交叉流速度对使用双极膜电渗析和均相离子交换膜进行脱脂牛奶酸化过程的影响

《Journal of Food Engineering》：Impact of cross-flow velocity on skim milk acidification using bipolar membrane electrodialysis with homogeneous ion-exchange membranes

通过均质阳离子交换膜与双极膜组合的EDBM系统处理脱脂牛奶，研究发现提高横流速度至7.5 cm·s?1以上可有效抑制膜污染，维持电流密度稳定，并将酸化能耗降至1.0 Wh·kg?1以下。均质膜较异质膜表现出更优的抗污染性能，且膜材料特性在实验中未发生显著变化。

　　

作者：Arthur Merkel, You Wei Jia, Chao-Chin Hsu, George Q. Chen, Sandra E. Kentish, Petr K?i?ánek, Lilia Ahrné

丹麦哥本哈根大学食品科学系，地址：Rolighedsvej 26, 1958 Frederiksberg C

摘要

双极膜电渗析在食品和乳制品应用中越来越受到关注。本研究探讨了均匀阳离子交换膜与双极膜结合使用的方法，以增加脱脂牛奶的酸度并降低其离子强度。当交叉流速达到7.5 cm·s^?1或更高时，系统可以在阳离子交换膜的极限电流密度以下运行，从而实现较高的电流效率。在这种条件下，将牛奶的pH值从6.6降低到5.7所需的能量消耗约为1.0 Wh·kg^?1。与使用非均匀膜相比，均匀膜减少了污染现象，使得电流密度更加稳定。实验结束后，阳离子交换膜的面积电阻、离子交换容量和选择性均无变化，红外光谱分析也未发现任何明显的膜污染迹象。

引言

电渗析（ED）是一种利用离子交换膜和外加电场来选择性去除液体溶液中带电物质的电化学分离技术（Nagarale等人，2006年）。在乳制品加工中，电渗析的主要应用包括乳清的脱矿（Nielsen等人，2021年；Poitras等人，2025年），乳清是一种富含乳糖、蛋白质和矿物质的副产品；以及牛奶的脱矿（Andrés等人，1995年），用于生产特殊营养产品。乳清中过高的矿物质含量会负面影响口感、保质期以及后续的喷雾干燥等工艺（Merkel等人，2021年；Ozel等人，2022年）。电渗析能够有针对性地去除钠、钾、钙、氯离子和有机酸等离子，同时不会影响有价值的蛋白质和乳糖，从而提高产品质量并保留营养成分（Talebi等人，2020年）。双极膜电渗析（EDBM）技术的引入进一步拓展了传统电渗析系统的功能。双极膜由阳离子交换层（CEL）和阴离子交换层（AEL）组成，两者在界面处紧密结合（P?rnam?e等人，2021年）。在外加电场的作用下，水在界面处分解生成氢离子（H⁺）和氢氧根离子（OH^-），这些离子分别通过各自的层迁移（Deschênes Gagnon等人，2022年；Hopsort等人，2024年；Merkel等人，2025年），从而无需添加外部化学物质即可实现酸性和碱性流体的原位生成（Hopsort等人，2024年）。 在乳制品加工领域，EDBM不仅可以去除乳酸等有机酸，还能将其转化为有价值的酸性和碱性流体（Chen等人，2020年；El-Okazy等人，2024年）。这些副产品可重新用于加工和清洁过程，提高资源利用效率并减少环境影响。此外，EDBM还应用于酸乳清的中和（Kravtsov，2020年；Merkel等人，2018年）和牛奶的电酸化（Bazinet等人，2000年；Merkel等人，2024年），进一步拓展了其在乳制品加工中的应用范围。牛奶中的矿物质含量和成分变化，尤其是钙含量的变化，会影响其关键性能，并影响后续的蛋白质浓缩工艺（Barone等人，2025年；Merkel等人，2024年）。 影响EDBM系统性能的一个关键操作参数是交叉流速，即进料溶液沿电渗析堆栈内膜表面流动的速度。交叉流速直接影响传质效率、浓度极化和能量效率。尽管其在传统电渗析系统中的影响已得到充分研究（Al-Amshawee & Yunus，2023年；Strathmann，2010年），但对于交叉流速如何影响离子传输、酸化动力学和基于EDBM的牛奶电酸化过程中的膜稳定性，目前了解有限。这一知识空白尤为重要，因为牛奶是一种复杂的胶体系统，其蛋白质-矿物质相互作用和污染现象对流体力学条件的响应可能与简单电解质溶液不同。此外，优化交叉流速需要平衡传质效率与增加的泵送能耗，因此需要进行系统特定的评估（Ben Sik Ali等人，2018年）。有效控制浓度极化对于维持工艺效率和减少膜污染至关重要（Bazinet & Geoffroy，2020年；Enciso等人，2017年；Filingeri等人，2025年；Nichka等人，2020年）。 以往关于牛奶电酸化的研究仅考虑了非均匀膜。这类膜是通过将离子交换树脂颗粒嵌入聚合物基体中制成的。而均匀膜则由单一聚合物制成，其离子基团通过化学方式与聚合物主链结合，形成连续的离子交换凝胶（Sata，2004年）。均匀膜的成本较高，目前尚不清楚这种额外成本是否可以通过提高性能或减少污染倾向来得到合理化。 因此，本研究重点探讨了交叉流速对使用EDBM进行脱脂牛奶电酸化过程中离子传输、工艺性能和膜稳定性的影响，特别关注了均匀阳离子交换膜的应用以及脱脂牛奶作为复杂系统的特性。系统地改变了交叉流速，并评估了其对离子传输、酸化效率和膜污染的影响。通过电化学测量和膜表征，研究了操作条件对膜性能和耐久性的影响，为优化复杂食品基质中的EDBM工艺提供了依据。

实验部分

牛奶样品和试剂

实验使用了由a2 Milk Company Pty Ltd.（澳大利亚新南威尔士州）生产的商业巴氏杀菌脱脂牛奶（SM），其蛋白质含量为3.5%，脂肪含量为0.1%（w/v），pH值为6.6。所有样品均冷藏保存在3 ± 1 °C条件下。实验中使用的试剂包括硫酸钠（Na₂SO₄）、颗粒状氢氧化钠（NaOH）和36%（w/w）盐酸（HCl），均由Thermo Fisher Scientific Pty. Ltd.提供。

交叉流速对电流密度的影响

电酸化实验在6 V电压下进行，交叉流速（CFV）分别为5 cm·s^?1、7.5 cm·s^?1和10 cm·s^?1。由于双极膜（BM）的产生，牛奶的初始pH值从6.60逐渐降至5.70。EDBM系统的电流密度（CD）与进料溶液的交叉流速（CFV）相关（图2）。进料溶液的交叉流速增加会促进其在填充有隔板的通道内的湍流流动。

结论

实验结果表明，在较高交叉流速下，系统可以在阳离子K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺的条件下运行在极限电流密度以下，从而实现较高的电流效率。该过程的能量消耗与低交叉流速下的研究结果相当，但在高交叉流速下显著降低，为0.89–1.0 Wh·kg^?1。实验期间电流密度保持稳定，表明膜污染现象较轻。

作者贡献声明

Sandra E. Kentish：撰写、审稿与编辑、验证、概念设计。 George Q. Chen：撰写、审稿与编辑、监督、概念设计。 Lilia Ahrné：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目执行、资金筹措。 Petr K?i?ánek：撰写、审稿与编辑。 Chao-Chin Hsu：撰写、审稿与编辑、方法设计、实验研究。 You Wei Jia：撰写、审稿与编辑、数据整理。 Arthur Merkel：撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“The Platform for Novel Gentle Processing”的支持，该平台得到了“Dairy Rationalisation”基金（DDRF）、哥本哈根大学和Arla Foods的资助。 此外，本研究还得到了澳大利亚维多利亚州墨尔本大学的“The Dairy Innovation Research Hub”的支持。