过滤感应：清洗机原理

工程创新通常表现为渐进式提升。偶尔，也会实现飞跃式突破。一个恰当的例子：清洗机。自 2022 年 9 月推出以来，两款新型 GEA 软件解决方案正在颠覆传统，并在资源密集型的膜过滤工艺中实现同样显著的效率提升。

多年来，乳清蛋白质的命运发生了变化。数千年来，它在很大程度上被视为奶酪制作工艺中的废弃副产品。现在情况不同了。如今，它被各个年龄段的消费者视为一种便捷的生物可利用蛋白质来源，用于增强肌肉、控制体重或支持骨骼、免疫和皮肤健康，这只是它的部分益处。需求激增。截至 2022 年，全球乳清蛋白质市场价值接近 200 亿美元，预计到 2032 年将翻一番。

为了满足需求，需要通过一种称为膜过滤的工业工艺生产足够的乳清蛋白质，这一工艺对于确保许多食品的质量和安全至关重要。膜过滤技术广泛应用于食品、乳制品和饮料生产中，用于净化水；澄清葡萄酒、啤酒和果汁；分离大豆或乳制品蛋白质（如乳清）。此外，该技术还用于分离鱼胶原蛋白，这是另一种越来越受健康意识消费者青睐的成分。

GEA 的 Smart Filtration CIP 和 Flush 是数字化解决方案，可优化 GEA 膜过滤装置（反渗透）内的清洗工艺。（图片：GEA）

膜过滤是众多过滤技术之一，其独特之处在于这是一种压力驱动工艺，通过物理方式分离物质，从而减少对热处理（例如加热）、化学处理（例如添加剂）或 pH 值调节的需求，这使其成为食品和饮料加工的理想选择。如果存在缺点，那就是需要彻底清洗膜以去除积垢并确保高效运行。在典型的乳清蛋白质工厂，每天会对其过滤设备进行一次原位清洗 (CIP) 循环，这是一个资源密集型步骤，会消耗总电力的 10% 到 20%，而在许多情况下，会消耗过滤生产循环中 100% 的水。随着市场对资源效率更高的膜过滤技术需求日益增长，GEA 工程师将 CIP 工艺视为提升可持续性的重要突破口。他们决定深入探究并重新思考这一工艺。最终取得了显著的成果。

灵光一现

从 2020 年开始，GEA 工程师 Nils Mørk 和 David Mikkelsen 以及 GEA 膜过滤技术能力中心的团队开始研发两款数字化解决方案，如今已大幅减少膜清洗期间所需的水和电。目前，这两款解决方案的专利正在申请中。“可以说，我们的灵感来源于清洗机，”Mørk 笑着说道。如今的节能洗衣机并不会连续搅动衣物，而是通过间歇性静止来节省电力 – 这一理念启发了团队，促使他们开发出 Smart Filtration CIP 解决方案以替代标准 CIP 工艺。“数十年来，过滤膜清洗工艺一直采用持续的高压，以确保产生高剪切力和强劲的冲洗流，从而实现最佳的机械清洗效果，”Mørk 解释道。“我们挑战了传统观念，质疑是否必须始终保持高剪切力才能确保高效彻底的清洗。”最终，其突破性成果是使用软件使压力泵进行脉冲式运行，而不是连续运转。“事实证明，我们在保持 CIP 工艺效果的同时，显著降低了电力消耗。”

GEA 膜过滤技术能力中心的团队共同研发了 Smart Filtration CIP 和 Flush。（图片：GEA）

“显著”一词可能都不足以形容这一成就。在保持相同清洗效率的情况下，Smart Filtration CIP 软件可将能量输入降低高达 46%。对于每天进行一次 CIP 循环的大型乳清蛋白质工厂来说，这意味着每天可节省高达 400 kWh 的电力，每年可节省近 150,000 kWh 的电力，这足以供约 40 户德国家庭一年的用电需求。

此外，脉冲式清洗循环需要更少的能量来维持温度，这意味着在 CIP 期间需要更少的冷却水。“如果不增加 400 千瓦的电能，就无需再排除 400 千瓦的热量，”GEA 膜过滤技术技术销售经理 Mads Bjerre Andersen 说道。“这是另一个提升效率的典型例子，正因如此，许多客户回头选择 GEA 解决方案，因为我们的运营支出 (OPEX) 现在比竞争对手低得多。”

Smart Filtration CIP 的配套软件是 Smart Filtration Flush，可控制过滤设备的冲洗。“传统方法是根据用水量来确定冲洗循环的时间。这一方式基于历史数据，始终是一个近似值，因此并不理想，”Mikkelsen 解释道。得益于现代传感器技术，团队开发的新软件可实时测量产品属性，让操作员精确判断何时各个工艺流已被彻底冲洗。一旦获得理想结果，该工艺就会停止冲洗。“冲洗时间和水量可以根据实际在线测量值进行优化，而不是使用的水量，”Mikkelsen 说道。

同样，结果令人印象深刻。与传统膜过滤系统相比，该软件可将 CIP 期间的淡水消耗量减少高达 52%。“典型的乳清蛋白质浓缩工艺需要配备两到四个互联的过滤设备，每个清洗循环需要超过 100,000 升水，”Mikkelsen 解释道。“如今，我们的工厂测试数据表明，在大型工厂中，每次清洗可节省高达 50,000 升水，而在小型生产中，每次 CIP 可节省 500 至 700 升水。”使用该软件，一个大型工厂每天可节省高达 100,000 升水，每年可节省约 3600 万升水，相当于约 400 户德国家庭一年的用水量。“更高效的冲洗也意味着 CIP 所需的时间更短，从而可以延长生产正常运行时间，”Mikkelsen 说道。“此外，减少取水量也降低了废水系统的液压负荷。”

位于德国北部的 Ammerland 乳制品厂每天生产超过 400 吨的奶酪和其他产品。

数字化赋能

这一突破性创新是数字化释放资源节约潜力的典范，也是 GEA 2030 年使命战略的核心目标之一。通常，资源节约通过逐步提高效率实现；在这种情况下，它更像是一种飞跃。“有时候，你会像我们一样找到解决方案，你会意识到，只要认真审视现有工艺，就能在大幅降低用电量和用水量的同时保持高效运行，”Mikkelsen 说道。“数字化对于我们来说是一种助力。我们现在可以从泵、流量计和其他工艺仪器中获取更多信息，了解不同速度和不同泵对用电量和用水量的实际影响。这不仅消除了传统工艺中的猜测成分，还为客户提升成本和资源效率提供了极大空间。”

GEA 团队最近在位于德国北部的 Ammerland 乳制品厂安装了 CIP 和 Flush 软件。Ammerland 是全球最大、最现代化的乳制品合作社之一，每天生产 400 吨奶酪、60 吨黄油和 160 吨奶粉，其中一半产品出口至 60 多个国家。2024 年 4 月，Ammerland 在其位于 Wiefelstede 的生产基地将 GEA 的 Smart Filtration CIP 和 Flush 软件改装到三台膜过滤设备上，以优化膜过滤清洗。其中包括一台非 GEA 供应商的膜过滤设备。截至 2024 年 11 月，Ammerland 已将 CIP 工艺的用水量减少 48%，能耗减少高达 77%。

“考虑到全球范围内运行的错流膜过滤设备数量。其潜在的能源节约和环境影响是巨大的，”Mørk 说道。“´很高兴看到这款数字化解决方案对能源消耗产生如此深远的影响。”