Filtration tangentielle membranaire - Séparation par membrane

Définition

La filtration membranaire est un procédé physique de séparation où la force de transfert est créée par la différence de pression entre les deux côtés d'une membrane.



En général, toute filtration membranaire industrielle est effectuée au moyen d’une filtration tangentielle (cross-flow), où le liquide à filtrer s'écoule, à fort débit et sous pression, parallèlement à la membrane (contrairement à la filtration frontale).

Cet écoulement tangentiel du fluide permet de limiter l'accumulation de matière généré par le gradient de pression au travers de la membrane.



Les principales applications sont développées dans le secteur laitier (30 à 40% du marché) pour la concentration des protéines du lactosérum et la standardisation du lait en protéines, mais aussi pour d'autre produit alimentaire: boissons (vins, bière, jus et concentrés de fruits et de légumes) et ovoproduits.

Principe - procédé

La filtration membranaire consiste à faire passer un débit d'entrée (d'un fluide) à travers un système constitué de membranes, et à le diviser en deux débits distincts connus sous les noms de perméat et rétentat. Le transfert de soluté fait intervenir différents mécanismes: convection - diffusion - migration. La membrane qui les sépare est une barrière physique possédant des caractéristiques spécifiques – Elle constitue un obstacle que seuls certains composants du flux d’alimentation peuvent traverser.



On distingue différentes opérations de séparation mettant en œuvre des membranes plus ou moins poreuses, classées selon la taille des particules retenues et du diamètre des pores de la membrane:



La micro-filtration ( 0.1 à 10µm, 0.1-1bars nécessaire): retiens les bactéries, les levures et les substances solides en suspension.



L' ultrafiltration (de 0.01 à 0.1µm, 1 à 10bar nécessaire): Sels,sucres, acides organiques et peptides de petite taille les traversent tandis que les protéines, les graisses, les polysaccharides ainsi que les virus sont rejetés.



La nanofiltration ( de 0.1 à 1 nm, 10 à 30bars nécessaire): La nanofiltration laisse passer de minuscules ions et rejette les ions de grande taille ainsi que la plupart des substances organiques.



L' osmose inverse: L'osmose inverse utilise la membrane la plus dense pour la séparation des liquides. En principe, l'eau est la seule matière qui peut la traverser. Toutes les autres (sels, sucres, etc.) seront rejetées.





Les membranes utilisées en MF, UF et NF sont des membranes poreuses organiques (à 90% des utilisations mondiales) ou inorganiques. Cependant, les membranes inorganiques occupent une place significative dans l'industrie alimentaire car leurs stabilités chimique et thermique permettent des conditions plus drastiques de nettoyage et de stérilisation pour assurer la sécurité hygiénique.

Les membranes sont constituées d'un support macroporeux, qui leur confère leur résistance mécanique, sur lequel est déposé la membrane filtrante active: film de polymère, zicone (ZrO2), etc.

Avantages du procédé

Les procédés à membrane sont devenus des outils industriels incontournables dans les technologie alimentaires depuis près de 3ans. les raisons de ce succès industriel sont multiples et relèvent de différents niveau de rupture avec la transformation alimentaire classique:



- Meilleure qualité des produit. La membrane ets un filtre physique, elle fonctionne sans ajouts de produits chimiques et constitue une barrière absolue pour beaucoup de composés. Pour les boissons, la filtration par membrane représente une sécurité en clarification et en qualité microbiologique par exemple (microfiltration pour l'épuration bactérienne du lait);



- Facilité d'intégration industrielle et fiabilité.



- Respect de l'environnement, réutilisation, gain de matière première: la séparation par membrane remplace souvent une ou plusieurs étapes polluantes. Par ailleurs, les opérations à membrane sont des outils de choix pour la récupération de matière alimentaire et le recyclage d'effluents.



- Innovation en matière de produit et de procédé: fabrication de produits intermédiaires ou finis répondant aux exigences tant de l'industrie alimentaire aux plans sécurité, nouveauté, diversité et qualité, que du consommateurs en matière de nutrition, diététique et valeur santé.



- Compétitivité du coût: la consommation énergétique de la microfiltration et de l' ultrafiltration tangentielle (1 à 15 kWh/m3), la nanofiltration (3 à 7 kWh/m3) et l' osmose inverse (9 à 40 kWh/m3) les rend particulièrement attractives pour concentrer de la matière sèche (lait, lactosérum, jus de fruits et de légumes) par opposition à l'évaporation sous vide (100kWh/m3 pour 5 effets) par exemple.

Inconvénients du procédé

Lors de la filtration tangentielle, les entités retenues par la membrane s'accumulent progressivement à la surface des membranes et altèrent les performances de la filtration. Cette altération des performances est due notamment à des phénomènes irréversibles, comme le colmatage de la membrane, qui demande alors de procéder à un nettoyage chimique ou mécanique contraignant. En effet, une séquence de nettoyage va durer plusieurs heures et inclut les phases suivantes: pré-rinçage, nettoyage à une ou plusieurs phases (alcaline, acide, enzymatique), inter-rinçage, désinfection, rinçage final.De plus ces opérations de nettoyage sont coûteuses:

- longue durée (2 à 3 heures de non productivité)

- efficacité non totale (dérive des performance dans le temps)

-forte consommation d'eau (50-100 m3/opération) et production d'effluents de nettoyage

- forte consommation d'énergie (chimique, mécanique, thermique).