專利名稱：乳清脫礦物質(zhì)的方法及由此得到的產(chǎn)物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及乳清脫礦物質(zhì)的方法，更具體而言，涉及用雙極膜電滲析使乳清脫礦 物質(zhì)的改進(jìn)方法，所述方法產(chǎn)生可再使用的副產(chǎn)物。
背景技術(shù)：
乳清是牛奶向干酪、干酪素或干酪素衍生物的轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)物。有必要利用該副產(chǎn) 物以減少需在純化裝置中處理的流出液的量。大多數(shù)乳清被干燥形成粉，所述粉被用在多 種應(yīng)用中，例如動(dòng)物混合飼料中?？色@得更高附加值的其他用途如在嬰兒配方食品或其他 食品應(yīng)用中的使用需要對(duì)乳清脫礦物質(zhì)。理論上，通過超濾或反滲透脫礦物質(zhì)應(yīng)是可能的，但反滲透太具專一性而超濾伴 隨著乳糖這一有價(jià)值的可回收糖的很大損失。實(shí)踐中已或單獨(dú)或組合地廣泛使用兩種不同 的方法即電滲析和離子交換來對(duì)乳清脫礦物質(zhì)。在電滲析中，溶液的離子化鹽在電場(chǎng)的作用下遷移通過可選擇性地透過陽離子和 陰離子的膜。該方法促進(jìn)離子的消除但產(chǎn)生含鹽流出液流。離子交換利用固相(樹脂)與液相(待脫礦物質(zhì)的產(chǎn)品)間存在的離子平衡。該 技術(shù)基于的是親和和排斥現(xiàn)象，根據(jù)這種現(xiàn)象，液體中不希望有的離子將留在樹脂的飽和 或失效段中，在再生階段過程中，所述不希望有的離子將被離子交換器事先已裝入的選定 離子所替代。需要大量的水、不得不使用大量再生劑且難以知道使用后如何處理這些試劑。美國(guó)專利4，138，501公開并要求保護(hù)一種組合使用電滲析和離子交換來處理乳 清的方法。所述方法需要兩個(gè)階段，初始階段包括電滲析，其后，經(jīng)部分地脫礦物質(zhì)的乳清 作為中間產(chǎn)物回收。中間乳清產(chǎn)物然后進(jìn)行離子交換，在離子交換中大多數(shù)剩余的礦物離 子被除去。如

圖1中所示，常規(guī)的乳清脫礦物質(zhì)方法100包括來自例如干酪或干酪素生產(chǎn)的 乳清源110。該乳清源110然后通過本領(lǐng)域公知的方法進(jìn)行預(yù)濃縮120，所述方法包括蒸發(fā)、 反滲透或納濾。預(yù)濃縮120后進(jìn)行常規(guī)的電滲析130，由此除去含鹽流出液160，電滲析的 產(chǎn)物繼續(xù)行進(jìn)至任選的離子交換140，其后進(jìn)行最終處理150，最終處理150包括但不限于 脫礦物質(zhì)乳清產(chǎn)物的蒸發(fā)、干燥和裝袋。遺憾的是，這些方法中任一種的使用均產(chǎn)生不易于處置的副產(chǎn)物。特別是產(chǎn)生含 從乳清中除去的鹽形式的礦物質(zhì)的副產(chǎn)物流。部分由于其高Cl和Na含量，該含鹽流將帶 來流出液處置問題。雙極膜電滲析也稱水分解(water slitting)，是從鹽流產(chǎn)生酸和堿溶液的有用方 法。在電場(chǎng)力下，雙極膜將高效地將水離解為氫離子(H+)和氫氧根(0H—)。雙極膜由以物 理或化學(xué)方式結(jié)合在一起的陰離子和陽離子交換層及其中水從外側(cè)鹽水溶液擴(kuò)散的非常 薄的界面形成。因此，存在對(duì)可實(shí)現(xiàn)乳清脫礦物質(zhì)但不導(dǎo)致處置成本很高或產(chǎn)生環(huán)境問題的副產(chǎn) 物的方法的需要。發(fā)明概述
已發(fā)現(xiàn)一種乳清脫礦物質(zhì)的方法，所述方法產(chǎn)生可使用的副產(chǎn)物，同時(shí)需要較少 步驟來生產(chǎn)乳清，并因此更經(jīng)濟(jì)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，乳清用雙極電滲析脫礦物質(zhì)，其可直接產(chǎn)生酸和堿性副產(chǎn) 物而同時(shí)顯著減少鹽流。本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用在雙極電滲析前提供了附加步驟，使用了一 種方法來軟化乳清，從而使雙極電滲析可直接應(yīng)用于工藝溶液而不用考慮硬度離子沉淀 (hardness precipitation)0在本發(fā)明的另一替代實(shí)施方案中，同樣的方法被應(yīng)用于需要脫鹽并也含一定程度 的礦物硬度離子的任何有機(jī)溶液。表現(xiàn)本發(fā)明特點(diǎn)的新穎性的各種特征將在附隨并構(gòu)成本公開的一部分的權(quán)利要 求書中具體指出。當(dāng)然可對(duì)本發(fā)明的各種組成部分加以改變和取代。本發(fā)明也涵蓋所述要 素中的子組合和子系統(tǒng)及使用其的方法。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在看附圖，這些附圖是示例性而非限制性的，其中相似的元件采用相似的標(biāo)號(hào)， 且為使示意清楚起見，并非所有標(biāo)號(hào)在每一附圖中重復(fù)標(biāo)識(shí)。圖1示意了本領(lǐng)域公知的常規(guī)乳清脫礦物質(zhì)方法。圖2示意了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的乳清脫礦物質(zhì)方法。發(fā)明詳述這里在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中用到的近似語言可用于修飾任何可容許改變 而不導(dǎo)致與其相關(guān)的基本功能的改變的定量化表示。因此，被術(shù)語如“約”所修飾的值不限 于所指定的精確值。在至少一些情況下，近似語言可對(duì)應(yīng)測(cè)定該值儀器的精度。范圍界限 可組合和/或互換，這樣的范圍被確定并包括其中包括的所有子范圍，上下文或語言另有 指出除外。除工作實(shí)施例中或另有指出之處外，說明書和權(quán)利要求書中使用的關(guān)于成分的 量、反應(yīng)條件等的所有數(shù)或表達(dá)均應(yīng)理解為在所有情況下均受術(shù)語“約”的修飾。本文中用到的術(shù)語“包含”、“含”、“包括”、“具有”等或其任何其他變型意指非排他 性包括。例如，包含一系列要素的工藝(process)、方法(method)、制品或裝置不一定僅局 限于這些要素，而是可包括未明確列出或這類工藝、方法、制品或裝置所固有的其他要素。已發(fā)現(xiàn)一種產(chǎn)生可使用的副產(chǎn)物流的乳清脫礦物質(zhì)的方法。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案， 使用了雙極電滲析，其可實(shí)現(xiàn)酸和堿從鹽流的回收。但在應(yīng)用雙極電滲析之前，使用了一種 方法來通過除去鈣和鎂硬度離子而軟化乳清，從而使雙極滲析可直接應(yīng)用于工藝溶液，從 而使乳清脫礦物質(zhì)。這產(chǎn)生三種有價(jià)值的產(chǎn)物和產(chǎn)物流脫礦物質(zhì)乳清、稀酸和稀堿。所有 這些流均可用在進(jìn)一步的方法中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，乳清首先進(jìn)行經(jīng)由陽離子交換步驟而軟化的處理。 在陽離子軟化器中，乳清通過從乳清中除去Ca和Mg而軟化。乳清被裝進(jìn)含樹脂的柱中，所 述樹脂具有以Na離子取代Ca和Mg離子的性質(zhì)。離子交換在本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的條件包括流率和樹脂床密度下操作。離子交換 法可在約4到約50°C的溫度、優(yōu)選約10到約20°C的溫度下進(jìn)行。處理時(shí)間可在約1到約 6小時(shí)范圍內(nèi)。該方法的一個(gè)實(shí)施方案在軟化乳清以除去硬度離子后提供了第二步驟，其中所得 乳清產(chǎn)物然后經(jīng)過雙極電滲析。雙極電滲析也稱水分解，可高效地離解水為氫離子(H+)和
4氫氧根(0H_)離子。通過使用雙極電滲析作為第二步驟，乳清被脫礦物質(zhì)，被除去的礦物離 子以適于再使用或回收的稀酸和稀堿形式被收集。在雙極電滲析中，通過在常規(guī)電滲析池內(nèi)放置雙極膜得到三隔室池。將陰離子和 陽離子交換膜置于雙極膜的每一側(cè)以形成三隔室。三隔室包含雙極膜與陰離子交換膜間的 酸、雙極膜與陽離子交換膜間的堿及陽離子和陰離子交換膜間的乳清。如在常規(guī)電滲析堆 中一樣，一個(gè)堆中可安裝許多池，歧管系統(tǒng)可對(duì)所有相應(yīng)的隔室平行進(jìn)料，從而在堆中產(chǎn)生 三個(gè)回路酸、堿和乳清產(chǎn)物。在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方案中，雙極膜用在經(jīng)軟化的乳清上以對(duì)其脫礦物質(zhì)。在脫 礦物質(zhì)方法中，鈉(Na)、氯(Cl)和其他礦物離子從乳清溶液中除去。在雙極法中，在電場(chǎng)的 影響下，水在雙極膜中離解形成氫氧根離子和氫質(zhì)子。在本文要求保護(hù)的方法中，Na與水 的氫氧根流結(jié)合形成氫氧化鈉而氯與氫結(jié)合形成鹽酸。本文公開的方法的結(jié)果是以前的流 出液流被稀酸和堿流所替代。其可收集并再使用或回收，用途的實(shí)例包括但不限于再生離 子交換柱、原位清洗程序和中和。工作溫度應(yīng)在約5到約60°C范圍內(nèi)，更具體而言約20到 約50°C。流經(jīng)所述單元的流率可在約5到約30立方米每小時(shí)范圍內(nèi)。該組合的兩步法的 使用可使礦物質(zhì)的脫除高達(dá)約90%。與本行業(yè)中及本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法相比，使用包括陽離子交換以軟化乳清 及隨后雙極電滲析以脫礦物質(zhì)的兩步法將實(shí)現(xiàn)若干優(yōu)勢(shì)。具體而言，由于雙極電滲析產(chǎn)生 截然不同的稀流出液流即稀酸和稀堿流，故不再需要進(jìn)一步的處理步驟，這因此使本發(fā)明 的方法更經(jīng)濟(jì)、更生態(tài)友好(因?yàn)橛秒姼?且更省時(shí)。現(xiàn)在看圖2，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的改進(jìn)的乳清脫礦物質(zhì)方法 200。提供乳清210，并且乳清210可來自多種來源包括干酪或干酪素生產(chǎn)。乳清210經(jīng)歷 濃縮220以便乳清的總固含量從約18%變?yōu)榧s24%。這樣的濃縮220可通過多種可能的 方法實(shí)現(xiàn)，包括但不限于蒸發(fā)、反滲透或納濾。濃縮乳清隨后行進(jìn)至也向其中加入氯化鈉鹽 水240的陽離子軟化器230。軟化器以氯化鈉鹽水240中提供的鈉替代濃縮乳清中的鈣和 鎂。鈣和鎂以氯化鈣和氯化鎂的形式從軟化器230除去并作為含鹽流出液行進(jìn)至進(jìn)一步處 理，例如在污水處理裝置中。注意，在一個(gè)替代的實(shí)施方案中，可切換濃縮和軟化步驟的順 序使得軟化可先于濃縮進(jìn)行。經(jīng)軟化的乳清產(chǎn)物行進(jìn)至雙極電滲析(ED) 260。水270也直接進(jìn)給到雙極ED中， 在這里，約40到約90 %的礦物灰分被除去。此外，在雙極ED方法過程中產(chǎn)生稀酸275和稀 堿285廢物流。稀酸流275包含HCl且含量為約2到約5%重量，稀堿流285包含氫氧化 鈉且含量為約2到約5%重量。這些稀流可被回收或以其當(dāng)前形式再使用。在雙極ED 260 后，乳清流可隨后經(jīng)歷離子交換精加工器280的進(jìn)一步步驟以使乳清礦物質(zhì)的脫除增至高 達(dá)約95%。其后，脫礦物質(zhì)乳清經(jīng)過最終處理290，所述最終處理包括例如但不限于蒸發(fā)、 干燥和裝袋。在本發(fā)明的另一替代實(shí)施方案中，可將此方法拓展到其他應(yīng)用，具體而言，同一方 法可應(yīng)用于任何需要脫鹽并也含一定程度硬度離子的工藝溶液。產(chǎn)物可進(jìn)行離子交換以減 少或除去硬度離子并然后隨后進(jìn)行雙極電滲析以對(duì)產(chǎn)物脫鹽。雖然結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員可 在不偏離本發(fā)明的技術(shù)范圍的前提下對(duì)這些實(shí)施方案作各種改變或替換。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍不僅涵蓋上述那些實(shí)施方案，而且涵蓋落在附隨的權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有那些實(shí) 施方案。
權(quán)利要求
一種乳清脫礦物質(zhì)的方法，所述方法包括a)利用陽離子交換軟化乳清；和b)對(duì)步驟a的產(chǎn)物進(jìn)行雙極電滲析。
2.權(quán)利要求2的方法，所述方法產(chǎn)生稀堿和稀酸副產(chǎn)物流。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述軟化從乳清除去鈣和鎂。
4.權(quán)利要求2的方法，其中所述副產(chǎn)物流包含氫氧化鈉和鹽酸。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述陽離子交換在約4到約50°C的溫度下進(jìn)行。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述陽離子交換在約10到約20°C的溫度下進(jìn)行。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述脫礦物質(zhì)方法可使礦物質(zhì)的脫除高達(dá)約90%。
8.權(quán)利要求2的方法，其中所述流出液流被再使用。
9.權(quán)利要求2的方法，其中所述流出液流被回收。
10.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括濃縮步驟，其中所述乳清在軟化前經(jīng)濃縮。
11.權(quán)利要求1的方法，所述方法包括在所述雙極電滲析之后使所述乳清經(jīng)過離子交 換精加工器。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述脫礦物質(zhì)水平高達(dá)約95%。
13.一種乳清脫礦物質(zhì)的方法，所述方法包括a)濃縮所述乳清；b)軟化所述濃縮乳清；c)對(duì)所述經(jīng)軟化的濃縮乳清進(jìn)行雙極電滲析；d)使來自c)的乳清產(chǎn)物經(jīng)過離子交換精加工器以產(chǎn)生最終的脫礦物質(zhì)乳清；和e)對(duì)d)的脫礦物質(zhì)乳清進(jìn)行蒸發(fā)、干燥和裝袋。
14.按權(quán)利要求13的方法生產(chǎn)的脫礦物質(zhì)乳清產(chǎn)品。
15.一種將產(chǎn)品脫鹽并降低產(chǎn)品硬度的方法，所述方法包括a)對(duì)所述產(chǎn)品進(jìn)行離子交換方法，和b)隨后對(duì)步驟a的產(chǎn)物進(jìn)行雙極去離子作用。
全文摘要
已發(fā)現(xiàn)一種產(chǎn)生可使用的副產(chǎn)物流的乳清脫礦物質(zhì)方法，所述方法包括軟化乳清，并然后對(duì)所述軟化乳清進(jìn)行雙極電滲析以回收有價(jià)值的副產(chǎn)物和產(chǎn)物流脫礦物質(zhì)乳清、稀酸和稀堿。
文檔編號(hào)A23C9/14GK101883495SQ200880119704
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者B·T·巴徹爾德 申請(qǐng)人:通用電氣公司