Dairy Sci. Technol. 89 (2009) 363-385
DOI: 10.1051/dst/2009018

On the origin of flux dependence in pH-modified skim milk filtration

Murielle Rabiller-Baudry^{1, 2}, Habib Bouzid^{1, 2, 3}, Bernard Chaufer^{1, 2}, Lydie Paugam^{1, 2}, David Delaunay^{1, 2}, Omar Mekmene⁴, Sarfraz Ahmad⁴ and Frédéric Gaucheron<sup>4

1</sup>  Université Rennes 1, UMR CNRS 6226, Sciences Chimiques de Rennes, CS74205, Case 1011, 35042 Rennes Cedex, France
²  Université Européenne de Bretagne, France
³  Université de Mostaganem, Département de Chimie, Faculté des Sciences et Sciences de l'Ingénieur, BP 227 Route de Bel-Hacel, 27000 Mostaganem, Algeria
⁴  INRA, UMR1253, Sciences et Technologie du Lait et de l'Œuf, 65 rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes Cedex, France

Received 31 October 2008 - Accepted 3rd April 2009 - / Published online 29 May 2009

Abstract - The aim of this study was to contribute to identify the physico-chemical origin of flux variations, namely the limiting flux (maximum) and the critical flux (sustainable), in ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) of skim milks modified by addition of HCl or NaOH. Both the limiting and the critical fluxes varied in a nonpredictable way with pH but with close similar trends in UF, NF and RO, highlighting the leading role of the fluid behaviour. Physicochemical characteristics of caseins, such as size and electrophoretic mobility, were measured in the pH range 1.9–11.5 and were correlated to fluxes in UF and to a less extent in NF and RO. Available data on the electrophoretic mobility of -lactalbumin and -lactoglobulin allowed to suggest that serum proteins would also participate in the flux variations with a possible specific impact of -lactalbumin as an internal foulant in UF. The role of calcium and inorganic phosphate over the wide pH range was discussed by taking calculated salt equilibrium of milk as a function of acidic pH using a new software and new additional analyses in alkaline media. Results underlined the determining role of Ca²⁺ in the inorganic irreversible fouling of organic membranes allowing proposal of a simplified cleaning protocol over a wide pH range between 6.7 and 11.5.

Résumé - Sur l'origine de la dépendance des flux en filtration de lait écrémé à pH modifié.
L'objectif de cette étude était de contribuer à identifier les origines physico-chimiques des variations des flux critiques (maximum) et limites (durables) en ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) et osmose inverse (OI) de laits écrémés modifiés par ajout de HCl ou NaOH. Les flux limites et critiques variaient de façon imprévisible en fonction du pH mais avec des tendances similaires en UF, NF et OI, soulignant le rôle déterminant du fluide. Les caractéristiques physico-chimiques des caséines (taille, mobilité électrophorétique) ont été mesurées pour des pH entre 1,9 et 11,5 et corrélées aux variations de flux en UF et dans une moindre mesure en NF et OI. Les données disponibles sur la mobilité électrophorétique de l'-lactalbumine et la -lactoglobuline permettent de supposer que les protéines sériques participent également aux variations de flux avec un impact spécifique de l'-lactalbumine comme colmatant interne en UF. Le rôle des minéraux (calcium et phosphate inorganique) a été appréhendé en utilisant un logiciel de calcul des équilibres salins en milieu acide, et analyses complémentaires en milieu alcalin. Les résultats soulignent le rôle déterminant de Ca²⁺ dans le colmatage irréversible des membranes organiques, permettant finalement de proposer un protocole simplifié de nettoyage pour une large gamme de pH entre 6,7 et 11,5.

Key words: ultrafiltration / nanofiltration / reverse osmosis / limiting flux / critical flux

Mots clés : ultrafiltration / nanofiltration / osmose inverse / flux limite / flux critique

Corresponding author: murielle.rabiller-baudry@univ-rennes1.fr

© INRA, EDP Sciences 2009