具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

现有技术中采用反渗透浓缩牛奶存在投资大、能耗高、效率慢等问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种正渗透-反渗透联用牛奶浓缩装置，参阅附图1，所述装置包括储奶罐10，正渗透膜组件20和汲取液储罐30，其中，在所述储奶罐10上设置有生奶出口和浓缩牛奶入口；在所述汲取液储罐30上设置有第一汲取液入口、第一汲取液出口；正渗透膜组件20适用于对储奶罐10中输送的生奶进行正渗透处理；所述正渗透膜组件20，包括正渗透膜元件，设在所述正渗透膜元件两侧的牛奶循环单元和第一汲取液循环单元；牛奶循环单元设置有第一入口和第一出口，第一汲取液循环单元设置有第二入口和第二出口；所述第一入口与所述生奶出口相连；所述第一汲取液入口与所述第二出口相连，所述第一汲取液出口与所述第二入口相连。在该牛奶浓缩装置中，采用正渗透膜组件20来对储奶罐10中输送的生奶进行正渗透处理，不需要加热或冷凝，因此不会造成牛奶原始成分的破坏。同时，设备简单，且由于正渗透是依靠渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，因此能耗较低、投资成本低。此外，采用正渗透膜组件20对许多污染物几乎完全截留，分离效果好，膜污染低，不必频繁地对膜进行清洗，因此连续操作时间长，提高了浓缩效率。

在进一步实施例中，所述第一入口和第二入口分别设置在正渗透膜组件20相对的两侧。这使得生奶和汲取液的进料方式为错流，增加了正渗透膜两侧的生奶和汲取液的浓度差，相应增加了渗透差，从而使浓缩效率进一步提高。

在进一步实施例中，所述汲取液储罐30上还连接有反渗透膜再生装置。具体地，所述反渗透膜再生装置还包括：反渗透膜组件40和储水罐60，其中，在所述汲取液储罐30上设置有第二汲取液入口、第二汲取液出口；反渗透膜组件40适用于对所述汲取液储罐30中的汲取液进行反渗透处理；在所述反渗透膜组件40包括：反渗透膜元件，设在所述反渗透膜元件两侧的第二汲取液循环单元和清水循环单元；所述第二汲取液循环单元上设置有第三入口和第三出口，所述清水循环单元上设置有第四出口；储水罐60所述储水罐60上设置有入水口，适用于储存所述反渗透处理过程中产出的水；所述入水口和所述第四出口相连；所述第三入口与所述第二汲取液出口相连，所述第三出口与所述第二汲取液入口相连。汲取液在正渗透膜组件20中对生奶进行浓缩后，生奶中的小分子比如水会进入汲取液中，从而使其变稀。通过反渗透膜组件40能够对汲取液储罐30中的汲取液进行反渗透处理，使汲取液由稀转浓，以恢复较高的浓度，因而可以持续地用于对生奶进行浓缩处理，提高浓缩效果。

在进一步实施例中，所述储水罐60还设置有出水口，正渗透膜组件20还设置有清洗水出口，其中出水口与正渗透膜组件20中的清洗水入口相连。这样，当正渗透膜组件20长时间运行后，可以把反渗透处理过程中产生的水利用起来，节约水资源，而且通过对正渗透膜组件20的清洗可以提高正渗透的效率。

在进一步实施例中，所述正渗透膜为4040FO膜，正渗透膜组件20优选中空纤维膜组件、卷式膜元件或板框式膜组件。正渗透膜的作用原理如下：当位于正渗透膜两侧的生奶和汲取液形成有渗透压时，生奶中的小分子，如水，能从较低渗透压的生奶中通过具有选择透过性的正渗透膜流向较高渗透压的汲取液中，从而得到浓缩牛奶。

当然，所述正渗透膜的材料包括但不限于聚酰胺膜和/或醋酸纤维素均质膜。当然，可以在一个正渗透膜组件20中使用同一种正渗透膜，也可以在一个正渗透膜组件20中同时使用多种正渗透膜，具体结构并不限定，本领域技术人员都应理解，在此不再赘述。

在具体运行过程中，本领域技术人员可以根据生奶的处理量选择正渗透膜组件20的尺寸和数目，比如，上述装置中可以包括并列设置的多个正渗透膜组件20，正渗透膜组件20中也可以设置多个正渗透膜，以实现对不同处理量的牛奶进行浓缩处理。

在进一步实施例中，正渗透膜组件20的第一出口与储奶罐10中的浓缩牛奶入口相连。这样，通过将正渗透处理产生的浓缩牛奶返回至储奶罐10中，再将储奶罐10中混合的生奶和浓缩牛奶输送至正渗透膜组件20中进行正渗透处理，形成浓缩牛奶的循环回路，实现了对牛奶的连续循环浓缩处理，能够有效提供浓缩效果。本实施例中所采用单级间歇性循环浓缩方式对牛奶进行浓缩，相较与多级循环浓缩方式，更容易通过浓缩时间来控制牛奶的浓缩倍率，且装备投资少。

在进一步实施例中，所述反渗透膜组件40为卷式膜组件。反渗透膜的工作原理如下：对反渗透膜一侧的汲取液施加压力，使得压力超过汲取液的渗透压时，汲取液中的溶剂水即可通过反渗透膜分离出，从而在反渗透膜的低压侧得到透过的溶剂，即水；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩汲取液。

在进一步实施例中，该牛奶浓缩装置还包括第一泵11、第二泵31、第三泵32和第四泵61，其中第一泵11设置在第一出口与浓缩牛奶入口相连的管路上，第二泵31设置在第二入口与第一汲取液出口相连的管路上，第三泵32设置在第三入口与第二汲取液出口相连的管路上，第四泵61设置在出水口与入水口相连的管路上。通过串联在管路上的泵能够控制正渗透处理和反渗透处理的速度。另外，在第三出口与第二汲取液入口相连的管路上的调节阀50。通过该调节阀50能够控制反渗透处理中产生的浓缩汲取液的浓度。

在进一步实施例中，该牛奶浓缩装置还包括中央控制器和设置在汲取液储罐303内壁上的液位控制器，中央控制器用于对第一泵11、第二泵31、第三泵32及第四泵61进行开关电控制；液位控制器的检测信号输入端与汲取液储罐30相连，液位控制器与第三泵32的开关电连接。中央控制器使得采用本装置的工艺操作简便灵活，可根据处理的实际情况即开机关；而液位控制器则通过对汲取液储罐30中的液位进行检测，自行开启运行对汲取液进行反渗透浓缩，使得所述汲取液体积保证动态平衡，由于所述汲取液循环单元相对独立，与外界只有溶质交换，因此可以通过控制体积的动态平衡进而保证正渗透中汲取液的稀释速度与反渗透的浓缩速度平衡，从而达到生奶浓缩和汲取液循环利用的目的。

基于上述浓缩处理方法，本发明还提供一种正渗透-反渗透联用牛奶浓缩处理方法，所述处理方法包括：将生奶和汲取液输送至正渗透膜组件20中，形成牛奶循环单元和第一汲取液循环单元，利用所述汲取液对所述生奶进行正渗透处理，得到浓缩牛奶和汲取稀液。本处理方法通过利用汲取液对生奶进行正渗透浓缩，不需要加热或冷凝，因此不会造成牛奶原始成分的破坏。同时，设备简单，且由于正渗透是依靠渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，因此能耗较低、投资成本低。此外，采用正渗透膜组件20对许多污染物几乎完全截留，分离效果好，膜污染低，不必频繁地对膜进行清洗，因此连续操作时间长，提高了浓缩效率。

在进一步实施例中，在将汲取稀液返回至正渗透膜组件20的步骤之前，上述处理方法还包括，将汲取稀液输送至反渗透膜组件40中进行反渗透处理，得到浓缩汲取液和水；将浓缩汲取液返回至正渗透膜组件20中循环使用。在汲取稀液返回正渗透膜组件20之前，将汲取稀液进行反渗透浓缩处理可以得到高浓度的浓缩汲取液，然后再将浓缩汲取液输送至正渗透膜组件20中对生奶进行正渗透处理，高浓度的浓缩汲取液保证了浓缩牛奶循环回路更长时间的运行，使得牛奶的浓缩效果得到了进一步的提高。

在进一步实施例中，在反渗透处理的步骤之后，还包括将部分所述浓缩汲取液返回至正渗透膜组件20中循环使用，同时将剩余浓缩汲取液返回至反渗透膜组件40中循环处理。

在反渗透处理的步骤之后，将部分浓缩汲取液返回至正渗透膜组件20中，能够牛奶的正渗透浓缩处理回路的持续进行；而剩余浓缩汲取液返回至反渗透膜组件40中则形成了浓缩汲取液循环回路，两个循环回路保证了整个浓缩体系的持续进行，同时保证了生奶的持续浓缩和汲取液的循环利用。

在进一步实施例中，在正渗透处理过程中，汲取液和生奶的进料方式为逆流进料。生奶和汲取液采用逆流进料的方式，最大程度的保持了正渗透膜两侧溶液的浓度差最大，即正渗透膜两侧的渗透压差保持为最大，加快了浓缩的效率。其中，所述汲取液为蔗糖溶液。相较于传统离子型汲取液而言，即使有极小量进入牛奶端，不会出现盐反现象，也不会污染牛奶；另外，蔗糖分子量大，渗透压高，汲取效果佳。

在进一步实施例中正渗透处理和反渗透处理结束后，上述处理方法还包括采用反渗透处理步骤产生的水冲洗正渗透膜组件20和反渗透膜组件40的步骤。上述步骤合理利用了反渗透产生的水，避免了水资源得了浪费，而且冲洗后的正渗透膜组件20和反渗透膜组件40的渗透效果更好，有利于提高后续再次渗透处理的效率。

其中，所述正渗透处理和反渗透处理过程中的处理温度均为温度。上述处理过程在室温下即可进行，减少了能耗节约了成本。尤其是，正渗透处理在常温下进行，保证了牛奶的原始成分不会被破坏，保证了浓缩牛奶的营养成分和口感。

下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

将50kg生奶装入储奶罐中，生奶的初始浓度为0.8％Brix，生奶的初始浓度为12％固含量，将初始浓度为10.0％Brix的蔗糖水溶液汲取液装入汲取液储罐中，正渗透膜组件中设置有3支型号为4040的聚酰胺卷式正渗透膜。启动装置，测得正渗透膜的初始通量为5.6LMH，反渗透膜初脱除率为98％，反渗透膜初产水浓度为0.3％Brix，反渗透系统膜前压力70psi，反渗透膜系统回收率40％。装置运行7小时后，测得运行结束时，浓缩牛奶浓度为6.0％Brix，浓缩牛奶固含量50.2％，汲取液浓度为10.5％Brix，正渗透膜的通量为0.5LMH，反渗透膜脱除率为85％，反渗透膜产水浓度为1.2％Brix；产生浓缩牛奶12kg，即牛奶被浓缩4.2倍。

实施例2～9

实施例2～9在实施例1的基础上对反渗透系统压力、RO系统回收率、反渗透处理时间和汲取液作出调整。

实施例2，反渗透系统膜前压力100psi，装置运行时间6小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶11.6kg，浓缩牛奶固含量51.7％。

实施例3，反渗透系统膜前压力150psi，装置运行时间4小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶11.8kg，浓缩牛奶固含量50.8％。

实施例4，反渗透系统膜前压力225psi，装置运行时间3小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶11.6kg，浓缩牛奶固含量51.7％。

实施例5，反渗透系统膜前压力150psi,系统回收率50％，装置运行时间4小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶8.5kg，浓缩牛奶固含量70.6％。

实施例6，反渗透系统膜前压力150psi,系统回收率70％，装置运行时间4小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶7kg，浓缩牛奶固含量85.7％。

实施例7，反渗透系统膜前压力100psi,系统回收率40％，装置运行时间3小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶19kg，浓缩牛奶固含量31.5％。

实施例8，反渗透系统膜前压力100psi,系统回收率40％，装置运行时间4小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶16kg，浓缩牛奶固含量46.1％。

实施例9，反渗透系统膜前压力100psi,系统回收率40％，装置运行时间8小时，其他同实施例1，产生浓缩牛奶11kg，浓缩牛奶固含量54.5％。

对比例1

将50kg生奶装入储奶罐中，生奶的初始浓度为0.8％Brix，将生奶通过反渗透膜处理系统进行浓缩处理，该系统包含3支4040反渗透膜元件。启动装置，装置运行0.6h后，由于反渗透膜产水侧基本不出水，牛奶浓缩过程结束，得到浓缩牛奶7kg，即牛奶被浓缩7倍。

对比例1

将50kg生奶装入储奶罐中，生奶的初始浓度为12％固含量，将初始浓度为10.0％Brix的30升的蔗糖水溶液汲取液装入汲取液储罐中，正渗透膜组件中设置有3支型号为4040的聚酰胺卷式正渗透膜。启动装置，测得正渗透膜的初始通量为5.6LMH，装置运行7小时后，测得运行结束时，汲取液浓度为6.5％Brix，正渗透膜的通量为0LMH；汲取液体积为45L，产生浓缩牛奶35kg，浓缩牛奶固含量17.1％。

检测例

取实施例1制备的浓缩牛奶和对比例1中采用反渗透处理系统制备的浓缩牛奶进行感官评定实验，由30名专业感官评定员进行从色泽、香味、口感和挂杯四个方面进行感官评定，其中，色泽主要评价产品热处理的褐变程度，褐变程度高评分低；香味评价产品特有的牛乳香味；口感主要评价产品是否有涩感，涩感越强得分越低，挂杯主要评价产品的稀稠度，过稀和过稠均得分低。感官评定结果见表1所示；实施例1～9测试参数和牛奶固含量结果参见表2。

表1浓缩奶感官评定结果

表2实施例1～9测试参数和牛奶固含量结果

由以上实验结果可知，30名专业感官评定员对正渗透处理得到的浓缩牛奶的色泽、香味、口感、挂杯的分数分别是96.2、95.3、97.8、94.3，而采用反渗透处理得到的浓缩牛奶的色泽、香味、口感、挂杯的分数分别是91.7、90.3、92.7、89.5。由此可知，采用正渗透处理得到的浓缩牛奶的各项感官评价明显优于采用反渗透处理得到的浓缩牛奶。从表2中，可以看出采用正渗透-反渗透联用牛奶浓缩装置和处理方法能够获得更高浓度的浓缩牛奶。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。