Sữa tươi “ESL” có hạn dùng lạnh dài hơn sữa thanh trùng thường, bột whey protein 80% cho người tập gym, nước ép táo trong suốt, nước tinh khiết đóng chai, bia không cồn: tất cả đều có chung một công nghệ phía sau, đó là lọc màng. Đây là nhóm công nghệ tách vật lý giúp phân tách, cô đặc, làm sạch thành phần thực phẩm ở nhiệt độ thấp, không cần hóa chất.

Lọc màng là gì?

Lọc màng là quá trình dùng màng bán thấm và động lực (thường là chênh lệch áp suất) để tách các thành phần trong chất lỏng theo kích thước, hình dạng và điện tích. Dòng chất lỏng đi qua màng gọi là dịch lọc (permeate); phần bị giữ lại gọi là dịch cô (retentate hoặc concentrate).

Bốn loại lọc màng chính

  • Vi lọc (Microfiltration – MF): kích thước lỗ khoảng 0,1–10 µm, áp suất thấp (khoảng 0,1–2 bar). Giữ lại vi khuẩn, bào tử, cầu mỡ, tế bào, hạt lơ lửng; cho protein, đường, muối đi qua.
  • Siêu lọc (Ultrafiltration – UF): lỗ khoảng 0,01–0,1 µm, thường biểu diễn theo khối lượng phân tử giới hạn (MWCO) khoảng 1–100 kDa, áp suất khoảng 1–10 bar. Giữ lại protein, polysaccharide lớn, virus; cho lactose, muối, nước đi qua.
  • Lọc nano (Nanofiltration – NF): giữ lại phân tử khoảng 200–1.000 Da và ion hóa trị hai (canxi, magie, sulfate), cho ion hóa trị một (natri, clorua) và nước đi qua một phần; áp suất khoảng 10–40 bar.
  • Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO): gần như chỉ cho nước đi qua, giữ lại muối, đường, axit hữu cơ, hương; áp suất cao khoảng 30–100 bar để thắng áp suất thẩm thấu.

Lọc dòng chéo và lọc chặn đầu

  • Lọc chặn đầu (dead-end): chất lỏng chảy vuông góc với màng, cặn tích tụ nhanh; dùng cho lọc tinh, lọc vô trùng thể tích nhỏ.
  • Lọc dòng chéo (cross-flow, tangential flow): chất lỏng chảy song song bề mặt màng với tốc độ cao, cuốn trôi bớt lớp cặn; là cấu hình chính trong công nghiệp thực phẩm.

Cấu hình module màng

  • Xoắn ốc (spiral-wound): diện tích lớn, chi phí thấp, phổ biến cho UF, NF, RO trong ngành sữa.
  • Ống (tubular): chịu được dịch nhớt, có hạt.
  • Sợi rỗng (hollow fiber): diện tích lớn trên thể tích, dùng cho nước, nước ép.
  • Tấm khung (plate-and-frame).
  • Màng gốm: bền nhiệt, bền hóa chất, tuổi thọ dài; dùng nhiều cho vi lọc sữa.

Các khái niệm vận hành

  • Thông lượng (flux): lượng dịch lọc trên một đơn vị diện tích màng theo thời gian (L/m²·h).
  • Hệ số cô đặc thể tích (VCF): tỷ lệ thể tích ban đầu so với thể tích dịch cô.
  • Độ giữ lại (rejection): phần trăm một chất bị màng giữ lại.
  • Diafiltration (lọc rửa): thêm nước vào dịch cô rồi tiếp tục lọc để rửa trôi thêm lactose, muối, tăng độ tinh khiết của protein.

Tắc màng và vệ sinh

Phân cực nồng độ (chất bị giữ lại tích tụ ở sát bề mặt màng) và tắc màng (fouling: protein, khoáng, vi sinh vật bám vào bề mặt và lỗ màng) làm giảm thông lượng theo thời gian. Kiểm soát bằng cách tối ưu vận tốc dòng chảy, áp suất, nhiệt độ, tiền xử lý dịch, và chế độ vệ sinh tại chỗ (CIP) bằng kiềm, axit, enzyme phù hợp với vật liệu màng. Vệ sinh màng kém có thể dẫn đến màng sinh học và nhiễm vi sinh sản phẩm.

Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Ngành sữa (ứng dụng lớn nhất)

  • Vi lọc loại vi khuẩn: loại bỏ phần lớn vi khuẩn và bào tử trong sữa gầy, kết hợp thanh trùng nhẹ để sản xuất sữa ESL có hạn dùng lạnh dài hơn.
  • Tách casein và whey bằng vi lọc để sản xuất micellar casein, whey “nguyên bản”.
  • Siêu lọc whey: sản xuất whey protein cô đặc (WPC 35–80%); kết hợp diafiltration để tăng hàm lượng protein. Xem protein phân lập.
  • Siêu lọc sữa: sản xuất sữa cô đặc protein (MPC), sữa giàu đạm ít đường, phô mai UF, sữa chua Hy Lạp không cần tách whey.
  • Lọc nano: khử khoáng một phần whey cho sữa công thức trẻ em.
  • Thẩm thấu ngược: cô đặc sữa, whey trước khi sấy phun, giảm chi phí vận chuyển và năng lượng bốc hơi; thu hồi nước từ quá trình cô đặc.

Đồ uống

  • Làm trong nước ép (táo, nho, dứa) bằng UF, MF thay cho lọc bằng bột trợ lọc.
  • Cô đặc nước ép bằng RO ở nhiệt độ thấp, giữ hương tốt hơn cô đặc bốc hơi.
  • Bia và rượu vang: lọc trong, loại men, khử cồn bằng RO hoặc thẩm tích.
  • Nước: sản xuất nước tinh khiết, nước dùng trong chế biến.

Các ứng dụng khác

  • Tinh chế đường, siro, oligosaccharide; tách maltodextrin.
  • Thu hồi protein từ nước thải chế biến thủy sản, tinh bột, đậu nành.
  • Cô đặc protein thực vật, lòng trắng trứng.
  • Xử lý nước thải, tái sử dụng nước.

Ưu điểm và hạn chế

  • Ưu điểm: vận hành ở nhiệt độ thấp, giữ chất lượng; không cần hóa chất; tiết kiệm năng lượng so với bốc hơi; dễ mở rộng quy mô.
  • Hạn chế: tắc màng làm giảm năng suất; chi phí thay màng; giới hạn độ cô đặc do độ nhớt và áp suất thẩm thấu; cần hệ thống CIP tốt.

Câu hỏi thường gặp

Vi lọc có thay thế được thanh trùng sữa? Vi lọc loại bỏ phần lớn vi khuẩn nhưng không đảm bảo loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật gây bệnh, và chỉ áp dụng cho sữa gầy. Vì vậy vi lọc thường được kết hợp với thanh trùng, không thay thế hoàn toàn.

Siêu lọc và thẩm thấu ngược khác nhau thế nào trong sản xuất whey? Siêu lọc tách protein khỏi lactose và khoáng, tăng hàm lượng protein. Thẩm thấu ngược chỉ loại nước, cô đặc toàn bộ thành phần mà không thay đổi tỷ lệ giữa chúng.

Thuật ngữ liên quan