоке, предпочтительно более 85% от содержания в сыром молоке.

В приведенной ниже таблице описаны различные аспекты концентрированного молока, приготовленного способом получения по настоящей заявке.

Таблица 2. Сенсорные требования к концентрированным молочным продуктам

Параметры Требования Цвет Молочно-белый или желтоватый Вкус, запах Имеет присущий молоку запах, без неприятного запаха Консистенция Имеет консистенцию, которая должна быть у продукта, без наличия посторонних примесей, различимых невооруженным глазом

Таблица 3. Физико-химические показатели концентрированных молочных продуктов

Параметры Показатели Концентрированное коровье молоко Белок/ (г/100 г) ≥ 8,5 Жир/ (г/100 г^)а ≥ 9,5 Сухой обезжиренный молочный остаток / (г/100 г) ≥ 24,5 Значение рН 6,0-7,0 ^а Только для необезжиренных продуктов.

Из таблицы 4 ниже видно, что ионы основных солей, содержащиеся в снятом концентрированном в холодном состоянии молоке, полученном в настоящей заявке, существенно не отличаются от ионов сырого молока; снова доказано, что способ концентрирования с мембраной прямого осмоса, описанный в настоящей заявке, оптимизирован, и обратного осмоса ионов не происходит. Таблица 4 показывает данные основных солевых ионов, измеренные для сырого молока и концентрированного в холодном состоянии молока (то есть концентрированного в холодном состоянии молока, полученного в Примере 1 настоящей заявки).

Таблица 4

Кальций
(мг/кг) Магний
(мг/кг или мг/л) Натрий
(мг/100 г) Концентрированное в холодном состоянии молоко 1322 120 38,1 Сырое молоко 1190 115 40,07

Удержание питательных веществ в концентрированном молоке, полученном способом получения по настоящей заявке, также является достаточным. Для удобства молочный продукт, концентрированный в горячем/холодном состоянии, разбавляли водой до уровня содержания сухих веществ в нормальном коровьем молоке и затем отправляли на тестирование; снятое молоко, концентрированное в холодном состоянии, представленное в таблице 5, было получено путем разбавления молока, концентрированного в холодном состоянии, приготовленного в Примере 1, а снятое молоко, полученное концентрированием при нагревании, готовили путем разбавления концентрированного при нагревании молока, приготовленного посредством обычного способа концентрирования с нагреванием (способ многоколонного концентрирования с падающей пленкой).

Таблица 5

Белок (г/100 г) β-лактоглобулин (мг/мл) Лактулоза (мг/л) Фурозин (мг/100 г белка) Лактоферрин (мг/100 г белка) Щелочная
фосфатаза Лактопероксидаза Сырое молоко 3,36 3,3 7,7 4,6 123,7 Положи-тельная Положи-тельная Снятое молоко, концентрированное в холодных условиях 3,26 3 5,8 3,8 120,7 Положи-тельная Положи-тельная Снятое молоко, концентрированное при нагревании 3,28 1,3 15,6 15,3 0,86 Отрица-тельная Отрица-тельная

(В приведенной выше таблице «положительная» означает, что щелочная фосфатаза или лактопероксидаза активна, а «отрицательная» означает, что щелочная фосфатаза или лактопероксидаза неактивна. Оба фермента положительны в необработанном сыром молоке).

Бета-лактоглобулин является разновидностью белка в свежем молоке, который составляет около 7-12% белков свежего молока. Он обладает физиологической активностью, такой как снижение уровня холестерина и антиоксидантная активность. Этот белок является важным показателем для оценки качества стерилизованного и пастеризованного молока. Для пастеризованного молока содержание β-лактоглобулина в продуктах высшего сорта обычно достигает 2600 мг/л, а в продуктах первого сорта содержание β-лактоглобулина обычно достигает 2000 мг/л. Для стерилизованного молока содержание β-лактоглобулина в продуктах высшего сорта обычно достигает 200 мг/л, а в продуктах первого сорта содержание β-лактоглобулина обычно достигает 100 мг/л.

Можно видеть, что высокий показатель β-лактоглобулина положительно коррелирует с высоким качеством коровьего молока. Для концентрированного молока термообработка снижает значение этого показателя; молоко, концентрированное в холодном состоянии, полученное в этой заявке, независимо от отношения концентраций, содержит β-лактоглобулин в значительно более высоком количестве, чем в традиционном молоке, концентрированном при нагревании, что доказывает преимущества технологии концентрирования в холодном состоянии для сохранения активных ингредиентов коровьего молока.

Содержание фурозина в сыром молоке очень мало, около 0,15 мг на килограмм, и на него не влияют условия содержания коров при нормальном диапазоне кормления, но содержание в разных молочных продуктах сильно варьирует. Содержание фурозина в пастеризованном молоке, растворимом молоке, стерилизованном при ультравысокой температуре прямым методом, и растворимом молоке, стерилизованном при ультравысокой температуре (УВТ) непрямым методом, а также вторично стерилизованном молоке с поддерживающим методом сильно различается, и это является основной причиной того, что сила термической обработки, которой подвергают сырое молоко во время различных процессов обработки, различна, то есть комбинация высокой температуры и времени выдержки при этой температуре различается. Неправильный перегрев приведет к значительному увеличению содержания фурозина. Более того, дальнейшие исследования показывают, что чрезмерное потребление фурозина вредно для здоровья человека.

Таким образом, содержание фурозина является одним из важных показателей для оценки качества стерилизованного молока и пастеризованного молока. Для пастеризованного молока содержание фурозина в продуктах высшего сорта обычно составляет менее 10 (мг/100 г белка), а содержание фурозина в продуктах первого сорта обычно составляет менее 12 (мг/100 г белка). В стерилизованном молоке содержание фурозина в продуктах высшего сорта обычно составляет менее 100 (мг/100 г белка), а содержание фурозина в продуктах первого сорта обычно составляет менее 200 (мг/100 г белка).

Можно видеть, что достаточно низкий показатель содержания фурозина может отражать высокое качество коровьего молока как продукта. Для концентрированного молока термообработка увеличит значение этого показателя. Из данных в таблице 5 можно видеть, что концентрированное в холодном состоянии молоко и сырое молоко содержат значительно более низкие уровни фурозина, чем в традиционном молоке, концентрированном при нагревании, что доказывает преимущества технологии концентрирования в холодном состоянии в сохранении активных ингредиентов коровьего молока.

Лактоферрин является важным не-гемовым железосвязывающим гликопротеином в коровьем молоке с бактерицидной активностью. Лактоферрин не только участвует в транспорте железа, но также обладает сильными биологическими функциями, такими как антибактериальная широкого спектра действия, антиоксидантная, противораковая функция и регуляция иммунной системы. Он считается антибактериальным и противораковым препаратом нового типа и добавкой к пище и корму с большим потенциалом развития. Неправильный перегрев может привести к значительному снижению содержания лактоферрина.

Можно видеть, что высокий показатель лактоферрина положительно коррелирует с высоким качеством коровьего молока. Для концентрированного молока термообработка снизит значение этого показателя. Из данных в таблице 5 можно видеть, что лактоферрин в молоке, концентрированном при нагревании, был значительно ниже, чем в сыром молоке из-за разрушения при термической обработке. Молоко, концентрированное в холодном состоянии, содержит уровень лактоферрина, который значительно выше уровня лактоферрина в традиционном молоке, концентрированном при нагревании, и сопоставимый с уровнем лактоферрина в свежем сыром молоке, демонстрируя преимущества технологии концентрирования в холодном состоянии в сохранении активных ингредиентов коровьего молока.

Щелочная фосфатаза и лактопероксидаза, обе из которых являются термочувствительными ферментами, показывают, подвергалось ли коровье молоко термической обработке, и являются одними из индикаторов для оценки того, является ли коровье молоко свежим. Из таблицы 5 видно, что в молоке, концентрированном в холодном состоянии, оба фермента не инактивируются, что дополнительно показывает, что качество продукта, концентрированного в холодном состоянии, ближе к качеству сырого молока. Однако в молоке, концентрированном при нагревании, щелочная фосфатаза и лактопероксидаза являются отрицательными, что означает, что коровье молоко было обработано при высокой температуре, и оба фермента были инактивированы.

Непрерывная мембранная система прямого осмоса

Непрерывная мембранная система прямого осмоса содержит один или несколько мембранных модулей прямого осмоса (предпочтительно, четыре мембранных модуля прямого осмоса), мембранный модуль обратного осмоса для восстановления гипертонического раствора, резервуар для сырьевого материала, резервуар для продукта и резервуар для гипертонического раствора (предпочтительно два резервуара для гипертонического раствора); при этом множество мембранных модулей прямого осмоса предпочтительно соединены друг с другом последовательно, и вместе с резервуаром для сырьевого материала и резервуаром для продукта составляют цикл подачи; мембрана прямого осмоса, мембрана обратного осмоса и резервуар для гипертонического раствора (предпочтительно два резервуара для гипертонического раствора) вместе образуют цикл гипертонического раствора, и мембрана для прямого осмоса одновременно находится в двух циклах, то есть в цикле подачи и цикле гипертонического раствора.

Предпочтительно направление потока цикла подачи противоположно направлению потока цикла гипертонического раствора.

Мембранная система прямого осмоса предпочтительно способна непрерывно обрабатывать свежее коровье молоко для достижения масштабной обработки с целью концентрирования коровьего молока.

Предпочтительно, слой температурного барьера предусмотрен снаружи мембранного модуля прямого осмоса, и слой температурного барьера предпочтительно является полиуретаном.

Предпочтительно, термометр установлен на выходе каждого мембранного модуля прямого осмоса.

Предпочтительно, непрерывная мембранная система прямого осмоса включает множество измерителей электропроводности, соответственно расположенных на выходах мембранного модуля прямого осмоса и мембранного модуля обратного осмоса, причем измеритель электропроводности на выходе мембраны прямого осмоса находится на стороне цикла подачи (цикл подачи), а измеритель электропроводности на выходе мембраны обратного осмоса находится на стороне цикла гипертонического раствора. Множество измерителей электропроводности отслеживают электропроводность раствора в режиме реального времени и передают его обратно на панель управления в режиме реального времени.

Предпочтительно, непрерывная мембранная система прямого осмоса включает множество термометров, расположенных на выходе каждой мембраны прямого осмоса, предпочтительно на стороне цикла подачи, и манометр, расположенный на выходе последней мембраны прямого осмоса.

Непрерывная мембранная система прямого осмоса контролирует скорость потока, так что давление на стороне гипертонического раствора всегда ниже, чем на стороне свежего молока, тем самым предотвращая обратный осмос солевых ионов гипертонического раствора.

Предпочтительно, манометр и/или турбидиметр предусмотрен на выходе каждого мембранного модуля прямого осмоса. Манометр и/или турбидиметр используют с целью мониторинга. Манометр используют для обнаружения загрязнения внутри мембраны, чтобы определить, есть ли заблокированный проход. Турбидиметр обычно устанавливают на стороне гипертонического раствора. Турбидиметр используют для контроля содержания белка в гипертоническом растворе, чтобы можно было обнаружить повреждение мембраны в первое время, предотвращая попадание сырого молока в сторону гипертонического раствора или предотвращая вытекание гипертонического раствора в сторону сырого молока.

Предпочтительно, выход каждого мембранного модуля для прямого осмоса снабжен трубопроводом непосредственно к резервуару для продукта.

В одном аспекте площадь мембраны прямого осмоса в мембранном модуле прямого осмоса составляет от 2 до 200 квадратных метров, предпочтительно от 10 до 180 квадратных метров, более предпочтительно от 20 до 120 квадратных метров.

В другом аспекте производительность всей непрерывной мембранной системы прямого осмоса составляет от 0,1 до 35 тонн в час, предпочтительно от 1 до 20 тонн. Каждый из мембранных модулей прямого осмоса отвечает за увеличение общего содержания сухих веществ на 3-15%, предпочтительно на 4-12%, более предпочтительно на 5-11%.

В другом аспекте полученное концентрированное молоко имеет общее содержание сухих веществ от 15 до 60%, предпочтительно от 20 до 55%, более предпочтительно от 25 до 50%; и подвижность катионов гипертонического раствора в полученном концентрированном молоке составляет 10% или менее, предпочтительно 5% или менее и более предпочтительно 1% или менее.

В конкретном варианте осуществления настоящей заявки, например, как показано на фиг. 2, непрерывная система содержит четыре концентрирующих блока прямого осмоса (мембранных модуля прямого осмоса) (мембрану прямого осмоса 1, мембрану прямого осмоса 2, мембрану прямого осмоса 3, мембрану прямого осмоса 4); один мембранный модуль обратного осмоса, отвечающий за восстановление гипертонического раствора; два цикла: цикл подачи (сплошная линия) и цикл гипертонического раствора (пунктирная линия); пять измерителей электропроводности, расположенных соответственно на выходе из пяти концентрирующих блоков (мембранных модулей прямого осмоса), причем измеритель электропроводности на выходе мембраны прямого осмоса находится на стороне цикла подачи, а измеритель электропроводности на выходе мембраны обратного осмоса находится на стороне цикла гипертонического раствора, а пять измерителей электропроводности контролируют электропроводность раствора в режиме реального времени и передают данные обратно на панель управления в режиме реального времени; четыре термометра, расположенные на выходе из четырех мембран прямого осмоса и на стороне свежего молока; один манометр, расположенный на выходе мембраны прямого осмоса 4.

Площадь мембраны прямого осмоса каждого мембранного модуля прямого осмоса предпочтительно составляет от 10 до 180 квадратных метров, пропускная способность всей непрерывной мембранной системы прямого осмоса предпочтительно составляет от 1 тонны до 20 тонн в час, и каждый концентрирующий блок прямого осмоса отвечает за увеличение общего содержания сухих веществ 4-12%. Общее содержание сухих веществ в полученном концентрированном молоке предпочтительно составляет от 25 до 50%, а подвижность катионов гипертонического раствора в полученном концентрированном молоке предпочтительно составляет 5% или менее.

Сторона сырьевого материала: неконцентрированное сырое молоко (свежее молоко) помещают в резервуар для сырьевого материала; после включения машины сырое молоко подается насосом из резервуара для сырьевого материала к мембране прямого осмоса 1, и общее содержание сухих веществ увеличивается от 12-14% до 18-24% после концентрирования мембраной прямого осмоса; затем молоко продолжает поступать на мембрану прямого осмоса 2, и общее содержание сухих веществ увеличивается с 18-24% до 30-34% после концентрирования мембраной прямого осмоса; затем молоко продолжает поступать на мембрану прямого осмоса 3, и общее содержание сухих веществ увеличивается от 30-34% до 40-45% после концентрации мембраной прямого осмоса; затем молоко поступает на мембрану прямого осмоса 4, и общее содержание сухих веществ увеличивается до 45-60% после конечной стадии концентрирования; затем молоко поступает в емкость для продукта от мембраны прямого осмоса 4 для розлива и упаковки. Следует отметить, что для реализации гибкого производства продукта определенного типа на выходах мембраны прямого осмоса 1, мембраны прямого осмоса 2 и мембраны прямого осмоса 3 предусмотрены трубопроводы, которые напрямую соединены с резервуаром для продукта, так что концентрированное молоко различной кратности концентрации может быть произведено без модификации посредством одной и той же системы.

Сторона гипертонического раствора: направление потока гипертонического раствора противоположно направлению потока сырого молока. Гипертонический раствор поступает на мембрану прямого осмоса 4 из резервуара гипертонического раствора 1 и абсорбирует воду в сыром молоке под действием различных осмотических давлений для обеспечения концентрирования коровьего молока, а сам гипертонический раствор разбавляется; после выхода из мембраны прямого осмоса 4 гипертонический раствор продолжает поступать на мембрану прямого осмоса 3 для обеспечения концентрирования; после этого поступает на мембрану прямого осмоса 2, а мембрана прямого осмоса 2 и резервуар 2 для экстрагирующей жидкости имеют петлю, соединяющую их. Целью конструирования резервуара для гипертонического раствора 2 здесь является концентрирование гипертонического раствора для облегчения регулирования концентрации. Если регулирование концентрации не требуется, петли можно избежать. Гипертонический раствор поступает на мембрану прямого осмоса 1 после выхода из мембраны прямого осмоса 2. Затем гипертонический раствор поступает в мембранную систему обратного осмоса для восстановления гипертонического раствора. Полученный концентрат представляет собой солевой раствор из гипертонического раствора, который можно использовать непрерывно, и таким образом, его возвращают в резервуар гипертонического раствора 1; тогда как пермеат мембранной системы обратного осмоса представляет собой воду, которая может быть переработана для других целей на заводе.

Оригинальность мембранной системы непрерывного прямого осмоса в настоящей заявке включает нижеуказанное, но не ограничивается им:

1. Слой температурного барьера расположен снаружи мембранного модуля прямого осмоса. Из-за богатого содержания питательных веществ коровьего молока, чтобы сохранить концентрированное молоко свежим, система холодного концентрирования обычно не имеет оборудования для стерилизации; следовательно, температура должна строго контролироваться, чтобы она не превышала 20°С, чтобы предотвратить рост микробов и их распространение, а слой температурного барьера, предусмотренный в этой заявке, способствует контролю температуры.

2. Термометр предусмотрен в конце каждой стадии прямого осмоса (на выходе каждой стадии мембранного модуля прямого осмоса). Если показания термометра превышают 20°С, автоматическая система управления направляет продукт обратно по трубопроводу в резервуар для сырьевого материала с контролем температуры, а затем продолжит концентрирование после охлаждения, чтобы предотвратить перегрев концентрированного продукта и влияние на качество продукта.

3. Самое поразительное различие между переработкой молока и традиционной обработкой воды состоит в том, что обработка молока требует очень строгого контроля миграции ионов гипертонического раствора, чтобы гарантировать предупреждение миграции ионов гипертонического раствора в больших количествах, даже если мембрана повреждена. Следовательно, необходимо контролировать скорость потока так, чтобы давление на стороне гипертонического раствора всегда было ниже, чем на стороне сырого молока (свежего молока). Кроме того, влияние катионов гипертонического раствора на электропроводность раствора также очень велико. Настройка измерителей электропроводности позволяет осуществлять контроль электропроводности продукта для прямого осмоса каждой ступени системы в режиме реального времени. Как только регистрируется скачкообразное изменение показаний, это доказывает, что концентрирование не достигнуто и его необходимо отключить для проведения технического обслуживания.

4. Чтобы повысить гибкость процесса, трубопровод, который непосредственно достигает резервуара для продукта, сконструирован на выходе каждой мембраны прямого осмоса, так что готовые продукты различных концентраций могут быть сконцентрированы без изменения аппаратного обеспечения.

5. Для повышения надежности и чувствительности системы после каждой ступени модулей прямого осмоса может быть добавлен манометр и турбидиметр для облегчения мониторинга. Манометр используют для обнаружения загрязнения внутри мембраны и наличия заблокированного прохода. Турбидиметр используют для контроля содержания белка в гипертоническом растворе. Гипертонический раствор изначально находится в прозрачном состоянии. Если белок поступает в гипертонический раствор, гипертонический раствор становится мутным, и это изменение может быть быстро зафиксировано турбидиметром. Турбидиметр позволяет обнаружить поломку мембраны в первое время, и подать данные обратно на панель управления. Панель управления позволяет напомнить оператору о местонахождении неисправной мембраны, так что оператор может выполнить последующее отделение продукта, ремонт мембраны и другую последующую обработку. Таким образом, предотвращается вытекание сырого молока в сторону гипертонического раствора, или предотвращается протекание гипертонического раствора в сторону неочищенного молока.

Благоприятные эффекты

Способ концентрирования молочных продуктов на основе принципа прямого осмоса

Впервые в настоящей заявке применяется технология концентрирования с мембраной прямого осмоса в молочной промышленности в масштабе и используется прямой осмос для достижения непрерывного концентрирования в холодной среде для сложной органической системы. Посредством контроля разницы осмотического давления растворов на обеих сторонах мембраны прямого осмоса достигается многократное концентрирование целевого раствора; в то же время не вводят источник нагревания или сильное внешнее давление, так что основные питательные вещества и соотношение основных питательных веществ целевого раствора сохраняется, и влияние на вкус целевого раствора также намного ниже, чем влияние традиционного способа концентрирования с нагреванием. В то же время настоящая заявка оптимизирует выбор гипертонического раствора в процессе концентрирования прямым осмосом из множества параметров, таких как тип, концентрация и режим добавления гипертонического раствора. Методика концентрирования мембраной прямого осмоса, используемая в настоящей заявке, не вызывает значительной миграции ионов, и обеспечивается качество полученного концентрированного продукта.

Движущая сила процесса прямого осмоса обеспечивается разницей осмотического давления между гипертоническим раствором и жидкостью сырьевого материала. Гипертонический раствор является основным фактором, определяющим движущую силу процесса. Таким образом, выбор гипертонического раствора является одной из ключевых технологий в исследовании прямого осмоса. Идеальный гипертонический раствор должен иметь следующие характеристики: гипертонический раствор является нетоксичным и безвредным; гипертонический раствор позволяет обеспечивать высокое осмотическое давление для экстракции воды из сырьевой жидкости; гипертонический раствор имеет низкий обратный поток растворимого вещества; экстрагирующее растворимое вещество в гипертоническом растворе может быть легко отделено от воды и может быть переработано и использовано; и гипертонический раствор имеет очень высокую стабильность и не вступает в химическую реакцию с мембранными материалами. Чтобы лучше использовать технологию прямого осмоса в процессе концентрирования коровьего молока, поиск эффективного экстрагирующего растворимого вещества (то есть растворимого вещества, которое может быть хорошо растворимо в водном растворе, создавая высокое осмотическое давление, и позволяет уменьшить обратный поток растворимого вещества во время процесса прямого осмоса, облегчая рециркуляцию и повышая эффективности концентрирования) стал актуальной проблемой, которая должна быть решена.

Ввиду недостатков предшествующего уровня техники, настоящая заявка предлагает раствор для гипертонического раствора, подходящий для прямого осмоса концентрированного коровьего молока (конкретные параметры включают тип гипертонического раствора, концентрацию гипертонического раствора, способ добавления гипертонического раствора и т.д.), и применение гипертонического раствора при прямом осмосе концентрированного коровьего молока. Раствор для гипертонического раствора, описанного в настоящей заявке, увеличивает мембранный поток, тем самым повышая эффективность концентрирования, уменьшая обратный поток растворенного вещества и не вводя никаких иных примесей, кроме других компонентов молока, в сырое молоко. При этом раствор может быть переработан с помощью нанофильтрации или системы обратного осмоса, чтобы уменьшить сброс сточных вод и сделать процесс более экологически приемлемым и безопасным для окружающей среды.

По сравнению со способом концентрирования с мембраной обратного осмоса и способом концентрирования вымораживанием, технология мембранного концентрирования прямого осмоса, используемая в настоящей заявке, позволяет значительно увеличить кратность концентрирования молочного продукта, и в то же время уменьшить удельное энергопотребление, сократить эксплуатационные расходы и обеспечить техническую поддержку для создания новых молочных продуктов. Как известно, вымораживание является очень энергоемкой операцией и может нанести необратимый ущерб структуре продуктов. Кроме того, затраты на техническое обслуживание оборудования и эксплуатационные расходы, связанные с технологией концентрирования прямым осмосом, намного меньше, чем в технологии концентрирования обратным осмосом и традиционной технологии термического концентрирования.

Применение мембран для прямого осмоса в пищевой промышленности (особенно в молочной промышленности) значительно отличается от использования в традиционных отраслях промышленности, таких как очистка воды. Основной целью использования мембраны прямого осмоса в настоящей заявке является концентрирование, в то время как основной целью использования мембраны прямого осмоса в обычной промышленности по очистке воды является опреснение или отделение. Из-за разных основных целей их конструкции различаются, и конкретные параметры и этапы процесса также различны. В частности, благодаря точному контролю манометра система по настоящему изобретению гарантирует, что даже в случае повреждения мембраны гипертонический раствор не будет загрязнять молоко; этот уровень контроля точности не требуется для оборудования в других отраслях промышленности.

Основные различия между мембранными системами прямого осмоса по настоящей заявке и мембранными системами в других отраслях включают следующее: (1) слой температурного барьера расположен снаружи мембранного модуля прямого осмоса, так что процесс концентрирования удобен для регулирования температуры и предотвращает размножение большого количества микроорганизмов; (2) вся система концентрирования оснащена термометром (термометрами), манометром (манометрами) и измерителем (измерителями) электропроводности для строгого контроля показателей каждого звена; (3) существует четыре способа добавления гипертонического раствора, и предпочтительно установить два набора резервуаров с гипертоническим раствором, чтобы облегчить своевременную регулировку концентрации и дозирования гипертонического раствора; (4) для повышения эффективности концентрирования может быть проведено последовательное концентрирование и изократическое концентрирование несколькими комплектами мембранных модулей прямого осмоса; но не ограничиваются этим.

Непрерывная мембранная система прямого осмоса

Настоящая заявка относится к непрерывной мембранной системе прямого осмоса для использования в области концентрирования молочных продуктов, которая способна непрерывно обрабатывать свежее молоко и достигать масштабной обработки с концентрированием молочных продуктов. В то же время система обеспечивает соответствие микробных показателей, физических и химических показателей и диетических показателей концентрированных молочных продуктов требованиям соответствующих стандартов (поскольку коровье молоко представляет собой сложную органическую систему, питательную и чувствительную к процессу переработки, мембранная система прямого осмоса, используемая в водоочистных или других областях, полностью неспособна удовлетворить вышеупомянутые требования).

Применение мембранной системы прямого осмоса в области переработки молочных продуктов полностью отличается от применения в области традиционной обработки воды: миграция ионов гипертонического раствора должна контролироваться очень строго, гарантируя отсутствие миграции ионов гипертонического раствора в больших количествах даже при условии разрыва мембраны. Следовательно, необходимо контролировать скорость потока так, чтобы давление на стороне гипертонического раствора всегда было ниже, чем на стороне сырого молока (свежего молока). Кроме того, влияние катиона гипертонического раствора на проводимость раствора очень велико. Настройка измерителей электропроводности позволяет каждой ступени системы контролировать электропроводность продукта в режиме реального времени. Как только отмечается скачкообразное изменение показаний, это доказывает, что концентрирование не проводится и его необходимо остановить для проведения технического обслуживания.

Кроме того, мембранный модуль прямого осмоса в непрерывной мембранной системе прямого осмоса по настоящей заявке снабжен слоем с температурным барьером снаружи для строгого контроля температуры с целью предотвращения роста микроорганизмов в большом количестве (коровье молоко богато питательными веществами, но для сохранения свежести концентрированного молока система концентрирования в холодных условиях обычно не имеет специального стерилизационного оборудования).

Кроме того, чтобы повысить гибкость процесса, непрерывная мембранная система прямого осмоса по настоящему изобретению предпочтительно также предусматривает трубопровод, чтобы непосредственно достигать резервуара для продукта на выходе каждой мембраны прямого осмоса, так что готовые продукты различных концентраций могут быть сконцентрированы без изменения оборудования системы.

Чтобы повысить надежность и чувствительность системы, непрерывная мембранная система прямого осмоса согласно настоящей заявке также предпочтительно включает манометр и/или турбидиметр после каждой ступени модуля прямого осмоса с целью мониторинга. Манометр используют для обнаружения загрязнения внутри мембраны и для обнаружения наличия или отсутствия заблокированного прохода. Турбидиметр используют для контроля содержания белка в гипертонических растворах, так что в первое время можно обнаружить разрыв мембраны, чтобы предотвратить попадание сырого молока в сторону гипертонического раствора или предотвратить вытекание гипертонического раствора в сторону сырого молока.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Сырое коровье молоко, используемое в следующих примерах, соответствует стандарту GB 19301-2010. Общие показатели сырого молока и специфические показатели характеристик готового продукта из примеров приведены в таблице 7 этого раздела.

Пример 1

Способ приготовления концентрированного молока на основе мембранной технологии прямого осмоса, включающий следующее:

1) после того, как сырое молоко поступает на завод, сырое молоко подвергают физическим и химическим испытаниям, и сырое молоко, которое соответствует требованиям, фильтруют для удаления физических примесей;

2) сырое молоко очищают после временного хранения сырого молока, а затем сырое молоко охлаждают до 7°С и хранят;

3) сырое молоко направляют в мембранную систему прямого осмоса для обработки с целью получения концентрированного молока;

4) концентрированное молоко разливают, замораживают и пакуют в коробки для получения готового продукта.

На этапе 1 первичный фильтр имеет размер пор 1,00 мм, а вторичный фильтр имеет размер пор 0,50 мм.

Общее содержание сухих веществ в сыром молоке, полученном после окончания этапа 2, составляет от 11,5 до 13%.

На этапе 3 отношение скорости потока на стороне гипертонического раствора к скорости потока на стороне сырьевой жидкости мембраны прямого осмоса составляет 1:2.

На этапе 3 значение потока через мембрану колеблется между 0,8 и 1,5 л/м²/ч, когда система динамически изменяется.

На этапе 3 начальная концентрация гипертонического раствора составляет 12%, а когда концентрация снижается до 5-7%, неорганическую соль пополняют до тех пор, пока концентрация не вернется к 12%.

Мембранная система прямого осмоса, используемая на этапе 3, представляет собой пластинчатую мембрану с отношением площади мембраны к объему подачи 1:4.

После окончания этапа 3 общее содержание сухих веществ в концентрированном молоке составляет от 30 до 60%.

На этапе 3 температура сырого молока, поступающего в мембранную систему концентрирования прямого осмоса, не превышает 7°С, а температура на выходе не превышает 20°С.

Гипертонический раствор, используемый на этапе 3, представляет собой сульфат магния.

Пример 2

Способ приготовления концентрированного молока на основе мембранной технологии прямого осмоса, включающий следующее:

1) после того, как сырое молоко поступает на завод, сырое молоко подвергают физическим и химическим испытаниям, и сырое молоко, которое соответствует требованиям, фильтруют для удаления физических примесей;

2) сырое молоко очищают после временного хранения сырого молока, а затем сырое молоко охлаждают до 7°С и хранят;

3) сырое молоко направляют в мембранную систему прямого осмоса для обработки с целью получения концентрированного молока;

4) концентрированное молоко разливают, замораживают и пакуют в коробки для получения готового продукта.

На этапе 1 первичный фильтр имеет размер пор 1,00 мм, а вторичный фильтр имеет размер пор 0,50 мм.

Общее содержание сухих веществ в сыром молоке, полученном после окончания этапа 2, составляет от 11,5 до 13%.

На этапе 3 отношение скорости потока на стороне гипертонического раствора к скорости потока на стороне сырьевой жидкости мембраны прямого осмоса составляет 1:3.

На этапе 3 значение потока через мембрану колеблется между 0,5 и 1 л/м²/ч, когда система динамически изменяется.

После окончания этапа 3 общее содержание сухих веществ в концентрированном молоке составляет от 30 до 60%.

Начальная концентрация гипертонического раствора на этапе 3 составляет 20%, и концентрация гипертонического раствора не регулируется во время процесса концентрирования.

Мембранная система прямого осмоса, используемая на этапе 3, представляет собой половолоконную мембрану с отношением площади мембраны к объему подачи 1:2.

На этапе 3 температура сырого молока, поступающего в мембранную систему концентрирования прямого осмоса, не превышает 7°С, а температура на выходе не превышает 20°С.

Гипертонический раствор, используемый на этапе 3, представляет собой хлорид магния.

Пример 3