奶粉是婴儿配方食品中的一个重要配料，并被广泛应用于各种烘焙食品和糖果产品中。奶粉加工是一条包括了牛奶浓缩和干燥过程的能源密集型流程链。慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员正在研究更节能的牛奶浓缩物的制作方法。

而他们已经得到了令人满意的结果：通过结合不同的膜分离过程，他们已经成功将牛奶浓缩所需要能量减少了20%左右。

在德国，几乎一半的牛奶都用来生产奶粉，每年大概是83万吨。牛奶行业25%的能源消耗用于奶粉和乳清生产。慕尼黑工业大学的研究人员一直在寻找奶粉生产链中不同工艺阶段的节能方法。

在这个工艺链中，牛奶和乳清先被浓缩成原体积的百分之十。除了使用传统的方法加热和蒸发乳制品，该行业也配置膜分离操作，比如反渗透和纳滤。浓缩液中残留的水分通过干燥过程去除。尽管这个过程中会有很少量的水残留，干燥过程占到了总能耗的50%。

研究人员已经表明在预浓缩阶段可以节约大量的能源。项目负责人、慕尼黑工业大学食品加工工程和乳品工艺主席Ulrich Kulozik教授解释说，“与常规蒸发方法相比，反渗透和纳滤可以减少两到四倍的能耗。”

这两个过程与特殊的膜相关，该膜在允许水通过的同时保留了几乎所有的乳和乳清成分。然而有一个明显缺点，即溶解的物质例如盐和乳糖的浓度会随着更多的水被除去而增加。蛋白质也会“堵塞”膜，并减少了被除去水的数量。

“因此，使用反渗透技术我们仅能使干物质含量达到35％，” Kulozik详细阐述道。 “我们真正需要的是更高比例的干物质，因为这可以减少在随后的蒸发和干燥步骤中需要被除去的水量。这将进一步削减在初始浓缩阶段的能耗。”然而为获得更高浓度的浓缩物，机器将不得不在更高压力下运行，这反过来就需要消耗更多的能量。

Kulozik教授和他的团队已经能够通过结合三种不同的膜分离过程来解决这个问题：超滤、反渗透和纳滤。

研究人员首先用超滤从液体中去除蛋白质。溶解的成分随后可以利用反渗透和纳滤浓缩。用这种方式除去蛋白质将反渗透和纳滤速度加快了2至5倍。反渗透和超滤的这种组合比反渗透的能效提高了20％。蛋白质和溶解成分可以在工艺链的后续阶段被重组。

慕尼黑工业大学团队还能通过串联使用超滤和纳滤过程使干物质的量增加一倍。 “我们能够证明，膜分离技术的正确组合可以显著提高奶粉和乳清的生产效率，” Kulozik补充道。“我们的目标是在蒸发和干燥之前，获得尽可能高的牛乳浓度。”

奶粉的货架期长达两年。而直到现在，牛奶浓缩液最多只能保持十天的新鲜。慕尼黑工业大学的研究人员也在寻求延长贮存期的方法。 “我们探索各种浓缩液的加热工艺，以延长牛奶浓缩物的货架期，使之在未来成为一个有吸引力的奶粉替代品。”Kulozik教授解释说。

研究人员已能够将干物质含量为30％的牛奶浓缩物在10摄氏度以下保存数周而不会影响产品质量。“浓缩物的主要优点是，它们仍然是液体，因此它们不需要再次被溶解在水中，”Kulozik教授说。“而且因为没有涉及到干燥过程，它们也节约了很大的能源和成本。”

Kulozik教授的研究小组正在与Martin Grunow教授的生产和供应链管理小组合作研究牛奶浓缩物的益处。他们正在评估与粉末相关的浓缩液的价值潜力，同时也评估行业内的市场需求和物流要求。这里的焦点是可持续发展和气候足迹，而团队将使用生态平衡软件来衡量不同技术的性能。两家乳品公司也正与慕尼黑工业大学团队合作研究该项目。