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RÉSUMÉ
Les opérations de séparation par membrane mettent en œuvre des technologies performantes, fiables et économiques, à condition que le procédé soit adapté. Cet article se veut une présentation complète des connaissances nécessaires à l’ingénieur pour effectuer le bon choix parmi toutes les technologies existantes. Sont détaillés entre autres les principes et fonctionnements des procédés de séparation par membrane dense, par membrane poreuse et les bioréacteurs à membrane.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre AIMAR : Laboratoire de génie chimique - UMR CNRS/INP/UPS - Université Paul-Sabatier (Toulouse)
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Georges DAUFIN : Institut national de recherche agronomique - Science et technologie du lait et de l’œuf, UMR INRA - ENSA Rennes pour le paragraphe « Applications » (§ 7)
INTRODUCTION
Les opérations de séparation par membrane forment une classe assez large de techniques s’appliquant aux séparations liquide/liquide, gaz/liquide, solide/liquide ou encore gaz/gaz. Pendant longtemps, l’essentiel des opérations basées sur des membranes ont été des séparations. Plus récemment, les nouveaux matériaux développés ont été exploités comme contacteurs. Dans ce cas, ce n’est plus la sélectivité de la membrane qui est recherchée, mais sa capacité à matérialiser une interface entre des phases qui doivent échanger de la matière ou de l’énergie.
Ces séparations sont en général appréciées pour leur faible consommation énergétique et leur relativement bonne sélectivité. C’est pour cette raison que les secteurs de l’environnement et du traitement de l’eau ont adopté ces dernières années de telles technologies. Une autre caractéristique importante concerne les conditions particulièrement douces de fonctionnement, en matière de contraintes de cisaillement, de température et d’absence de changement d’état.
Les opérations de séparation par membrane doivent aujourd’hui être considérées comme des technologies avancées, performantes et avantageuses à l’usage. Leur installation et leur mise en œuvre nécessitent une attention et une expertise particulière. Moyennant cela, on obtient des procédés industriels extrêmement performants, fiables et économiques, et dont dépendent aujourd’hui plusieurs secteurs : industrie de l’eau, pharmacie, santé, alimentaire.
Cet article a pour but de fournir des informations de base aux techniciens, ingénieurs ou étudiants du domaine de l’industrie alimentaire, qui souhaitent, avant d’approfondir l’une ou l’autre de ces technologies, disposer d’un ensemble de connaissances leur permettant de comprendre des procédés existants, de dialoguer avec des fournisseurs ou encore de préparer des dossiers techniques. En cas de nécessité, des cahiers techniques plus spécifiques leur permettront d’approfondir chacun des procédés et de commencer un travail précis de dimensionnement ou d’analyser une campagne d’essais.
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Vue d’ensemble des principales applications en industrie alimentaire
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6. Bioréacteurs à membrane
Les bioréacteurs à membranes (MBR) forment une classe particulièrement illustrative du concept de procédé intégré, puisqu’ils associent dans un même appareillage des technologies existantes.
6.1 Domaines d’utilisation
Ils sont nés d’un besoin indispensable de séparer ou au moins de clarifier les milieux de fermentation en fin d’opération. Cette opération, initialement discontinue et se pratiquant en séquences, pouvait être remplacée par une clarification en continu pendant toute la durée de la bioréaction (catalyse enzymatique ou fermentation, par exemple).
Dans le domaine des réacteurs enzymatiques en particulier [12], le MBR de la réaction élimine une partie des produits au fur et à mesure, donc permet de supprimer certains inhibiteurs, par exemple, ce qui maintient l’activité enzymatique plus longtemps et économise les réactifs.
Dans le domaine des fermenteurs [13], l’une des conséquences essentielles du fonctionnement d’un MBR est sa capacité à concentrer la biomasse bien au-delà de ce que l’on pourrait attendre en réacteur simple et donc d’augmenter la productivité d’une part, mais également de modifier les métabolismes en fonction de cette concentration.
Les biocatalyseurs peuvent être soit dispersés dans le réacteur, soit immobilisés sur support granulaire ou même sur la membrane directement. Dans le cas de l’immobilisation, l’activité catalytique est en général réduite.
Dans les applications relatives à l’environnement, on peut découpler, dans un MBR, le temps de séjour hydraulique du temps de séjour des solutés. Les solutés les plus gros non dégradés par la biomasse sont retenus par la membrane, leur temps de séjour est donc allongé dans le réacteur. En contrepartie, la biomasse adapte son métabolisme à la présence en plus grande quantité de ces molécules, ce qui conduit à leur dégradation.
Les bioréacteurs à membranes sont surtout utilisés dans deux domaines industriels : les biotechnologies (incluant la pharmacie et l’agroalimentaire) et l’environnement [14] [15]. Les applications des bioréacteurs à membranes sont très nombreuses aujourd’hui : elles vont de la production d’hydrolysats de protéines laitières ou céréalières à celle d’hormones de croissance en passant par...
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Bioréacteurs à membrane
ANNEXES
Données fournies par Mme Sandrine Desclaux (Laboratoire de Génie chimique - Université Paul-Sabatier de Toulouse), extraits parus dans l’article Doc. J 2791 du traité Génie des procédés des Techniques de l’Ingénieur.
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Prix des membranes organiques d’osmose inverse
Les membranes d’osmose inverse avaient fin 2003 un prix de vente compris entre 12 et 26 US $ /m2, soit environ 10 €/m2 pour les moins chères, généralement à base de dérivés cellulosiques, et 22 €/m2 pour les composites (source : Bob Riley, ICOM’90 Proceedings, vol. II).
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Prix des membranes d’ultrafiltration
Les fourchettes de prix sont très étendues (tableau 1) selon le contexte...
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