纳滤技术在超滤酸乳清中乳糖纯化的效率研究：脱酸脱盐与浓缩工艺优化

《Journal of Food Engineering》：NANOFILTRATION EFFICIENCY IN THE PURIFICATION OF LACTOSE FROM ULTRAFILTERED ACID WHEY

本文探讨了采用纳滤（NF）技术从超滤酸乳清渗透液中纯化和浓缩乳糖的可行性。研究通过整合浓缩步骤与恒体积透析过滤（DF）步骤，开发了一种批处理纳滤工艺，实现了同步脱酸（乳酸去除）和脱盐（矿物质去除）。实验在pH 4.0、50°C条件下使用商用螺旋缠绕聚酰胺膜进行，结果表明该工艺能高效回收乳糖（纯度达95%，产率99.6%），同时获得乳酸与乳糖比率低于0.030 g/g的最终产品，脱盐效率达86%。跨膜通量优化至30 L/(m2h)时能耗最低（3.1 kWh/m3），但高通量会增加透析过滤步骤的耗水量。研究为酸乳清资源化提供了节能可行的技术路径。

　　

引言

酸乳清主要来源于高蛋白酸奶和酸凝奶酪的生产，与甜乳清类似，它是蛋白质和乳糖等有价值产品的潜在来源（de Souza等，2010；Kaur等，2020；Kravtsov等，2021；Blais等，2022；Casado-Coterillo等，2023；Roselli等，2024）。在甜乳清处理中，蛋白质通常通过超滤（UF）回收，而富含乳糖的渗透液则进行纳滤（NF）处理以进一步纯化。

材料

用作纳滤单元进料的溶液是通过将超滤甜乳清粉末（由意大利雷吉奥艾米利亚的Reire srl公司提供）和85-90% w/w的乳酸水溶液（意大利米兰Fisher Scientific公司）溶解在去离子水（电导率5.0 μS/cm，pH 4.7）中制备的。乳糖和电解质的浓度通过添加α-一水乳糖（意大利米兰Carlo Erba Reagents srl公司）和氯化钠（意大利米兰Merck SpA公司）进行调整。这些溶液的质量和组成经过严格控制以确保实验一致性。

工艺参数和相关方程

工艺参数的定义遵循图1b和图2的标注。为了开发用于乳糖脱酸和脱盐的膜工艺，需要表征后续各个步骤（NF或DF）以及集成工艺（NF+DF）分离效率的主要参数包括：浓缩液中的“乳糖纯度”、“乳糖回收率”、“乳酸去除率”和“脱盐率”（此处指所有电解质的去除）。

结果与讨论

本文讨论的所有结果均与表1中详述的测试A、B和C相关的实验条件有关。

结论

本实验研究证明了通过采用在宽跨膜通量范围内操作的两步浓缩-透析过滤纳滤工艺，从超滤酸乳清渗透液中纯化和浓缩乳糖的技术可行性。研究了通量对工艺性能的影响，包括产物流的质量和数量，以及能耗和耗水量。对工艺效率进行了评估，以量化乳酸和电解质的去除效果，并优化乳糖的回收。